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1、制药工程原理与设备,第三章 分离与搅拌,目录,第一节 沉降第二节 过滤第三节 离心分离第四节 搅拌,第四节 搅拌,图4-24搅拌器的装置1电机；2减速器；3加料管；4轴；5夹层；6搅拌槽；7搅拌器,一、机械搅拌装置的构成,典型的搅拌装置主要由下列部分组成：,(1)搅拌槽：装盛被搅拌物的容器。搅拌槽一般为直立的圆筒槽，搅拌器通常固定于其顶盖，槽底的构型以有利于流线形流动为宜，故多为碟形底，亦可用平底。锥形底因易形成停滞区及易使悬浮着的颗粒沉聚，除特殊场合外一般不采用。为满足传热、传质及化学反应过程的需要，搅拌槽往往配置有加热或冷却夹套。,(2)搅拌器：电动机、转轴及安装在轴底的叶轮(或称推动器)
2、。搅拌器是搅拌设备的核心部件，通常由电机直接驱动或通过减速装置传动，将机械能传给液体，推动液体运动从而实现搅拌操作。,(3)辅助部件：包括密封装置、支架、导流筒及槽壁上的挡板等。,第四节 搅拌,二、搅拌器的类型,(一)搅拌罐中流体的流动类型,搅拌罐中流体循环流动是达到物料混合所不可缺少的流动状态，而涡流扩散、剪切流又是快速达到搅拌目的所必须的。搅拌器的形状与运转情况是决定搅拌罐内流体流动状况最主要的因素。,根据搅拌器主要的排液方向将其分为径向流型和轴向流型。径向流型搅拌器中流体的流动方向主要与搅拌罐壁和搅拌轴垂直，流体在搅拌罐壁和搅拌轴附近转折向上下垂直流动。轴向流型搅拌器中流体的流动方向主要
3、与搅拌罐和搅拌轴平行。,轴向流型,径向流型,第四节 搅拌,(二)搅拌器类型,1.浆式,转速：1100r/min,黏度：2Pas,流动状态：有轴向分流和环向分流：低速时水平环向流为主；高速时以径向流为主,应用范围:结构简单，常用于低黏度液体的混合、固体微粒的溶解和悬浮及气体分散等操作,2.螺旋浆式,转速：100500r/min,黏度：2Pas,流动状态：轴向流型，循环速率高，剪切力小,应用范围:主要用于互溶液体的混合、固体的悬浮、强化搅拌槽内传热等,第四节 搅拌,3.涡轮式,转速：30500r/min,黏度：低黏度、高黏度均适用,流动状态：径向流型,应用范围:应用广泛，尤适用于不互溶液体的混合、
4、气体和固体的溶解、固体的悬浮、液相反应相传热等操作,4.螺带式,转速：0.550r/min,黏度：100Pas,流动状态：轴向流型，一般是流体沿搅拌槽壁螺旋上升再沿浆轴下降，层流状态下操作,应用范围:螺带式搅拌器主要用于中、高黏度液体的混合、反应及传热等过程,第四节 搅拌,5.锚式,转速：1100r/min,黏度：100Pas,流动状态：水平环向流；层流状态操作,应用范围:适用于不太强烈搅拌，必须涉及全部液体的场合，以及用于搅拌含有相当多固体的悬浮物,6.框式,转速：1100r/min,黏度：100Pas,流动状态：水平环向流；层流状态操作,应用范围:适用于不太强烈搅拌，必须涉及全部液体的场合
5、，以及用于搅拌含有相当多固体的悬浮物,第四节 搅拌,三、混合机制,(一)总体流动,将两种不同的流体置于槽内，开动搅拌器，搅拌器的叶轮把能量传给液体，产生高速液流，这股液流又推动周围的液体，在槽内形成一个循环流动。在总体流动的作用下，促进了槽内液体宏观上的均匀混合。,(二)涡流运动,当叶轮旋转时，所产生的高速液流通过静止的或运动速度较低的液体中时，由于高速液体和低速液体在其交界面上产生了速度梯度，使界面上的液体受到很大的剪切作用，因而产生大量旋涡，并且迅速向周围扩散，进行上下、左右、前后各方向紊乱的且又是瞬间改变速度的运动。,第四节 搅拌,(三)“打旋”现象,当流体达到湍流状态。若搅拌槽为平底圆
