郭長(zhǎng)皓，鴉明勝，徐幼林，鄭加強(qiáng)

（南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，混合是一個(gè)使兩種或多種物料相互分散增加系統(tǒng)均勻性的單元操作過(guò)程，涉及兩相、三相或多相系統(tǒng)，用以加速傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)或物理變化，制取混合體，如溶液、乳濁液、懸濁液等。從宏觀(guān)的復(fù)合材料制備、農(nóng)用化學(xué)品的應(yīng)用、制藥、聚合物加工、飲用水和廢水處理，到微觀(guān)的微流通道中細(xì)胞等粒子的聚焦遷移，混合現(xiàn)象與生活息息相關(guān)。

固液混合是重要的混合操作之一，在許多單元操作中有著廣泛的應(yīng)用，如固體分散、溶解和浸出、結(jié)晶和沉淀、固體催化反應(yīng)以及農(nóng)藥的混合等。固液兩相混合的效果不僅直接影響化學(xué)反應(yīng)程度、質(zhì)量或傳熱效率、有效成分應(yīng)用率、產(chǎn)品質(zhì)量成本，還可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。因此研究高效的固液兩相混合方法以及精確的混合效果檢測(cè)，對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)固液兩相混合的研究大多集中在混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及混合均勻性檢驗(yàn)等方面，而對(duì)固液兩相混合機(jī)理的研究則相對(duì)較少。本文基于固體顆粒在液相中的分散機(jī)理，綜述了固液兩相混合技術(shù)的最新應(yīng)用進(jìn)展，包括固相顆粒在液相中的分散方法以及對(duì)分散混合效果的檢測(cè)等研究，并對(duì)各類(lèi)分散混合方法及檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，最后提出固液兩相混合技術(shù)未來(lái)的研究發(fā)展建議。

1 固體顆粒在液相中的分散機(jī)理

固液混合是指固體顆粒在液相中的分散。其實(shí)質(zhì)是顆粒在液相中逐漸分離散開(kāi)，與液相均勻混合的過(guò)程。顆粒在液體中的分散過(guò)程主要為以下三個(gè)階段：顆粒在液相中的潤(rùn)濕；顆粒群的解體；穩(wěn)定顆粒的分散性，阻止顆粒再團(tuán)聚。而其在液相中分散時(shí)主要由兩項(xiàng)因素決定其分散混合效果，其一為固體顆粒與液相的作用，即顆粒的潤(rùn)濕，其二為液相中固體顆粒間的相互作用。

1.1 顆粒潤(rùn)濕

潤(rùn)濕過(guò)程其實(shí)就是固/氣界面的消失和固/液界面的形成。如圖1所示，為沾濕潤(rùn)濕、浸濕潤(rùn)濕以及鋪展?jié)櫇裥Ч?/p>

圖1 潤(rùn)濕類(lèi)型效果圖

沾濕潤(rùn)濕是指固體表面與液體從不接觸到接觸的過(guò)程，即氣液界面與氣固界面被固液界面取代的過(guò)程；浸濕潤(rùn)濕是指固體浸入液體的過(guò)程，即氣固界面被液固界面取代的過(guò)程；鋪展?jié)櫇駝t是指在潤(rùn)濕過(guò)程中液固界面取代氣固界面的同時(shí)還擴(kuò)展了氣液界面。

1.2 潤(rùn)濕接觸角

固相顆粒的潤(rùn)濕性通常用潤(rùn)濕接觸角來(lái)度量。潤(rùn)濕接觸角是液相與固相接觸時(shí)液固界面與液相表面切線(xiàn)的夾角，反映了液相分子與固相分子之間吸引力的大小，與潤(rùn)濕狀態(tài)有著直接關(guān)系。當(dāng)潤(rùn)濕接觸角90°＜≤180°時(shí)，如圖1(b)所示為沾濕潤(rùn)濕，固體顆粒不易潤(rùn)濕。此時(shí)液相難以在固體顆粒表面鋪展，其中越大潤(rùn)濕能力越小。當(dāng)潤(rùn)濕接觸角為0°＜≤90°時(shí)，如圖1(c)所示為浸濕潤(rùn)濕，固體顆粒由于氣液界面的張力作用而不能完全潤(rùn)濕，此時(shí)若固體顆粒的粒度和密度足夠大，即可浸濕到液體中。如圖1(d)所示為鋪展?jié)櫇瘢藭r(shí)液體完全鋪展在固體表面。值得注意的是，鋪展?jié)櫇駮r(shí)潤(rùn)濕接觸角=0°，圖中為方便說(shuō)明，放大了固液兩相之間的接觸角。

1.3 液體表面張力、固體粗糙度和固體表面能對(duì)接觸角的影響

影響潤(rùn)濕接觸角的主要因素為液體表面張力、固體粗糙度以及固體表面能。在單一變量條件下，固體顆粒接觸角有如下變化規(guī)律。

（1）在相同材料表面上，接觸角隨著液體表面張力的增加而增加。

（2）在相同表面能、不同粗糙度的材料表面且當(dāng)＞90°時(shí)，接觸角隨著粗糙度的增加而增加，達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定；當(dāng)＜90°時(shí)，接觸角隨著粗糙度的增加而不斷減小。

（3）在粗糙度相同的表面，接觸角隨著固體表面能的增加而不斷減小。

當(dāng)綜合考慮以上三個(gè)因素時(shí)，材料表面接觸角可表示為式(1)。

式中，為材料表面的接觸角；為液體表面張力；為固體表面能；為固體表面粗糙度。

1.4 潤(rùn)濕熱

潤(rùn)濕過(guò)程涉及固-液-氣三相體系的能量變化，在反映液相與固相表面鋪展功的同時(shí)，也反映固-液-氣三相之間的相互作用。同時(shí)潤(rùn)濕過(guò)程與熱效應(yīng)有著緊密聯(lián)系，兩者是固體表面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及固-液兩相分子相互作用等微觀(guān)特性的綜合表現(xiàn)。在潤(rùn)濕過(guò)程中潤(rùn)濕熱可表示為式(2)。

式中，為固液界面面積；為氣液界面面積；、、分別為固氣界面、固液界面和液氣界面的表面張力。

潤(rùn)濕熱的大小只與潤(rùn)濕接觸角有關(guān)，且與潤(rùn)濕接觸角成反比，故亦可用其表征固體顆粒的潤(rùn)濕程度及潤(rùn)濕過(guò)程。

1.5 液體中固體顆粒的相互作用

固體顆粒被液體浸濕后，在液體中有兩種存在形式，即分散與團(tuán)聚。影響固體顆粒存在形式的相互作用力包括范德華力、雙電層靜電力、溶劑化力、因吸附高分子而產(chǎn)生的空間效應(yīng)力等。Derjaguin、Landau、Verwey、Overbeek 等提出的DLVO理論認(rèn)為顆粒間的范德華力和雙電層引起的靜電作用勢(shì)能之和決定了顆粒能否在一定的條件下穩(wěn)定存在，其值由式(3)計(jì)算。

式中，為總勢(shì)能；為范德華作用勢(shì)能；為雙電層靜電排斥作用勢(shì)能。因此當(dāng)＞時(shí)，顆粒之間的引力大于斥力，發(fā)生團(tuán)聚；當(dāng)＜時(shí)，顆粒間的斥力大于引力，為分散狀態(tài)。

若考慮其他力的作用，則需要在DLVO理論的基礎(chǔ)上擴(kuò)展為式(4)。

式中，為溶劑化膜作用勢(shì)能；為聚合物吸附層的空間排斥作用勢(shì)能。

同理，當(dāng)＜++，即顆粒間的排斥力大于范德華力時(shí)，顆粒分散。因此基于以上理論，可以通過(guò)增大顆粒間的排斥力促進(jìn)分散，即增大顆粒間的靜電排斥作用、增大溶劑化膜的強(qiáng)度和厚度，增強(qiáng)溶劑化排斥作用、增大吸附層的空間排斥作用。

