1.1.2　单元操作中的混合

混合的目的是降低体系内部的不均匀性,尽快地达到混合均匀,得到制备产品的合格原料,或减小传递过程的阻力以提高设备的传热、传质效率,或促进化学反应的进行。因此,提高混合效率对于化工过程设备的设计优化以及节能降耗具有重要的意义。在工业领域的化工单元操作中,混合都能起到重要甚至关键的作用:

(1)多相流输送　若固相颗粒在输送管道和输送设备中沉积,会缩小管道有效截面积,增大输送阻力,甚至使输送中断;若固相在液相中分散不够均匀,则不能将两相输送按指定的比例输送,使下步工艺无法进行。如果工艺要求两不互溶液相按比例输送,也需要在长距离输送中,两液相有适当强度的混合作为保证。在原油输送时,一般先将大量的水预先分离出去,含水量低到一定程度后,有足够强度的混合作保证,就能实现原油的稳定输送,不至于在输送过程中有水析出分层,以至于输送过程不稳定。

(2)传热　需要在冷却传热面附近的流体,能与距传热面较远处的热流体交换(混合),使全部进入换热器的热流体都能冷却。流体的混合实际上提高了跨壁面的传热温差,提高了冷却设备的传热效率。

(3)蒸发　蒸发器分两类。直流式降膜蒸发器等,不刻意追求液膜内部的混合;循环式蒸发器,内部用循环混合来保持内部温度和浓度均匀,使跨传热面的温差最大。

(4)结晶　情况大致与蒸发相同,多数要求内部混合良好。结晶涉及成核和生长两个最重要的步骤,它们的速率都与过饱和度有关,成核动力学对过饱和度的级数比生长动力学中的级数高得多。因此,混合好,则过饱和度小且分布较均匀,故成核速率小,可得到粒度大的晶粒;反之,则晶粒平均粒度小。

(5)传质　流体相内部的传质主要依赖于物相内部浓度梯度推动的分子扩散传质,但混合、搅拌形成的对流和湍流,也减小流体团块离集的尺度,大大增强传质的速率。而两相间通过相界面的传质速率主要受界面处浓度边界层厚度的影响,混合能减小边界层的厚度,增大传质速率。

(6)精馏　这是蒸气与液相在沸点下的逆流传质操作。因为逆流,所以多采用串联多级式设备,追求两相各自的流动无轴向返混,但希望在垂直于轴向流动的方向上混合良好,以提高传质设备的总效率。这与管式反应器的情况类似,要在轴向流动方向上混合极小化的条件下实现良好的横向混合,这无疑是有相当难度的工程课题。

(7)吸收　吸收是气液相传质操作,一般也是气液相逆流流动,因此也希望在设备中有横向混合,无轴向混合。

(8)膜分离　膜分离设备的膜两侧多是层流的逆向流动,也是希望轴向无混合、横向混合好(传质浓度梯度大)的技术难题。通常流道的尺度很小,横向混合确实很难。

(9)萃取　操作涉及液滴与不互溶的连续相液相间的传质。混合可以提高界面传质的推动力(界面处的浓度梯度),有利于传质。混合使分散的液滴均匀分布于连续相中,有效地利用萃取设备体积;高强度混合的流体力学环境也是使分散相液滴直径减小、获得高传质相界面积的有利因素。

(10)浸取　固相中某物质浸出的速度与液固相界面上液相侧的浓度梯度成正比;若混合好,则固体浸出物在液相主体中的浓度低,有利于从固体表面向液相主体的传质。不论固相内部的传质阻力是否存在都是如此。

(11)吸附　固体吸附剂与流动气相或液相间的传质操作。同样需要流动相内部的良好混合。