第三章 液体搅拌-制药工程原理与设备

1、第三章第三章 液体搅拌液体搅拌1制药工程原理与设备制药工程原理与设备第三章第三章 液体搅拌液体搅拌1制药工程原理与设备制药工程原理与设备第一节第一节 概述概述第二节第二节 搅拌器及其选型搅拌器及其选型第三节第三节 搅拌功率搅拌功率第一节第一节 概述概述1制药工程原理与设备制药工程原理与设备一、搅拌一、搅拌二、搅拌的类型二、搅拌的类型三、总体循环流动与湍流运动三、总体循环流动与湍流运动制药工程原理与设备制药工程原理与设备一、搅拌一、搅拌使釜（或槽）内物料形成某种特定方式的运动（通使釜（或槽）内物料形成某种特定方式的运动（通常为循环流动）。常为循环流动）。注重的是釜内物料的运动方式和剧烈程度，以及

2、这注重的是釜内物料的运动方式和剧烈程度，以及这种运动状况对于给定过程的适应性。种运动状况对于给定过程的适应性。搅拌目的：搅拌目的：制备均匀混合物；制备均匀混合物； 促进传质；促进传质； 促进传热；促进传热； 上述三种目的之间的组合。上述三种目的之间的组合。液体的机械搅拌液体的机械搅拌二、搅拌的类型二、搅拌的类型1 1、 机械搅拌机械搅拌* *2 2、 气流搅拌：利用气泡的上升对液体的扰动而产生气流搅拌：利用气泡的上升对液体的扰动而产生搅拌作用。搅拌作用。l 混合的机理;l 搅拌器的选型;l 搅拌器功率的计算;制药工程原理与设备制药工程原理与设备1 1、 机械搅拌装置机械搅拌装置圆筒形釜体一般由

3、钢板直接卷焊而成，釜底和釜盖一般为椭圆形封头。根据物料的性质， 釜体内壁可内衬橡胶搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蚀材料。为控制过程温度及强化传热和传质效果，釜外可设臵夹套，釜内可安装蛇管、挡板及导流筒等内件。2 2、气流搅拌、气流搅拌 气流搅拌是将气体通入液层中而形成上升气泡，利用气流搅拌是将气体通入液层中而形成上升气泡，利用上升气泡对液体的扰动而产生搅拌作用。上升气泡对液体的扰动而产生搅拌作用。 与机械搅拌相比，气流搅拌的效果较差，因而不适合与机械搅拌相比，气流搅拌的效果较差，因而不适合于高黏度液体的搅拌。于高黏度液体的搅拌。 对物料没有机械损伤对物料没有机械损伤三、总体循环流动与湍流运动三、总体

4、循环流动与湍流运动 搅拌过程实质就是通过叶轮的旋转将机械能搅拌过程实质就是通过叶轮的旋转将机械能传递给液体，使液体在设备内部作强制对流，并传递给液体，使液体在设备内部作强制对流，并达到均匀混合状态。搅拌过程中，液体作强制对达到均匀混合状态。搅拌过程中，液体作强制对流的方式有两种：流的方式有两种：1 1、 总体循环流动总体循环流动2 2、 湍流运动湍流运动1 1、总体循环流动、总体循环流动将两种不同的液体置于搅拌釜内，将两种不同的液体置于搅拌釜内， 搅拌器通过叶轮将搅拌器通过叶轮将能量传递给液体，从而产生高速液流。该液流又会推动能量传递给液体，从而产生高速液流。该液流又会推动周围的液体，从而在釜

5、内形成一定的循环流动，这种宏周围的液体，从而在釜内形成一定的循环流动，这种宏观流动即称为总体循环流动。观流动即称为总体循环流动。 总体循环流动可促进釜内液体在宏观上的均匀混合，总体循环流动可促进釜内液体在宏观上的均匀混合，其特点是液体以较大的尺度（相当于或略小于设备尺寸其特点是液体以较大的尺度（相当于或略小于设备尺寸） 运动，且具有一定的流动方向，流动范围较大。运动，且具有一定的流动方向，流动范围较大。2 2、湍流运动、湍流运动 当叶轮旋转所产生的高速液流通过静止的或运动速当叶轮旋转所产生的高速液流通过静止的或运动速度较低的液体时，在高速液体与低速液体的交界面上产度较低的液体时，在高速液体与低