2 固液分散混合方法

根據(jù)固體顆粒在液體中的分散機(jī)理，可以采取減小潤(rùn)濕角、提高潤(rùn)濕熱、改變顆粒表面性能、增加顆粒間相互作用力使顆粒自發(fā)在液體中分散的化學(xué)分散方法；也可以使用合理的機(jī)械施加外力，迫使顆粒在液體中分散與液體混合的物理分散方法。

2.1 化學(xué)分散法

化學(xué)分散是一種應(yīng)用較為廣泛的分散方法，通常采用添加表面活性劑、偶聯(lián)劑或電化學(xué)改性等方法對(duì)固體顆粒進(jìn)行表面改性，改變顆粒間的相互作用力，促進(jìn)粉體顆粒分散。

2.1.1 表面活性劑

表面活性劑是一種能降低液體表面張力的化學(xué)品，一般由親水基團(tuán)和親油基團(tuán)兩部分組成。如圖2(a)所示，它能在固體顆粒的表面形成包覆膜，產(chǎn)生空間電阻，改變顆粒表面的潤(rùn)濕性，減少顆粒間的相互作用，從而促進(jìn)顆粒在液體中的分散。按其成分分類(lèi)，主要分為：陽(yáng)離子表面活性劑，如十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、聚丙烯酰胺（PAM）等；陰離子表面活性劑，如二-(2-乙基己基)磺基琥珀酸鈉（AOT）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）等；非離子型表面活性劑，如聚乙二醇（PEG）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）、吐溫（TW）、三乙醇胺（TEA）等；以及同時(shí)含有陽(yáng)離子與陰離子基團(tuán)的兩性表面活性劑，如十二烷基甜菜堿（DB）、十六烷基氨基苯磺酸（HABSA）等。

圖2 化學(xué)分散法原理圖

表1所示為表面活性劑對(duì)分散效果影響的部分研究。從表1中可以看出，表面活性劑的用量是影響固體顆粒改性的因素之一，適當(dāng)?shù)卦黾颖砻婊钚詣┑挠昧坎粌H可以改善固相分散性，還可以增強(qiáng)分散的穩(wěn)定性，但若過(guò)量使用反而會(huì)降低分散效果。不同類(lèi)型的表面活性劑對(duì)不同固體顆粒的分散穩(wěn)定性影響也往往不同，例如兩性表面活性劑分子由于頭部的負(fù)電荷和相反的陽(yáng)離子電荷之間存在強(qiáng)烈的靜電相互作用，因此對(duì)碳基納米材料的吸附高于陰離子表面活性劑，表現(xiàn)出更好的分散性，但同時(shí)也會(huì)減弱分散穩(wěn)定性。除此之外，當(dāng)同時(shí)使用不同類(lèi)型的表面活性劑對(duì)固體顆粒進(jìn)行表面改性時(shí)，表面活性劑之間的相互作用也會(huì)影響改性效果。

表1 表面活性劑對(duì)分散效果的影響

2.1.2 偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑是一種分子中含有親無(wú)機(jī)基團(tuán)和親有機(jī)基團(tuán)兩種不同性質(zhì)官能團(tuán)的物質(zhì)，如圖2(b)所示，偶聯(lián)劑的官能團(tuán)通過(guò)與固體顆粒表面的官能團(tuán)進(jìn)行脫水縮合，可以實(shí)現(xiàn)與固體顆粒的連接，改善其表面性能。由于其使用方便、熱穩(wěn)定性好、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。偶聯(lián)劑按照化學(xué)結(jié)構(gòu)分類(lèi)可大致分為羧酸偶聯(lián)劑、聚合物偶聯(lián)劑、有機(jī)磷分子偶聯(lián)劑以及硅烷偶聯(lián)劑等四類(lèi)。相比較其他類(lèi)型的偶聯(lián)劑，硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑在改善顆粒分散性方面的應(yīng)用更加廣泛。影響偶聯(lián)劑對(duì)顆粒改性效果的因素有很多，除了偶聯(lián)劑的種類(lèi)和用量外，不同的反應(yīng)環(huán)境、不同的實(shí)驗(yàn)溫度、不同的液相pH 以及不同的反應(yīng)時(shí)間都會(huì)得到不同的改性效果。且一般情況下對(duì)于不同的固體顆粒，其最佳改性條件因素也不同。

2.1.3 電化學(xué)改性

如圖2(c)所示，固體顆粒的電化學(xué)改性是將固體顆粒依附在金屬電極上或與電解液混合，利用電流通過(guò)固體顆粒，打破固體顆粒表面離子間的平衡，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而引起固體顆粒表面官能團(tuán)的變化，繼而使顆粒表面特性發(fā)生變化的一種固體顆粒表面改性技術(shù)。通過(guò)控制電位、電解液的成分、電極材料、通電時(shí)間等手段可以調(diào)節(jié)電化學(xué)改性對(duì)固體顆粒表面改性的效果。

綜上所述，固體顆粒的化學(xué)分散由“內(nèi)”出發(fā)，根據(jù)顆粒分散機(jī)理，對(duì)固體顆粒進(jìn)行表面改性，或增加顆粒表面靜電排斥力、空間位阻力，從而減少顆粒團(tuán)聚；或引入親水疏水官能團(tuán)等改善顆粒表面的親水性。這種方法雖然能夠從根本上促進(jìn)固體顆粒在液體中的分散，同時(shí)能增加顆粒的分散穩(wěn)定性，但是卻缺乏普適性，對(duì)于不同的固液相混合，需要選擇不同的分散劑，以達(dá)到最佳的分散效果。而即使是對(duì)同一種固體顆粒，使用同一種分散劑，分散劑的用量及環(huán)境因素都會(huì)對(duì)固體顆粒的分散效果產(chǎn)生影響。除此之外，表面改性雖然能夠較好地保持顆粒的分散性，但是這些化學(xué)試劑在有效改善顆粒分散性的同時(shí)也有可能破壞顆粒表面原有的性質(zhì)，影響材料的使用。

2.2 物理分散法

物理分散是指通過(guò)物理作用使液體內(nèi)部產(chǎn)生沖擊、剪切、拉伸等外力來(lái)促使固體顆粒分散，防止團(tuán)聚。常見(jiàn)的物理分散法包括機(jī)械分散、超聲分散、靜電分散等。其中機(jī)械分散是通過(guò)混合器中液相流體剪切力或其他流體力來(lái)分散固相。根據(jù)混合器結(jié)構(gòu)的不同一般分為攪拌釜混合器、撞擊流混合器、射流混合器、靜態(tài)混合器和動(dòng)態(tài)混合器。

2.2.1 機(jī)械分散

（1）攪拌釜混合

攪拌釜是一種在生物、化工等領(lǐng)域最常見(jiàn)的固液兩相反應(yīng)器，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的槳葉對(duì)釜內(nèi)物料進(jìn)行混合。一般情況下，通過(guò)攪拌器攪拌會(huì)產(chǎn)生可能同時(shí)存在的三種基本流型，即切向流、軸向流以及徑向流。其中軸向流與徑向流對(duì)混合起正向積極作用，而切向流會(huì)對(duì)混合起到負(fù)面作用，因此應(yīng)加以抑制。而攪拌釜內(nèi)擋板的存在不僅可以抑制切向流，將切向流變?yōu)檩S向流和徑向流，而且可以增大混合時(shí)釜體內(nèi)流體的湍流程度，改善混合效果。

