第1章?混合概述

1.1　過程工業(yè)中的混合

1.1.1　化學(xué)反應(yīng)器中的混合

混合(包括較窄意義上的攪拌)在化學(xué)工業(yè)乃至過程工業(yè)中是不可或缺的工序。化工流程中的單元操作,以及化工手冊中列舉的工藝過程,多數(shù)都涉及混合問題。

例如,化學(xué)反應(yīng)過程在反應(yīng)器中進(jìn)行,如果是單一反應(yīng)物的分解或聚合,需要將進(jìn)入反應(yīng)器的物料的狀態(tài)迅速提升到指定的條件(如溫度、光照、超聲場),并使其狀態(tài)或受到的作用均勻,這樣反應(yīng)條件可控,滿足設(shè)計要求,反應(yīng)器生產(chǎn)效率可達(dá)到最佳。

如果是僅僅升高到指定的高溫即能滿意地進(jìn)行反應(yīng),則需要使進(jìn)入的反應(yīng)物流與加熱壁面接觸而后離開,即與溫度較低的物料交換位置,充分發(fā)揮加熱面的效率。這實際上就是冷、熱流體間的混合,不僅要求有沿加熱壁面的軸向流動,而且也要求與軸向流動垂直方向上的流體間混合;在物料沿設(shè)備軸向流動中流體混合還達(dá)不到要求時,反應(yīng)器內(nèi)需要形成整體循環(huán)來加強冷熱流體間的混合,達(dá)到要求的溫度均勻程度,使化學(xué)反應(yīng)在要求的溫度下可靠并高效地進(jìn)行[圖1.1(a)]。

如果是光化學(xué)反應(yīng),則三維的反應(yīng)器內(nèi)各處受到的光強不同:光源表面的亮度可能不均勻、光源射出的各束光線的光路長度也不同,因而反應(yīng)物系對光的吸收和衰減不同,加之體系中各流體微元的運動速度不同,受照射的時間長短不一,這些都使光化學(xué)反應(yīng)的局部反應(yīng)速率不同[圖1.1(b)];為了反應(yīng)器的高效運行,也需要施加混合,使反應(yīng)物得到均勻的光照量,進(jìn)而獲得到大體相同的反應(yīng)速率。

在外加物理場(電場、聲場等)促進(jìn)反應(yīng)時,場強在反應(yīng)器內(nèi)的分布一般不均勻[圖1.1(c)],為使同時進(jìn)入反應(yīng)器的各反應(yīng)物團(tuán)塊的反應(yīng)進(jìn)度相同,施加外場方式和強度適當(dāng)?shù)幕旌弦彩枪こ淘O(shè)計必須考慮的因素。

圖1.1　簡單反應(yīng)的反應(yīng)器中的混合問題

如果是單一反應(yīng)物的催化反應(yīng),按催化劑存在的物相分為兩類。第一類是均相催化反應(yīng),即催化劑能與反應(yīng)物所處的物相混溶,那么反應(yīng)物和催化劑這兩股流束必須在進(jìn)入反應(yīng)器后迅速混合,使催化劑早早發(fā)揮作用,以得到反應(yīng)器的最大體積利用率,混合將起到關(guān)鍵的作用。第二類是非均相催化反應(yīng),又分幾種情況:不混溶的液相催化劑,這涉及反應(yīng)器中一個液相在另外一個液相中分散為大小均勻的液滴,并均勻分散;顆粒狀催化劑在流動反應(yīng)物液相中的分散和均勻分布,即液固相懸浮與混合;催化劑固定在微細(xì)流動管道的壁面上,或催化劑顆粒堆積成的固定床。也有促進(jìn)催化劑表面處流體與遠(yuǎn)處流體中反應(yīng)物的交換(即混合)的問題。

如果是多種反應(yīng)物進(jìn)行的均相反應(yīng),在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生前,反應(yīng)物必須通過宏觀混合使含有不同反應(yīng)物的流體團(tuán)塊互相接近、減少離集(互相隔離的狀態(tài))的尺度,為接著進(jìn)行的分子擴(kuò)散提供條件,最終達(dá)到分子尺度上的均勻混合(術(shù)語稱微觀混合)。若是反應(yīng)物處于不同物相的非均相反應(yīng),仍然需要先達(dá)到宏觀尺度的混合,使每一個液滴或氣泡或固體顆粒的周圍有合乎比例的反應(yīng)物,則非均相反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)各處均能高效地進(jìn)行。此時化學(xué)反應(yīng)速率取決于相界面積的大小,顆粒(包括液滴、氣泡)越小,分子擴(kuò)散越容易,反應(yīng)速率也越快。

如果反應(yīng)體系有復(fù)雜競爭反應(yīng),則有關(guān)鍵反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和目的產(chǎn)物的選擇性的問題,混合問題影響更復(fù)雜,其結(jié)果會表現(xiàn)得更加豐富多彩。