2.5　混合研究的发展趋势

改进现有的混合与搅拌技术、开发新的高效混合技术,是化学工程学术和应用研究的重要课题。

和化学工程学的研究进展的总趋势一样,混合问题的研究也是从最初的实验研究开始。之后在化学工程原理的指导下,借助数学、物理、力学的理论和实用技术的进步,对混合涉及的物理和化学现象进行机理性的分析,对实验现象和数据的处理和总结,也逐渐从经验性的归纳过渡到以半机理和机理性数学模型为主要方法的新阶段,基于数学模型的数值模拟技术得到了越来越多的应用。

实验探索和理论分析表明,混合过程涉及许多物理机理,包括流体流动、流场剪切、机械剪切、拉伸、折叠、湍流等,其中剪切和湍流起到很大的作用。湍流中有很多尺度大小不同、运动速度不同、涡度强弱不同的涡团,这些涡团间的随机性相对运动,也造成小尺度上的对流、剪切、折叠等。所有这些机理,使需要混合的物料的离集尺度逐渐减小到湍流的Kolmogorov尺度,即达到了宏观尺度上的均匀。此后,再将离集尺度减小到分子尺度,使化学反应有条件进行,则主要依靠分子扩散,这就是微观混合过程。微观混合是各种类型的化学反应器能操作的必需条件,而宏观混合则能为微观混合提供最有利的环境。因此,对化学反应器中的混合过程的研究,可以划分为宏观混合和微观混合两个阶段来进行。虽然在宏观混合进行的同时,微观混合也在缓慢但逐渐加快地进行;但直到宏观混合接近终了,微观混合才充分发挥其潜能。对一些快速反应,如沉淀反应体系、快速的竞争反应体系等,反应进程和最终产物的性质和分布都受微观混合状态的影响,尤其需要对微观混合的精确和定量的理解。

混合设备中的流体力学状态是其内部混合过程的主导因素,它对混合过程的影响大小与流场的宏观平均特征,以及流场的小尺度特征,有直接、定量的关系。宏观特征包括混合时间、功耗(比功耗、比能耗、能耗密度)、排出流量、循环流量、离集尺度、离集强度等,而微观混合特征包括微观混合时间、局部Kolmogorov尺度、Batchelor尺度、湍流涡团寿命、湍流特征频率、湍流脉动速度等。通过这些特征量,才有可能将混合设备的操作性能与设备的几何和操作条件等科学地关联起来,达到实现可持续发展的化学工业生产的目的。化学反应工程学要借鉴、吸收相关物理科学的研究成果,用于认识化学反应器和其它混合设备内的物理机理,建立相应的数学模型,以便正确设计混合设备,满足化学工艺的需要,并且有低能耗、可持续发展性的优点。

随着计算机性能的不断提高,以及在湍流模型和计算方法等方面的发展,计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术已经开始用于研究搅拌、混合设备中的物理和化学反应过程。采用CFD技术可以比较方便地对新型设备、变化的操作状况进行数值模拟研究,这种方法在研究大型工业设备上更具有时间和物力方面的经济性。与传统的理论分析和实验研究有机地结合,优势互补,不仅是研究混合问题的必由蹊径,也是整个化学工程学的学术、应用研究的坦途。

以流体力学、传递原理的基本微分方程和化学反应的本征动力学来构成数学模型,不借助任何物理和数学模型的简化,这是化学工程理论研究最理想的出发点。但这样的模型无法得到解析解,只好求助于数值解。以目前的计算机软件和硬件的技术,还不能以极小的空间尺度和时间尺度,来解析化学反应器和混合设备中的全部物理和化学过程的细节。现在可以毫米级的分辨率,用数值模拟来做工业尺度反应器的定量分析,但微观混合发生在更小的尺度上,不能从数值解中得到尺度更小的局部微观混合现象。因此,仍然需要微观混合的模型或关联式,以描述微小尺度的现象和速率,作为源项,输入宏观反应器尺度上的数值模拟程序中。也就是说,多尺度数值模拟和尺度间的耦合仍然是今后若干年无法避免的工作。实用设备中混合,就宏观混合而言,流场模拟需要网格空间尺度小到湍流的Kolmogorov尺度以下,时间尺度要小到毫秒尺度以下;浓度场的模拟需要网格空间尺度小到湍流中Batchelor尺度以下,时间尺度要小到微秒尺度以下。亚网格的湍流因素和微观混合为主的传递过程就只能用数学模型来表达。这方面还有很多模型化的任务留给我们来解决。