制药工程原理及设备液体的搅拌

1、第三章第三章 液体的搅拌液体的搅拌 一、液体搅拌的目的一、液体搅拌的目的二、搅拌器的类型二、搅拌器的类型三、混合效果的度量三、混合效果的度量四、混合机理四、混合机理 五、功率及能量分配五、功率及能量分配六、搅拌器的放大六、搅拌器的放大七、其他混合设备七、其他混合设备一、一、 液体搅拌的目的液体搅拌的目的1、互溶液体的混合 2、不互溶液体的分散和接触 3、气液接触 4、固体颗粒在液体中的悬浮 5、强化液体与器壁的传热 非均相混合均相混合搅拌既使物料混合，又大大加快了传质和反应；同时起到强化传热的作用。二、二、搅拌器搅拌器的类型的类型旋桨式旋桨式 旋桨旋桨桨式桨式 平直叶平直叶、折叶折叶涡轮式涡轮

2、式 开启平直叶开启平直叶、开启弯叶开启弯叶、圆盘平直叶圆盘平直叶、圆盘弯叶圆盘弯叶锚式锚式 （1、2）框式框式 （1、2）螺带式螺带式 （1、2、3）1、按结构型式分类、按结构型式分类2、按工作原理分类、按工作原理分类旋桨式为代表工作原理：去壳轴流泵特点：流量大、压头低；液体作轴向和切向运动搅拌器：旋桨式、折叶桨式、螺带式涡轮式为代表工作原理：去壳离心泵特点：流量小、压头高；液体作径向和切向运动搅拌器：平直叶桨式其它：气流搅拌、静态混合 (1，2，3）、管路机械混合、射流混合三、混合效果的度量三、混合效果的度量 搅拌效果的评价准则调匀度 均相物系分隔尺度 非均相物系 根据工艺过程目的评价根据工

3、艺过程目的评价强化传热、传质 传热系数、传质系数的大小促进反应过程 反应转化率（CA0为A的平均体积浓度）取样分析 结果一致，搅拌均匀 不一致，未均匀，偏离CA0大，差样品CA1、调匀度、调匀度 I 均相体系：表示样品与均匀状态的偏离程度均相体系：表示样品与均匀状态的偏离程度 AAABA0ABB AVVVVC=VVBV液体取液体取12m IIIIm平均调匀度引入调匀度引入调匀度I：样品与均匀态的偏离程度：样品与均匀态的偏离程度00 () 1 ()1AAAACICCCICICCCAA0AA01或 II 1用以度量整个液体的混合效果均匀程度（混合均匀时）2、分隔尺度、分隔尺度非均相体系非均相体系

4、如取样体积远大于微团尺寸，两者平均调匀度均接近1（宏观均匀）；若样品体积小至与微团尺寸接近（微观而言），两者有不同的的调匀度。因此引入分隔尺度，作为多相分散体系搅拌操作的重要指标。ab 对多相分散物系通过搅拌单凭调匀度尚不能反映混合物的状态，它还与分隔尺度有关。 混合尺度的三个层次 设备尺度（大尺度）流体微团（视分散情况） 分子尺度 （依赖于分子扩散） 宏观混合与微观混合宏观混合与微观混合混合效果的度量与混合尺度有关1、液固物系 只能达到某种宏观上的均匀；2、不互溶液体 剧烈搅拌分散程度提高，小尺度宏观均匀，不能达到分子尺度上的均匀；3、互溶液体 可达到分子尺度上的均匀。真正的微观混合只有通过

5、分子扩散才能达到达到分子尺度上的均匀性。1、搅拌器的两个功能、搅拌器的两个功能（1）总体流动 促进宏观均匀，大尺度的均匀混合。 （2）强烈湍动 促进微观均匀，小尺度的均匀混合。四、混合机理四、混合机理2、均相液体的混合机理、均相液体的混合机理1、低粘度液体的混合、低粘度液体的混合 总体流动 釜中液相形成一个循环流动，将液体破碎成 较大液团并被夹带至容器各处，造成宏观上的均匀。 高度湍动 总流中高度湍动液流中的旋涡生成尺寸很小 的液团，漩涡尺寸越小，破碎作用越大，形成液团也 越小，而不是桨叶打碎的结果。搅拌的效果：各部分的湍动也不一样 不可能完全均匀，原因为过程中液团破碎与合并P大大P小小P大大

