郭長皓，鴉明勝，徐幼林，鄭加強

（南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，混合是一個使兩種或多種物料相互分散增加系統(tǒng)均勻性的單元操作過程，涉及兩相、三相或多相系統(tǒng)，用以加速傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)或物理變化，制取混合體，如溶液、乳濁液、懸濁液等。從宏觀的復(fù)合材料制備、農(nóng)用化學(xué)品的應(yīng)用、制藥、聚合物加工、飲用水和廢水處理，到微觀的微流通道中細胞等粒子的聚焦遷移，混合現(xiàn)象與生活息息相關(guān)。

固液混合是重要的混合操作之一，在許多單元操作中有著廣泛的應(yīng)用，如固體分散、溶解和浸出、結(jié)晶和沉淀、固體催化反應(yīng)以及農(nóng)藥的混合等。固液兩相混合的效果不僅直接影響化學(xué)反應(yīng)程度、質(zhì)量或傳熱效率、有效成分應(yīng)用率、產(chǎn)品質(zhì)量成本，還可能會對環(huán)境造成影響。因此研究高效的固液兩相混合方法以及精確的混合效果檢測，對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義。

目前國內(nèi)外對固液兩相混合的研究大多集中在混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及混合均勻性檢驗等方面，而對固液兩相混合機理的研究則相對較少。本文基于固體顆粒在液相中的分散機理，綜述了固液兩相混合技術(shù)的最新應(yīng)用進展，包括固相顆粒在液相中的分散方法以及對分散混合效果的檢測等研究，并對各類分散混合方法及檢測技術(shù)的優(yōu)缺點進行比較分析，最后提出固液兩相混合技術(shù)未來的研究發(fā)展建議。

1 固體顆粒在液相中的分散機理

固液混合是指固體顆粒在液相中的分散。其實質(zhì)是顆粒在液相中逐漸分離散開，與液相均勻混合的過程。顆粒在液體中的分散過程主要為以下三個階段：顆粒在液相中的潤濕；顆粒群的解體；穩(wěn)定顆粒的分散性，阻止顆粒再團聚。而其在液相中分散時主要由兩項因素決定其分散混合效果，其一為固體顆粒與液相的作用，即顆粒的潤濕，其二為液相中固體顆粒間的相互作用。

1.1 顆粒潤濕

潤濕過程其實就是固/氣界面的消失和固/液界面的形成。如圖1所示，為沾濕潤濕、浸濕潤濕以及鋪展?jié)櫇裥Ч?/p>

圖1 潤濕類型效果圖

沾濕潤濕是指固體表面與液體從不接觸到接觸的過程，即氣液界面與氣固界面被固液界面取代的過程；浸濕潤濕是指固體浸入液體的過程，即氣固界面被液固界面取代的過程；鋪展?jié)櫇駝t是指在潤濕過程中液固界面取代氣固界面的同時還擴展了氣液界面。

1.2 潤濕接觸角

固相顆粒的潤濕性通常用潤濕接觸角來度量。潤濕接觸角是液相與固相接觸時液固界面與液相表面切線的夾角，反映了液相分子與固相分子之間吸引力的大小，與潤濕狀態(tài)有著直接關(guān)系。當潤濕接觸角90°＜≤180°時，如圖1(b)所示為沾濕潤濕，固體顆粒不易潤濕。此時液相難以在固體顆粒表面鋪展，其中越大潤濕能力越小。當潤濕接觸角為0°＜≤90°時，如圖1(c)所示為浸濕潤濕，固體顆粒由于氣液界面的張力作用而不能完全潤濕，此時若固體顆粒的粒度和密度足夠大，即可浸濕到液體中。如圖1(d)所示為鋪展?jié)櫇瘢藭r液體完全鋪展在固體表面。值得注意的是，鋪展?jié)櫇駮r潤濕接觸角=0°，圖中為方便說明，放大了固液兩相之間的接觸角。

1.3 液體表面張力、固體粗糙度和固體表面能對接觸角的影響

影響潤濕接觸角的主要因素為液體表面張力、固體粗糙度以及固體表面能。在單一變量條件下，固體顆粒接觸角有如下變化規(guī)律。

（1）在相同材料表面上，接觸角隨著液體表面張力的增加而增加。

（2）在相同表面能、不同粗糙度的材料表面且當＞90°時，接觸角隨著粗糙度的增加而增加，達到最大值后趨于穩(wěn)定；當＜90°時，接觸角隨著粗糙度的增加而不斷減小。

（3）在粗糙度相同的表面，接觸角隨著固體表面能的增加而不斷減小。

當綜合考慮以上三個因素時，材料表面接觸角可表示為式(1)。

式中，為材料表面的接觸角；為液體表面張力；為固體表面能；為固體表面粗糙度。

1.4 潤濕熱

潤濕過程涉及固-液-氣三相體系的能量變化，在反映液相與固相表面鋪展功的同時，也反映固-液-氣三相之間的相互作用。同時潤濕過程與熱效應(yīng)有著緊密聯(lián)系，兩者是固體表面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及固-液兩相分子相互作用等微觀特性的綜合表現(xiàn)。在潤濕過程中潤濕熱可表示為式(2)。

式中，為固液界面面積；為氣液界面面積；、、分別為固氣界面、固液界面和液氣界面的表面張力。

潤濕熱的大小只與潤濕接觸角有關(guān)，且與潤濕接觸角成反比，故亦可用其表征固體顆粒的潤濕程度及潤濕過程。

1.5 液體中固體顆粒的相互作用

固體顆粒被液體浸濕后，在液體中有兩種存在形式，即分散與團聚。影響固體顆粒存在形式的相互作用力包括范德華力、雙電層靜電力、溶劑化力、因吸附高分子而產(chǎn)生的空間效應(yīng)力等。Derjaguin、Landau、Verwey、Overbeek 等提出的DLVO理論認為顆粒間的范德華力和雙電層引起的靜電作用勢能之和決定了顆粒能否在一定的條件下穩(wěn)定存在，其值由式(3)計算。

式中，為總勢能；為范德華作用勢能；為雙電層靜電排斥作用勢能。因此當＞時，顆粒之間的引力大于斥力，發(fā)生團聚；當＜時，顆粒間的斥力大于引力，為分散狀態(tài)。

若考慮其他力的作用，則需要在DLVO理論的基礎(chǔ)上擴展為式(4)。

式中，為溶劑化膜作用勢能；為聚合物吸附層的空間排斥作用勢能。

同理，當＜++，即顆粒間的排斥力大于范德華力時，顆粒分散。因此基于以上理論，可以通過增大顆粒間的排斥力促進分散，即增大顆粒間的靜電排斥作用、增大溶劑化膜的強度和厚度，增強溶劑化排斥作用、增大吸附層的空間排斥作用。

