2.5　混合研究的發展趨勢

改進現有的混合與攪拌技術、開發新的高效混合技術,是化學工程學術和應用研究的重要課題。

和化學工程學的研究進展的總趨勢一樣,混合問題的研究也是從最初的實驗研究開始。之后在化學工程原理的指導下,借助數學、物理、力學的理論和實用技術的進步,對混合涉及的物理和化學現象進行機理性的分析,對實驗現象和數據的處理和總結,也逐漸從經驗性的歸納過渡到以半機理和機理性數學模型為主要方法的新階段,基于數學模型的數值模擬技術得到了越來越多的應用。

實驗探索和理論分析表明,混合過程涉及許多物理機理,包括流體流動、流場剪切、機械剪切、拉伸、折疊、湍流等,其中剪切和湍流起到很大的作用。湍流中有很多尺度大小不同、運動速度不同、渦度強弱不同的渦團,這些渦團間的隨機性相對運動,也造成小尺度上的對流、剪切、折疊等。所有這些機理,使需要混合的物料的離集尺度逐漸減小到湍流的Kolmogorov尺度,即達到了宏觀尺度上的均勻。此后,再將離集尺度減小到分子尺度,使化學反應有條件進行,則主要依靠分子擴散,這就是微觀混合過程。微觀混合是各種類型的化學反應器能操作的必需條件,而宏觀混合則能為微觀混合提供最有利的環境。因此,對化學反應器中的混合過程的研究,可以劃分為宏觀混合和微觀混合兩個階段來進行。雖然在宏觀混合進行的同時,微觀混合也在緩慢但逐漸加快地進行;但直到宏觀混合接近終了,微觀混合才充分發揮其潛能。對一些快速反應,如沉淀反應體系、快速的競爭反應體系等,反應進程和最終產物的性質和分布都受微觀混合狀態的影響,尤其需要對微觀混合的精確和定量的理解。

混合設備中的流體力學狀態是其內部混合過程的主導因素,它對混合過程的影響大小與流場的宏觀平均特征,以及流場的小尺度特征,有直接、定量的關系。宏觀特征包括混合時間、功耗(比功耗、比能耗、能耗密度)、排出流量、循環流量、離集尺度、離集強度等,而微觀混合特征包括微觀混合時間、局部Kolmogorov尺度、Batchelor尺度、湍流渦團壽命、湍流特征頻率、湍流脈動速度等。通過這些特征量,才有可能將混合設備的操作性能與設備的幾何和操作條件等科學地關聯起來,達到實現可持續發展的化學工業生產的目的。化學反應工程學要借鑒、吸收相關物理科學的研究成果,用于認識化學反應器和其它混合設備內的物理機理,建立相應的數學模型,以便正確設計混合設備,滿足化學工藝的需要,并且有低能耗、可持續發展性的優點。

隨著計算機性能的不斷提高,以及在湍流模型和計算方法等方面的發展,計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)技術已經開始用于研究攪拌、混合設備中的物理和化學反應過程。采用CFD技術可以比較方便地對新型設備、變化的操作狀況進行數值模擬研究,這種方法在研究大型工業設備上更具有時間和物力方面的經濟性。與傳統的理論分析和實驗研究有機地結合,優勢互補,不僅是研究混合問題的必由蹊徑,也是整個化學工程學的學術、應用研究的坦途。

以流體力學、傳遞原理的基本微分方程和化學反應的本征動力學來構成數學模型,不借助任何物理和數學模型的簡化,這是化學工程理論研究最理想的出發點。但這樣的模型無法得到解析解,只好求助于數值解。以目前的計算機軟件和硬件的技術,還不能以極小的空間尺度和時間尺度,來解析化學反應器和混合設備中的全部物理和化學過程的細節。現在可以毫米級的分辨率,用數值模擬來做工業尺度反應器的定量分析,但微觀混合發生在更小的尺度上,不能從數值解中得到尺度更小的局部微觀混合現象。因此,仍然需要微觀混合的模型或關聯式,以描述微小尺度的現象和速率,作為源項,輸入宏觀反應器尺度上的數值模擬程序中。也就是說,多尺度數值模擬和尺度間的耦合仍然是今后若干年無法避免的工作。實用設備中混合,就宏觀混合而言,流場模擬需要網格空間尺度小到湍流的Kolmogorov尺度以下,時間尺度要小到毫秒尺度以下;濃度場的模擬需要網格空間尺度小到湍流中Batchelor尺度以下,時間尺度要小到微秒尺度以下。亞網格的湍流因素和微觀混合為主的傳遞過程就只能用數學模型來表達。這方面還有很多模型化的任務留給我們來解決。