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編輯推薦： 混合是分离的反过程，其效果取决于对过程的调控，决定了产品的性能。关于搅拌的原理和设备的研究虽然很多，但缺乏从化学反应工程的角度来深入论述搅拌和混合的专著。 毛在砂、杨超两位两位作者在20多年的混合和搅拌研究工作中很有成效，特别是对混合问题的数值模拟有很多创新。 本书从学科的高度来讨论混合在过程工业中的作用、混合的机理和数学模型，将理论分析、实验研究和数值模拟结合起来。系统论述了广大过程工业的工程技术领域内读者都比较感兴趣的重要研究热点和前沿，是化工科技中很需要的一本书。 內容簡介： 混合是化学工业以及相关的过程工业等应用领域不可或缺的单元操作之一。《化学反应器中的宏观与微观混合》主要论述评价混合技术和设计优劣的三种实用指标：宏观混合的混合时间、微观混合的离集指数、连续流动反应器的停留时间分布，包括它们的意义、实验测定和数值模拟，以及在混合技术评价上的作用。本书聚焦多种以液相为连续相的化学反应器，包括搅拌槽、环流反应器、固定床等，重点是混合程度和混合速率定量的指标和描述，包括研究的工业搅拌应用背景、混合机理、模型化的研究现状和今后的发展趋势。 《化学反应器中的宏观与微观混合》将为混合设备（例如搅拌槽、环流反应器）的设计、优化和放大提供基础理念、实验测定和数值计算方法，适合化工、制药、材料、生物、食品等领域科技工作者阅读，也可供高等学校相关专业师生学习参考。 關於作者： 毛在砂，中科院过程工程研究所研究员、博导，2004年享受政府特殊津贴。1966年毕业于清华大学化工系，1981年中科院化工冶金研究所硕士，1988年美国休斯顿大学化工系博士。1990~2010年任中科院研究生院兼职教授，讲授化学反应工程和化工数学模型及方法课，出版教材《化学反应工程学基础》、《化工数学模型方法》。2000年起任Chinese Journal of Chemical Engineering副主编，1999年起任《过程工程学报》副主编。研究方向为化学反应工程和多相流体力学。以含液相的典型多相化学反应器为对象，研究其中多相流动及传递现象的机理和数学模型，注意将多相流体力学、传递原理、平衡态和非平衡态热力学、数值计算方法用于化学反应工程问题，以推动化学工程研究向定量和机理模型的方向发展。1997~2000年负责国家自然科学基金委重大基金子课题络合催化a-烯烃氢甲酰化的反应工程研究，2004~2008年负责国家自然科学基金委重大基金项目多相化工体系中Marangoni效应的机理、模拟及调控课题，还曾参加多项自然科学基金项目和973项目课题的研究。现主持国家自然科学基金面上项目1项。在Chem. Eng. Sci.、Chinese J. Chem. Eng.等科技期刊上发表论文近200篇，有30余项多相反应技术的专利。获得2001年北京市科技进步三等奖（滴流床反应器的性能和优化模拟研究），2003年中石化集团科技进步一等奖，2006年中国石油和化学工业协会科技进步一等奖（多相体系的化学反应工程和反应器的应用基础研究），2009年国家自然科学二等奖（多相体系的化学反应工程和反应器的基础研究及应用），2015年国家技术发明二等奖（含高浓度分散相的搅拌反应器数值放大与混合强化的新技术）。 目錄： 第1章混合概述001 1.1过程工业中的混合001 1.1.1化学反应器中的混合001 1.1.2单元操作中的混合003 1.1.3均相混合与非均相混合004 1.2混合设备006 1.2.1搅拌槽006 1.2.2环流反应器018 1.2.3高剪切混合器021 1.2.4射流混合器023 1.2.5静态混合器026 1.2.6捏合挤出设备027 1.3其它形式反应器的混合强化030 参考文献033 第2章混合过程和机理035 2.1混合体系中的流动-宏观混合035 2.1.1搅拌槽的基本流型035 2.1.2搅拌槽流动的数学模型037 2.1.3流动与宏观混合的关系040 2.1.4宏观混合的基本理念041 2.2混合体系中的传热043 2.3混合体系中的传质043 2.4化学反应-微观混合046 2.4.1简单反应体系046 2.4.2平行复杂反应047 2.4.3连串复杂反应048 2.4.4化学沉淀049 2.4.5微观混合的基本理念050 2.5混合研究的发展趋势053 