外部混合式加压双流体喷嘴以及喷雾干燥方法与流程

外部混合式加压双流体喷嘴以及喷雾干燥方法发明领域本发明涉及一种用于借助液体压力和气体来使液体雾化的外部混合式加压双流体喷嘴，该喷嘴包括：一条内部供液管道，该内部供液管道在一个上游端部与一个下游端部之间轴向延伸并且具有一条供液导管、一个定位在该上游端部处的供液入口以及一个定位在该下游端部处的供料孔口；和一条同轴第一气体管道，该第一气体管道在该内部供液管道外部径向延伸并且在该第一气体管道与该内部供液管道之间形成一条第一气体导管，该第一气体管道具有定位在该下游端部处的一个气体出口狭缝。本发明另外涉及一种通过使用外部混合式加压双流体喷嘴来产生喷雾干燥粉末的喷雾处理方法，该外部混合式加压双流体喷嘴是用于借助液体压力和气体来产生液体液滴。另外，本发明涉及所述外部混合式双流体喷嘴用于产生喷雾干燥粉末的用途。发明背景喷雾干燥是一种干燥过程，其中涉及颗粒形成和干燥两者。它涉及将一种供料、尤其是一种液体浓缩物雾化成喷雾并且使得该喷雾与干燥介质之间形成接触。通过使用一个喷嘴，可以实现该喷雾的形成(雾化)并且实现喷该雾与干燥介质的接触。气动喷嘴雾化涉及到使用高速气体来冲击一种液体供料。该高速气体产生高摩擦力并且使该液体供料分裂成喷雾液滴。该供液被认为是在两个阶段中破裂。第一阶段涉及将液体供料撕裂成细丝和大液滴。第二阶段通过使得这些液体形式破裂成越来越小的液滴来完成雾化。整个过程受到这种液体供料的表面张力、密度、压力以及粘度的量级以及该气体流的速度和密度的量级所影响。各种设计技术均可用来产生液-气接触的所需条件，以便实现雾化。如在凯斯·马斯特斯(KeithMasters)所著书籍“喷雾干燥(Spraydrying)”,1991年版,第251页中所披露的，这些设计可以分成4个类别：(1)内部混合，其中液体供料和雾化气体是在喷嘴头内进行接触。(2)外部混合，其中液体供料和雾化气体是在喷嘴头外进行接触。(3)组合式内部与外部混合，是通过在喷嘴头(三流体喷嘴)内使用两种雾化气体流。(4)气动杯雾化，其中供液和雾化气体在旋转的喷嘴头的轮缘处进行接触。不同设计技术提供了最终雾化产品的不同特性并且导致最终雾化产品的不同结果。在前两个类别中，供液和雾化气体分开地通向喷嘴。此类喷嘴(通常是指双流体喷嘴(TFN))尤其用于在喷雾干燥设施和流体床附聚中使液体雾化。这些液体可以处于溶液、分散体或纯物质的形式。具体来说，双流体喷嘴在以下情况中进行使用：在雾化流体时、在目标是细小液滴时、或在需要处于雾化气体形式的额外雾化能量来使流体破裂成液滴时。第三和第四类别的喷嘴设计并不是本申请的主题。比起外部混合式TFN，内部混合式TFN具有以下优点：它是在气体与液体进入干燥室的周围大气之前混合这两种流体。然而，由于内部混合导致设备发生额外磨损，因此提供内部混合的喷嘴并不同样适于处理磨蚀性供料。带有内部气体/液体混合的常规双流体喷嘴还会引起干透并且因此阻塞该混合室的风险。内部混合式喷嘴提供了有效进行液-气反应的可能性、但在通量方面受到内部沟道和通道尺寸的限制。喷嘴中的旨在用来改进气-液混合的内部零件也会干扰流动，从而使得液滴大小分布的跨度增大。通常，内部零件使得处理、清洁变得复杂并且引起磨损。此外，粘性液体供料可能难以处理。内部混合型喷嘴的多个实例在本领域中是众所周知的。美国专利第7,694,944号(GEANiro)披露了一种喷嘴，其中气体是在该喷嘴的轴向方向上进行供应的。这种喷嘴包括一个混合室、一个或多个液体入口以及相对于该混合室的至少一个切向气体入口。