6、速液体的交界面上产生速度梯度，使界面上的液体受到很强的剪切作用，从生速度梯度，使界面上的液体受到很强的剪切作用，从而产生大量旋涡，并迅速向四周扩散，在上下、左右、而产生大量旋涡，并迅速向四周扩散，在上下、左右、前后等各个方向上产生紊乱且又是瞬间改变速度的运动前后等各个方向上产生紊乱且又是瞬间改变速度的运动，即湍流运动。，即湍流运动。2 2、湍流运动、湍流运动 可视为一种微观流动，在这种微观流动的作用下液体可视为一种微观流动，在这种微观流动的作用下液体被破碎成微团，微团的尺寸取决于旋涡的大小。被破碎成微团，微团的尺寸取决于旋涡的大小。 特点：流体以很小的微团尺度运动，运动距离很短，特点：流体以很

7、小的微团尺度运动，运动距离很短，且不规则。且不规则。 与总体循环流动相比，湍流运动所引起的混合速度要与总体循环流动相比，湍流运动所引起的混合速度要快得多，且随着湍动程度加剧，混合速度随之加快。快得多，且随着湍动程度加剧，混合速度随之加快。 实际混合过程：总体流动、湍流运动以及分子扩散作实际混合过程：总体流动、湍流运动以及分子扩散作用等共同作用的结果。用等共同作用的结果。第二节第二节 搅拌器及其选型搅拌器及其选型1制药工程原理与设备制药工程原理与设备一、常见搅拌器二、二、搅拌过程的强化三、三、搅拌器选型 ( (一一) )小直径高转速搅拌器小直径高转速搅拌器( (二）大直径低转速搅拌器二）大直径低

8、转速搅拌器螺旋桨式搅拌器螺旋桨式搅拌器(propeller agitator )涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 (turbine agitator)浆式搅拌器浆式搅拌器(paddle agitator)螺带式搅拌器螺带式搅拌器(Helical ribbon agitator)锚式和框式搅拌器锚式和框式搅拌器(Anchor and grid agitator) 一、常见搅拌器一、常见搅拌器（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型一、搅拌桨一、搅拌桨( (核心核心) )产生的三种基本流型产生的三种基本流型切向流切向流-流体打旋，出现这种流型流体打旋，出现这种流型时，流体主要从浆叶排向周围，时，流体主要从浆叶排

9、向周围，卷吸至桨叶区的流体量甚小，卷吸至桨叶区的流体量甚小，垂直方向的流体混合效果很差。垂直方向的流体混合效果很差。轴向流轴向流-液体沿着与搅拌轴平行的液体沿着与搅拌轴平行的 方向流动方向流动径向流径向流-液体沿半径方向运动，然后液体沿半径方向运动，然后 向上、向下输送向上、向下输送 上述三种流型，通常可能同时存在。上述三种流型，通常可能同时存在。其中，轴向流与径向流对混合起主要作其中，轴向流与径向流对混合起主要作用，而切向流应加以抑制，可加入挡板用，而切向流应加以抑制，可加入挡板削弱切向流，增强轴向流与径向流。削弱切向流，增强轴向流与径向流。（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型桨叶桨叶-核心部

10、件核心部件轴向流桨轴向流桨-各种推进式桨（螺旋桨）各种推进式桨（螺旋桨） 、新型翼型桨、新型翼型桨四叶推进式桨四叶推进式桨异形四叶异形四叶双螺带式双螺带式（适用高黏度的物料）（适用高黏度的物料） 螺杆式螺杆式螺杆螺带式螺杆螺带式三叶推进式桨三叶推进式桨（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型桨叶桨叶-核心部件核心部件径向流桨径向流桨-各种直叶、弯叶涡轮桨（通常带有圆盘）各种直叶、弯叶涡轮桨（通常带有圆盘）六直叶涡轮桨六直叶涡轮桨六弯叶圆盘涡轮桨六弯叶圆盘涡轮桨锚式锚式d( (一一) )小直径高转速搅拌器小直径高转速搅拌器实质上是一个无外壳的轴流泵。叶轮直径d=0.20.5D（釜内径） 转速n:100

