药学中级工程师医药工程专业知识制药工程原理与设备

晋升工程师第三部分医药工程专业知识一一三、制药工程原理与设备

一.流体流动

1.流体的密度、压强、流体静力学基本方程式及应用★

（1）流体的密度：单位体积流体具有的质量，p=m/V单位：kg/m3

式中，m—流体的质量，kg；V—流体的体积，m3

324

密度有不同的单位,SI制中单位为kg/m,物理单位制中为g/cn?,工程单位制中为kgf.s/m,

其换算关系为：Ig/cn?=103kg/m3=102kgf.s2/m4

①液体的密度：液体可视为不可压缩流体。相对密度是液体在某温度时的密度与标准大气压

下4℃时水的密度的比值，即s=p/pH2o=p/1000

式中，s-液体的相对密度，kg/m3；pH2O-标准大气压下4℃时水的密度的比值，lOOOkg/n?

J_=&+三+....+、=之土

PmPlP2Pni=lPi

式中，pm—混合液的密度，kg/m3；pi—混合液中组分i的密度，kg/m3；XL混合液中组分i

的质量分数。

②气体的密度：液体为可压缩流体，其密度随温度和压力而变。当压力不太高（临界压力以

下）、温度不太低（临界温度以上）时，气体可视为理想气体，则

mmpM

pV=nRT=—RT贝Up=—=------

MVRT

式中，p—气体的压力，kPa；V—气体的体积，；T—气体的温度，K；n—气体物质的量，

kmol；M—气体的摩尔质量，kg/kmol；R—摩尔气体常数，8.314kJ/（kmol.K）

一oMM

标准状态（T=273.15K,p0=101.325kPa）下，理想气体的密度po为Po=1亍=石］

弋/、tMmpTo

Pm=PO1+P2y2+...+pnyn=Z（PiyJ或pm=T^X—X不

占22.4p0T

式中，pm—气体混合物的密度，kg/m3；

Pi—同温同压下组分i单独存在时的密度，kg/m3；

%—气体混合物中组分i的体积分数；

Mm—气体混合物的平均摩尔质量，Mm=£（MjJ

i=l

式中，Mi—气体混合物中组分i的摩尔质量，kg/kmolo

（2）流体的压强：流体垂直作用于单位面积上的力，p=F/A,单位：Pa

式中，F—垂直作用于流体表面上的压力，N；A—作用面的面积，m2

①在SI制和法定单位制中，压强的单位为Pa,其他单位如物理大气压（atm）、工程大气压

（kgf/cm2）＞液柱高度（mmHg、mmH2。）、巴（bar）等，其换算关系为

25

latm=760mmHg=1.033kgf/cm=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133xl0Pa

IMpa=103kPa=106Pa=109mPa

②压强大小常以绝对真空或外界大气压为基准来计量。以绝对真空（零压）为基准测得的压

力称为绝对压力，它是流体的真实压力。

i）当被测流体的压强高于外界的大气压强时，采用压强表进行测量，其读数反映了被测流

体高于外界大气压强的数值，称为表压强，即：表压（强）=绝对压强-大气压强

ii）当被测流体的压强低于外界大气压强时，采用真空表进行测量，其读数反映了被测流体

的绝对压强低于外界大气压强的数值，称为真空度，即：真空度=大气压强-绝对压强

（3）流体静力学基本方程式：描述静止流体内部压力变化规律的数学表达式。

必

尸

122Z?

如右图所示，容器内装有密度为p的液体，液体可认为是不可压缩流体，其密度不随压力变

化。在静止液体中取一段液柱，其截面积为A,以容器底面为基准水平面，液柱的上、下端

面与基准水平面的垂直距离分别Z1为和Z2。作用在上、下两端面的压强分别为P1和P2。重

力场中号垂直方向上对液柱进行受力分析：①上端面所受总压力P1=P1A,方向向下；②下

端面所受总压力P2=P2A,方向向上；③液柱的重力G=pgA(Z1-Z2),方向向下。

液柱处于静止时，上述三项力的合力应为零，即：p2A-piA-pgA(Zi-Z2)=0

则P2=Pi+pg(Z1-Z2)

