2.4.5　微观混合的基本理念

化工设备中的微观混合,最终是依赖分子扩散来实现的。当宏观混合接近完成,不同性质的物料的分隔尺度很小时,微观混合才能以可观的速率发生。严格地说,微观混合是与宏观混合同时进行的,只是在宏观混合开始、分隔尺度大时,微观混合仅在团块的界面发生,而此时单位体积的界面积(比界面积,m2/m3)很小,因而微观混合的速率可以忽略不计。随着离集(分隔)尺度S的减小,比界面积a成反比例地减小(a∝S-1),微观混合也相应加速。

按Fick第一定律

J=DΔc(2.23)

传质速率通量J也与浓度梯度成正比,而浓度梯度Δc与离集尺度S成反比,因此J与S-1成正比。而传质团块间的比界面积(单位体积中的接触面积)也与S的1次方至3次方成正比(取决于离集尺度S在几个维度上减小),与反应器中的S数值及其空间分布紧密相关。化学反应器中的微观混合能力埋藏于整个流场之中,可以用单位设备体积中的传质速率来表示[mol/(m3·s)],或以全设备体积中的传质速率来表示(mol/s)。

化学反应器中物料混合到分子尺度后化学反应才能进行。对于慢反应,其反应特征时间(例如t_reac~k -1,k为一级化学反应速率常数)大大长于宏观混合时间t_Mac和微观混合时间t_mic,则反应流体有足够的时间来达到分子尺度上的混合,化学反应基本上按照本征反应动力学表述的规律来进行。但对快反应,通常是t_reac ≪t_mic≪t_Mac,在宏观混合进行的同时,微观混合也逐渐加快,但化学反应的速率基本上决定于微观混合的速率。因此,充分利用全反应器的微观混合能力是决定反应器反应能力的最直接的因素,这就要求利用反应器中每一处体积的微观混合能力。

微观混合时间t_mic与传质速率J成反比,这两个参数也有全局平均值以及随时间、空间变化的局部值。J的影响因素也是微观混合时间局部值的影响因素,但其中的离集尺度不易测定,因此文献中提出一些近似估计的方法。例如,湍流的强度越大,产生的涡团越小,因此传质快。基于此思路提出的估计式的例子如Geisler(1991)的

t_mic≈50ln(2.24)

和Hughes(1957)的

t_mic=(2.25)

式中,ν为流体的运动黏度;D_m为混合物系中某溶质的分子扩散系数;ε_loc为湍流能量耗散率的局部值。

因此,反应器加料方式的第一考虑就是要选在微观混合最好、湍流能耗最强的地方(图2.8中a点)。但将全部物料加在一个点上,新加的物料量大,物料团块的尺度势必不能很快减小,反倒有猝灭此处湍流的可能。因此,第二考虑是将物料分散加在湍流能耗强的更多地点(图2.8中b点)。原则是要积分式地充分利用反应器的微观混合能力。所加物料在反应耗尽前的整个路径,均应在强湍流区内,以充分利用反应器的微观混合能力,所以物料也可以加在最强能耗点的上游(图2.8中c点),虽然加料的起点不是微观混合最好点,但物料在随后运动中受到渐增的强湍流,可能积分总效果会最好。将物料以单喷嘴的方式加在液面和壁面是最差的设计(图2.8中d点)。对管式反应器,关键组分A(例如需要转化率高的反应物)在入口全部加入,往往不是最好的策略[图2.9(a)和(c)]。空管反应器中的流动和湍流有径向分布,管壁处的剪切最大,靠中心处湍流强,优化的加料方式应对流体力学和反应本征动力学做综合考虑[图2.9(b)和(d)]。物料分布器的优化设计,需要有科学的化学工程理念,也需要化学工程实践的经验积累。

图2.8　发挥反应器微观混合能力的加料方式

图2.9　管式反应器的几种加料方式

微观混合在宏观混合得到的流场和浓度场的基础上来发挥作用,因此宏观混合必须精心设计,需要注意加料点附近的能量耗散速率要大,全槽的能耗密度不必十分均匀,但整体循环性良好,等等。