第3章?宏觀混合的實驗研究

3.1　混合的特征指標

混合是過程工業中的重要單元操作。許多單元過程中的混合僅涉及物理過程,使被處理物料的組成、性質均勻化,其中也包括溫度、反應物濃度、介質黏度等體系特性。而在化學反應器中,物理混合過程則與化學反應過程同時耦合進行,此時混合往往對化學反應的速率和復雜反應體系的選擇性有極大的影響,因此對化學反應器的生產能力和效率有很直接的關系。第一,要參與化學反應的兩個或多個組分必需混合到分子水平的接觸才能進行化學反應,混合的快慢直接涉及反應器的生產能力。第二,有復雜反應(主反應和副反應并存)時,混合決定了參與反應的反應物在反應區中局部濃度的高低,這直接影響對主產物的選擇性,恰當的混合操作能保證反應過程的高效率(高經濟效益、低原料消耗)。因此,深入研究化學反應器內的混合過程對于反應器的設計、優化和放大具有重要學術意義和工程應用價值(Harnby N,1985)。

早期關于反應器效能的研究(MacDonald RW,1951)指出,混合時間應該小于反應器中原料平均停留時間的5%,才能保證產品的平均組成的隨機偏差低于5%。這就是混合效率和反應器效能間的關系:混合效率高,則物料組成均勻性好,反應可以在全反應器中高效進行,產品質量也均勻,且容易控制。雖然反應器混合效能與反應器反應性能間關系的定量規律尚無公認的結果,但定性上反應器混合效能與反應器的反應效率是正相關的。

反應器中的混合過程一般包括主體對流擴散、渦流擴散和分子擴散三種擴散機理的綜合作用,其作用的空間尺度依次減少。主體對流擴散把物料的較大團塊輸送到反應器各處,主體流動中的剪切和渦旋起到縮小團塊和分散的作用;渦流擴散是指湍流流場中的渦團進一步將不同性質的團塊分割和混合,使團塊的尺度不斷減小,并在流場中分散得更均勻。但是最小的渦團(Kolmogorov尺度的渦團)也比分子大得多,分子尺度上的均勻混合只能最終依靠分子擴散來實現。

為了研究問題的方便,一般將混合分解為宏觀混合和微觀混合兩個過程。宏觀混合過程指反應器尺度上的宏觀均勻化過程,包括主體對流擴散和渦流擴散兩種機理。微觀混合過程則指分子尺度上的均勻化過程,只有分子擴散才能實現微觀混合。宏觀混合能大大增加不同性質的團塊間分子擴散的界面積,減少了分子擴散的距離,因此提高了微觀混合的速度。有的研究將渦流擴散過程稱為“介觀混合”,從宏觀混合中分離出來,這種觀點和研究方法并未被普遍接受,研究報道也少。

宏觀混合過程的研究主要是采用實驗方法。混合的質量和速度需要用定量的指標來判斷。最常用的指標是混合時間(毛在砂,2015),即達到一定程度的宏觀均勻度所需要的時間。對于連續流動反應器,也采用停留時間分布(Zhang TW,2005)來表示反應器內液體的混合特性,這將在第5章中詳細討論。宏觀混合也可用軸向分散系數來定量其強度,Liu ML(2008)在研究外環流反應器中的混合時做過這樣的探索。歷史上更早的研究者(Danckwerts PV,1952)曾提出用離集尺度和離集強度兩個指標來描述混合的均勻程度。此外,研究者也采用了不同的數學模型,通過數值模擬方法求解數學模型,可以更全面、細致地描述攪拌槽內的宏觀混合過程,從模擬結果中抽取出達到一定混合均勻度所需的混合時間。