I. Principio di funzionamento dell'essiccazione a spruzzo
L'essiccazione a spruzzo è un processo in cui gli atomizzatori disperdono il liquido in goccioline fini e il solvente evapora rapidamente in un mezzo di essiccazione caldo per formare polvere secca. Generalmente, l'essiccazione a spruzzo si compone di quattro fasi: a) atomizzazione del liquido; b) contatto e miscelazione della nebbia con il mezzo di essiccazione caldo; c) evaporazione ed essiccazione delle goccioline; d) separazione del prodotto essiccato dal mezzo di essiccazione.
Il liquido di partenza può essere una soluzione, un'emulsione o una sospensione, oppure un liquido fuso o una pasta: qualsiasi forma liquida che possa essere pompata. Il prodotto può presentarsi sotto forma di polvere, granuli, sfere cave o agglomerati.
II. Essiccatori a spruzzo comuni Gli essiccatori a spruzzo utilizzano un getto d'aria per atomizzare un liquido diluito (come una soluzione con un contenuto d'acqua pari o superiore al 75-85%) in goccioline, disperdendole in un flusso d'aria calda. Questo provoca una rapida evaporazione dell'umidità, con conseguente formazione di un prodotto solido. Il tempo di essiccazione è generalmente di pochi secondi o poche decine di secondi. Il componente chiave dell'essiccazione a spruzzo è l'ugello, principalmente centrifugo, a pressione e ad aria compressa.
1. Essiccatore a spruzzo a pressione Un essiccatore a spruzzo a pressione utilizza una pressione di 2-20 MPa per atomizzare il liquido filtrato in piccole goccioline. Queste goccioline atomizzate (con una superficie notevolmente aumentata) entrano in pieno contatto con l'aria calda, completando rapidamente il processo di essiccazione in 10-30 secondi. La polvere o i granuli fini risultanti vengono quindi separati.
2. Essiccatore a spruzzo centrifugo: L'aria passa attraverso un filtro e un riscaldatore, entrando nel distributore d'aria nella parte superiore dell'essiccatore a spruzzo centrifugo. L'aria calda entra nell'essiccatore in modo uniforme con un movimento a spirale. Il liquido di alimentazione viene pompato dal serbatoio di alimentazione attraverso un filtro fino all'atomizzatore centrifugo nella parte superiore dell'essiccatore, dove viene spruzzato in goccioline estremamente piccole. Il liquido di alimentazione e l'aria calda fluiscono in parallelo, provocando una rapida evaporazione dell'umidità e l'essiccazione del prodotto finito in tempi brevissimi. Il prodotto finito viene scaricato dal fondo della torre di essiccazione e dal separatore ciclonico, mentre i gas di scarico vengono espulsi da un ventilatore.
3. Essiccatore a spruzzo a flusso d'aria
Questo tipo di essiccatore utilizza principalmente la nebulizzazione ad alta velocità di aria o vapore acqueo da ugelli. L'attrito forza il liquido di alimentazione in goccioline finissime, consentendogli di entrare in contatto con l'aria calda per lo scambio termico. L'intero processo richiede meno di mezzo minuto. È molto efficace per materiali ad alta viscosità ed è facile da utilizzare.
III. Ambiti di applicazione degli essiccatori a spruzzo
1. Essiccazione a spruzzo per la granulazione di ceramiche speciali
La formazione del corpo verde prima della sinterizzazione dei materiali ceramici influisce direttamente sulle prestazioni del prodotto finito. Le caratteristiche della polvere influenzano notevolmente l'uniformità del corpo verde e la densità dopo la pressatura a secco. La tecnologia di granulazione a spruzzo è ampiamente utilizzata nella preparazione di polveri ceramiche speciali. La spruzzatura a pressione è comunemente utilizzata per granulare polveri ceramiche speciali. In condizioni di processo adeguate, la polvere preparata presenta una buona omogeneità chimica, elevata finezza, buona scorrevolezza ed elevata densità di compattazione, il che la rende adatta ai processi di pressatura a secco o pressatura isostatica.
2. Applicazione dell'essiccazione a spruzzo nel materiale catodico al fosfato di ferro e litio (LiFePO4) per batterie agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio sono composte principalmente da materiali catodici, materiali anodici, elettroliti e separatori. Il costo e le prestazioni dei materiali catodici limitano lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio; pertanto, la ricerca e lo sviluppo di materiali catodici sono cruciali per promuovere i progressi tecnologici nel settore delle batterie agli ioni di litio. Attualmente, i principali materiali catodici utilizzati in Cina includono ossido di litio-cobalto, ossido di litio-nichel, fosfato di ferro e litio e materiali ternari. Tra questi, il fosfato di ferro e litio presenta vantaggi quali elevata sicurezza, lunga durata del ciclo di vita, buona stabilità termica, ampia disponibilità di materie prime e basso costo, ma soffre di bassa densità apparente e scarsa conduttività a basse temperature.
