第一章 液体搅拌

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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 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 25 器。
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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。
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。
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。 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）
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。
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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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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。
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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：
发生“打旋” 现象后，几乎不产 生轴向混合作用， 使叶片与液体的相 对运动减弱，混合 效果变差。
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为抑制“打旋”现象的发生，通常采用如 下方法： （1）在搅拌槽内安装挡板 沿槽壁面垂直安装四块条形挡板，上端高 出液面，下端通到槽底，宽度约为槽径的1/10。 加设挡板后，将切向流动转化为轴向流动 和径向流动，同时液流在挡板后造成旋涡，这 些旋涡随主体流动遍及全罐，增大了被搅拌液 体的湍动程度，提高了混合效果；同时，自由 表面的下凹现象基本消失，可完全消除“打旋” 现象，但搅拌功率却要成倍增加。
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框式搅拌器
锚式搅拌器
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锚式搅拌器和框式搅拌器搅拌器产生的剪 切作用很小，但搅拌范围很大，无死区，适用 于高粘度液体的搅拌。尤适用于粥状物料的搅 拌，可用来防止器壁沉积现象。但锚式和框式 搅拌器基本上不产生轴向流动，轴向混合效果 较差。 （3）螺带式搅拌器 其旋转直径不小于搅拌罐内径的9/10，叶 端圆周速度小于2 m/s。这种搅拌器在旋转时能 产生液体的轴向流动，使物料上下窜动混合搅 匀，混合效果较好。适用于粘度较高、流动性 差的物料搅拌。 29
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5、固体溶解 要求搅拌器既有剪切作用又有循环速率， 所以涡轮式是最合适的。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。 桨式要借助挡板提高它的循环能力。 6、气体吸收
特点 叶片面积 小，转速 高 叶片面积 大，转速 低，搅动 范围大
适用范围 液体粘度 较低的场 合 液体粘度 较高的场 合
典型代表 螺旋桨式 和涡轮式 桨式、锚 式、螺带 式、框式
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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 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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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。
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。
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三、搅拌器的选型
搅拌器类型的选择，应该在分析搅拌器 的功能基础上，根据搅拌目的和被搅拌液体 的性质来选择。 一台合适的搅拌器，既要满足搅拌目的， 也要保证所需功率要小。 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 39 参数见附录十二，可供选型时参考。
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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。
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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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 见图(c)，搅拌轴短而细，轴的稳定性好， 降低了安装要求，易于维修，有利于底部出 36 料。其缺点是轴封困难。
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 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）。
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 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。
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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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 31 称为“打旋”现象。
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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。
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类型 按 搅 拌 器 性 能 分 类 小直径 高转速 搅拌器 大直径 低转速 搅拌器
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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。
液体搅拌主要有机械搅拌、气流搅拌和射 流混合等。 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。
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第一节
搅拌的机理
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 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。 平均均匀度I 混合均匀时I=1；混合不 均匀时0<I<1，I偏离1越远，混合越不均匀。
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。
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。 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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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 液体作径向和切向流动。
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类型 按 工 作 原 理 分 类
特点
液体流动状况 典型代表
轴向 流量大， 在搅拌罐内主 螺旋桨式 流搅 压头低 要作轴向和切 拌器 向流动 径向 流量较小， 在搅拌罐内主 流搅 压头较高 要作径向和切 拌器 向流动 涡轮式
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（2）破坏循环回路的对称性
将搅拌器偏心或偏心倾斜安装，借以破 坏循环回路的对称性，增加旋转运动的阻力， 可有效阻止圆周运动，增加湍动，产生与设 置挡板相似的效果。 （i）偏心式搅拌 由于搅拌器不安装在罐内的中 心线上，见图(a)，使液流各点处 压力不同，因而使液层间的相对运 动加强，增加了液层间的湍动，防 止了液面下凹，有效地防止“打旋” 现象，使搅拌效果明显提高。
第一章
液体搅拌
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 均匀或使传热传质过程加速的操作称为液体 搅拌。 液体搅拌可以达到以下目的 : （1）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 度及其物性的均匀混合。如制备混合物。
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（2）不互溶液体的搅拌，使两种液体充 分乳化、增加相间接触面积，通过分散到达 容器内两相液体的均匀状态。如制备悬浮液 和乳浊液。 （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。