前言

混合是化學工業以及相關的過程工業等應用領域不可或缺的單元操作之一。化工生產中大多數的化學反應器是攪拌槽反應器。通過攪拌來實現混合，使反應體系達到濃度均勻、反應條件均一的理想狀態，提供化學反應所需的最佳條件，從而實現高效、低耗的新物質（產品、材料）制備過程。

化學反應涉及兩種或兩種以上反應物時，需要通過攪拌等混合手段讓反應物盡快地在反應器（宏觀）尺度上混合均勻，使分子（微觀）尺度上的化學反應得以進行。若反應物處于不同的物相（非均相體系）中，要使它們接觸和反應，體系中的混合任務又增加了一層困難。均相和非均相催化反應器中，反應物和催化劑的充分接觸也需要通過混合才能實現。即使是最簡單的單一反應物非催化反應，也要求反應物在反應器內迅速地達到均一的指定反應條件，這也要靠有效的混合技術。一些不涉及化學反應的物理加工過程也同樣需要良好的混合，例如某些均相的或非均相的添加劑要在主體材料中均勻地分散，產品才能有優越的使用性能。

化學工程中對混合的研究從19世紀末葉起，已有上百年的歷史，而且研究對象和內容十分寬廣。有均相體系的混合，如兩種可混溶液相的混合、幾種氣體的混合；有非均相體系的混合，如不互溶液體的混合（或乳化）、氣體在液相中的均勻分散、固體顆粒在流體（液體和氣體）中的均勻懸浮（分散）、不同性質（密度、顏色、顆粒大小等）的固相顆粒的均勻混合、細微液滴或固體顆粒在氣相中的分散等。實際的工業過程也會不斷提出更多的混合新課題，需要化學工程基礎和應用研究來及時加以解決。

混合設備與技術涉及面越來越寬廣，可以分為內部有運動機件的和沒有運動機件的兩大類。各種混合技術首先依賴于在設備內產生流場（速度場）的剪切，這是不同性質的物料尺度減小的直接原因。按產生的剪切強度大小，混合設備又分為高剪切和低剪切混合兩類。混合設備還必須有足夠強勁的主體（循環）流動，這是使設備內所有介質都能受到剪切、最終均一化的必要條件。這兩個因素互相影響，它們的優化耦合是獲得以合理的比能耗實現高質量混合的高效混合技術的關鍵。

化學工程學已經經歷了兩個明確界定的發展階段，即單元操作和傳遞原理，它們標志著化學工程學從經驗性方法向機理性方法的飛躍。從20世紀后半葉至今，化學工程研究已逐漸發展到能以數學模型和數值方法來定量地認識包含復雜物理和化學機理的計算化學工程的新高度。涉及混合的學術和工程問題，同樣發展到用實驗、理論分析、數學模型/數值模擬三管齊下的方式來解決的高度。首先要解決的是流動（包括固相混合的流態化）問題，涉及質量守恒、動量守恒和能量守恒的基本原理和微分方程，以及物質在一個物相內部的流動、擴散、熱量的傳導，也包括物相間在相界面上的相互作用，還要依靠固體力學、彈性力學、流體力學、材料學等學科來提供必需的本構方程。化工學科的上述新進展，即計算化學工程的出現，為混合技術發展展示了新方向，并為此提供有力的工具。

混合本身是一個單元過程，例如產品中的添加劑和輔料的均勻分散需要有效的混合才能促進產品效能提高，有利于高效地進行目標化學反應，使產品得到優良性能。另外，混合也是其它許多化工單元操作和過程機理中的一部分，它影響著諸如相間傳熱、化學沉淀生成的固相顆粒大小和粒度分布、多相體系的相界面積、相間傳質速率、均相化學反應或非均相化學反應（包括簡單反應和復雜反應體系）等。這些伴隨過程的效率可以作為混合效能的定量參考指標。因此，混合往往是和這些伴隨過程一起來研究的。例如，氣液攪拌體系的混合效率，就體現在攪拌功率減少的程度、氣液界面積、氣液體積傳質速率、氣液非均相反應反應物的轉化率和有用產物的選擇性的改善程度上。故混合和攪拌的研究對象多種多樣，內容十分廣泛。