攪拌器是攪拌釜反應(yīng)器最重要的組成部分，對(duì)混合效果有著直接的影響。如圖3所示，傳統(tǒng)的攪拌器形式主要有槳式攪拌器、推進(jìn)式攪拌器、渦輪式攪拌器、錨框式攪拌器、鋸齒圓盤(pán)式攪拌器、螺帶式攪拌器等。不同類(lèi)型的攪拌器會(huì)產(chǎn)生不同的流場(chǎng)，槳式、渦輪式、錨框式以及鋸齒圓盤(pán)式攪拌器傾向于產(chǎn)生徑向流，而推進(jìn)式與螺帶式攪拌器則產(chǎn)生軸向流，因此不同形式的攪拌器對(duì)不同粒徑及濃度的固體顆粒的混合效果也不同。同時(shí)具有較大直徑的攪拌器其混合能力也較好，但這種優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加而減小。在傳統(tǒng)攪拌器類(lèi)型的基礎(chǔ)上，近年來(lái)一些新型的攪拌器被用于提升混合效果，如將錨框式與斜葉槳式攪拌器相結(jié)合的改進(jìn)型框式組合槳攪拌器；將兩個(gè)上下垂直分布于攪拌軸的Intermig 槳相結(jié)合的改進(jìn)型雙Intermig 槳攪拌器；具有不同數(shù)量、形狀、傾角的葉片的改進(jìn)型多葉片錨式攪拌器；由V形槽葉片代替直板葉片，減小了混合時(shí)的阻力，提高了混合效率的V形槽葉片攪拌器等。

圖3 攪拌釜示意圖

攪拌器的安裝高度也是影響混合效果的一個(gè)因素。隨著離底間隙的增加，混合系統(tǒng)的能量耗散會(huì)減少，攪拌器懸浮顆粒的能力降低，固體顆粒在攪拌釜底部堆積，致使系統(tǒng)內(nèi)混合均勻性降低。然而若離底間隙太小，攪拌器葉片排出的液體流程較小，流型不能完全展開(kāi)，會(huì)使攪拌器下方中心位置處的流動(dòng)減弱。隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加，攪拌器離底間隙對(duì)混合均勻性的影響也會(huì)被削弱。

攪拌器的轉(zhuǎn)速往往存在一個(gè)最優(yōu)值，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于最優(yōu)值時(shí)，混合均勻性隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加；然而當(dāng)轉(zhuǎn)速高于最優(yōu)值時(shí)，由于攪拌釜內(nèi)循環(huán)流的離心力，轉(zhuǎn)速的增加反而會(huì)降低混合的均勻性。

攪拌釜的釜底形狀如圖3所示，主要分為平底形、橢圓形和球形等，不同的釜底形狀對(duì)釜內(nèi)流場(chǎng)的影響也不同。與平底形釜底相比，采用橢圓形釜底可以有效避免流動(dòng)死區(qū)的形成，而采用球形釜底可減少液體速度的損失，循環(huán)效果較好，顆粒懸浮的速度更快也更均勻。

（2）撞擊流混合

撞擊流混合是利用流體在撞擊碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的高壓、高速湍流等作用對(duì)顆粒進(jìn)行分散。如圖4(a)所示，碰撞后的撞擊流流場(chǎng)一般分為以下區(qū)域：①流體從噴嘴射出的射流區(qū)；②流體發(fā)生碰撞的撞擊區(qū)；③流體發(fā)生碰撞后沿軸向流動(dòng)的撞擊流區(qū)；④撞擊后向下流動(dòng)的流體向上倒轉(zhuǎn)流動(dòng)的折射回流區(qū)；⑤撞擊后直接向上流動(dòng)的管流區(qū)。如圖4(b)所示，根據(jù)流體雷諾數(shù)不同，混合裝置內(nèi)的基本流型一般有層流、過(guò)渡流以及湍流三種。在不同類(lèi)型的流場(chǎng)中固相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、最大滲入深度以及停留時(shí)間也往往不同，其中撞擊區(qū)的湍流動(dòng)能最強(qiáng)，壓力最大，是固液兩相進(jìn)行均勻分散的主要區(qū)域。

圖4 撞擊流流動(dòng)區(qū)域分布及基本流型[59]

固體顆粒在撞擊流中的分散混合主要是依靠撞擊流的剪切、碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此撞擊流混合裝置的結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)部的流場(chǎng)特性也不同，分散混合效果也會(huì)不同。按照不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，傳統(tǒng)的固液撞擊流混合裝置有不同分類(lèi)：按射流數(shù)目分為單股、雙股和多股撞擊流，按噴嘴形狀分為軸對(duì)稱(chēng)和平面撞擊流，按噴嘴分布分為水平對(duì)置、Y 形和多進(jìn)口漩渦撞擊流，按射流對(duì)稱(chēng)性分為對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)撞擊流，按環(huán)境空間限制分為自由和受限撞擊流等。

撞擊流混合的混合效果會(huì)受到混合器的形式、噴嘴的數(shù)目、分布、間距以及流體雷諾數(shù)等參數(shù)的影響。以常見(jiàn)的水平對(duì)置撞擊流混合器為例，當(dāng)噴嘴間距過(guò)小時(shí)，由于流體撞擊面積較小，因此不利于混合；若噴嘴間距過(guò)大，則由于流體撞擊的劇烈程度較弱，同樣不利于混合。有研究指出，對(duì)雙噴嘴水平對(duì)置撞擊流混合器來(lái)說(shuō)，噴嘴的最佳間距為三倍的噴嘴直徑。一般而言，增加噴嘴數(shù)量可以增強(qiáng)撞擊流混合器內(nèi)的剪切力場(chǎng)，更有利于混合。增大流體的雷諾數(shù)同樣可以促進(jìn)混合，但同時(shí)會(huì)縮短流體在撞擊區(qū)的停留時(shí)間，因此若應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)，選擇合適的雷諾數(shù)相對(duì)于較大的雷諾數(shù)更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)撞擊流混合器在傳統(tǒng)形式基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如將多根同軸進(jìn)料管對(duì)稱(chēng)安裝，可同時(shí)進(jìn)行物料反應(yīng)與混合的多組同軸相向撞擊流反應(yīng)器；采用分層式設(shè)計(jì)且同層進(jìn)料管對(duì)置，在滿(mǎn)足多股物料混合的同時(shí)還可以增加流場(chǎng)層間擾動(dòng)的新型雙組分層式撞擊流混合器，以及進(jìn)料管安裝SK 靜態(tài)混合元件的對(duì)稱(chēng)T 形混合器等。

（3）射流混合

常見(jiàn)的射流混合器大多為文丘里結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示。其基本原理是利用經(jīng)過(guò)收縮段加速的流體在吸入室射入另一種速度相對(duì)較低的流體時(shí)，由流體間的剪切力造成的混合管路內(nèi)壓力分布不均，使不同壓力的流體發(fā)生能量和質(zhì)量交換，從而促使流體均勻混合。

圖5 射流混合器[68]

射流混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如管徑、吸入室位置、收縮段和擴(kuò)散段角度等決定了固液兩相混合效果。在一定范圍內(nèi)，文丘里管的直徑越大，在吸入室處的負(fù)壓越大，吸附力越強(qiáng)。研究表明，將吸入室垂直于文丘里管并設(shè)置在喉管后，也可以提升吸附力，利于固體顆粒的分散。當(dāng)收縮段角度為21°±1°時(shí)混合效果較好，同時(shí)擴(kuò)散段選用較大的角度可以減小壓力損失，提高混合效果。在傳統(tǒng)文丘里射流混合器的基礎(chǔ)上，如圖5(b)、(c)所示，Li等設(shè)計(jì)并搭建了孔式環(huán)形粉液混合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用流體流經(jīng)環(huán)形噴腔流速的增加，產(chǎn)生較大的壓降和吸附力，同時(shí)粉末吸出管采用孔狀結(jié)構(gòu)，避免了大量粉末同時(shí)被吸入，保證了固液兩相的均勻混合。