参考文献054 第3章宏观混合的实验研究056 3.1混合的特征指标056 3.1.1混合时间057 3.1.2混合时间的其它定义061 3.1.3宏观混合的其它指标063 3.2宏观混合实验068 3.2.1示踪剂069 3.2.2示踪实验技术070 3.3典型反应器的宏观混合097 3.3.1单液相体系100 3.3.2多相体系101 3.4小结125 参考文献127 第4章宏观混合的模型和数值模拟研究133 4.1 混合时间的经验模型133 4.1.1经验关联式133 4.1.2主体循环模型135 4.1.3扩散模型136 4.1.4分区模型137 4.2混合时间的CFD模型138 4.2.1宏观流场的数学模型139 4.2.2示踪剂传递的数学模型141 4.2.3数值模拟步骤144 4.3单相体系混合的数值模拟145 4.3.1搅拌槽145 4.3.2其它混合反应设备151 4.4多相体系混合的数值模拟157 4.4.1多相体系的宏观混合数学模型158 4.4.2气液两相体系的宏观混合159 4.4.3鼓泡塔和环流反应器166 4.4.4液固两相体系168 4.4.5液液两相体系170 4.4.6气液固和其它多相体系172 4.5宏观混合数值模拟的新思考177 4.5.1宏观混合的纯流体力学模型177 4.5.2宏观混合和空间均匀分布的关系179 4.6小结180 参考文献181 第5章反应器停留时间分布186 5.1停留时间分布和宏观混合性能的关系186 5.1.1停留时间分布（RTD）186 5.1.2宏观混合的定量指标189 5.1.3RTD与宏观混合时间的联系190 5.1.4反应器中年龄的时空分布192 5.2RTD的实验测定199 5.2.1RTD的测定技术199 5.2.2非理想流动的RTD 200 5.2.3流动反应器的RTD 202 5.3停留时间分布的模型和模拟204 5.3.1停留时间分布的模型化204 5.3.2停留时间分布的数值模拟210 5.3.3不依赖示踪剂的数值模拟211 5.3.4停留时间分布的随机过程模拟216 5.4多相体系的RTD220 5.4.1多相体系RTD的实验测定220 5.4.2多相体系RTD的数值模拟223 5.4.3多相体系中年龄空间分布的模拟232 5.5管式反应器的混合强化233 5.6小结241 参考文献242 第6章微观混合的实验研究245 6.1基本概念和定义245 6.1.1微观混合时间246 6.1.2离集指数254 6.2复杂测试反应258 6.2.1平行竞争反应258 6.2.2连串竞争反应264 6.2.3化学沉淀267 6.3实验方法269 6.3.1离集指数测定269 6.3.2宏-微混合联合测量274 6.3.3微观混合时间的估算279 6.4反应器内微观混合过程研究285 6.4.1搅拌槽反应器285 6.4.2环流反应器315 6.4.3膜反应器323 6.4.4静态混合器328 6.4.5撞击流反应器330 6.4.6其它反应器337 6.5微观混合强化342 6.5.1各种形式反应器的比较342 6.5.2微观混合强化技术344 6.6小结349 参考文献351 第7章微观混合的模型和数值模拟研究358 7.1历史回顾358 7.2经验和机理模型360 7.2.1经验模型361 7.2.2机理模型372 7.2.3宏观和微观混合结合的模型387 7.2.4微观混合时间估算390 7.3基于CFD的微观混合数值模拟390 7.3.1模拟策略390 7.3.2基于加料点流场的模拟392 7.3.3基于全流场的模拟398 7.4多相体系的模拟431 7.4.1液固体系432 7.4.2气液体系434 7.4.3化学沉淀435 7.5全CFD模拟展望461 7.5.1模型和模拟工作小结461 7.5.2机理模型耦合CFD的微观混合模拟463 7.5.3值得深入的课题465 参考文献466 第8章微通道器件中的混合474 8.1微通道器件及应用474 8.2混合性能的表征479 8.2.1微通道的混合性能479 8.2.2混合性能的指标480 8.2.3其它形式的指标483 8.3混合性能的实验测定485 8.3.1可视化实验技术485 8.3.2化学反应探针法491 8.3.3多相体系的实验研究494 8.4混合过程的CFD模型和模拟498 8.4.1计算流体力学方法的适用性498 8.4.2CFD数学模型500 8.4.3LBM方法507 8.4.4微通道混合的数值模拟510 8.5小结527 参考文献528 第9章混合研究的新课题532 参考文献542 符号说明543 索引549 內容試閱： 混合是化学工业以及相关的过程工业等应用领域不可或缺的单元操作之一。