第三章液體攪拌1制藥工程原理與設備第三章液體攪拌1制藥工程原理與設備第一節概述第二節攪拌器及其選型第三節攪拌功率第一節概述1制藥工程原理與設備一、攪拌二、攪拌的類型三、總體循環流動與湍流運動制藥工程原理與設備一、攪拌使釜（或槽）內物料形成某種特定方式的運動（一般為循環流動）。注重的是釜內物料的運動方式和劇烈程度，以及這種運動情況對于給定過程的適應性。攪拌目的：制備均勻混合物；增進傳質；增進傳熱；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。根據物料的性質，釜體內壁可內襯橡膠搪玻璃、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效果，釜外可設臵夾套，釜內可安裝蛇管、擋板及導流筒等內件。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、總體循環流動與湍流運動攪拌過程實質就是經過葉輪的旋轉將機械能傳遞給液體，使液體在設備內部作強制對流，并達成均勻混合狀態。攪拌過程中，液體作強制對流的方式有兩種：1、總體循環流動2、湍流運動1、總體循環流動將兩種不同的液體置于攪拌釜內，攪拌器經過葉輪將能量傳遞給液體，從而產生高速液流。該液流又會推動周圍的液體，從而在釜內形成一定的循環流動，這種宏觀流動即稱為總體循環流動。總體循環流動可增進釜內液體在宏觀上的均勻混合，其特點是液體以較大的尺度（相當于或略不不小于設備尺寸）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所產生的高速液流經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生速度梯度，使界面上的液體受到很強的剪切作用，從而產生大量旋渦，并迅速向四面擴散，在上下、左右、前后等各個方向上產生紊亂且又是瞬間變化速度的運動，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，且不規則。與總體循環流動相比，湍流運動所引起的混合速度要快得多，且伴隨湍動程度加劇，混合速度隨之加緊。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成果。第二節攪拌器及其選型1制藥工程原理與設備一、常見攪拌器二、攪拌過程的強化三、攪拌器選型

(一)小直徑高轉速攪拌器(二）大直徑低轉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(關鍵)產生的三種基本流型切向流----流體打旋，出現這種流型時，流體主要從漿葉排向周圍，卷吸至槳葉區的流體量甚小，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，一般可能同步存在。其中，軸向流與徑向流對混合起主要作用，而切向流應加以克制，可加入擋板減弱切向流，增強軸向流與徑向流。（二）攪拌器的類型槳葉---關鍵部件軸向流槳---多種推動式槳（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動式槳（二）攪拌器的類型槳葉---關鍵部件徑向流槳---多種直葉、彎葉渦輪槳（一般帶有圓盤）六直葉渦輪槳六彎葉圓盤渦輪槳錨式(一)小直徑高轉速攪拌器實質上是一種無外殼的軸流泵。葉輪直徑d=0.2~0.5D（釜內徑）轉速n:100~500rpm，葉端圓周速度：5~15ms-1。使釜內液體產生軸向和切向運動。1.螺旋漿式攪拌器(推動式攪拌器)（二）攪拌器的類型工作時，推動式攪拌器猶如一臺無外殼的軸流泵，高速旋轉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，并重新返盤旋槳入口,形成總體循環流動，起到混合液體的作用。切向分速度使釜內液體產生圓周運動,并形成旋渦,不利于液體的混合,且當物料為多相體系時,還會產生分層或分離現象——應克制應用領域：推動式攪拌器產生的湍動程度不高，但液體循環量較大，常用于低粘度(<2Pas)液體的傳熱、反應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）攪拌器的類型實質上是一種無泵殼離心泵葉輪直徑d=0.2~0.5D,轉速n:10~500rpm葉端圓周速度:4~10ms-1使液體產生切向和徑向運動 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生圓周運動——應克制（二）攪拌器的類型

