车敬标 张春义（辽宁豪耐思石化装备有限公司，辽宁 沈阳 110141）

1 搅拌条件下固体液体混合机制

化学反应工程和反应器设计基于化学反应工程理论，这是研究化学生产中化学反应过程的主题技术。无论是混合机制，混合器的具体结构设计以及混合功率的计算都与混合过程中涉及的介质特性密切相关。在混合过程中，物料流的剪切速率不需要很高，但是需要足够的对流循环。两种物料以块状结合。随着搅拌过程，这些附聚物逐渐破碎并变小，但每种附聚物仍是相同的材料，该过程称为宏观混合过程。在宏观混合过程中，两种材料之间的分子扩散实际上已经开始，但是与嵌段破裂并变小的过程相比，这种扩散过程并未占据主要位置。

2 固体液体混合搅拌机理

随着搅拌过程的进行，桨叶的旋转和液体的流动会破坏较大的分散相液体或液滴。较大的液滴破裂的能量来自于流体流动时的分裂能，而较小的液滴聚集成较大的液滴的能量来自于液体本身的粘性能和表面能。剪切力随着叶轮速度的增加而增加，并且与叶轮本身的结构有关。当分散相的液滴尺寸大时，周围流体在液滴上的分裂能也较大。此时，大的液滴易于分裂成较小的液滴。如果这些小液滴的粘度能和表面能仍然小于周围流体的分裂能，则这些小液滴将进一步分散为较小的液滴，直到接收到的分裂能与其自身的粘度能和表面能达到平衡为止。

3 搅拌下固液混合流场分布

3.1层流混合（层流是指整个流场呈现出一个整体平行流线）

层流通常与高粘度液体有关。在典型的能量输入速率下，如果要获得真正的层流，则雷诺数小于2000。因此，旋转的叶轮必须占据容器体积的很大一部分，以实现适当的整体运动。这些是具有高剪切速率的层流区域，导致流体元件变形和扩展。每次被拉伸的流体单元通过这个高剪切率区域时，都会发生类似的过程，但是程度较小。通常，剪切流伴随着扩展的流，即具有速度的流在层流中，如果在同心圆柱几何形状的条件下发生层流剪切，就会出现类似的混合机理[2]。每次旋转都会减小流体元件的厚度，直到分子扩散成为重要因素为止。另一种混合是通过将流体物理切割成较小的单元格并重新分配来实现的。层流的流场示意图如下图1所示。

3.2 湍流混合（流体粒子的复杂和不规则运动）

湍流混合中流体的雷诺数大于2000，在具有旋转叶轮的混合容器中的主要流体流是湍流的。此时，通过旋转的叶轮传递给流体的惯性力足以使流体在整个容器中容易循环并返回叶轮。当流体通过时会发生涡流扩散，并在叶轮区域达到最大值。涡流扩散引起的混合速率远高于层流机理，在叶轮附近湍流混合速率最高。另外，添加到叶轮的大部分能量在那里消散。因此，该区域互溶液体的均化率最高。所以对于固液混合，在所有液体混合单元中（粘性流体），必须有两个元素。首先，必须有主体或对流，以确保设备中没有静态区域。其次，必须有一个强的或高的剪切混合区，以提供满足生产任务要求的条件，来减少不均匀性或增强速率过程。湍流的流场示意图如下图1所示。

图1.层流和湍流的流场示意图

4 固液混合悬浮状态下流场的分布

固液混合完全悬浮是当所有颗粒都运动时，短时间内（例如1-2s）没有颗粒停留在储罐底部，在这种情况下，所有颗粒表面都与流体接触，以确保最大的化学反应，传热和传质表面积。均匀的悬浮液是当整个罐中的颗粒浓度恒定，并且粒径和粒径分布在一定范围内也恒定时，会出现均匀的悬浮液。一般来说，它需要比完全悬浮产生更高的速度。要使颗粒从容器底部提起，必须有适合速度和湍流度。在底部的复杂边界层流中，运动的流体会产生一种阻力，然后由于湍流脉冲间歇地通过边界层传播，如果其频率和能级足够高，就会引起悬浮[3]。一旦颗粒从容器底部被提起，由于重力的作用其返回的趋势将被强大的垂直流所产生的向上拉力所抵制。漂浮固体的分散（固体的密度低于液体）比固体悬浮液消耗更多的能量。下图2为悬浮液中横向和纵向的流场分布图。

图2.悬浮液中横向和纵向的流场分布图

为了更清楚地描述混合过程的速度矢量，可以截取混合流场沿前进方向的横截面，并进行速度矢量分布。为了简化处理，通常有必要在根据不同目的分析许多几何特征之后做出选择。提高混合效率是搅拌器设计的主要目标，它涉及流体中各种刻度运动的强度和分布。搅拌器前进方向的速度矢量向各个方向发散，这与轴向平面的流动情况是一致的，也就是说，在收敛为体积流之后，受控体积沿在剪切力的作用下搅拌器的前进方向。不难发现，该段的速度流线与安装空间中的圆形分布相似，并且液体以相同的速度搅拌并向前推至实现流量和运输量的控制。

5 结语

在液-固混合系统中，流体流过颗粒之间的空隙，这种流通常称为流过多孔介质的流。另外，由于颗粒层中空隙通道的曲率变化，流动情况相当复杂，这不是内部或外部的简单问题。将空隙串联连接以形成虚拟管道，流体从中通过，从而简化了内部问题。分离颗粒，流体绕过颗粒，这简化为外部问题。为了正确设计用于化学工程的设备，关键之一是要充分了解流量并能够进行定量计算。现在的解决方案是在通用流体力学的指导下，通过对不同类型的设备进行实验来找出特定的规则。随着测量和计算方法的改进，可以直接计算单相流量问题。对于多相流问题，应首先阐明微观层次的规则，然后再在宏观层次上进行计算。如果能够实现这一步骤，则化学过程的设计可能会更多地依赖科学而不是主观经验，这具有重要意义。尽管这样做非常困难，但是由于其重要意义，世界上所有先进国家都在朝着这个方向努力。