第3章?宏觀混合的實(shí)驗(yàn)研究

3.1　混合的特征指標(biāo)

混合是過(guò)程工業(yè)中的重要單元操作。許多單元過(guò)程中的混合僅涉及物理過(guò)程,使被處理物料的組成、性質(zhì)均勻化,其中也包括溫度、反應(yīng)物濃度、介質(zhì)黏度等體系特性。而在化學(xué)反應(yīng)器中,物理混合過(guò)程則與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程同時(shí)耦合進(jìn)行,此時(shí)混合往往對(duì)化學(xué)反應(yīng)的速率和復(fù)雜反應(yīng)體系的選擇性有極大的影響,因此對(duì)化學(xué)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力和效率有很直接的關(guān)系。第一,要參與化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)或多個(gè)組分必需混合到分子水平的接觸才能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),混合的快慢直接涉及反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。第二,有復(fù)雜反應(yīng)(主反應(yīng)和副反應(yīng)并存)時(shí),混合決定了參與反應(yīng)的反應(yīng)物在反應(yīng)區(qū)中局部濃度的高低,這直接影響對(duì)主產(chǎn)物的選擇性,恰當(dāng)?shù)幕旌喜僮髂鼙ＷC反應(yīng)過(guò)程的高效率(高經(jīng)濟(jì)效益、低原料消耗)。因此,深入研究化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的混合過(guò)程對(duì)于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大具有重要學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值(Harnby N,1985)。

早期關(guān)于反應(yīng)器效能的研究(MacDonald RW,1951)指出,混合時(shí)間應(yīng)該小于反應(yīng)器中原料平均停留時(shí)間的5%,才能保證產(chǎn)品的平均組成的隨機(jī)偏差低于5%。這就是混合效率和反應(yīng)器效能間的關(guān)系:混合效率高,則物料組成均勻性好,反應(yīng)可以在全反應(yīng)器中高效進(jìn)行,產(chǎn)品質(zhì)量也均勻,且容易控制。雖然反應(yīng)器混合效能與反應(yīng)器反應(yīng)性能間關(guān)系的定量規(guī)律尚無(wú)公認(rèn)的結(jié)果,但定性上反應(yīng)器混合效能與反應(yīng)器的反應(yīng)效率是正相關(guān)的。

反應(yīng)器中的混合過(guò)程一般包括主體對(duì)流擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散三種擴(kuò)散機(jī)理的綜合作用,其作用的空間尺度依次減少。主體對(duì)流擴(kuò)散把物料的較大團(tuán)塊輸送到反應(yīng)器各處,主體流動(dòng)中的剪切和渦旋起到縮小團(tuán)塊和分散的作用;渦流擴(kuò)散是指湍流流場(chǎng)中的渦團(tuán)進(jìn)一步將不同性質(zhì)的團(tuán)塊分割和混合,使團(tuán)塊的尺度不斷減小,并在流場(chǎng)中分散得更均勻。但是最小的渦團(tuán)(Kolmogorov尺度的渦團(tuán))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(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了研究問(wèn)題的方便,一般將混合分解為宏觀混合和微觀混合兩個(gè)過(guò)程。宏觀混合過(guò)程指反應(yīng)器尺度上的宏觀均勻化過(guò)程,包括主體對(duì)流擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散兩種機(jī)理。微觀混合過(guò)程則指分子尺度上的均勻化過(guò)程,只有分子擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)微觀混合。宏觀混合能大大增加不同性質(zhì)的團(tuán)塊間分子擴(kuò)散的界面積,減少了分子擴(kuò)散的距離,因此提高了微觀混合的速度。有的研究將渦流擴(kuò)散過(guò)程稱為“介觀混合”,從宏觀混合中分離出來(lái),這種觀點(diǎn)和研究方法并未被普遍接受,研究報(bào)道也少。

宏觀混合過(guò)程的研究主要是采用實(shí)驗(yàn)方法。混合的質(zhì)量和速度需要用定量的指標(biāo)來(lái)判斷。最常用的指標(biāo)是混合時(shí)間(毛在砂,2015),即達(dá)到一定程度的宏觀均勻度所需要的時(shí)間。對(duì)于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器,也采用停留時(shí)間分布(Zhang TW,2005)來(lái)表示反應(yīng)器內(nèi)液體的混合特性,這將在第5章中詳細(xì)討論。宏觀混合也可用軸向分散系數(shù)來(lái)定量其強(qiáng)度,Liu ML(2008)在研究外環(huán)流反應(yīng)器中的混合時(shí)做過(guò)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(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)描述混合的均勻程度。此外,研究者也采用了不同的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)數(shù)值模擬方法求解數(shù)學(xué)模型,可以更全面、細(xì)致地描述攪拌槽內(nèi)的宏觀混合過(guò)程,從模擬結(jié)果中抽取出達(dá)到一定混合均勻度所需的混合時(shí)間。