在一种可商购的内部混合式喷嘴中，雾化气体是在一条单独管道中切向地供应的，这构成了该喷嘴的径向尺寸。此外，这种现有喷嘴的混合室包括由结构条件所导致的多个边缘和多个障碍。国际公开申请WO00/58014披露了处于一种喷嘴形式的一种喷雾器，该喷嘴具有相对于混合室的一个切向气体入口和多个横向液体入口。这种喷嘴由于该喷嘴的几何形状而具有不充分的混合。用于评估双流体喷嘴性能的指标是：平均液滴大小、液滴大小分布的跨度以及相当重要的气体比消耗，该气体比消耗表示用来使给定量的液体雾化的气体量，又被称作气体与供料的比。除了着重于产品品质的这些指标之外，双流体喷嘴的生产能力也是非常重要的——尤其是从商业观点上看。此外，日益增长的对清洁技术的关注以及日益增长的能量价格对于在通过喷雾方法进行操作并且生产时的能量消耗提出了额外的要求。气体和液体的接触和混合是外部混合式TFN遭到限制的所在。当气体出口中的间隙变得大到使得较大部分气体流失到干燥室的周围大气之中而非与液体发生反应时，外部混合式TFN(其中气体在典型地穿过一个环形开口而离开喷嘴之后与液体混合)遭到限制。对于外部混合式TFN，气体的自由膨胀具有以下缺点：部分气体流失到周围环境之中，而非增加能量以使液体破裂。在现有技术中，这种问题已经得到关注。另一类型的喷嘴利用液体的加压作用，这意味着该供料浓缩物是在压力下被供给到喷嘴的。压能被转化成动能，并且供料从喷嘴孔口中呈高速膜涌出，由于该膜并不稳定，所以该膜易于分裂成喷雾。来自处理高供料速率的压力喷嘴的喷雾通常均匀性更差并且更粗。EP408801B1提出一种低加压液体内部混合式双流体喷嘴，这种喷嘴即使在启动阶段过程中施加低压的情况下也可良好运作，产生了小液滴。该喷雾喷嘴单元配备有位于压力喷嘴与空气喷嘴之间的一个气体狭缝，以便使得排出的空气流的一部分进行漩涡运动。本发明涉及一种有效使用了雾化气体的高加压液体外部混合式双流体喷嘴。在本领域内众所周知的是，气动喷嘴的缺点在于压缩空气的高成本和低的喷嘴效率。此外，若干已有的、常规的双流体喷雾喷嘴单元的一个缺点是在要求非常细小的液滴时，其通量是有限的。本发明的目标在于提供一种外部混合式加压双流体喷嘴，该喷嘴是节能的、在提供高通量的同时仍能产生细小液滴。发明概述本发明涉及一种用于借助液体压力和气体来使液体雾化的外部混合式加压双流体喷嘴，该喷嘴包括：一条内部供液管道，该内部供液管道在一个上游端部与一个下游端部之间轴向延伸并且具有一条供液导管、一个定位在该上游端部处的供液入口以及一个定位在该下游端部处的供料孔口；和一条同轴第一气体管道，该第一气体管道在该内部供液管道外部径向延伸并且在该第一气体管道与该内部供液管道之间形成一条第一气体导管，该第一气体管道具有定位在该下游端部处的一个气体出口狭缝。该喷嘴进一步包括一条同轴第二气体管道，该第二气体管道在该第一气体管道外部径向延伸并且在该第二气体管道与该第一气体管道之间形成一条第二气体导管，该第一气体导管在该上游端部处是封闭的并且该第二气体导管在该下游端部处是封闭的，其中该第一气体导管和该第二气体导管通过一个或多个狭槽相连接，该一个或多个狭槽被适配成用于提供气体流的漩涡运动。已证明，用根据上文提及的设计的外部混合式双流体喷嘴进行的喷雾干燥过程在提供高生产能力的同时保持所希望的平均粒径和跨度。在用于外部混合的现有技术喷嘴中，在喷雾干燥应用中细小颗粒的产生使得通量受到限制，这是因为增加的液体流动要求该气体出口中的间隙变得更大或可替代地要求增大压力。