第3章 宏观混合的实验研究

3.1　混合的特征指标

混合是过程工业中的重要单元操作。许多单元过程中的混合仅涉及物理过程,使被处理物料的组成、性质均匀化,其中也包括温度、反应物浓度、介质黏度等体系特性。而在化学反应器中,物理混合过程则与化学反应过程同时耦合进行,此时混合往往对化学反应的速率和复杂反应体系的选择性有极大的影响,因此对化学反应器的生产能力和效率有很直接的关系。第一,要参与化学反应的两个或多个组分必需混合到分子水平的接触才能进行化学反应,混合的快慢直接涉及反应器的生产能力。第二,有复杂反应(主反应和副反应并存)时,混合决定了参与反应的反应物在反应区中局部浓度的高低,这直接影响对主产物的选择性,恰当的混合操作能保证反应过程的高效率(高经济效益、低原料消耗)。因此,深入研究化学反应器内的混合过程对于反应器的设计、优化和放大具有重要学术意义和工程应用价值(Harnby N,1985)。

早期关于反应器效能的研究(MacDonald RW,1951)指出,混合时间应该小于反应器中原料平均停留时间的5%,才能保证产品的平均组成的随机偏差低于5%。这就是混合效率和反应器效能间的关系:混合效率高,则物料组成均匀性好,反应可以在全反应器中高效进行,产品质量也均匀,且容易控制。虽然反应器混合效能与反应器反应性能间关系的定量规律尚无公认的结果,但定性上反应器混合效能与反应器的反应效率是正相关的。

反应器中的混合过程一般包括主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散三种扩散机理的综合作用,其作用的空间尺度依次减少。主体对流扩散把物料的较大团块输送到反应器各处,主体流动中的剪切和涡旋起到缩小团块和分散的作用;涡流扩散是指湍流流场中的涡团进一步将不同性质的团块分割和混合,使团块的尺度不断减小,并在流场中分散得更均匀。但是最小的涡团(Kolmogorov尺度的涡团)也比分子大得多,分子尺度上的均匀混合只能最终依靠分子扩散来实现。

为了研究问题的方便,一般将混合分解为宏观混合和微观混合两个过程。宏观混合过程指反应器尺度上的宏观均匀化过程,包括主体对流扩散和涡流扩散两种机理。微观混合过程则指分子尺度上的均匀化过程,只有分子扩散才能实现微观混合。宏观混合能大大增加不同性质的团块间分子扩散的界面积,减少了分子扩散的距离,因此提高了微观混合的速度。有的研究将涡流扩散过程称为“介观混合”,从宏观混合中分离出来,这种观点和研究方法并未被普遍接受,研究报道也少。

宏观混合过程的研究主要是采用实验方法。混合的质量和速度需要用定量的指标来判断。最常用的指标是混合时间(毛在砂,2015),即达到一定程度的宏观均匀度所需要的时间。对于连续流动反应器,也采用停留时间分布(Zhang TW,2005)来表示反应器内液体的混合特性,这将在第5章中详细讨论。宏观混合也可用轴向分散系数来定量其强度,Liu ML(2008)在研究外环流反应器中的混合时做过这样的探索。历史上更早的研究者(Danckwerts PV,1952)曾提出用离集尺度和离集强度两个指标来描述混合的均匀程度。此外,研究者也采用了不同的数学模型,通过数值模拟方法求解数学模型,可以更全面、细致地描述搅拌槽内的宏观混合过程,从模拟结果中抽取出达到一定混合均匀度所需的混合时间。