化妝品乳化均質(zhì)器的設(shè)計與布局

專欄：技術(shù)交流

發(fā)布日期：2023-12-25

閱讀量：325

作者：JZ

收藏：

　　間歇式齒形和徑向排放的轉(zhuǎn)子-定子混合器款式從實(shí)驗(yàn)室小樣制備到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)都有各種不同規(guī)格可供選擇。在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，混合頭（轉(zhuǎn)子和定子的組件）可以小至0.01m（Turrax，Silverson），處理的液體量可以從幾毫升到幾升不等。在圖5.3所示的工業(yè)應(yīng)用模型中，混合頭的直徑最大為0.5m，可以批量處理幾立方米的流體。

　　如上所述，對轉(zhuǎn)子-定子混合器中的混合/分散過程的理解仍然非常有限。因此，Silverson的大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子和定子的幾何形狀與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模使用的轉(zhuǎn)子和定子的幾何形狀是相同。同樣，Turrax的轉(zhuǎn)子-定子組件的形狀在不同規(guī)格上實(shí)際上是相同的。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，用于特定乳化過程的轉(zhuǎn)子-定子混合器的選擇取決于所需的產(chǎn)品形態(tài)，通常根據(jù)平均液滴尺寸或液滴尺寸分布（DSD）以及處理產(chǎn)品的單批次數(shù)量的大小。在開放文獻(xiàn)中，很少有文獻(xiàn)提及可以計算出轉(zhuǎn)子-定子混合器的平均液滴尺寸，也沒有方法可以估算DSD。因此，為特定配方選擇合適的混合器和加工條件常常是通過試錯來完成的。許多領(lǐng)先的制造商要么為混合器使用提供試用期，要么對給定的配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的乳化，通過測試優(yōu)選他們制造的混合器的不同類型/幾何形狀。顯然，后一種選擇對于許多公司而言可能是不可接受的，因?yàn)樗鼈冇糜谥圃旎谌橐旱漠a(chǎn)品的工藝具有商業(yè)敏感性。一旦在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模確定了攪拌機(jī)的類型及其運(yùn)行參數(shù)，就需要把工藝放大擴(kuò)大該過程到生產(chǎn)規(guī)模。

　　大多數(shù)的乳化實(shí)驗(yàn)室測試都是在小間歇式容器中進(jìn)行的，因?yàn)樗冗B續(xù)操作更容易，更便宜。因此，在擴(kuò)大轉(zhuǎn)子-定子混合器的規(guī)模之前，必須決定工業(yè)乳化應(yīng)間歇式進(jìn)行還是連續(xù)化進(jìn)行。對于產(chǎn)品配方需要較長處理時間（通常與緩慢的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)）的過程，建議使用間歇式混合器。它們需要簡單的控制系統(tǒng)，但是在大型容器中空間均勻性可能是個問題，這可能導(dǎo)致更長的處理時間。在通過連續(xù)相和分散相之間的機(jī)械/流體動力學(xué)相互作用或通過快速化學(xué)反應(yīng)控制產(chǎn)品質(zhì)量的過程中，需要大量能量以確保充分混合，建議使用在線轉(zhuǎn)子-定子混合器。在線混合器也被推薦用于有效處理大噸位流體。

　　在間歇式處理的情況下，將轉(zhuǎn)子-定子裝置采用頂部入口侵入的混合器（圖5.4a）在機(jī)械上是最簡單的布置，但在某些過程中，底部入口混合器（圖5.4b）可確保更好的批量混合，但是在這種情況下，密封比較復(fù)雜。通常，由于受混合器的無死角體積混合能力的限制，間歇式轉(zhuǎn)子-定子混合器的效率會隨著容器尺寸的增加和加工液體粘度的增加而降低。如果液體/乳液的表觀粘度較低，Turrax的開放式結(jié)構(gòu)混合器即使在相對較大的容器中也經(jīng)常能夠進(jìn)行充分的無死角混合。但對于加工非常粘稠的乳液則需要額外的葉輪（通常是錨定型）來導(dǎo)流并通過轉(zhuǎn)子-定子混合器使乳液循環(huán)。另一方面，間歇式的Silverson轉(zhuǎn)子-定子混合器的泵送能力非常有限，即使在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下，它們也可以安裝在容器中心之外（偏心安裝），以改善整體混合效果。大規(guī)模地，總是需要至少一個額外的葉輪（圖5.3b），并且對于非常大的容器單元，需要在同軸安裝多個葉輪促進(jìn)導(dǎo)流。

　　圖5.3工業(yè)規(guī)模的轉(zhuǎn)子-定子混合器：（a）齒形混合器–IKA中型Ultra Turrex，最大批量6m3；（b）大型Silverson的間歇徑向排放混合器，最大分批體積為35m3；（c）混合器（b）中使用的開槽篩網(wǎng)（最大直徑為0.5m），以及（d）在混合器（b）中使用的粉碎篩網(wǎng)

　　在大型容器中安裝大型重型攪拌機(jī)還存在機(jī)械問題。首先，電動機(jī)/軸組件的重量需要足夠的支撐，其次，以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)的長軸可能需要額外的支撐/軸承，以避免振動和擺動。通過將攪拌器安裝在帶有較短且更穩(wěn)定軸的容器底部（圖5.4b）可以避免這些問題，但是在這種情況下，必須使用適當(dāng)?shù)拿芊饧６遥旌掀骶嚯x容器底部的距離很近，這進(jìn)一步限制了混合器的泵送能力。因此，在這種配置中，需要額外的葉輪來進(jìn)行無死角混合。

　　圖5.4(a,b)間歇工藝處理時轉(zhuǎn)子-定子混合器的可能安排

　　使用間歇式轉(zhuǎn)子-定子混合器處理大量流體的相關(guān)問題可以通過將間歇式混合器替換為前面簡要討論過的在線(連續(xù))混合器來避免。不同的供應(yīng)商(Silverson,IKA等)提供了許多可供選擇的設(shè)計型號，轉(zhuǎn)子和定子的幾何形狀的差異與主要與定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計方案適用于不同的應(yīng)用目的相關(guān)。間歇式轉(zhuǎn)子-定子混合器和在線式轉(zhuǎn)子-定子混合器的主要區(qū)別是后者有很強(qiáng)的泵送能力，因此它們直接安裝在管道中。相對于間歇式混合器在線式轉(zhuǎn)子-定子混合器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是對于相同的功率負(fù)荷，在線式混合器需要一個小得多的混合器，因此它們更適合處理大量的流體。當(dāng)處理容器的規(guī)模增加時，達(dá)到某個點(diǎn)，使用在線轉(zhuǎn)子-定子混合器就會會比通過增大間歇式混合器直徑的辦法更加有效。因?yàn)楣β氏碾S著轉(zhuǎn)子直徑的增大而急劇增加(達(dá)到五次方)，在大直徑混合轉(zhuǎn)子需要一個非常大的電機(jī)。過渡點(diǎn)取決于流體流變學(xué)，但對于粘度類似于水的流體，推薦大約處理液體在1-1.5 t的體積時從間歇式轉(zhuǎn)子-定子混合器改為在線轉(zhuǎn)子-定子混合器工藝進(jìn)行處理。

　　大多數(shù)制造商同時提供單級和多級混合器，后者被建議用于要求更高的混合過程，例如高粘度液體的乳化或固/液系統(tǒng)中的加工/粒徑減小。單級和兩級轉(zhuǎn)子－定子混合器的示例如圖5.5所示。