喷雾干燥系统
技术领域
[0001] 本发明涉及干燥设备技术领域，尤其涉及一种喷雾干燥系统。
背景技术
[0002] 喷雾干燥是采用雾化器将原料液分散为雾滴，并用高温空气干燥雾滴而获得产品的一种干燥方式，可广泛应用于中药浸膏、热敏性物料、生物制药以及食品行业等干燥过程中，具有简化干燥工艺、缩短工艺时间、提高生产效率和产品质量等诸多优点。传统喷雾干燥设备是依靠以煤、石油、或天然气为燃料的蒸汽锅炉产生蒸汽加热空气后充当干燥热源，能源消耗量大且环境污染严重。因此，开发一种新型高效、节能环保的喷雾干燥系统是行业的大势所趋。
发明内容
[0003] 为了解决现有技术中存在的能源消耗量大且环境污染严重的问题，本发明实施例提供了一种喷雾干燥系统。
[0004] 根据本发明的一个实施例，提供了一种喷雾干燥系统，包括：自然工质循环子系统、循环风子系统和物料干燥子系统，其中，所述循环风子系统包括送风段与回风段，所述送风段的入口端与所述自然工质循环子系统中的回热器的出口端热耦合，所述送风段的出口端与所述自然工质循环子系统中的气冷器的入口端热耦合；所述回风段的入口端与所述物料干燥子系统连接，所述回风段的出口端与所述回热器的入口端热耦合，所述物料干燥子系统还与所述气冷器的出口端热耦合。
[0005] 根据本发明的一个实施例，所述自然工质循环子系统还包括压缩机和节流器，其中，所述压缩机的两端和所述节流器的两端分别与所述气冷器和所述回热器连接，以使所述回热器、所述节流器、所述气冷器和所述压缩机构造成自然工质循环回路。
[0006] 根据本发明的一个实施例，沿所述送风段的入口端至出口端的方向，在所述送风段上依次串联安装有冷却器、气液分离器、第一过滤器和第一风机。
[0007] 根据本发明的一个实施例，沿所述回风段的入口端至出口端的方向，在所述回风段上依次串联安装有第二过滤器和第二风机。
[0008] 根据本发明的一个实施例，所述物料干燥子系统包括：雾化干燥器、设置在所述雾化干燥器上游的配料子系统、以及设置在所述雾化干燥器下游的旋风分离器，其中，所述气冷器的出口端和所述配料子系统均连接所述雾化干燥器的入口端，所述雾化干燥器的第一出口端与所述旋风分离器的入口端连接并且第二出口端与外部连通，所述旋风分离器的第一出口端连接所述回风段的入口端并且第二出口端与外部连通。
[0009] 根据本发明的一个实施例，所述配料子系统包括配料罐和给料泵，其中，所述给料泵设置在所述配料罐和所述雾化干燥器之间。
[0010] 根据本发明的一个实施例，所述回热器、所述节流器、所述气冷器和所述压缩机构造成的所述自然工质循环回路中充填有二氧化碳，所述压缩机为活塞式或单螺杆式压缩机，所述气冷器和所述回热器为套管式换热器或板式管壳式换热器。
[0011] 根据本发明的一个实施例，所述冷却器为翅片式换热器或板式换热器。
[0012] 根据本发明的一个实施例，所述给料泵为螺杆式泵，所述雾化干燥器上设置有气扫结构，所述旋风分离器上设置有折流板结构。
[0013] 根据本发明的一个实施例，还包括控制子系统，所述控制子系统包括：设置在所述循环风子系统上的温度传感器和风速传感器、以及收集所述温度传感器和所述风速传感器采集到的风温数据和风速数据的PLC控制柜。
[0014] 本发明实施例提供的喷雾干燥系统，通过设置自然工质循环子系统，实现了能量的循环迁移和利用；通过设置循环风子系统实现了水分的迁移和吸收，热效率大幅提高，降低了能源消耗；采用非化石燃料驱动，避免了传统化石燃料燃烧对环境造成的污染；同时，采用闭式循环风系统，避免了空气杂质对物料的污染，减轻了空气净化压力，设备使用不受环境空气湿度影响，设备对环境的适应性更强。
附图说明
[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016] 图1为本发明实施例提供的喷雾干燥系统的结构示意图。
[0017] 附图标记说明：
[0018] 11-压缩机；12-气冷器；13-节流器；14-回热器；21-冷却器；22-气液分离器；23-第一过滤器；24-第一风机；25-第二过滤器；26-第二风机；31-配料罐，32-给料泵，33-雾化干燥器；34-旋风分离器；331-雾化干燥器的第一入口端；332-雾化干燥器的第二入口端；333-雾化干燥器的第一出口端；334-雾化干燥器的第二出口端；341-旋风分离器的入口端；342-旋风分离器的第一出口端；343-旋风分离器的第二出口端。
具体实施方式
[0019] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0021] 此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
