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01 概述 化学反应过程和反应器是化学生产流程中的中心环节，反应器的设计往往占有重要的地位。相对而言，化工生产流程中的单元操作如热交换、蒸馏、吸收和干燥等，只涉及物理变化，其设计计算理论较为成熟，实践经验丰富；而在反应器中发生的，是传热、传质等物理过程和化学反应过程共同以及交互作用的结果，比单纯的物理操作或化学过程要复杂得多。 02 化学反应工程和反应器设计 反应器设计所依据的化学反应工程理论，是研究化工生产中化学反应过程的学科技术，它把反应的化学特性和反应器的传递特性结合起来，涉及化学动力学、传递过程和工程控制等领域。研究化学反应工程的主要任务是： ① 对已有反应过程进行分析，寻求进一步改进或强化的方法。 ② 开发新的反应技术和设备。 ③ 反应过程优化。 ④ 设计反应器。 其中反应器设计主要包括：反应器选型；寻找合适的工艺条件；确定实现这些工艺条件；确定实现这些工艺条件所需的技术措施；确定反应器的结构尺寸；确定必要的控制手段。 搅拌操作过程是化工、石油化工、医药、食品工业中最常见的操作之一。其目的是使两种或两种以上的介质能达到最大程度的接触，从而在预定的时间内完成所需要的混合、传质、传热或反应过程。搅拌的过程基本作用是混合，无论是搅拌机理，还是具体的搅拌器结构设计和搅拌功率计算都与参与搅拌过程的介质性质有密切的关系。因此，工程设计中，搅拌类型可基本分为均相液液调和、非均相液液分散、气液分散和混合以及固液悬浮搅拌四大类。 03 液体搅拌机理 3.1 均相液液混合 参与均相液液混合的液体必然是互溶的流体，搅拌操作的目的是使两种或两种以上的互溶物料达到分子级的均匀混合。互溶物料之间不存在物相界的分界面，在混合过程中，对物料流动时的剪切速度要求不高，但要求达到充分的对流循环。首先，在整个搅拌槽内应该做到无死角，使槽内各处流体的流动均匀。 然后，还要求流体的流动达到一定的湍流强度，以使得物料能在短时间内被均匀混合。 在均相液液混合过程中，两种物料首先以块团的形式进行相互结合。随着搅拌的进行，这些块团被逐渐打碎而变小，但每一块团仍是同一种物料，这个过程称为宏观混合过程。在宏观混合过程中，实际上已开始了两种物料块团间的分子量级的相互扩散，只不过这种扩散过程同块团被打碎而变小的过程相比不占主要地位。当物料的块团足够小以后，搅拌继续进行时，两种物料块团间的分子量级的扩散过程开始占主要地位，这个过程称为微观混合过程，正是在微观混合过程中，两种物料的均匀调和操作才最终完成。 对不同粘度的物料以及在不同的流动状态下，宏观混合过程和微观混合过程所需要的时间是有区别的。对于低粘度流体，在湍流状态下，两种物料块团间的分子量级的扩散过程作用得很快。因此，调和操作所需要的时间将主要由宏观混合过程所决定。而对于高粘度流体在层流状态下的搅拌操作，宏观混合过程和微观混合过程所需要的时间大致相当。 3.2 固液悬浮搅拌 固体物料在液体物料中的悬浮操作的目的是使固体的分布较为均匀，从而按工艺要求完成溶解、结晶、混合调配等化工过程。如无搅拌器的作用，每一种固体颗粒放在一定粘度的液体中，存在一个极端沉降速度，该数值与固体颗粒的大小有关。 表1 固液悬浮搅拌操作的分级效果
从表1中所列出的是个搅拌级别，级别越高，液体中固体颗粒的分布越是均匀。决定固体颗粒在液体中悬浮程度的主要因素是液体的湍流程度，即流体内的流速。 对于一定固体颗粒所具有的沉降速度，槽内流体必须达到一定的流速，才能使固体悬浮操作达到表内中的某一级别。 另外，如槽内液体仅进行圆周流动，则要使固体悬浮操作达到较高的级别，往往难以做到。对于5级以上的操作，槽内液体还需要具有一定的轴向流动速度，或者在搅拌槽内有多个搅拌器沿槽高按一定的间距分布，以使液体能带动固体颗粒在液体中分布的比较均匀。 3.3 非均相液液分散 非均相液液分散是指两种不互溶的液体进行混合，由于两种液体不互溶的液体进行混合，由于两种液体不互溶，故在他们之间总存在物相界的分界面。一般来说非均相液液分散操作中，总有一种液体的体积分率比较大，这种液体称为主液相，而另一体积分率较小的液体为分散相。这种操作的目的是使分散相液体能以尽可能小的液滴均匀分散到主液相中，即使两相获得最大的接触面积，无论是反应，传热或传质过程，参与两相总是以接触面积越大越有利。 当搅拌器达到一定的转速后，在开始阶段，两种液体的两相分界线在流动过程中会逐渐消失。当搅拌器的转速继续加大，随着搅拌过程的进行，大的分散相液团或液滴会被桨叶的旋转和液体的流动所打碎，在液体本身所具有的粘度和表面张力的作用下，较小的液滴会再次聚合成较大的液滴，这两个过程总是在同时进行，不同的只是哪个过程占主要地位。较大的液滴被打碎的能量来自流体流动时具有的分裂能，而较小的液滴聚合成较大液滴的能量来自液体本身的粘性能和表面能。 流体的分裂能需要靠搅拌叶轮旋转时对液体所作用的剪切力来提供，该剪切力随叶轮的转速提高而增大，同时与叶轮本身的结构有关。当分散相的液滴较大时，该液滴受到的周围流体对其作用的分裂能也较大，此时，大液滴容易被分裂成较小的液滴。如这些较小液滴的粘性能和表面能仍小于周围流体对它们所作用的分裂能时，这些较小液滴会进一步分散成更小的液滴，直至小也低所收到的分裂能与其本身的粘性能和表面能达到平衡，液液分散的过程也就达到了动态平衡。 3.4 气液分散和混合 在非均相的气液搅拌操作过程中，其目的可能仅为分散，也可能是通过气液分散而进行传质、反应或传热。气体在通入液体后，如无搅拌作用时，气体将以较大的气泡直接由下而上通过液体而逸出。 在这种情况下，气体和液体之间没有进行良好的接触，将不能达到预先设计的化工工艺过程。通过搅拌器的旋转作用，一方面将液体中的大气泡打碎，可增加气液两相的接触表面积。另一方面，在液体的旋转翻腾作用下，可增加气体与液体的接触时间。在这两方面中，将大气泡打碎，增加两相的接触表面积是主要的。 3.5 高粘度流体搅拌 高粘度流体一般是指粘度值超过2.0Pas的流体。对高粘度流体来说，实际上也存在前面所述的四种操作类型。但高粘度流体的流动性能与低粘度流体不同，在工程上一般难以使其达到湍流状态，而只能使其在层流状态下流动。由于流体的粘度高，在搅拌器的桨叶不能作用到的区域，在粘滞力的作用下，容易形成死区。 在高粘度流体中工作，搅拌器的桨叶排出的流体量很小，稍远离桨叶处的流体就呈静止状态，搅拌器的转速过高反而会形成沟流。因此，对高粘度流体来说，只能在其处于层流的状态下，设法提高搅拌器的搅拌范围，尽可能使槽内不存在流动死区。 |
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