第一章液体搅拌

1、1第一章第一章 液体搅拌液体搅拌 利用叶轮旋转或其他方式，推动设备内利用叶轮旋转或其他方式，推动设备内液体按一定流型循环流动，从而使物料混合液体按一定流型循环流动，从而使物料混合均匀或使传热传质过程加速的操作称为均匀或使传热传质过程加速的操作称为液体液体搅拌搅拌。 液体搅拌可以达到以下目的液体搅拌可以达到以下目的 : : （1 1）互溶液体的搅拌，使两种或数种）互溶液体的搅拌，使两种或数种互溶液体在搅拌作用下达到浓度、温度、密互溶液体在搅拌作用下达到浓度、温度、密度及其物性的均匀混合。如制备混合物。度及其物性的均匀混合。如制备混合物。 2 （2 2）不互溶液体的搅拌，使两种液体充）不互溶液体的

2、搅拌，使两种液体充分乳化、增加相间接触面积，通过分散到达分乳化、增加相间接触面积，通过分散到达容器内两相液体的均匀状态。如制备悬浮液容器内两相液体的均匀状态。如制备悬浮液和乳浊液。和乳浊液。 （3 3）固相和液相的搅拌，使固体颗粒悬）固相和液相的搅拌，使固体颗粒悬浮在液相中。如制备均匀的悬浮液。浮在液相中。如制备均匀的悬浮液。 （4 4）气液相搅拌，使气体成为微细气泡，）气液相搅拌，使气体成为微细气泡，均匀分散在液相中，形成稳定的分散质。如均匀分散在液相中，形成稳定的分散质。如用于液体吸收气体。用于液体吸收气体。 （5 5）强化液体与器壁的传热，减少局部）强化液体与器壁的传热，减少局部过热，提

3、高传热系数，促进介质的化学反应过热，提高传热系数，促进介质的化学反应和物理过程。和物理过程。 3 （6 6）高粘度液体的搅拌，如制造稠厚的乳）高粘度液体的搅拌，如制造稠厚的乳剂、软膏和糊状物类的药品。剂、软膏和糊状物类的药品。 液体搅拌主要有机械搅拌、气流搅拌和射液体搅拌主要有机械搅拌、气流搅拌和射流混合等。流混合等。 制药工业上最常用的是机械搅拌。制药工业上最常用的是机械搅拌。典型的机械搅拌装置如下图所示。典型的机械搅拌装置如下图所示。45第一节第一节 搅拌的机理搅拌的机理一、搅拌效果的度量一、搅拌效果的度量 多数搅拌操作均以两种或多种物料的混多数搅拌操作均以两种或多种物料的混合为基本目的，

4、常用混合的均匀度作为搅拌合为基本目的，常用混合的均匀度作为搅拌效果的评价准则。效果的评价准则。 平均均匀度平均均匀度I I 混合均匀时混合均匀时I=1I=1；混合不；混合不均匀时均匀时0I10I1，I I偏离偏离1 1越远，混合越不均匀。越远，混合越不均匀。二、搅拌机理二、搅拌机理 搅拌的目的是通过搅拌器自身的旋转把搅拌的目的是通过搅拌器自身的旋转把机械能传递给液体，造成设备内液体的强制机械能传递给液体，造成设备内液体的强制对流，以达到均匀的混合状态。对流，以达到均匀的混合状态。 6 液体的强制对流方式有液体的强制对流方式有总体循环流动总体循环流动和和湍流运动湍流运动（湍动）两种。（湍动）两种

5、。 搅拌器的搅拌器的功能功能是提供搅拌过程所需要的是提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状态。它通过自身（叶轮）能量和适宜的流动状态。它通过自身（叶轮）的旋转把机械能传递给液体，带动液体作圆的旋转把机械能传递给液体，带动液体作圆周运动，同时也因桨叶型式不同形成轴向、周运动，同时也因桨叶型式不同形成轴向、径向流动。径向流动。 这样，一方面在搅拌器附近产生强剪切这样，一方面在搅拌器附近产生强剪切或或湍动湍动，形成高度湍流的充分混合区；另一，形成高度湍流的充分混合区；另一方面产生一股高速射流，推动全部液体沿一方面产生一股高速射流，推动全部液体沿一定途径在罐内循环流动，这种大范围的流动定途径在罐内循环