[0022] 现参照图1，对本发明提供的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。
[0023] 图1为本发明实施例提供的喷雾干燥系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的喷雾干燥系统包括：自然工质循环子系统、循环风子系统和物料干燥子系统，其中，循环风子系统包括送风段与回风段，送风段的入口端与自然工质循环子系统中的回热器14的出口端热耦合，送风段的出口端与自然工质循环子系统中的气冷器12的入口端热耦合；回风段的入口端与物料干燥子系统连接，回风段的出口端与回热器14的入口端热耦合，物料干燥子系统还与气冷器12的出口端热耦合。
[0024] 具体地，本发明实施例提供的喷雾干燥系统，包括：自然工质循环子系统、循环风子系统和物料干燥子系统，其中，自然工质循环子系统实现能量的迁移与转换，物料干燥子系统中的蒸汽潜热通过循环风子系统传递至自然工质循环子系统，与自然工质循环子系统进行热交换。
[0025] 循环风子系统包括送风段与回风段，送风段的入口端与自然工质循环子系统中的回热器14的出口端热耦合，送风段的出口端与自然工质循环子系统中的气冷器12的入口端热耦合，循环风经过气冷器12后与气冷器12中的高温自然工质进行热交换形成热干循环风。回风段的入口端与物料干燥子系统连接，回风段的出口端与回热器14的入口端热耦合，在回热器14中循环回风与回热器14中的低温自然工质进行热交换，以使循环回风降温并除湿。物料干燥子系统还与气冷器12的出口端热耦合，以将物料进行干燥，并将物料干燥子系统中多余的蒸汽潜热传递给循环风，实现物料的除水干燥和水分的迁移吸收。
[0026] 本发明实施例提供的喷雾干燥系统，通过设置自然工质循环子系统，实现了能量的循环迁移和利用；通过设置循环风子系统实现了水分的迁移和吸收，热效率大幅提高，降低了能源消耗；采用非化石燃料驱动，避免了传统化石燃料燃烧对环境造成的污染；同时，采用闭式循环风系统，避免了空气杂质对物料的污染，减轻了空气净化压力，设备使用不受环境空气湿度影响，设备对环境的适应性更强。
[0027] 参照图1，在本发明的一个实施例中，自然工质循环子系统还包括压缩机11和节流器13，其中，压缩机11的两端和节流器13的两端分别与气冷器12和回热器14连接，以使回热器14、节流器13、气冷器12和压缩机11构造成自然工质循环回路。
[0028] 具体地，压缩机11的入口端与回热器14的出口端相连接，压缩机11的出口端与气冷器12的入口端相连接，气冷器12的出口端与节流器13的入口端相连接，节流器13的出口端与回热器14的入口端相连接，形成自然工质循环回路。回热器14中的低压自然工质经过压缩机11之后变为高温高压的自然工质，高温高压的自然工质经过气冷器12与循环风热交换使得循环风成为热干循环风，然后经过热交换的低温自然工质流经节流器13后，在回热器14中与高温状态的循环风进行热交换以使高温状态的循环风降温、除湿，再经过压缩机11往复循环，实现了能量的迁移与转换。
[0029] 在本发明的一个实施例中，回热器14、节流器13、气冷器12和压缩机11构造成的自然工质循环回路中充填有二氧化碳，可选地，自然工质为二氧化碳，二氧化碳的质量流量优选为1300-1500kg/h，制热量为40-45kW。压缩机11为活塞式或单螺杆式，压缩机11装机功率为11kW，压缩机11排气温度优选130-140℃，排气压力优选130-160bar。气冷器12采用套管式换热器，换热面积为1m2；回热器14采用板式管壳式换热器，换热面积为1m2。
[0030] 参照图1，在本发明的一个实施例中，沿送风段的入口端至出口端的方向，在送风段上依次串联安装有冷却器21、气液分离器22、第一过滤器23和第一风机24，沿回风段的入口端至出口端的方向，在回风段上依次串联安装有第二过滤器25和第二风机26。
[0031] 具体地，循环风子系统包括送风段和回风段。沿送风段的入口端至出口端的方向，回热器14的出口端与冷却器21的入口端连接，从回热器14中流出的循环风首先经过冷却器21，去除循环风中多余的蒸汽潜热热量，保持系统热量平衡，冷却方式可采用风冷或水冷方式，可选地，采用风冷方式时，冷却器21采用翅片式换热器；采用水冷方式时，冷却器21采用板式换热器。
[0032] 冷却器21的出口端与气液分离器22的入口端连接，从冷却器21中流出的循环风，经过气液分离器22后，可分离去除循环风除湿后的液体水分。