Processo di preparazione semplificato del materiale catodico a base di fosfato di ferro e litio/carbonio: LiOH e FePO4 vengono aggiunti a un mulino a sfere con acqua purificata. Dopo la macinazione a sfere, viene aggiunta una certa quantità di fonte di carbonio. Dopo 3 ore di macinazione a sfere, la sospensione viene rimossa e essiccata a spruzzo in un essiccatore a spruzzo. L'essiccazione a spruzzo viene eseguita a specifiche temperature di ingresso e uscita (ingresso 200-250 °C, uscita <100 °C). Dopo l'essiccazione, il materiale viene prima calcinato a bassa temperatura per 2 ore in un forno atmosferico e poi calcinato ad alta temperatura per 6 ore per ottenere il materiale catodico LiFePO4/carbonio.
Gli esperimenti dimostrano che la fase di essiccazione a spruzzo conferisce una buona sfericità al materiale precursore prima della sinterizzazione, con una granulometria di 20-20 micrometri. In condizioni di essiccazione a spruzzo, la composizione chimica del materiale risulta relativamente uniforme. Durante la calcinazione, non si verifica alcuna transizione di fase solida tra le particelle sferiche e la produzione di grani di LiFePO4/C è confinata a una singola particella sferica, ottenendo così grani di LiFePO4/C di piccole dimensioni. Questi grani fini sono vantaggiosi per le proprietà elettriche del LiFePO4/C.
3. L'essiccazione a spruzzo per la silice precipitata (nota anche come nerofumo bianco) è un'importante materia prima di rinforzo nell'industria della gomma. Poiché la sua microstruttura e la morfologia di aggregazione sono simili a quelle del nerofumo e presenta proprietà di rinforzo analoghe nella gomma, viene chiamata nerofumo bianco. Esistono due metodi principali per la produzione di silice precipitata: essiccazione in fase gassosa ed essiccazione per precipitazione. L'essiccazione in fase gassosa produce prodotti ad alta purezza e ad alte prestazioni, ma consuma molta energia, è tecnicamente complessa e costosa.
Al contrario, l'essiccazione per precipitazione è un metodo consolidato, semplice ed economico. Tuttavia, durante il processo di essiccazione e disidratazione, le particelle ultrafini tendono ad agglomerarsi, compromettendo le prestazioni. Studi hanno dimostrato che l'essiccazione a spruzzo può produrre silice precipitata con una dispersione uniforme delle particelle, un'elevata superficie specifica e un alto valore di assorbimento d'olio, in conformità con le curve di corrispondenza raccomandate per il valore di assorbimento d'olio e la superficie specifica, rendendola adatta come agente rinforzante per pneumatici ad alte prestazioni e pneumatici colorati.
4. Applicazione dell'essiccazione a spruzzo nelle preparazioni farmaceutiche
L'essiccazione svolge un ruolo cruciale nella produzione farmaceutica, soprattutto nella medicina tradizionale cinese. Le preparazioni essiccate a spruzzo presentano le seguenti caratteristiche:
a. Buona uniformità del prodotto finito: durante l'essiccazione a spruzzo, il liquido farmaceutico viene nebulizzato in una dispersione atomizzata sotto agitazione continua, ottenendo un'essiccazione istantanea e quindi una buona uniformità.
b. Buona scorrevolezza, fluidità e solubilità del prodotto finito: durante l'essiccazione a spruzzo, l'acqua evapora rapidamente, determinando una piccola dimensione delle particelle, una buona scorrevolezza e una compressione uniforme delle compresse; ciò garantisce anche un dosaggio più preciso durante il confezionamento frazionato. A contatto con l'acqua, questa penetra più facilmente all'interno delle particelle, facilitando la dissoluzione del farmaco.
c. Processo di produzione semplificato: l'essiccazione a spruzzo consente la concentrazione e l'essiccazione in un'unica fase, con tempi di asciugatura relativamente brevi, vantaggiosi per il mantenimento dell'efficacia dei farmaci termosensibili.
d. Produzione pulita: l'ambiente chiuso di essiccazione a spruzzo elimina la contaminazione batterica del farmaco e riduce l'inquinamento da polveri nell'ambiente di lavoro.
I prodotti della medicina tradizionale cinese richiedono un elevato livello di pulizia e pertanto spesso impiegano diversi purificatori d'aria; di conseguenza, l'essiccazione a spruzzo è particolarmente adatta al processo di essiccazione nella produzione di medicinali tradizionali cinesi.