化学反应工程-14-第三章-均相非理想流动反应器

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3.5 流体的混合态及其对化学反应的影响问题的缘起：对于两组分参加的化学反应，如果两组分未经预先混合而是 直接加入反应装置内，则它们在反应之前必需先发生混合。 对单一流体，同样存在着新鲜物料与反应器内已有的反应物 料之间的混合。

结论：混合过程将直接影响反应组分在装置内的浓度，因而会影响 反应速率和反应效果。

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3.5.1混合效果的度量一、调匀度 体

设A、B两种液体，各取体积vA、vB置于一容器中，则容器内液A的平均体积浓度为：

vA CA C A0 v A vBCA CA

调匀度I

某一样品的I定义为：I C A C A0 C A C 显然， A0 ,

当 0 C A C A 时， I 1 当 C A C A C A0 时， I 1如果在装置内，各处的I值相同，且等于1,表明混合为完全均匀； 偏离1,则表明混合不均匀，偏离越远，混合越不均匀。

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二、混合尺度调匀度的局限： 单凭调匀度并不能够完全反映实际的混合程度，举例如下：

在两种状态中，液体A都已成微团均布于另一种液体B中，但 液体微团的尺寸却相差很大。

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①如果取样体积远大于微团尺寸，则两种状态下调匀度I接近于1; ②如果样品体积小到与图2中的微团尺寸相近，则图2所示的调匀度I2

将明显改变，而图1所示状态的调匀度I1仍可保持不变。

结论：I是随所取样品的尺寸而改变的，单凭I不能完全反映混合状态。

混合尺度 用以说明调匀度是在何种尺度上测得。①若在设备尺度上来考察，上图中两者都是均匀的，这时的状态

称为宏观均匀。 ②若在微团尺度上，则两者具有不同的调匀度。 ③若在分子尺度上，两者都是不均匀的，只有微团消失，才 称为分子尺度的均匀或微观均匀。结论：混合状态的度量由调匀度、混合尺度结合在一起共同描述的。

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3.5.2搅拌与混合一、搅拌器的两个功能⑴产生强大的总体流动，使液体微团达到宏观均匀 。搅拌桨叶一 般具有和泵叶片相似的形状，就是为了造成足够大的总体流动； ⑵产生强烈的湍动，使液体微团尺寸减小。如涡轮式搅拌器多 采用径向叶片，以提高叶片出口速度。液体以很高的速度由搅 拌器出口冲出，与附近的液体进行激烈的动量交换，造成高度 的湍动，液体的破碎主要发生于此。

二、宏观混合机理将两种不同的流体置于搅拌釜中，开动搅拌器，釜中将形成一个循 环流动，即总体流动。在总体流动的作用下，其中一种流体被分散 成一定尺寸的液团并由总体流动带到容器各处，造成大尺度的宏观 混合。 宏观混合对液团的尺寸大小没有要求，重要的是将产生的液团分布到 容器的每一角落。这就要求在搅拌釜内尽量消

除流动达不到的死区。 结论：总体流动→分散与传输→结果：大尺度的宏观混合。

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三、小尺度的混合机理1、互溶液体的混合机理⑴总体流动的局限 总体流动可将混合液体中的一种液体破碎成较大的液团，并将 这些液团带至容器各处造成宏观上的均匀。但是，单是总体流 动不足以将液团破碎到很小的尺寸。 ⑵液团产生的动力学原因 尺寸很小的液团是由总体流动中的湍流造成的。湍流可看成由 平均流动与大量不同尺寸、不同强度的旋涡运动叠加而成。旋 涡与液体微团之间会产生很大的相对运动和剪切力，液团正是 在这种剪切力的作用下而被破碎得更加细小。 ⑶液团尺寸和旋涡尺寸与强度之间的关系 旋涡尺寸越小，所产生的液团也越小；强度越大，液团破碎 的速度也就越快。

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2、不互溶液体的混合机理两种不互溶液体搅拌时，其中必有一种被破碎成液滴，称为分 散相；另一种液体称为连续相。 ⑴液滴合并原因——界面张力 界面张力力图使液滴的表面积最小，抵抗任何变形和破碎。为 使液滴破碎，首先必须克服界面张力使液滴变形。界面张力是 搅拌过程的抗力。 ⑵液滴破碎原理——绕流产生的不均匀压力和剪切力 当总体流动中存在高度湍动状态时，存在着方向迅速变换 的湍流脉动，液滴不能追随这种脉动而产生相对速度很大 的绕流运动。这种绕流运动，沿液滴表面产生不均匀的压 强分布和表面剪应力，从而将液滴压扁并破碎。

湍动程度越高，对液滴的绕流相对速度越大，则可能产 生的液滴尺寸越小。

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3、结论①对于互溶液体，搅拌越剧烈，液体微团尺寸越小，可在更小的尺

度上达到混合均匀，当液体微团消失，可达到分子尺度上的均匀。

②对于不互溶液体，无论搅拌如何剧烈，也只能将其中一种液体 破碎成细小液滴，不可能达到分子尺度上的均匀。只是搅拌也剧 烈，液滴尺寸越小，分散程度越高，可达到均匀混合的尺度越小。③对于液固系统，搅拌只能达到某种宏观上的均匀。因为再剧烈

的搅拌，也无法改变固体颗粒的尺寸。

3.5.3混合态对反应结果的影响 一、流体的混合态1、三种混合方式 ⑴微观混合

按混合尺度将流体混合分为三种：

流体以分子尺度作为独立运动单元进行混合，即是分子扩散。

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⑵滴际混合流体微团概念： 流体是以若干分子(如1012~1018个，微团直径约几十个微米)所 组成的流体微团作为独立的运动单元相互之间进行混合。

液滴之间由于表面张力的作用，在相互碰撞时可能合并成一个大 液滴；而大液滴在湍流作用下又可能破裂成几个小液滴。即分散 相液滴经历着合并—分散—再合

并—再分散的过程。把这种微团 之间发生的过程称为滴际混合。这时的混合态称为“部分凝集 态”。⑶宏观混合 即是设备尺度上的混合。

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研究现状： 一般情况下，液滴之间总会有一定程度的混合，然而又不 大会达到均匀一致的浓度水平，此时各个液滴之间的浓度 就可能存在差别。而要弄清分散相液滴之间的浓度分布状 况又必须要了解滴际混合的实际过程和情况，遗憾的是至 今尚未有简单而又足够准确的理论和方法来描述滴际混合 过程。

2、两种极限混合状态⑴微观均匀 滴际混合非常频繁，以致使液滴间几乎无浓度的差异，同时液 滴的消失速率极快，流体达到分子尺度上的均匀，习惯称为 “微观混合”;相应流体叫“微观流体”;相应的混合态称为 “非凝集态”。

以前讨论的BR反应器中进行的均相反应过程，就是微观流体 进行的微观混合。

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⑵宏观均匀若流体微团在混合时，相互之间不发生物质的交换，微团 内部则具有均匀的组成和相同的停留时间，这种混合习惯 称为宏观混合；相应流体叫宏观流体；相应的混合态称为 “凝集态”。 如对固相反应系统。

二、流体混合态对反应结果的影响1、两个例子 ⑴一级反应 rA kC A ①对宏观流体和宏观混合 设有两个流体微团，浓度为CA1、CA2,由于是宏观流体，两个微团 之间不存在混合，总的反应速度为： r总 1 kC A1 kC A2 1 2

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