2.1.4　宏观混合的基本理念

化工设备中物料(和物理、化学性质)的混合,是将不同质的物质互相接近的尺度减小到指定的数值。实现流体混合的机理主要有:切割、相对运动、扩散。首先要将每种流体切割,才能将分隔的尺度减小,最终实现混合。其次,相对运动将不同性质的流体团块输送到不同位置,与不同性质的团块接触,形成进一步混合(下一次切割、分子尺度的扩散)的条件。最终,分子扩散使不同质的流体达到分子水平上的均匀化。而交换位置需要依靠流体的对流,或固体的运动(包括转动)。因此,混合依赖的机理至少包括流动(输运)和分割。不断反复的分割和输运,最终使宏观混合得以实现。

(1)切割　只能依靠机械才能实现严格意义上的流体切割。例如,带孔的搅拌桨在运动时,推动一部分流体向前运动,而让另一部分流体穿过,使这两部分流体间出现了相对运动。从流体分布器孔口流出的流体,以明显的流速穿过环境流体,也可视为被分割出来的流体。在湍流中随机地产生许多尺度大小不同的涡团,在流场中不规则地随机运动,因而涡团发生相对于环境流体的运动,也是对环境的一种切割。稳定的层流流动的速度场是连续的,不出现切割现象;但非稳态的层流中,尤其在流线弯曲、洄流处,流体的惯性有机会表现出短暂的局部不稳定运动,产生类似于切割的作用。

(2)相对运动　被分割出来的团块,被流场中不同速度的对流作用输送到新的环境,与不同质的团块相邻,得到进一步混合的机会:或者是与相邻团块一起被再次切割,使分隔的尺度减小,或者在界面发生分子扩散,部分地微观混合。湍流中涡团运动,作不规则的随机运动,是比反应器内主体流动尺度更小的相对运动。

(3)分子扩散　这是混合的最后一步,宏观混合的流体必须通过跨越团块间界面的分子扩散,才能真正实现完全的混合,即分子尺度上的均一化。切割和相对运动是流体离集的尺度减小到湍流Kolmogorov尺度,为分子扩散创造了高速进行的条件。

以上3个因素,是局部完成混合的必要条件,但要在反应器全容积中实现混合,需要反应器内的对流流动有整体性,即流体流动应覆盖搅拌设备的全部容积,没有死区,使反应器内各处都能用于处理进入设备的新鲜物料,而且在各处混合能力分布更均匀,使设备能发挥最大的化学反应生产效率。例如,反应器内仅有一个主体循环,可以缩短混合所需的时间;若同时存在一个以上的主体循环,则因为循环之间的对流、切割交换作用较弱,使混合时间变长。若一个搅拌机械不足以产生整体性良好的循环,则需要在整个设备内分散式地布置搅拌机械;但在设备内多处设置搅拌器和分布器,也增大设备设计的难度和制造成本,是必须考虑的不利方面。

有的研究采纳流动的遍历性的概念,即一个可辨认的流体微团,或一个跟随性很好的示踪颗粒,是否能在有限的时间段里经历混合设备内的所有空间点。这是与流场整体性略微不同的两个概念。这两个概念在反应器内混合问题上如何定量地表达,它们的规律和应用的异同,也值得深入地分析。

有利于混合的一个重要因素是流场的剪切,一般流体混合设备中都有由机械推动的强剪切作用,但它不是推动混合的直接因素,因为它不直接分割流体,也不促进分子扩散。但在容许变形的剪切流场中(远离固壁的限制),剪切使体团块变形,在一个空间维度上压缩,而在另一个维度上拉伸,即流层变薄,有利于随后可能发生的切割和相对运动,也有利于分子扩散加速,所以也间接促进了混合。在机械切割的同时,团块的边沿也同时出现剪切和扩散。因此,剪切是与切割共生的。强剪切也是湍流发生的原动力,涡团运动对流体混合产生直接、有利的影响。很多研究以剪切为起点,这似乎有些不妥。

“混沌混合”是20世纪末化学工程中混合研究的一个热点。混沌的发生有利于流体中的混合,在理论上是严密的结论。但在应用上,所观察的现象和效果是否真的就是由于混沌现象,其结论缺乏坚实的基础。混沌现象的典型例子是“蝴蝶效应”,然而在地球上的实际过程,则从蝴蝶扇动翅膀的那一刻起,就受到其传播路径上的大大小小随机、无因果关系的干扰,以至于之后的发展是由于蝴蝶的原始扇翅,还是后来的干扰因素的总和,却变得越来越模糊了。实际过程中的混沌混合也有类似的不确定性干扰。从混沌混合研究中还是得出了很多有用的知识和实用的混合技术,依然是对化工技术进步的重要贡献。

化工设备混合的能力和效率,也取决于上述3个因素的强度、其空间分布、各因素的能量效率,以及过程的非稳态特性。这些因素需要用准确的数学模型来表达,针对具体的体系、几何构型、操作条件、操作制度来数值求解,然后从离散的时间和空间的海量数据中,抽提出合理、有明确化学工程意义的定量指标,来评价对象混合过程并对其进行优化。这似乎还有很长的路要走。