11、500rpm， 叶端圆周速度：515ms-1。使釜内液体产生轴向和切向运动。1.1. 螺旋浆式搅拌器螺旋浆式搅拌器( (推进式搅拌器推进式搅拌器) )（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型工作时，推进式搅拌器如同一台无工作时，推进式搅拌器如同一台无外壳的轴流泵，高速旋转的叶轮使外壳的轴流泵，高速旋转的叶轮使液体作液体作轴向轴向和和切向切向运动。运动。F轴向分速度使液体沿轴向向下流动， 流至釜底时再沿釜壁折回， 并重新返回旋桨入口, 形成总体循环流动， 起到混合液体的作用。F切向分速度使釜内液体产生圆周运动,并形成旋涡,不利于液体的混合,且当物料为多相体系时,还会产生分层或分离现象应抑制应用领域应用

12、领域：推进式搅拌器产生的湍动程度不高，但液体循环量较大，常用于低粘度(2Pas)液体的传热、反应以及固液比较小的悬浮、溶解等过程。（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型 2.2.涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器(turbine agitator)(a) 直叶圆盘叶轮 (b) 弯叶圆盘叶轮(c) 直叶涡轮 (d) 弯叶涡轮 (e) 折叶涡轮（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型 实质上是一个无泵壳离心泵 叶轮直径d=0.20.5D, 转速n:10500rpm 叶端圆周速度:410ms-1 使液体产生切向和径向运动F径向分速度使液体流向壁面,然后形成上、下两条回路流入搅拌器F切向分速度产生圆周运动应抑制（二二）搅

13、拌器的类型）搅拌器的类型 2.2.涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器(turbine agitator)特点：l 与推进式搅拌器相比，此类搅拌器所产生的总体循环流动的回路更为曲折，且由于出口流速较高，因而叶端附近的液体湍动更为强烈，从而产生较大的剪切力。应用：较强的剪切作用，常用于粘度小于50Pas液体的传热、反应以及固液悬浮、溶解和气体分散等过程；不适用含较重颗粒的悬浮液搅拌。（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型旋转直径d=0.350.8D(用于高粘度液体时可达釜径的0.9倍以上),浆叶宽度为旋转直径的1/101/4,常用转速n:1100rpm,叶端圆周速度:15ms-1。 3.3.桨式搅拌器桨式搅拌器

14、(paddle agitator)(a) 平浆式(c) 多斜浆式 (b) 斜浆式应用：平浆式搅拌器可使液体产生切向和径向运动，可用于简单的固液悬浮、溶解和气体分散等过程。如液位高 多斜桨式 粘度高 增大桨叶直径 （二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型（二）大直径低转速搅拌器（二）大直径低转速搅拌器旋转直径较大d=0.90.98D转速n1100rpm叶端圆周速度:15ms-1。 4.锚式和框式搅拌器锚式和框式搅拌器 特点与应用特点与应用： 搅动范围很大, 可根据需要增加横梁和竖梁，一般不会产生死区。 与釜内壁的间隙很小,故可防止固体颗粒在釜内壁上的沉积现象。 缺点是液体主要作水平环向流动，基 本 没

15、 有 轴 向 流 动 ， 因 而难以保证轴向混合效果。 常用于中、高粘度液体的混合、传热及反应等过程。（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型 5.5.螺带式搅拌器螺带式搅拌器旋转直径d=0.90.98D常用转速n:0.550rpm叶端圆周速度小于2ms-1 应用：应用：常用于中、高粘度液体的混合、传热及反应等过程。（二二）搅拌器的类型）搅拌器的类型搅拌时液体可沿螺带的螺旋面上搅拌时液体可沿螺带的螺旋面上升或下降，从而产生轴向循环流升或下降，从而产生轴向循环流动，故轴向混合效果比锚式或框动，故轴向混合效果比锚式或框式的好。式的好。6搅拌器的强化措施：搅拌器的强化措施：1. 提高搅拌器的转速。（提高湍