2 固液分散混合方法

根據(jù)固體顆粒在液體中的分散機理，可以采取減小潤濕角、提高潤濕熱、改變顆粒表面性能、增加顆粒間相互作用力使顆粒自發(fā)在液體中分散的化學(xué)分散方法；也可以使用合理的機械施加外力，迫使顆粒在液體中分散與液體混合的物理分散方法。

2.1 化學(xué)分散法

化學(xué)分散是一種應(yīng)用較為廣泛的分散方法，通常采用添加表面活性劑、偶聯(lián)劑或電化學(xué)改性等方法對固體顆粒進行表面改性，改變顆粒間的相互作用力，促進粉體顆粒分散。

2.1.1 表面活性劑

表面活性劑是一種能降低液體表面張力的化學(xué)品，一般由親水基團和親油基團兩部分組成。如圖2(a)所示，它能在固體顆粒的表面形成包覆膜，產(chǎn)生空間電阻，改變顆粒表面的潤濕性，減少顆粒間的相互作用，從而促進顆粒在液體中的分散。按其成分分類，主要分為：陽離子表面活性劑，如十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、聚丙烯酰胺（PAM）等；陰離子表面活性劑，如二-(2-乙基己基)磺基琥珀酸鈉（AOT）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）等；非離子型表面活性劑，如聚乙二醇（PEG）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）、吐溫（TW）、三乙醇胺（TEA）等；以及同時含有陽離子與陰離子基團的兩性表面活性劑，如十二烷基甜菜堿（DB）、十六烷基氨基苯磺酸（HABSA）等。

圖2 化學(xué)分散法原理圖

表1所示為表面活性劑對分散效果影響的部分研究。從表1中可以看出，表面活性劑的用量是影響固體顆粒改性的因素之一，適當?shù)卦黾颖砻婊钚詣┑挠昧坎粌H可以改善固相分散性，還可以增強分散的穩(wěn)定性，但若過量使用反而會降低分散效果。不同類型的表面活性劑對不同固體顆粒的分散穩(wěn)定性影響也往往不同，例如兩性表面活性劑分子由于頭部的負電荷和相反的陽離子電荷之間存在強烈的靜電相互作用，因此對碳基納米材料的吸附高于陰離子表面活性劑，表現(xiàn)出更好的分散性，但同時也會減弱分散穩(wěn)定性。除此之外，當同時使用不同類型的表面活性劑對固體顆粒進行表面改性時，表面活性劑之間的相互作用也會影響改性效果。

表1 表面活性劑對分散效果的影響

2.1.2 偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑是一種分子中含有親無機基團和親有機基團兩種不同性質(zhì)官能團的物質(zhì)，如圖2(b)所示，偶聯(lián)劑的官能團通過與固體顆粒表面的官能團進行脫水縮合，可以實現(xiàn)與固體顆粒的連接，改善其表面性能。由于其使用方便、熱穩(wěn)定性好、性價比高等特點而被廣泛應(yīng)用。偶聯(lián)劑按照化學(xué)結(jié)構(gòu)分類可大致分為羧酸偶聯(lián)劑、聚合物偶聯(lián)劑、有機磷分子偶聯(lián)劑以及硅烷偶聯(lián)劑等四類。相比較其他類型的偶聯(lián)劑，硅烷類偶聯(lián)劑在改善顆粒分散性方面的應(yīng)用更加廣泛。影響偶聯(lián)劑對顆粒改性效果的因素有很多，除了偶聯(lián)劑的種類和用量外，不同的反應(yīng)環(huán)境、不同的實驗溫度、不同的液相pH 以及不同的反應(yīng)時間都會得到不同的改性效果。且一般情況下對于不同的固體顆粒，其最佳改性條件因素也不同。

2.1.3 電化學(xué)改性

如圖2(c)所示，固體顆粒的電化學(xué)改性是將固體顆粒依附在金屬電極上或與電解液混合，利用電流通過固體顆粒，打破固體顆粒表面離子間的平衡，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而引起固體顆粒表面官能團的變化，繼而使顆粒表面特性發(fā)生變化的一種固體顆粒表面改性技術(shù)。通過控制電位、電解液的成分、電極材料、通電時間等手段可以調(diào)節(jié)電化學(xué)改性對固體顆粒表面改性的效果。

綜上所述，固體顆粒的化學(xué)分散由“內(nèi)”出發(fā)，根據(jù)顆粒分散機理，對固體顆粒進行表面改性，或增加顆粒表面靜電排斥力、空間位阻力，從而減少顆粒團聚；或引入親水疏水官能團等改善顆粒表面的親水性。這種方法雖然能夠從根本上促進固體顆粒在液體中的分散，同時能增加顆粒的分散穩(wěn)定性，但是卻缺乏普適性，對于不同的固液相混合，需要選擇不同的分散劑，以達到最佳的分散效果。而即使是對同一種固體顆粒，使用同一種分散劑，分散劑的用量及環(huán)境因素都會對固體顆粒的分散效果產(chǎn)生影響。除此之外，表面改性雖然能夠較好地保持顆粒的分散性，但是這些化學(xué)試劑在有效改善顆粒分散性的同時也有可能破壞顆粒表面原有的性質(zhì)，影響材料的使用。

2.2 物理分散法

物理分散是指通過物理作用使液體內(nèi)部產(chǎn)生沖擊、剪切、拉伸等外力來促使固體顆粒分散，防止團聚。常見的物理分散法包括機械分散、超聲分散、靜電分散等。其中機械分散是通過混合器中液相流體剪切力或其他流體力來分散固相。根據(jù)混合器結(jié)構(gòu)的不同一般分為攪拌釜混合器、撞擊流混合器、射流混合器、靜態(tài)混合器和動態(tài)混合器。

2.2.1 機械分散

（1）攪拌釜混合

攪拌釜是一種在生物、化工等領(lǐng)域最常見的固液兩相反應(yīng)器，通過高速旋轉(zhuǎn)的槳葉對釜內(nèi)物料進行混合。一般情況下，通過攪拌器攪拌會產(chǎn)生可能同時存在的三種基本流型，即切向流、軸向流以及徑向流。其中軸向流與徑向流對混合起正向積極作用，而切向流會對混合起到負面作用，因此應(yīng)加以抑制。而攪拌釜內(nèi)擋板的存在不僅可以抑制切向流，將切向流變?yōu)檩S向流和徑向流，而且可以增大混合時釜體內(nèi)流體的湍流程度，改善混合效果。