结果是，较大部分的气体流失到周围大气之中，而非与液体发生反应。然而，对于根据本发明的外部混合式双流体喷嘴，该出口狭缝处的气体流型被设计成要求一种减小的气体流动，由此确保在以实质性的压力供应该供液时与该液体的反应增加。根据本发明，通过升高的液体压力对液体进行预先雾化以便形成一个薄膜，随后借助于加压气体将该薄膜雾化成细小液滴。在具有正常液体压力的现有技术喷嘴中，这种预先雾化并非在同一程度上形成。典型地，在现有技术喷嘴中的液滴形成主要是由于气体的高速度造成的，在高通量下，这种液滴形成经受如在背景部分中所提出的多种限制(尤其是不完全雾化)，从而导致粒径更大并且分布更广。出乎意料地，本发明的外部混合式双流体喷嘴形成了跨度小的粉末。这种跨度表示了粒径分布有多宽。针对具体粒径，希望的是窄的分布。液滴大小的宽分布通常是不利的。对于本发明的喷嘴而言，按照(d90-d10)/d50进行评估的跨度通常被发现是处于从1至2的范围内。在该喷嘴的这两个气体导管内，通过引导气体流穿过连接了这两个气体导管的一个或多个狭槽而产生了漩涡运动。根据本发明的加压双流体喷嘴所提供的雾化机构的设计和效力使得能够在工业上适用的供料速率下对高粘度的液体进行雾化。另外，液体的预先雾化的形成与气体的全漩涡运动相结合，使得能够在低气体流速下对液体供料进行雾化。根据本发明的喷嘴的另一优点在于，由于该喷嘴将会非常适于处理磨蚀性供液，所以高剪切雾化是在该喷嘴本身之外发生，并且干透以及由此引起的喷嘴堵塞的风险由于气体与液体之间的外部接触而得以避免。在本发明的一个优选方面，该气体出口狭缝和该供料孔口基本上处于同一水平位置。这个特征的效果在于确保了外部混合，即供液和雾化气体是在该喷嘴的敏感部件的外部进行混合。该内部供液管道可以相对于该第一气体管道的尖端在无关紧要的程度上(如+/-5mm)回缩或伸出。通常，该内部供液管道、该第一气体管道以及该第二气体管道是同心的并且是管形的。这种同心的并且管形的设计实现了对雾化气体的均匀处理，这样使得沿着该气体出口狭缝的流型是均匀的。此外，在多个优选实施例中，该气体出口狭缝是环形的，以便形成均匀的气体分散体，从而使得一团液滴在该干燥室的有限体积内形成。根据本发明的一方面，连接该第一气体导管与该第二气体导管的该一个或多个狭槽相对于该内部供液管道的外表面切向地延伸。这个特征使该一个或多个狭槽适合于，一旦气体从该第二气体导管流动穿过该一个或多个狭槽并且进入该第一气体导管中，就使该气体进行漩涡运动。如果该喷嘴具有一个以上的狭槽，那么重要的是这些狭槽在同一方向上相对于该内部供液管道切向地延伸，这表示所有狭槽应当使该气体在同一顺时针或逆时针方向上围绕该内部供液管道流动，从而加强该气体的漩涡运动。根据本发明的双流体喷嘴使整个气体流流动穿过被适配成用于提供漩涡运动的该一个或多个狭槽。诸位发明人发现，比起仅仅使得部分气体流动穿过用于提供漩涡运动的装置(如EP408801中提出的)，本发明的设计提供了一种增强的漩涡运动。这又导致该喷嘴的整体气体流降低。然而，由于通过将液体供料加压而对液体进行预先雾化，因此所需的雾化气体的量处于较低水平。不过，气体的漩涡运动通过向液体赋予漩涡/旋转运动而使该液体的雾化得到改进。该一个或多个狭槽可以被定向为相对于水平面成一个向上角度或向下角度，如+/-5°或更多。这些单独的狭槽可以沿着该第一气体管道被置于不同水平高度上。通过在该喷嘴的下游端部处提供一个会聚部分，可以使平均液滴大小分布和液滴大小分布的跨度两者得到改进。