液相非均相混合過程技術研究進展

(中國石油大學 （華東），山東青島 266580)

混合通常用于改變物質的性質，如濃度、黏度、溫度和顏色等。由于工業生產的需要，混合技術得到了廣泛的研究，多種階段性研究成果也得到了工業應用。在化工、冶金及制藥等生產過程中，混合更多用于提高反應速率。隨著現代工業的發展和生產工藝技術的提高，液體非均相混合設備的操作效果日漸不能滿足生產的需要。近年來，隨著流體力學中新型測試技術的進步以及計算流體力學（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-液混合技術研究

1.1 流動強化

受時間及空間限制，眾多應用場合的氣-液混合過程難以實現完全混合。湍流可以在一定程度上改善流場。在攪拌槽反應器中，可以通過提高葉輪轉速形成湍流，攪拌方式主要有時變旋轉［2］、偏心旋轉［3］及往復攪拌等［4］。 攪拌器內軸流式槳葉結構可以影響氣液混合特性，有研究發現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。穩定、持續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器，產生小型湍流渦旋，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、噴射流速對混合時間的影響關聯式。

式中，tm為混合時間，s；Rej為射流雷諾數；Qg為噴射流速，L/min；a、b、c均為常數。根據此關聯式，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

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

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的程度和速率。Alexander V等［13］進行了移動床加氫反應器（MBR）中氣體的分散/混合研究，結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相反。對于多級攪拌反應器，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構決定的，兩相體積流量比、混合壓力和速度是由工作參數決定的，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］。攪拌槽內的氣-液混合的分析主要通過混合指數評估。

式中，MI為混合指數；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］研究了鼓泡塔中內構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值模擬與試驗數據的偏差進行了量化，結果表明內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為氣速預測值，為氣速試驗平均值，m/s。

2 液-固混合技術研究

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 （RTD）。通過對圓頂蒸煮器的固-液兩相混合的水力評價，發現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，帶有葉輪的反應器混合效果最佳，其次是水力反應器，最差的是未混合反應器［20］。在化工生產中，液-固混合過程通常發生在攪拌器或者流化床中，流體在層流或過渡狀態下發生反應，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，利用閉式間隙葉輪測定系統中懸浮顆粒的分數，研究了固-液懸浮體系在顆粒負荷較大時的層流和過渡區。

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和斜葉渦輪攪拌槽內的固-液混合問題進行了研究，發現影響混合動力特性的是2個摩擦因數，通過調整因數可以改變懸浮顆粒穩定時間，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性，相關研究還提出了對應的經驗關聯式［24-27］。應用放射性粒子跟蹤技術研究液-固兩相反應過程中不同密度、粒徑顆粒在非均相流動床的流動，發現在低流速下小于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，則是大顆粒在主導流動行為，據此可以對流化床中混合物運動進行預測［28］。

2.3 均勻度評價

Gu D等［29］研究攪拌槽內固-液兩相系統的混合性能，用最大Lyapunov指數和軸向固體體積分數分布表征混合性能，提出了軸向固體體積分數分布的相對標準差計算式，根據此式分析，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分布的相對標準差；Cav為平均體積分數，Ch為高度為h處的固體局部體積分數。

Hosseini S 等［30］利用電阻層析成像技術（ERT）研究固體體積分數對固-液攪拌槽內混合均勻度的影響，用試驗測得的體積分數數據計算均勻度（式（5）），用均勻度量化攪拌槽內固體顆粒的分布。對試驗數據的分析認為，隨著固體顆粒體積分數的增大，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；XV為固體體積分數，為平均體積分數。

3 液-液混合技術研究

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、黏度及密度等條件的影響［31］。液-液混合同樣發生在靜態混合器中，例如硫酸烷基化反應器［32］，為了加強內部的混合，還用到了射流反應器［33］、微反應器等。 Ghotli R A 等［34］通過測定水解反應速率，研究發現曲率角的增大能顯著降低功耗，提高反應速率，而彎葉片葉輪相比其它結構更加經濟有效。

3.2 檢測技術

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）技術被用來評估液-液流動，并測量攪拌釜內的液滴尺寸，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，氣體常被注入反應器以提高混合程度， Lin X Y 等［36］采 Villermaux–Dushman并行競爭反應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的作用。

Siyuan Chen 等［37］通過試驗和數值模擬，系統地研究了微混合結構液膜微通道中兩相之間的流動、傳質及傳熱。試驗發現，交錯流動式結構改善了兩相的流動和混合狀態，強化了界面的傳質性能。A S Lobasov等［38］對不同尺寸的T型微通道內的穩態對稱過渡進行了數值研究，認為流態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。

Cheng D等［39］以硅油為連續相，采用平面激光誘導熒光（PLIF）和折射率匹配技術，精確觀察并描述了分散相內的宏觀混合。液滴在容器內相互碰撞，發生聚并與破碎，在一定程度上消除了難以混合液-液分散體系中溶質濃度在空間中的不均勻性。多相混合體系中分散相與連續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］等采用微激光誘導熒光（LLIF）和微粒圖像測速（LPIV）光學技術，依據 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，C∞為完全混合時的體積分數，C0為初始體積分數；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的流動特性和混合性能進行了數值研究，采用均勻性指數Mc來表示流體之間的混合效率：

式中，Mc為均勻性指數；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。混合系數為1時兩相完全混合。隨著雷諾數的變化，始終有2個效率最佳值對應的雷諾數Re1≈35和Re2≈650，前者用于螺旋管中混合效果更好。

在研究旋轉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，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，結合數值模擬和實驗結果提出了混合度計算式，即質量分數分布的標準差［45］。

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

4 結語

混合以宏觀簡單操作改變物質接觸狀態與反應性能，適當利用可以獲得良好的經濟效益。混合設備在化工生產、冶煉金屬及生物制藥等領域的應用促進了工業發展，同時工業技術的進步也對混合技術研究提出了更高要求。未來混合技術研究的主要內容仍然集中在混合設備的開發、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、新的測量技術來突破實驗室研究的限制，提高研究數據采集、分析、處理的精準性和速度是研究的主要方向。