第二节　液体搅拌

使液体与固体、液体或气体等其他介质相互分散而达到均匀混合的操作称为液体搅拌。

一、搅拌的目的及方式

1.搅拌的目的

在制药生产中，搅拌有如下目的：①制备成分均匀的混合物，如制备混悬液、乳浊液等；②加强物质的传递或增加反应速率，如促进固体的溶解、吸附或萃取等；③促进器壁与流体间的传热。

2.搅拌的方式

搅拌通常有如下几种方式：①机械搅拌；②管道混合；③气流搅拌；④射流混合等。

根据制药企业的实际应用，本节只讨论前两种搅拌方式。

二、液体混合机理

由于液体分子扩散速率很小，单靠分子扩散进行液体混合需要非常长的时间，实际上不可能应用。通常情况下，液体混合需靠外加能量，以造成液体的强制对流。液体混合过程，是在强制对流作用下的强制扩散过程。

1.强制扩散

强制扩散有两种方式，即主体对流扩散和涡流扩散。

（1）主体对流扩散　以液体的机械搅拌为例，搅拌器把动量传给周围的液体，产生高速液流，这股液流又推动周围的液体，最终使全部液体在槽内循环流动。这种大范围内的循环流动被称为宏观流动，由此产生物料组分的全槽范围扩散叫做主体对流扩散。

（2）涡流扩散　当搅拌叶搅动产生的高速液流从运动速度较低或静止液体中通过时，高、低速流体分界面上的流体受到强烈的剪切作用，因而产生了大量漩涡。这些漩涡随即向周围迅速扩散，把更多的液体夹带到这股高速液流中，同时使物料在局部范围内产生快速、紊乱的对流漩涡。搅拌槽内的这种漩涡运动被称为微观流动。由漩涡运动造成的局部对流扩散称为涡流扩散。

2.分子扩散

由温差、浓度差引起分子热运动而导致的扩散被称作分子扩散。

液体实际混合的过程是主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散的综合作用。主体对流扩散的作用是把不同物料形成的流体团混合起来，而涡流扩散的作用是通过这些流体团界面间的涡流把物料的不均匀程度降低到漩涡本身的大小，分子扩散的作用则是通过分子热运动将物料的不均匀程度降低到分子尺度。可见，主体对流扩散和涡流扩散主要作用是提高了混合的速度，而不能实现物料的完全混合；完全均匀的混合只有通过分子扩散才能达到。

综上所述，主体对流扩散和涡流扩散只能实现宏观混合，分子扩散才能达到微观混合。宏观混合中，涡流扩散的混合速度比主体对流扩散快得多。而漩涡运动正是湍流运动的本质，湍动程度越高，涡流扩散速率越大，混合速率也越快；漩涡运动的程度取决于被搅拌液体的湍动型态。

三、液体在槽内的流动形态

与流体在管路内流动相似，液体在槽内的流动形态也是根据雷诺数来判定的。这个雷诺数被称为搅拌雷诺数，以ReM代表，计算公式如式（2-9）所示：

　　（2-9）

式中，D——搅拌器直径，m；n——搅拌器转速，r/s；μ——液体黏度，Pa·s；ρ——液体密度，kg/m3。

以ReM区分流动形态大致范围如下：层流区ReM<10；湍流区ReM>1×104；过渡区10<ReM<1×104。

实际上，液体在槽内的湍动状态并不一致。叶轮附近很小的区域内处于高度湍动状态，此区域内的物料被充分混合；只有在槽内作循环运动的主体对流不断将液体推入该区域时，才有可能实现全槽的液体混合。

四、液体混合程度

混合程度是反映搅拌效果的指标，用以判定物料混合后达到的均匀程度。

（一）混合物的调匀度

为反映物料的均匀性，需用调匀度S来表示被搅拌液体形成混合物的混合程度。在A、B两种液体进行混合后，从系统中任意抽取n个试样。设组分A在某一试样中的浓度为CA、平均浓度为，则调匀度表示为

　　（2-10）

式（2-10）中S为调匀度，表示混合时物料的均一程度。液体完全混合时，S=1；完全分离时，S=0。如果在取样中有的样品出现时，应以物料B的浓度CB，与物料B的平均浓度为基准进行计算，即

　　（2-11）

在槽内有代表性的各处取n个样品，则槽内液体的平均调匀度SM为

　　（2-12）

平均调匀度不是反映混合槽内液体混合均匀程度的唯一标准。因为宏观混合均匀的液体在微观上并非都是均匀的。平均调匀度随着取样范围大小可以显出很大的变化，所以仅能从宏观角度表示物料的混合程度。