这种会聚可以是相对于竖直平面以5°至80°或更优选地以10°至45°的角度实现。本发明的双流体喷嘴可以用任何合适的材料来制备。然而，对于高度磨蚀性的供液，可能有利的是至少该内部供液管道的磨损部分采用一种耐磨材料，如陶瓷材料。为了使得本发明的喷嘴适合于各种处理条件和供液，该内部供液管道和/或该第一气体管道可以是可替换的和/或被适配成用于接收一个或多个插件，和/或该第二气体管道外壁被适配成用于安装在一个喷枪之中。这种设计可以是带有多个同心管道和一个如在此处所述被安装在该下游端部中的喷嘴头的一个喷嘴喷枪。此类喷嘴头或其零件可以是可替换的，以适应相关的供料通量。本发明还涉及一种用于产生喷雾干燥粉末的喷雾处理方法。该方法包括以下步骤：提供一个喷雾干燥装置，该喷雾干燥装置包括具有用于供液和雾化气体的多个入口的一个外部混合式双流体喷嘴、具有一个干燥气体入口的一个干燥室、以及用于废弃的干燥气体/雾化气体和所产生的粉末的多个出口；借助于液体压力和该雾化气体，在该干燥室中使该供液穿过该外部混合式双流体喷嘴而喷射成液滴；将这些液滴干燥成粉末；使该粉末穿过用于产生的粉末的出口而排出并且使废气穿过用于废气的出口而排出，其中该雾化气体是以在0.2至10巴(表压)范围内的压力被供应到该喷嘴，该喷嘴中的全部量的雾化气体被提供了一种漩涡运动，该供液是以处于或高于8巴(表压)的压力被供应到该喷嘴，并且雾化气体流与供液流的重量比是在0.1至10的范围内。诸位发明人出乎意料地发现，向双流体喷嘴提供加压液体从而向雾化气体提供漩涡运动，这导致所需的气体压力减小，即使在为了产生平均粒径小于50μm的粉末时也是如此。比起常规的双流体喷嘴，根据本发明的外部混合式双流体喷嘴具有更低的能量消耗。目前认为这是因为，相比由升高的空气压力所提供的能量输入，由升高的液体压力所提供的用于雾化的能量输入得到了更有效地利用。常规的双流体喷嘴应用加压气体来进行雾化，而根据本发明的外部混合式双流体喷嘴应用了加压液体与加压气体的组合。此外，在要求极为细小的液滴时，使用具有外部混合的常规双流体喷嘴将具有有限的通量，而根据本发明的双流体喷嘴将具有增加的液体通量，在某些实施例中，该液体通量高达例如500kg/h。该漩涡运动可以由多种装置来提供，这些装置包括在该喷嘴中的雾化气体通路中的多个倾斜板条、在该喷嘴中形成的多条曲折的气体通道等等。根据本发明的一个优选方面，该漩涡运动是由一个或多个狭槽来提供的，该一个或多个狭槽连接了一条第二气体导管与一条第一气体导管，所述第二气体导管被连接到一个气体供应上并且是在一条第一气体管道与在该第一气体管道外部径向延伸的一条第二气体管道之间形成的，并且所述第一气体导管是在一条内部供液管道与该第一气体管道之间形成的，所述第二气体导管在下游端部处是封闭的，所述第一气体导管在上游端部处是封闭的并且被连接到在该下游端部中的一个气体出口狭缝上。在某个实施例中，在上述方法中使用的外部混合式双流体喷嘴是如本文中所披露的一种喷嘴。该喷嘴中的这些狭槽被设计成用来向雾化气体提供所需的漩涡，而不对气体流强加不必要的摩擦。在某个实施例中，连接该第一气体导管与该第二气体导管的该一个或多个狭槽相对于该内部供液管道的外表面切向地延伸。由于全部量的气体均被引导穿过该一个或多个狭槽，获得了该气体的完全漩涡运动。该气体的漩涡运动通过向该液体赋予漩涡/旋转运动而使该液体的雾化得到改进。该供液在被喷射到干燥室中之前被提供了某个压力。若要获得本发明的益处，那么这个压力通常不小于5巴(表压)。