化學(xué)反應(yīng)過程和反應(yīng)器是化學(xué)生產(chǎn)流程中的中心環(huán)節(jié)，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)往往占有重要的地位。相對而言，化工生產(chǎn)流程中的單元操作如熱交換、蒸餾、吸收和干燥等，只涉及物理變化，其設(shè)計(jì)計(jì)算理論較為成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富；而在反應(yīng)器中發(fā)生的，是傳熱、傳質(zhì)等物理過程和化學(xué)反應(yīng)過程共同以及交互作用的結(jié)果，比單純的物理操作或化學(xué)過程要復(fù)雜得多。

反應(yīng)器設(shè)計(jì)所依據(jù)的化學(xué)反應(yīng)工程理論，是研究化工生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)過程的學(xué)科技術(shù)，它把反應(yīng)的化學(xué)特性和反應(yīng)器的傳遞特性結(jié)合起來，涉及化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳遞過程和工程控制等領(lǐng)域。研究化學(xué)反應(yīng)工程的主要任務(wù)是：

① 對已有反應(yīng)過程進(jìn)行分析，尋求進(jìn)一步改進(jìn)或強(qiáng)化的方法。

② 開發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備。

③ 反應(yīng)過程優(yōu)化。

④ 設(shè)計(jì)反應(yīng)器。

其中反應(yīng)器設(shè)計(jì)主要包括：反應(yīng)器選型；尋找合適的工藝條件；確定實(shí)現(xiàn)這些工藝條件；確定實(shí)現(xiàn)這些工藝條件所需的技術(shù)措施；確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸；確定必要的控制手段。

攪拌操作過程是化工、石油化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)中最常見的操作之一。其目的是使兩種或兩種以上的介質(zhì)能達(dá)到最大程度的接觸，從而在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成所需要的混合、傳質(zhì)、傳熱或反應(yīng)過程。攪拌的過程基本作用是混合，無論是攪拌機(jī)理，還是具體的攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和攪拌功率計(jì)算都與參與攪拌過程的介質(zhì)性質(zhì)有密切的關(guān)系。因此，工程設(shè)計(jì)中，攪拌類型可基本分為均相液液調(diào)和、非均相液液分散、氣液分散和混合以及固液懸浮攪拌四大類。

3.1 均相液液混合

參與均相液液混合的液體必然是互溶的流體，攪拌操作的目的是使兩種或兩種以上的互溶物料達(dá)到分子級(jí)的均勻混合。互溶物料之間不存在物相界的分界面，在混合過程中，對物料流動(dòng)時(shí)的剪切速度要求不高，但要求達(dá)到充分的對流循環(huán)。首先，在整個(gè)攪拌槽內(nèi)應(yīng)該做到無死角，使槽內(nèi)各處流體的流動(dòng)均勻。

然后，還要求流體的流動(dòng)達(dá)到一定的湍流強(qiáng)度，以使得物料能在短時(shí)間內(nèi)被均勻混合。

在均相液液混合過程中，兩種物料首先以塊團(tuán)的形式進(jìn)行相互結(jié)合。隨著攪拌的進(jìn)行，這些塊團(tuán)被逐漸打碎而變小，但每一塊團(tuán)仍是同一種物料，這個(gè)過程稱為宏觀混合過程。在宏觀混合過程中，實(shí)際上已開始了兩種物料塊團(tuán)間的分子量級(jí)的相互擴(kuò)散，只不過這種擴(kuò)散過程同塊團(tuán)被打碎而變小的過程相比不占主要地位。當(dāng)物料的塊團(tuán)足夠小以后，攪拌繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，兩種物料塊團(tuán)間的分子量級(jí)的擴(kuò)散過程開始占主要地位，這個(gè)過程稱為微觀混合過程，正是在微觀混合過程中，兩種物料的均勻調(diào)和操作才最終完成。

對不同粘度的物料以及在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，宏觀混合過程和微觀混合過程所需要的時(shí)間是有區(qū)別的。對于低粘度流體，在湍流狀態(tài)下，兩種物料塊團(tuán)間的分子量級(jí)的擴(kuò)散過程作用得很快。因此，調(diào)和操作所需要的時(shí)間將主要由宏觀混合過程所決定。而對于高粘度流體在層流狀態(tài)下的攪拌操作，宏觀混合過程和微觀混合過程所需要的時(shí)間大致相當(dāng)。

3.2 固液懸浮攪拌

固體物料在液體物料中的懸浮操作的目的是使固體的分布較為均勻，從而按工藝要求完成溶解、結(jié)晶、混合調(diào)配等化工過程。如無攪拌器的作用，每一種固體顆粒放在一定粘度的液體中，存在一個(gè)極端沉降速度，該數(shù)值與固體顆粒的大小有關(guān)。