（二）混合物的不均匀尺度与不均匀强度

为判定混合物经过搅拌所达到的混合程度，根据混合所达到的均匀性，可以用不均匀尺度和不均匀强度两个概念进行描述。

不均匀尺度表示液体中以溶质组分的浓度或以传热过程的温度等可分散参量的未分散部分的大小。对应地，这两种参量未分散部分之间的距离以隔层厚度表示。

不均匀强度表示邻近流体团之间该参量（浓度，温度等）数值间的差异。不均匀强度用以描述分子扩散对混合过程的影响，完全混合时不均匀强度为零。

图2-18示出了混合物不均匀尺度和不均匀强度的变化关系。在安装了不同搅拌装置的3个搅拌罐分别加入同一种物质进行溶解，在溶解后的搅拌过程中从3个罐中分别采样3个样品，这3个样品分别以A、D、G表示。图中每个小方格表示一个未混合的团块，每个方格黑点的数目代表溶质的含量，由左至右方格越来越大，因此不均匀尺度越来越大，G比D和A更为集中，这种分散物的集中尺度就是不均匀尺度。不均匀尺度越大，表示物料分散情况越差。两个未混合团块间的距离就是隔层厚度，隔层厚度越大，表示物料分散情况越差。

由于溶质可以溶解在溶剂中，经过一定时间后，这3个样品中的团块间就有了溶质相互扩散，如图分别以B、E、H表示。以试样B和A比较，B的流体团块间浓度差比A小，所以A的不均匀强度比B大。不均匀强度越大，则表示物料混合越不充分。经过相当时间后，样品内所有团块溶质扩散均匀，如图以C、F、I表示。说明这3个样品不均匀强度为零，溶质和溶剂经过扩散已达到理想的完全混合状态，即所谓的微观均匀或分子尺度均匀。

引入不均匀尺度和不均匀强度的概念，可以表明混合的均匀程度。由此图可形象地说明：不均匀尺度是衡量宏观混合结果的量，而不均匀强度则表示微观混合的结果。混合程度的极限是不均匀强度为零，即达到分子尺度的均匀。并非所有的液体混合都可能达到这种均匀程度，只有互溶液体的混合才可能达到。如果液体间是不互溶的或有悬浮固体的液体混合，都不可能达到分子尺度的均匀。对这些液体的混合来说，调匀度越高、不均匀尺度越小，也就意味着混合越充分。

在对不同物料进行混合时，应视具体情况来确定调匀度与不均匀尺度，例如对软膏剂，要求均匀细腻无粗糙感；对乳浊型注射剂，要求达到微米级油滴粒径等。为满足这些要求，应采用不同的搅拌装置和搅拌条件。

前已述及，液体混合的机理是主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散。在物料的混合过程中，主体流动将两种物料进行初步的分散，达到一定的调匀度，此时物料的隔层厚度必然较大。湍流使微小的流体团进行不规则的湍动，能够把主体流动所造成的已有一定调匀度的混合物进一步分散，减低了混合物的隔层厚度。因此，主体对流的作用主要是形成一定调匀度的混合物，而湍流的作用则是降低混合物的隔层厚度。如果两种物料是互溶的液体，隔层厚度越小，越有利于达到分子尺度的均匀。

五、机械搅拌

（一）搅拌器的分类

搅拌器在旋转时，既造成搅拌器附近的液体湍动，又推动全部液体在槽内作整体的循环流动，依据这种液体循环流动的方向与搅拌叶的关系，可将搅拌器分为如下几种：

1.轴向流搅拌器

凡搅拌器的叶片与搅拌器旋转平面间的夹角小于90°的都属于轴向流搅拌器。其中包括：

①螺旋桨式搅拌器，结构类似螺旋桨推进器，通常由3片桨叶构成，如图2-19（a）所示；

②倾斜叶片蜗轮式搅拌器，其结构一般由6片平直叶倾斜45°固定于轴套上，如图2-19（b）所示。

2.径向流搅拌器

径向流搅拌器的叶片对液体施以径向离心力，液体沿叶轮的径向流出并在槽内循环。其中包括：

①圆盘平直叶式及开启平直叶涡轮式搅拌器，如图2-19（c）、（d）所示；

②锚式搅拌器形状与搅拌容器的轮廓相近，间距一般为20～50mm，主要用于溶解结晶及高黏度液体的混合等场合，如图2-19（e）所示；

③高剪切搅拌器叶轮产生的剪应力很大，但产生的液体循环量较小，主要用于乳浊液的制备和高黏度液体的混匀，如图2-19（f）所示。

（二）搅拌槽内液体的流动

搅拌槽内的液体在搅拌器的作用下围绕搅拌轴旋转，产生圆周方向的切向运动。液体在离心力作用下涌向器壁，使中心部位的液面下降，形成大漩涡，这种流动型态称为打漩。打漩时几乎不产生轴向混合作用。如果被搅拌物料是多相系统，在离心力作用下反而会发生分层或分离。此外，打漩也可能从液体表面吸入空气，降低搅拌效率，并使搅拌器发生振动。

消除打漩的方法是在搅拌槽内安装挡板，挡板一般为4块，在槽壁垂直安装。挡板宽度一般为搅拌槽直径的1/12～1/10。安装挡板有两方面作用，一是将液体的切向流动转变为轴向和径向流动，提高液体的主体对流扩散；二是增大液体的湍动程度，提高搅拌效果。