若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的压力为po,液柱高度为h,

则P2=Po+pgh

(3)流体静力学基本方程式的应用

①压强与压强差的测量：U形管压差计、斜管压差计、微差压差计

②液位测量

a.近距离液位测量：h,=hA-⑵-4)R

PB

式中，hi—平稳小室内的液位，即容器内页面答应到达的最高液位，m；

h2一容器内的液位，m；

PA一指示液的密度，kg/m3；

PA—容器内液体的高度，kg/m3；

b.近距离液位测量：h=^R

PB

式中，PA—U形管压差计内指示液的密度，kg/m3；

PB—贮罐内液体的高度，kg/m3；

③液封高度的运算

h=上~

PHIOS

式中，h—液封管插入页面下的深度；

Pi一设备内答应操作压力，即表压

2.流量、流速的概念及公式，稳态流动与非稳态流动★

(1)流量

①体积流量Vs：单位时间内流体流经管道任一截面的体积，单位为m3/s。

②质量流量Ws：单位时间内流体流经管道任一截面的质量，单位为kg/s。

两者关系为Ws=pVs

(2)流速

①平均流速田单位时间内流体在流动方向上流过的距离，单位为m/s。

2

H=VS/A=Ws/pA式中，A—与流动方向相垂直的管道截面积，mo

②质量流速G：单位时间内流体流经管道单位截面积的质量，单位为kg/m2.s。

两者关系为G=Ws/A=pVs/A=pM

(3)稳态流动：在流体流动系统中，若任一点的温度、压力、流速等与流动有关的参数仅

随位置而变，而不随时间而变，这种流动即为稳态流动。

(4)非稳态流动：在流体流动系统中，若任点的温度、压力、流速等与流动有关的参数有

部分或全部随时间而变，这种流动即为非稳态流动。

3.牛顿黏性定律与流体黏度，流体在管道速度分布的要求，流体类型，层流内层★

（1）牛顿黏性定律

水在管内流动时，管内任一截面上各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管

壁速度愈小，在管壁处水的质点附于管壁上，其速度为零。所以，流体在圆管内流动时，实

际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着一层，各层以不同的速度向前运动，这种运动

着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，是流体粘性的表现，所

以又称为粘滞力或粘性摩擦力。

图1-25平板间液体速度分布图

流体在流动过程中，相邻流体层之间所产生的内摩擦力F与两流体层间的速度差Au成

正比，与两层之间的垂直距离Ay成反比，与两层间的接触面积S成正比，即：

_du„„Fdu

boc——S或T=——=u——

dySdy

式中，T一单位面积上的内摩擦力（剪切力），Pa

F—两相邻流体层之间的内摩擦力，其方向与作用面平行，N；

S—两相邻流体层之间的接触面积，m2；

比例系数，及流体的粘度,Pa.s；

du/dy—垂直于流体流动方向上流体速度的变化率，即速度梯度1/s。

牛顿黏性定律表明：流体的粘度越大，流动时产生一定速度梯度的剪切应力就越大，且

剪应力与速度梯度成正比，而与压力无关。流体流动时若服从牛顿粘性定律，则称为牛顿型

流体。

（2）流体的粘度

①动力粘度（粘度）的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。即

②单位：

法定单位制中，粘度的单位为:Pa・s

物理单位制中，粘度的单位为:g/（cm・s）,称为P（泊）

不同单位之间的换算关系:lcP=0.01P=0.001Pa・s。手册中粘度的单位常用cP（厘泊）表示。

（3）流动类型与雷诺准数

雷诺实验揭示出管道中流体流动有两种截然不同的类型：层流（或滞流）和湍流（或紊流）。

①a.层流：流体的质点仅沿着与管轴线平行的方向作直线运动，质点无径向运动，质点之

间互不相混，所以有色液体在管轴线方向成一条清楚的细直线。

b.湍流：流体的质点除了沿管轴线方向向前流动外，还有径向运动，各质点的速度在大

小和方向上随时都有变化，即质点作不规则的杂乱运动，质点之间相互碰撞，产生大大小小

的旋涡，所以管内的流体出现出颜色均一的情形。

②雷诺准数：决定流体流动类型的因素是管道内径d、流体的流速u、流体的粘度N及流体

的密度P，这四个物理量所组成的数群是判别流体流动类型的一个判据，称为雷诺（Reynolds）

准数，以符号Re表示，

Re*

Re准数是一个无因次数群。组成数群的物理量，只要所用的单位制统一，运算出的Re

数值必定相同。

根据Re准数的大小可将其分为三个区域：层流区、过渡区、湍流区，但是流体的流动

类型只有两种：层流和湍流，过渡区不是流动类型。

a.当Re<2000时，流动为层流，此区称为层流区。层流是一种稳固的流动类型，若显现扰

动，可能暂时发生偏离层流的现象，一旦扰动因素消逝，层流状态必将复原。

b.当Re>4000时，一样显现湍流，此区称为湍流区。

c.当2000<Re>4000时，可能是层流，也可能湍流，究竟显现哪种流动类型，与外界干扰

有关，故通常将Re值为2000~4000的区域称为不稳固的过渡区。在生产操作条件下，常将

Re>3000的情形即按湍流考虑。

(4)流体在圆形管内的速度分布

实际上流体流经管道时在同一截面不同点上速度都不相同，即速度随位置的变化而变

化，这种变化关系称为速度分布。

对圆形直管而言，由于液化在管内流动是轴向对称的，所以速度分布可用点速度与该点

在径向的位置来表示。无论层流或湍流，管壁处流体均为零，越靠近管中心流速越大，管中