2.渦輪式攪拌器(turbineagitator)特點：與推動式攪拌器相比，此類攪拌器所產生的總體循環流動的回路更為波折，且因為出口流速較高，因而葉端附近的液體湍動更為強烈，從而產生較大的剪切力。應用：較強的剪切作用，常用于粘度不不小于50Pas液體的傳熱、反應以及固液懸浮、溶解和氣體分散等過程；不合用含較重顆粒的懸浮液攪拌。（二）攪拌器的類型旋轉直徑d=0.35~0.8D(用于高粘度液體時可達釜徑的0.9倍以上),漿葉寬度為旋轉直徑的1/10~1/4,常用轉速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)斜漿式應用：平漿式攪拌器可使液體產生切向和徑向運動，可用于簡樸的固液懸浮、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）大直徑低轉速攪拌器旋轉直徑較大d=0.9~0.98D轉速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用：攪動范圍很大,可根據需要增長橫梁和豎梁，一般不會產生死區。與釜內壁的間隙很小,故可預防固體顆粒在釜內壁上的沉積現象。缺陷是液體主要作水平環向流動，基本沒有軸向流動，因而

難以確保軸向混合效果。常用于中、高粘度液體的混合、傳熱及反應等過程。（二）攪拌器的類型

5.螺帶式攪拌器旋轉直徑d=0.9~0.98D常用轉速n:0.5~50rpm葉端圓周速度不不小于2ms-1應用：常用于中、高粘度液體的混合、傳熱及反應等過程。（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，從而產生軸向循環流動，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.提升攪拌器的轉速。（提升湍動程度）壓頭H與轉速n和半徑d的關系：所以合適提升轉速可提升葉輪旋轉所產生的壓頭，亦即可向液體提供更多的能量，從而提升攪拌效果。7攪拌器的強化措施：2.“打旋”現象.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，形成了一種漏斗形的旋渦，且葉輪的轉速越大，旋渦的下凹深度就越深，這種現象稱為打旋。7攪拌器的強化措施：2.“打旋”對攪拌的影響.在攪拌操作中，若發生打旋現象，攪拌效果就會急劇下降。打旋嚴重時，甚至會使全部液體僅隨葉輪旋轉，而各層液體之間幾乎不發生軸向混合。對于固-液懸浮體系，打旋還會增進體系產生分層或分離，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.克制“打旋”現象.（1）攪拌罐內裝擋板（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.加設導流筒.導流筒就是一種圓筒體，其作用是規范釜內液體流動路線。對于推動式攪拌器，導流筒應安裝于葉輪外部，如圖(a)；而對于渦輪式攪拌器，導流筒則應安裝于葉輪上方，如圖(b)所示。在導流筒的約束下，釜內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流筒內的強烈混合區，并在導流筒內、外形成軸向總體循環流動。可見，設臵導流筒可消除打旋現象，并可防止短路與流動死區，從而使攪拌效果得到明顯提升。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，旋轉的葉輪將能量傳遞給液體。攪拌器所需的功率取決于釜內物料的攪拌程度和運動狀態，它是葉輪形狀、大小、轉速、位置以及液體性質、反應釜尺寸與內部構件的函數；如發生打旋現象，還需考慮重力的影響。

N—攪拌功率,W;n—葉輪轉速,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。第三節攪拌功率均相液體的功率準數關聯式為

NP—功率準數;Re—攪拌雷諾數，反應流動情況對攪拌功率的影響；Fr—弗勞德數,即流體的慣性力與重力之比,是反應重力對攪拌功率影響的準數;K—系統的總形狀系數,反應系統幾何構型對攪拌功率的影響;a,b—指數，其值與物料流動情況及攪拌器型式和尺寸等原因有關，一般由試驗測定，無因次第三節攪拌功率習慣上將式上式表達成下列形式Φ為功率因數，無因次。

在攪拌操作中，若釜內物料不會發生打旋現象，則重力對攪拌功率的影響能夠忽視，此時b=0，則第三節攪拌功率對于特定攪拌器，經過試驗測出Φ或Np與Re之間的關系，繪制功率曲線