6、流动，这种大范围的流动称为称为总体流动总体流动，如图，如图2-22-2所示。所示。 78 总体流动将液体破碎成较大液团并带至总体流动将液体破碎成较大液团并带至罐内各处，更小尺度上的混合则是由高度湍罐内各处，更小尺度上的混合则是由高度湍动液流中的旋涡造成。动液流中的旋涡造成。 1 1、罐内的总体流动与大尺度的混合、罐内的总体流动与大尺度的混合 总体流动的途径复杂总体流动的途径复杂, ,不同型式的搅拌器不同型式的搅拌器所形成的途径各不相同。所形成的途径各不相同。 旋桨式搅拌器形成的罐内总体流动旋桨式搅拌器形成的罐内总体流动图图2-32-3 涡轮式搅拌器形成的罐内总体流动涡轮式搅拌器形成的罐内总体流

7、动图图2-42-491011 要使总体流动能够促进罐内液体大尺度要使总体流动能够促进罐内液体大尺度均匀混合，必须使总体流动充至罐内各处，均匀混合，必须使总体流动充至罐内各处，消除不流动的死区。消除不流动的死区。 加大循环量有利于提高大尺度上混合的加大循环量有利于提高大尺度上混合的均匀度均匀度。 2 2、强剪切、高度湍动与小尺度的混合、强剪切、高度湍动与小尺度的混合 当叶轮旋转产生的高速液流通过静止或当叶轮旋转产生的高速液流通过静止或运动速度较低的液体时，高速液体和低速液运动速度较低的液体时，高速液体和低速液体在交界面及其附近产生速度梯度，使界面体在交界面及其附近产生速度梯度，使界面附近的液体受

8、到强烈的剪切作用。附近的液体受到强烈的剪切作用。 12 低粘度流体低粘度流体产生大量旋涡。产生大量旋涡。 高粘度液体高粘度液体罐内只作层流流动。罐内只作层流流动。 总体流动的特点总体流动的特点是液体以相当于或略小是液体以相当于或略小于设备尺寸的尺度运动，且有一定的流动方于设备尺寸的尺度运动，且有一定的流动方向，流动范围大。向，流动范围大。 湍流运动的特点湍流运动的特点则是以很小的微团尺度则是以很小的微团尺度运动，运动距离很短，且又不规则。运动，运动距离很短，且又不规则。 13 湍流运动造成的混合速度远比总体流动所湍流运动造成的混合速度远比总体流动所造成的混合速度快造成的混合速度快。 实际的搅拌

9、所造成的混合过程是总体流动、实际的搅拌所造成的混合过程是总体流动、湍流运动及分子扩散等的综合作用。湍流运动及分子扩散等的综合作用。14第二节第二节 搅拌器搅拌器一、搅拌器的类型及其性能一、搅拌器的类型及其性能（一）搅拌器的类型（一）搅拌器的类型 1 1、按工作原理分为按工作原理分为 轴向流搅拌器轴向流搅拌器 如螺旋桨式叶轮如螺旋桨式叶轮 径向流搅拌器径向流搅拌器 如涡轮式叶轮如涡轮式叶轮 前者使液体作轴向和切向流动，后者使前者使液体作轴向和切向流动，后者使液体作径向和切向流动。液体作径向和切向流动。15按按工工作作原原理理分分类类类型类型特点特点液体流动状况液体流动状况 典型代表典型代表轴向轴

10、向流搅流搅拌器拌器流量大，流量大，压头低压头低在搅拌罐内主在搅拌罐内主要作轴向和切要作轴向和切向流动向流动螺旋桨式螺旋桨式径向径向流搅流搅拌器拌器流量较小，流量较小，压头较高压头较高在搅拌罐内主在搅拌罐内主要作径向和切要作径向和切向流动向流动涡轮式涡轮式16 2 2、按搅拌器性能分类按搅拌器性能分类 根据搅拌器的旋转直径和转速根据搅拌器的旋转直径和转速 小直径高转速搅拌器小直径高转速搅拌器 如：螺旋桨式和涡轮式如：螺旋桨式和涡轮式大直径低转速搅拌器大直径低转速搅拌器 如：桨式、锚式、螺带式如：桨式、锚式、螺带式 小直径高转速搅拌器适用于液体粘度较低小直径高转速搅拌器适用于液体粘度较低的场合，大