6、绕流引起驻点压差，使液滴拉长绕流引起驻点压差，使液滴拉长压扁，并被破碎压扁，并被破碎液滴微团液滴微团湍动漩涡使液滴扯开湍动漩涡使液滴扯开2、高粘度及非牛顿流体的混合、高粘度及非牛顿流体的混合主要依赖充分的总体流动原因：高粘度流体在经济的操作范围内不可能 获得高度湍动，只能处于层流流动。常采用大直径搅拌器，如框式、锚式和螺带式，上下往复运动的旋转搅拌器，使釜中的剪切力场尽可能均匀，效果更佳。五、搅拌功率五、搅拌功率1、搅拌器的混合效果与功率消耗、搅拌器的混合效果与功率消耗VV qPgq HH足够大的流量形成强大的总体流动大尺度均匀足够大的压头产生高度湍动较小微团分散设计思想：设法增加搅拌器的功率

7、，而不是提高效率能量的有效利用：根据工艺要求选用合适的搅拌器vq快速均布搅拌能量用于增大输送量 即加大总体流动高度破碎搅拌输入能量主要用于增大湍动强化湍动的措施： 提高搅拌器的转速：压头 H 与 n2 成正比。 阻止液体的圆周运动： 内装挡板（图3-5）：生成漩涡，防止液面凹陷。 破坏循环回路的对称性（偏心、倾斜安装） （图3-5）：破坏循环回路的对称性，增加旋转运动阻力，增强湍动，消除液面凹陷。 安装导流筒（图3-7）：控制流向，消除短路现象和死区。湍动强弱可通过搅拌器产生的压头 H 大小反映。压头必定全部消耗于循环回路的阻力损失中，阻力损失越大，说明旋涡运动越剧烈，内部剪应力越大，湍动程度

8、越高。提高液流的湍动程度与增加循环回路的阻力损失是相同的作用。2、功率曲线、功率曲线（1）搅拌功率的影响因素）搅拌功率的影响因素21、dnfP 1234 DhlBdddddn几何因素； 物理因素 （转速）；无因次对比变特征尺寸量53nd在 个有因次的物理量中选定 个 、 、 为初始变量利用因次分析法转化为无因次形式21253，nddnP功率准数功率准数53dnPK2MendR搅拌雷诺数搅拌雷诺数2urnrndund 53dnKPMKRe由实验测定KReM的关系，绘制曲线 功率曲线 教材P109.图3-9用以查K值12对几何相似的搅拌装置，对比变量、常数教材教材P107. 有误有误（2）搅拌功率

9、的计算）搅拌功率的计算层流区（ReM10）32dnCP（C = 71）充分湍流区（ ReM104）53dnKP步骤： 求2MndRe教材P109.图3-9功率曲线 查 K值 算 P 直接用公式代入计算（3）搅拌功率的分配）搅拌功率的分配355335358835VKPKn dPn dCnddnqddnHn充分湍流时为常数，当 为定值时：；23222VVVqu And dd nqdPgq HHnHud n通过调节流量和压头的相对大小，以获取一定的搅拌效果对不同的搅拌目的，可作不同的选择，功率可作不同的分配讨论：讨论：功率功率P 相同条件下相同条件下d， nVq功率更多地用于总体流动 大尺度调匀 d

10、 ，nH功率更多地用于湍动 微观混合38dHqV58 nHqV由 知加大直径或降低转速，流量qV变大，实现大尺度调匀加大转速或减小直径，压头H 变大，湍动加剧，促进微观混合结论：六、搅拌器的放大六、搅拌器的放大理论研究不够深入，只能用经验方法逐级放大1、用不同型式的小搅拌釜进行试验确定类型2、按一定准则以几何相似放大3、四个放大准则（四个不变）4、放大试验步骤放大准则：放大准则：221122Men dn dR1（ ） 保 持 搅 拌 雷 诺 数不 变 ，222211dndn2211dndn3532300PPn dn dVVd3（ ）保持单位体积能耗不变，常数2211ndndVVqqdHHn4（ ）保持搅拌器流量和压头比值不变，常