反应器-4反应器流动模型
第二章 理想流动与非理想流动1
理想流动与非理想 流动反应器
流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、反应选择率， 直接影响反应结果，研究反应器的流动模型是反应器选型、设计 和优化的基础。 流动模型可以抽象出两种极限的情况：一种是完全没有返混 的活塞流反应器；另一种是返混达到极大值的全混流反应器。 实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活 塞流反应器处理，多数槽式反应器可作全混流反应器处理。
对活塞流反应器，物料质点是平推着向前流动的，物料质点在反 应器中的逗留时间相同不产生返混。而在全混流反应器中，不同 年龄的质点达到完全混合，有的逗留时间很短，有的却很长，返 混程度最大。 活塞流与全混流是两种理想流型：前者理想置换，没有返混；后 者理想混合，返混最大。而介于两者之间的流型，是非理想流型， 存在着不同程度的返混现象。
2 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型，如图2-1（c）所 示，是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中，刚进 入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。 反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，等于反应器出口 处的物料性质，即反应器内物料温度、浓度均匀，与出口处物料 温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐， 有的很短，有的很长，形成一个逗留时间分布。 搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
（2）热量衡算 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础，在计算反应速率时必须 考虑反应物系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变 化。与物料衡算相仿，对反应器或其一微元体积进行反应物料的 热量衡算，基本式为 （带入的热焓）＝（流出的热焓）十（反应热）十（热量的 累积）十（传向环境的热量） （2-2） 式中反应热项，放热反应时为负值，吸热反应时为正值。
停留时间分布与反应器的流动模型
停留时间分布与反应器的流动模型在实际反应器中，流出反应器的反应物浓度的变化与流入反应器的浓度变化之间存在着一定的延迟。
这种延迟现象可以用停留时间来描述，即停留时间越长，反应物浓度的变化越大。
因此，停留时间分布的形态将直接影响反应物浓度和反应速率的分布。
关于停留时间分布的研究，可以采用物理实验方法和数学模型方法。
物理实验方法主要基于示踪剂法，通过在反应器中添加示踪剂，然后在反应物的进出口处进行测量，从而获得停留时间分布的数据。
示踪剂可以是稳定物质，也可以是具有明显性质差异的物质。
物理实验方法可以较为准确地获得停留时间分布的数据，但其工作量大且成本高。
数学模型方法则是通过建立数学方程来描述停留时间分布。
数学模型方法可以采用连续模型和离散模型两种方式。
连续模型是指将反应器内的流体视为连续介质，通过求解偏微分方程来描述流体在空间和时间上的分布。
而离散模型则是将反应器内的流体划分为离散的传输单元，通过求解离散的代数方程来描述传输单元之间的质量传递过程。
针对不同类型的反应器，可以采用不同的数学模型来描述停留时间分布。
例如，对于连续搅拌罐反应器，可以使用完全混合模型（CSTR model），假设反应器内的流体完全混合，从而得到均匀的停留时间分布。
而对于管式反应器，则可以使用两区模型（two-zone model），将管内的流体划分为两个区域，即分子在低速输运区域停留的时间较长，在高速输运区域停留的时间较短。
值得注意的是，停留时间分布对于反应器的性能有着重要的影响。
例如，在反应器中的流体停留时间分布较宽且对称时，反应物的转化率较高，反应速率较快。
而当停留时间分布较窄且偏斜时，反应物的转化率较低，反应速率较慢。
因此，在反应器设计和优化中，需要充分考虑停留时间分布对反应性能的影响，以实现高效的反应过程。
总之，停留时间分布是描述反应器内流体停留时间的概率分布函数。
在反应器设计和优化中，停留时间分布是一个重要的概念，对反应器的性能和反应物转化率等有着直接的影响。
停留时间分布与反应器的流动模型讲义
停留时间分布与反应器的流动模型讲义停留时间分布（RTD）是描述流体在反应器内停留时间的分布情况。
它对于理解反应器的性能和效率至关重要。
通过分析停留时间分布，可以评估反应过程中各种反应物的浓度分布，从而优化反应器设计和操作。
