第一章液体搅拌

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4、固体混悬
在低粘度液体内悬浮容易沉降的固体颗 粒时，应选用涡轮式搅拌器。其中又以开启 式为最好，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 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 桨式。对固液比在50％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。
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3、大直径低转速搅拌器
旋桨式和涡轮式搅拌器属于小直径高转速
搅拌器，适用于粘度较低的场合。
对于高粘度的液体，需采用大直径低转速
搅拌器，如桨式、锚式、框式和螺带式（高粘
度）等，适用的液体粘度依次变大。
（1）桨式搅拌器
桨式搅拌器的桨叶尺寸大，转速低，其旋
转直径约为搅拌罐内径的0.35～0.9倍 ，叶片
二、搅拌机理
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
对流，以达到均匀的混合状态。
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液体的强制对流方式有总体循环流动和 湍流运动（湍动）两种。
搅拌器的功能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） 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、 径向流动。
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涡轮式搅拌器旋转时，液体作径向和切 向运动，并以很高的速度排出。液体的径向 分速度，使液体流向壁面，在壁面分为上、 下两路返回搅拌器，形成如图2-4所示的总体 流动；液体的切向分速度，使搅拌罐内的液 体产生圆周运动，应设法抑制。
与螺旋桨式搅拌器相比，涡轮式搅拌器 所造成的总体流动的回路较曲折，由于排出 速度高，桨叶外缘附近形成剧烈的旋涡和较 高的剪切力，产生高度湍动，可将液体微团 破碎得很细。
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二、搅拌器的强化措施
湍流运动的混合效果远比总体流动好。因 此，要想强化搅拌器的作用，就应设法提高液 体的湍流运动程度。当液体循环流动中所产生 涡流运动越剧烈，湍动程度越高，环路中所消 耗的能量也就越大。
因此，提高搅拌器向液体提供的能量，增 加液体的湍动程度，则可以提高液体的混合效 果，常用的强化措施有：
2、高粘度均相液体的混合
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。
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3、分散(非均相液体混合) 涡轮式搅拌器的剪切作用强且循环速率大， 用于此类操作效果最好，特别是平直叶的剪切 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 量消耗。
总体流动的途径复杂,不同型式的搅拌器 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—— 图2-3
涡轮式搅拌器形成的罐内总体流动——
图2-4
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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， 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 均匀度。
2、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 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 附近的液体受到强烈的剪切作用。
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低粘度流体——产生大量旋涡。 高粘度液体——罐内只作层流流动。
总体流动的特点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 向，流动范围大。
这样，一方面在搅拌器附近产生强剪切
或湍动，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
定途径在罐内循环流动，这种大范围的流动
称为总体流动，如图2-2所示。
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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 动液流中的旋涡造成。
1、罐内的总体流动与大尺度的混合
（3）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。
（4）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 用于液体吸收气体。
（5）强化液体与器壁的传热，减少局部 过热，提高传热系数，促进介质的化学反应 和物理过程。
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（6）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。
湍流运动的特点则是以很小的微团尺度 运动，运动距离很短，且又不规则。
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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。
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。
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第二节 搅拌器
一、搅拌器的类型及其性能