目前對(duì)于固液射流混合器的研究絕大多數(shù)都集中在對(duì)射流混合部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)。而實(shí)際上，在固相顆粒輸送過(guò)程中很容易發(fā)生堵塞，影響混合過(guò)程的進(jìn)行。料斗是常用的固體顆粒存儲(chǔ)與運(yùn)輸裝置，通過(guò)改變料斗的出口直徑及傾斜角或在料斗內(nèi)增設(shè)插件都可以有效緩解料斗堵塞問(wèn)題，然而目前對(duì)于料斗卸料的研究主要集中在適用于化工領(lǐng)域等的大型料斗，而對(duì)于適用于射流混合器進(jìn)行固液混合過(guò)程中固體顆粒存儲(chǔ)與運(yùn)輸?shù)闹行⌒土隙穮s鮮有研究。

（4）靜態(tài)混合

靜態(tài)混合器是以流體的軸向流動(dòng)動(dòng)能為動(dòng)力，通過(guò)管內(nèi)固定的各種復(fù)雜構(gòu)件的作用，使流體物料在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生分割、反轉(zhuǎn)、剪切、沖擊、合流等流動(dòng)方式，從而引起流體層流的運(yùn)動(dòng)速度梯度增大或者形成湍流及新的層流，使物料充分混合。常見(jiàn)的靜態(tài)混合器根據(jù)管內(nèi)元件的不同，有SV 型、SK 型、SH 型、SL 型以及SX 型五種，如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器管內(nèi)元件數(shù)目是影響其混合性能的因素，適當(dāng)增加混合元件的數(shù)量有利于混合均勻性的提升，但當(dāng)混合元件數(shù)量增大到一定值后，對(duì)固液兩相混合均勻性的提升效果將不再明顯。對(duì)于SK型靜態(tài)混合器而言，SK混合元件的扭轉(zhuǎn)角度也是一個(gè)影響混合效果的因素。有研究指出，SK 混合元件的扭轉(zhuǎn)角為150°和180°時(shí)具有較好的混合效果。

為了提升混合效果，近些年來(lái)出現(xiàn)了許多新型的靜態(tài)混合器，這些新型的靜態(tài)混合器按其創(chuàng)新思路可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是在傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器的基礎(chǔ)上作出修改，如將SX型與SH型混合元件交替安裝使用提高了混合效應(yīng)的SXSH型靜態(tài)混合器，增大SX型混合元件橫桿間隙的SX plus型靜態(tài)混合器，將傳統(tǒng)SX 型混合元件幾何形狀修改為圓形鋸齒形、三角鋸齒形、方形鋸齒形以及穿孔元件等的改進(jìn)SX 型靜態(tài)混合器等。另一類(lèi)則是提出全新的靜態(tài)混合元件。例如，如圖7(a)所示，可以生成高效的漩渦，從而強(qiáng)化靜態(tài)混合器管內(nèi)湍流的空心十字盤(pán)式（HCD）靜態(tài)混合器；如圖7(b)所示，可以有效避免掛漿、破壞高分子化學(xué)品結(jié)構(gòu)的三角形管壁葉片式靜態(tài)混合器；如圖7(c)～(e)所示，利用流體的分離和重組，增強(qiáng)混合效果的拆分和重組（SAR）靜態(tài)混合器；如圖7(f)所示，可以產(chǎn)生大規(guī)?？v向漩渦，增強(qiáng)橫截面上混合效果的高效渦流（HEV）靜態(tài)混合器；如圖7(g)所示，采用矩形排列，從而可以極大地改變流體流動(dòng)方向的LPD 型靜態(tài)混合器等。

圖7 新型靜態(tài)混合器[79-83]

（5）動(dòng)態(tài)混合

動(dòng)態(tài)混合器是一種管道混合設(shè)備，一般以定子與轉(zhuǎn)子為主要元件，依靠轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)對(duì)管內(nèi)固液兩相流實(shí)現(xiàn)分割、擾流、剪切、擠壓等一系列操作，實(shí)現(xiàn)兩相流的混合。由于其對(duì)流體有很強(qiáng)的剪切作用，因此一般用于高黏度固液兩相流的混合。

如圖8(a)所示，為動(dòng)態(tài)混合器中較為常見(jiàn)的球穴式動(dòng)態(tài)混合器，其主要由交錯(cuò)排列的含空腔的定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。通過(guò)定子轉(zhuǎn)子間隙可以控制混合裝置內(nèi)的拉伸動(dòng)作，間隙越小，剪切強(qiáng)度越大，混合效果越好，因此定子轉(zhuǎn)子間隙對(duì)于混合效果起著主要作用。另一個(gè)主要因素是轉(zhuǎn)子定子上的空穴數(shù)量，轉(zhuǎn)子定子上每排的空穴越大越少，每個(gè)空腔可以包含的流體體積越大，開(kāi)合時(shí)間越長(zhǎng)，混合效果越好；適當(dāng)增加混合器空穴的行數(shù)也可以提升混合效果，但行數(shù)過(guò)多混合效果的提升將會(huì)不那么明顯。同時(shí)進(jìn)料量和操作轉(zhuǎn)速以及外腔內(nèi)的流型和兩相流體的密度差、黏度等也會(huì)對(duì)混合效果產(chǎn)生一定的影響。除了常見(jiàn)的球穴式動(dòng)態(tài)混合器，還有諸如圖8(b)～(d)所示的可控變形動(dòng)態(tài)混合器（CDDM），通過(guò)控制定子與轉(zhuǎn)子發(fā)生相對(duì)位移，改變動(dòng)態(tài)混合器的混合模式，與現(xiàn)有工業(yè)混合器比較，其獲得等黏度產(chǎn)品所需的能量消耗和壓力較小。如圖8(e)所示是一種混合元件由混合流體驅(qū)動(dòng)的螺旋轉(zhuǎn)子的隨動(dòng)式動(dòng)態(tài)混合器，由于管內(nèi)隨動(dòng)式轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，聚集的顆粒受到流體剪切力的作用可以被有效地分散。然而由于過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)使顆粒遠(yuǎn)離管道中心，影響徑向混合效果，因此并不適用于高速流體相的混合。

圖8 動(dòng)態(tài)混合器[85-87]

機(jī)械分散是一種強(qiáng)制性分散方法，只要作用強(qiáng)度足夠大，比較容易實(shí)現(xiàn)粉體顆粒的分散化。其不足之處在于，盡管超微粉體的顆粒團(tuán)聚在分散器中被分散，但是粉體顆粒的表面及界面性質(zhì)并沒(méi)有發(fā)生改變，顆粒之間的團(tuán)聚作用力依舊存在，因此一旦粉體顆粒脫離機(jī)械分散環(huán)境，很可能重新產(chǎn)生團(tuán)聚。

除此之外，現(xiàn)有常見(jiàn)的混合系統(tǒng)雖然能夠較好地實(shí)現(xiàn)固液兩相的混合，但或多或少都存在些不足之處。攪拌釜混合流量大且操作簡(jiǎn)單，但是與其他混合裝置相比體積較大，在混合過(guò)程中容易存在死區(qū)，而且由于需要傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)攪拌器運(yùn)動(dòng)，因此能耗較大。撞擊流混合由于依靠?jī)晒苫蚨喙筛咚倭黧w撞擊進(jìn)行混合，因此具有較好的傳熱傳質(zhì)特性，但其只能實(shí)現(xiàn)快速混合，且流體流速不宜過(guò)大，混合不夠徹底。射流混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、成本低、功率消耗低且混合效率高，然而可能無(wú)法穩(wěn)定地吸入固體顆粒，甚至發(fā)生堵塞，從而影響混合效果。靜態(tài)混合器具有工作流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、操作靈活、安裝及維修方便等優(yōu)點(diǎn)，但容易造成流道堵塞，混合效果受流體流速影響較大，混合效果有限。動(dòng)態(tài)混合器能夠高效混合高黏度流體，且目前也主要應(yīng)用于混合高黏度流體，因此相比于其他混合方法，其對(duì)固液混合的適應(yīng)性較差。