心流速最大。不同的流型，速度分布情形亦不同。

①层流时：速度沿管直径按抛物线的规律分布，流体的平均速度U是管中心最大速度Umax

的1/2。即u=0.5umax

②湍流时：此时速度分布不再呈抛物线形状；靠近管壁处速度梯度较大，管中心邻近速度

分布平均。因流体质点的剧烈分离与混合使截面上各点的速度彼此扯平所致。流体的平均速

度u是管中心最大速度umax的0.82,即u=0.82iimax

(5)层流内层

当管内流体是湍流时，管壁处速度也为零，靠近管壁处的流体仍为层流流动，将这一作

层流流动的流体薄层称为层流内层(或称层流底层)。自层流内层向管中心推移，流体的速度

逐步增大，经过渡层后，到达湍流主体。层流内层的厚度是Re数的函数，随着数Re的增

大而减小，但决不会消逝。

4.测速管、流量计的类型和原理■

(1)测速管：又称皮托管，测量时其前端管口正对流体流动方向，而U形管压差计两端分

别与测速管的内管和套管环隙相连。测得的流速实际上是流体在管截面上某点处的轴向线速

度(局部流速)，而非平均流速。使用时应注意以下几点：i)必须安装在管路的稳固段内。

一样情形下，测量点前的直管长度应大于管道内径的50倍，而测量点后的直管长度应不小

于(8-12)管道内径；ii)外径不应超过管道内径的1/50；iii)前端管口截面必须与流体流

动方向相垂直，任何偏离都将导致负偏差；iv)对流体产生的阻力较小，常用于测量大直径

管道中清洁气体的流速，但不适用于含尘气体的测量。

(2)孔板流量计：在管道上安装一片与管轴相垂直的开有圆孔的金属板，且孔的中心位于

管轴上，称为孔板流量计。孔板流量计的优点是结构简单，制造、安装和使用较方便。缺点

是流体流经孔板时阻力较大，因而能量缺失较大。此外，孔板流量计也必须安装在管路的稳

固段内，孔板前的直管长度应不小于管道直径的(40-50)倍，孔板后的直管长度应不小于

管道内径的(10-20)倍。

(3)文丘里流量计：用一段渐缩、渐扩管代替孔板，即成为文丘里流量计，其最小流通截

面称为文氏喉。测量时上游测压口距截面开始收缩处的长度应不小于管道内径1/2倍，而下

游测压口应设在文氏喉处。其测量原理与孔板流量计基本相同。文丘里流量计具有渐缩段和

渐扩段，其内的流体流速较为平缓，产生的涡流较少，因而能量缺失较小。缺点是各部分尺

寸要求严格，需要精细加工，因而造价较高。

(4)转子流量计：主要由一根上粗下细的锥形玻璃管和一个浮子组成。必须垂直安装，且

流体必须下进上出，转子的最大截面所对应的刻度即为流量计的读书。优点是阻力缺失小，

读书方便，且精确度较高，并可用于腐蚀性流体的测量。缺点是锥形管常为玻璃管，不能承

担高温或高压，因而在安装和使用过程中容易破碎。

二.输送设备

1.离心泵结构、工作原理、性能参数和特性曲线★

(1)离心泵的结构和工作原理

①结构：叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由

电机直接带动。泵壳中央有一液体吸入4与吸入管5连接。液

体经底阀6和吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口8与排出

管9连接。

②工作原理：在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后,

启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转

动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能

量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于

流道的逐步扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以

较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流

向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方

的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见,

只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

③气缚现象：当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小的离心力。

从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸

能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。

(2)性能参数

①流量Q：是指离心泵在单位时间内输送至管路系统中的液体体积，单位为m3/h。其取决

于泵的结构、尺寸和转速。

②扬程H：是指离心泵能够向单位重量的液体提供的有效机械能，又称压头，单位为m。

其取决于泵的结构、转数和流量。

H=ho+P^-

Pg

式中，尻一两表间垂直距离；

P2一泵出口处压力表的读数(Pa)；pi—为泵进口处真空表的读数(负表压值，Pa)o

③效率n：离心泵运转时机械能缺失的大小可用效率来表示，即n=Ne/NXioo%

式中，n一离心泵的效率，无因次；Ne一泵的有效功率，kw；N一泵的轴功率，kW„

④功率

a.轴功率N：是指原动机传给泵轴的功率，单位为W或kW。

b.有效功率Ne：是指所排送的液体从叶轮所获得的净功率，是离心泵对液体所作的净功率，

即Ne=HgQp=QHp/102N=Ne/r]=HQp/102r]

