1.1.2　單元操作中的混合

混合的目的是降低體系內部的不均勻性,盡快地達到混合均勻,得到制備產品的合格原料,或減小傳遞過程的阻力以提高設備的傳熱、傳質效率,或促進化學反應的進行。因此,提高混合效率對于化工過程設備的設計優化以及節能降耗具有重要的意義。在工業領域的化工單元操作中,混合都能起到重要甚至關鍵的作用:

(1)多相流輸送　若固相顆粒在輸送管道和輸送設備中沉積,會縮小管道有效截面積,增大輸送阻力,甚至使輸送中斷;若固相在液相中分散不夠均勻,則不能將兩相輸送按指定的比例輸送,使下步工藝無法進行。如果工藝要求兩不互溶液相按比例輸送,也需要在長距離輸送中,兩液相有適當強度的混合作為保證。在原油輸送時,一般先將大量的水預先分離出去,含水量低到一定程度后,有足夠強度的混合作保證,就能實現原油的穩定輸送,不至于在輸送過程中有水析出分層,以至于輸送過程不穩定。

(2)傳熱　需要在冷卻傳熱面附近的流體,能與距傳熱面較遠處的熱流體交換(混合),使全部進入換熱器的熱流體都能冷卻。流體的混合實際上提高了跨壁面的傳熱溫差,提高了冷卻設備的傳熱效率。

(3)蒸發　蒸發器分兩類。直流式降膜蒸發器等,不刻意追求液膜內部的混合;循環式蒸發器,內部用循環混合來保持內部溫度和濃度均勻,使跨傳熱面的溫差最大。

(4)結晶　情況大致與蒸發相同,多數要求內部混合良好。結晶涉及成核和生長兩個最重要的步驟,它們的速率都與過飽和度有關,成核動力學對過飽和度的級數比生長動力學中的級數高得多。因此,混合好,則過飽和度小且分布較均勻,故成核速率小,可得到粒度大的晶粒;反之,則晶粒平均粒度小。

(5)傳質　流體相內部的傳質主要依賴于物相內部濃度梯度推動的分子擴散傳質,但混合、攪拌形成的對流和湍流,也減小流體團塊離集的尺度,大大增強傳質的速率。而兩相間通過相界面的傳質速率主要受界面處濃度邊界層厚度的影響,混合能減小邊界層的厚度,增大傳質速率。

(6)精餾　這是蒸氣與液相在沸點下的逆流傳質操作。因為逆流,所以多采用串聯多級式設備,追求兩相各自的流動無軸向返混,但希望在垂直于軸向流動的方向上混合良好,以提高傳質設備的總效率。這與管式反應器的情況類似,要在軸向流動方向上混合極小化的條件下實現良好的橫向混合,這無疑是有相當難度的工程課題。

(7)吸收　吸收是氣液相傳質操作,一般也是氣液相逆流流動,因此也希望在設備中有橫向混合,無軸向混合。

(8)膜分離　膜分離設備的膜兩側多是層流的逆向流動,也是希望軸向無混合、橫向混合好(傳質濃度梯度大)的技術難題。通常流道的尺度很小,橫向混合確實很難。

(9)萃取　操作涉及液滴與不互溶的連續相液相間的傳質。混合可以提高界面傳質的推動力(界面處的濃度梯度),有利于傳質。混合使分散的液滴均勻分布于連續相中,有效地利用萃取設備體積;高強度混合的流體力學環境也是使分散相液滴直徑減小、獲得高傳質相界面積的有利因素。

(10)浸取　固相中某物質浸出的速度與液固相界面上液相側的濃度梯度成正比;若混合好,則固體浸出物在液相主體中的濃度低,有利于從固體表面向液相主體的傳質。不論固相內部的傳質阻力是否存在都是如此。

(11)吸附　固體吸附劑與流動氣相或液相間的傳質操作。同樣需要流動相內部的良好混合。