2.2.2 超聲分散

超聲分散是將固液混合物置于超聲場(chǎng)中，利用超聲空化時(shí)產(chǎn)生的沖擊波弱化微粒間的作用能，使其均勻分散，是一種簡(jiǎn)單、高效且成本較低的分散方法。當(dāng)超聲作用于流場(chǎng)時(shí)會(huì)在流場(chǎng)中形成中心-底面-壁面-中心的環(huán)流，且在超聲探頭附近存在最大流速，而這種環(huán)流的形成和分布會(huì)受到容器高寬比的影響。環(huán)流的攪拌作用使得容器內(nèi)固液混合物在即使不添加分散劑的情況下也能均勻混合。與傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌分散相比，超聲分散不僅混合效果更好，而且分散后的固液混合物的分散穩(wěn)定性更好。

超聲分散對(duì)固液兩相混合物的分散效果與分散時(shí)間、聲學(xué)參數(shù)及顆粒、流體性質(zhì)等因素有關(guān)。固液混合物中固相的分散性會(huì)隨著超聲分散時(shí)間的增加而增加。然而若超聲分散的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅有可能會(huì)導(dǎo)致固相產(chǎn)生表面形貌改變、斷裂等缺陷，還會(huì)引起固液混合物溫度的升高，加劇固相顆粒的共振運(yùn)動(dòng)，引起顆粒的二次團(tuán)聚。因此，不可盲目通過(guò)增加超聲作用的時(shí)間來(lái)提升固相顆粒的分散效果。超聲功率的增加可以使液相流速加快，從而促進(jìn)固相的分散。在一定范圍內(nèi)超聲溫度的升高也可以提升固相的分散效果，但當(dāng)溫度升高到一定值后，對(duì)分散效果的提升將不再明顯。

2.2.3 靜電分散

靜電分散根據(jù)庫(kù)侖定律，為粉體顆粒荷以同一極性的電荷，利用顆粒之間的庫(kù)侖斥力來(lái)克服顆粒間的引力進(jìn)行分散，對(duì)分子間作用力較強(qiáng)的超細(xì)粉體顆粒的分散效果尤為明顯。但隨著放置時(shí)間的增長(zhǎng)，顆粒荷電量會(huì)逐漸衰減，因此靜電分散具有時(shí)效性，且與液體混合后靜電對(duì)固體的分散效果以及靜電絕緣問(wèn)題還有待進(jìn)一步深入研究，故目前一般只能用于粉體顆粒進(jìn)一步分散前的預(yù)分散。

為固體顆粒荷電的方法有接觸荷電、感應(yīng)荷電及電暈荷電等，其中電暈荷電的效果最好。荷電電壓是影響顆粒靜電分散最重要的因素，荷電電壓越高，產(chǎn)生的電子越多，吸附在顆粒表面的電子越多，顆粒間的排斥力也越大。但若荷電電壓過(guò)大電場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電流，此時(shí)不再是電暈放電，顆粒無(wú)法帶電。不同粒徑及材料的顆粒吸收電子的能力不同，因此在同樣的荷電電壓下，不同粒徑及材料的顆粒的分散性也會(huì)不同，通常情況下粒徑較小的顆粒吸收電子的能力更強(qiáng)，但同時(shí)顆粒粒徑越小分子間作用力也越強(qiáng)，完全分散需要的排斥力也越大。除此之外，若顆粒的濕度大，顆粒間的液橋力也較大，影響顆粒分散的效果。因此在采用靜電分散對(duì)顆粒進(jìn)行分散前最好進(jìn)行干燥處理。

如前所述，靜電分散對(duì)顆粒的分散效果具有時(shí)效性。隨著帶電顆粒在空氣中存放時(shí)間的延長(zhǎng)，帶電顆粒的電荷會(huì)呈指數(shù)關(guān)系衰減，衰減率會(huì)受到顆粒屬性和空氣濕度等因素的影響：粒徑越小、相對(duì)介電常數(shù)越高的帶電顆粒，電荷衰減率越低。而通過(guò)減小空氣濕度，也可以使電荷衰減率減小。除此之外，帶電粒子的初始荷質(zhì)比越大，衰減率也越大，但相對(duì)初始荷質(zhì)比較小的帶電粒子，其在整個(gè)衰變過(guò)程中的荷質(zhì)比仍然較高。

3 固液兩相混合效果檢測(cè)技術(shù)

固液兩相混合的混合過(guò)程及混合均勻性對(duì)混合的效果有著決定性的影響，因此混合過(guò)程的檢測(cè)是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)混合裝置內(nèi)固液兩相的檢測(cè)，可以了解混合的進(jìn)程，使得混合物之間得到充分的混合，提高混合質(zhì)量，同時(shí)可以減少過(guò)度混合造成的資源浪費(fèi)。

現(xiàn)有的固液兩相混合效果的檢測(cè)技術(shù)按其作用形式主要可以分為兩類(lèi)，即侵入式以及非侵入式。其中侵入式檢測(cè)主要以圖9(a)所示的各類(lèi)探針?lè)榇?，而非侵入式檢測(cè)包括如圖9(b)所示的圖像分析處理、超聲衰減法、動(dòng)態(tài)光散射法、電阻層析成像技術(shù)等。

圖9 混合效果檢測(cè)技術(shù)示意圖

3.1 探針?lè)?/h3>

當(dāng)探針在固液兩相混合過(guò)程中與固液兩相混合物直接接觸時(shí)，可以通過(guò)測(cè)得的參數(shù)（如電導(dǎo)探針的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)探針的熱導(dǎo)率等）來(lái)反映探針附近固液混合物濃度，繼而觀(guān)察隨時(shí)間的變化。即通過(guò)--的變化關(guān)系定量評(píng)價(jià)混合均勻性。

常用的探針?lè)y(cè)量主要為電導(dǎo)探針、光纖探針等。電導(dǎo)探針通過(guò)測(cè)量混合裝置中電導(dǎo)率隨混合時(shí)間的變化，得到混合裝置內(nèi)固液兩相混合狀態(tài)，因此需要液相具有導(dǎo)電性，且液相與固相之間的導(dǎo)電性具有一定的差異；光纖探針通過(guò)測(cè)量懸濁液中顆粒經(jīng)過(guò)光纖探頭時(shí)的反射光，并經(jīng)光電檢測(cè)裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，繼而得出顆粒分散信息，但當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)超過(guò)2%～3%范圍后光學(xué)信號(hào)與顆粒分散不存在線(xiàn)性關(guān)系，因此該方法僅能測(cè)量低濃度固液混合物。

除了電導(dǎo)探針與光纖探針外，一些其他的探針?lè)ㄒ脖粦?yīng)用于混合效果的測(cè)量，如：熱針?lè)ɡ脺y(cè)量探針對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行加熱與測(cè)溫，根據(jù)不同濃度的固液混合物具有不同的熱導(dǎo)率，得出固液混合物的濃度；多相流視覺(jué)探針基于遠(yuǎn)心攝影，采集固液兩相流的圖像，對(duì)圖像進(jìn)行分析得到顆粒的體積分?jǐn)?shù)，用式(5)計(jì)算。