在反应器中，流体进入并通过反应器。
然而，由于流体的动力学特性和反应器的几何形状，不同流体分子停留在反应器中的时间是不一样的。
停留时间分布图描述了流动物质的停留时间的概率分布。
停留时间分布可以通过数学模型来描述。
最常用的数学模型是以连续搅拌反应器（CSTR）为基础的模型。
CSTR是一种理想化的反应器类型，其中反应物在反应器中均匀分布，并以恒定的速率混合。
CSTR模型假设反应物的停留时间服从完美的指数分布。
另一个常用的模型是斑点流动模型（PFR）。
在PFR中，流体在反应器中形成了一系列的“斑点”，每个斑点代表一个流体分子，它们按照一定的速率顺序通过反应器。
PFR模型假设反应物的停留时间服从完美的单谷型分布。
PFR模型更适用于流体通过小直径管道或多孔介质的情况。
反应器的流动模型是利用数学模型描述反应物在反应器内的运动和行为，从而揭示反应过程中的动力学特性。
通过结合停留时间分布和流动模型，可以研究反应器中的物质传递、反应速率、混合程度等重要参数。
总结一下，停留时间分布和反应器的流动模型对于理解反应器的性能和优化设计非常重要。
它们可以帮助我们预测和改进反应过程中的各种流体动力学参数，从而提高反应器的效率和产量。
停留时间分布（RTD）与反应器的流动模型在化学工程领域具有广泛的应用。
通过分析停留时间分布和建立合适的流动模型，可以有效地揭示反应器内复杂流动与反应过程之间的关系，优化反应器设计和流程操作。
首先，停留时间分布是评估反应器性能的一个重要指标。
它反映了反应物在反应器内停留的时间分布情况。
对于快速反应，需要较短的停留时间，而对于缓慢反应，则需要较长的停留时间。
停留时间分布可以通过实验测量或数值模拟来获得。
反应器的流动模式对反应效率的影响
反应器的流动模式对反应效率的影响在化学工程和许多相关领域中，反应器是实现化学反应的核心设备。
而反应器中的流动模式则对反应效率有着至关重要的影响。
理解和掌握这些流动模式的特点及其对反应效率的作用机制，对于优化化学反应过程、提高产品质量和产量具有重要意义。
流动模式，简单来说，就是反应物和产物在反应器内的流动方式。
常见的流动模式主要包括理想的平推流和全混流，以及实际中更复杂的非理想流动模式。
平推流模式下，反应物沿着反应器的轴向以相同的流速向前推进，就好像一列整齐的队伍，没有任何“插队”或“掉队”的情况。
在这种流动模式中，物料在反应器内没有返混，停留时间相同。
这意味着反应物在经过反应器的过程中，浓度逐渐降低，而反应产物的浓度逐渐增加。
由于没有返混，平推流反应器对于一些反应速率与反应物浓度密切相关的反应非常有利。
比如，对于一些快速反应，如果能够在平推流反应器中进行，可以有效地避免过度反应和副产物的生成，从而提高反应的选择性和效率。
与之相反，全混流模式则像是一个完全搅拌均匀的大容器。
进入反应器的物料瞬间与容器内的物料混合均匀，浓度处处相同。
在全混流反应器中，物料存在着强烈的返混，停留时间分布较宽。
这种流动模式对于一些反应速率对反应物浓度不敏感的反应较为适用。
例如，对于一些慢速反应，全混流可以保证反应物在反应器内有足够的时间进行反应，从而提高反应的转化率。
然而，在实际的化学反应过程中，反应器内的流动模式往往并非理想的平推流或全混流，而是介于两者之间的非理想流动模式。
造成非理想流动的原因有很多，比如反应器内部结构的不均匀、进料方式的不合理、搅拌效果的不理想等等。
非理想流动会导致反应物在反应器内的停留时间分布不均匀，从而影响反应效率。
为了更直观地理解流动模式对反应效率的影响，我们可以通过具体的反应来分析。
以一个简单的一级不可逆反应为例，假设反应速率常数为 k。
在平推流反应器中，反应的转化率可以通过公式计算得出，其结果往往比在全混流反应器中的转化率要高。
第五章 停留时间分布与反应器流动模型
第五章停留时间分布与反应器流动模型重点掌握：•停留时间分布的实验测定方法和数据处理。
•理想反应器停留时间分布的数学表达式。
•返混的概念。
•非理想流动模型（离析流模型、多釜串联模型和扩散模型）的模型假定与数学模型建立的基本思路，模型参数的确定。
•利用扩散模型和多釜串联模型的反应器计算。
深入理解：•停留时间分布的概念和数学描述方法。
•停留时间分布的数字特征和物理意义。
广泛了解：•流动反应器中的微观混合与宏观混合及其对反应器性能的影响。
停留时间分布与流动模型对于连续操作的反应器,组成流体的各粒子微团在其中的停留时间长短不一，有的流体微团停留时间很长，有的则瞬间离去，从而形成了停留时间的分布。
正如前面针对理想流动反应器的分析，停留时间分布的差异对反应系统的性能有很大影响，值得进一步深入探讨。
全混流和活塞流模型对应着不同的停留时间分布，是两种极端的情况，实际反应器中的流动状况介于上述两种极端情况之间。
本章将针对一般情况讨论停留时间分布及其应用问题，对于实际反应器的设计与分析非常必要。