液体在搅拌槽内沿搅拌轴Z方向的速度分布如图2-20所示。流动状态与槽内是否有挡板有关。图2-20中Ut、Ur及Uz分别代表液体的圆周方向、径向及轴向的速度分布。由图2-20可见，在有挡板情况下圆周方向流速比无挡板时下降很多，而径向流速和轴向流速均有很大的增加。可见，加入挡板后，液体在槽内的流动由圆周方向的切向流为主转为以轴向流为主，液体从搅拌器径向排出形成循环流。

从叶轮直接排出的液体体积流量称为叶轮的排液量，其方向取决于搅拌器的类型，可为径向也可为轴向。由叶轮排出的液体可产生夹带作用，带动槽内液体的循环，参与循环流动的所有液体的体积流量称为液体的循环量，循环量可以远大于排液量。

液体在槽内的流动与搅拌雷诺数有关。图2-21表示层流、过渡流及湍流状态与ReM的关系。ReM较低时为层流状态，液体附于叶轮旋转，液体只在叶轮周围的区域流动。ReM增大时，液体从叶轮排出，产生圆周方向流动，此时槽内同时发生轴向流动和湍动，直至全槽达湍流状态。

（三）搅拌器的选型

前已述及，为达到一定搅拌目的，就要给液体输入机械能。为达到一定的调匀度，需要一定的总体流动，而为了达到一定的分割尺度，则需要一定的湍流强度。搅拌器所消耗的功率理论上一部分用于产生槽内液体的总体流动，另一部分用于产生液体中的湍流（剪切流动）。

生产上有着不同的搅拌目的，有的过程需要总体流动完成，而另一些过程则需要湍流完成。为了满足工艺要求，搅拌器的选型非常重要。生产上液体不同的混合特性和要求如下：

①互溶液体的混合：互溶液体的混合目的是通过搅拌获得一定调匀度的混合物，该过程的控制因素通常是主体流动。

②颗粒状固体悬浮：要求一定的总体流动，视固体的密度而定，对重固体颗粒总体流动要求更强些，而对湍流要求并不主要。

③高黏度物料的混匀：高黏度物料在混合过程不存在湍动，没有涡流扩散，主要的混合作用就是由运动的搅拌器所造成的液体的总体流动，用于高黏度物料的搅拌器一般直径比较大。

④不互溶液体的分散：不互溶液体的分散要求有比较高的剪切作用，主要靠湍流产生，这类过程的控制因素主要是湍流强度。

不同型式的搅拌器作用于液体的特性各不相同。根据对流体剪切作用的大小，各种搅拌器排序依次为：平桨式<蜗轮式<旋桨式<锯齿状叶轮。对要求液体以主体流动为主的工艺过程多选用平桨式、锚式搅拌器，以湍动为主的多选用蜗轮式、旋桨式搅拌器。

此外，液体黏度对搅拌器选型具有很大影响。旋桨式搅拌器适用于较低黏度的液体，平桨式可用于黏度较高的液体，蜗轮式搅拌器可用于高强度搅拌，且适应性较强。对于不同黏度的液体，这3种搅拌器的选型如图2-22。

图2-22中有6个区域，各曲线分别表示出不同搅拌器的极限，只要在曲线以下的范围该搅拌器都可使用，所以，有些类型与其他类型重叠。一般经验，黏度20Pa·s以上不宜使用蜗轮式搅拌器，锚式适用于10Pa·s以下，对黏度更高的液体可选用螺带式搅拌器。

六、管道混合

使液体在管道内流动过程中混合的操作被称为管道混合。管道混合在大规模生产条件下比较经济。对于黏度较低的液体，利用液体在管路内的湍流作用即可进行混合，但对黏度较高的液体为达到可靠的混合效果，可在管路内放置混合组件以提高混合质量，这种在管道内放置混合组件的混合设备称为静力混合器。

静力混合器又称固定混合器，由按一定方式装填在管道内的混合组件组成，每个混合组件起着将液流分割和引导流向的作用。

以Kenics静力混合组件为例，它是由左、右旋螺片以端部互成90°交错的排列方式串接而成的，见图2-23。每个混合器有14～21个组件，每个组件都能将液体分成两股。物料通过n个元件后，便进行2 n 次的分割与复合。

在含有20个组件的混合器中物料被分离复合一百万次以上。即使是黏度相差很大的两种液体，经过10个元件后也可达到很好的混合效果。静力混合器可应用于如下场合：

①高黏性的液体之间或黏度相差很大的液体之间的混合；

②气液反应器。因混合组件造成气、液相表面的不断更新，有利于提高传质速率；

③不互溶液体间的分散；

④黏性物料的加热或冷却装置，因混合组件造成的径向混合，使得管子截面上的物料温度均匀一致、管壁表面的物料不断更新，提高了传热膜系数。

与湍流式管道混合器不同，液体在静力混合器中的混合作用主要靠混合组件的分割。静力混合器内液体处于湍流状态时，阻力增加所带来的问题会超过因传热、传质速率的增加所带来的好处。由于在处理黏性物料方面具有经济上的优越性，所以静力混合器的最主要用途是混合高黏度或黏度相差很大的液体以及糊状物料等。