在一个优选方面，以10至150巴(表压)的压力将该液体供应到该喷嘴。通常，比起粘度较低的供液，粘度高的供液要求更高的供液压力。以至少0.2巴(表压)的压力将该雾化气体供应到该喷嘴。由于过程经济因素，这个压力通常不高于10巴(表压)。在一个优选方面，以0.5至5巴(表压)并且更优选地以1至2巴(表压)的压力供应该雾化气体。为了获得该雾化气体的充分漩涡，以30m/s或更高的转速从该喷嘴中喷射出该雾化气体。合适地，该转速不超过500m/s。在一个优选实施例中，以在50m/s至400m/s、典型地以100至200m/s的范围内的转速从该喷嘴中喷射出该雾化气体。本发明的优点在于，与主要对雾化气体进行加压相比，对雾化气体和供液进行组合加压所消耗的能量更少。根据本发明，雾化气体流与供液流的重量比是在0.1至10的范围内，合适地，雾化气体流与供液流的重量比是从0.5到5并且更合适地是从1到3。本发明的方法可以产生具有各种大小和分布的液滴。本发明在产生小液滴时展现了其大部分益处。因此，在一个优选的方面，这些液滴的平均大小是小于30μm。本发明具有的重要特征是能够以高的液体流量产生尺寸小的颗粒。在本发明的某个实施例中，该外部混合式双流体喷嘴的液体流量是100kg/h或以上。根据本发明的一个方面，两个或更多个外部混合式加压双流体喷嘴被设置在该喷雾干燥装置之中。由于穿过该喷嘴的供液流被控制在升高的液体压力下，因此将有可能以一种容易的方式将液体在多个喷嘴之间进行分布。本发明的方法所产生的粉末可以是各种材料的。通常，该喷雾干燥粉末是选自由以下各项组成的组中：用于锂离子电池或其他二次电池的粉末、聚合物粉末、淀粉或明胶粉末、咖啡粉末、来自磨蚀性供料的粉末、无机粉末、硬金属粉末、药用粉末以及冻凝粉末。已发现本发明的方法适于多种粘性液体，这是因为与使用常规喷嘴的方法相比，本发明的方法能够处理具有更高的干物质含量的供料。此外，该方法具有的优点是外部混合，因此使得该喷雾处理方法特别适合于来自磨蚀性供料的喷雾干燥产品。该雾化气体可以是空气、氮气、二氧化碳或任何其他合适的气体。附图简要说明图1是沿着本发明一个实施例中的外部混合式双流体喷嘴的轴线的截面视图，并且图2是本发明一个实施例中的外部混合式双流体喷嘴的径向截面视图，该喷嘴处于呈现着气体导管和连接狭槽两者的一种轴向位置中。发明的详细说明在下文中，将会参照图1和图2来对本发明的一个实施例进行详细描述。该外部混合式双流体喷嘴配备有一个内部供液管道(1)，该内部供液管道在该喷嘴的一个上游端部与一个下游端部之间轴向延伸。该内部供液管道(1)形成一条通道，该通道提供一条供液导管(2)。在该内部供液管道的上游端部处存在一个供液入口(3)，供液可以通过该供液入口进入该供液导管(2)。在该内部供液管道(1)的下游端部处存在一个供料孔口(4)，液体供料可以通过该供料孔口离开该供液导管(2)。环绕该内部供液管道(1)的是一条第一气体管道(5)。第一气体管道(5)在外部与内部供液管道(1)同轴延伸。第一气体管道(5)的半径大于内部供液管道(1)的半径，并且第一气体管道(5)提供一个管壁，该管壁与内部供液管道(1)的壁隔开，由此在该内部供液管道(1)与该第一气体管道(5)之间提供了一条第一气体导管(6)。该第一气体管道配备有在该喷嘴的下游端部处的一个气体出口狭缝(7)。第一气体导管并非一直延伸穿过喷嘴、而是在该喷嘴的上游端部处是封闭的。环绕第一气体管道(5)的是一条第二气体管道(8)，该第二气体管道在该第一气体管道(5)外部径向延伸。