具体内容包括：停留时间分布的概念与数学描述停留时间分布的统计分析理想流动反应器的停留时间分布非理想流动现象分析发几种常见的非理想流动模型非理想反应器设计与分析流动反应器中流体的混合及其对反应器性能的影响第一节停留时间分布一、举例说明停留时间及其分布•间歇系统：不存在RTD；•流动系统：存在RTD问题。
可能的原因有：•不均匀的流速（或流速分布）•强制对流•非正常流动-死区、沟流和短路等流动状况对反应的影响釜式和管式反应器中流体的流动状况明显不同，通过前面对釜式和管式反应器的学习，可以发现：•对于单一反应，反应器出口的转化率与器内的流动状况有关；•对于复合反应，反应器出口目的产物的分布与流动状况有关。
二、寿命分布和年龄分布区别在于：前者指反应器出口流出流体的年龄分布，而后者是反应器中流体的年龄分布。
三、系统分类系统有闭式系统和开式系统之分。
连续反应器的停留时间分布及流动模型参数的测定
连续反应器是化工生产过程中常见的一种反应设备，其停留时间分布和流动模型参数的测定是对其性能进行评估和优化的重要步骤。
本文将就连续反应器的停留时间分布及流动模型参数的测定进行深入探讨，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考。
一、连续反应器的停留时间分布1. 理论基础：连续反应器的停留时间分布是指在反应器中参与化学反应的物质颗粒或分子所停留的时间在不同时间间隔内所占的比例。
它是影响反应器反应性能和产物分布的重要参数，也是评价反应器混合程度和性能优劣的重要依据。
2. 测定方法：常见的连续反应器停留时间分布的测定方法包括示踪剂法、直接测定法和间接测定法。
其中，示踪剂法是常用的一种方法，通过向反应器中加入示踪剂，并测定出口处的示踪剂浓度随时间的变化曲线，从而推导出停留时间分布的曲线。
3. 影响因素：连续反应器的停留时间分布受到很多因素的影响，如反应器结构形式、进料方式、搅拌强度等。
在测定过程中，需要考虑这些因素对停留时间分布的影响，以获得准确可靠的测定结果。
二、连续反应器的流动模型参数的测定1. 理论基础：流动模型参数是描述流体在连续反应器中运动规律的参数，它们包括流体的速度场、浓度场、温度场等。
测定这些参数可以揭示反应器内部流体运动的规律，为进一步优化反应器设计和操作提供依据。
2. 测定方法：常见的连续反应器流动模型参数的测定方法包括数值模拟方法、实验测定方法和经验公式法。
数值模拟方法是近年来发展较快的一种方法，通过建立流体力学模型，利用计算机进行模拟计算，可以较为准确地得到流体在反应器内的运动规律。
3. 应用实例：连续反应器的流动模型参数的测定方法已经得到了广泛的应用。
在工业生产中，通过测定反应器内部的流动参数，可以优化反应条件，提高反应效率和产物纯度，降低生产成本，具有重要的应用价值。
三、结语连续反应器的停留时间分布和流动模型参数的测定是重要的研究内容，对于提高反应器的反应性能、优化工艺条件具有重要的意义。
化学反应工程中的反应器设计与建模
化学反应工程中的反应器设计与建模一、反应器设计基础化学反应工程中的反应器设计与建模是一个复杂的领域。
反应器设计的基础是化学反应热学和动力学原理。
热力学原理主要针对反应热，包括反应热平衡和非平衡热效应。
动力学原理主要关注反应速率，包括反应机理和反应动力学模型。
二、反应器模型反应器模型是反应器设计的基础，通过反应器模型可以预测反应器的温度、压力、物质转化率等重要参数。
反应器模型可简化为两类：质量守恒模型和能量守恒模型。
质量守恒模型主要关注物质平衡，物质传递和反应动力学，能量守恒模型主要关注热平衡，热传递和反应热效应。
这两个方面相互影响，需要结合起来考虑。
三、反应器类型常见的反应器类型包括批式反应器、流动床反应器、固定床反应器和搅拌槽反应器等。
批式反应器是最简单的反应器类型，适用于小规模实验；流动床反应器和固定床反应器适用于大规模化工生产；搅拌槽反应器适用于小规模生产和复杂反应系统。
四、反应器设计流程反应器设计流程包括确定反应体系、选择反应器类型、计算热平衡、计算物质平衡和反应动力学参数、对反应器进行热力学和动力学分析、设计反应器体积和形状、安装反应器和进行实验。
在这个过程中需要准确地掌握各项参数和实验数据，不断修正模型和反应器的设计方案。
五、反应器设计常见问题反应器设计的常见问题包括热失控、冷凝和物质升华等。
热失控指反应器中反应热生成速度超过热传递速度，导致反应器温度迅速升高；冷凝指在反应器中产生大量的气体，随后快速冷却，导致反应器中发生的反应转化率过低；物质升华指反应器中形成精细的颗粒，导致反应器设备堵塞和能源损失。
这些问题需要针对性地制定方案来解决。
六、结论化学反应工程中的反应器设计与建模是一个复杂的领域，需要结合热力学和动力学原理，针对不同的反应体系和反应条件采取不同的反应器类型和设计方案。
在设计过程中需要注意常见问题，并不断改进和优化设计方案。