表1 固液懸浮攪拌操作的分級(jí)效果

從表1中所列出的是個(gè)攪拌級(jí)別，級(jí)別越高，液體中固體顆粒的分布越是均勻。決定固體顆粒在液體中懸浮程度的主要因素是液體的湍流程度，即流體內(nèi)的流速。

對于一定固體顆粒所具有的沉降速度，槽內(nèi)流體必須達(dá)到一定的流速，才能使固體懸浮操作達(dá)到表內(nèi)中的某一級(jí)別。

另外，如槽內(nèi)液體僅進(jìn)行圓周流動(dòng)，則要使固體懸浮操作達(dá)到較高的級(jí)別，往往難以做到。對于5級(jí)以上的操作，槽內(nèi)液體還需要具有一定的軸向流動(dòng)速度，或者在攪拌槽內(nèi)有多個(gè)攪拌器沿槽高按一定的間距分布，以使液體能帶動(dòng)固體顆粒在液體中分布的比較均勻。

3.3 非均相液液分散

非均相液液分散是指兩種不互溶的液體進(jìn)行混合，由于兩種液體不互溶的液體進(jìn)行混合，由于兩種液體不互溶，故在他們之間總存在物相界的分界面。一般來說非均相液液分散操作中，總有一種液體的體積分率比較大，這種液體稱為主液相，而另一體積分率較小的液體為分散相。這種操作的目的是使分散相液體能以盡可能小的液滴均勻分散到主液相中，即使兩相獲得最大的接觸面積，無論是反應(yīng)，傳熱或傳質(zhì)過程，參與兩相總是以接觸面積越大越有利。

當(dāng)攪拌器達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后，在開始階段，兩種液體的兩相分界線在流動(dòng)過程中會(huì)逐漸消失。當(dāng)攪拌器的轉(zhuǎn)速繼續(xù)加大，隨著攪拌過程的進(jìn)行，大的分散相液團(tuán)或液滴會(huì)被槳葉的旋轉(zhuǎn)和液體的流動(dòng)所打碎，在液體本身所具有的粘度和表面張力的作用下，較小的液滴會(huì)再次聚合成較大的液滴，這兩個(gè)過程總是在同時(shí)進(jìn)行，不同的只是哪個(gè)過程占主要地位。較大的液滴被打碎的能量來自流體流動(dòng)時(shí)具有的分裂能，而較小的液滴聚合成較大液滴的能量來自液體本身的粘性能和表面能。

流體的分裂能需要靠攪拌葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)對液體所作用的剪切力來提供，該剪切力隨葉輪的轉(zhuǎn)速提高而增大，同時(shí)與葉輪本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)分散相的液滴較大時(shí)，該液滴受到的周圍流體對其作用的分裂能也較大，此時(shí)，大液滴容易被分裂成較小的液滴。如這些較小液滴的粘性能和表面能仍小于周圍流體對它們所作用的分裂能時(shí)，這些較小液滴會(huì)進(jìn)一步分散成更小的液滴，直至小也低所收到的分裂能與其本身的粘性能和表面能達(dá)到平衡，液液分散的過程也就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。

3.4 氣液分散和混合

在非均相的氣液攪拌操作過程中，其目的可能僅為分散，也可能是通過氣液分散而進(jìn)行傳質(zhì)、反應(yīng)或傳熱。氣體在通入液體后，如無攪拌作用時(shí)，氣體將以較大的氣泡直接由下而上通過液體而逸出。

在這種情況下，氣體和液體之間沒有進(jìn)行良好的接觸，將不能達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的化工工藝過程。通過攪拌器的旋轉(zhuǎn)作用，一方面將液體中的大氣泡打碎，可增加氣液兩相的接觸表面積。另一方面，在液體的旋轉(zhuǎn)翻騰作用下，可增加氣體與液體的接觸時(shí)間。在這兩方面中，將大氣泡打碎，增加兩相的接觸表面積是主要的。

3.5 高粘度流體攪拌

高粘度流體一般是指粘度值超過2.0Pas的流體。對高粘度流體來說，實(shí)際上也存在前面所述的四種操作類型。但高粘度流體的流動(dòng)性能與低粘度流體不同，在工程上一般難以使其達(dá)到湍流狀態(tài)，而只能使其在層流狀態(tài)下流動(dòng)。由于流體的粘度高，在攪拌器的槳葉不能作用到的區(qū)域，在粘滯力的作用下，容易形成死區(qū)。

在高粘度流體中工作，攪拌器的槳葉排出的流體量很小，稍遠(yuǎn)離槳葉處的流體就呈靜止?fàn)顟B(tài)，攪拌器的轉(zhuǎn)速過高反而會(huì)形成溝流。因此，對高粘度流體來說，只能在其處于層流的狀態(tài)下，設(shè)法提高攪拌器的攪拌范圍，盡可能使槽內(nèi)不存在流動(dòng)死區(qū)。