式中，Q—泵的流量，m3/s；H—泵的压头或扬程，m；P—被输送液体的密度，kg/m3；g

一重力加速度，m/s2o

(3)特性曲线：离心泵的压头、功率、效率与流量之间的关系曲线，称为特性曲线。

①H-Q曲线：即离心泵的扬程曲线，反映了离心泵所提供的扬程与流量之间的关系。离心

泵的扬程随流量的增加而下降，且当流量为零时，扬程也能达到一定的数值。

②N-Q曲线：即离心泵的轴功率与流量之间的关系曲线。功率随流量的增加而平缓上升,

且当流量为零时，功率最小。

③n-Q曲线：即离心泵的效率曲线，反映了离心泵的效率

与流量之间的关系。效率先随流量的增加而上升，至最大值

后，再随流量的增加而下降。在一定转速下，离心泵有一最

高效率点，此点称为设计点。选用离心泵时，应使泵尽量在

设计点邻近的流量和压头下工作，这样最为经济。离心泵铭

牌上标出的性能参数就是指该泵在最高效率点下运行时的

性能参数。

④设计点：离心泵特性曲线上的效率最高点称为〜，泵在该点对应的压头和流量下工作最

为经济。离心泵铭牌上标出的性能参数即为最高效率点上的工况参数。

2.离心泵的气蚀现象和安装高度、工作点和流量调剂、类型与选型★

（1）离心泵的汽蚀现象：是指被输送液体由于在输送温度下饱和蒸汽压等于或低于泵入口

处（实际为叶片入口处的）的压力而部分汽化，引起泵产生噪音和震动，严重时，泵的流量、

压头及效率的显著下降，明显，汽蚀现象是离心泵正常操作所不答应发生的。避免汽蚀现象

发生的关键是泵的安装高度要正确，特别是当输送温度较高的易挥发性液体时，更要注意。

（2）离心泵的安装高度Hg：是指泵的吸入口与贮槽液面之间的最大垂直距离Hg。

一二小

①气蚀余量Ah：为防止气蚀现象发生，离心泵入口邻近的液体静压头（pi/Pg）与动压头

（U12/2g）之和必须大于操作温度下液体的饱和蒸汽压头（pv/Pg）的某一最小值，即

Ah=p/pg+u『/2g-p„/pg

②安装高度Hg：Hg=p0/pg-p„/pg-Ah-Hf.o.i

为安全起见，泵的实际安装高度应比运算值低0.5-lm,以免产生汽蚀现象。

（3）工作点：离心泵的特性曲线H-Q与其所在管路的特性曲线H『Qe的交点M,称为泵在

该管路系统中的工作点。工作点所示的流量与压头既是泵提供的流量和压头，又是管路所需

要的流量和压头。

2

其中管路特性曲线为管路所需压头与流量的关系曲线，He=A+BQe

（4）流量调剂：对一台泵而言，特性曲线不会变，而管路特性曲线可变。当泵的工作点所

提供的流量不能满足新条件下所需要的流量时，即应设法改变泵工作点的位置，即需要进行

流量调剂。流量调剂的方法有：

①在离心泵出口管路上装一调剂阀，改变阀门开度，即改变管路特性曲线He=A+BQe?中之

B值，阀门开大，工作点远离纵轴；阀门关小，工作点靠近纵轴。

这种调剂方法的优点是，操作简便、灵活。其缺点是，阀门关小时，管路中阻力增大，

能量缺失增大，从而使泵不能在最高效率区域内工作，是不经济的。用改变阀门开度的方法

来调剂流量多用在流量调剂幅度不大、而经常需要调剂的场合。

②改变泵的转速，即改变泵的特性曲线。

③车削叶轮外径也改变泵的特性曲线。采用以上两种方法均可改变泵的我曲线。用这些方

法调剂流量在一定范畴内可保证泵在高效率区内工作，能量利用较经济，但不方便，流量调

剂范畴也不大，故应用不广泛。

（5）类型与选型

①离心泵按被输送液体的性质可分为：

a.水泵（B型、D型、sh型）：用于输送清水及物理、化学性质类似于水的清洁液体。

b.耐腐蚀泵（F型）：用于输送酸、碱等腐蚀性液体。

c.油泵（Y型）：用于输送石油产品。

d.杂质泵（P型）：用于输送含固体颗粒的悬浮液及粘度较大的浆液。

②离心泵的选用

a.根据被输送液体的性质及操作条件，确定泵的类型；

b.确定输送系统的流量（由生产任务确定）和扬程（根据管路的布置情形，由伯努利方程

运算）；

c.根据流量及运算管路中所需压头，确定泵的型号；

d.若被输送液体的粘度和密度与水相差较大时，应核算泵的特性参数：流量、压头和轴功

率。

3.离心式通风机的工作原理、性能参数和挑选★

(1)性能参数

①风量Q：是单位时间内通过通风机的气体体积，单位为m3/s或m3/h。

②风压是单位体积气体流经风机所获得的机械能，单位为J/n?,即Pa。

HT=(P2-P1)+p|X22/2

式中，(P2-P1)为静风压；PM2/2为动风压。静风压与动风压之和称为全风压。

NH

③轴功率N：N=，QT

rj1000;

(2)离心通风机的选用

a.由伯努利方程运算输送系统所需的实际风压HT，并换算成实验条件下的风压HTo=1.2HT/p

b.根据被输送气体的性质和风压范畴，确定风机的类型；

c.根据实际风量和实验条件下的风压，从风机样本的特性曲线或性能参数表中挑选合适的

风机型号；

d.若被输送气体的密度大于L2kg/m3,则重新运算轴功率，并作为挑选电机的依据。

4.典型气体输送设备的类型、特点和技术要求■

(1)鼓风机

①离心式鼓风机：送风量较大，但出口风压不高。由于压缩比不大，气体压缩过程中产生

热量较少，不需冷却装置。

②罗茨鼓风机：属于正位移型，其风量与转速成正比，而与出口压力无关，风量范畴2〜

500m3/min,出口表压强低于80kPa。出口应安装气体稳压罐和安全阀，流量采用旁路调齐U，

且出口阀不能完全关闭；操作温度不能超过85℃,否则转子因热膨胀卡死。

(2)压缩机

①离心式压缩机(透平压缩机)：流量可达几十万m3/h,并具有体积小、重量轻、运行平

稳、修理方便、无润滑油污染等优点。

②液环式压缩机(纳氏泵)：表压强可达0.5〜0.6Mpa,可作为真空泵使用。

③往复式压缩机：包括吸气、压缩、排气和膨胀四个过程。

(3)真空泵

①水环式真空泵：优点是结构简单、紧凑，易于制造和修理，最高真空度可达83kPa,适

用于抽吸有液体的气体及腐蚀性或爆炸性气体；缺点是效率低(30%〜50%),且产生的真空

内7K温.的才空制I

②旋片式真空泵：可达较高的真空度，但抽气速率较小，常用于抽气量较小的真空系统。

③喷射泵：利用流体流动时动能与静压能之间的相互转换来吸入和排除流体。缺点是蒸汽

消耗量较大且效率低，一样不作为输送设备用。

④往复式真空泵：由于排气量不均、结构复杂、修理费用高，不常用。

5.典型固体输送设备的类型、原理和特点■

(1)带式输送机：结构简单、工作可靠、使用修理方便；输送过程平稳、噪音小，且不伤

害物料，并可长距离连续输送，输送能力强、效率高。缺点是输送不密封，易使轻质粉状物

料飞扬、设备成本高，且输送带易磨损、跑偏。适用于各种块状和颗粒状物料的输送。

(2)链式输送机

①链板式输送机：输送能力大、运行平稳可靠、适用范畴广。

②斗式提升机：结构简单、工作安全可靠，可以垂直或接近垂直方向向上提升，提升高度

大。占地面积小、并有良好的密封性，可减少灰尘污染。缺点是不能水平输送，必须平均供

料，过载能力较差。适用于大块和磨损性大的物料。

(3)螺旋式输送机：适用于需要密封运输的物料，易变质、粘性大及易结块物料。

(4)气力输送装置

①吸送式：结构简单、工作时系统内始终保持一定负压，因而不致灰尘飞扬、但动力消耗

较大，不宜大容量和长距离输送，特别适于粉状药粉。

②压送式：采用正压输送，工作压力大，适用于大容量和长距离输送，适用范畴大；缺点

是供料设备的结构复杂，必须有完善的密封措施。

③混合式：适于从几点吸料而同时又分散输送至不同地点的场合，但系统组成复杂，风机

易受磨损，工作条件较差。

三.液体搅拌

1.液体搅拌要求，搅拌器的分类、特点及适用对象，搅拌器的选型★

搅拌注重的是釜内物料的运动方式和剧烈程度，分为机械搅拌和气流搅拌。

A,搅拌器的分类、特点及适用对象

根据搅拌器的旋转直径和转速，常用搅拌器可分为两类，即小直径高转速搅拌器和大直径低

转速搅拌器。

（1）小直径高转速搅拌器：此类搅拌器主要用于低粘度液体的搅拌，其特点是叶片面积小、

转速高，常用的有推进式和涡轮式两种。

①推进式搅拌器：又称螺旋桨式搅拌器。叶轮直径较小（仅为釜径的020.5倍），但转速较

高（可达100-500r/min）,叶端圆周速度较大（5-15m/s）。工作时，推进式搅拌器如同一台无

外壳的轴流泵，高速旋转的叶轮使液体作轴向和切向运动。液体的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，从而形成总体循环流动，起到