反应器设计的合理性和准确性直接影响化工生产效率和质量，因此需要科学严谨地进行。
化学反应过程与设备课件03反应器中的流体流动模型
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流速分布。
这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。
所以，研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的基础。
流动模型是对反应器中流体流动与返混状态的描述。
一般将流动模型分为两大类型，即理想流动模型和非理想流动模型。
非理想流动模型是关于实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。
è 理想置换流动模型¢含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。
与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的。
¢特点在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。
所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。
¢反应器内浓度变化¢长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。
è理想混合流动模型¢含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。
反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。
反应器内物料质点返混程度为无穷大。
¢特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。
¢反应器内浓度变化¢搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为理想混合流动。
è非理想流动理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。
对于所有偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。
化学反应器的动态模型
根据反应动力学和热力学原理，控制反应压 力，以获得更好的反应效果。
温度控制
根据化学反应的速率和选择性，优化反应温 度，提高产物收率和质量。
浓度与流量控制
优化反应物浓度和进料速度，以提高反应效 率并降低能耗。
新型反应器技术的研究与应用
微反应器技术
01
利用微通道和微型化装置，实现快速高效的化学反应
01
化学反应通常伴随着热量的吸 收或释放，因此传热过程对化 学反应的进行和产物生成有重 要影响。
02
传质过程是指反应物和产物的 传递和扩散过程，对于连续流 动的反应器，传质过程对产物 分布和收率有一定影响。
03
传热和传质过程可以通过外部 换热器和内部填料等方式进行 强化，以提高化学反应器的效 率和产物质量。
收集数据
收集化学反应器的实验数据，包括反应物浓 度、温度、压力等参数。
建立数学模型
根据化学反应原理和实验数据，建立描述化 学反应器动态行为的数学模型。
模型求解
利用数值计算方法求解建立的数学模型，得 到反应器内各参数随时间的变化情况。
模型参数的确定与优化
参数识别
通过实验数据和已知化学反应动力学参数，确定模型 中的未知参数。
。
连续流动反应器
02 通过连续流动的工艺实现大规模生产，提高生产效率
和产品质量。
生物反应器技术
03
应用于生物发酵和酶催化等生物转化过程，促进生物
制品的生产。
05
化学反应器的安全与环保
反应过程中的安全隐患及预防措施
反应失控风险
化学反应可能因温度、压力等参数异常而失控，导致设备损坏、爆炸等安全事故。预防措施包括实时监控反应参数、 设置安全联锁、配备紧急停车系统等。
化学反应工程-第四章停留时间分布与流动模型
RTD对反应的影响
Injection
Detection
实际停留时间ti不尽相同，转化率x1, x2, …, x5亦不相同。出口转化率应 为各个质点转化率的平均值，即
N
xA xi N i1
聚集态的影响
理想反应器假定混合为分子尺度，实际工程难以达到，如
结团
弥散
喷
雾
两种体系的反应程度显然应该是不 同的。
E(t)与F(t)的关系
t
E(t)dF (t)dt 或 F(t)0E(t)dt
E (t)
1
F()1
E (t1 )
F (t1)
F (t )
t dF(t) E(t) dt
t1
t
t1
t
根据定义，E(t)应具有归一性，即
0 E(t)dt1
