2.1.4　宏觀混合的基本理念

化工設備中物料(和物理、化學性質)的混合,是將不同質的物質互相接近的尺度減小到指定的數值。實現流體混合的機理主要有:切割、相對運動、擴散。首先要將每種流體切割,才能將分隔的尺度減小,最終實現混合。其次,相對運動將不同性質的流體團塊輸送到不同位置,與不同性質的團塊接觸,形成進一步混合(下一次切割、分子尺度的擴散)的條件。最終,分子擴散使不同質的流體達到分子水平上的均勻化。而交換位置需要依靠流體的對流,或固體的運動(包括轉動)。因此,混合依賴的機理至少包括流動(輸運)和分割。不斷反復的分割和輸運,最終使宏觀混合得以實現。

(1)切割　只能依靠機械才能實現嚴格意義上的流體切割。例如,帶孔的攪拌槳在運動時,推動一部分流體向前運動,而讓另一部分流體穿過,使這兩部分流體間出現了相對運動。從流體分布器孔口流出的流體,以明顯的流速穿過環境流體,也可視為被分割出來的流體。在湍流中隨機地產生許多尺度大小不同的渦團,在流場中不規則地隨機運動,因而渦團發生相對于環境流體的運動,也是對環境的一種切割。穩定的層流流動的速度場是連續的,不出現切割現象;但非穩態的層流中,尤其在流線彎曲、洄流處,流體的慣性有機會表現出短暫的局部不穩定運動,產生類似于切割的作用。

(2)相對運動　被分割出來的團塊,被流場中不同速度的對流作用輸送到新的環境,與不同質的團塊相鄰,得到進一步混合的機會:或者是與相鄰團塊一起被再次切割,使分隔的尺度減小,或者在界面發生分子擴散,部分地微觀混合。湍流中渦團運動,作不規則的隨機運動,是比反應器內主體流動尺度更小的相對運動。

(3)分子擴散　這是混合的最后一步,宏觀混合的流體必須通過跨越團塊間界面的分子擴散,才能真正實現完全的混合,即分子尺度上的均一化。切割和相對運動是流體離集的尺度減小到湍流Kolmogorov尺度,為分子擴散創造了高速進行的條件。

以上3個因素,是局部完成混合的必要條件,但要在反應器全容積中實現混合,需要反應器內的對流流動有整體性,即流體流動應覆蓋攪拌設備的全部容積,沒有死區,使反應器內各處都能用于處理進入設備的新鮮物料,而且在各處混合能力分布更均勻,使設備能發揮最大的化學反應生產效率。例如,反應器內僅有一個主體循環,可以縮短混合所需的時間;若同時存在一個以上的主體循環,則因為循環之間的對流、切割交換作用較弱,使混合時間變長。若一個攪拌機械不足以產生整體性良好的循環,則需要在整個設備內分散式地布置攪拌機械;但在設備內多處設置攪拌器和分布器,也增大設備設計的難度和制造成本,是必須考慮的不利方面。

有的研究采納流動的遍歷性的概念,即一個可辨認的流體微團,或一個跟隨性很好的示蹤顆粒,是否能在有限的時間段里經歷混合設備內的所有空間點。這是與流場整體性略微不同的兩個概念。這兩個概念在反應器內混合問題上如何定量地表達,它們的規律和應用的異同,也值得深入地分析。

有利于混合的一個重要因素是流場的剪切,一般流體混合設備中都有由機械推動的強剪切作用,但它不是推動混合的直接因素,因為它不直接分割流體,也不促進分子擴散。但在容許變形的剪切流場中(遠離固壁的限制),剪切使體團塊變形,在一個空間維度上壓縮,而在另一個維度上拉伸,即流層變薄,有利于隨后可能發生的切割和相對運動,也有利于分子擴散加速,所以也間接促進了混合。在機械切割的同時,團塊的邊沿也同時出現剪切和擴散。因此,剪切是與切割共生的。強剪切也是湍流發生的原動力,渦團運動對流體混合產生直接、有利的影響。很多研究以剪切為起點,這似乎有些不妥。

“混沌混合”是20世紀末化學工程中混合研究的一個熱點。混沌的發生有利于流體中的混合,在理論上是嚴密的結論。但在應用上,所觀察的現象和效果是否真的就是由于混沌現象,其結論缺乏堅實的基礎。混沌現象的典型例子是“蝴蝶效應”,然而在地球上的實際過程,則從蝴蝶扇動翅膀的那一刻起,就受到其傳播路徑上的大大小小隨機、無因果關系的干擾,以至于之后的發展是由于蝴蝶的原始扇翅,還是后來的干擾因素的總和,卻變得越來越模糊了。實際過程中的混沌混合也有類似的不確定性干擾。從混沌混合研究中還是得出了很多有用的知識和實用的混合技術,依然是對化工技術進步的重要貢獻。

化工設備混合的能力和效率,也取決于上述3個因素的強度、其空間分布、各因素的能量效率,以及過程的非穩態特性。這些因素需要用準確的數學模型來表達,針對具體的體系、幾何構型、操作條件、操作制度來數值求解,然后從離散的時間和空間的海量數據中,抽提出合理、有明確化學工程意義的定量指標,來評價對象混合過程并對其進行優化。這似乎還有很長的路要走。