第一章 液体搅拌

作者:德州棋牌官网发布日期:2020-10-14 19:07

  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。 1 (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。 2 (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。 3 4 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0I1,I偏离1越远,混合越不均匀。 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。 5 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。 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。 6 7 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。 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 8 9 10 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。 11 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。 12 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。 13 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。 14 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 15 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。 16 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 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 17 (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(μ2Pa· 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。 18 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。 19 20 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(μ50Pa· 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。 21 22 23 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。 24 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。 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。 26 27 框式搅拌器 锚式搅拌器 28 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 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: 30 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。 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。 32 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。 33 34 (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。 35 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。 37 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)。 38 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。 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 40 41 (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。 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。 42 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。 43 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。 44 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 需要较强的剪切作用、较大的液体循环量 和较高的转速,因此涡轮式搅拌器较适宜,尤 其是中间圆盘的涡轮式搅拌器为最佳。 45 7、结晶 一般情况下,小直径高转速搅拌器适用 于微粒结晶,大直径低转速搅拌器适用于大 颗粒定型结晶。 8、传热 传热量小时可用夹套罐加热,采用桨式 搅拌器;中等传热量可用夹套罐加热,采用 桨式搅拌器并加挡板;传热量很大时可用蛇 管传热,采用螺旋桨式或涡轮式搅拌器,并 加挡板。 46 第三节 搅拌功率 一、搅拌器混合效果与功率消耗 N=ρgqVH 式中:qV——搅拌器排液量(流量); H——搅拌器对单位重量液体所做 的功,即压头。 在等功率条件下,采用大直径、低转速 搅拌器,更多的功率消耗于总体流动,有利 于大尺度上的均匀混合;采用小直径、高转 速搅拌器,更多的功率消耗于湍动,有利于 47 小尺度上的均匀混合。 二、均相液体的搅拌功率 搅拌器的功率与罐内造成的流动状态有关, 所以影响流动状态的因素也是影响搅拌功率的 因素。与搅拌功率有关的因素可分为几何因素 与物理因素两类。 1、影响搅拌功率的几何因素有: (1)搅拌器的直径; (2)搅拌器叶片数量、形状以及叶片长度 和宽度; (3)搅拌器内径; 48 (4)搅拌器中所装液体高度; (5)搅拌器距罐底部的距离; (6)挡板数目及宽度。 2、对于均相液体搅拌过程,影响搅拌 功率的主要物理因素为: (1)液体的密度ρ; (2)液体的粘度μ; (3)搅拌器转速n; (4)重力加速度g等。 3、功率曲线 第四节 搅拌器的放大 放大:通过小型设备模拟试验所取得的最 佳操作条件及搅拌器的工艺参数,经过适当的 计算处理,从而获得设计工业生产规模的搅拌 装置所需的操作条件和数据的过程。 50 对于一般搅拌装置的放大,要求实验系 统(模型)与实际生产系统(原型)之间的 相似有:几何相似、流体运动相似、动力学 状态相似热相似等。实际上要同时满足这些 相似条件是不可能的,但两系统几何相似是 相似放大的基本要求。 几何相似是指模型与原型相应几何尺寸 的比例都相等。 搅拌器通常采用两种方法进行放大。一 种是按功率数据放大,另一种是按工艺结果 放大。前者比后者必须满足的相似条件少。 51 第五节 其他类型搅拌器 一、磁力搅拌器 磁力驱动搅拌器简称磁力搅拌器。其主 要特点是利用原动机带动外部永久磁体转动, 当外磁体旋转时,通过磁场的作用,驱动封 闭在隔离套内的与搅拌轴连接的内磁体同步 旋转,从而实现无接触、无摩擦地将扭矩传 送到搅拌器,实现搅拌的目的。 磁力搅拌器罐内介质处于完全封闭状态, 完全无泄漏和污染,能实现高温、高压 52 、高真空度、 高转数下进 行的各种易 燃、易爆以 及有毒介质 的搅拌,特 别适用于制 药、精细化 工以及微生 物工程等行 业进行试验 和生产。 53 二、液流搅拌器 液流搅拌器是利用循环泵等对液体提供能 量,使液体从喷嘴以高速射流的形式喷出,高 速射流在静止流体中穿过时,一方面推动其前 方的液体运动,另一方面,由于射流边界上存 在的高剪切速率造成的大量旋涡会把周围静止 的液体挟带到射流中,把动量传递给低速液体, 使流体混合。液流搅拌器对压头的要求比较 高。 下图为大型混合罐用液流搅拌装置示意图。 54 大 型 釜 用 液 流 搅 拌 55 三、气流搅拌 气流搅拌是向液体中通入气流以搅拌液体 的方法:气体通入液层中产生的气泡在液体内 上升的过程中所造成的液体湍动可以产生良好 的搅拌作用。用于搅拌的气体主要是压缩空气, 有时亦采用二氧化碳气体、氮气等。当被搅拌 的液体需加热,且允许加入水分时,也可通入 水蒸气。 气流搅拌装置有鼓泡器和气流搅拌槽。 56 1、鼓泡器 由管壁开有许多小孔的管子构成。鼓泡 器安装在容器底部,气体从小孔吹出,在液 体中鼓泡。工业应用的鼓泡器是使气泡成串 通过液层,借射流的夹带和湍流脉动促使液 体混合。 2、气流搅拌槽 为矿物类物质浸取的常用设备。它是一 个带锥底的直立圆槽,通常在中央设置导流 筒。从导流筒底部通入的压缩空气,带动筒 内矿桨上升。矿桨升至筒口溢出,然后在筒 外下降,形成循环流动。 57 作业: 将小直径高转速搅拌器与大直径低转 速搅拌器的特点、适用范围进行比较,并 列举这两种搅拌器的典型代表。 58


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