式中，是顆粒體積分?jǐn)?shù)；是視覺(jué)探針拍攝到的顆粒數(shù)；V是拍攝到的第個(gè)顆粒的體積；是探針鏡頭的景深；是測(cè)量視口的橫截面積。

探針?lè)ㄊ且环N簡(jiǎn)單廉價(jià)的固液兩相混合監(jiān)測(cè)方法。但是由于探針?lè)ǖ臏y(cè)量過(guò)程是侵入式的，且一般測(cè)量的是局部濃度，因此實(shí)際應(yīng)用中往往需要同時(shí)使用多個(gè)探針來(lái)測(cè)量整體的測(cè)量屬性空間分布，而探針的存在引起的流體流動(dòng)的擾動(dòng)會(huì)改變混合機(jī)制，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不具有代表性。此外，實(shí)際操作過(guò)程中，固液混合物可能會(huì)污染探針影響測(cè)量結(jié)果，甚至?xí)p壞探針。同時(shí)探針也存在安裝困難等實(shí)際問(wèn)題。

3.2 圖像分析處理

圖像分析處理是一種簡(jiǎn)單且具有高分辨率的固液混合檢測(cè)分析技術(shù)。它是通過(guò)拍攝透明管道后的混合裝置的一個(gè)小區(qū)域，并用這個(gè)區(qū)域表征整個(gè)混合物的測(cè)量技術(shù)。通過(guò)高速攝像機(jī)能夠直觀(guān)地觀(guān)察混合過(guò)程中固液兩相的混合情況，也可以通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理進(jìn)而獲得顆粒在液相中的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)速度，但無(wú)法直接定量地獲得固液兩相混合的均勻性。因此，如何通過(guò)獲得的圖像來(lái)定量評(píng)價(jià)固液兩相混合的均勻性一直是圖像分析處理過(guò)程的研究熱點(diǎn)。

Sette 等通過(guò)分割出圖像中的固相顆粒來(lái)標(biāo)記顆粒質(zhì)心，并使用Kalman 濾波器，通過(guò)分析連續(xù)幀中顆粒的分布來(lái)獲得顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度。同時(shí)定義式(6)為顆?；旌现笖?shù)來(lái)評(píng)價(jià)固液兩相混合的均勻性。

式中，為檢測(cè)到的顆粒數(shù)；為顆?？倲?shù)；為每個(gè)視頻中最后一次觀(guān)察到的顆粒對(duì)應(yīng)的時(shí)間。當(dāng)= 1 時(shí)，視為完全混合。Le Co?nt 等提出一種腐蝕盒計(jì)數(shù)法的圖像處理技術(shù)，基于分形維數(shù)及其在圖像連續(xù)腐蝕過(guò)程中的演化來(lái)跟蹤混合物的均勻性。Xiao等提出了一種基于熵理論，直接應(yīng)用于流場(chǎng)成像的測(cè)量微顆粒混合均勻性的方法，通過(guò)式(7)計(jì)算直接成像技術(shù)局部混合系統(tǒng)的均勻性指數(shù)來(lái)表征Zn-Fe-SiO復(fù)合鍍層流場(chǎng)電沉積過(guò)程中微粒沉積的均勻性。

式中，g為分割區(qū)域R中的像素的值（一張圖片由個(gè)獨(dú)立的矩形組成，=1,2,…,）；ˉ為g的平均值；表示圖像熵。當(dāng)=1 時(shí)混合均勻性最好。

以上對(duì)于固液兩相混合均勻性的分析都是基于二維平面圖像，這對(duì)于實(shí)際上呈三維空間分布的固相顆粒的均勻性表達(dá)具有一定的局限性。針對(duì)這一問(wèn)題，代祥等通過(guò)采集水平與垂直視角下固液混合物的圖像，根據(jù)呈垂直關(guān)系的兩個(gè)視角圖像中顆粒橫向坐標(biāo)的一致性，對(duì)顆粒進(jìn)行匹配，重構(gòu)出顆粒的三維空間坐標(biāo)。并提出基于空間體積加權(quán)法的顆粒空間分布均勻性指數(shù)的計(jì)算方法，即式(8)。

式中，?為控制體分塊內(nèi)顆粒數(shù)量；為控制體內(nèi)平均顆粒含量；V為控制體分塊體積；為控制體內(nèi)分塊數(shù)量。同樣，當(dāng)= 1時(shí)混合均勻性最好。然而這種顆粒坐標(biāo)三維重構(gòu)的方法僅適用于固相顆粒濃度較低的固液混合物。除此之外，由于圖像的獲取是通過(guò)相機(jī)對(duì)混合裝置內(nèi)的混合物進(jìn)行拍攝，要求混合裝置必須是透明的，或者在測(cè)量位置是透明的。其次圖像分析技術(shù)測(cè)量的只有成像面上的混合情況，若該平面上固液兩相混合效果不好或者顆粒沉積在容器壁上都會(huì)影響整體的測(cè)量結(jié)果。同時(shí)為了便于對(duì)圖像進(jìn)行分析往往需要通過(guò)附加照明條件以獲得高對(duì)比度圖片，然而這在實(shí)際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)。

3.3 超聲衰減法

超聲衰減法是利用超聲波在固液兩相流中傳播時(shí)由于固體顆粒的粒徑、濃度等因素的不同，導(dǎo)致超聲波由于散射、吸收等產(chǎn)生衰減的衰減系數(shù)不同，來(lái)對(duì)固液混合物濃度或固體顆粒分布進(jìn)行測(cè)量。由于其控制的快速響應(yīng)以及容易實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)而被應(yīng)用于固液兩相流混合效果的檢測(cè)。

超聲的衰減與顆粒粒徑及濃度的關(guān)系直接影響檢測(cè)精度。針對(duì)這一問(wèn)題Carlson 等推導(dǎo)了超聲波通過(guò)低濃度固液兩相流，不存在多重散射時(shí)超聲的過(guò)量衰減系數(shù)()的理論表達(dá)式，見(jiàn)式(9)。通過(guò)檢測(cè)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%的白云石顆粒懸浮液的質(zhì)量濃度分布驗(yàn)證該理論表達(dá)式的準(zhǔn)確性。

式中，為脈沖的樣本數(shù)；[]為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為時(shí)接收到的脈沖采樣版本；[]為純水中相應(yīng)的測(cè)量值。

Stener等探討了脈沖回波超聲在高濃度固液混合物中應(yīng)用的可能性，基于互相關(guān)的方法對(duì)固液混合物中一維和二維顆粒速度進(jìn)行了局部化測(cè)量，并從后向散射信號(hào)的功率譜密度中提取局部顆粒濃度信息。Shi 等以粒徑小于10μm 的碳酸鈣及黃泥為對(duì)象，研究了不同成分的顆粒及顆粒濃度對(duì)超聲衰減的影響，結(jié)果表明，由于碳酸鈣的沉積特性，其懸濁液分布較為不均勻，導(dǎo)致測(cè)量誤差更大。

除此之外，溫度以及混合過(guò)程中由于實(shí)際操作引入的外在因素也會(huì)對(duì)超聲波的衰減產(chǎn)生影響，因此Huang等設(shè)計(jì)了一種用于同時(shí)測(cè)量固體懸浮液的濃度和流速的新型便攜式超聲波裝置，并對(duì)超聲波在固液溶液中的傳播進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分別建立了超聲波在高嶺土與水的混合物及泥沙與水的混合物中衰減隨濃度和溫度變化的關(guān)系，見(jiàn)式(10)與式(11)。