16、动程度）提高搅拌器的转速。（提高湍动程度）压头压头H与转速与转速n和半径和半径d的关系：的关系：22dnH 因此适当提高转速可提高叶轮旋转因此适当提高转速可提高叶轮旋转所产生的压头，亦即可向液体提供所产生的压头，亦即可向液体提供更多的能量，从而提高搅拌效果。更多的能量，从而提高搅拌效果。7搅拌器的强化措施：搅拌器的强化措施：2. “打旋打旋”现象现象.特点：层流特征，无速度梯度，无湍动特点：层流特征，无速度梯度，无湍动.若液体为低黏度液体，且叶轮转速足够高，则液体会在离心力的作用下涌向釜壁，并沿釜壁上升，而釜中心处的液面将下凹，形成了一个漏斗形的旋涡，且叶轮的转速越大，旋涡的下凹深度就越深，这

17、种现象称为打旋。7搅拌器的强化措施：搅拌器的强化措施：2. “打旋打旋”对搅拌的影响对搅拌的影响. 在搅拌操作中，在搅拌操作中， 若发生打旋现象，若发生打旋现象， 搅拌效果就会搅拌效果就会急剧下降。打旋严重时，急剧下降。打旋严重时， 甚至会使全部液体仅随叶甚至会使全部液体仅随叶轮旋转，轮旋转， 而各层液体之间几乎不发生轴向混合。而各层液体之间几乎不发生轴向混合。 对于固对于固 - -液悬浮体系液悬浮体系 ， 打旋还会促进体系产生打旋还会促进体系产生分分层或分离层或分离，使其中的固体颗粒被甩至釜壁而沉陷于，使其中的固体颗粒被甩至釜壁而沉陷于釜底。釜底。8搅拌器的强化措施：搅拌器的强化措施：2.

18、抑制抑制“打旋打旋”现象现象.（1）搅拌罐内装挡板）搅拌罐内装挡板（2）搅拌器偏心或者）搅拌器偏心或者 偏心且倾斜安装偏心且倾斜安装 9搅拌器的强化措施：搅拌器的强化措施：3. 加设导流筒加设导流筒.导流筒导流筒就是一个圆筒体，其作用是规范就是一个圆筒体，其作用是规范釜内液体流动路线。釜内液体流动路线。对于对于推进式搅拌器推进式搅拌器，导流筒应安装于叶，导流筒应安装于叶轮外部，如图轮外部，如图 (a)(a)；而对于而对于涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器，导流筒则应安装，导流筒则应安装于叶轮上方，如图于叶轮上方，如图 (b)(b)所示。所示。在导流筒的约束下，釜内液体的流速和在导流筒的约束下，釜内液体的

19、流速和流向都受到了严格控制，迫使液体都要流向都受到了严格控制，迫使液体都要流过导流筒内的流过导流筒内的强烈混合区强烈混合区，并在导流，并在导流筒内、外形成轴向总体循环流动。筒内、外形成轴向总体循环流动。可见，设臵导流筒可消除可见，设臵导流筒可消除打旋打旋现象，并现象，并可避免可避免短路与流动死区短路与流动死区，从而使搅拌效，从而使搅拌效果得到显著提高。果得到显著提高。 搅拌器的选型：搅拌器的选型：1.1.功率曲线和搅拌功率的计算功率曲线和搅拌功率的计算 搅拌器工作时，旋转的叶轮将能量传递给液体。搅拌器所需的功率取决于釜内物料的搅拌程度和运动状态，它是叶轮形状、大小、转速、位置以及液体性质、反应

20、釜尺寸与内部构件的函数；如发生打旋现象，还需考虑重力的影响。 ),(gdnfN N搅拌功率,W; n叶轮转速, rs-1; d叶轮直径,m; 液体密度,kgm-3; 液体粘度,Pas; g重力加速度,9.81ms-2。第三节第三节 搅拌功率搅拌功率均相液体的功率准数关联式为 NP功率准数功率准数; Re搅拌雷诺数搅拌雷诺数，反映流动状况对搅拌功率的影响； Fr弗劳德数弗劳德数,即流体的惯性力与重力之比,是反映重力对搅拌功率影响的准数; K系统的总形状系数系统的总形状系数,反映系统几何构型对搅拌功率的影响;a,b指数，其值与物料流动状况及搅拌器型式和尺寸等因素有关，一般由实验测定，无因次bagd