攪拌器是攪拌釜反應(yīng)器最重要的組成部分，對混合效果有著直接的影響。如圖3所示，傳統(tǒng)的攪拌器形式主要有槳式攪拌器、推進式攪拌器、渦輪式攪拌器、錨框式攪拌器、鋸齒圓盤式攪拌器、螺帶式攪拌器等。不同類型的攪拌器會產(chǎn)生不同的流場，槳式、渦輪式、錨框式以及鋸齒圓盤式攪拌器傾向于產(chǎn)生徑向流，而推進式與螺帶式攪拌器則產(chǎn)生軸向流，因此不同形式的攪拌器對不同粒徑及濃度的固體顆粒的混合效果也不同。同時具有較大直徑的攪拌器其混合能力也較好，但這種優(yōu)勢會隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加而減小。在傳統(tǒng)攪拌器類型的基礎(chǔ)上，近年來一些新型的攪拌器被用于提升混合效果，如將錨框式與斜葉槳式攪拌器相結(jié)合的改進型框式組合槳攪拌器；將兩個上下垂直分布于攪拌軸的Intermig 槳相結(jié)合的改進型雙Intermig 槳攪拌器；具有不同數(shù)量、形狀、傾角的葉片的改進型多葉片錨式攪拌器；由V形槽葉片代替直板葉片，減小了混合時的阻力，提高了混合效率的V形槽葉片攪拌器等。

圖3 攪拌釜示意圖

攪拌器的安裝高度也是影響混合效果的一個因素。隨著離底間隙的增加，混合系統(tǒng)的能量耗散會減少，攪拌器懸浮顆粒的能力降低，固體顆粒在攪拌釜底部堆積，致使系統(tǒng)內(nèi)混合均勻性降低。然而若離底間隙太小，攪拌器葉片排出的液體流程較小，流型不能完全展開，會使攪拌器下方中心位置處的流動減弱。隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加，攪拌器離底間隙對混合均勻性的影響也會被削弱。

攪拌器的轉(zhuǎn)速往往存在一個最優(yōu)值，當轉(zhuǎn)速小于最優(yōu)值時，混合均勻性隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加；然而當轉(zhuǎn)速高于最優(yōu)值時，由于攪拌釜內(nèi)循環(huán)流的離心力，轉(zhuǎn)速的增加反而會降低混合的均勻性。

攪拌釜的釜底形狀如圖3所示，主要分為平底形、橢圓形和球形等，不同的釜底形狀對釜內(nèi)流場的影響也不同。與平底形釜底相比，采用橢圓形釜底可以有效避免流動死區(qū)的形成，而采用球形釜底可減少液體速度的損失，循環(huán)效果較好，顆粒懸浮的速度更快也更均勻。

（2）撞擊流混合

撞擊流混合是利用流體在撞擊碰撞過程中產(chǎn)生的高壓、高速湍流等作用對顆粒進行分散。如圖4(a)所示，碰撞后的撞擊流流場一般分為以下區(qū)域：①流體從噴嘴射出的射流區(qū)；②流體發(fā)生碰撞的撞擊區(qū)；③流體發(fā)生碰撞后沿軸向流動的撞擊流區(qū)；④撞擊后向下流動的流體向上倒轉(zhuǎn)流動的折射回流區(qū)；⑤撞擊后直接向上流動的管流區(qū)。如圖4(b)所示，根據(jù)流體雷諾數(shù)不同，混合裝置內(nèi)的基本流型一般有層流、過渡流以及湍流三種。在不同類型的流場中固相顆粒的運動軌跡、最大滲入深度以及停留時間也往往不同，其中撞擊區(qū)的湍流動能最強，壓力最大，是固液兩相進行均勻分散的主要區(qū)域。

圖4 撞擊流流動區(qū)域分布及基本流型[59]

固體顆粒在撞擊流中的分散混合主要是依靠撞擊流的剪切、碰撞來實現(xiàn)，因此撞擊流混合裝置的結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)部的流場特性也不同，分散混合效果也會不同。按照不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，傳統(tǒng)的固液撞擊流混合裝置有不同分類：按射流數(shù)目分為單股、雙股和多股撞擊流，按噴嘴形狀分為軸對稱和平面撞擊流，按噴嘴分布分為水平對置、Y 形和多進口漩渦撞擊流，按射流對稱性分為對稱和不對稱撞擊流，按環(huán)境空間限制分為自由和受限撞擊流等。

撞擊流混合的混合效果會受到混合器的形式、噴嘴的數(shù)目、分布、間距以及流體雷諾數(shù)等參數(shù)的影響。以常見的水平對置撞擊流混合器為例，當噴嘴間距過小時，由于流體撞擊面積較小，因此不利于混合；若噴嘴間距過大，則由于流體撞擊的劇烈程度較弱，同樣不利于混合。有研究指出，對雙噴嘴水平對置撞擊流混合器來說，噴嘴的最佳間距為三倍的噴嘴直徑。一般而言，增加噴嘴數(shù)量可以增強撞擊流混合器內(nèi)的剪切力場，更有利于混合。增大流體的雷諾數(shù)同樣可以促進混合，但同時會縮短流體在撞擊區(qū)的停留時間，因此若應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)，選擇合適的雷諾數(shù)相對于較大的雷諾數(shù)更有利于反應(yīng)的進行。

近年來國內(nèi)外許多研究人員對撞擊流混合器在傳統(tǒng)形式基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進，如將多根同軸進料管對稱安裝，可同時進行物料反應(yīng)與混合的多組同軸相向撞擊流反應(yīng)器；采用分層式設(shè)計且同層進料管對置，在滿足多股物料混合的同時還可以增加流場層間擾動的新型雙組分層式撞擊流混合器，以及進料管安裝SK 靜態(tài)混合元件的對稱T 形混合器等。

（3）射流混合

常見的射流混合器大多為文丘里結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示。其基本原理是利用經(jīng)過收縮段加速的流體在吸入室射入另一種速度相對較低的流體時，由流體間的剪切力造成的混合管路內(nèi)壓力分布不均，使不同壓力的流體發(fā)生能量和質(zhì)量交換，從而促使流體均勻混合。

圖5 射流混合器[68]

射流混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如管徑、吸入室位置、收縮段和擴散段角度等決定了固液兩相混合效果。在一定范圍內(nèi)，文丘里管的直徑越大，在吸入室處的負壓越大，吸附力越強。研究表明，將吸入室垂直于文丘里管并設(shè)置在喉管后，也可以提升吸附力，利于固體顆粒的分散。當收縮段角度為21°±1°時混合效果較好，同時擴散段選用較大的角度可以減小壓力損失，提高混合效果。在傳統(tǒng)文丘里射流混合器的基礎(chǔ)上，如圖5(b)、(c)所示，Li等設(shè)計并搭建了孔式環(huán)形粉液混合實驗臺，利用流體流經(jīng)環(huán)形噴腔流速的增加，產(chǎn)生較大的壓降和吸附力，同時粉末吸出管采用孔狀結(jié)構(gòu)，避免了大量粉末同時被吸入，保證了固液兩相的均勻混合。

