I. Werkingsprincipe van sproeidrogen
Sproeidrogen is een proces waarbij verstuivers een vloeibare grondstof in fijne druppeltjes verspreiden. Het oplosmiddel verdampt vervolgens snel in een heet droogmedium, waardoor droog poeder ontstaat. Over het algemeen bestaat sproeidrogen uit vier fasen: a) verstuiving van de vloeibare grondstof; b) contact en menging van de nevel met het hete droogmedium; c) verdamping en droging van de druppeltjes; d) scheiding van het gedroogde product van het droogmedium.
De grondstof kan een oplossing, emulsie of suspensie zijn, of een gesmolten vloeistof of pasta – elke vloeibare vorm die verpompt kan worden. Het product kan bestaan uit poeder, korrels, holle bollen of agglomeraten.
II. Gangbare sproeidrogers Sproeidrogers gebruiken een sproeier om een verdunde vloeistof (zoals een oplossing met een watergehalte van 75-85% of hoger) te vernevelen tot druppels, die vervolgens in een hete luchtstroom worden verspreid. Hierdoor verdampt het vocht snel, wat resulteert in een vast product. De droogtijd bedraagt over het algemeen slechts enkele seconden tot tientallen seconden. De sproeier is het belangrijkste onderdeel van het sproeidrogen, voornamelijk centrifugaal-, druk- en luchtstroomsproeiers.
1. Druksproeidroger Een druksproeidroger gebruikt een druk van 2-20 MPa om gefilterde vloeistof te vernevelen tot kleine druppels. Deze vernevelde druppels (met een aanzienlijk groter oppervlak) komen volledig in contact met de hete lucht, waardoor het droogproces binnen 10-30 seconden snel is voltooid. Het resulterende poeder of de fijne korrels worden vervolgens gescheiden.
2. Centrifugale sproeidroger: Lucht stroomt door een filter en verwarmer en komt vervolgens in de luchtverdeler aan de bovenkant van de centrifugale sproeidroger terecht. De hete lucht stroomt gelijkmatig in een spiraalvormig patroon de droger binnen. De voedingsvloeistof wordt vanuit de voedingstank via een filter naar de centrifugale verstuiver aan de bovenkant van de droger gepompt, waar deze tot extreem kleine druppeltjes wordt verneveld. De voedingsvloeistof en de hete lucht stromen parallel, waardoor het vocht snel verdampt en het eindproduct in zeer korte tijd droogt. Het eindproduct wordt aan de onderkant van de droogtoren en de cycloonafscheider afgevoerd, terwijl de uitlaatgassen door een ventilator worden afgevoerd.
3. Luchtstroomsproeidroger
Dit type droger maakt voornamelijk gebruik van het snel vernevelen van lucht of waterdamp uit sproeiers. Door wrijving wordt de voedingsvloeistof tot fijne druppeltjes geperst, die in contact komen met hete lucht voor warmte-uitwisseling. Het hele proces duurt minder dan een halve minuut. Het is zeer effectief voor zeer viskeuze materialen en is eenvoudig te bedienen.
III. Toepassingsgebieden van sproeidrogers
1. Sproeidrogen voor de granulering van speciale keramische materialen
De vorming van het groene lichaam vóór het sinteren van keramische materialen heeft een directe invloed op de prestaties van het eindproduct. De eigenschappen van het poeder beïnvloeden in grote mate de uniformiteit van het groene lichaam en de dichtheid na droogpersen. Sproeigranulatietechnologie wordt veel gebruikt bij de bereiding van speciale keramische poeders. Drukspuiten wordt vaak gebruikt om speciale keramische poeders te granuleren. Onder geschikte procesomstandigheden vertoont het bereide poeder een goede chemische homogeniteit, hoge fijnheid, goede vloeibaarheid en hoge compactheid, waardoor het geschikt is voor droogpersen of isostatisch persen.
2. Toepassing van sproeidrogen in lithiumijzerfosfaat (LiFePO4) kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen
Lithium-ionbatterijen bestaan hoofdzakelijk uit kathodematerialen, anodematerialen, elektrolyten en separatoren. De kosten en prestaties van kathodematerialen beperken de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen; daarom is onderzoek en ontwikkeling van kathodematerialen cruciaal voor het stimuleren van technologische vooruitgang in lithium-ionbatterijen. Momenteel zijn de belangrijkste kathodematerialen in China lithiumkobaltoxide, lithiumnikkeloxide, lithiumijzerfosfaat en ternaire materialen. Lithiumijzerfosfaat heeft voordelen zoals goede veiligheid, een lange levensduur, goede thermische stabiliteit, ruime beschikbaarheid van grondstoffen en een lage prijs, maar heeft als nadeel een lage stortdichtheid en een slechte geleidbaarheid bij lage temperaturen.
