CN103420725B - 一种用于连续化生产包膜控释肥料的多喷头喷动床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连续化生产包膜控释肥料的多喷头喷动床。所述喷动床包括长方体型的喷动床体，其底部设有多个喷动室；所述喷动室底部分别与进气管连通，其上方分别设有喷头；所述喷动室上方、各喷头之间设有挡板。本发明喷动床充分利用颗粒流态化现象，将喷动床的优势集中为一个整体，设备结构紧凑，控制简单；该设备内部结构能够有效控制包膜过程中颗粒返混和停留时间，解决转鼓流化床流态化差和颗粒碰撞影响膜层质量，以及间歇式流化床或喷动床产能低等问题。

Description

一种用于连续化生产包膜控释肥料的多喷头喷动床

技术领域

本发明涉及包膜肥料生产设备技术领域，特别涉及一种用于连续化生产包膜控释肥料的多喷头喷动床。

使用本发明设备可以将聚合物材料雾化到肥料颗粒表面上制备具有控释性能的包膜肥料。本发明设备主要用于颗粒表面包覆，尤其适合于连续化的生产包膜控释肥料。

背景技术

流化床包覆设备广泛应用在国民经济的各个领域中。为了满足各种包覆操作的需求，目前已经开发了许多不同结构特征的流化床。流化床作为包覆设备，一般包括气体分布室、气体分布板、流化室、放大段、内构件及进出料口等部分。根据具体的工艺要求，其结构和内构件存在很大的差异。

在上世纪初，流化床设备就用来对小颗粒材料进行干燥或包衣处理。Faber在1925年申请的专利“干燥流化床工艺”（US1546922）中就介绍了一种流化床，该设备具有热空气入口和四个喷雾口，主要来对含盐溶液进行干燥处理。Marshall在1951年获授权的专利“颗粒材料包膜的工艺和设备”（US2579944）中描述了一套包衣设备，用于将含有各种溶液态物质喷到移动流化床中的颗粒表面形成包衣的设备系统。最为典型的是Wurster于1953年获授权的专利“用于包裹食用药片或类似物的方法”（US2648609）中设计的流化床设备，其特点是压缩气经流化床底部旋转气流分布板进入流化床，使从侧面进入的粉体、阿拉伯树胶和糖溶液混合，在粉体表面包裹上一层包衣。此后，在1963、1964和1966年Wurster还分别获得了“均一粒子颗粒化和包衣工艺”、“流化床颗粒包衣设备”和“颗粒包膜工艺”三项专利（US3089824，US3117027，US3253944）。基于上述技术成果的工艺和设备直到现在还广泛用于悬浮溶液的颗粒化、干燥、包衣等加工制造业，流化床干燥设备、包衣设备普遍应用于制药、种子包衣和包膜肥料生产等行业中。

在包膜控释肥料生产领域，普遍使用喷动床作为包膜设备。1974年Chissoasahi肥料公司申请的专利“包衣肥料的生产方法”（US4019890）中，介绍了使用流化床将聚烯烃溶液喷涂到肥料颗粒表面，制备控释肥料的方法，涉及喷动床设备为柱锥型结构，内部设置导流筒。2007年，曹一平对制备控释肥料的喷动床包膜成套设备（CN101037371A）进行了详细介绍，包括供风单元、雾化单元、喷动床包膜单元和溶解回收处理单元。

为了提高流化床的生产能力，1991年Shirley等人开发过连续包膜肥料生产设备（US5211985）。该设备由完全分割开的四个流化室相连而成，底部是气流分布板，保证肥料颗粒呈流化态，并逐室推进，从第四室出料口出料，颗粒肥料在这个流化过程中被包膜。喷动床因受喷动气体入口不宜超过150mm的限制，按照床层高径比的最优设计方案，单个喷动床直径不宜超过1200mm，因此常将几个喷动床串联，以此提高喷动床的产能。为此2004年北京市农林科学院徐秋明研究员发明了“颗粒连续包衣设备”（CN2615134U），该设备则是由三台喷动床错落并列排放，喷动床之间设置一个可以开闭的闸板阀，由此来实现颗粒从一个塔到另一塔的转移。

