第1章?混合概述

1.1　過程工業中的混合

1.1.1　化學反應器中的混合

混合(包括較窄意義上的攪拌)在化學工業乃至過程工業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,多數都涉及混合問題。

例如,化學反應過程在反應器中進行,如果是單一反應物的分解或聚合,需要將進入反應器的物料的狀態迅速提升到指定的條件(如溫度、光照、超聲場),并使其狀態或受到的作用均勻,這樣反應條件可控,滿足設計要求,反應器生產效率可達到最佳。

如果是僅僅升高到指定的高溫即能滿意地進行反應,則需要使進入的反應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;在物料沿設備軸向流動中流體混合還達不到要求時,反應器內需要形成整體循環來加強冷熱流體間的混合,達到要求的溫度均勻程度,使化學反應在要求的溫度下可靠并高效地進行[圖1.1(a)]。

如果是光化學反應,則三維的反應器內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,這些都使光化學反應的局部反應速率不同[圖1.1(b)];為了反應器的高效運行,也需要施加混合,使反應物得到均勻的光照量,進而獲得到大體相同的反應速率。

在外加物理場(電場、聲場等)促進反應時,場強在反應器內的分布一般不均勻[圖1.1(c)],為使同時進入反應器的各反應物團塊的反應進度相同,施加外場方式和強度適當的混合也是工程設計必須考慮的因素。

圖1.1　簡單反應的反應器中的混合問題

如果是單一反應物的催化反應,按催化劑存在的物相分為兩類。第一類是均相催化反應,即催化劑能與反應物所處的物相混溶,那么反應物和催化劑這兩股流束必須在進入反應器后迅速混合,使催化劑早早發揮作用,以得到反應器的最大體積利用率,混合將起到關鍵的作用。第二類是非均相催化反應,又分幾種情況:不混溶的液相催化劑,這涉及反應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。也有促進催化劑表面處流體與遠處流體中反應物的交換(即混合)的問題。

如果是多種反應物進行的均相反應,在化學反應發生前,反應物必須通過宏觀混合使含有不同反應物的流體團塊互相接近、減少離集(互相隔離的狀態)的尺度,為接著進行的分子擴散提供條件,最終達到分子尺度上的均勻混合(術語稱微觀混合)。若是反應物處于不同物相的非均相反應,仍然需要先達到宏觀尺度的混合,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物,則非均相反應在反應器內各處均能高效地進行。此時化學反應速率取決于相界面積的大小,顆粒(包括液滴、氣泡)越小,分子擴散越容易,反應速率也越快。

如果反應體系有復雜競爭反應,則有關鍵反應物的轉化率和目的產物的選擇性的問題,混合問題影響更復雜,其結果會表現得更加豐富多彩。