式中，為高嶺土的濃度；為泥沙濃度；為超聲衰減系數(shù)；為溫度。

而Zhan 等針對(duì)攪拌釜內(nèi)固液混合過(guò)程中會(huì)引入空氣形成氣泡從而影響混合效果監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，提出了一種基于超聲光譜和協(xié)同區(qū)間偏最小二乘回歸（Si-PLS）模型相結(jié)合的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)含氣泡的固液混合物顆粒濃度的方法，并通過(guò)跟蹤回波信號(hào)，用式(12)定量計(jì)算了混合均勻性Hom。

上述的超聲衰減法往往僅限于測(cè)量固液混合物中的固相或液相，而不能同時(shí)測(cè)量。為了監(jiān)測(cè)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中結(jié)晶等需要控制晶體生長(zhǎng)與尺寸以獲得所需的高質(zhì)量產(chǎn)品的特殊混合，Stelzer等使用超聲結(jié)晶監(jiān)測(cè)技術(shù)（UCM），通過(guò)在固液混合物中浸入兩個(gè)超聲傳感器，一個(gè)濾網(wǎng)保護(hù)的超聲傳感器與一個(gè)直接暴露在懸濁液中的超聲傳感器，同時(shí)測(cè)量結(jié)晶過(guò)程中懸濁液密度、固相平均晶粒尺寸和液相濃度。然而該技術(shù)無(wú)法測(cè)量混合過(guò)程中結(jié)晶體的粒徑分布。

3.4 動(dòng)態(tài)光散射法

動(dòng)態(tài)光散射法的基本原理是在激光光源的照射下液體中的顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)，其散射光強(qiáng)在某個(gè)固定散射角上相對(duì)于某一平均值會(huì)隨機(jī)漲落，漲落的速度與顆粒的粒徑有關(guān)。因此通過(guò)對(duì)散射光強(qiáng)做自相關(guān)運(yùn)算，得到光強(qiáng)的自相關(guān)函數(shù)，利用反演算法對(duì)光強(qiáng)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行反演，便可直接獲得顆粒的粒度信息。然而由于動(dòng)態(tài)光散射法的檢測(cè)效率高、成本低以及非侵入性，因此不乏有研究者利用動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)來(lái)測(cè)量固液混合物中的顆粒濃度。

Vysotskii等通過(guò)測(cè)量單分散系統(tǒng)中散射強(qiáng)度分布及納米顆粒尺寸分布，計(jì)算顆粒的平均粒徑及其權(quán)數(shù)，獲得顆粒平均粒徑的顆粒濃度，繼而轉(zhuǎn)換為總的顆粒濃度。Minelli等采用累積量法通過(guò)多分散指數(shù)和散射光強(qiáng)度加權(quán)諧波平均半徑來(lái)表示顆粒粒徑，根據(jù)散射強(qiáng)度、折射率、吸收率及粒徑分布來(lái)估算相對(duì)體積濃度，繼而用相對(duì)體積濃度與單個(gè)顆粒體積的比值來(lái)估算顆粒濃度。Austin等采用多角度動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)，基于強(qiáng)度加權(quán)粒度分布到絕對(duì)濃度的轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量納米顆粒的濃度。Dan等利用Turcu提出的有效散射相位函數(shù)研究了在一定散射角下，固液混合物中光散射強(qiáng)度隨目標(biāo)光學(xué)深度的變化規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)該方法可以快速測(cè)量μg/L濃度范圍內(nèi)固液混合物的濃度。

由于多重散射的影響，一般的光散射技術(shù)僅適用于低濃度懸濁液。針對(duì)高濃度固液混合物，采用低相干動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)，利用低相干光源的特性，將低相干干涉計(jì)與動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光程可分割的從單散射到多次散射散射光光譜的測(cè)量，同時(shí)有效抑制從高濃度固液混合物中散射的多次散射光，繼而通過(guò)單散射理論從檢測(cè)到的單散射光信號(hào)中獲得顆粒的動(dòng)態(tài)信息。但測(cè)量區(qū)域一般局限于固液界面附近。在低相干動(dòng)態(tài)光散射法中，光的入射深度對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度有著很大的影響，當(dāng)入射深度過(guò)深時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到多重散射光的影響；而入射深度過(guò)小時(shí)，會(huì)受到固液界面拖曳效應(yīng)的影響，即顆粒在固液界面附近的擴(kuò)散會(huì)受到容器壁的影響導(dǎo)致速度減小。針對(duì)這一問(wèn)題，夏輝等采用相位調(diào)制低相干動(dòng)態(tài)光散射，通過(guò)研究固液界面壁的拖曳效應(yīng)對(duì)顆粒粒徑測(cè)量的影響，對(duì)在不同入射深度的顆粒粒徑利用拖曳效應(yīng)相關(guān)修正因子進(jìn)行修正。

動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的測(cè)量精度還會(huì)受到樣品的特性，如折射率、黏度、光學(xué)性質(zhì)等因素的影響。此外，由于顆粒形狀對(duì)光散射的影響，該方法不適用于球形顆粒以外的顆粒。因此動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)并不能廣泛適用于實(shí)際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的顆粒濃度測(cè)量。

3.5 斷層掃描技術(shù)

斷層掃描技術(shù)通過(guò)測(cè)量被測(cè)區(qū)域內(nèi)固液混合相多個(gè)橫截面的圖像，加以組合形成三維參數(shù)剖面來(lái)確定固液兩相的混合均勻性及識(shí)別混合強(qiáng)度的空間變化等。斷層掃描技術(shù)包括電阻層析成像（ERT）、電容層析成像（ECT）、磁共振成像（MRI）、X 射線(xiàn)和伽瑪射線(xiàn)層析成像等。其中ERT 技術(shù)利用分布在容器壁上的陣列電極，通過(guò)成對(duì)的電極依次施加激勵(lì)（電壓或電流），在混合物中建立敏感場(chǎng)，測(cè)量剩余的電極上的電性能（電壓或電流），并通過(guò)反演算法重新建立截面上的電導(dǎo)率分布，獲得斷層圖像。由于其可以獲得大量的流場(chǎng)特征參數(shù)、響應(yīng)速度快、成本低且能夠提供連續(xù)二維和三維的可視化信息，被廣泛應(yīng)用于宏觀(guān)和微觀(guān)的固液混合物的濃度測(cè)量。因此，本文將主要綜述電阻層析成像（ERT）及其算法的研究情況。

ERT 圖像反演算法對(duì)ERT 系統(tǒng)的性能有著決定性的影響，包括迭代算法以及非迭代算法。常見(jiàn)的迭代算法包括Newton Raphson算法、共軛梯度法（CG）等；常見(jiàn)的非迭代算法包括線(xiàn)性反投影算法（LBP）、Tikhonov 正則化算法等。其中迭代類(lèi)算法重建圖像質(zhì)量好，但圖像重建速度慢，而非迭代類(lèi)算法雖然重建圖像速度快，但重建圖像的質(zhì)量差。

為了能更加快速地獲得更加精確的重建圖像，研究人員針對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行了研究?jī)?yōu)化。李守曉等針對(duì)Tikhonov正則化參數(shù)選擇問(wèn)題，提出了一種基于同倫映射，并參考使用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的非線(xiàn)性函數(shù)Sigmoid 調(diào)節(jié)正則化參數(shù)，將得到的圖像灰度值作為迭代初始值，提高了重建圖像的質(zhì)量。劉鐵軍等提出了一種雙極性脈沖電流源激勵(lì)及改進(jìn)LBP算法，不僅提高了數(shù)據(jù)的采集速度，而且獲得的圖像質(zhì)量要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LBP算法。李秀艷等基于CG 算法，提出了一種改進(jìn)CG 算法。首先對(duì)圖像重建前的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將求解空間投影到較低維度的Krylov子空間，然后通過(guò)共軛梯度法求解低維子空間中的反問(wèn)題，在保證圖像精度的前提下減少了迭代次數(shù)，提高了圖像重建速度。馬世文等將ERT 物理模型進(jìn)行規(guī)范化和Tikhonov 正則化處理，提出了一種基于QR 分解的對(duì)稱(chēng)共軛梯度（QRSCG）算法，QRSCG 算法的成像效果優(yōu)于對(duì)稱(chēng)共軛梯度（SCG）算法和CG算法，且圖像重建時(shí)間僅為SCG 算法的(1/300)～(1/200)、CG算法的(1/400)～(1/300)。

