搅拌槽反应器内宏观和微观混合及过程强化.pdf

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1、第29卷第3期化学反应工程与工艺、，ol29．No32013年6月ChemicalReactionEngineeringandTechnologyJune2013文章编号：l001—763l(2013)03__0238__09搅拌槽反应器内宏观和微观混合及过程强化段晓霞，程荡，程景才，冯鑫，杨超(中国科学院过程工程研究所，北京100190)摘要：搅拌槽反应器广泛应用于石油、化工、制药、冶金等过程工业中，这些过程大都涉及复杂快反应，往往属于混合传递控制的多相过程，反应收率、产品分布和质量等与搅拌槽内

2、流体流动和混合状况密切相关。通过研究各因素对混合产生的影响规律，可以指导搅拌槽的实际生产操作，以达到强化混合的目的。因此，对搅拌槽内宏观和微观混合特性的研究，对反应器的优化设计、工程放大和过程强化具有重要的意义。本工作从实验研究和数值模拟两方面对搅拌槽反应器内的宏观、微观混合及其过程强化的研究进展进行了综述，依据目前的研究现状及存在的问题，对今后的研究方向进行了展望。关键词：搅拌槽反应器宏观混合微观混合混合时间实验数值模拟中图分类号：TQ027文献标识码：A搅拌槽反应器是石油、化工、制药、冶金等领

3、域最常用的反应器，搅拌桨的复杂构型和旋转运动导致搅拌槽内产生时空结构极为复杂的流体流动及混合过程。尤其对于工业中普遍涉及的氧化、硝化等快反应体系，多相物料的混合状况直接影响产物的收率及产品质量等，对搅拌槽反应器内的多相混合过程进行研究是反应器设计和工程放大的重要基础。根据研究尺度的不同，通常将混合过程分为宏观及微观混合。宏观混合是物料主体循环及湍流扩散尺度上的过程，为微观混合提供浓度环境；微观混合是物料从湍流分散后的最小微团(Kolmogorov尺度)到分子尺度上的均匀化过程，直接影响反应过程。宏

4、观和微观混合的机理及衡量标准不同，且在实验研究中所选的测量方法、表征手段等均有差异。本工作从实验研究和数值模拟两方面，分别对搅拌槽反应器内宏观和微观混合以及过程强化进行综述，并对未来研究进行展望。1宏观混合宏观混合通常用宏观混合时间来表征，它是搅拌槽内流体宏观混合状况的重要参数，是评定搅拌槽反应器混合效率的重要指标，也是搅拌设备设计和放大的重要依据之一。宏观混合的好坏直接影响到微观混合程度，是微观混合达到部分离集或者完全离集的前提。此外，混合时间与化学反应时间的相对大小决定过程的机理和控制步骤。1

5、．1实验研究混合时间的测量通常是在反应器的某一位置加入示踪物质，同时利用合适的传感器测量示踪物浓度随时间的变化。早在20世纪50年代，Kramers等[1]就用电导率方法成功测量了单相搅拌槽内的宏观混合时间。经过逾半个多世纪的发展，目前混合时问的实验测量方法非常之多J，如温差法、光学收稿日期：2013．03．12；修订日期：2013—04—20。作者简介：段晓~(1989-)，女，博士研究生；杨超(1971一)，男，研究员，通讯联系人。E-mail：chaoyang@home．ipe．ac．cn。

6、基金项目：国家自然科学基金(20990224，21106154)；国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB630904)；国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA061503)；国家杰出青年基金(21025627)。第29卷第3期段晓霞等．搅拌槽反应器内宏观和微观混合及过程强化239法、平面激光诱导荧光法、液晶热相摄影法、计算机层析成像法、放射性示踪剂法、电阻抗断层成像法及电阻层析成像法等。不同的测量方法使用不同的示踪物，如化学物质(惰性的或者是可以发生化学反应的)、电解液或

7、者是感温材料、热流体等。这些方法均有各自的局限性，例如电导率法不能用于高粘性有机物料，温差法对变温体系不适用，光学法及平面激光诱导法要求反应器壁透明，放射性示踪剂法因为放射性物质的难以获得及有危害健康的潜在风险而使用较少，液晶热相摄影法、计算机层析成像法、电阻抗断层成像法及电阻层析成像法等因建造成本高昂及数据处理极为复杂而难以推广。单相宏观混合过程的实验研究已经比较成熟和完善l2]。Rao等[3]研究了转速、桨型、桨径及槽径比等因素对宏观混合时间的影响，发现转速增加混合时问逐渐减小；下推式斜叶桨与

8、上推式斜叶桨等相比效率最高，且搅拌桨安装在1／3搅拌槽内径(高度时较其它高度时效率高；混合时间随着桨径与槽径比的增加而降低。Houcine等L4J利用电导率法研究了桨型及几何参数对液相混合时间的影响。研究表明，随着搅拌桨直径的增加，混合时间降低；搅拌槽底部形状会改变流型从而影响混合时间，但影响不显著。苗一等J采用电导率法测定了单桨搅拌槽和多层桨搅拌槽内的混合时间，发现在液体混合过程中，采用多层轴流桨要比多层径流桨的混合效率高；在桨间距相等的情况下，随着桨叶层数的增加，进一步拉大两者