化工生产中大多数的化学反应器是搅拌槽反应器。通过搅拌来实现混合，使反应体系达到浓度均匀、反应条件均一的理想状态，提供化学反应所需的最佳条件，从而实现高效、低耗的新物质（产品、材料）制备过程。 化学反应涉及两种或两种以上反应物时，需要通过搅拌等混合手段让反应物尽快地在反应器（宏观）尺度上混合均匀，使分子（微观）尺度上的化学反应得以进行。若反应物处于不同的物相（非均相体系）中，要使它们接触和反应，体系中的混合任务又增加了一层困难。均相和非均相催化反应器中，反应物和催化剂的充分接触也需要通过混合才能实现。即使是最简单的单一反应物非催化反应，也要求反应物在反应器内迅速地达到均一的指定反应条件，这也要靠有效的混合技术。一些不涉及化学反应的物理加工过程也同样需要良好的混合，例如某些均相的或非均相的添加剂要在主体材料中均匀地分散，产品才能有优越的使用性能。 化学工程中对混合的研究从19世纪末叶起，已有上百年的历史，而且研究对象和内容十分宽广。有均相体系的混合，如两种可混溶液相的混合、几种气体的混合；有非均相体系的混合，如不互溶液体的混合（或乳化）、气体在液相中的均匀分散、固体颗粒在流体（液体和气体）中的均匀悬浮（分散）、不同性质（密度、颜色、颗粒大小等）的固相颗粒的均匀混合、细微液滴或固体颗粒在气相中的分散等。实际的工业过程也会不断提出更多的混合新课题，需要化学工程基础和应用研究来及时加以解决。 混合设备与技术涉及面越来越宽广，可以分为内部有运动机件的和没有运动机件的两大类。各种混合技术首先依赖于在设备内产生流场（速度场）的剪切，这是不同性质的物料尺度减小的直接原因。按产生的剪切强度大小，混合设备又分为高剪切和低剪切混合两类。混合设备还必须有足够强劲的主体（循环）流动，这是使设备内所有介质都能受到剪切、最终均一化的必要条件。这两个因素互相影响，它们的优化耦合是获得以合理的比能耗实现高质量混合的高效混合技术的关键。 化学工程学已经经历了两个明确界定的发展阶段，即单元操作和传递原理，它们标志着化学工程学从经验性方法向机理性方法的飞跃。从20世纪后半叶至今，化学工程研究已逐渐发展到能以数学模型和数值方法来定量地认识包含复杂物理和化学机理的计算化学工程的新高度。涉及混合的学术和工程问题，同样发展到用实验、理论分析、数学模型数值模拟三管齐下的方式来解决的高度。首先要解决的是流动（包括固相混合的流态化）问题，涉及质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本原理和微分方程，以及物质在一个物相内部的流动、扩散、热量的传导，也包括物相间在相界面上的相互作用，还要依靠固体力学、弹性力学、流体力学、材料学等学科来提供必需的本构方程。化工学科的上述新进展，即计算化学工程的出现，为混合技术发展展示了新方向，并为此提供有力的工具。 混合本身是一个单元过程，例如产品中的添加剂和辅料的均匀分散需要有效的混合才能促进产品效能提高，有利于高效地进行目标化学反应，使产品得到优良性能。另外，混合也是其它许多化工单元操作和过程机理中的一部分，它影响着诸如相间传热、化学沉淀生成的固相颗粒大小和粒度分布、多相体系的相界面积、相间传质速率、均相化学反应或非均相化学反应（包括简单反应和复杂反应体系）等。这些伴随过程的效率可以作为混合效能的定量参考指标。因此，混合往往是和这些伴随过程一起来研究的。例如，气液搅拌体系的混合效率，就体现在搅拌功率减少的程度、气液界面积、气液体积传质速率、气液非均相反应反应物的转化率和有用产物的选择性的改善程度上。故混合和搅拌的研究对象多种多样，内容十分广泛。 混合与化学工程中的其它单元操作有密切的关联。与混合概念相对立的是另外一类单元操作：分离。在化工设备中的单相和多相流动，分离和混合在不同的程度上往往同时进行。例如，在水平管道的气液两相流动中，如果为了保持相分布状态的均一（例如在管道流动的同时将气体中的某一成分溶解吸收），应该考虑加大混合的强度，否则气泡会向上浮、合并为大气泡，最终由较均匀的气泡流（气相以小气泡的形式存在，并分散在液相中）过渡到分层流（气体在管道上方、液相在管道下方，分层并流流动）。