(中國石油大學(xué) （華東），山東青島 266580)

混合通常用于改變物質(zhì)的性質(zhì)，如濃度、黏度、溫度和顏色等。由于工業(yè)生產(chǎn)的需要，混合技術(shù)得到了廣泛的研究，多種階段性研究成果也得到了工業(yè)應(yīng)用。在化工、冶金及制藥等生產(chǎn)過程中，混合更多用于提高反應(yīng)速率。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝技術(shù)的提高，液體非均相混合設(shè)備的操作效果日漸不能滿足生產(chǎn)的需要。近年來，隨著流體力學(xué)中新型測試技術(shù)的進步以及計算流體力學(xué)（CFD）的形成，快速混合得以深入進行，形成了對混合程度控制條件的更多認識［1］。

1 氣-液混合技術(shù)研究

1.1 流動強化

受時間及空間限制，眾多應(yīng)用場合的氣-液混合過程難以實現(xiàn)完全混合。湍流可以在一定程度上改善流場。在攪拌槽反應(yīng)器中，可以通過提高葉輪轉(zhuǎn)速形成湍流，攪拌方式主要有時變旋轉(zhuǎn)［2］、偏心旋轉(zhuǎn)［3］及往復(fù)攪拌等［4］。 攪拌器內(nèi)軸流式槳葉結(jié)構(gòu)可以影響氣液混合特性，有研究發(fā)現(xiàn)不對稱槳葉引起的兩相流動流場更均勻，剪切分散能力更強［5］。射流也可以有效提高混合程度。穩(wěn)定、持續(xù)的射流沖擊會生成較大的渦流，能夠在增強宏觀混合的同時夾帶周圍流體進入反應(yīng)器，產(chǎn)生小型湍流渦旋，造成局部混合［6］。 Amiri T Y 等［7］將氣體流和噴射流逆流注入混合器進行試驗研究，提出了射流雷諾數(shù)、噴射流速對混合時間的影響關(guān)聯(lián)式。

式中，tm為混合時間，s；Rej為射流雷諾數(shù)；Qg為噴射流速，L/min；a、b、c均為常數(shù)。根據(jù)此關(guān)聯(lián)式，采用噴射增大氣體流速的方式可以明顯縮短混合時間。

1.2 影響因素

反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式會顯著影響混合效果。攪拌槽反應(yīng)器、管式反應(yīng)器返混能力強，常用于氣-液兩相連續(xù)混合過程。有研究發(fā)現(xiàn)，流動通道的長度、半徑、形狀等對混合效果影響大，轉(zhuǎn)化率和選擇性行為與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)有關(guān)［8-11］。Hou J 等［12］在實驗中利用堿性溶液吸收CO2，對多尺度枝狀結(jié)構(gòu)氣-液兩相混合過程的傳質(zhì)特性進行了研究，認為特殊流道能夠阻止氣泡聚結(jié)、降低壓降，起到強化氣-液傳質(zhì)的作用。

此外，氣-液混合過程中含氣率、兩相流速等因素也會影響到反應(yīng)的程度和速率。Alexander V等［13］進行了移動床加氫反應(yīng)器（MBR）中氣體的分散/混合研究，結(jié)果表明在床層較低的液體體積流量下增加氣體流速，可以獲得良好的氣液混合。效果Cheng D等［14］通過冷模試驗研究得出，攪拌槽中含氣率越高，氣-液宏觀混合就越明顯，液相的作用與氣體效應(yīng)相反。對于多級攪拌反應(yīng)器，液體對湍流的抑制作用隨著其黏度的增加而增強，故而混合性能降低［15］。

1.3 評價方式

氣-液兩相混合方式、接觸面積和湍流程度是由混合室結(jié)構(gòu)決定的，兩相體積流量比、混合壓力和速度是由工作參數(shù)決定的，但氣-液混合的效果并非只能由膨脹率、氣泡大小和兩相分布來判斷［16］。攪拌槽內(nèi)的氣-液混合的分析主要通過混合指數(shù)評估。

式中，MI為混合指數(shù)；σi為采樣點的局部空隙率，為各采樣點局部空隙率的平均值；n為采樣點數(shù)量。

Montante G、 Qiu F 等［17-18］研究了氣相在混合空間的分布和氣泡大小分布對液體混合過程動力學(xué)的影響，增大攪拌速度和氣體流量可以使得氣體擴散速度更大，從而提高混合程度。S Agahzamin等［19］研究了鼓泡塔中內(nèi)構(gòu)件對氣體分散和液體混合的影響，并用相對平方根誤差公式對數(shù)值模擬與試驗數(shù)據(jù)的偏差進行了量化，結(jié)果表明內(nèi)件會顯著降低液相速度的波動，使液體混合性能降低。

