前言

混合是化学工业以及相关的过程工业等应用领域不可或缺的单元操作之一。化工生产中大多数的化学反应器是搅拌槽反应器。通过搅拌来实现混合，使反应体系达到浓度均匀、反应条件均一的理想状态，提供化学反应所需的最佳条件，从而实现高效、低耗的新物质（产品、材料）制备过程。

化学反应涉及两种或两种以上反应物时，需要通过搅拌等混合手段让反应物尽快地在反应器（宏观）尺度上混合均匀，使分子（微观）尺度上的化学反应得以进行。若反应物处于不同的物相（非均相体系）中，要使它们接触和反应，体系中的混合任务又增加了一层困难。均相和非均相催化反应器中，反应物和催化剂的充分接触也需要通过混合才能实现。即使是最简单的单一反应物非催化反应，也要求反应物在反应器内迅速地达到均一的指定反应条件，这也要靠有效的混合技术。一些不涉及化学反应的物理加工过程也同样需要良好的混合，例如某些均相的或非均相的添加剂要在主体材料中均匀地分散，产品才能有优越的使用性能。

化学工程中对混合的研究从19世纪末叶起，已有上百年的历史，而且研究对象和内容十分宽广。有均相体系的混合，如两种可混溶液相的混合、几种气体的混合；有非均相体系的混合，如不互溶液体的混合（或乳化）、气体在液相中的均匀分散、固体颗粒在流体（液体和气体）中的均匀悬浮（分散）、不同性质（密度、颜色、颗粒大小等）的固相颗粒的均匀混合、细微液滴或固体颗粒在气相中的分散等。实际的工业过程也会不断提出更多的混合新课题，需要化学工程基础和应用研究来及时加以解决。

混合设备与技术涉及面越来越宽广，可以分为内部有运动机件的和没有运动机件的两大类。各种混合技术首先依赖于在设备内产生流场（速度场）的剪切，这是不同性质的物料尺度减小的直接原因。按产生的剪切强度大小，混合设备又分为高剪切和低剪切混合两类。混合设备还必须有足够强劲的主体（循环）流动，这是使设备内所有介质都能受到剪切、最终均一化的必要条件。这两个因素互相影响，它们的优化耦合是获得以合理的比能耗实现高质量混合的高效混合技术的关键。

化学工程学已经经历了两个明确界定的发展阶段，即单元操作和传递原理，它们标志着化学工程学从经验性方法向机理性方法的飞跃。从20世纪后半叶至今，化学工程研究已逐渐发展到能以数学模型和数值方法来定量地认识包含复杂物理和化学机理的计算化学工程的新高度。涉及混合的学术和工程问题，同样发展到用实验、理论分析、数学模型/数值模拟三管齐下的方式来解决的高度。首先要解决的是流动（包括固相混合的流态化）问题，涉及质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本原理和微分方程，以及物质在一个物相内部的流动、扩散、热量的传导，也包括物相间在相界面上的相互作用，还要依靠固体力学、弹性力学、流体力学、材料学等学科来提供必需的本构方程。化工学科的上述新进展，即计算化学工程的出现，为混合技术发展展示了新方向，并为此提供有力的工具。

混合本身是一个单元过程，例如产品中的添加剂和辅料的均匀分散需要有效的混合才能促进产品效能提高，有利于高效地进行目标化学反应，使产品得到优良性能。另外，混合也是其它许多化工单元操作和过程机理中的一部分，它影响着诸如相间传热、化学沉淀生成的固相颗粒大小和粒度分布、多相体系的相界面积、相间传质速率、均相化学反应或非均相化学反应（包括简单反应和复杂反应体系）等。这些伴随过程的效率可以作为混合效能的定量参考指标。因此，混合往往是和这些伴随过程一起来研究的。例如，气液搅拌体系的混合效率，就体现在搅拌功率减少的程度、气液界面积、气液体积传质速率、气液非均相反应反应物的转化率和有用产物的选择性的改善程度上。故混合和搅拌的研究对象多种多样，内容十分广泛。

混合与化学工程中的其它单元操作有密切的关联。与混合概念相对立的是另外一类单元操作：分离。在化工设备中的单相和多相流动，分离和混合在不同的程度上往往同时进行。例如，在水平管道的气液两相流动中，如果为了保持相分布状态的均一（例如在管道流动的同时将气体中的某一成分溶解吸收），应该考虑加大混合的强度，否则气泡会向上浮、合并为大气泡，最终由较均匀的气泡流（气相以小气泡的形式存在，并分散在液相中）过渡到分层流（气体在管道上方、液相在管道下方，分层并流流动）。还有，越微量的杂质越难去除，因此往往需要先加入分离试剂或介质并混合均匀，最终实现高质量、高效率的杂质分离。因此，混合与分离始终是既对立又不可分的一对矛盾。