目前對于固液射流混合器的研究絕大多數(shù)都集中在對射流混合部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化改進。而實際上，在固相顆粒輸送過程中很容易發(fā)生堵塞，影響混合過程的進行。料斗是常用的固體顆粒存儲與運輸裝置，通過改變料斗的出口直徑及傾斜角或在料斗內(nèi)增設(shè)插件都可以有效緩解料斗堵塞問題，然而目前對于料斗卸料的研究主要集中在適用于化工領(lǐng)域等的大型料斗，而對于適用于射流混合器進行固液混合過程中固體顆粒存儲與運輸?shù)闹行⌒土隙穮s鮮有研究。

（4）靜態(tài)混合

靜態(tài)混合器是以流體的軸向流動動能為動力，通過管內(nèi)固定的各種復(fù)雜構(gòu)件的作用，使流體物料在管內(nèi)流動時產(chǎn)生分割、反轉(zhuǎn)、剪切、沖擊、合流等流動方式，從而引起流體層流的運動速度梯度增大或者形成湍流及新的層流，使物料充分混合。常見的靜態(tài)混合器根據(jù)管內(nèi)元件的不同，有SV 型、SK 型、SH 型、SL 型以及SX 型五種，如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器管內(nèi)元件數(shù)目是影響其混合性能的因素，適當增加混合元件的數(shù)量有利于混合均勻性的提升，但當混合元件數(shù)量增大到一定值后，對固液兩相混合均勻性的提升效果將不再明顯。對于SK型靜態(tài)混合器而言，SK混合元件的扭轉(zhuǎn)角度也是一個影響混合效果的因素。有研究指出，SK 混合元件的扭轉(zhuǎn)角為150°和180°時具有較好的混合效果。

為了提升混合效果，近些年來出現(xiàn)了許多新型的靜態(tài)混合器，這些新型的靜態(tài)混合器按其創(chuàng)新思路可以分為兩大類：一類是在傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器的基礎(chǔ)上作出修改，如將SX型與SH型混合元件交替安裝使用提高了混合效應(yīng)的SXSH型靜態(tài)混合器，增大SX型混合元件橫桿間隙的SX plus型靜態(tài)混合器，將傳統(tǒng)SX 型混合元件幾何形狀修改為圓形鋸齒形、三角鋸齒形、方形鋸齒形以及穿孔元件等的改進SX 型靜態(tài)混合器等。另一類則是提出全新的靜態(tài)混合元件。例如，如圖7(a)所示，可以生成高效的漩渦，從而強化靜態(tài)混合器管內(nèi)湍流的空心十字盤式（HCD）靜態(tài)混合器；如圖7(b)所示，可以有效避免掛漿、破壞高分子化學(xué)品結(jié)構(gòu)的三角形管壁葉片式靜態(tài)混合器；如圖7(c)～(e)所示，利用流體的分離和重組，增強混合效果的拆分和重組（SAR）靜態(tài)混合器；如圖7(f)所示，可以產(chǎn)生大規(guī)模縱向漩渦，增強橫截面上混合效果的高效渦流（HEV）靜態(tài)混合器；如圖7(g)所示，采用矩形排列，從而可以極大地改變流體流動方向的LPD 型靜態(tài)混合器等。

圖7 新型靜態(tài)混合器[79-83]

（5）動態(tài)混合

動態(tài)混合器是一種管道混合設(shè)備，一般以定子與轉(zhuǎn)子為主要元件，依靠轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)對管內(nèi)固液兩相流實現(xiàn)分割、擾流、剪切、擠壓等一系列操作，實現(xiàn)兩相流的混合。由于其對流體有很強的剪切作用，因此一般用于高黏度固液兩相流的混合。

如圖8(a)所示，為動態(tài)混合器中較為常見的球穴式動態(tài)混合器，其主要由交錯排列的含空腔的定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。通過定子轉(zhuǎn)子間隙可以控制混合裝置內(nèi)的拉伸動作，間隙越小，剪切強度越大，混合效果越好，因此定子轉(zhuǎn)子間隙對于混合效果起著主要作用。另一個主要因素是轉(zhuǎn)子定子上的空穴數(shù)量，轉(zhuǎn)子定子上每排的空穴越大越少，每個空腔可以包含的流體體積越大，開合時間越長，混合效果越好；適當增加混合器空穴的行數(shù)也可以提升混合效果，但行數(shù)過多混合效果的提升將會不那么明顯。同時進料量和操作轉(zhuǎn)速以及外腔內(nèi)的流型和兩相流體的密度差、黏度等也會對混合效果產(chǎn)生一定的影響。除了常見的球穴式動態(tài)混合器，還有諸如圖8(b)～(d)所示的可控變形動態(tài)混合器（CDDM），通過控制定子與轉(zhuǎn)子發(fā)生相對位移，改變動態(tài)混合器的混合模式，與現(xiàn)有工業(yè)混合器比較，其獲得等黏度產(chǎn)品所需的能量消耗和壓力較小。如圖8(e)所示是一種混合元件由混合流體驅(qū)動的螺旋轉(zhuǎn)子的隨動式動態(tài)混合器，由于管內(nèi)隨動式轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動，聚集的顆粒受到流體剪切力的作用可以被有效地分散。然而由于過高的轉(zhuǎn)速會使顆粒遠離管道中心，影響徑向混合效果，因此并不適用于高速流體相的混合。

圖8 動態(tài)混合器[85-87]

機械分散是一種強制性分散方法，只要作用強度足夠大，比較容易實現(xiàn)粉體顆粒的分散化。其不足之處在于，盡管超微粉體的顆粒團聚在分散器中被分散，但是粉體顆粒的表面及界面性質(zhì)并沒有發(fā)生改變，顆粒之間的團聚作用力依舊存在，因此一旦粉體顆粒脫離機械分散環(huán)境，很可能重新產(chǎn)生團聚。