（一）搅拌器的类型 1、按工作原理分为 轴向流搅拌器 如螺旋桨式叶轮 径向流搅拌器 如涡轮式叶轮 前者使液体作轴向和切向流动，后者使
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类型 特点 适用范围 典型代表
按 小直径 叶片面积 液体粘度 螺旋桨式
搅 高转速 小，转速 较低的场 和涡轮式
拌 搅拌器 高
合
器 大直径 叶片面积 液体粘度 桨式、锚
性 低转速 大，转速 较高的场 式、螺带
能 搅拌器 低，搅动 合
式、框式
分
范围大
类
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(二)几种常用搅拌器的性能 1、螺旋桨式搅拌器 结构简单，安装容易，转速高，搅拌器直
液体作径向和切向流动。
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类型 特点 液体流动状况 典型代表
按
工 轴向 流量大， 在搅拌罐内主 螺旋桨式
作 流搅 压头低 要作轴向和切
原 拌器
向流动
理
分 径向 流量较小， 在搅拌罐内主 涡轮式
类 流搅 压头较高 要作径向和切
拌器
向流动
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2、按搅拌器性能分类 根据搅拌器的旋转直径和转速 小直径高转速搅拌器 如：螺旋桨式和涡轮式 大直径低转速搅拌器 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 的场合，大直径低转速搅拌器适用于液体粘度 较高的场合。
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， 起着与混合相反的作用，应设法抑制。
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2、涡轮式搅拌器
涡轮式搅拌器的直径一般为罐内径的 0.2～0.5，转速较高，叶片端部的圆周速度 一般为4～10m/s。
适用于中等和低粘度(μ<50Pa·s)液体的 搅拌。
常用于小尺度均匀的搅拌过程，对不互 溶液体的混合，固体的溶解，固体的混悬效 果较好。但不适合处理易分层的物料。
径一般取搅拌罐内径的0.2～0.5倍，叶片端部
的圆周速度一般为5～ 15m/s 。 适用于低粘度（μ<2Pa·s）液体的搅拌。 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。
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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 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 折回返入旋桨，形成如图2-3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 器内整个液体作圆周运动。
宽度为其旋转直径的1/10～l/4，叶片端部的圆
周速度为1～5 m/s 。
分为平直叶桨式搅拌器、斜叶桨式搅拌
器。
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桨式搅拌器的径向搅拌范围大，可用于 粘度较高的液体搅拌。罐内液位较高时，应 采用同一轴装几个浆式搅拌器或平直叶与斜 叶式组合的方法。
（2）锚式搅拌器和框式搅拌器 两者均为桨式搅拌器的改进型。其形状 与罐底部相似，旋转直径很大，与罐的内径 基本相等，间隙很小，转速很低，叶片端部 的圆周速度为1～5m/s。
下图中各种曲线是几种典型的搅拌器 使用的极限范围。粘度由大到小：锚式、 螺带式>桨式>涡轮式>螺旋桨式
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(二)根据操作目的和主要影响因素来选型（表3-1）
1、低粘度均相液体的混合
一般的搅拌器皆可适用。螺旋桨式的 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； 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。
适于某一种搅拌操作的搅拌器往往有几 种类型可供选择，而同一种搅拌器也适用于 几种不同的搅拌过程。
一些典型机械搅拌器的结构型式及有关
参数见附录十二，可供选型时参考。
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常用的搅拌器选型方法有以下几种：
（一）以液体的粘度作为选型的判定因素 液体粘度对搅拌状态和功率消耗有很大
影响，所以根据液体粘度的大小来选型是一 种基本方法。
降低了安装要求，易于维修，有利于底部出
料。其缺点是轴封困难。
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3、控制回流液体的速度和 方向
在搅拌罐内设置圆筒形导
流筒，一方面提高了对筒内液
体的搅拌程度，加强了搅拌器
对液体的剪切作用，另一方面
可以严格控制回流液体的速度
和方向，使罐内的液体均通过
导流筒内的剧烈混合区域，从
而提高混合效率，消除了短路
止了液面下凹，有效地防止“打旋”
现象，使搅拌效果明显提高。
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但偏心搅拌容易引起振动，一般适用于小 型设备。
（ii）倾斜式搅拌 搅拌器偏心倾斜安装在罐内，
见图(b)。此种搅拌器适用于小型 设备。其结构简单，可用于药品等 溶解、分散、调节pH值和稀释等。
（iii）偏心水平搅拌
பைடு நூலகம்
见图(c)，搅拌轴短而细，轴的稳定性好，
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1、提高搅拌器转速 搅拌器叶轮在旋转时产生的压头H与转速 n的关系：
H∝n2d2
提高转速就可以提高H，进而提高搅拌器 向液体提供的能量，增加湍动程度，提高混 合效果。
2、抑制搅拌槽内的“打旋”现象
“打旋”现象：液体在离心力作用和切
向流作用下形成漏斗形的旋涡，搅拌器转速
越大则旋涡下凹深度也越大，这种流动状态
现象。
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对于螺旋桨式搅拌器，导流筒可安装在搅 拌器外面，见图 (a)；对于涡轮式搅拌器，导 流筒可安装在搅拌器上方，如图（b）。