因为当时间无限长时，t = 0时刻加入的流体质点都会流出反应器，即
ndt N 和
m
m V0c(t)dt
0
V0＝const, 则： mV0 c(t)d，t 得：
0
第四章 停留时间分布与流动模型
4.1.3 停留时间分布的实验测定
—— 脉冲示踪法
E(t) c(t)
c(t)dt 0
—由脉冲法直接测得的是停留时间分布密度函数E(t)
第四章4停.留1时.间3分布停与流留动模型时间分布的实验测定
0
E(t)d t n dtN1
0
0
(3) 年龄分布密度函数I(t)，年龄分布函数y(t)
定义与E(t)和F(t)类同，只是针对反应器内流体而言，即有
I(t): t=0时刻进入反应器的流体微元，在t时留在反应器内的概率 y(t): 反应器内年龄小于t的流体质点数占总示踪流体质点数的分率
第一章动力学基础
(2.1 - 13)
➢ 关键组分k的消耗速率：
rk
1 V
dnk dt
(2.1 - 14)
➢ 以反应程度表示的反应速率与以摩尔数表示的反应速率
之间的关系：
对于 aA bB pP sS
有 (rA ) (rB ) rP rS 1 d r
a
b
p s V dt
(2.1 - 15)
所以r rI (rk ) (2.1 -16)
2
3
33.3%
必须是反应物
2NH3
关键组分K
属பைடு நூலகம்
该组分在原料中的量按化学计
性
量方程计算能完全转化掉，即转
化率最大值为100%。
Chemical Reaction Engineering
关键组分 转化率xK
＝
nK 0 nK 100% nK 0
(2.1 - 6)
反应程度 与 转化率 的关系
结合反应程度的定义： nK nK 0 K
(2.1 - 5)
（1）ξ=f(time)； （2）ξ是一个累积量，其值恒为正； （3）ξ是以具有广度性质的量，其值与体系的量有关，若希 望其具有强度性质时，可用单位体积的反应程度来表示。
Chemical Reaction Engineering
3、 转化率
3H2
t0
2
t t
0
转化率 100%
N2 1
(rA
)
k
C C n1 n2 AB
反应动力学
包含反应级数的浓度项
反应速率常数（温度项）
Chemical Reaction Engineering
四、影响化学反应速率的温度效应
理想流动反应器
理想流动反应器第⼆章理想流动反应器研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。
根据流体流动质点的返混情况｛理想流动模型⾮理想流动模型本章主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。
§2.1反应器流动模型反应器中流体流动模型是相对连续过程⽽⾔的。
间歇反应器：反映温度、浓度仅随时间⽽变，⽆空间梯度所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间连续反应器：停留时间相同：平推流反应器（图⽰）停留时间不同：全混反应器（图⽰）⼀、理想流动模型1、平推流模型活塞流或理想置换模型特点：沿物流⽅向，反应混合物T、C不断变化，⽽垂直于物流⽅向的任⼀截⾯（称径向平⾯）上物料的所有参数，如：C、T、P、U等均相同。
总⽽⾔之，在定态情况下，沿流动⽅向上物料质点不存在返混，垂直于流动⽅向上的物料质点参数相同。
实例：长径⽐很⼤，流速较⾼的管式反应器。
2、全混流模型理想混合或连续搅拌槽式反应器模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C、T、P）都是均匀的，⽽且等于物料在反应器出⼝处的性质。
实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。
关于物料质点停留时间的描述：①年龄：指反应物料质点从进⼊反应器时算起已经停留的时间。
②寿命：指反应物料质点从进⼊反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。
寿命可看作时反应器出⼝物料质点的年龄。
关于返混：返混：⼜称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，即“逆向”为时间上得逆向，⽽⾮⼀般的搅拌混合。
如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，⽽只是统⼀时间进⼊反应器的物料之间的混合。
平推流反应器不产⽣返混，⽽全混流反应器中为完全返混，返混程度最⼤。
关于实际反应器的返混。
介于平推流和全混流反应器之间。
关于各种反应器的推动⼒：△C A(a)间歇反应器△C A随时间变化↘(b)平推流反应器△C A随时间变化↘(c)全混流反应器△C A随时间变化↘⾮理想流动反应器，其反应推动⼒介于平推流和全混流之间。
理想流动反应器反应器内的流体流动
