2.4.5　微觀混合的基本理念

化工設備中的微觀混合,最終是依賴分子擴散來實現的。當宏觀混合接近完成,不同性質的物料的分隔尺度很小時,微觀混合才能以可觀的速率發生。嚴格地說,微觀混合是與宏觀混合同時進行的,只是在宏觀混合開始、分隔尺度大時,微觀混合僅在團塊的界面發生,而此時單位體積的界面積(比界面積,m2/m3)很小,因而微觀混合的速率可以忽略不計。隨著離集(分隔)尺度S的減小,比界面積a成反比例地減小(a∝S-1),微觀混合也相應加速。

按Fick第一定律

J=DΔc(2.23)

傳質速率通量J也與濃度梯度成正比,而濃度梯度Δc與離集尺度S成反比,因此J與S-1成正比。而傳質團塊間的比界面積(單位體積中的接觸面積)也與S的1次方至3次方成正比(取決于離集尺度S在幾個維度上減小),與反應器中的S數值及其空間分布緊密相關。化學反應器中的微觀混合能力埋藏于整個流場之中,可以用單位設備體積中的傳質速率來表示[mol/(m3·s)],或以全設備體積中的傳質速率來表示(mol/s)。

化學反應器中物料混合到分子尺度后化學反應才能進行。對于慢反應,其反應特征時間(例如t_reac~k?-1,k為一級化學反應速率常數)大大長于宏觀混合時間t_Mac和微觀混合時間t_mic,則反應流體有足夠的時間來達到分子尺度上的混合,化學反應基本上按照本征反應動力學表述的規律來進行。但對快反應,通常是t_reac ?t_mic?t_Mac,在宏觀混合進行的同時,微觀混合也逐漸加快,但化學反應的速率基本上決定于微觀混合的速率。因此,充分利用全反應器的微觀混合能力是決定反應器反應能力的最直接的因素,這就要求利用反應器中每一處體積的微觀混合能力。

微觀混合時間t_mic與傳質速率J成反比,這兩個參數也有全局平均值以及隨時間、空間變化的局部值。J的影響因素也是微觀混合時間局部值的影響因素,但其中的離集尺度不易測定,因此文獻中提出一些近似估計的方法。例如,湍流的強度越大,產生的渦團越小,因此傳質快。基于此思路提出的估計式的例子如Geisler(1991)的

t_mic≈50ln(2.24)

和Hughes(1957)的

t_mic=(2.25)

式中,ν為流體的運動黏度;D_m為混合物系中某溶質的分子擴散系數;ε_loc為湍流能量耗散率的局部值。

因此,反應器加料方式的第一考慮就是要選在微觀混合最好、湍流能耗最強的地方(圖2.8中a點)。但將全部物料加在一個點上,新加的物料量大,物料團塊的尺度勢必不能很快減小,反倒有猝滅此處湍流的可能。因此,第二考慮是將物料分散加在湍流能耗強的更多地點(圖2.8中b點)。原則是要積分式地充分利用反應器的微觀混合能力。所加物料在反應耗盡前的整個路徑,均應在強湍流區內,以充分利用反應器的微觀混合能力,所以物料也可以加在最強能耗點的上游(圖2.8中c點),雖然加料的起點不是微觀混合最好點,但物料在隨后運動中受到漸增的強湍流,可能積分總效果會最好。將物料以單噴嘴的方式加在液面和壁面是最差的設計(圖2.8中d點)。對管式反應器,關鍵組分A(例如需要轉化率高的反應物)在入口全部加入,往往不是最好的策略[圖2.9(a)和(c)]。空管反應器中的流動和湍流有徑向分布,管壁處的剪切最大,靠中心處湍流強,優化的加料方式應對流體力學和反應本征動力學做綜合考慮[圖2.9(b)和(d)]。物料分布器的優化設計,需要有科學的化學工程理念,也需要化學工程實踐的經驗積累。

微觀混合在宏觀混合得到的流場和濃度場的基礎上來發揮作用,因此宏觀混合必須精心設計,需要注意加料點附近的能量耗散速率要大,全槽的能耗密度不必十分均勻,但整體循環性良好,等等。