除此之外，現(xiàn)有常見的混合系統(tǒng)雖然能夠較好地實現(xiàn)固液兩相的混合，但或多或少都存在些不足之處。攪拌釜混合流量大且操作簡單，但是與其他混合裝置相比體積較大，在混合過程中容易存在死區(qū)，而且由于需要傳動裝置驅(qū)動攪拌器運動，因此能耗較大。撞擊流混合由于依靠兩股或多股高速流體撞擊進行混合，因此具有較好的傳熱傳質(zhì)特性，但其只能實現(xiàn)快速混合，且流體流速不宜過大，混合不夠徹底。射流混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單、成本低、功率消耗低且混合效率高，然而可能無法穩(wěn)定地吸入固體顆粒，甚至發(fā)生堵塞，從而影響混合效果。靜態(tài)混合器具有工作流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、操作靈活、安裝及維修方便等優(yōu)點，但容易造成流道堵塞，混合效果受流體流速影響較大，混合效果有限。動態(tài)混合器能夠高效混合高黏度流體，且目前也主要應(yīng)用于混合高黏度流體，因此相比于其他混合方法，其對固液混合的適應(yīng)性較差。

2.2.2 超聲分散

超聲分散是將固液混合物置于超聲場中，利用超聲空化時產(chǎn)生的沖擊波弱化微粒間的作用能，使其均勻分散，是一種簡單、高效且成本較低的分散方法。當超聲作用于流場時會在流場中形成中心-底面-壁面-中心的環(huán)流，且在超聲探頭附近存在最大流速，而這種環(huán)流的形成和分布會受到容器高寬比的影響。環(huán)流的攪拌作用使得容器內(nèi)固液混合物在即使不添加分散劑的情況下也能均勻混合。與傳統(tǒng)的機械攪拌分散相比，超聲分散不僅混合效果更好，而且分散后的固液混合物的分散穩(wěn)定性更好。

超聲分散對固液兩相混合物的分散效果與分散時間、聲學(xué)參數(shù)及顆粒、流體性質(zhì)等因素有關(guān)。固液混合物中固相的分散性會隨著超聲分散時間的增加而增加。然而若超聲分散的時間過長，不僅有可能會導(dǎo)致固相產(chǎn)生表面形貌改變、斷裂等缺陷，還會引起固液混合物溫度的升高，加劇固相顆粒的共振運動，引起顆粒的二次團聚。因此，不可盲目通過增加超聲作用的時間來提升固相顆粒的分散效果。超聲功率的增加可以使液相流速加快，從而促進固相的分散。在一定范圍內(nèi)超聲溫度的升高也可以提升固相的分散效果，但當溫度升高到一定值后，對分散效果的提升將不再明顯。

2.2.3 靜電分散

靜電分散根據(jù)庫侖定律，為粉體顆粒荷以同一極性的電荷，利用顆粒之間的庫侖斥力來克服顆粒間的引力進行分散，對分子間作用力較強的超細粉體顆粒的分散效果尤為明顯。但隨著放置時間的增長，顆粒荷電量會逐漸衰減，因此靜電分散具有時效性，且與液體混合后靜電對固體的分散效果以及靜電絕緣問題還有待進一步深入研究，故目前一般只能用于粉體顆粒進一步分散前的預(yù)分散。

為固體顆粒荷電的方法有接觸荷電、感應(yīng)荷電及電暈荷電等，其中電暈荷電的效果最好。荷電電壓是影響顆粒靜電分散最重要的因素，荷電電壓越高，產(chǎn)生的電子越多，吸附在顆粒表面的電子越多，顆粒間的排斥力也越大。但若荷電電壓過大電場中會產(chǎn)生電流，此時不再是電暈放電，顆粒無法帶電。不同粒徑及材料的顆粒吸收電子的能力不同，因此在同樣的荷電電壓下，不同粒徑及材料的顆粒的分散性也會不同，通常情況下粒徑較小的顆粒吸收電子的能力更強，但同時顆粒粒徑越小分子間作用力也越強，完全分散需要的排斥力也越大。除此之外，若顆粒的濕度大，顆粒間的液橋力也較大，影響顆粒分散的效果。因此在采用靜電分散對顆粒進行分散前最好進行干燥處理。

如前所述，靜電分散對顆粒的分散效果具有時效性。隨著帶電顆粒在空氣中存放時間的延長，帶電顆粒的電荷會呈指數(shù)關(guān)系衰減，衰減率會受到顆粒屬性和空氣濕度等因素的影響：粒徑越小、相對介電常數(shù)越高的帶電顆粒，電荷衰減率越低。而通過減小空氣濕度，也可以使電荷衰減率減小。除此之外，帶電粒子的初始荷質(zhì)比越大，衰減率也越大，但相對初始荷質(zhì)比較小的帶電粒子，其在整個衰變過程中的荷質(zhì)比仍然較高。

3 固液兩相混合效果檢測技術(shù)

固液兩相混合的混合過程及混合均勻性對混合的效果有著決定性的影響，因此混合過程的檢測是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。通過對混合裝置內(nèi)固液兩相的檢測，可以了解混合的進程，使得混合物之間得到充分的混合，提高混合質(zhì)量，同時可以減少過度混合造成的資源浪費。

現(xiàn)有的固液兩相混合效果的檢測技術(shù)按其作用形式主要可以分為兩類，即侵入式以及非侵入式。其中侵入式檢測主要以圖9(a)所示的各類探針法為代表，而非侵入式檢測包括如圖9(b)所示的圖像分析處理、超聲衰減法、動態(tài)光散射法、電阻層析成像技術(shù)等。

圖9 混合效果檢測技術(shù)示意圖

3.1 探針法

當探針在固液兩相混合過程中與固液兩相混合物直接接觸時，可以通過測得的參數(shù)（如電導(dǎo)探針的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)探針的熱導(dǎo)率等）來反映探針附近固液混合物濃度，繼而觀察隨時間的變化。即通過--的變化關(guān)系定量評價混合均勻性。

常用的探針法測量主要為電導(dǎo)探針、光纖探針等。電導(dǎo)探針通過測量混合裝置中電導(dǎo)率隨混合時間的變化，得到混合裝置內(nèi)固液兩相混合狀態(tài)，因此需要液相具有導(dǎo)電性，且液相與固相之間的導(dǎo)電性具有一定的差異；光纖探針通過測量懸濁液中顆粒經(jīng)過光纖探頭時的反射光，并經(jīng)光電檢測裝置將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，繼而得出顆粒分散信息，但當顆粒體積分數(shù)超過2%～3%范圍后光學(xué)信號與顆粒分散不存在線性關(guān)系，因此該方法僅能測量低濃度固液混合物。

除了電導(dǎo)探針與光纖探針外，一些其他的探針法也被應(yīng)用于混合效果的測量，如：熱針法利用測量探針對被測樣品進行加熱與測溫，根據(jù)不同濃度的固液混合物具有不同的熱導(dǎo)率，得出固液混合物的濃度；多相流視覺探針基于遠心攝影，采集固液兩相流的圖像，對圖像進行分析得到顆粒的體積分數(shù)，用式(5)計算。