式中，RRSE為相對平方根誤差；Xj為軸向氣速試驗值，xj為氣速預(yù)測值，為氣速試驗平均值，m/s。

2 液-固混合技術(shù)研究

2.1 停留時間

研究液-固混合的過程中，常用停留時間分布技術(shù) （RTD）。通過對圓頂蒸煮器的固-液兩相混合的水力評價，發(fā)現(xiàn)不同的混合方式對有效停留時間和實際停留時間影響極大，帶有葉輪的反應(yīng)器混合效果最佳，其次是水力反應(yīng)器，最差的是未混合反應(yīng)器［20］。在化工生產(chǎn)中，液-固混合過程通常發(fā)生在攪拌器或者流化床中，流體在層流或過渡狀態(tài)下發(fā)生反應(yīng)，需要研究懸浮顆粒的分布和均勻性。Olivier B等［21］基于壓力計技術(shù)，利用閉式間隙葉輪測定系統(tǒng)中懸浮顆粒的分數(shù)，研究了固-液懸浮體系在顆粒負荷較大時的層流和過渡區(qū)。

2.2 流動特性

Blais B 等［22-23］提出 CFD-DEM 固- 液混合模型，對黏性懸浮液混合動力學(xué)和斜葉渦輪攪拌槽內(nèi)的固-液混合問題進行了研究，發(fā)現(xiàn)影響混合動力特性的是2個摩擦因數(shù)，通過調(diào)整因數(shù)可以改變懸浮顆粒穩(wěn)定時間，達到影響混合效果的目的。在流化床中進行的液-固混合過程，顆粒難以完全均布，即使是相對均勻的流化床，反應(yīng)進行時床層顆粒的密度、大小和形狀也會隨著相互的撞擊、研磨產(chǎn)生變化。對流化床中液相停留時間分布的研究證實，液相擴散的均勻性與表觀液速、固相密度及粒徑有著較強的相關(guān)性，相關(guān)研究還提出了對應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式［24-27］。應(yīng)用放射性粒子跟蹤技術(shù)研究液-固兩相反應(yīng)過程中不同密度、粒徑顆粒在非均相流動床的流動，發(fā)現(xiàn)在低流速下小于0.6 mm的顆粒對二元床的流動特性有顯著影響，而在高于0.14 m/s的流速下，則是大顆粒在主導(dǎo)流動行為，據(jù)此可以對流化床中混合物運動進行預(yù)測［28］。

2.3 均勻度評價

Gu D等［29］研究攪拌槽內(nèi)固-液兩相系統(tǒng)的混合性能，用最大Lyapunov指數(shù)和軸向固體體積分數(shù)分布表征混合性能，提出了軸向固體體積分數(shù)分布的相對標準差計算式，根據(jù)此式分析，固體顆粒分散越均勻，RSD值越小。

式中，RSD為軸向固體體積分數(shù)分布的相對標準差；Cav為平均體積分數(shù)，Ch為高度為h處的固體局部體積分數(shù)。

Hosseini S 等［30］利用電阻層析成像技術(shù)（ERT）研究固體體積分數(shù)對固-液攪拌槽內(nèi)混合均勻度的影響，用試驗測得的體積分數(shù)數(shù)據(jù)計算均勻度（式（5）），用均勻度量化攪拌槽內(nèi)固體顆粒的分布。對試驗數(shù)據(jù)的分析認為，隨著固體顆粒體積分數(shù)的增大，顆粒間相互作用力增大，與上行流體的接觸更頻繁，更容易懸浮在液相中，起到改善均勻分布的作用。

式中，Homogeneity為固體均勻度；m為平面數(shù)；XV為固體體積分數(shù)，為平均體積分數(shù)。

3 液-液混合技術(shù)研究

3.1 影響因素

攪拌槽中的液-液混合過程會受到攪拌頻率、分散相體積分數(shù)、黏度及密度等條件的影響［31］。液-液混合同樣發(fā)生在靜態(tài)混合器中，例如硫酸烷基化反應(yīng)器［32］，為了加強內(nèi)部的混合，還用到了射流反應(yīng)器［33］、微反應(yīng)器等。 Ghotli R A 等［34］通過測定水解反應(yīng)速率，研究發(fā)現(xiàn)曲率角的增大能顯著降低功耗，提高反應(yīng)速率，而彎葉片葉輪相比其它結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟有效。

