第三章 液體攪拌-制藥工程原理與設(shè)備

第三章液體攪拌1制藥工程原理與設(shè)備第三章液體攪拌1制藥工程原理與設(shè)備第一節(jié)概述第二節(jié)攪拌器及其選型第三節(jié)攪拌功率第一節(jié)概述1制藥工程原理與設(shè)備一、攪拌二、攪拌的類型三、總體循環(huán)流動與湍流運動制藥工程原理與設(shè)備一、攪拌使釜（或槽）內(nèi)物料形成某種特定方式的運動（通常為循環(huán)流動）。注重的是釜內(nèi)物料的運動方式和劇烈程度，以及這種運動狀況對于給定過程的適應(yīng)性。攪拌目的：制備均勻混合物；促進傳質(zhì)；促進傳熱；上述三種目的之間的組合。液體的機械攪拌二、攪拌的類型1、機械攪拌*2、氣流攪拌：利用氣泡的上升對液體的擾動而產(chǎn)生攪拌作用。混合的機理;攪拌器的選型;攪拌器功率的計算;制藥工程原理與設(shè)備1、機械攪拌裝置圓筒形釜體一般由鋼板直接卷焊而成，釜底和釜蓋一般為橢圓形封頭。根據(jù)物料的性質(zhì)，釜體內(nèi)壁可內(nèi)襯橡膠搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蝕材料。為控制過程溫度及強化傳熱和傳質(zhì)效果，釜外可設(shè)臵夾套，釜內(nèi)可安裝蛇管、擋板及導(dǎo)流筒等內(nèi)件。2、氣流攪拌氣流攪拌是將氣體通入液層中而形成上升氣泡，利用上升氣泡對液體的擾動而產(chǎn)生攪拌作用。與機械攪拌相比，氣流攪拌的效果較差，因而不適合于高黏度液體的攪拌。對物料沒有機械損傷

三、總體循環(huán)流動與湍流運動攪拌過程實質(zhì)就是通過葉輪的旋轉(zhuǎn)將機械能傳遞給液體，使液體在設(shè)備內(nèi)部作強制對流，并達到均勻混合狀態(tài)。攪拌過程中，液體作強制對流的方式有兩種：1、總體循環(huán)流動2、湍流運動1、總體循環(huán)流動將兩種不同的液體置于攪拌釜內(nèi)，攪拌器通過葉輪將能量傳遞給液體，從而產(chǎn)生高速液流。該液流又會推動周圍的液體，從而在釜內(nèi)形成一定的循環(huán)流動，這種宏觀流動即稱為總體循環(huán)流動。總體循環(huán)流動可促進釜內(nèi)液體在宏觀上的均勻混合，其特點是液體以較大的尺度（相當于或略小于設(shè)備尺寸）運動，且具有一定的流動方向，流動范圍較大。2、湍流運動當葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高速液流通過靜止的或運動速度較低的液體時，在高速液體與低速液體的交界面上產(chǎn)生速度梯度，使界面上的液體受到很強的剪切作用，從而產(chǎn)生大量旋渦，并迅速向四周擴散，在上下、左右、前后等各個方向上產(chǎn)生紊亂且又是瞬間改變速度的運動，即湍流運動。2、湍流運動可視為一種微觀流動，在這種微觀流動的作用下液體被破碎成微團，微團的尺寸取決于旋渦的大小。特點：流體以很小的微團尺度運動，運動距離很短，且不規(guī)則。與總體循環(huán)流動相比，湍流運動所引起的混合速度要快得多，且隨著湍動程度加劇，混合速度隨之加快。實際混合過程：總體流動、湍流運動以及分子擴散作用等共同作用的結(jié)果。第二節(jié)攪拌器及其選型1制藥工程原理與設(shè)備一、常見攪拌器二、攪拌過程的強化三、攪拌器選型

(一)小直徑高轉(zhuǎn)速攪拌器(二）大直徑低轉(zhuǎn)速攪拌器螺旋槳式攪拌器(propelleragitator)渦輪式攪拌器

(turbineagitator)漿式攪拌器(paddleagitator)螺帶式攪拌器(Helicalribbonagitator)錨式和框式攪拌器(Anchorandgridagitator)

一、常見攪拌器（二）攪拌器的類型一、攪拌槳(核心)產(chǎn)生的三種基本流型切向流----流體打旋，出現(xiàn)這種流型時，流體主要從漿葉排向周圍，卷吸至槳葉區(qū)的流體量甚小，垂直方向的流體混合效果很差。軸向流---液體沿著與攪拌軸平行的