混合液体的作用。推进式搅拌器的特点是液体循环量较大，但产生的湍动程度不高，常用于

低粘度（＜2Pa.s）液体的反应、混合、传热以及固液比较小的溶解和悬浮等过程。

②泯轮式搅拌器：叶轮直径较小（仅为釜径的020.5倍），转速10-500r/min,叶端圆周速

度4-10m/s。工作时，涡轮式搅拌器如同一台无外壳的离心泵，高速旋转的叶轮使釜内液体

产生切向和径向运动。沿叶轮半径方向高速流出的液体推动釜内液体流向釜壁，遇阻后分别

形成上、下两条回路重新流回搅拌器入口，从而形成总体循环流动。涡轮式搅拌器的特点是

不仅能产生较大的液体循环量，而且可对桨叶外缘邻近的液体产生较强的剪切作用，常用于

粘度小于50Pa.s的液体的反应、混合、传热以及固体在液体中的溶解、悬浮和气体分散等

过程。但对于易分层物料，如含有较重颗粒的悬浮液，此类搅拌器则不适用。

（2）大直径低转速搅拌器：特点是叶片面积大、转速低、搅拌范畴大，常用有桨式、框式

和螺带式等。

①桨式搅拌器：旋转直径可达釜径的0.35-0.9倍，桨叶宽度一样为旋转直径的1/10-1/4,常

用转速l-100r/min,叶端圆周速度有平桨式、斜桨式和多斜桨式。平桨式搅拌器可

使液体产生切向和径向运动，可用于简单的液-液混合、固-液溶解、悬浮和气体分散等过程。

但其所产生的轴向流动范畴较小，因此当物料液位较高时，应采用斜桨式搅拌器或与推进式

搅拌器配合适用。

②锚式和框式搅拌器：特点是旋转直径较大（可达釜径的0.9-0.98倍），但转速较低

（l-100r/min）,叶端圆周速度较小（l-5m/s）o优点是搅动范畴大，并可根据需要增加横梁

和竖梁数，以进一步增大搅拌范畴，因而很少产生搅拌死区。此外由于存在搅拌器的刮壁效

应，因而可减少或防止固体颗粒在釜内壁上的沉积。缺点是液体主要作水平环向流动，基本

没有轴向流动，因而难以保证轴向混合成效。锚式和框式搅拌器适用于中、高粘度液体的混

合、反应及传热过程。

③螺带式搅拌器：特点是旋转直径较大（可达釜径的0.9-0.98倍），但转速仅为0o5-50r/min,

叶端圆周速度小于2m/s。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

动，故轴向混合成效比锚式或框式的好。螺带式搅拌器主要用于中、高粘度液体的混合、反

应及传热过程。

B.搅拌器的选型

若搅拌过程主要是依靠液体的总体流动来达到宏观混合的目的，而对依靠湍流运动来达

到微观混合的要求不高，则将此类搅拌过程称为总体流动控制过程。如互溶液体的搅拌、传

热过程的搅拌。若搅拌过程主要是依靠液体的湍流运动来达到微观混合的目的，而对总体流

动的要求不高，则将此类搅拌过程称为湍动控制过程。

对于主要由总体流动控制的过程，宜采用大叶片低转速搅拌器；而对于主要由湍流运动

控制的过程，则宜采用小叶片高转速搅拌器。

(1)低粘度均相液体的混合：此类过程主要是通过搅拌获得一定平均度的混合物，该过程

要求搅拌器能产生较强的总体循环流动，其控制因素为液体循环流量。由于推进式搅拌器的

液体循环流量较大且动力消耗少，因而最为合适。

(2)高粘度均相液体的混合：此类过程的主要控制因素为总体流动，因而常用大尺寸低转

速搅拌器，具体形式取决于被搅拌液体的粘度。锚式搅拌器适用于搅拌粘度为0.1-lPa.s的

液体；框式搅拌器适用于搅拌粘度为l-10Pa.s的液体；螺带式搅拌器适用于搅拌粘度为

2-500Pa.s的液体;

(3)分散：此类过程的主要控制因素为剪切作用和总体循环流动。由于涡轮式搅拌器可提

供较大的液体循环流量并具有较强的剪切作用，因而最合适。

(4)固体悬浮：此类过程的主要控制因素为总体循环流动，其次是湍流强度，因而涡轮式

搅拌器较为适宜。

(5)固体溶解：固体溶解时要求固体颗粒能迅速分散于液相中，同时防止大量固体颗粒被

甩至釜壁而发生沉积，因此要求搅拌器具有较强的剪切作用和较大的循环流量，所以涡轮式

搅拌器最为合适。推进式搅拌器虽能提供较大的液体循环流量，但剪切作用较小，因而仅适

用于小容量的固体溶解过程。对于易悬浮固体的溶解操作，可采用桨式搅拌器，但需借助挡

板或导流筒来提高循环能力。

(6)气体吸取：此类过程主要控制因素包括剪切作用、循环流量和高转速，即要求搅拌器

具有较强的剪切作用、较大的液体循环量和较高的转速，因此涡轮式搅拌器较为适宜。

(7)结晶：此类过程的控制因素包括循环流量、剪切作用和转速。一样情形下，小直径高

转速搅拌器(如涡轮式)适用于微粒结晶，但晶体形状难以一致；大直径低转速搅拌器(如

桨式)适用于大颗粒定形结晶，但釜内不宜设置挡板。

(8)传热：对以传热为主的搅拌过程，其主要控制因素为循环流量和传热面上的高流速，

即要求搅拌器能提供较大的液体循环流量，并能使液体在传热面上保持较高的流速。当采用

夹套釜进行传热操作时，若传热量较小，可选用桨式搅拌器，但釜内一样不需设置挡板；若

传热量较大，也可选用桨式搅拌器，但釜内需设置挡板；若传热量很大，则可选用推进式或

涡轮式搅拌器，并在釜内加装蛇管和挡板。此外，在需冷却的夹套釜的内壁上易形成一层粘

度更高的膜层，其传热热阻很大，此时宜选用锚式、框式等大直径低转速搅拌器，以降低膜

层厚度，提高传热成效。

2.搅拌过程的强化途径，打旋现象及其排除★

(1)搅拌过程的强化途径

①提高搅拌器的转速；

②打旋现象及排除(见下)