3.2 檢測技術(shù)

在油、水混合過程中，電阻層析成像（ERT）和聚焦束反射率測量（FBRM）技術(shù)被用來評估液-液流動，并測量攪拌釜內(nèi)的液滴尺寸，隨著油相黏度增大和液體界面張力降低，可以觀察到液滴變形速率增加［35］。

在液-液混合過程中，氣體常被注入反應(yīng)器以提高混合程度， Lin X Y 等［36］采 Villermaux–Dushman并行競爭反應(yīng)和熒光示蹤劑研究了惰性氣體對液-液混合的影響，僅在氣體流速為液體流速的5%～10%時，氣相有增強液相反應(yīng)的作用。

Siyuan Chen 等［37］通過試驗和數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究了微混合結(jié)構(gòu)液膜微通道中兩相之間的流動、傳質(zhì)及傳熱。試驗發(fā)現(xiàn)，交錯流動式結(jié)構(gòu)改善了兩相的流動和混合狀態(tài)，強化了界面的傳質(zhì)性能。A S Lobasov等［38］對不同尺寸的T型微通道內(nèi)的穩(wěn)態(tài)對稱過渡進行了數(shù)值研究，認為流態(tài)是否由對稱向非對稱過渡取決于混合通道上、下壁形成的旋渦之間的距離，當2個旋渦能夠獨立存在，相互之間又有作用力時，才能觀察到吞沒流流態(tài)。

Cheng D等［39］以硅油為連續(xù)相，采用平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）和折射率匹配技術(shù)，精確觀察并描述了分散相內(nèi)的宏觀混合。液滴在容器內(nèi)相互碰撞，發(fā)生聚并與破碎，在一定程度上消除了難以混合液-液分散體系中溶質(zhì)濃度在空間中的不均勻性。多相混合體系中分散相與連續(xù)相的宏觀混合行為并不一致，受到液滴相互作用速率的影響。

3.3 性能評價

在研究Y型微混合器角度對混合效率的影響中， Hsieh S S［40］等采用微激光誘導(dǎo)熒光（LLIF）和微粒圖像測速（LPIV）光學(xué)技術(shù)，依據(jù) Wang H 等［41］提出的局部混合效率meff計算式（式(6))，對混合器的性能進行了評估，得到的最佳角度為60°。

式中，meff為局部混合效率；C為出口橫向體積分數(shù)，C∞為完全混合時的體積分數(shù)，C0為初始體積分數(shù)；w為通道的寬度，μm。

Mansour M 等［42-44］通過 CFD 對 2 種混合液體在螺旋管內(nèi)的流動特性和混合性能進行了數(shù)值研究，采用均勻性指數(shù)Mc來表示流體之間的混合效率：

式中，Mc為均勻性指數(shù)；c為液體局部表面濃度，c為管截面上濃度的平均值；Af為表面積，mm2?；旌舷禂?shù)為1時兩相完全混合。隨著雷諾數(shù)的變化，始終有2個效率最佳值對應(yīng)的雷諾數(shù)Re1≈35和Re2≈650，前者用于螺旋管中混合效果更好。

在研究旋轉(zhuǎn)混合器的有效混合條件時，為使容器中液相達到有效混合的狀態(tài)，需要液體表面傾角與理想角度之比小于1，毛細管長徑比小于0.135，結(jié)合數(shù)值模擬和實驗結(jié)果提出了混合度計算式，即質(zhì)量分數(shù)分布的標準差［45］。

式中，η為混合度；i為計算序號；CS，i為 i溶液質(zhì)量分數(shù)，為平均質(zhì)量分數(shù)的目標值；VOFi為i溶液的體積分數(shù)；Vi為i溶液的體積，mm3。

4 結(jié)語

混合以宏觀簡單操作改變物質(zhì)接觸狀態(tài)與反應(yīng)性能，適當利用可以獲得良好的經(jīng)濟效益?；旌显O(shè)備在化工生產(chǎn)、冶煉金屬及生物制藥等領(lǐng)域的應(yīng)用促進了工業(yè)發(fā)展，同時工業(yè)技術(shù)的進步也對混合技術(shù)研究提出了更高要求。未來混合技術(shù)研究的主要內(nèi)容仍然集中在混合設(shè)備的開發(fā)、混合條件的選擇、混合時間和程度的控制、混合效果的評價等方面，采用新的研究方法、新的示蹤成像技術(shù)、新的測量技術(shù)來突破實驗室研究的限制，提高研究數(shù)據(jù)采集、分析、處理的精準性和速度是研究的主要方向。