攪拌器的功率曲線1-三葉推動式,s=d,無擋板；2-三葉推動式,s=d,全擋板；3-三葉推動式,s=2d,無擋板；4-三葉推動式，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/D1/3，b/d=1/4；HL/D=1s-漿葉螺距,N-擋板數,W-擋板寬度,D-釜內徑,d-葉輪直徑,b-漿葉寬度,HL-液層深度第三節攪拌功率層流區(Re<10)此區域內物料不會產生打旋現象，故重力影響能夠忽視。因為不存在打旋現象，因而擋板對攪拌功率沒有影響，故同一型式幾何相同攪拌器，不論是否裝有擋板，功率曲線均相同。第三節攪拌功率層流區(Re<10)不同型式的攪拌器在層流區內的功率曲線為彼此平行的直線，直線

的斜率近似為-1。將a=-1代入K1為與攪拌器構造型式有關常數，其值列于表3-2中第三節攪拌功率第三節攪拌功率過渡區(30＜Re<104)物料流動情況比較復雜，若未設擋板，Re增大，釜內可能發生打旋現象。當Re<300或Re>300但符合全擋板條件時，可不考慮打旋現象的影響。根據Re值由圖3-13查得Φ值，計算功率。第三節攪拌功率過渡區(30＜Re<104)若Re>300且釜內未設

臵擋板，則重力影響

不能忽視，攪拌功率

應按下式計算：其中b可按下式計算：α、β為與攪拌器型式和尺寸有關的常數，其值列于表3-3中。第三節攪拌功率第三節攪拌功率完全湍流區(Re＞104)①釜內未設置擋板②釜內設置擋板第三節攪拌功率①釜內未設置擋板此區域內，若釜內未設置擋板則釜內物料會發生打旋現象，此時液面下陷呈漏斗狀，空氣被吸入液體，使液體的表觀密度減小，

而攪拌功率下降。對于特定攪拌系統，可根據Re值由圖3-13查得Φ值，計算攪拌功率第三節攪拌功率①釜內設置擋板對于設置擋板攪拌釜，因為不發生打旋現象，故重力影響能夠忽視。此時Φ值幾乎與Re無關，即Φ為常數，從而有K2為與攪拌器構造型式有關的常數，其值列于表3-2中。第三節攪拌功率第三節攪拌功率例3-1

某釜式反應器的內徑為1.5m，裝有六葉直葉圓盤渦輪式攪拌器。已知攪拌器的直徑為0.5m，轉速為120r/min，反應物料的密度為800kg/m3，黏度為0.2Pa·s，試計算下列兩種情況下的攪拌功率：(1)釜內未設置擋板；(2)釜設置擋板，并符合全擋板條件。解：(1)釜內未設置擋板Re>300，且未設置擋板，重力影響不能忽視，查圖3-13曲線5，??=1.9，d/D=0.33,查表3-3得α=1.0，β=40第三節攪拌功率Re>300，且未設置擋板，重力影響不能忽視，查圖3-13曲線5,=1.9，d/D=0.33,查表3-3得α=1.0，β=40(2)釜內設置擋板,符合完全擋板條件，不會打旋，重力影響可忽視，查圖3-13曲線5，=5.0第三節攪拌功率二、非均相液體的攪拌功率1、液-液非均相攪拌2、氣-液非均相攪拌3、固-液非均相攪拌第三節攪拌功率1、液-液非均相攪拌(1)平均密度(2)平均黏度第三節攪拌功率(1)平均密度液-液非均相體系的平均密度可用下式計算：

式中為液-液非均相體系的平均密度kg/m3；為分散相的密度，kg/m3；為連續相的密度，kg/m3；?為分散相的體積分率，無因次。(2)平均黏度

對于液-液非均相體系，若兩相液體的黏度均較低，則其平均黏度為：

式中為液-液非均相體系的平均黏度，Pa·s；為分散相的黏度，Pa·s；為連續相的黏度，Pa·s。第三節攪拌功率對常用的水-有機溶劑體系，若水的體積分率不不小于40%，則其平均黏度為：若水的體積分率不小于40%，則其平均黏度為：式中為水相的黏度，Pa·s；為有機溶劑相的黏度，Pa·s；為水相的體積分率；為有機溶劑相的體積分率。第三節攪拌功率2、氣-液非均相攪拌對于常用的六葉直葉圓盤渦輪式攪拌器，通氣時的攪拌功率可用下式計算：式中Ng為通氣時的攪拌功率，W；N為