方向流動徑向流---液體沿半徑方向運動，然后

向上、向下輸送上述三種流型，通?？赡芡瑫r存在。其中，軸向流與徑向流對混合起主要作用，而切向流應(yīng)加以抑制，可加入擋板削弱切向流，增強軸向流與徑向流。（二）攪拌器的類型槳葉---核心部件軸向流槳---各種推進式槳（螺旋槳）、新型翼型槳四葉推進式槳異形四葉雙螺帶式（適用高黏度的物料）螺桿式螺桿螺帶式三葉推進式槳（二）攪拌器的類型槳葉---核心部件徑向流槳---各種直葉、彎葉渦輪槳（通常帶有圓盤）六直葉渦輪槳六彎葉圓盤渦輪槳錨式(一)小直徑高轉(zhuǎn)速攪拌器實質(zhì)上是一個無外殼的軸流泵。葉輪直徑d=0.2~0.5D（釜內(nèi)徑）

轉(zhuǎn)速n:100~500rpm，葉端圓周速度：5~15m

s-1。使釜內(nèi)液體產(chǎn)生軸向和切向運動。1.螺旋漿式攪拌器(推進式攪拌器)（二）攪拌器的類型工作時，推進式攪拌器如同一臺無外殼的軸流泵，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使液體作軸向和切向運動。軸向分速度使液體沿軸向向下流動，流至釜底時再沿釜壁折回，并重新返回旋槳入口,形成總體循環(huán)流動，起到混合液體的作用。切向分速度使釜內(nèi)液體產(chǎn)生圓周運動,并形成旋渦,不利于液體的混合,且當物料為多相體系時,還會產(chǎn)生分層或分離現(xiàn)象——應(yīng)抑制應(yīng)用領(lǐng)域：推進式攪拌器產(chǎn)生的湍動程度不高，但液體循環(huán)量較大，常用于低粘度(<2Pa

s)液體的傳熱、反應(yīng)以及固液比較小的懸浮、溶解等過程。（二）攪拌器的類型

2.渦輪式攪拌器(turbineagitator)(a)直葉圓盤葉輪

(b)彎葉圓盤葉輪(c)直葉渦輪

(d)彎葉渦輪(e)折葉渦輪（二）攪拌器的類型

實質(zhì)上是一個無泵殼離心泵葉輪直徑d=0.2~0.5D,

轉(zhuǎn)速n:10~500rpm

葉端圓周速度:4~10m

s-1使液體產(chǎn)生切向和徑向運動 徑向分速度使液體流向壁面,然后形成上、下兩條回路流入攪拌器切向分速度產(chǎn)生圓周運動——應(yīng)抑制（二）攪拌器的類型

2.渦輪式攪拌器(turbineagitator)特點：與推進式攪拌器相比，此類攪拌器所產(chǎn)生的總體循環(huán)流動的回路更為曲折，且由于出口流速較高，因而葉端附近的液體湍動更為強烈，從而產(chǎn)生較大的剪切力。應(yīng)用：較強的剪切作用，常用于粘度小于50Pa

s液體的傳熱、反應(yīng)以及固液懸浮、溶解和氣體分散等過程；不適用含較重顆粒的懸浮液攪拌。（二）攪拌器的類型旋轉(zhuǎn)直徑d=0.35~0.8D(用于高粘度液體時可達釜徑的0.9倍以上),漿葉寬度為旋轉(zhuǎn)直徑的1/10~1/4,常用轉(zhuǎn)速n:1~100rpm,葉端圓周速度:1~5m

s-1。

3.槳式攪拌器(paddleagitator)(a)平漿式(c)多斜漿式

(b)斜漿式應(yīng)用：平漿式攪拌器可使液體產(chǎn)生切向和徑向運動，可用于簡單的固液懸浮、溶解和氣體分散等過程。如液位高多斜槳式粘度高增大槳葉直徑（二）攪拌器的類型（二）大直徑低轉(zhuǎn)速攪拌器旋轉(zhuǎn)直徑較大d=0.9~0.98D轉(zhuǎn)速n1~100rpm葉端圓周速度:1~5m

s-1。

4.錨式和框式攪拌器特點與應(yīng)用：攪動范圍很大,可根據(jù)需要增加橫梁和豎梁，一般不會產(chǎn)生死區(qū)。與釜內(nèi)壁的間隙很小,故可防止固體顆粒在釜內(nèi)壁上的沉積現(xiàn)象。缺點是液體主要作水平環(huán)向流動，基本沒有軸向流動，因而