21、nndKdnN225353dnNNPnd2Re gdnFr2第三节第三节 搅拌功率搅拌功率baPFrKNRe习惯上将式上式表示成下列形式baPFrReKN abPKFrNRe为为功率因数功率因数，无因次。，无因次。在搅拌操作中，若釜内物料不会发生打旋现象，则在搅拌操作中，若釜内物料不会发生打旋现象，则重力对搅拌功率的影响可以忽略，此时重力对搅拌功率的影响可以忽略，此时b b=0=0，则，则apKNRe第三节第三节 搅拌功率搅拌功率对于特定搅拌器，通过实验测出对于特定搅拌器，通过实验测出或或Np与与Re之间的关之间的关系，绘制系，绘制功率曲线功率曲线 1 11 10 01 10 02 21 10

22、 03 31 10 04 41 10 05 51 10 06 61 10 0- -1 11 11 10 01 10 02 23,41,276588432 1 85,6,73,41,2Re 搅拌器的功率曲线搅拌器的功率曲线 1-三叶推进式,s=d,无挡板；2-三叶推进式,s=d,全挡板；3-三叶推进式,s=2d,无挡板；4-三叶推进式，s=2d，全挡板；5-六叶直叶圆盘涡轮，无挡板；6-六叶直叶圆盘涡轮，全挡板；7-六叶弯叶圆盘涡轮，全挡板；8-双叶平浆，全挡板全挡板：N=4，W=0.1D；各曲线：d/D1/3，b/d=1/4；HL/D=1 s-浆叶螺距,N-挡板数,W-挡板宽度,D-釜内径,d

23、-叶轮直径,b-浆叶宽度,HL-液层深度第三节第三节 搅拌功率搅拌功率层流区(Re10)此区域内物料不会产生打旋现象，此区域内物料不会产生打旋现象，故重力影响可以忽略。由于不存在故重力影响可以忽略。由于不存在打旋现象，打旋现象， 因而挡板对搅拌功率因而挡板对搅拌功率没有影响，故同一型式几何相似搅没有影响，故同一型式几何相似搅拌器，不论是否装有挡板，拌器，不论是否装有挡板， 功率功率曲线均相同。曲线均相同。aPKdnNNRe153第三节第三节 搅拌功率搅拌功率层流区(Re10)不同型式的搅拌器在层流区内的功率曲线为彼此平行的直线，直线的斜率近似为-1。 将a=-1代入32153211-153kR

24、ednKNdnNndKdnNNPK1为与搅拌器结构型式有关常数为与搅拌器结构型式有关常数， 其值列于表其值列于表3-2中中第三节第三节 搅拌功率搅拌功率第三节第三节 搅拌功率搅拌功率过渡区(30Re104)物料流动情况比较复杂，若未设挡板，Re增大，釜内可能发生打旋现象。当Re300但符合全挡板条件时， 可不考虑打旋现象的影响。根据Re值由图3-13查得值，计算功率。32153dnKNdnN第三节第三节 搅拌功率搅拌功率过渡区(30Re300且釜且釜内内未未设设臵挡臵挡板，板， 则则重力影重力影响响不能忽略，不能忽略， 搅搅拌功率拌功率应应按按下下式式 计计算算：其中其中b可按下式可按下式计计

25、算算：abKFrNReplgReb、为与搅为与搅拌器型式和尺寸有拌器型式和尺寸有关关的常的常数数，其，其值值列于表列于表3-3中。中。第三节第三节 搅拌功率搅拌功率第三节第三节 搅拌功率搅拌功率完全湍流区(Re104)釜内未设置挡板釜内未设置挡板釜内设置挡板釜内设置挡板第三节第三节 搅拌功率搅拌功率釜内未设置挡板釜内未设置挡板此区域内，若釜内未设置挡板则此区域内，若釜内未设置挡板则釜内物料会发生打旋现象，此时釜内物料会发生打旋现象，此时液面下陷呈漏斗状，空气被吸入液面下陷呈漏斗状，空气被吸入液体，使液体的表观密度减小，液体，使液体的表观密度减小，而搅拌功率下降。而搅拌功率下降。对于特定搅拌系统