③设置导流筒：作用是规范釜内液体的流动路线。对于推进式搅拌器，导流筒应安装于叶

轮外部；对于涡轮式搅拌器，导流筒应安装于叶轮上方。在导流筒的约束下，釜内液体的流

速和流向都受到了严格控制，迫使液体都要流过导流筒内的强烈混合区，并在导流筒内、外

形成轴向总体循环流动，从而排除打旋现象，并可避免短路与流动死区，从而提高搅拌成效。

(2)打旋现象及排除

若搅拌器安装于釜的中心，且釜内壁光滑并无其他构件，则旋转的叶轮可使派出的液体

具有一定的切向分速度，从而产生圆周运动。若液体为低粘度液体，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，结果形成了

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，这种现象称为打旋。

为强化搅拌操作、提高搅拌成效，必须抑制打旋现象。

①设置挡板：在釜内设置挡板，可加剧液体的湍动程度，并可将切向流动转化为轴向和径

向流动，从而抑制打旋现象的发生。

②偏心安装：液体在釜内作圆周运动是产生打旋现象的主要原因，因此若能抑制或排除这

种圆周运动，即可阻止打旋现象的发生。针对圆周运动的运行轨迹具有对称性的特点，可将

搅拌器偏心安装，以破坏液体循环回路的对称性，并加剧液体的湍动程度，从而抑制打旋现

象。止匕外，将搅拌器偏心且倾斜地安装或将搅拌器偏心水平地安装于大型釜的下部，均可有

效抑制打旋现象，

3.均相液体、非均相液体、非牛顿液体对搅拌功率的要求■

(1)均相液体：搅拌器所需的功率取决于釜内物料的流型和湍动程度，它是叶轮形状、大

小、转速、位置以及液体性质、反应釜尺寸与内部构件的函数。

根据Re的大小，可将搅拌釜内的流动情形分为层流、过渡流和湍流。

①在层流区(Re<10)：不同型式搅拌器的功率曲线均为直线，直线的斜率均为-1,且同一型

式几何相似的搅拌器，不论是否装有挡板，功率曲线均相同，即挡板对搅拌功率没有影响。

②在完全湍流区(Re>104),同一种桨叶，有挡板时比无挡板时提供的功率要大。

(2)非均相液体

①液-液非均相体系：可先运算出平均密度和平均粘度，再按均相液体运算搅拌功率。

②气-液相搅拌：通人气体后搅拌器周围液体的表观密度将减小，从而使搅拌所需的功率显

著降低。

③固-液相搅拌：当固体颗粒的量不大时，可近似看成均一的悬浮状态。此时可先运算出平

均密度和平均粘度，然后再按均相液体汁算搅拌功率。

(3)非牛顿型液体：运算非牛顿型液体的搅拌功率仍可采用牛顿型液体搅拌功率的运算方

法，但应将Re=d2nP/P中的口改为非牛顿型液体的表观粘度。

四.沉降与过滤

1.重力沉降概念及相关公式，影响沉降速度的因素，沉降槽类型及要求★

(1)重力沉降速度

当单个球形颗粒处于静止流体介质中，且颗粒密度Ps大于流体密度P时，则颗粒将在

重力作用下作沉降运动。此时，颗粒受到重力Fg、浮力Fb和阻力Fd三个力的作用，当颗粒

直径为d时，Fg—Fb—Fd=ma

(4gd伉-p)、1/2

ut=

3步)

式中，&一颗粒与流体间的相对运动速度；d—颗粒直径；Ps一颗粒密度；P一流体密度;

&一阻力系数；

①10-4<Re<2(层流区，或Stocks定律区)

g12(夕s一夕)

&=24/Reu=

tt18〃

②2<Re<103(过渡区,或Allen定律区)

14g2(0一夕)2丫，

05

I=1O/Retut—d

225jLtp,

③103<Re<2X105(湍流区，或牛顿定律区)

1/2

(gd{ps-pY\

C=0.44ut=1.74x

P)

(2)影响沉降速度的因素

对于特定沉降物系，当阻力系数和密度已知时，则颗粒的沉降速度仅与颗粒直径有关。

①干扰沉降：指当流体中的颗粒含量较高时，颗粒间会产生彼此干扰的沉降操作过程。

②壁效应：与颗粒的直径dp相比，当容器的直径D并非很大时，容器的壁面也会对颗粒的

沉降产生一定影响，使得后者的沉降流动阻力有所增大。当dp/D>0.01时，壁效应显著。

③流体分子yu能动的影响：当颗粒直径非常细小时，颗粒有可能直接穿过流体分子间的间

隙，使得实际沉降运动速度相应大于Stocks公式运算值。当颗粒直径小于O.lum时，布朗

运动影响将可能超过颗粒自身的重力沉降。

(3)沉降槽：

是利用重力沉降原理来分离悬浮液的设备。沉降槽可提高悬浮液的浓度，并能同时得到

澄清的液体，故这种设备又称为增稠器或澄清器。分为间歇式和连续式两大类，其中连续式

沉降槽适用于处理量较大且固含量较低的大颖粒悬浮液料浆，常用于污水处理及药材浸取过

程的后处理等过程，所得沉渣中一样还含有50%左右的液体。

为顺利获取清液，沉降槽必须有足够大的横截面积，以保证任何瞬时液体向上的流动速

度均小于颗粒的沉降速度；其次，为将沉渣增浓至指定稠度，沉降槽加料口以下的增浓段应

保留足够高度，以确保颗粒在槽内的停留时间大于转耙压紧沉渣所需的时间。

2.离心沉降原理及公式，典型离心分离设备的类型、原理及要求★

A.离心沉降

(1)原理

当流体环绕某中心轴作圆周运动时，便形成了惯性离心

力场。在离中心轴距离为R、切向速度为UT的位置上，惯

性离心力场的加速度为UT?/R,(不是常数，与位置和转速有

关，其方向沿旋转半径由中心指向外周)。当流体带着颗粒

旋转时，若颗粒的密度大于流体的密度，则惯性离心力将使

颗粒在径向上与流体发生相对运动而飞离中心，实现与流体

的分离。

(2)离心沉降速度

在惯性离心力场中颗粒在径向上受到三个力的作用，即惯性离心力、向心力和阻力，其

中向心力方向沿半径指向旋转中心；阻力与颗粒的径向运动方向相反，方向沿半径指向旋转

中心。若流体的密度为P、球形颗粒的直径为d、密度为Ps、与中心轴的即离为R、切向分

速为UT，则

222

惯性离心力=”3a2向心力=?3夕生阻力=1?2夕与

u/4d(2一―—丫2

「3次R)

