1.1.3　均相混合與非均相混合

按混合涉及的物相和用途來區(qū)分,可以分為均相混合和非均相混合兩大類。

1.1.3.1　均相混合

(1)液?液(互溶)混合　兩股水溶液各含一種反應(yīng)物在反應(yīng)器中進行反應(yīng)是典型實例,不僅要求反應(yīng)物在物理性質(zhì)上的混合均勻(宏觀混合)到很小的尺度,而且要求達到分子尺度上的混合(微觀混合)以利化學(xué)反應(yīng);但沒有化學(xué)反應(yīng)的要求時,則只要求物理性質(zhì)上均一化的宏觀混合,如為紡織品染整配制溶液等。這實際上是性質(zhì)不同的同一流體間的均一化。

(2)氣?氣混合　工業(yè)上氣相單體溶解于液相介質(zhì),或以氣泡形式進入液相,聚合為高分子化合物。為了調(diào)整產(chǎn)品性能,聚合到一定程度時需要加入另一種氣相單體。這時就需要兩種氣體的迅速混合,以要求的比例進入液相介質(zhì)。

1.1.3.2　非均相混合

(1)液?固混合　固相催化劑顆粒的懸浮,有利于反應(yīng)物的傳質(zhì)和發(fā)揮催化劑的作用;配制組成均勻的液固懸浮體系,作為下步工序的原料輸入,或輸送液?固兩相時能保持要求的配比;把可溶解的固體顆粒懸浮于液相中,加快溶解速度。

(2)氣?液混合　使氣體在液相中以小氣泡的形式分散,增大氣液接觸面積和傳質(zhì)速率,加快氣體的溶解、吸收,或與液相中的反應(yīng)物進行化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)氣泡被分散到10μm量級時,氣泡的終端速度很小,氣?液分散系的穩(wěn)定性很好,有利于進一步的工藝操作。

(3)液?液(不互溶)混合　將一個液相分散為細小液滴并均勻分散在另一液相中,例如生產(chǎn)乳化燃油,有利于燃油的完全燃燒和降低污染排放;在液?液相萃取過程中,分散液滴提供相間傳質(zhì)面積,但隨后緊接著的分相過程又要求液滴互相合并快、分相快,因此乳化液不能太穩(wěn)定。

(4)氣?液?固多相混合　在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中常見,例如氣體和液相反應(yīng)物在懸浮催化劑顆粒表面上進行化學(xué)反應(yīng),這一方面要求氣體能破碎為小氣泡并均勻分散在液相中,保持足夠長的停留時間;另一方面要求顆粒從反應(yīng)器底部懸浮起來,并在空間上分布足夠均勻,使催化反應(yīng)的時空產(chǎn)率得以提高。

(5)氣?固混合　按固體是否運動,可分為:流態(tài)化,用氣體將顆粒分散、懸浮在氣流中,使兩相間混合均勻、接觸良好,提供有利傳質(zhì)和反應(yīng)條件;顆粒不運動,形成固定床,使氣體從間隙中通過,也有空隙內(nèi)氣體自身混合的問題。

(6)固?固混合　有時兩種不同材質(zhì)的固體物料需要預(yù)先混勻,然后作為后一工序的原料;兩種顆粒大小差別恰當(dāng)?shù)念w粒材料混勻后,能得到最小的孔隙率,即單位體積中的工作物質(zhì)最多。與此相似的是,用少量液體給固體顆粒外表均勻地包覆一層薄膜,這種混合操作用固?固相混合設(shè)備來完成,其實是液?固相的混合。

(7)捏合　指均勻混合糊狀、黏性及塑性物料的操作,包括它們與固體顆粒的混勻。例如,元素硫與天然橡膠經(jīng)捏合后,再經(jīng)硫化,得到的硫化橡膠的強度大大提高;固體高能燃料與多種固相或液相的助劑、黏結(jié)劑等經(jīng)捏合,充分混勻后成型,才得到實際應(yīng)用的火箭推進燃料。與簡單的固?固相混合不同,捏合機械對原料施加很強的剪切破碎力。

由此可見,在化學(xué)工業(yè)以及更廣泛的過程工業(yè)中,要使不均勻的體系,按照設(shè)計的化學(xué)工藝,達到要求的混勻程度,需求十分普遍。化學(xué)家已經(jīng)在實驗室中找到了制備目的產(chǎn)物的合適反應(yīng)路徑和反應(yīng)條件,化學(xué)工程師的任務(wù)則是在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器中盡量實現(xiàn)化學(xué)家需要的反應(yīng)條件。反應(yīng)器的規(guī)模越大,化學(xué)工程中所謂的放大效應(yīng)會越強,實現(xiàn)這個任務(wù)就會越艱巨。實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的高效混合,是化學(xué)工程研究和開發(fā)中的巨大挑戰(zhàn)。為此目的,需要對混合的現(xiàn)象、原理、設(shè)備、操作、優(yōu)化、模擬等各個方面進行充分的研究,探索定量的規(guī)律,以期能精準、定量地滿足過程工業(yè)對混合操作的要求。