6、形且光滑无障碍，搅拌器置于槽中心，液体的黏度不大，在搅拌轴附近会形成旋涡。搅拌器转速越大，形成的旋涡越深，这种现象称为“打旋”。,图4-26 湍流无挡板产生“圆柱状回转区”,旋涡中心的液体几乎与搅拌轴作同步旋转，类似于一个回转的圆形固体柱，称之为“圆柱形回转区”。,“打旋”后果：有效容积降低，且几乎不产生轴向混合，搅拌效果下降。严重时出现负压，从表面吸入空气，使搅拌器不能正常操作。,第四节 搅拌,四、搅拌器的强化,为达到均匀混合，搅拌器应具备两个功能：在釜内形成一个循环流动；同时希望产生强剪切或湍动。,循环回路中消耗的能量越大，说明液流中旋涡运动越剧烈，内部剪应力越大，即湍动程度越高。,搅拌器
7、的强化措施：,(一)提高搅拌器的转速,搅拌器的工作原理与泵的叶轮相同。搅拌器旋转所产生的压头与转速的平方成正比，因此适当提高转速可提高搅拌器旋转所产生的压头，同时可向液体提供更多的能量，从而提高搅拌效果。,第四节 搅拌,(二)抑制“打旋”现象,(1)在搅拌槽内装设挡板,最常用的挡板是沿容器壁面垂直安装的条形钢板，它可以有效地阻止容器内的环形流动。设置挡板后，液流在挡板后造成旋涡。这些旋涡随主体流动遍及全釜，提高了混合效果。同时，挡板可将环形流动转化为径向流动和轴向流动，并增大被搅拌液体的湍动，从而改善搅拌效果。,挡板通常设置4个已足够，再多也不会进一步增强湍动。如果容器非常大，则可适当增加挡板
8、数目。此外，搅拌槽内的温度计插管、各种形式的换热管等也在一定程度上起着挡板的作用。,第四节 搅拌,2抑制“打旋”现象,(2)偏心安装,(a)偏心安装,(b)偏心水平安装,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，从而可有效地抑制打旋现象，显著地提高搅拌效果。此外，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，均可有效地抑制或消除打旋现象，提高搅拌效果。,第四节 搅拌,2抑制“打旋”现象,(3)装设导流筒,在搅拌槽内设置导流筒，可以严格控制回流液体的速度和流动方向。导流筒的作用，不仅可以提高槽内液体的搅拌程度，加强叶轮对液体的剪切作用，而且还确立了充分
9、的循环流型，使槽内的液体均通过导流筒内的剧烈混合区域，从而提高混合效率，消除了短路现象。,(a)螺旋式叶轮； (b)涡轮式搅拌器,第四节 搅拌,五、搅拌装置的选型,通常采用搅拌装置选型方法是根据实际经验，选择习惯上应用的桨型，然后再根据常用范围选取搅拌器的主要参数。一种好的选型方法最好满足两个条件：一是选择结果合理；二是选择方法简单。,1.液体黏度,根据搅拌质黏度的大小选型是一种基本方法,随着黏度的变化，各种搅拌器的使用顺序为桨式变形、桨式、涡轮式、旋浆式,旋浆式又分为小容量液体时用高转速，大容量液体时用低转速,2.搅拌器特性,旋浆式、桨式、涡轮式 适用于大功率场合,涡轮式 适合分散操作、固体
10、悬浮、固体溶解、气体吸收等过程,第四节 搅拌,搅拌器放大,将小型搅拌装置逐步放大到生产规模，即通过小试和中试阶段，最后达到工业规模，对此过程称为单元放大过程。,单元放大过程使用的主要依据是相似性原则，包括：,(1)几何相似实验规模与生产设备的相应几何尺寸比例相等。(2)运动相似几何相似系统中对应位置上流体运动速度之比相等，且有相同的运动方向。(3)动力相似几何相似系统中对应位置上各种力(如惯性力、流体粘滞力、表面张力和重力)之比相等。(4)几何相似系统中对应位置上反映传热性能的各参数(如温差、传热通量、传热系数等)之比相等。(5)几何相似系统中对应位置上反映化学反应性能的各参数(如浓度差、化学反应速度、反应转化率等)之比相等。,
