[发明专利]浆料的低成本高效率超临界喷雾干燥方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种浆料干燥分离方法，特别涉及一种浆料的低成本高效率超临界喷雾干燥方法及设备。

背景技术

多数干燥工艺通过媒介干燥材料，常用媒介为热空气，被干燥材料如果含有有机溶剂、空气和可燃有机溶剂混合可能起火燃烧爆炸，所以这种情况下真空干燥或惰性气体循环干燥是常用的工艺，真空状态下没有气体的对流热传导，加热效率低，虽然液体的沸点可以降低，传热速度是干燥的律速过程，所以整体干燥速度还是非常慢。通过氮气、CO₂、氩气等惰性气体循环加热干燥以及回收溶剂，由于需用热源加热惰性气体、是间接加热，所以热损失高和效率低及规模较难扩大。

较低成本的纳米粉体的生产工艺为湿法，例如水热法及液相共沉淀法等等，其工艺伴生大量溶剂的干燥需求，现有干燥工艺会造成纳米粒子的团聚，而且该团聚很难再分散。通过使用低临界点溶剂在临界点以上温度干燥可以制得分散性良好的粉体，通常溶剂为CO₂和低沸点有机溶剂，其工艺方法为把被干燥的浆料置入高压釜内，在超临界温度下慢慢排出泄掉所有溶剂至完全干燥(例如CN1281547C)。这种方法虽然可以制得所需易分散纳米粉体以及气凝胶和气凝胶颗粒，由于溶剂的排放速度慢、生产效率并不高。

自从1869年Andrews首先发现临界现象以来，各种研究工作陆续开展起来，其中包括1879年Hannay和Hogarth测量了固体在超临界流体中的溶解度，1937年Michels等人准确地测量了CO2近临界点的状态等等。在纯物质相图上，一般流体的气－液平衡线有一个终点——临界点，此处对应的温度和压力即是临界温度(Tc)和临界压力(Pc)。当流体的温度和压力处于Tc和Pc之上时，那么流体就处于超临界状态(supercritical状态，简称SC状态)。超临界流体的许多物理化学性质介于气体和液体之间，并具有两者的优点，如具有与液体相近的溶解能力和传热系数，具有与气体相近的黏度系数和扩散系数。

超临界液体的气化相图如图1所示，液体加热至超临界状态后、绝热增容或减压其将维持气体状态，气体与固体分相，气体在膨胀的过程中离开体系，固体则留在体系内，这是超临界干燥的机理。由于超临界状态和气体的粘度非常低，粒子颗粒不会由于液体的粘性粘在一起造成强烈团聚，所以此法干燥的粉体更容易分散。

常见的溶剂临界点如表1，水的临界点高于370℃和22兆帕，非常高，对于设备和能耗的需求也高，所以多数情况下不适合作为超临界干燥。乙醇、异丙醇、己烷等的临界温度低于250℃，压力也不高于5、6兆帕，较适合作为超临界干燥溶剂，其它有机溶剂的临界点基本高于250度和4兆帕，与水比较干燥条件还是比较温和。二氧化碳的临界温度在室温附近，压力仅7.4兆帕，是常用的超临界抽提干燥溶剂，在纳米粉体的合成反应里，CO₂并非合适的溶剂，难以溶解原材料的酸碱盐，氨的临界点很低，由于碱性强经常参与反应，水、醇、有机酸等对这些原材料有较高的溶解度进行水热、沉淀、凝胶等各种反应，所生成的纳米粉浆料溶剂含量高，质量分数可能高于70％，甚至95％以上。这些高粘度浆料不适合传统方法干燥，因为纳米粉会结成难以分散的凝聚颗粒和块，现行超临界干燥生产效率低，不适合大规模生产，惰性气体保护下的喷雾干燥、由于是间接加热则热效率较低，设备复杂以及成本高。

表1：溶剂的临界点

发明内容

本发明提供了一种浆料的低成本高效率超临界喷雾干燥方法，该方法适合大量分离和干燥有机浆料。

本发明还提供一种实现所述方法的设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种浆料的低成本高效率超临界喷雾干燥方法，所要干燥的浆料升温升压至所用溶剂的超临界状态，然后在喷雾干燥塔内进行雾化迅速产生气固分离，粉体通过多级回收与溶剂蒸汽分离，溶剂蒸汽经过冷凝回收。