另外，挪威Hydro公司（US5653781）和日本东洋公司（US7582237B2）开发的大颗粒尿素制备技术中，则采用了立柱型流化床作为设备。挪威Hydro公司所采用的立柱型流化床底部为流化气体分布室，流化气通过气体分布板将尿素颗粒流化，通过布置在气体分布板上的4个喷嘴将熔融尿素喷涂在尿素颗粒上，制备大颗粒尿素，流化床被分割为4个造粒隔间和1个后续干燥颗粒隔间。日本东洋公司所采用的流化床设备与之相比，不同之处在于：流化床底部除了设置流化气体分布室以外，还另外设置了喷动气流，喷动气流分三路进入流化床，喷嘴布置在喷动气流管中。这两种设备用于制备大颗粒尿素，制备过程中尿素颗粒经过反复多次包覆，粒径逐步增长，最终符合粒径要求的被筛分出来作为产品，而小颗粒再次返回包覆，大颗粒则粉碎反料熔融喷涂包覆。该设备在操作中，因其优异的干燥能力，适合使用含水量高的料浆来造粒，因此在大颗粒尿素生产中得到推广应用。但是这类设备不能用来制备聚合物包膜肥料，因为该设备对于颗粒在流化床中的返混程度，停留时间长短不能有效控制。三菱金属株式会社在1985年申请的中国专利（CN85108482A），涉及多室型流化床设备，其内部结构差异较大，主要用于铀矿的筛选，在此不细述。

用于连续包覆操作的设备还有转鼓流化床。TVA最早的硫包衣尿素就是利用转鼓工艺进行包覆的，1971年开发了150kg/h的转鼓包膜中试设备，1975年转鼓包膜装置的生产能力已经可达2t/h。法国Kaltenbach-Thuring公司在1986年开发了流化转鼓造粒工艺（FDG），用于大颗粒尿素的生产。王亭杰等人也发明了一种转鼓流化床造粒方法及装置（CN1498676A），用于大颗粒尿素和包膜控释肥料生产。

综上所述，目前用于包膜肥料生产的设备主要是Wurster流化床、喷动床、转鼓流化床及立柱型流化床。这些设备作为包膜设备存在一些缺点：

1、间歇式单室流化床（Wurster流化床）或者喷动床包膜存在的缺点是：间歇操作，产能低，产品质量存在批次差异。流化床与喷动床相比，还存在颗粒混合均一性稍差的缺点。

2、现有连续流化床或喷动床只是简单将多个床体串联，物料从上一个床体进入下一个床体需要特殊构件加以人为控制，属于半连续化操作，没有充分利用颗粒流态化现象，使其自动逐步从一端流向另一端。

3、立柱型流化床在包覆过程中的缺点是：颗粒返混严重；停留时间不能有效控制。

4、转鼓流化床包膜存在的缺点是：颗粒流化状态差；颗粒翻滚碰撞不利于膜层形成。

发明内容

为了满足喷雾包膜工艺对于颗粒流化状态、返混和停留时间较高的要求，实现连续化、大产能的生产需要，本发明的目的在于开发一种可用于连续化包膜操作的新型喷动床包膜设备。既能使颗粒充分流化，又能有效控制颗粒的返混，既能保障停留时间均一，又能使包膜操作连续化进行，提供一个可控能力强、运行稳定、经济可行的连续化包膜设备。

本发明设计了一种锥底多喷头长方体喷动床，包括：立方体型气体分布室，多个方锥型喷动流化室，长方体型的喷动床体，锥柱状放大段，进出料口，进出风口，以及喷头和挡板内部构件等几个大的部分。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于连续化生产包膜控释肥料的多喷头喷动床，所述喷动床包括长方体型的喷动床体，其底部设有多个喷动室；所述喷动室底部分别与进气管连通，其上方分别设有喷头；所述喷动室上方、各喷头之间设有挡板。