雖然上述優(yōu)化的圖像反演算法能夠有效地提高圖像的重建速度和精度，但依然存在無(wú)法同時(shí)兼顧圖像重建速度和精度的問(wèn)題。除此之外，ERT的靈敏場(chǎng)分布具有馬鞍面分布的軟場(chǎng)特性，即靠近邊緣檢測(cè)靈敏度高，靠近中心檢測(cè)靈敏度低，這對(duì)混合效果的檢測(cè)精度具有一定的影響。

綜上所述，不同檢測(cè)方法的原理不同，但對(duì)于混合均勻性的評(píng)價(jià)卻可大致分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是直接測(cè)量固液混合物的濃度評(píng)價(jià)，可以通過(guò)觀(guān)察濃度隨時(shí)間的變化來(lái)判斷混合均勻性；第二類(lèi)是非接觸測(cè)量固液混合的濃度評(píng)價(jià)，如圖像分析處理、超聲衰減法、動(dòng)態(tài)光散射法、斷層掃描技術(shù)等。這些不同的方法均可以通過(guò)不同的檢測(cè)值及其標(biāo)定值來(lái)定義混合均勻性指數(shù)，其值為1時(shí)為完全混合，其值為0時(shí)為完全不混合，而在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，混合均勻性指數(shù)隨時(shí)間的變化還可以更加直觀(guān)地反映固液兩相的混合進(jìn)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)固液兩相混合的混合機(jī)理、混合方法、混合效果檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了綜述?？偟膩?lái)說(shuō)，相對(duì)于對(duì)宏觀(guān)混合方法的研究，對(duì)微觀(guān)的混合機(jī)理的研究相對(duì)薄弱，因此未來(lái)要繼續(xù)深入研究固液兩相的混合機(jī)理，進(jìn)而改進(jìn)或提出新的混合方法。另外，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于固液兩相的混合及其混合效果的檢測(cè)中，可以為其提供更加高效、更加廣闊的發(fā)展空間。結(jié)合本文綜述的基礎(chǔ)，提出如下研究建議。

（1）開(kāi)展綜合混合方法研究。鑒于化學(xué)分散從“內(nèi)”出發(fā)，通過(guò)改變顆粒間的斥力從“內(nèi)”改變顆粒的分散性，使粉體顆粒具有良好的分散穩(wěn)定性，但化學(xué)分散不具備普適性；而物理分散致力于“外”，通過(guò)施加外力（如機(jī)械、超聲、靜電、射流等）迫使顆粒分散混合，具有普適性，但顆粒的分散穩(wěn)定性差。因此未來(lái)可以“內(nèi)外兼修”，將化學(xué)分散和物理分散兩者更有效地結(jié)合起來(lái)，開(kāi)展綜合混合方法研究，以期獲得更好的混合效果。同時(shí)，將分散方法和混合方式有機(jī)結(jié)合起來(lái)，研究基于不同分散機(jī)理的最優(yōu)混合方法組合，為提升固液混合效果提供良好的解決方案，如研究基于靜電分散的射流混合技術(shù)等。

（2）開(kāi)展微觀(guān)混合機(jī)理的研究。微流體的擴(kuò)散與混合的研究對(duì)化學(xué)及生物技術(shù)的發(fā)展、納米材料以及微納機(jī)電系統(tǒng)的研發(fā)等都有著舉足輕重的作用，因此需進(jìn)一步開(kāi)展微混合器結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)研究，加大微尺度下在微流動(dòng)過(guò)程中熱、聲、磁、電的流動(dòng)理論研究，通過(guò)其在微尺度下固液混合過(guò)程中的擴(kuò)散強(qiáng)度、雷諾數(shù)以及其他流動(dòng)特性的影響研究，推動(dòng)微觀(guān)混合機(jī)理及其混合效果的研究。

（3）開(kāi)展基于人工智能的固液兩相混合技術(shù)研究。對(duì)于未來(lái)人工智能在固液兩相混合技術(shù)方面的融合應(yīng)用，建議考慮以下三個(gè)方面。

①混合系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)。任何混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)都是影響固液混合效果的決定性因素，而以往的這些參數(shù)主要來(lái)源于經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，也不能從總體上對(duì)各參數(shù)進(jìn)行精確匹配及優(yōu)化，很難尋求最佳的混合效果，因此利用人工智能技術(shù)理論來(lái)提升混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率應(yīng)為今后研究的重點(diǎn)。開(kāi)展“內(nèi)外兼修”綜合混合的顆粒物分散信息平臺(tái)建設(shè)，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與固液混合技術(shù)進(jìn)行融合，研究基于深度學(xué)習(xí)的智能化固液混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行平臺(tái)建設(shè)，發(fā)揮人工智能對(duì)固液混合技術(shù)的助推作用。

②混合均勻性的智能檢測(cè)。固液兩相的混合效果是產(chǎn)品質(zhì)量等的決定性因素，通過(guò)各種檢測(cè)技術(shù)可以得到混合過(guò)程中固液混合物濃度的變化或定義混合均勻性指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際的混合效果及混合進(jìn)程。但實(shí)際上，現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)絕大多數(shù)都是通過(guò)各種檢測(cè)方法得到測(cè)量數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)“人”對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行觀(guān)察或分析來(lái)判斷是否完成混合及混合的均勻性，因此難免會(huì)產(chǎn)生滯后性。人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，不僅可以為固液兩相混合的混合效果檢測(cè)提供技術(shù)和理論支持，同時(shí)可以提供一定的數(shù)據(jù)處理預(yù)測(cè)功能，做到脫離“人”的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。因此，應(yīng)開(kāi)展基于深度學(xué)習(xí)框架下的固液混合均勻性檢測(cè)與算法研究，研究混合效果的智能化分類(lèi)及其評(píng)價(jià)體系，如通過(guò)分析固液混合物濃度的變化對(duì)是否為均勻混合進(jìn)行分類(lèi)，或在線(xiàn)建立混合均勻性指數(shù)，實(shí)時(shí)定量評(píng)價(jià)固液混合物的混合均勻性等。這不僅可以提升檢測(cè)精確度，而且能極大地提升檢測(cè)的速度。

③混合系統(tǒng)的智能控制。將固液兩相混合的混合均勻性持續(xù)穩(wěn)定在某一具體指標(biāo)要求下，將是提升固液混合效果和效率的最終目標(biāo)。研究基于可編程控制器的固液混合在線(xiàn)控制系統(tǒng)，通過(guò)智能控制系統(tǒng)，結(jié)合智能設(shè)計(jì)與智能檢測(cè)，提出如圖10 所示的固液兩相智能混合技術(shù)，即由智能檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得固液兩相的混合效果數(shù)據(jù)，將其反饋給智能控制系統(tǒng)，再由智能控制系統(tǒng)結(jié)合經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的智能設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，而智能檢測(cè)系統(tǒng)獲得的新數(shù)據(jù)可以用來(lái)繼續(xù)訓(xùn)練智能設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，最后實(shí)現(xiàn)混合效果持續(xù)穩(wěn)定地達(dá)到某一理想值。

圖10 固液兩相智能混合技術(shù)概念