还有，越微量的杂质越难去除，因此往往需要先加入分离试剂或介质并混合均匀，最终实现高质量、高效率的杂质分离。因此，混合与分离始终是既对立又不可分的一对矛盾。 在搅拌槽一类的设备中，混合是搅拌的主要目的，理想化的搅拌槽即是化学反应工程中的全混流反应器。而在另一些设备（如澄清槽、旋风分离器）中混合是有害的，需要设法避免。例如在管式（塔式）反应器中，所有同时进入反应器的反应物料，应在流动中保持同步，避免先后进入反应器的物料团块（物料在反应器内停留的时间不同，反应进度不同，使反应物和产物浓度的沿程分布也不同）发生混合，降低反应器的效能。理想化的管式反应器即化学反应工程中的活塞流反应器，此类反应器中只有平行的一维流动，流动方向上无流体混合，垂直于流动方向则混合良好，以保持平行的各流线上的状态完全一致。因此，管式反应器中的轴向混合是不利的，而横向混合则是有利的（例如消除温度和浓度的横向梯度和保持状态均匀）。可见，在混合有害的场合，也需要对混合的状态和强度有深入的认识，以获得高效反应器的设计和可靠的操作策略。这也提示，混合不总是各向同性现象，它可能是各向异性的，就像在活塞流反应器和环流反应器中那样需要各向异性的混合。 对于混合良好的搅拌槽一类设备，宏观混合效率的指标是混合时间。而对于不需要混合的设备，也需要有指标来定量描述混合的程度。这种情况下，在管式反应器中，示踪剂无法在出口处达到足够程度的混合，混合时间难以定义，现在文献中多数采用轴向返混系数来描述轴向返混的程度。在有内部循环的环流反应器中，因为能够使示踪剂比较充分地混合，而内部的循环比较接近于管道流动，所以轴向返混系数和混合时间都可以使用。 由于混合的首要目的是使体系达到预先设定程度的均匀性，体系达到这个目标均匀度的速度往往作为此混合手段的技术指标，以此为依据来评价各种混合技术和设计的优劣。因此本书主要论述三种实用的评价指标：宏观混合的混合时间、微观混合的离集指数、连续流动反应器的停留时间分布，包括它们的意义、实验测定和数值模拟，以及在混合技术评价上的作用。本书内容也主要限于以液相为连续相的化学工程体系。以气相为连续相的体系，还有固固相的混合和反应，在过程工业中也十分重要而广泛，限于笔者学识未能涉及。 本书内容多数来自浩瀚的化学工程文献积累，除了化工专业的期刊外，已经有许多专著论述了混合的方方面面，如 永田进治, 1984. 混合原理与应用马继舜等译.北京： 化学工业出版社（Nagata S, 1975. Mixing： Principles and Applications.New York：Wiley）. 哈恩贝Harnby N）, 1991. 工业中的混合过程俞芷青等译.北京： 中国石化出版社. 欧舒Oldshue JY, 1991. 流体混合技术王英琛等译.北京： 化学工业出版社. 吴英桦, 1993. 粘性流体混合及设备.北京：中国轻工业出版社. Baldyga J, Bourne JR, 1999. Turbulent Mixing and Chemical Reactions.Chichester, UK：John Wiley & Sons. 王凯,冯连芳, 2000. 混合设备设计.北京：机械工业出版社. 陈志平, 2004. 搅拌与混合设备设计选用手册.北京：化学工业出版社. Bockhorn H, Mewes D, Peukert W, Warnecke H-J, 2010. Micro and Macro Mixing, Analysis, Simulation and Numerical Calculation.Berlin Heidelberg：Springer-Verlag. 这些内容对我们认识混合原理和技术的全貌大有助益。本书部分内容来自笔者和所属课题组同事、学生的工作，以及笔者对现有混合与搅拌研究思考中油然而生的困惑和心得。希望本书对从事化学工程研究和工程应用的科技人员有所裨益。在本书著述过程中深切感受到，虽然混合仅是化学工程学的一个分支，但其应用宽广、内涵深厚。笔者在此中温故而知新，增长了许多新知识。然而精通不易，书中不妥之处和错误在所难免，恳请方家不吝指出。 毛在砂，杨超 2020年2月识于北京中关村

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