造粒方法及設備的研究進展

謝曙釗* 胥會祥 區漢東 王 寧 白旭晶 胡志新

(1.長安大學 工程機械學院 2.西安近代化學研究所)

0 引言

造粒是指對粉狀、塊狀、溶液等不同狀態的物料進行加工，獲得特定形狀和尺寸的固態顆粒的技術[1-3]。目前，市場對物料的需求越來越高，目前顆粒細微化已經成為造粒領域的研究熱點，但在物料加工過程中出現了許多技術問題，為了決解這些困難，多種造粒技術隨之出現，造粒裝置也得到了快速發展。

造粒技術已廣泛應用于醫藥、化工、化肥等工業生產，由于各行業對顆粒產品的需求不同，所使用的造粒方法也各有不同。各行業對顆粒產品的粒度、形狀和強度等各方面的需求不同，科研工作者提出了許多造粒方法，為了選擇合適的造粒方案，有必要對常用造粒方法進行深入研究。

1 造粒技術

目前，根據機理不同，造粒方法可以分為團聚造粒法、流化造粒法、擠壓造粒法、擠出造粒法、破碎造粒法、熔融造粒法和噴霧造粒法等。根據這些方法，設計了相應的造粒設備，下文將對這些方法和設備進行詳細介紹。

1.1 團聚造粒法

團聚造粒法是對物料表層噴射霧化的黏結劑而使物料發生團聚。團聚形成的微核在振動、攪拌等工序的作用下逐漸成長，最終形成所需的球形顆粒。根據結構不同，常用的團聚造粒設備可分為回轉滾筒型、回轉盤型、振動造粒型和離心造粒型。

（1）回轉滾筒型常用設備結構如圖1 所示，這種裝置具有內分級、內篩分、內返料及內破碎功能。

圖1 回轉滾筒型造粒機

（2）回轉盤型造粒是將粉料加入造粒機中，粉料在離心力、摩擦力和重力的共同作用下進行類拋物線運動。圓盤造粒機是常見的回轉型設備，主要由圓盤、主軸、電機、刮刀及機架等組成，其中圓盤具有角度和轉速可調功能，其結構如圖2 所示。影響圓盤造粒效果的主要因素是圓盤的旋轉速度、傾斜角和噴嘴孔直徑。

圖2 回轉盤型造粒機

（3）振動造粒是通過振動作用使粉料做回轉運動，從而達到造粒的目的。常用的裝置有水平振動盤式造粒機、振動攪拌型造粒機和振動輸出型造粒機，如圖3 所示。

圖3 振動造粒機

（4）離心造粒是向造粒機中加入定量的粉料，粉料在離心力、摩擦力和擋板的共同作用下，逐漸形成球狀顆粒。離心造粒法具有自動化程度高、成本低、操作靈活等優點，該方法也是目前較為常用的方法。離心造粒機由離心轉盤、離心腔及鼓風機組成，如圖4 所示。

圖4 離心造粒機

團聚造粒法的設備種類較多，不同的設備生產得到的顆粒性質也不同，如密實度、球形度、粒度、成粒率等都各不相同，總體上顆粒的強度較高，斷面為多心圓，但由于顆粒都是在團聚作用下形成的，因此致密度不高，表面也較粗糙。

影響團聚造粒的因素有很多，包括水分、黏結劑、物料尺寸和凝集狀態等。水分對顆粒間液橋的形成起決定性作用，造粒前可以用水進行預濕潤，從而提高造粒的質量。加入黏結劑則可以提高成粒率和顆粒強度，可根據需求來加入合適的量。物料尺寸是影響顆粒強度的重要因素，物料直徑越大，顆粒強度就越小。

1.2 流化造粒法

流化造粒是將熱風通過床板吹入床體內，使粉體在高速氣流中與空氣混合形成氣-固混合流體，再向流化的粉體上噴灑霧狀黏結劑使其凝聚。流化造粒法的常用裝置是流化床，如圖5 所示。

圖5 流化床

流化床設備可以進行混合、造粒、干燥，甚至是包衣等工序，該設備操作時間短，可以進行連續操作，降低了各工序間的物料轉移造成的損失。但通過該方法制得的顆粒較不規則、球形度差、密度小、粒子強度小、粒度分布較廣。影響流化造粒的因素有很多，如空氣溫度、黏合劑濃度、流化氣速率等。

1.3 擠壓造粒法

擠壓造粒是將混合料加入具有特定形狀的封閉壓模中，在外部壓力的作用下，粉體顆粒之間的空隙逐漸減小，直至粉體團聚成型。這種方法的常用設備有輥壓機、模壓機和壓片機，其結構如圖6 所示。輥壓機常用于加工大量物料，但其制品粒度不夠均勻；模壓機主要用在對成品質量、厚度、硬度和外觀有嚴格規定的場合；壓片機一般用于生產均勻片劑，特別是用于粉末冶金和塑料成型。