[0033] 气液分离器22的出口端与第一过滤器23的入口端连接，第一过滤器23的出口端与第一风机24的入口端连接，第一风机24的出口端与气冷器12的入口端连接。从气液分离器22流出的循环风，经过第一过滤器23后，实现对颗粒状物质的过滤，起到保护第一风机24的作用，以及防止对物料造成污染，同时防止颗粒状物质进入气冷器12，对气冷器12造成堵塞。
[0034] 进一步地，在本发明的一个实施例中，冷却器21为翅片式换热器或板式换热器。可2
选地，冷却器21采用板式换热器，冷却方式采用水冷方式，冷却器21换热面积为1m。气液分离器22中设置丝网分离器，分离器直径为700mm，分离器高度为2000mm，丝网厚度为150mm。
循环风量优选为2500-3500m3/h，第一风机24采用轴流式，风压优选200-500pa，风机装机功率0.55kW。
[0035] 本发明实施例提供的喷雾干燥系统，通过设置循环风送风段，能够将回热器14中流出的循环风回收多余潜热、实现气液分离、并对气体进行过滤，进而在气冷器12中将循环风与高温二氧化碳工质进行热交换形成热干循环风。
[0036] 沿回风段的入口端至出口端的方向，第二过滤器25的入口端连接物料干燥子系统的出口端，第二过滤器25的出口端连接第二风机26的入口端，第二风机26的出口端连接回热器14的入口端。从物料干燥子系统流出的多余的蒸汽经过第二过滤器25后，实现对颗粒状物质的过滤，起到保护第二风机26，防止回热器14和冷却器21堵塞的作用。
[0037] 进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，循环风量优选2500-3500m3/h，第二风机26采用轴流式，风压优选200-500pa，风机装机功率0.55kW。
[0038] 本发明实施例提供的喷雾干燥系统，通过设置循环风回风段，能够将物料干燥子系统中的多余的蒸汽潜热进行过滤，然后传递至回热器14中，与回热器14中的低温二氧化碳工质进行热交换，以使循环风降温除湿。通过设置循环风子系统实现了水分的迁移与去除。
[0039] 继续参照图1，在本发明的一个实施例中，物料干燥子系统包括：雾化干燥器33、设置在雾化干燥器33上游的配料子系统、以及设置在雾化干燥器33下游的旋风分离器34，其中，气冷器12的出口端与雾化干燥器33的第二入口端332连接，配料子系统的出口端与雾化干燥器33的第一入口端331连接，雾化干燥器33的第一出口端333与旋风分离器34的入口端341连接并且雾化干燥器33的第二出口端334与外部连通，旋风分离器34的第一出口端342连接回风段的入口端并且旋风分离器34的第二出口端343与外部连通。
[0040] 具体地，配料子系统包括配料罐31和给料泵32，其中，给料泵32设置在配料罐31和雾化干燥器33之间。
[0041] 配料罐31中含有水分的物料经过给料泵32运输至雾化干燥器33中形成雾状，经过气冷器12进行热交换形成的热干循环风通过雾化干燥器33的第二入口端332进入雾化干燥器33中，雾化干燥器33采用高速离心式雾化器，雾化干燥器33设置有气扫装置，能够清除粘接的物料，对雾化干燥器33内壁进行抛光处理和水冷处理，降低物料粘壁风险。雾状物料与热干循环风充分接触，完成瞬间干燥，形成粉状成品。粉状成品从雾化干燥器33的第二出口端334流出，部分粉尘与循环风通过雾化干燥器33的第一出口端333进入至旋风分离器34中，旋风分离器34上设置有折流板结构，能够提高分离效率。进一步地，在本发明的一个实施例中，旋风分离器34采用多级分离，以达到预期除尘效果。在旋风分离器34中分离出的粉状成品从旋风分离器34的第二出口端343流出，旋风分离器34的第一出口端342连接第二过滤器25的入口端，使得旋风分离器34中多余的蒸汽潜热经过过滤后进入第二风机26，然后流经第二风机26后进入到回热器14中，实现对旋风分离器34中多余的蒸汽潜热的降温、除湿。
[0042] 进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，给料泵32采用螺杆式泵，给料泵32扬程优选40-50m，流量优选0.1m3/h。
[0043] 本发明实施例提供的喷雾干燥系统，通过设置物料干燥子系统，实现了物料的输入与输出，接收待处理的原始高含水物料，经雾化干燥除水后，再经雾化干燥器33的第二出口端334排出，部分粉尘与循环风进入旋风分离器34中，实现气固分离，得到预定的干粉物料并通过第二出口端343排出。