为了克服传统喷动床喷射口直径、床层高径比的设计限制，本发明将传统圆柱型喷动床体设计为长方柱型床体，通过微分底部喷动区，将整个床体拆解为若干个小的喷动床，但是总体上又为一整体结构。喷动床体长宽高分别为L、S、H，其取值范围需要满足如下要求：床体宽度S取200～800mm，高宽比值H/S在2～4之间，长宽比值L/S为5～100的整数，具体取值由设备产能决定，例如生产5～10万吨/年的包膜肥料，L/S在20～60之间。

本发明控制颗粒流化状态及其停留时间的核心构件在于该喷动床床体下部喷动流化区的微分设计，本发明将床体底部微分成立锥型结构，构成若干喷动室。

所述喷动室为上大下小的立锥体结构，锥体上部为正方形口，锥底为圆形口。所述圆形口直径取值范围为50～200mm；其锥度优选为45°～75°。喷动室的数量由喷动床体的长宽比值L/S决定。

每个喷动室的上方分别设置1～2个喷头。来自包膜材料管路的一种或者多种物料，进喷嘴腔体被压缩气雾化喷涂到处于流化状态的颗粒表面。

本发明所述挡板宽度为S，高度为0.2～0.5S。挡板安放的位置可以上下调节，喷动室上部正方形边的垂直距离的取值范围在30～200mm之间，最佳取值范围是50～100mm。挡板倾斜角度可以调整，与竖直方向的倾斜角度为0°～45°。倾斜挡板能够引导喷动气流有一个侧向速度，使颗粒从床体前端进入后，经过第一喷动室做喷泉运动的同时，有利于进入一个喷动室，从而引导颗粒逐步通过流化床，有效控制其停留时间。挡板倾斜角度结合流化气量，以及物料进出速度，能够决定颗粒的最终停留时间。

所述进气管与喷动室之间设有喷动气体分布室；所述喷动气体分布室与喷动室之间通过筛板或丝网隔开；所述筛板或丝网的开孔率优选为50～95%。

每个喷动室对应一个独立的喷动气体分布室。喷动气体分布室结构为正方体型，边长为S，并列排布，整体构成长度L、宽度为S，高度为S的立方体型。各个喷动气分布室上部与喷动室底部圆形口对应开圆形口，喷动气体分布室与喷动室之间设置开孔率为50%～95%的筛板或丝网。喷动气分布室下部正中开气体入口，下接来自供气总管的分支管道，管道上安装自动控制阀门，分别单独控制每路气体流量。特殊情况下，也可以不设置气体分布室，而将各支路管道与喷动室底部圆口通过法兰直接连接，受控气流直接进入喷动室。

所述喷动床体的上方为放大段。所述放大段分为三部分，其中部为长方体型的柱状结构，其长度为L，宽度为2S，高度为1～2S；下部为方台体结构，方台体上口与中间部分衔接（宽为2S，长度为L），其下口与喷动床体连接（宽为S，长度为L），台体高度为1～1.5S；上部为锥体结构，自然过渡收拢，下口与中间部分衔接（宽为2S，长度为L），上底为宽S、长L/2的闭封面，高度为1～1.5S，其上口设置多个排气口。