离心沉降时，若颗粒与流体间的相对运动为层流，则

=/(£一夕)忧

r~18〃R

(3)离心分离因数：同一颗粒在相同流体中的离心沉降速度与重力沉降速度之比。

B.典型离心分离设备

常见离心分离设备有旋风分离器、旋液分离器和离心机等。其中，气固非均相物系的离

心沉降是在旋风分离器中进行，液固悬浮物系的离心沉降是在旋液分离器或离心机中进行。

(1)旋风分离器：是利用惯性离心力的作用，从气流中离心分离出尘粒的操作设备，属气

固分离设备。该分离器具有结构简单、制造方便和分离效率高等优点。

①原理：工作时，含尘气体由圆筒上部的长方形切线进口处进人，然

后沿圆筒内壁旋转向下作螺旋形运动。由于惯性离心力的作用，颗粒被

甩向器壁而与气流分开，再沿壁面落至锥底排灰口。净化后的气体运动

至圆锥底部邻近时，转变为轴中心处的上升气流，最后由上部出口管排

出。下行的螺旋形气流称为外旋流，上行的螺旋形气流称为内旋流。内、

外旋流气体的旋转方向相同，而除尘区主要集中于外旋流区的上部。旋

风分离器内压强的大小是不同的，器壁邻近压强最大，愈靠近中心轴，

压强愈低，中心轴处为负压气芯。

I尘粒

②主要性能指标

i)临界粒径：指旋风分离器能完全除去的最小颗粒的直径。

赴1Mps

式中，dc—临界粒径，m；.一含尘气体的进口气速(切向速度)，m/s；

B一旋风分离器的进气口宽度，m；U—气体的粘度，Pa.s

Ps一固体颗粒的密度，n?/s

Ne一气流在旋风分离器内向下运行的圈数，对于标准型旋风分离器，可取Ne=5。

临界粒径随分离器尺寸的增加而增大，因此分离效率随分离器尺寸的增加而下降。

ii)分离效率：又称除尘效率，有总效率和粒级效率两种表示方法。

a.总效率是指被分离出来的颗粒质量占进入旋风分离器的颗粒质量的百分比；

b.粒级效率：是指各种尺寸的颗粒被分离下来的质量分率。

iii)压强降：气流通过旋风分离器的压强降可表示成进口气体动能的函数，即

式中，&一阻力系数。对于标准型旋风分离器，阻力系数&=8。旋风分离器的压强降一样

为0.5〜2kPa,

(2)旋液分离器：结构和原理与旋风分离器类似，也是利用离心力的作用，使得悬浮液增

稠或使得颗粒分级的操作设备。操作时，悬浮液由圆筒上部的进料口进入器内，然后自上而

下作旋流运动。期间，在惯性离心力的作用下，悬浮液中的固体颗粒将离心沉降至器壁，且

随外旋流逐步下降至锥底的出口，称为粘稠的悬浮液而排出，称为底流；澄清液体在器内形

成向上的内旋流，并经上方的中心溢流管排出，称为溢流。

旋液分离器既可用于悬浮液的增浓或颗粒分级操作，也可用于气液或互不相溶液体混合

物的分离。其结构显著特点是圆筒段的直径较小及圆锥段的距离较长。采用较小的圆筒直径

可增大旋转时的惯性离心力，提高离心沉降速度;采用较长的圆锥段高度可增加液流的行程,

延长悬浮液在器内的停留时间，进而有利于液固分离。

(3)离心分离机：简称离心机，是利用离心沉降的原理，使液体混合物或液固混合物得以

分离的工业操作设备，常见有管式离心机和碟式离心机。

①管式离心机：分离因数大，但生产能力较小(0.2〜2m3/h),常用于小批量的乳浊液及含

小颗粒的稀悬浮液的分离。

②碟式离心机：可用于乳浊液和含少量细粒的混悬液的分离，分离时间较短，整个生产过

程可在密闭的管道和容器内进行，可避免重力沉降过程中的热气散失，并防止细菌污染，从

而可降低过程能耗，改善环境卫生，提高药品质量。

3.过滤基本概念和基本方程式，恒压过滤，典型过滤设备的类型和特点★

A.过滤原理

(1)基本概念：过滤操作所处理的悬浮液1称为料浆或滤浆,

所用的多孔材料称为过滤介质3,截留于过滤介质之上的固体

物质称为滤饼或滤渣2,通过过滤介质的液体称为滤液4。

(2)过滤方式：

①饼层过滤：当悬浮液中颗粒的直径小于过滤介质中的微细

孔径时，随着过滤的连续进行细小颗粒会在通道中迅速发生“架桥”现象，使小于过滤介质

孔径的细小颗粒也能被截留。起分离作用的是滤饼层，适用于颗粒含量较高(固相体积分数

大于1%)的悬浮液的分离。

②深层过滤：当悬浮液中的颗粒尺寸小于过滤介质中的孔道直径时，颗粒随液体进入床层

内细长而弯曲的孔道时，在静电及分子间引力的作用下，颗粒将被吸附于孔道壁面上。起过

滤作用的是过滤介质，适用于颗粒很小、含量很低(固相体积分率小于0.1%)且处理量较

大的悬浮液的分离，如浑浊药液的澄清以及分子筛脱色等。

(3)过滤基本方程式

①不可压缩滤饼：

dV_AAp

dr/jrv(y+Ve)