式中，是顆粒體積分數(shù)；是視覺探針拍攝到的顆粒數(shù)；V是拍攝到的第個顆粒的體積；是探針鏡頭的景深；是測量視口的橫截面積。

探針法是一種簡單廉價的固液兩相混合監(jiān)測方法。但是由于探針法的測量過程是侵入式的，且一般測量的是局部濃度，因此實際應(yīng)用中往往需要同時使用多個探針來測量整體的測量屬性空間分布，而探針的存在引起的流體流動的擾動會改變混合機制，從而導(dǎo)致測量結(jié)果不具有代表性。此外，實際操作過程中，固液混合物可能會污染探針影響測量結(jié)果，甚至?xí)p壞探針。同時探針也存在安裝困難等實際問題。

3.2 圖像分析處理

圖像分析處理是一種簡單且具有高分辨率的固液混合檢測分析技術(shù)。它是通過拍攝透明管道后的混合裝置的一個小區(qū)域，并用這個區(qū)域表征整個混合物的測量技術(shù)。通過高速攝像機能夠直觀地觀察混合過程中固液兩相的混合情況，也可以通過對圖像進行預(yù)處理進而獲得顆粒在液相中的運動軌跡及運動速度，但無法直接定量地獲得固液兩相混合的均勻性。因此，如何通過獲得的圖像來定量評價固液兩相混合的均勻性一直是圖像分析處理過程的研究熱點。

Sette 等通過分割出圖像中的固相顆粒來標記顆粒質(zhì)心，并使用Kalman 濾波器，通過分析連續(xù)幀中顆粒的分布來獲得顆粒的運動軌跡和速度。同時定義式(6)為顆?；旌现笖?shù)來評價固液兩相混合的均勻性。

式中，為檢測到的顆粒數(shù)；為顆?？倲?shù)；為每個視頻中最后一次觀察到的顆粒對應(yīng)的時間。當= 1 時，視為完全混合。Le Co?nt 等提出一種腐蝕盒計數(shù)法的圖像處理技術(shù)，基于分形維數(shù)及其在圖像連續(xù)腐蝕過程中的演化來跟蹤混合物的均勻性。Xiao等提出了一種基于熵理論，直接應(yīng)用于流場成像的測量微顆粒混合均勻性的方法，通過式(7)計算直接成像技術(shù)局部混合系統(tǒng)的均勻性指數(shù)來表征Zn-Fe-SiO復(fù)合鍍層流場電沉積過程中微粒沉積的均勻性。

式中，g為分割區(qū)域R中的像素的值（一張圖片由個獨立的矩形組成，=1,2,…,）；ˉ為g的平均值；表示圖像熵。當=1 時混合均勻性最好。

以上對于固液兩相混合均勻性的分析都是基于二維平面圖像，這對于實際上呈三維空間分布的固相顆粒的均勻性表達具有一定的局限性。針對這一問題，代祥等通過采集水平與垂直視角下固液混合物的圖像，根據(jù)呈垂直關(guān)系的兩個視角圖像中顆粒橫向坐標的一致性，對顆粒進行匹配，重構(gòu)出顆粒的三維空間坐標。并提出基于空間體積加權(quán)法的顆粒空間分布均勻性指數(shù)的計算方法，即式(8)。

式中，?為控制體分塊內(nèi)顆粒數(shù)量；為控制體內(nèi)平均顆粒含量；V為控制體分塊體積；為控制體內(nèi)分塊數(shù)量。同樣，當= 1時混合均勻性最好。然而這種顆粒坐標三維重構(gòu)的方法僅適用于固相顆粒濃度較低的固液混合物。除此之外，由于圖像的獲取是通過相機對混合裝置內(nèi)的混合物進行拍攝，要求混合裝置必須是透明的，或者在測量位置是透明的。其次圖像分析技術(shù)測量的只有成像面上的混合情況，若該平面上固液兩相混合效果不好或者顆粒沉積在容器壁上都會影響整體的測量結(jié)果。同時為了便于對圖像進行分析往往需要通過附加照明條件以獲得高對比度圖片，然而這在實際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很難實現(xiàn)。

3.3 超聲衰減法

超聲衰減法是利用超聲波在固液兩相流中傳播時由于固體顆粒的粒徑、濃度等因素的不同，導(dǎo)致超聲波由于散射、吸收等產(chǎn)生衰減的衰減系數(shù)不同，來對固液混合物濃度或固體顆粒分布進行測量。由于其控制的快速響應(yīng)以及容易實現(xiàn)在線監(jiān)測等特點而被應(yīng)用于固液兩相流混合效果的檢測。

超聲的衰減與顆粒粒徑及濃度的關(guān)系直接影響檢測精度。針對這一問題Carlson 等推導(dǎo)了超聲波通過低濃度固液兩相流，不存在多重散射時超聲的過量衰減系數(shù)()的理論表達式，見式(9)。通過檢測顆粒質(zhì)量分數(shù)低于10%的白云石顆粒懸浮液的質(zhì)量濃度分布驗證該理論表達式的準確性。

式中，為脈沖的樣本數(shù)；[]為質(zhì)量分數(shù)為時接收到的脈沖采樣版本；[]為純水中相應(yīng)的測量值。

Stener等探討了脈沖回波超聲在高濃度固液混合物中應(yīng)用的可能性，基于互相關(guān)的方法對固液混合物中一維和二維顆粒速度進行了局部化測量，并從后向散射信號的功率譜密度中提取局部顆粒濃度信息。Shi 等以粒徑小于10μm 的碳酸鈣及黃泥為對象，研究了不同成分的顆粒及顆粒濃度對超聲衰減的影響，結(jié)果表明，由于碳酸鈣的沉積特性，其懸濁液分布較為不均勻，導(dǎo)致測量誤差更大。

除此之外，溫度以及混合過程中由于實際操作引入的外在因素也會對超聲波的衰減產(chǎn)生影響，因此Huang等設(shè)計了一種用于同時測量固體懸浮液的濃度和流速的新型便攜式超聲波裝置，并對超聲波在固液溶液中的傳播進行溫度補償，通過實驗數(shù)據(jù)擬合分別建立了超聲波在高嶺土與水的混合物及泥沙與水的混合物中衰減隨濃度和溫度變化的關(guān)系，見式(10)與式(11)。

式中，為高嶺土的濃度；為泥沙濃度；為超聲衰減系數(shù)；為溫度。

而Zhan 等針對攪拌釜內(nèi)固液混合過程中會引入空氣形成氣泡從而影響混合效果監(jiān)測的問題，提出了一種基于超聲光譜和協(xié)同區(qū)間偏最小二乘回歸（Si-PLS）模型相結(jié)合的在線監(jiān)測含氣泡的固液混合物顆粒濃度的方法，并通過跟蹤回波信號，用式(12)定量計算了混合均勻性Hom。