所述排气口通过管道与排气总管道连接，进入旋风除尘设备；排气口与管道连接处设置孔径小于16目的丝网。

所述喷动床体前端设置人孔。人孔优选为方形结构，配置密封门用来开闭。

所述人孔上方设置进料口。进料口接受来自提升机输送的物料。

所述喷动床体后端最后一个喷动室侧面设置出料口。出料口可安装各种放料阀，包括搪玻璃展式阀门、插板放料阀门等。

优选地，所述喷动床体两侧，接近喷动室的位置，设置观察口。

所述喷动床沿喷动床体的宽度方向设置多列长方体型床体，每列床体之间首尾相接，形成列阵排列的整体；或，单列首尾相接成环形排列的整体。

根据上述结构特征构成的锥底多喷头长方体喷动床，可以用于各种颗粒包覆和干燥操作，尤其适用于较大颗粒状物料的包膜和烘干操作，比如肥料包膜、药物包衣、谷物烘干、小麦和玉米等的烘干等。

下面以聚合物为膜材，对大颗粒尿素进行包膜处理制备控释肥料为例，介绍一下本发明多喷头喷动床的工作状况如下：

（1）大颗粒尿素由提升机输送至进料口，在重力作用下，自由滑落进入第一喷动室。

（2）在该喷动室可以完成对大颗粒尿素的一些前处理，比如：预热，在热空气作用下，借助喷动床优良的换热能力，大颗粒尿素在第一喷动室内很快被加热到包膜工艺所需要的温度。

（3）在大颗粒尿素加入第一喷动室后，受垂直方向的喷动气流的影响，主要做上下的喷泉运动，少部分颗粒在侧向挡板的作用下开始进入下一个喷动室；随着大颗粒尿素的逐步加入，第一喷动室锥斗被大颗粒尿素填满，继续加入后，多余的大颗粒尿素将溢出进入下一喷动室。

（4）由于挡板的作用，可以控制颗粒不总是做垂直上下运动，因而会逐步进入下一个喷动室；控制适当的流化气量，可以改善颗粒在某一喷动室流化的剧烈程度，有效调节颗粒平均停留时间长短。

（5）按照上述的流化状况，大颗粒尿素会逐步充满第二喷动室，而进入下一喷动室，循序渐进，直到进入最后一个喷动室。当喷动室较少的时候，单颗粒的停留时间在统计学上差异较大；当喷动室较多的时候，颗粒的停留时间趋于平均。根据工艺要求单独控制各个喷动室的流化气量，控制流化工艺参数可以很好的实现颗粒逐步通过喷动室，不会出现某些颗粒直接通过床层而流出，不能完成包膜操作的现象，也无颗粒长期滞留于床体内，不能放出，出现包膜过厚的情况。

（6）颗粒在各个喷动室内，承受喷头分布的包膜材料，实现均匀涂层成膜，或者实现反应成膜。

（7）在最后一个喷动室，可以根据包膜工艺的要求进行包膜后处理，比如冷却处理，或者防粘处理。喷动气可以使用未经加热的空气，对出料前的包膜颗粒进行冷却处理。

（8）包膜处理完成后，由卸料口连续放出，进入卸料斗，经过皮带秤可以直接包装，储存。

与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

本发明以喷动床为基础，将传统柱锥型喷动床结构设计为方柱锥底多喷头喷动床。本发明喷动床充分利用颗粒流态化现象，将喷动床的优势集中为一个整体，设备结构紧凑，控制简单。该设备内部结构能够有效控制包膜过程中颗粒返混和停留时间，解决转鼓流化床流态化差和颗粒碰撞影响膜层质量，以及间歇式流化床或喷动床产能低等问题。

附图说明

图1是本发明所述的多喷头喷动床的正面示意图；

图2是本发明所述的多喷头喷动床的侧面示意图。

图中：1-喷动床体；2-喷动室；3-喷动气体分布室；4-进气管；5-放大段；6-排气管；7-人孔；8-进料口；9-出料口；10-观察孔；11-喷嘴；12-挡板。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

如图1和图2所示，一种用于连续化生产包膜控释肥料的多喷头喷动床，所述喷动床包括长方体型的喷动床体1，其底部设有多个喷动室2；所述喷动室2底部分别与进气管4连通，其上方分别设有喷头11；所述喷动室2上方、各喷头11之间设有挡板12。