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流
动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳
定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中
的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷 大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出 口处物料性质与反应器内完全相同。
在工程放大中产生的问题 由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度 的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析 各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混 状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分 割两种，其中重要的是横向分割。
理想流动
非理想流动
理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状 态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。 反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流
速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓
度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。
降低返混程度的措施
返混对反应器的意义
对反应过程产生不同程度的影响 在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的 型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当注
意有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。
推流。
练 习
理想流动模型分为两种类型，即________和_________ 返混专指________进入反应器的物料之间的混合 说明下列反应器中的返混情况： 间歇反应器中返混为_____, 理想置换反应器返混为_______
第2课 反应器流动模型
课程纲要
流动模型
理想流动模型 非理想流动模型 课程作业
理想混合流动模型
理想混合特点： 理想混合特点： （1）反应器内的浓度和温度均匀一致，并且等于出 口处的物料浓度和温度。 （2）物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分 布。 返混： 返混： 在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。 思考 （1）引起返混的原因有哪些？ （2）分析返混的利弊，如何控制返混程度（具体措 施）？
课程纲要
流动模型
理想流动模型 非理想流动模型 课程作业
理想置换流
返回
课程纲要 流动模型 理想流动模型 非理想流动模型 课程作业
引起返混的原因
（1）由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒 流。 （2）由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致， 如管式反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布， 同一截面上不同半径处的物料粒子的停留时间不一 样，它们之间的混合也就是不同停留时间的物料间 的混合，也就是返混。 （3）反应器内形成的死角也会导致返混。
课程纲要
流动模型
理想流动模型 非理想流动模型 课程作业
本课总结 （1）理想置换流动模型 （2）理想混合流动模型
课程纲要
流动模型
理想流动模型 非理想流动模型 课程作业
课程作业
阅读下一课内容， 阅读下一课内容，思考平推流和全混流 对反应速率有什么影响？（ ？（不做到作业 对反应速率有什么影响？（不做到作业 本上） 本上） 预习： 课 预习：第3课 反应器设计和优化 均相反应速率及反应动力学
课程纲要 流动模型 理想流动模型 非理想流动模型 课程作业