Eenvoudig bereidingsproces van lithiumijzerfosfaat/C-kathodemateriaal: LiOH en FePO4 worden met gezuiverd water in een kogelmolen gedaan. Na het malen wordt een bepaalde hoeveelheid koolstofbron toegevoegd. Na 3 uur malen wordt de slurry verwijderd en in een sproeidroger gedroogd. Het sproeidrogen vindt plaats bij specifieke inlaat- en uitlaattemperaturen (inlaat 200-250 °C, uitlaat <100 °C). Na het drogen wordt het materiaal eerst 2 uur bij lage temperatuur in een atmosfeeroven gecalcineerd en vervolgens 6 uur bij hoge temperatuur gecalcineerd om LiFePO4/C-kathodemateriaal te verkrijgen.
Experimenten tonen aan dat de sproeidroogstap het precursor-materiaal een goede bolvormigheid geeft vóór het sinteren, met een deeltjesgrootte van 20-20 micrometer. Onder sproeidroogomstandigheden is de chemische samenstelling van het materiaal relatief uniform. Tijdens de calcinatie vindt er geen faseovergang plaats tussen de bolvormige deeltjes en de korrelvorming van LiFePO4/C blijft beperkt tot een enkel bolvormig deeltje, waardoor kleine LiFePO4/C-korrels ontstaan. Deze fijne korrels zijn gunstig voor de elektrische eigenschappen van LiFePO4/C.
3. Sproeidrogen voor geprecipiteerd siliciumdioxide (ook bekend als wit roet) is een belangrijke versterkende grondstof in de rubberindustrie. Omdat de microstructuur en aggregatiemorfologie vergelijkbaar zijn met die van roet en het vergelijkbare versterkende eigenschappen heeft in rubber, wordt het wit roet genoemd. Er zijn twee belangrijke methoden voor de productie van geprecipiteerd siliciumdioxide: gasfasedrogen en precipitatiedrogen. Gasfasedroging produceert zeer zuivere, hoogwaardige producten, maar verbruikt veel energie, is technisch complex en kostbaar.
Neerslagdroging daarentegen is een beproefde, eenvoudige en kosteneffectieve methode. Tijdens het droog- en dehydratatieproces zijn ultrafijne deeltjes echter gevoelig voor agglomeratie, wat de prestaties beïnvloedt. Studies hebben aangetoond dat sproeidrogen geprecipiteerd silica kan produceren met een uniforme deeltjesverdeling, een groot specifiek oppervlak en een hoge olieabsorptiewaarde, conform de aanbevolen olieabsorptiewaarde en specifieke oppervlaktecurves. Dit maakt het geschikt als versterkingsmiddel voor hoogwaardige banden en gekleurde banden.
4. Toepassing van sproeidrogen in farmaceutische preparaten
Drogen speelt een cruciale rol in de farmaceutische productie, met name in de traditionele Chinese geneeskunde. Sproeigedroogde preparaten hebben de volgende kenmerken:
a. Goede uniformiteit van het eindproduct: Tijdens het sproeidrogen wordt de farmaceutische vloeistof onder continu roeren tot een vernevelde dispersie verneveld, waardoor onmiddellijke droging en een goede uniformiteit worden bereikt.
b. Goede vloei-, losheids- en oplosbaarheid van het eindproduct: Tijdens het sproeidrogen verdampt water snel, wat resulteert in kleine deeltjes, een goede vloei- en losmaakbaarheid van de tabletten; dit zorgt ook voor een nauwkeurigere dosering tijdens het verpakken in fracties. Wanneer het in contact komt met water, dringt het gemakkelijker door in het binnenste van de deeltjes, waardoor de oplossing van het geneesmiddel wordt bevorderd.
c. Vereenvoudigd productieproces: Sproeidrogen maakt concentratie en droging in één stap mogelijk, en de droogtijd is relatief kort, wat gunstig is voor het behoud van de werkzaamheid van warmtegevoelige geneesmiddelen.
d. Schone productie: De gesloten sproeiomgeving elimineert bacteriële besmetting van het geneesmiddel en vermindert stofvervuiling in de werkplaats.
Producten van traditionele Chinese geneeskunde vereisen een hoge mate van hygiëne en maken daarom vaak gebruik van meerdere luchtreinigers; sproeidrogen is daarom zeer geschikt voor het droogproces in de productie van traditionele Chinese geneeskunde.