1.1.3　均相混合与非均相混合

按混合涉及的物相和用途来区分,可以分为均相混合和非均相混合两大类。

1.1.3.1　均相混合

(1)液⁃液(互溶)混合　两股水溶液各含一种反应物在反应器中进行反应是典型实例,不仅要求反应物在物理性质上的混合均匀(宏观混合)到很小的尺度,而且要求达到分子尺度上的混合(微观混合)以利化学反应;但没有化学反应的要求时,则只要求物理性质上均一化的宏观混合,如为纺织品染整配制溶液等。这实际上是性质不同的同一流体间的均一化。

(2)气⁃气混合　工业上气相单体溶解于液相介质,或以气泡形式进入液相,聚合为高分子化合物。为了调整产品性能,聚合到一定程度时需要加入另一种气相单体。这时就需要两种气体的迅速混合,以要求的比例进入液相介质。

1.1.3.2　非均相混合

(1)液⁃固混合　固相催化剂颗粒的悬浮,有利于反应物的传质和发挥催化剂的作用;配制组成均匀的液固悬浮体系,作为下步工序的原料输入,或输送液⁃固两相时能保持要求的配比;把可溶解的固体颗粒悬浮于液相中,加快溶解速度。

(2)气⁃液混合　使气体在液相中以小气泡的形式分散,增大气液接触面积和传质速率,加快气体的溶解、吸收,或与液相中的反应物进行化学反应。当气泡被分散到10μm量级时,气泡的终端速度很小,气⁃液分散系的稳定性很好,有利于进一步的工艺操作。

(3)液⁃液(不互溶)混合　将一个液相分散为细小液滴并均匀分散在另一液相中,例如生产乳化燃油,有利于燃油的完全燃烧和降低污染排放;在液⁃液相萃取过程中,分散液滴提供相间传质面积,但随后紧接着的分相过程又要求液滴互相合并快、分相快,因此乳化液不能太稳定。

(4)气⁃液⁃固多相混合　在化学工业生产中常见,例如气体和液相反应物在悬浮催化剂颗粒表面上进行化学反应,这一方面要求气体能破碎为小气泡并均匀分散在液相中,保持足够长的停留时间;另一方面要求颗粒从反应器底部悬浮起来,并在空间上分布足够均匀,使催化反应的时空产率得以提高。

(5)气⁃固混合　按固体是否运动,可分为:流态化,用气体将颗粒分散、悬浮在气流中,使两相间混合均匀、接触良好,提供有利传质和反应条件;颗粒不运动,形成固定床,使气体从间隙中通过,也有空隙内气体自身混合的问题。

(6)固⁃固混合　有时两种不同材质的固体物料需要预先混匀,然后作为后一工序的原料;两种颗粒大小差别恰当的颗粒材料混匀后,能得到最小的孔隙率,即单位体积中的工作物质最多。与此相似的是,用少量液体给固体颗粒外表均匀地包覆一层薄膜,这种混合操作用固⁃固相混合设备来完成,其实是液⁃固相的混合。

(7)捏合　指均匀混合糊状、黏性及塑性物料的操作,包括它们与固体颗粒的混匀。例如,元素硫与天然橡胶经捏合后,再经硫化,得到的硫化橡胶的强度大大提高;固体高能燃料与多种固相或液相的助剂、黏结剂等经捏合,充分混匀后成型,才得到实际应用的火箭推进燃料。与简单的固⁃固相混合不同,捏合机械对原料施加很强的剪切破碎力。

由此可见,在化学工业以及更广泛的过程工业中,要使不均匀的体系,按照设计的化学工艺,达到要求的混匀程度,需求十分普遍。化学家已经在实验室中找到了制备目的产物的合适反应路径和反应条件,化学工程师的任务则是在工业规模的反应器中尽量实现化学家需要的反应条件。反应器的规模越大,化学工程中所谓的放大效应会越强,实现这个任务就会越艰巨。实现化学反应器内的高效混合,是化学工程研究和开发中的巨大挑战。为此目的,需要对混合的现象、原理、设备、操作、优化、模拟等各个方面进行充分的研究,探索定量的规律,以期能精准、定量地满足过程工业对混合操作的要求。