圖6 擠壓造粒設備

擠壓造粒是較為常用的造粒方法，該方法制得的產品具有顆粒粒徑統一、外形較為美觀、密度大、無需干燥處理等優點；其缺點是生產能力弱，容易黏渣，清理困難，對模具的磨損較大，需要施加巨大的機械力，較難制備粒徑為3 mm 以下的顆粒。影響擠壓造粒的因素有很多，如原粉的粒度分布、造粒黏結劑、操作溫度和機器內部結構等。

1.4 擠出造粒法

擠出造粒是將物料粉末與黏結劑在容器內混合并制成軟材，隨后投入具有特定孔徑的孔板或篩網（板），在擠壓力的作用下使其通過篩孔，最后再經適當的整形工藝得到均勻顆粒。常用的擠出造粒設備有螺旋擠出造粒機、旋轉擠出造粒機和搖擺擠出造粒機，如圖7 所示。螺旋擠出機較為常用，軟材在螺旋桿旋轉的作用下從多孔摸具的另一側排出，得到圓柱狀顆粒。模具的孔徑和開孔率對擠出造粒的效果影響較大。

圖7 擠出式造粒機

擠出造粒法生產得到的顆粒密度高，顆粒粒度可根據篩網進行調節，并且制得的顆粒機械強度高，內部均勻，耐壓性好，但顆粒球形度不好，需進行整形，并且造粒產品含水量較高，需要進行干燥處理。

1.5 破碎造粒法

破碎造粒是將塊狀材料粉碎成大小合適的物料，通常可分為干法造粒和濕法造粒。

干法破碎造粒是將粉料在高壓下壓成大的坯塊，然后再經高速粉碎機破碎成所需的粒度，其工作原理如圖8 所示。這種方法成粒率不高，只有50%左右，且制品顆粒形狀各異，具有銳邊棱角，流動性不佳。其優點為所得顆粒受壓均勻，顆粒完整，密度很高，而且只需使用少量黏結劑。

圖8 對輥擠壓破碎造粒

濕式破碎造粒則是先將干粉狀物料加水形成混合料，通過高速攪拌使其破碎，然后經過干燥、篩分得到所需的粒度，這種方法也被稱為攪拌混合造粒。常見的濕式破碎造粒設備為攪拌混合造粒機，如圖9所示，在該設備主要由容器、攪拌槳、切割刀等組成。該造粒過程中，混合、捏合和造粒工序在一個容器中完成，與傳統的擠出造粒相比，具有節約時間、操作簡便等優點。通過該方法制得的顆粒密度大、強度高，但顆粒的粒度均勻性及球形度不好。

圖9 攪拌混合造粒機

1.6 熔融造粒法

熔融造粒法是將熔融液體冷卻硬化后造粒[21-22]。這種方法具有設備自動化程度高、精度高、占地面積小、冷卻性能好等優點，所生產的顆粒粒度易于保持，但由于這種方法能耗大、成本高，因此僅適用于低熔點的粉料。熔融造粒設備大體可分為噴射型、噴動床型、帶式冷凝型和轉鼓型，如圖10 所示。

圖10 熔融造粒設備

影響熔融造粒的因素有很多，如溫度、添加劑等。溫度會影響熔融液的表面張力和黏度，而成粒的關鍵在于控制熔融液的溫度。添加劑的作用是提高熔融液的表面張力，加快熔融液的成粒速率，因此選擇合適的添加劑十分關鍵。

1.7 噴霧造粒法

噴霧造粒法是一種將溶液制備成顆粒的技術。溶液（或漿液、混懸液）在噴嘴或離心轉盤的作用下成為微小液滴，液滴在高溫熱風作用下形成干燥顆粒。噴霧造粒法具有可將液體直接變為固體，干燥速度快和粒度范圍分布廣等特點，廣泛應用于食品、醫藥及催化劑等行業。噴霧造粒設備中最重要的部件是霧化器，它是噴霧造粒干燥機的“心臟”。目前常用的霧化器有3 種，即氣流式霧化器、壓力式霧化器和旋轉式霧化器，如圖11 所示。3 種霧化器的區別為液體霧化的方式不同，氣流式霧化器是將壓縮空氣或蒸汽以高速噴出，氣體和液體之間的速度差會產生摩擦力，帶動液體霧化噴出。壓力式霧化器是通過高壓泵使液體在高壓狀態下噴出而霧化。旋轉式霧化器通過高速轉盤使液體在離心力的作用下甩出，從而使其霧化。影響噴霧造粒的因素有很多，如噴霧壓力、造粒溫度、噴嘴、流化氣速和黏合劑濃度等。

圖11 霧化器結構圖

2 造粒方法對比

表1 為以上造粒方法相關特征的對比情況。

表1 造粒方法對比

通過表1 可以發現，流化造粒、團聚造粒方法不能滿足顆粒密度的要求；擠出造粒、擠壓造粒法所得到的顆粒整體上性能都較好；擠出造粒、攪拌破碎造粒所得到的顆粒球形度較差，且攪拌造粒污染大、效率低；熔融造粒的能耗大、成本高，且對于原料的熔點有一定要求；噴霧造粒法只適用于原料為溶液。

3 總結

本文針對目前主流的造粒方法，從機理、優缺點、設備及影響因素進行了介紹，并對各種方法進行了比較，可為選擇合適的造粒方案提供參考。