11、直径低转速搅拌器适用于液体粘度的场合，大直径低转速搅拌器适用于液体粘度较高的场合。较高的场合。17按按搅搅拌拌器器性性能能分分类类类型类型特点特点适用范围适用范围典型代表典型代表小直径小直径高转速高转速搅拌器搅拌器叶片面积叶片面积小，转速小，转速高高液体粘度液体粘度较低的场较低的场合合螺旋桨式螺旋桨式和涡轮式和涡轮式大直径大直径低转速低转速搅拌器搅拌器叶片面积叶片面积大，转速大，转速低，搅动低，搅动范围大范围大液体粘度液体粘度较高的场较高的场合合桨式、锚桨式、锚式、螺带式、螺带式、框式式、框式18( (二二) )几种常用搅拌器的性能几种常用搅拌器的性能 1 1、螺旋桨式搅拌器、螺旋桨式搅拌器

12、结构简单，安装容易，转速高，搅拌器直结构简单，安装容易，转速高，搅拌器直径一般取搅拌罐内径的径一般取搅拌罐内径的0.20.5倍，叶片端部，叶片端部的圆周速度一般为的圆周速度一般为5 5 15m/s 15m/s 。 适用于低粘度（适用于低粘度（2Pa2Pas s）液体的搅拌。）液体的搅拌。 常用于大尺度均匀混合的场合，如互溶液常用于大尺度均匀混合的场合，如互溶液体的混合，固体的混悬，强化搅拌罐内传热等。体的混合，固体的混悬，强化搅拌罐内传热等。 19 螺旋桨式搅拌器旋转时，液体在高速旋螺旋桨式搅拌器旋转时，液体在高速旋转的叶轮作用下作轴向和切向运动，当液体转的叶轮作用下作轴向和切向运动，当液体离

13、开螺旋桨后作螺旋线运动。轴向分速度使离开螺旋桨后作螺旋线运动。轴向分速度使液体沿轴向下流动，当流至罐底时再沿罐壁液体沿轴向下流动，当流至罐底时再沿罐壁折回返入旋桨，形成如图折回返入旋桨，形成如图2-32-3所示的总体循环所示的总体循环流动。切向分速度使离开桨叶的液体带动容流动。切向分速度使离开桨叶的液体带动容器内整个液体作圆周运动。器内整个液体作圆周运动。 若液体中含有固体颗粒时，圆周运动还若液体中含有固体颗粒时，圆周运动还会将颗粒甩向罐壁，并沉积到搅拌罐底部，会将颗粒甩向罐壁，并沉积到搅拌罐底部，起着与混合相反的作用，应设法抑制。起着与混合相反的作用，应设法抑制。 2021 2 2、涡轮式搅

14、拌器、涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器的直径一般为罐内径的涡轮式搅拌器的直径一般为罐内径的0.20.20.5，转速较高，叶片端部的圆周速度，转速较高，叶片端部的圆周速度一般为一般为4 410m/s10m/s。 适用于中等和低粘度适用于中等和低粘度(50Pa( 桨式桨式 涡轮式涡轮式 螺旋桨式螺旋桨式 常用的搅拌器选型方法有以下几种：常用的搅拌器选型方法有以下几种： 4142( (二二) )根据操作目的和主要影响因素来选型（根据操作目的和主要影响因素来选型（表表3-13-1） 1 1、低粘度均相液体的混合、低粘度均相液体的混合 一般的搅拌器皆可适用。一般的搅拌器皆可适用。螺旋桨式螺旋桨式的的循环速率大

15、且消耗功率小，最合适；桨式循环速率大且消耗功率小，最合适；桨式转速低，功率消耗小，但混合效果不佳；转速低，功率消耗小，但混合效果不佳；涡轮式的剪切作用强，但其功率消耗大，涡轮式的剪切作用强，但其功率消耗大，对于这类混合过程不经济。对于这类混合过程不经济。 2 2、高粘度均相液体的混合、高粘度均相液体的混合 常用大尺寸低转速搅拌器（锚式、框常用大尺寸低转速搅拌器（锚式、框式、螺带式），主要取决于搅拌液的粘度。式、螺带式），主要取决于搅拌液的粘度。43 3 3、分散、分散( (非均相液体混合非均相液体混合) ) 涡轮式涡轮式搅拌器的剪切作用强且循环速率大，搅拌器的剪切作用强且循环速率大，用于此类操

