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流化床在线设备改造

导演叫我趴下脸着地

2020/09/03
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近红外光谱（NIR）

流化床在线设备改造

常规的顶喷式制粒流化床的主要组成系统分为温度控制系统、喷雾系统以及其他控制系统等。主要的结构有底锅、喷嘴、空气进出口、滤袋、取样口等，需要调整的工艺参数比较少，因此操作比较简单。在制粒过程中，粘合剂在蠕动泵和压缩空气的作用下经过喷嘴喷到处于流化状态的物料上，使得粉末在粘合剂的作用下和周围粉末聚并成粒子核，粒子核与粒子核之间慢慢形成比较大的颗粒。继续向流化床内部喷入粘合剂，使得颗粒和颗粒之间，颗粒与粒子核之间发生聚并作用形成更大的颗粒。同样，粘合剂喷入量过少，在进风量和温度等工艺参数的影响下，聚并的颗粒也会破碎，变成小颗粒和小的粒子核。颗粒生长过程如下。

本实验采用的是山东新马制药装备有限公司的实验型流化床（LGL 002），设备实物图如上图。

此流化床设备操作简单方便，但是缺乏信息采集装置，不能及时准确地得到颗粒的水分含量，而且制粒过程中需要进行操作的实时工艺参数数据也不能够及时记录，这样就无法对每一时刻的工艺参数数据与颗粒的水分含量进行关联分析，影响颗粒水分含量的关键工艺参数不能掌握，对制粒工艺也就不能有更为充分的理解。为了及时获取相关的颗粒水分信息和工艺参数信息，需要对流化床进行改造。

安装近红外光谱仪

为了获得流化床制粒过程中颗粒的实时水分数据，需要在流化床设备上添加近红外光谱仪用于实时在线获取颗粒的近红外光谱数据。NIRS在线分析光谱采集方式主要有接触式和非接触式两种，非接触式主要通过从流化床的视镜进行对颗粒的采谱，接触式是将近红外探头安装到流化床底锅内部，直接与颗粒接触进行采谱。

本文选用微型近红外光谱仪(MicroNIR PAT-U)在流化床制粒过程中采集颗粒的光谱数据进行水分含量的在线监测。与传统的近红外仪器相比，MicroNIR PAT-U体积较小、方便携带、质量较轻，对生产过程不会产生太大影响，因此在实际生产中适合用来对颗粒进行监测。温度对近红外仪器具有较显著的影响[50]，同一个仪器在不同的温度条件下采集到的光谱也会所差异。流化床内温度比较高，并且随着实验过程物料温度在不断变化，如果直接将近红外探头与物料进行接触，采集到的光谱会有较大的误差，对实验结果的准确性也会产生影响。因此，为了尽可能地减少温度对近红外仪器的影响，将MicroNIR PAT-U外接探头，让近红外仪器不与物料直接接触，从而可以采集到较为稳定和准确的光谱数据。MicroNIR PAT-U与探头的连接方式为螺纹连接，在距离探头顶端与底锅厚度相同的地方安装材料为聚四氟乙烯的密封圈，保证采集光谱过程中的密封性与可靠性。MicroNIR PAT-U和探头的整体安装图如下图所示。

为了采集颗粒的光谱，要将近红外探头伸入流化床内部，这就需要在流化床的底锅上进行打孔，孔的直径要比探头的直径大0.2~0.3mm，使得生产过程中探头不会发生晃动，保证光谱采集位置的一致性。孔的位置要尽量与取样口保持在同一条水平线上，这样可以减小近红外仪器采集的光谱数据与物料离线测量的数据在外部环境条件下的差异，尽可能减少采集数据的误差。探头具体的安装位置如下图所示。

近红外探头吹扫装置

在物料未成粒之前，粉末状的物料具有很强的粘附性，随着实验的进行，粉末会粘附在近红外探头上，从而对光谱的正确性产生严重的影响。这就要求在制粒过程中及时地清除掉粘附在探头上的粉末以消除这种不利影响。然而，频繁地把探头拿出来手动擦净不但会影响探头地使用寿命，而且由于光谱地采集是一个连续的过程，这样做反而会更加影响光谱数据的准确性。因此，流化床上安装近红外探头吹扫装置是非常有必要的。

上节已经提到，近红外探头伸入流化床的长度与底锅的厚度一样，因此，近红外探头与底锅内壁是平行的。在近红外探头孔内径的下方孔壁上开一个直径为5mm的小孔，设计一个端部带螺纹的空心装置，外部接上吹入压缩空气的橡胶管，用于在制粒过程中对探头的吹扫，使物料尽量少的粘附在探头上。吹扫装置的原理示意图及安装实物图如图所示。

吹扫装置要设置适当的吹扫频率和吹扫时间，并不是频率越快、时间越长越好。吹扫频率太快，每次吹扫时间过长，可能在探头采集光谱的时间段，刚好物料被吹扫装置吹跑，使得近红外探头实际采集的为空气的光谱，这会对结果造成较大的误差。近红外探头采集光谱的时间大约在2s左右，因此设置吹扫装置的脉冲频率设置在15s吹一次，每次吹1s为最适宜频率。

工艺参数采集装置

流化床制粒过程中使用的工艺参数比较少，因此每个工艺参数都对颗粒质量属性产生重要的影响。在制粒过程中，流化床的主要工艺参数有雾化压力、蠕动泵流量、进风温度、排风温度、进风量和物料温度。为了获取这些工艺参数数据，需要在流化床的相应位置上安装风量传感器、温度传感器、流速计、压力表等。流化床工艺参数采集装置的原理示意图如下图所示。

进风温度、排风温度、风量的传感器，流量计和压力表都是安装在流化床系统内部，只有物料温度传感器需要在制粒的过程中将传感器加入到流化床内部。物料温度传感器采用热电偶式，为了测量流化床制粒过程中物料的温度，也需要在底锅上进行打孔，使温度传感器伸入到流化床内部，通过与物料直接接触的方式感受物料的温度并转换成可用于输出的信号。传感器孔的位置尽可能与近红外测量的位置在同一水平线上，保证测量的物料温度与近红外探头测量的物料是同一状态下的。物料温度传感器如下图所示。

物料温度传感器暴露在外部，容易受外部环境的影响。为了确保传感器的稳定性和可靠性，保证在制粒过程中传感器不会发生晃动，需要对物料温度传感器增加固定装置。采用管夹作为温度传感器的增固装置，如上图所示。

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