26、，可根据对于特定搅拌系统，可根据ReRe值值由图由图3-133-13查得查得值，计算搅拌功值，计算搅拌功率率abKFrNReplgReb第三节第三节 搅拌功率搅拌功率釜内设置挡板釜内设置挡板对于设置挡板搅拌釜，由于不发对于设置挡板搅拌釜，由于不发生打旋现象，故重力影响可以忽生打旋现象，故重力影响可以忽略。此时略。此时值几乎与值几乎与ReRe无关，即无关，即为常数，从而有为常数，从而有532253pdnKNKdnNNK2为与搅拌器结构型式有关为与搅拌器结构型式有关的常数的常数，其值列于表，其值列于表3-2中。中。第三节第三节 搅拌功率搅拌功率第三节第三节 搅拌功率搅拌功率例3-13-1某釜式反应

27、器的内径为1.5m1.5m， 装有六叶直叶圆盘涡轮式搅拌器。已知搅拌器的直径为0.5m0.5m，转速为120r/min120r/min，反应物料的密度为800kg/m3800kg/m3，黏度为0.2Pas0.2Pas，试计算下列两种情况下的搅拌功率：(1)(1)釜内未设置挡板；(2)(2)釜设置挡板，并符合全挡板条件。解： (1) (1)釜内未设置挡板2000Re2ndRe300，且未设置挡板，重力影响不能忽略，查图3-13曲线5，=1.9，d/D=0.33,查表3-3得=1.0，=40204.02gdnFr0575.0blgRe第三节第三节 搅拌功率搅拌功率Re300，且未设置挡板，重力影响

28、不能忽略，查图3-13曲线5, =1.9，d/D=0.33,查表3-3得=1.0，=40204.02gdnFr0575.0blgReWdFrNb416n53(2)(2)釜内设置挡板,符合完全挡板条件，不会打旋，重力影响可忽略，查图3-13曲线5， =5.0WdnN100053第三节第三节 搅拌功率搅拌功率二、非均相液体的搅拌功率二、非均相液体的搅拌功率1 1、 液液- -液非均相搅拌液非均相搅拌2 2、 气气- -液非均相搅拌液非均相搅拌3 3、 固固- -液非均相搅拌液非均相搅拌第三节第三节 搅拌功率搅拌功率1 1、 液液- -液非均相搅拌液非均相搅拌(1)(1)平均密度平均密度(2)(2)

29、平均黏度平均黏度53dnNNPnd2Re gdnFr2第三节第三节 搅拌功率搅拌功率(1)(1)平均密度平均密度液-液非均相体系的平均密度可用下式计算：式中 为液-液非均相体系的平均密度 kg/m3； 为分散相的密度， kg/m3； 为连续相的密度，kg/m3； 为分散相的体积分率，无因次。cddd1dcd(2)(2)平均黏度平均黏度对于液-液非均相体系，若两相液体的黏度均较低，则其平均黏度为：式中 为液-液非均相体系的平均黏度， Pas ； 为分散相的黏度， Pas； 为连续相的黏度， Pas 。ddc1ddc第三节第三节 搅拌功率搅拌功率对常用的水对常用的水-有机溶剂体系，若水的体积分率小于有机溶剂体系，若水的体积分率小于40%，则，则其平均黏度为：其平均黏度为：0w005.11ww若水的体积分率大于若水的体积分率大于40%40%， 则其平均黏度为：则其平均黏度为：000w61ww式中式中 为水相的黏度，为水相的黏度，Pas； 为有机溶剂相的黏度，为有机溶剂相的黏度，Pas； 为水相的体积分率；为水相的体积分率； 为有机溶剂相的体积分为有机溶剂相的体积分率。率。w0w0第三节第三节 搅拌功率搅拌功率2、 气气-液