16、作效果最好，用于此类操作效果最好，特别是平直叶特别是平直叶的剪切的剪切作用比折叶和弯叶的大，更为合适。在分散粘作用比折叶和弯叶的大，更为合适。在分散粘度较大的液体时，可采用弯叶涡轮，以减小能度较大的液体时，可采用弯叶涡轮，以减小能量消耗。量消耗。 44 4 4、固体混悬、固体混悬 在低粘度液体内悬浮容易沉降的固体颗在低粘度液体内悬浮容易沉降的固体颗粒时，应选用粒时，应选用涡轮式涡轮式搅拌器。其中又以搅拌器。其中又以开启开启式式为最好，因它没有中间的圆盘，不会阻碍为最好，因它没有中间的圆盘，不会阻碍桨叶上下的液相混合，特别是弯叶开启式涡桨叶上下的液相混合，特别是弯叶开启式涡轮，桨叶不易磨损，用于

17、固体悬浮更为合适。轮，桨叶不易磨损，用于固体悬浮更为合适。如固液密度差小，不易沉降，则可采用螺旋如固液密度差小，不易沉降，则可采用螺旋桨式。对固液比在桨式。对固液比在5050以上或液体粘度高而以上或液体粘度高而不易沉降的，可采用桨式或锚式搅拌器。不易沉降的，可采用桨式或锚式搅拌器。 45 5 5、固体溶解、固体溶解 要求搅拌器既有剪切作用又有循环速率，要求搅拌器既有剪切作用又有循环速率，所以所以涡轮式涡轮式是最合适的。螺旋桨式的循环速率是最合适的。螺旋桨式的循环速率大，剪切作用小，可用于小容量的固体溶解。大，剪切作用小，可用于小容量的固体溶解。桨式要借助挡板提高它的循环能力。桨式要借助挡板提高

18、它的循环能力。 6 6、气体吸收、气体吸收 需要较强的剪切作用、较大的液体循环量需要较强的剪切作用、较大的液体循环量和较高的转速，因此涡轮式搅拌器较适宜，尤和较高的转速，因此涡轮式搅拌器较适宜，尤其是其是中间圆盘的涡轮式搅拌器中间圆盘的涡轮式搅拌器为最佳。为最佳。 46 7 7、结晶、结晶 一般情况下，小直径高转速搅拌器适用一般情况下，小直径高转速搅拌器适用于微粒结晶，大直径低转速搅拌器适用于大于微粒结晶，大直径低转速搅拌器适用于大颗粒定型结晶。颗粒定型结晶。 8 8、传热、传热 传热量小时可用夹套罐加热，采用传热量小时可用夹套罐加热，采用桨式桨式搅拌器；中等传热量可用夹套罐加热，采用搅拌器；

19、中等传热量可用夹套罐加热，采用桨式搅拌器并加挡板桨式搅拌器并加挡板；传热量很大时可用蛇；传热量很大时可用蛇管传热，采用管传热，采用螺旋桨式或涡轮式搅拌器螺旋桨式或涡轮式搅拌器，并并加挡板加挡板。 47第三节第三节 搅拌功率搅拌功率一、搅拌器混合效果与功率消耗一、搅拌器混合效果与功率消耗N=gqVH 式中：式中：q qV搅拌器排液量（流量）；搅拌器排液量（流量）； H H搅拌器对单位重量液体所做搅拌器对单位重量液体所做的功，即压头。的功，即压头。 在等功率条件下，采用大直径、低转速在等功率条件下，采用大直径、低转速搅拌器，更多的功率消耗于总体流动，有利搅拌器，更多的功率消耗于总体流动，有利于大尺

20、度上的均匀混合；采用小直径、高转于大尺度上的均匀混合；采用小直径、高转速搅拌器，更多的功率消耗于湍动，有利于速搅拌器，更多的功率消耗于湍动，有利于小尺度上的均匀混合。小尺度上的均匀混合。48 搅拌器的功率与罐内造成的流动状态有关，搅拌器的功率与罐内造成的流动状态有关，所以所以影响流动状态的因素也是影响搅拌功率的影响流动状态的因素也是影响搅拌功率的因素因素。与搅拌功率有关的因素可分为。与搅拌功率有关的因素可分为几何因素几何因素与与物理因素物理因素两类。两类。 1 1、影响搅拌功率的几何因素有：、影响搅拌功率的几何因素有： (1) (1)搅拌器的直径；搅拌器的直径； (2) (2)搅拌器叶片数量、

