第1章 混合概述

1.1　过程工业中的混合

1.1.1　化学反应器中的混合

混合(包括较窄意义上的搅拌)在化学工业乃至过程工业中是不可或缺的工序。化工流程中的单元操作,以及化工手册中列举的工艺过程,多数都涉及混合问题。

例如,化学反应过程在反应器中进行,如果是单一反应物的分解或聚合,需要将进入反应器的物料的状态迅速提升到指定的条件(如温度、光照、超声场),并使其状态或受到的作用均匀,这样反应条件可控,满足设计要求,反应器生产效率可达到最佳。

如果是仅仅升高到指定的高温即能满意地进行反应,则需要使进入的反应物流与加热壁面接触而后离开,即与温度较低的物料交换位置,充分发挥加热面的效率。这实际上就是冷、热流体间的混合,不仅要求有沿加热壁面的轴向流动,而且也要求与轴向流动垂直方向上的流体间混合;在物料沿设备轴向流动中流体混合还达不到要求时,反应器内需要形成整体循环来加强冷热流体间的混合,达到要求的温度均匀程度,使化学反应在要求的温度下可靠并高效地进行[图1.1(a)]。

如果是光化学反应,则三维的反应器内各处受到的光强不同:光源表面的亮度可能不均匀、光源射出的各束光线的光路长度也不同,因而反应物系对光的吸收和衰减不同,加之体系中各流体微元的运动速度不同,受照射的时间长短不一,这些都使光化学反应的局部反应速率不同[图1.1(b)];为了反应器的高效运行,也需要施加混合,使反应物得到均匀的光照量,进而获得到大体相同的反应速率。

在外加物理场(电场、声场等)促进反应时,场强在反应器内的分布一般不均匀[图1.1(c)],为使同时进入反应器的各反应物团块的反应进度相同,施加外场方式和强度适当的混合也是工程设计必须考虑的因素。

图1.1　简单反应的反应器中的混合问题

如果是单一反应物的催化反应,按催化剂存在的物相分为两类。第一类是均相催化反应,即催化剂能与反应物所处的物相混溶,那么反应物和催化剂这两股流束必须在进入反应器后迅速混合,使催化剂早早发挥作用,以得到反应器的最大体积利用率,混合将起到关键的作用。第二类是非均相催化反应,又分几种情况:不混溶的液相催化剂,这涉及反应器中一个液相在另外一个液相中分散为大小均匀的液滴,并均匀分散;颗粒状催化剂在流动反应物液相中的分散和均匀分布,即液固相悬浮与混合;催化剂固定在微细流动管道的壁面上,或催化剂颗粒堆积成的固定床。也有促进催化剂表面处流体与远处流体中反应物的交换(即混合)的问题。

如果是多种反应物进行的均相反应,在化学反应发生前,反应物必须通过宏观混合使含有不同反应物的流体团块互相接近、减少离集(互相隔离的状态)的尺度,为接着进行的分子扩散提供条件,最终达到分子尺度上的均匀混合(术语称微观混合)。若是反应物处于不同物相的非均相反应,仍然需要先达到宏观尺度的混合,使每一个液滴或气泡或固体颗粒的周围有合乎比例的反应物,则非均相反应在反应器内各处均能高效地进行。此时化学反应速率取决于相界面积的大小,颗粒(包括液滴、气泡)越小,分子扩散越容易,反应速率也越快。

如果反应体系有复杂竞争反应,则有关键反应物的转化率和目的产物的选择性的问题,混合问题影响更复杂,其结果会表现得更加丰富多彩。