式中，A一过滤面积；/p一滤液通过滤饼层的压力降；〃一滤液粘度；r一滤饼比阻；v一

滤饼体积与相应滤液体积之比；Ve一过滤介质的虚拟滤液体积或当量滤液体积

②可压缩滤饼：

dV_

drptrQv[y+Ve)

式中，r0一单位压强差下滤饼的比阻；s一滤饼的压缩性指数，其值与滤饼的可压缩程度有

关，一样情形下，s=0~l。

(4)恒压过滤：特点是过滤过程中的推动力即过滤压强差保持恒定。滤液体积和过滤时间

的关系如下图所示。

恒压过滤方程式为K2=KA*

V2=

(V+K)2=AA2(r+rJ

令q(介质常数)=V/A,qe=Ve/A

则Qe=

2

q+2qeq=KT

(q+“J=K(T+TJ

当过滤介质的阻力可忽略，则q2=KT

B.典型过滤设备

(1)分类

分类标准类型举例

压滤板框压滤机、叶滤机

过滤压强差吸滤

离心三足式离心机

间歇式板框压滤机、叶滤机、三足式

操作方式

连续式转筒真空过滤机

(2)典型设备特点

①板框压滤机：优点是结构简单，价格低廉，占地面积小而过滤而积大，并可根据需要调

剂板与框的数量，因而具有很强的适应能力。缺点是间歇操作，劳动强度大，生产能力低。

②加压叶滤机：优点是密闭操作，劳动条件较好，过滤速度快，洗涤成效好。缺点是造价

较高，更换滤布比较麻烦。

③转筒真空过滤机：可连续自动操作，因而劳动强度较小，生产能力较强，特别适用于处

理量较大且容易过滤的料浆。缺点是附属设备较多，投资费用较高，过滤面积较小，且由于

是真空操作，因而过滤推动力有限，导致滤饼中的液体含量较高，滤饼的洗涤也不够充分。

此外，转筒真空过滤机不能过滤温度较高(饱和蒸气压高)的滤浆。

④三足过滤式离心机：分离因数一样为500〜1000,可分离粒径为0.05〜5mm的悬浮液。

缺点是间歇操作，劳动强度较大，生产能力较低。

4.膜过滤原理与膜组件，典型膜过滤的类型和技术要求■

小分予的大分F的

（1）基本原理：膜可以看作是一个具有挑选透A物质B物质

原料液

过性的屏障,它答应一些物质透过而阻止另一些

余液

物质透过，从而起到分离作用。/（液培液）

（2）膜组件：将膜按一定的技术要求组装在一/

起即成为膜组件，它是所有膜分离装置的核心部

件，其基本要素包括膜、膜的支撑体或连接物、

港透液

流体通道、密封件、壳体及外接口等。A物质

常见的膜组件有板框式、卷绕式、管式和中空纤

维膜组件等。

（3）膜过滤的类型

①微滤：孔径0.6〜0.8um滤膜可用于气体除菌和过滤，孔径0.45um滤膜常用于料液和水

的净化处理，孔径0.2um滤膜用于药液除菌过滤。

②超滤：推动力是膜两侧的压力差，属于压力驱动型。可有效去除水中的微粒、胶体、细

菌、热原质和各种有机物，但几乎不能截留无机离子。由于超滤过程无相变、不需加热、不

会引起产品变性或失活，常用于生物制品的分级分离和脱盐浓缩。

③纳滤：能截留小分子有机物，并同时透析出无机离子。

④反渗透：所用的膜为半透膜，该膜是一种只能透过水而不能透过溶质的膜。若将浓度不

同的两种盐溶液分别置于半透膜的两侧，并在高浓度侧的液面上方施加一个大于渗透压的压

力，则水将由高浓度侧向低浓度侧流动，从而使浓度较高的盐溶液被进一步浓缩。主要用于

制备注射用水。

⑤电渗析：在外加直流电场的作用下，以电位差为推动力，使溶液中的离子作定向迁移，

并利用离子交换膜的挑选透过性，使带电离子从水溶液中分离出来。电渗析所用的离子交换

膜可分为阳离子交换膜和阴离子交换膜，其中阳膜只答应水中的阳离子通过而阻挡阴离子，

阴膜只答应水中的阴离子通过而阻档阳离子。主要用于注射用水的脱盐。

5.典型除尘方法的类型、原理和技术要求，干净空气净化流程及专用过滤器的要求■

（1）除尘方法

除尘方法原理技术要求

a.结构简单、易于制造、阻力小、运转费

①重力：密度不同

用低；

机械除尘②惯性力：惯性力不同

b.只对大粒径粉尘的去除效率较高，可采

③离心力：离心力

用多级串联形式以提高分离效率。

a.可除去直径O.lum以上尘粒，且除尘效

率高（80〜95%）；水尘充分接触可降温

洗涤除尘水洗涤增湿和净化有毒废气；

b.除尘过程要消耗大量洗涤水，需净化处

理；除尘器气流阻力大，运转费用高。

a.结构简单、使用灵活方便，可以处理不

同类型颗粒污染物，对直径0.1~20um

过滤除尘多孔材料截留细粉捕集成效好；

b.受滤布耐温顺耐腐蚀性限制，不适于高

温、湿、强腐蚀性废气处理。

（2）干净空气净化流程

送入干净室的空气要与干净室的登记、温度、湿度相适应，流程如下：

初效（一级）过滤器一冷却器一加热器一增湿器一中效（二级）过滤器一高效

（三级）过滤器

（3）专用过滤器的要求

专用过滤器要求、介质特点、适用

a.结构简单、容尘量大、压强降小用于净化系统的一级过滤器，以滤

初效过滤器b.粗中孔泡沫塑料、涤纶无纺布、金属除粒径＞10um尘粒，并保护中、高

丝网；风速0.8-1.2m/s效过滤器

&要求同初效；b.中细孔泡沫塑料、玻用作二