上述的超聲衰減法往往僅限于測量固液混合物中的固相或液相，而不能同時測量。為了監(jiān)測工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中結(jié)晶等需要控制晶體生長與尺寸以獲得所需的高質(zhì)量產(chǎn)品的特殊混合，Stelzer等使用超聲結(jié)晶監(jiān)測技術(shù)（UCM），通過在固液混合物中浸入兩個超聲傳感器，一個濾網(wǎng)保護的超聲傳感器與一個直接暴露在懸濁液中的超聲傳感器，同時測量結(jié)晶過程中懸濁液密度、固相平均晶粒尺寸和液相濃度。然而該技術(shù)無法測量混合過程中結(jié)晶體的粒徑分布。

3.4 動態(tài)光散射法

動態(tài)光散射法的基本原理是在激光光源的照射下液體中的顆粒由于布朗運動，其散射光強在某個固定散射角上相對于某一平均值會隨機漲落，漲落的速度與顆粒的粒徑有關(guān)。因此通過對散射光強做自相關(guān)運算，得到光強的自相關(guān)函數(shù)，利用反演算法對光強自相關(guān)函數(shù)進行反演，便可直接獲得顆粒的粒度信息。然而由于動態(tài)光散射法的檢測效率高、成本低以及非侵入性，因此不乏有研究者利用動態(tài)光散射技術(shù)來測量固液混合物中的顆粒濃度。

Vysotskii等通過測量單分散系統(tǒng)中散射強度分布及納米顆粒尺寸分布，計算顆粒的平均粒徑及其權(quán)數(shù)，獲得顆粒平均粒徑的顆粒濃度，繼而轉(zhuǎn)換為總的顆粒濃度。Minelli等采用累積量法通過多分散指數(shù)和散射光強度加權(quán)諧波平均半徑來表示顆粒粒徑，根據(jù)散射強度、折射率、吸收率及粒徑分布來估算相對體積濃度，繼而用相對體積濃度與單個顆粒體積的比值來估算顆粒濃度。Austin等采用多角度動態(tài)光散射技術(shù)，基于強度加權(quán)粒度分布到絕對濃度的轉(zhuǎn)換來測量納米顆粒的濃度。Dan等利用Turcu提出的有效散射相位函數(shù)研究了在一定散射角下，固液混合物中光散射強度隨目標光學(xué)深度的變化規(guī)律，并通過實驗比較發(fā)現(xiàn)該方法可以快速測量μg/L濃度范圍內(nèi)固液混合物的濃度。

由于多重散射的影響，一般的光散射技術(shù)僅適用于低濃度懸濁液。針對高濃度固液混合物，采用低相干動態(tài)光散射技術(shù)，利用低相干光源的特性，將低相干干涉計與動態(tài)光散射技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)光程可分割的從單散射到多次散射散射光光譜的測量，同時有效抑制從高濃度固液混合物中散射的多次散射光，繼而通過單散射理論從檢測到的單散射光信號中獲得顆粒的動態(tài)信息。但測量區(qū)域一般局限于固液界面附近。在低相干動態(tài)光散射法中，光的入射深度對測量結(jié)果的精度有著很大的影響，當入射深度過深時，測量結(jié)果會受到多重散射光的影響；而入射深度過小時，會受到固液界面拖曳效應(yīng)的影響，即顆粒在固液界面附近的擴散會受到容器壁的影響導(dǎo)致速度減小。針對這一問題，夏輝等采用相位調(diào)制低相干動態(tài)光散射，通過研究固液界面壁的拖曳效應(yīng)對顆粒粒徑測量的影響，對在不同入射深度的顆粒粒徑利用拖曳效應(yīng)相關(guān)修正因子進行修正。

動態(tài)光散射技術(shù)的測量精度還會受到樣品的特性，如折射率、黏度、光學(xué)性質(zhì)等因素的影響。此外，由于顆粒形狀對光散射的影響，該方法不適用于球形顆粒以外的顆粒。因此動態(tài)光散射技術(shù)并不能廣泛適用于實際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的顆粒濃度測量。

3.5 斷層掃描技術(shù)

斷層掃描技術(shù)通過測量被測區(qū)域內(nèi)固液混合相多個橫截面的圖像，加以組合形成三維參數(shù)剖面來確定固液兩相的混合均勻性及識別混合強度的空間變化等。斷層掃描技術(shù)包括電阻層析成像（ERT）、電容層析成像（ECT）、磁共振成像（MRI）、X 射線和伽瑪射線層析成像等。其中ERT 技術(shù)利用分布在容器壁上的陣列電極，通過成對的電極依次施加激勵（電壓或電流），在混合物中建立敏感場，測量剩余的電極上的電性能（電壓或電流），并通過反演算法重新建立截面上的電導(dǎo)率分布，獲得斷層圖像。由于其可以獲得大量的流場特征參數(shù)、響應(yīng)速度快、成本低且能夠提供連續(xù)二維和三維的可視化信息，被廣泛應(yīng)用于宏觀和微觀的固液混合物的濃度測量。因此，本文將主要綜述電阻層析成像（ERT）及其算法的研究情況。

ERT 圖像反演算法對ERT 系統(tǒng)的性能有著決定性的影響，包括迭代算法以及非迭代算法。常見的迭代算法包括Newton Raphson算法、共軛梯度法（CG）等；常見的非迭代算法包括線性反投影算法（LBP）、Tikhonov 正則化算法等。其中迭代類算法重建圖像質(zhì)量好，但圖像重建速度慢，而非迭代類算法雖然重建圖像速度快，但重建圖像的質(zhì)量差。

為了能更加快速地獲得更加精確的重建圖像，研究人員針對傳統(tǒng)算法進行了研究優(yōu)化。李守曉等針對Tikhonov正則化參數(shù)選擇問題，提出了一種基于同倫映射，并參考使用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的非線性函數(shù)Sigmoid 調(diào)節(jié)正則化參數(shù)，將得到的圖像灰度值作為迭代初始值，提高了重建圖像的質(zhì)量。劉鐵軍等提出了一種雙極性脈沖電流源激勵及改進LBP算法，不僅提高了數(shù)據(jù)的采集速度，而且獲得的圖像質(zhì)量要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LBP算法。李秀艷等基于CG 算法，提出了一種改進CG 算法。首先對圖像重建前的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，將求解空間投影到較低維度的Krylov子空間，然后通過共軛梯度法求解低維子空間中的反問題，在保證圖像精度的前提下減少了迭代次數(shù)，提高了圖像重建速度。馬世文等將ERT 物理模型進行規(guī)范化和Tikhonov 正則化處理，提出了一種基于QR 分解的對稱共軛梯度（QRSCG）算法，QRSCG 算法的成像效果優(yōu)于對稱共軛梯度（SCG）算法和CG算法，且圖像重建時間僅為SCG 算法的(1/300)～(1/200)、CG算法的(1/400)～(1/300)。