所述喷动室2为上大下小的立锥体结构，锥体上部为正方形口，锥底为圆形口；其锥度优选为45°～75°；圆形口直径取值范围优选为50～200mm。

所述喷动床体1的长宽高分别为L、S、H；S为200～800mm，高宽比值H/S为2～4，长宽比值L/S为5～100。

每个喷动室2的上方分别设置1～2个喷头11。

所述挡板12与竖直方向的倾斜角度为0°～45°。

所述进气管4与喷动室2之间设有喷动气体分布室3；所述喷动气体分布室3与喷动室2之间通过筛板或丝网隔开；所述筛板或丝网的开孔率优选为50～95%。

所述喷动床体1的上方为放大段5；所述放大段5分为三部分，其中部为长方体型的柱状结构；下部为方台体结构，其下口与喷动床体1连接；上部为锥体结构，其上口设置多个排气口6。

所述排气口6通过管道与排气总管道连接，进入旋风除尘设备；排气口6与管道连接处设置孔径小于16目的丝网。

所述喷动床体1前端设置人孔7；人孔7为方形结构。

所述人孔7上方设置进料口8。

所述喷动床体1后端最后一个喷动室侧面设置出料口9。

所述喷动床体1两侧，接近喷动室的位置，设置观察口10。

所述喷动床沿喷动床体1的宽度方向设置多列长方体型床体，每列床体之间首尾相接，形成列阵排列的整体；或，单列首尾相接成环形排列的整体。

具体实施例1锥底多喷头长方体喷动床实验装置设计方案

设计一台生产能力为50kg/h的锥底多喷头长方体喷动床，用于实验室研究。具体的设计方案是：床体长度L为1000mm，宽度S为200mm，高度H为800mm，喷动床底部划分成5个喷动室，喷动室底部圆口直径为80mm，锥度为68°。喷动室下部设置5个喷动气分布室与喷动室对应，底部与DN80mm的进气管连接。流化床上部为放大段，设置一个排气口，排气口直径为DN200mm。床体前段设置进料口，后端设置出料口。每个喷动室底部与气体分布室直接用筛板分隔开，筛板正中设置一多流体雾化喷嘴，用丝扣固定在筛板中央，该雾化喷嘴主要部分处于气体分布室中。该雾化喷嘴包含一个压缩气入口，两个物料进口，物料在喷嘴腔体内部混合，混合后快速被压缩气雾化。

利用上述设备，采用两种颜色的大颗粒尿素（白色和绿色），使用该装置进行冷态实验，研究该装置连续操作过程中颗粒的停留时间和混合特性。实验在室温下进行，设定喷动气流速为200m³/h，压缩气压为0.2MPa，流量为120L/h，让流化床处于工作状态；然后以2kg/min的速度将白色大颗粒尿素从进料口逐步加入，一边加入，一边记录颗粒流动情况。当白色颗粒填充满最后一个喷动室以后，开始将白色更换绿色大颗粒尿素，加入后，每隔1分钟取一次样，一共取5次。实验结果如表1所示。

表1喷动床中颗粒置换数量分布情况表

由表1可见，当绿色颗粒以2kg/min的速度加入喷动床后，第一个喷动室的置换情况为：在第一分钟取样时，既有22%被置换，随着绿色颗粒的连续加入，其置换比例之递增为38%、59%、73%、91%，由此可见随着新颗粒的逐步加入，喷动室内颗粒逐步被新加入的颗粒替换，替换速度与时间成正相关。第二喷动室的情况类似，与第一喷动室相比，整体滞后约一分钟。第三喷动室相对而言，混合增强，替换速度减慢，但是替换速度与时间依然成正相关。第四喷动室和第五喷动室跟第三喷动室的结论一致。另外，第一分钟取样时，第二喷动室将会出现一定比例的绿色颗粒，同样在第三、四喷动室均存在少量绿色颗粒，这说明有很少一部分颗粒会快速通过喷动床。因此，此类流化床不应有较快的物料添加速度，为了保证混合的均匀性，应该让颗粒在床内有较长的停留时间。