難以保證軸向混合效果。常用于中、高粘度液體的混合、傳熱及反應(yīng)等過程。（二）攪拌器的類型

5.螺帶式攪拌器旋轉(zhuǎn)直徑d=0.9~0.98D常用轉(zhuǎn)速n:0.5~50rpm葉端圓周速度小于2m

s-1應(yīng)用：常用于中、高粘度液體的混合、傳熱及反應(yīng)等過程。（二）攪拌器的類型攪拌時液體可沿螺帶的螺旋面上升或下降，從而產(chǎn)生軸向循環(huán)流動，故軸向混合效果比錨式或框式的好。6攪拌器的強化措施：1.提高攪拌器的轉(zhuǎn)速。（提高湍動程度）壓頭H與轉(zhuǎn)速n和半徑d的關(guān)系：因此適當提高轉(zhuǎn)速可提高葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的壓頭，亦即可向液體提供更多的能量，從而提高攪拌效果。7攪拌器的強化措施：2.“打旋”現(xiàn)象.特點：層流特征，無速度梯度，無湍動.若液體為低黏度液體，且葉輪轉(zhuǎn)速足夠高，則液體會在離心力的作用下涌向釜壁，并沿釜壁上升，而釜中心處的液面將下凹，形成了一個漏斗形的旋渦，且葉輪的轉(zhuǎn)速越大，旋渦的下凹深度就越深，這種現(xiàn)象稱為打旋。7攪拌器的強化措施：2.“打旋”對攪拌的影響.在攪拌操作中，若發(fā)生打旋現(xiàn)象，攪拌效果就會急劇下降。打旋嚴重時，甚至?xí)谷恳后w僅隨葉輪旋轉(zhuǎn)，而各層液體之間幾乎不發(fā)生軸向混合。對于固-液懸浮體系，打旋還會促進體系產(chǎn)生分層或分離，使其中的固體顆粒被甩至釜壁而沉陷于釜底。8攪拌器的強化措施：2.抑制“打旋”現(xiàn)象.（1）攪拌罐內(nèi)裝擋板（2）攪拌器偏心或者

偏心且傾斜安裝

9攪拌器的強化措施：3.加設(shè)導(dǎo)流筒.導(dǎo)流筒就是一個圓筒體，其作用是規(guī)范釜內(nèi)液體流動路線。對于推進式攪拌器，導(dǎo)流筒應(yīng)安裝于葉輪外部，如圖(a)；而對于渦輪式攪拌器，導(dǎo)流筒則應(yīng)安裝于葉輪上方，如圖(b)所示。在導(dǎo)流筒的約束下，釜內(nèi)液體的流速和流向都受到了嚴格控制，迫使液體都要流過導(dǎo)流筒內(nèi)的強烈混合區(qū)，并在導(dǎo)流筒內(nèi)、外形成軸向總體循環(huán)流動。可見，設(shè)臵導(dǎo)流筒可消除打旋現(xiàn)象，并可避免短路與流動死區(qū)，從而使攪拌效果得到顯著提高。攪拌器的選型：1.功率曲線和攪拌功率的計算攪拌器工作時，旋轉(zhuǎn)的葉輪將能量傳遞給液體。攪拌器所需的功率取決于釜內(nèi)物料的攪拌程度和運動狀態(tài)，它是葉輪形狀、大小、轉(zhuǎn)速、位置以及液體性質(zhì)、反應(yīng)釜尺寸與內(nèi)部構(gòu)件的函數(shù)；如發(fā)生打旋現(xiàn)象，還需考慮重力的影響。

N—攪拌功率,W;n—葉輪轉(zhuǎn)速,rs-1;d—葉輪直徑,m;

—液體密度,kgm-3;

—液體粘度,Pas;g—重力加速度,9.81ms-2。第三節(jié)攪拌功率均相液體的功率準數(shù)關(guān)聯(lián)式為

NP—功率準數(shù);

Re—攪拌雷諾數(shù)，反映流動狀況對攪拌功率的影響；

Fr—弗勞德數(shù),即流體的慣性力與重力之比,是反映重力對攪拌功率影響的準數(shù);

K—系統(tǒng)的總形狀系數(shù),反映系統(tǒng)幾何構(gòu)型對攪拌功率的影響;a,b—指數(shù)，其值與物料流動狀況及攪拌器型式和尺寸等因素有關(guān)，一般由實驗測定，無因次第三節(jié)攪拌功率習(xí)慣上將式上式表示成下列形式Φ為功率因數(shù)，無因次。

在攪拌操作中，若釜內(nèi)物料不會發(fā)生打旋現(xiàn)象，則重力對攪拌功率的影響可以忽略，此時b=0，則第三節(jié)攪拌功率對于特定攪拌器，通過實驗測出Φ或Np與Re之間的關(guān)系，繪制功率曲線

攪拌器的功率曲線

1-三葉推進式,s=d,無擋板；2-三葉推進式,s=d,全擋板；3-三葉推進式,s=2d,無擋板；4-三葉推進式，s=2d，全擋板；5-六葉直葉圓盤渦輪，無擋板；6-六葉直葉圓盤渦輪，全擋板；7-六葉彎葉圓盤渦輪，全擋板；8-雙葉平漿，全擋板全擋板：N=4，W=0.1D；各曲線：d/D

1/3，b/d=1/4；HL/D=1s-漿葉螺距,N-擋板數(shù),W-擋板寬度,D-釜內(nèi)徑,d-葉輪直徑,b-漿葉寬度,HL-液層深度第三節(jié)攪拌功率層流區(qū)(Re<10)此區(qū)域內(nèi)物料不會產(chǎn)生打旋現(xiàn)象，故重力影響可以忽略。由于不存在打旋現(xiàn)象，因而擋板對攪拌功率沒有影響，故同一型式幾何相似攪拌器，不論是否