如何確定工業(yè)化放大過(guò)程中攪拌器的放大

許龍(浙江新農(nóng)化工股份有限公司，浙江　仙居　317300)

如何確定工業(yè)化放大過(guò)程中攪拌器的放大

許龍(浙江新農(nóng)化工股份有限公司，浙江仙居317300)

本文簡(jiǎn)述了從實(shí)驗(yàn)室工藝到工業(yè)生產(chǎn)放大過(guò)程中，在生產(chǎn)操作效果不變的原則下，依據(jù)攪拌器的放大準(zhǔn)則，如何進(jìn)行攪拌器的放大。

操作效果；工業(yè)化放大；攪拌器放大；放大準(zhǔn)則；

從化工行業(yè)的發(fā)展來(lái)看，各種新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝，幾乎都是從實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)始的，但在實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化生產(chǎn)之間，由于物料投料、傳質(zhì)傳熱、設(shè)備形式等不同，都會(huì)帶來(lái)不同的“放大效應(yīng)”。如何消除或減弱放大效應(yīng)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(yīng)保證在放大后操作效果不變準(zhǔn)則下完成。

1　攪拌器放大準(zhǔn)則

1.1保持?jǐn)嚢璧睦字Z數(shù)（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(dǎo)得小試和放大后的攪拌器之間應(yīng)滿(mǎn)足下列關(guān)系：

式中，n、d分別代表攪拌器的轉(zhuǎn)速和直徑，下標(biāo)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(dǎo)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(shí)，攪拌功率正比于轉(zhuǎn)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(shù)，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(zhuǎn)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(shù)相等

因此，對(duì)于給定的系統(tǒng)，可以在恒定的葉輪直徑與不同轉(zhuǎn)速下通過(guò)試驗(yàn)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(shù)相等，則由（1-4）式可得：

n2/n1=（d1/d2）（2m-1）/m（1-5）；

2　攪拌器經(jīng)驗(yàn)放大法

2.1根據(jù)多年中試放大經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于沒(méi)有熱量傳遞的過(guò)程體系

對(duì)非均相系統(tǒng)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(zhǔn)則，按公式1-3計(jì)算進(jìn)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(zhǔn)則，按公式1-2計(jì)算進(jìn)行放大；依賴(lài)分散度的傳質(zhì)過(guò)程，比如氣體吸收、液液萃取等，則可以按照攪拌的雷諾數(shù)不變的準(zhǔn)，按公式1-1計(jì)算進(jìn)行放大。

2.2在均相攪拌系統(tǒng)的放大中，有熱量傳遞過(guò)程：

要使反應(yīng)保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，傳熱速率是最核心的控制因素。此時(shí)，采用傳熱膜系數(shù)相等的準(zhǔn)則進(jìn)行放大，不僅能使放大后具有和中試時(shí)同樣的傳熱狀態(tài)，而且也不過(guò)分改變其他變量（如P/V和nd）的大小。

例如，當(dāng)m=0.65時(shí)，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(jiàn)，在保持傳熱膜系數(shù)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(duì)間歇反應(yīng)器是尤為重要的。

3　逐級(jí)放大試驗(yàn)

至于在攪拌過(guò)程中采用哪個(gè)準(zhǔn)則放大比較合適，需通過(guò)逐級(jí)放大試驗(yàn)來(lái)確定，在幾個(gè)（一般為三個(gè)）幾何相似大小不同的試驗(yàn)裝置中，改變裝置的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得同樣滿(mǎn)意的攪拌效果。比如，在原有試驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上，在保持同樣攪拌效果下，依次進(jìn)行釜號(hào)三次放大1、2、3，以公式（1-1）為準(zhǔn)則所得放大結(jié)果為n1、n2、n3；以公式（1-2）為準(zhǔn)則所得放大結(jié)果n1d1、n2d2、n3d3；以公式（1-3）為準(zhǔn)則所得放大結(jié)果、；

根據(jù)同組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，哪一組數(shù)據(jù)變化最小，則說(shuō)明三臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備在生產(chǎn)效果相同時(shí)，該放大效應(yīng)影響最小，因此，確定用該種放大準(zhǔn)則進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)放大。進(jìn)而根據(jù)該種放大準(zhǔn)則所對(duì)應(yīng)的公式，推算出生產(chǎn)設(shè)備的所需直徑和轉(zhuǎn)速。

4　結(jié)語(yǔ)

結(jié)合以上準(zhǔn)則和操作經(jīng)驗(yàn)，在攪拌器正確放大的同時(shí)，必須保證經(jīng)濟(jì)上的合理性和各項(xiàng)指標(biāo)的先進(jìn)性；在做好單個(gè)設(shè)備放大確定的同時(shí)，要保持與系統(tǒng)放大的一致性，確保整個(gè)系統(tǒng)工業(yè)化放大過(guò)程順利進(jìn)行。

［1］趙臨襄主編.化學(xué)制藥工藝學(xué).北京：中國(guó)醫(yī)藥科技出版社，2003.

［2］于遵宏.化工過(guò)程開(kāi)發(fā).上海：華東理工大學(xué)出版，1996.

許龍（1981-）男，漢族，安徽人，學(xué)士，中級(jí)職稱(chēng)，技術(shù)經(jīng)理,研究方向：技術(shù)管理和工程技術(shù)、合成開(kāi)發(fā)。