因此，第二气体管道(8)的半径大于第一气体管道(5)的半径。第一气体管道的壁与第二气体管道的壁隔开，从而在第一气体管道的管壁与第二气体管道的管壁之间提供了一条第二气体导管(9)。第二气体导管(9)在该喷嘴的上游端部处是开放的、而在下游端部处是封闭的。该喷嘴的特征为设置在第一气体管道(5)中的一个或多个狭槽(10)。该一个或多个狭槽(10)穿过了第一气体管道(5)的壁，从而将第一气体导管与第二气体导管连接起来。该一个或或多个狭槽(10)被适配成用于提供该气体流的漩涡运动。在该外部混合式双流体喷嘴的操作过程中，一个液体供料流典型地在供液入口(3)处进入该喷嘴并且经由供液导管(2)轴向地流动穿过该喷嘴。因此，该供液向下流动穿过该喷嘴。该供液流在供料孔口(4)处离开喷嘴。最初，一种雾化气体与该供液流平行地并且在同一下游方向上流动。该雾化气体在上游端部处进入喷嘴、从而进入第二气体管道(8)的第二气体导管(9)，该第二气体导管在上游端部处是开放的。该雾化气体从第二气体导管(9)穿过四个狭槽(10)流入第一气体管道(5)的第一气体导管(6)。随着雾化气体流动穿过该一个或多个狭槽(10)，该雾化气体实现了漩涡运动。维持着漩涡运动，该雾化气体流动穿过第一气体导管(6)并且穿过气体出口狭缝(7)而离开。在本说明书和随后的权利要求书中，术语巴(表压)是指以巴为单位的高于环境或大气压力的压力。在本说明书和权利要求书中提及喷雾处理或喷雾干燥时，各种不同的喷雾方法和处理方法均被包括在这个术语之内，这些方法包括喷雾干燥、喷雾冻凝以及喷雾造粒。本领域的普通技术人员将理解的是，在执行喷雾冻凝时，干燥气体用冷却气体替代。通过本发明所产生的用于锂离子电池中的粉末可以是用可再充电电池的各种锂离子盐中的任何一种。仅仅作为举例，通过本发明的方法所产生的粉末可以是以下材料：锂钴氧化物、磷酸铁锂或另一种聚阴离子、LiNiO2或者锂锰氧化物或另一种尖晶石。同样，通过这种方法可以产生除了用于锂离子电池中的粉末之外的其他二次电池粉末。该粉末材料还可以是盐类混合物，如LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2。这些粉末可以任选地掺杂有铝、铌或锆。实例实例1锂离子电池粉末的喷雾干燥将一种锂离子电池粉末在使用带有外部混合的常规双流体喷嘴的GEANiroSD6.3试验性喷雾干燥器中并且在根据本发明的GEANiroCOMBI-NOZZLETM中进行喷雾干燥，结果如下：表1：实例2e-PVC胶乳的喷雾干燥通常对e-PVC胶乳进行喷雾干燥以制备细小粉末颗粒，并且为此目的，为了得到所需的为约20微米的平均粒径，常常要求大量的常规双流体喷嘴，这是因为这些喷嘴的最大通量为约50至65kg/h。通过应用根据本发明的喷嘴，有可能在明显更低的压缩空气消耗下实现更小的平均粒径。此外，一个COMBI-NOZZLETM的液体供料通量可以为200kg/h、500kg/h或更高。表2：实例3高粘度熔体的雾化一种聚合物的高粘性熔体已经在以下条件下使用COMBI-NOZZLETM进行喷雾冻凝。通过常规的雾化技术无法使该熔体令人满意地冻凝，这归因于较差的液滴形成所引起的细丝形成。表3：实例4液滴大小跨度的控制来自该COMBI-NOZZLETM的液滴大小分布的跨度已经通过喷射水进行检查，并且已通过改变该液体注射喷嘴的理论喷雾角度来影响该跨度。通过使用马尔文(Malvern)液滴大小测量装置已获得以下结果。表4：。