雖然上述優(yōu)化的圖像反演算法能夠有效地提高圖像的重建速度和精度，但依然存在無法同時兼顧圖像重建速度和精度的問題。除此之外，ERT的靈敏場分布具有馬鞍面分布的軟場特性，即靠近邊緣檢測靈敏度高，靠近中心檢測靈敏度低，這對混合效果的檢測精度具有一定的影響。

綜上所述，不同檢測方法的原理不同，但對于混合均勻性的評價卻可大致分為兩類：第一類是直接測量固液混合物的濃度評價，可以通過觀察濃度隨時間的變化來判斷混合均勻性；第二類是非接觸測量固液混合的濃度評價，如圖像分析處理、超聲衰減法、動態(tài)光散射法、斷層掃描技術(shù)等。這些不同的方法均可以通過不同的檢測值及其標定值來定義混合均勻性指數(shù)，其值為1時為完全混合，其值為0時為完全不混合，而在動態(tài)監(jiān)測過程中，混合均勻性指數(shù)隨時間的變化還可以更加直觀地反映固液兩相的混合進程。

4 結(jié)語

本文對固液兩相混合的混合機理、混合方法、混合效果檢測技術(shù)進行了綜述。總的來說，相對于對宏觀混合方法的研究，對微觀的混合機理的研究相對薄弱，因此未來要繼續(xù)深入研究固液兩相的混合機理，進而改進或提出新的混合方法。另外，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于固液兩相的混合及其混合效果的檢測中，可以為其提供更加高效、更加廣闊的發(fā)展空間。結(jié)合本文綜述的基礎(chǔ)，提出如下研究建議。

（1）開展綜合混合方法研究。鑒于化學(xué)分散從“內(nèi)”出發(fā)，通過改變顆粒間的斥力從“內(nèi)”改變顆粒的分散性，使粉體顆粒具有良好的分散穩(wěn)定性，但化學(xué)分散不具備普適性；而物理分散致力于“外”，通過施加外力（如機械、超聲、靜電、射流等）迫使顆粒分散混合，具有普適性，但顆粒的分散穩(wěn)定性差。因此未來可以“內(nèi)外兼修”，將化學(xué)分散和物理分散兩者更有效地結(jié)合起來，開展綜合混合方法研究，以期獲得更好的混合效果。同時，將分散方法和混合方式有機結(jié)合起來，研究基于不同分散機理的最優(yōu)混合方法組合，為提升固液混合效果提供良好的解決方案，如研究基于靜電分散的射流混合技術(shù)等。

（2）開展微觀混合機理的研究。微流體的擴散與混合的研究對化學(xué)及生物技術(shù)的發(fā)展、納米材料以及微納機電系統(tǒng)的研發(fā)等都有著舉足輕重的作用，因此需進一步開展微混合器結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)研究，加大微尺度下在微流動過程中熱、聲、磁、電的流動理論研究，通過其在微尺度下固液混合過程中的擴散強度、雷諾數(shù)以及其他流動特性的影響研究，推動微觀混合機理及其混合效果的研究。

（3）開展基于人工智能的固液兩相混合技術(shù)研究。對于未來人工智能在固液兩相混合技術(shù)方面的融合應(yīng)用，建議考慮以下三個方面。

①混合系統(tǒng)的智能設(shè)計。任何混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)都是影響固液混合效果的決定性因素，而以往的這些參數(shù)主要來源于經(jīng)驗和試驗，也不能從總體上對各參數(shù)進行精確匹配及優(yōu)化，很難尋求最佳的混合效果，因此利用人工智能技術(shù)理論來提升混合系統(tǒng)的設(shè)計效率應(yīng)為今后研究的重點。開展“內(nèi)外兼修”綜合混合的顆粒物分散信息平臺建設(shè)，利用云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與固液混合技術(shù)進行融合，研究基于深度學(xué)習(xí)的智能化固液混合系統(tǒng)設(shè)計方法并進行平臺建設(shè)，發(fā)揮人工智能對固液混合技術(shù)的助推作用。

②混合均勻性的智能檢測。固液兩相的混合效果是產(chǎn)品質(zhì)量等的決定性因素，通過各種檢測技術(shù)可以得到混合過程中固液混合物濃度的變化或定義混合均勻性指數(shù)來評價實際的混合效果及混合進程。但實際上，現(xiàn)有的檢測技術(shù)絕大多數(shù)都是通過各種檢測方法得到測量數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過“人”對這些數(shù)據(jù)進行觀察或分析來判斷是否完成混合及混合的均勻性，因此難免會產(chǎn)生滯后性。人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，不僅可以為固液兩相混合的混合效果檢測提供技術(shù)和理論支持，同時可以提供一定的數(shù)據(jù)處理預(yù)測功能，做到脫離“人”的實時在線監(jiān)測。因此，應(yīng)開展基于深度學(xué)習(xí)框架下的固液混合均勻性檢測與算法研究，研究混合效果的智能化分類及其評價體系，如通過分析固液混合物濃度的變化對是否為均勻混合進行分類，或在線建立混合均勻性指數(shù)，實時定量評價固液混合物的混合均勻性等。這不僅可以提升檢測精確度，而且能極大地提升檢測的速度。

③混合系統(tǒng)的智能控制。將固液兩相混合的混合均勻性持續(xù)穩(wěn)定在某一具體指標要求下，將是提升固液混合效果和效率的最終目標。研究基于可編程控制器的固液混合在線控制系統(tǒng)，通過智能控制系統(tǒng)，結(jié)合智能設(shè)計與智能檢測，提出如圖10 所示的固液兩相智能混合技術(shù)，即由智能檢測系統(tǒng)實時獲得固液兩相的混合效果數(shù)據(jù)，將其反饋給智能控制系統(tǒng)，再由智能控制系統(tǒng)結(jié)合經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練的智能設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實時改變實驗參數(shù)，而智能檢測系統(tǒng)獲得的新數(shù)據(jù)可以用來繼續(xù)訓(xùn)練智能設(shè)計網(wǎng)絡(luò)，最后實現(xiàn)混合效果持續(xù)穩(wěn)定地達到某一理想值。

圖10 固液兩相智能混合技術(shù)概念