如何確定工業化放大過程中攪拌器的放大

許龍(浙江新農化工股份有限公司，浙江　仙居　317300)

如何確定工業化放大過程中攪拌器的放大

許龍(浙江新農化工股份有限公司，浙江仙居317300)

本文簡述了從實驗室工藝到工業生產放大過程中，在生產操作效果不變的原則下，依據攪拌器的放大準則，如何進行攪拌器的放大。

操作效果；工業化放大；攪拌器放大；放大準則；

從化工行業的發展來看，各種新產品、新技術、新工藝，幾乎都是從實驗室研究開始的，但在實驗室研究和工業化生產之間，由于物料投料、傳質傳熱、設備形式等不同，都會帶來不同的“放大效應”。如何消除或減弱放大效應的影響，攪拌器放大的確定就顯得尤為重要，但所有的放大應保證在放大后操作效果不變準則下完成。

1　攪拌器放大準則

1.1保持攪拌的雷諾數（Re=nd2ρ/μ）不變

因放大前后物料相同，ρ（物料密度kg/m3，下同）、μ（物料粘度Pa·s，下同）不變，由此可導得小試和放大后的攪拌器之間應滿足下列關系：

式中，n、d分別代表攪拌器的轉速和直徑，下標1、2分別代表小試和放大后情況。下同。

1.2保持葉端圓周速度Πnd不變

由此可導得：

n1d1=n2d2（1-2）；

1.3保持單位體積所消耗的攪拌功率P/V不變

在湍流時，攪拌功率正比于轉速的3次方、攪拌的5次方，即P∝n3d5；而釜徑是葉輪直徑的一定倍數，這樣釜的體積就正比于葉輪直徑的3次方，即V∝d3。將上述兩式相除，得（P/V）∝n3d2，所以單位體積的攪拌功率與轉速的3次方、直徑的平方成正比。

保持P/V不變，則有：

1.4保持傳熱膜系數相等

因此，對于給定的系統，可以在恒定的葉輪直徑與不同轉速下通過試驗確定m的值。通常帶夾套的攪拌釜，m為0.67；帶蛇管的攪拌釜，m為0.5～0.67。要保持小試與放大后的傳熱膜系數相等，則由（1-4）式可得：

n2/n1=（d1/d2）（2m-1）/m（1-5）；

2　攪拌器經驗放大法

2.1根據多年中試放大經驗，對于沒有熱量傳遞的過程體系

對非均相系統中，如固體的懸浮、液滴的分散等，要求放大后單位體積的接觸面積保持不變，可以采用單位體積攪拌功率不變的準則，按公式1-3計算進行放大；如要求固體顆粒更加破裂利于溶解、懸乳，則可以按照葉端圓周速度不變的準則，按公式1-2計算進行放大；依賴分散度的傳質過程，比如氣體吸收、液液萃取等，則可以按照攪拌的雷諾數不變的準，按公式1-1計算進行放大。

2.2在均相攪拌系統的放大中，有熱量傳遞過程：

要使反應保持在適當的溫度范圍內，傳熱速率是最核心的控制因素。此時，采用傳熱膜系數相等的準則進行放大，不僅能使放大后具有和中試時同樣的傳熱狀態，而且也不過分改變其他變量（如P/V和nd）的大小。

例如，當m=0.65時，代入公式（1-5）中，得n2/n1=（d1/ d2）（2m-1）/m=（d1/d2）0.46（2-1）；

（1）按照P/V不變，將（2-1）代入（1-3）中，得（d2/d1）0.62；

（2）按照nd不變，將（2-1）代入（1-2）中，得（d2/d1）0.54；

由此可見，在保持傳熱膜系數相等的情況下放大，葉端圓周速度和單位體積所消耗的攪拌功率等重要變量的改變都不大，而這三者對間歇反應器是尤為重要的。

3　逐級放大試驗

至于在攪拌過程中采用哪個準則放大比較合適，需通過逐級放大試驗來確定，在幾個（一般為三個）幾何相似大小不同的試驗裝置中，改變裝置的轉速來進行試驗，以獲得同樣滿意的攪拌效果。比如，在原有試驗儀器的基礎上，在保持同樣攪拌效果下，依次進行釜號三次放大1、2、3，以公式（1-1）為準則所得放大結果為n1、n2、n3；以公式（1-2）為準則所得放大結果n1d1、n2d2、n3d3；以公式（1-3）為準則所得放大結果、；

根據同組數據進行比較，哪一組數據變化最小，則說明三臺試驗設備在生產效果相同時，該放大效應影響最小，因此，確定用該種放大準則進行工業化生產放大。進而根據該種放大準則所對應的公式，推算出生產設備的所需直徑和轉速。

4　結語

結合以上準則和操作經驗，在攪拌器正確放大的同時，必須保證經濟上的合理性和各項指標的先進性；在做好單個設備放大確定的同時，要保持與系統放大的一致性，確保整個系統工業化放大過程順利進行。

［1］趙臨襄主編.化學制藥工藝學.北京：中國醫藥科技出版社，2003.

［2］于遵宏.化工過程開發.上海：華東理工大學出版，1996.

許龍（1981-）男，漢族，安徽人，學士，中級職稱，技術經理,研究方向：技術管理和工程技術、合成開發。