为了优化颗粒分布情况，修改实验参数，首先调整喷动气流速为150m³/h，压缩气压为0.2MPa，流量为80L/h，让流化床处于工作状态。然后以1kg/min的速度将白色大颗粒尿素从进料口逐步加入，颗粒的流化状态接近于带喷泉流的蠕动流化。实验结果如表2所示。

表2优化实验中喷动床中颗粒置换数量分布情况表

减低流化气量和压缩气量以后，颗粒流动状态减弱，加之颗粒加料速度减慢，颗粒从一室进入下一室的速率明显减缓。第一喷动室内，在2、4、6、8、10分钟取样时（颗粒平均停留时间为10分钟），绿色颗粒百分率分布为21%、39%、56%、78%、94%。采用直线回归，绿色颗粒百分数与取样时间的关系为：y=0.0954x，r=0.998，说明替换量与时间成正比例关系。其它各喷动室有类似规律，相关系数也较高。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及操作方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及操作方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及操作方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (19)

1.一种用于连续化生产包膜控释肥料的多喷头喷动床，其特征在于，所述喷动床包括长方体型的喷动床体(1)，其底部设有多个喷动室(2)；所述喷动室(2)底部分别与进气管(4)连通，其上方分别设有喷头(11)；所述喷动室(2)上方、各喷头(11)之间设有挡板(12)；

通过微分底部喷动区，将整个床体拆解为若干个小的喷动床，但是总体上又为一整体结构；

所述喷动室(2)为上大下小的立锥体结构，锥体上部为正方形口，锥底为圆形口。

2.如权利要求1所述的多喷头喷动床，其特征在于，其锥度为45°～75°。

3.如权利要求1所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述圆形口直径取值范围为50～200mm。

4.如权利要求1所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述喷动床体(1)的长宽高分别为L、S、H；所述S为200～800mm，高宽比值H/S为2～4，长宽比值L/S为5～100。

5.如权利要求1-3之一所述的多喷头喷动床，其特征在于，每个喷动室(2)的上方分别设置1～2个喷头(11)。

6.如权利要求1-3之一所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述挡板(12)与竖直方向的倾斜角度为0°～45°。

7.如权利要求1-4之一所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述进气管(4)与喷动室(2)之间设有喷动气体分布室(3)。

8.如权利要求7所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述喷动气体分布室(3)与喷动室(2)之间通过筛板或丝网隔开。

9.如权利要求8所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述筛板或丝网的开孔率为50～95％。

10.如权利要求1-4之一所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述喷动床体(1)的上方为放大段(5)。

11.如权利要求10所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述放大段(5)分为三部分，其中部为长方体型的柱状结构；下部为方台体结构，其下口与喷动床体(1)连接；上部为锥体结构，其上口设置多个排气口(6)。

12.如权利要求11所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述排气口(6)通过管道与排气总管道连接，进入旋风除尘设备。

13.如权利要求12所述的多喷头喷动床，其特征在于，排气口(6)与管道连接处设置孔径小于16目的丝网。

14.如权利要求1-4之一所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述喷动床体(1)前端设置人孔(7)。

15.如权利要求14所述的多喷头喷动床，其特征在于，人孔(7)为方形结构。

16.如权利要求15所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述人孔(7)上方设置进料口(8)。

17.如权利要求1-4之一所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述喷动床体(1)后端最后一个喷动室侧面设置出料口(9)。

18.如权利要求1-4之一所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述喷动床体(1)两侧，接近喷动室的位置，设置观察口(10)。

19.如权利要求1-4之一所述的多喷头喷动床，其特征在于，所述喷动床沿喷动床体(1)的宽度方向设置多列长方体型床体，每列床体之间首尾相接，形成列阵排列的整体；或，单列首尾相接成环形排列的整体。