在搅拌槽一类的设备中，混合是搅拌的主要目的，理想化的搅拌槽即是化学反应工程中的全混流反应器。而在另一些设备（如澄清槽、旋风分离器）中混合是有害的，需要设法避免。例如在管式（塔式）反应器中，所有同时进入反应器的反应物料，应在流动中保持同步，避免先后进入反应器的物料团块（物料在反应器内停留的时间不同，反应进度不同，使反应物和产物浓度的沿程分布也不同）发生混合，降低反应器的效能。理想化的管式反应器即化学反应工程中的活塞流反应器，此类反应器中只有平行的一维流动，流动方向上无流体混合，垂直于流动方向则混合良好，以保持平行的各流线上的状态完全一致。因此，管式反应器中的轴向混合是不利的，而横向混合则是有利的（例如消除温度和浓度的横向梯度和保持状态均匀）。可见，在混合有害的场合，也需要对混合的状态和强度有深入的认识，以获得高效反应器的设计和可靠的操作策略。这也提示，混合不总是各向同性现象，它可能是各向异性的，就像在活塞流反应器和环流反应器中那样需要各向异性的混合。

对于混合良好的搅拌槽一类设备，宏观混合效率的指标是混合时间。而对于不需要混合的设备，也需要有指标来定量描述混合的程度。这种情况下，在管式反应器中，示踪剂无法在出口处达到足够程度的混合，混合时间难以定义，现在文献中多数采用轴向返混系数来描述轴向返混的程度。在有内部循环的环流反应器中，因为能够使示踪剂比较充分地混合，而内部的循环比较接近于管道流动，所以轴向返混系数和混合时间都可以使用。

由于混合的首要目的是使体系达到预先设定程度的均匀性，体系达到这个目标均匀度的速度往往作为此混合手段的技术指标，以此为依据来评价各种混合技术和设计的优劣。因此本书主要论述三种实用的评价指标：宏观混合的混合时间、微观混合的离集指数、连续流动反应器的停留时间分布，包括它们的意义、实验测定和数值模拟，以及在混合技术评价上的作用。本书内容也主要限于以液相为连续相的化学工程体系。以气相为连续相的体系，还有固固相的混合和反应，在过程工业中也十分重要而广泛，限于笔者学识未能涉及。

本书内容多数来自浩瀚的化学工程文献积累，除了化工专业的期刊外，已经有许多专著论述了混合的方方面面，如

永田进治, 1984. 混合原理与应用(马继舜等译).北京: 化学工业出版社（Nagata S, 1975. Mixing: Principles and Applications.New York：Wiley）.

哈恩贝(Harnby N）, 1991. 工业中的混合过程(俞芷青等译).北京: 中国石化出版社.

欧舒(Oldshue JY), 1991. 流体混合技术(王英琛等译).北京: 化学工业出版社.

吴英桦, 1993. 粘性流体混合及设备.北京：中国轻工业出版社.

Baldyga J, Bourne JR, 1999. Turbulent Mixing and Chemical Reactions.Chichester, UK:John Wiley Sons.

王凯,冯连芳, 2000. 混合设备设计.北京：机械工业出版社.

陈志平, 2004. 搅拌与混合设备设计选用手册.北京：化学工业出版社.

Bockhorn H, Mewes D, Peukert W, Warnecke H-J, 2010. Micro and Macro Mixing, Analysis, Simulation and Numerical Calculation.Berlin Heidelberg:Springer-Verlag.

这些内容对我们认识混合原理和技术的全貌大有助益。本书部分内容来自笔者和所属课题组同事、学生的工作，以及笔者对现有混合与搅拌研究思考中油然而生的困惑和心得。希望本书对从事化学工程研究和工程应用的科技人员有所裨益。在本书著述过程中深切感受到，虽然混合仅是化学工程学的一个分支，但其应用宽广、内涵深厚。笔者在此中温故而知新，增长了许多新知识。然而精通不易，书中不妥之处和错误在所难免，恳请方家不吝指出。

毛在砂，杨超

2020年2月识于北京中关村