[0044] 在本发明的一个实施例中，喷雾干燥系统还包括控制子系统，控制子系统包括：设置在循环风子系统上的温度传感器和风速传感器、以及收集温度传感器和风速传感器采集到的风温数据和风速数据的PLC控制柜。
[0045] 具体地，通过设置PLC控制柜，能够实现循环风风温和风速的精准控制，最终实现对物料干燥工艺的精准控制。本发明实施例提供的喷雾干燥系统，采用闭式循环系统，设备受外界环境影响较小，设备负荷和工艺运行参数可精准快速调节，能够保持物料活性特别是热敏性物料的活性，提高了药品质量。
[0046] 以下以一个具体的实施例，详细说明本喷雾干燥系统的工作原理：
[0047] 配料罐31中的带有水分的物料经过给料泵32后通过雾化干燥器33的第一入口端331传输至雾化干燥器33中形成雾状物料，在气冷器12中与高温的二氧化碳工质进行热交换形成的热干循环风通过雾化干燥器33的第二入口端332进入雾化干燥器33中与雾状物料充分接触，完成瞬间干燥，形成粉状成品。粉状成品从雾化干燥器33的第二出口端334流出，部分粉尘与循环风通过雾化干燥器33的第一出口端333进入至旋风分离器34中，在旋风分离器34中分离出的粉状成品从旋风分离器34的第二出口端343流出，旋风分离器34的第一出口端342连接第二过滤器25的入口端，使得旋风分离器34中多余的蒸汽潜热经过过滤后进入第二风机26，然后流经第二风机26后进入到回热器14中与低温的二氧化碳工质进行热交换，实现对旋风分离器34中多余的蒸汽潜热的降温、除湿。
[0048] 降温除湿后的循环风经过冷却器21冷却后，在气液分离器22中实现气液分离，分离的循环风经过第一过滤器23过滤后流经第一风机24在气冷器12中进行热交换形成热干循环风,热干循环风通过雾化干燥器33的第二入口端332进入雾化干燥器33中，继续对含有水分的物料进行干燥，如此往复循环，实现物料的干燥与水分的迁移与吸收。
[0049] 以下具体举例，详细说明本发明在质量控制、节能效果和运行费用节约等方面的优势。
[0050] 以中药浸膏喷雾干燥为例，采用本专利提供的方法与传统喷雾干燥方法在质量控制、节能效果和运行费用节约等方面展开对比分析如下：
[0051] 已知某药厂中药浸膏采用传统喷雾干燥方法，进料浸膏含水率为60％；处理量：50kg/H；蒸发水量为：30kg/H；进料浸膏比重为1.23；当前采用蒸汽锅炉供能，蒸汽能耗为
80kg/H(170℃)。采用本发明方法，取代了传统方式的化石燃料锅炉供能单元，采用的是二氧化碳热泵电驱动方式，耗电量主要是二氧化碳压缩机，耗电量为10kW·h/H，采用闭式循环方式进行喷雾干燥，风温更低且可实现精准控制，有利于保持中药有效成分，提高产品质量。
[0052] 计算依据:蒸汽价格为0.24元/kg蒸汽；电价格为0.7元/kW·h电；蒸汽与标煤的折算关系为0.145kg标煤/kg蒸汽；电与标煤的折算关系为0.35kg标煤/kW·h电。
[0053] 传统喷雾干燥方式下节能与运行成本计算如下：
[0054] 每小时运行成本：80×0.24＝19.2元/小时
[0055] 蒸发吨水运行成本：19.2÷30×1000＝640元/吨水
[0056] 每小时标煤消耗：80×0.145＝11.6kg标煤/小时
[0057] 蒸发吨水标煤消耗：11.6÷30×1000＝386.7kg标煤/吨水
[0058] 本实施例喷雾干燥方式下节能与运行成本计算如下：
[0059] 每小时运行成本：10×0.7＝7.0元/小时
[0060] 蒸发吨水运行成本：7.0÷30×1000＝233.3元/吨水
[0061] 每小时标煤消耗：10×0.35＝3.5kg标煤/小时
[0062] 蒸发吨水标煤消耗：3.5÷30×1000＝116.7kg标煤/吨水
[0063] 本实施例的喷雾干燥方法与传统对比如下：
[0064] 运行成本节约百分比：(19.2-7)÷19.2＝63.54％
[0065] 标煤消耗节约百分比：(11.6-3.5)÷11.6＝69.83％
[0066] 本实施例的喷雾干燥方法与传统方法对比如下表1：
[0067] 表1处理量为50kg/H中药浸膏喷雾干燥方法对比
[0068]
[0069] 从上述节能计算可知，与采用蒸汽锅炉的喷雾干燥系统相比，本发明采用自然工质二氧化碳高温热泵技术的闭式循环风喷雾干燥系统，工艺控制更加精准，运行费用大幅降低、节能效果显著提高。
[0070] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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