21、形状以及叶片长度搅拌器叶片数量、形状以及叶片长度和宽度；和宽度； (3) (3)搅拌器内径；搅拌器内径； 二、均相液体的搅拌功率二、均相液体的搅拌功率49 (4) (4)搅拌器中所装液体高度；搅拌器中所装液体高度； (5) (5)搅拌器距罐底部的距离；搅拌器距罐底部的距离； (6) (6)挡板数目及宽度。挡板数目及宽度。 2 2、对于均相液体搅拌过程，影响搅拌、对于均相液体搅拌过程，影响搅拌功率的主要物理因素为：功率的主要物理因素为： (1) (1)液体的密度液体的密度； (2) (2)液体的粘度液体的粘度； (3) (3)搅拌器转速搅拌器转速n n； (4) (4)重力加速度重力加速度g g

22、等。等。 3 3、功率曲线、功率曲线（了解（了解 ）50第四节第四节 搅拌器的放大搅拌器的放大 放大：放大：通过小型设备模拟试验所取得的最通过小型设备模拟试验所取得的最佳操作条件及搅拌器的工艺参数，经过适当的佳操作条件及搅拌器的工艺参数，经过适当的计算处理，从而获得设计工业生产规模的搅拌计算处理，从而获得设计工业生产规模的搅拌装置所需的操作条件和数据的过程。装置所需的操作条件和数据的过程。 51 对于一般搅拌装置的放大，要求实验系对于一般搅拌装置的放大，要求实验系统（模型）与实际生产系统（原型）之间的统（模型）与实际生产系统（原型）之间的相似有：几何相似、流体运动相似、动力学相似有：几何相似、

23、流体运动相似、动力学状态相似热相似等。实际上要同时满足这些状态相似热相似等。实际上要同时满足这些相似条件是不可能的，但相似条件是不可能的，但两系统几何相似是两系统几何相似是相似放大的基本要求相似放大的基本要求。 几何相似是指模型与原型相应几何尺寸几何相似是指模型与原型相应几何尺寸的比例都相等。的比例都相等。 搅拌器通常采用两种方法进行放大。一搅拌器通常采用两种方法进行放大。一种是按功率数据放大，另一种是按工艺结果种是按功率数据放大，另一种是按工艺结果放大。前者比后者必须满足的相似条件少。放大。前者比后者必须满足的相似条件少。52第五节第五节 其他类型搅拌器其他类型搅拌器 磁力驱动搅拌器简称磁力

24、搅拌器。其主磁力驱动搅拌器简称磁力搅拌器。其主要特点是利用原动机带动外部永久磁体转动，要特点是利用原动机带动外部永久磁体转动，当外磁体旋转时，通过磁场的作用，驱动封当外磁体旋转时，通过磁场的作用，驱动封闭在隔离套内的与搅拌轴连接的内磁体同步闭在隔离套内的与搅拌轴连接的内磁体同步旋转，从而实现无接触、无摩擦地将扭矩传旋转，从而实现无接触、无摩擦地将扭矩传送到搅拌器，实现搅拌的目的。送到搅拌器，实现搅拌的目的。 磁力搅拌器罐内介质处于完全封闭状态，磁力搅拌器罐内介质处于完全封闭状态，完全无泄漏和污染，能实现高温、高压完全无泄漏和污染，能实现高温、高压一、磁力搅拌器一、磁力搅拌器53、高真空度、高真

25、空度、高转数下进高转数下进行的各种易行的各种易燃、易爆以燃、易爆以及有毒介质及有毒介质的搅拌，特的搅拌，特别适用于制别适用于制药、精细化药、精细化工以及微生工以及微生物工程等行物工程等行业进行试验业进行试验和生产。和生产。 54二、液流搅拌器二、液流搅拌器 液流搅拌器是利用循环泵等对液体提供能液流搅拌器是利用循环泵等对液体提供能量，使液体从喷嘴以高速量，使液体从喷嘴以高速射流射流的形式喷出，高的形式喷出，高速射流在静止流体中穿过时，一方面推动其前速射流在静止流体中穿过时，一方面推动其前方的液体运动，另一方面，由于射流边界上存方的液体运动，另一方面，由于射流边界上存在的高剪切速率造成的大量旋涡会把周围静止在的高剪切速率造成的大量旋涡会把周围静止的液体挟带到射流中，把动量传递给低速液体，的液体挟带到射流中，把动量传递给低速液体，使流体混合。液流搅拌器对压头的要求比较使