混合與化學工程中的其它單元操作有密切的關聯。與混合概念相對立的是另外一類單元操作：分離。在化工設備中的單相和多相流動，分離和混合在不同的程度上往往同時進行。例如，在水平管道的氣液兩相流動中，如果為了保持相分布狀態的均一（例如在管道流動的同時將氣體中的某一成分溶解吸收），應該考慮加大混合的強度，否則氣泡會向上浮、合并為大氣泡，最終由較均勻的氣泡流（氣相以小氣泡的形式存在，并分散在液相中）過渡到分層流（氣體在管道上方、液相在管道下方，分層并流流動）。還有，越微量的雜質越難去除，因此往往需要先加入分離試劑或介質并混合均勻，最終實現高質量、高效率的雜質分離。因此，混合與分離始終是既對立又不可分的一對矛盾。

在攪拌槽一類的設備中，混合是攪拌的主要目的，理想化的攪拌槽即是化學反應工程中的全混流反應器。而在另一些設備（如澄清槽、旋風分離器）中混合是有害的，需要設法避免。例如在管式（塔式）反應器中，所有同時進入反應器的反應物料，應在流動中保持同步，避免先后進入反應器的物料團塊（物料在反應器內停留的時間不同，反應進度不同，使反應物和產物濃度的沿程分布也不同）發生混合，降低反應器的效能。理想化的管式反應器即化學反應工程中的活塞流反應器，此類反應器中只有平行的一維流動，流動方向上無流體混合，垂直于流動方向則混合良好，以保持平行的各流線上的狀態完全一致。因此，管式反應器中的軸向混合是不利的，而橫向混合則是有利的（例如消除溫度和濃度的橫向梯度和保持狀態均勻）。可見，在混合有害的場合，也需要對混合的狀態和強度有深入的認識，以獲得高效反應器的設計和可靠的操作策略。這也提示，混合不總是各向同性現象，它可能是各向異性的，就像在活塞流反應器和環流反應器中那樣需要各向異性的混合。

對于混合良好的攪拌槽一類設備，宏觀混合效率的指標是混合時間。而對于不需要混合的設備，也需要有指標來定量描述混合的程度。這種情況下，在管式反應器中，示蹤劑無法在出口處達到足夠程度的混合，混合時間難以定義，現在文獻中多數采用軸向返混系數來描述軸向返混的程度。在有內部循環的環流反應器中，因為能夠使示蹤劑比較充分地混合，而內部的循環比較接近于管道流動，所以軸向返混系數和混合時間都可以使用。

由于混合的首要目的是使體系達到預先設定程度的均勻性，體系達到這個目標均勻度的速度往往作為此混合手段的技術指標，以此為依據來評價各種混合技術和設計的優劣。因此本書主要論述三種實用的評價指標：宏觀混合的混合時間、微觀混合的離集指數、連續流動反應器的停留時間分布，包括它們的意義、實驗測定和數值模擬，以及在混合技術評價上的作用。本書內容也主要限于以液相為連續相的化學工程體系。以氣相為連續相的體系，還有固固相的混合和反應，在過程工業中也十分重要而廣泛，限于筆者學識未能涉及。

本書內容多數來自浩瀚的化學工程文獻積累，除了化工專業的期刊外，已經有許多專著論述了混合的方方面面，如

永田進治, 1984. 混合原理與應用(馬繼舜等譯).北京: 化學工業出版社（Nagata S, 1975. Mixing: Principles and Applications.New York：Wiley）.

哈恩貝(Harnby N）, 1991. 工業中的混合過程(俞芷青等譯).北京: 中國石化出版社.

歐舒(Oldshue JY), 1991. 流體混合技術(王英琛等譯).北京: 化學工業出版社.

吳英樺, 1993. 粘性流體混合及設備.北京：中國輕工業出版社.

Baldyga J, Bourne JR, 1999. Turbulent Mixing and Chemical Reactions.Chichester, UK:John Wiley Sons.

王凱,馮連芳, 2000. 混合設備設計.北京：機械工業出版社.

陳志平, 2004. 攪拌與混合設備設計選用手冊.北京：化學工業出版社.

Bockhorn H, Mewes D, Peukert W, Warnecke H-J, 2010. Micro and Macro Mixing, Analysis, Simulation and Numerical Calculation.Berlin Heidelberg:Springer-Verlag.

這些內容對我們認識混合原理和技術的全貌大有助益。本書部分內容來自筆者和所屬課題組同事、學生的工作，以及筆者對現有混合與攪拌研究思考中油然而生的困惑和心得。希望本書對從事化學工程研究和工程應用的科技人員有所裨益。在本書著述過程中深切感受到，雖然混合僅是化學工程學的一個分支，但其應用寬廣、內涵深厚。筆者在此中溫故而知新，增長了許多新知識。然而精通不易，書中不妥之處和錯誤在所難免，懇請方家不吝指出。

毛在砂，楊超

2020年2月識于北京中關村