理想混合流动模型也称为全混流模型。 由于强烈搅拌，反应器内物料质点返混程度为无穷大， 所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致。 反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的 新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合，而 且出口处物料性质与反应器内完全相同。流体由于受 搅拌的作用，进入反应器的物料质点可能有一部分立 即从出口流出，停留时间很短，另有一部分可能刚到 出口附近又被搅拌出来，致使这些物料质点在反应器 中的停留时间极长。 所以，物料质点在理想混合反应器中的停留时间参差 不齐，存在停留时间的分布。
反应器操作与控制基础知识—反应器内的流体流动
非理想流动
非理想流动模型
理想流动模型
理想置换模型
理想混合模型
非理想流动模型
理想置换流动模型
非理想流动模型
非理想流动模型
一是由于反应器中物料颗粒的运动(如搅拌、分子扩散等)导致与主 流体流动方向相反的运动；
二是由于设备内部结构特点造成的各处速度的不均匀性。
例如：设备的两端、挡板等易产生死角； 反应器内因催化剂或填料装填不均匀易造成沟流或短路； 直径较大的鼓泡塔或釜式反应器内易造成循环流等。
横向分割
挡网
流化床反应器
挡板
非理想流动模型——降低返混的措施
纵向分割
垂直构件
流化床反应器
《化学反应器操作与控制》
理想流动模型
理想流动模型
理想流动模型——一、分类
理想置换流动模型
理想混合流动模型
理想流动模型
理想流动模型——二、特点
理想置换模型
平推流模型
活塞流模型
理想置换流动模型
①在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓 度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。
②所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时 间，且等于物料通过反应器所需的时间；
③垂直于物料流向的任一截面上，所有的物系参 数都是均匀的，亦即任一截面上各点的温度、 压力、浓度和流速都相等。理想置换流动 模型特点
理想置换流动模型
长径比较大和流速较高 的连续操作管式反应器中的流 体流动可视为理想置换流动。
非理想流动模型——1.返混
专指不同时刻进入反应器的物料之间的 混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点 之间的混合。
定义
返混
影响
返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反 应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。反应速率 下降，改变复杂反应的选择性。
第五章 停留时间分布与反应器的流动模型 (1)
35
F (35) 0 E(t)dt
右边的积分值应等于图中带斜线的面积，其值为 0.523，此即t=35s时的停留时间分布函数值。
阶跃输入法
阶跃法的实质是将在系统中作定常流动的流体 切换 为流量相同的含有示踪剂的流体，或者相反。
前一种做法称为升阶法 (或称正阶跃法)，后一种则叫 降阶法 (或称负阶跃法)。
返混对自催化反应等的影响
对于自催化反应，由于反应系统中需要一 定的产物浓度，因此一定程度的返混对反 应是有利的。有时候需要采用全混流反应 器 串联 活塞流反应器使用，就是出于此 目的。
返混的影响--对于某些复杂反应
对于某些复杂反应系统，如果反应组分在主 反应中的浓度级数低于其在副反应中的浓度 级数，降低反应物浓度，即存在一定的返混 则有利于反应选择性的提高。
一般情况下所说的停留时间分布是指流体粒子的寿命 分布
停留时间分布所适应的系统---------
闭式系统
一般所讨论的停留时间分布只 限于仅有一个进口和一个出口 的闭式系统。
所谓闭式系统，其基本假定是 流体粒子一旦进入系统再也不 返回到输入流体的导管中，而 由输出管流出的流体粒子也再 不返回到系统中。
流体系统的停留时间分布
对流体不能对单个分子考察其停留时间，而是对 一堆分子进行研究。这一堆分子所组成的流体， 称之为流体粒子或微团（微元）。
流体微元（物料粒子) ：研究流体流动的最小单 元。
流体粒子的体积比起系统的体积小到可以忽略不 计，但其所包含的分子又足够多，具有确切的统 计平均性质。
流动体系的停留时间分布
流动系统 , 连续 流入 流出，-----比较复杂。 通常所说的停留时间---- 是指流体以进入系统时起，
到其离开系统时为止，在系统内总共经历的时间， 即流体从系统的进口至出口所耗费的时间。 同时进入系统的流体，是否也同时离开系统? 由于流体是连续的，而流体分子的运动又是无序的， 所有分子都遵循同一的途径向前移动是不可能的， 因此，流体微元的停留时间完全是一个随机过程。
停留时间分布与反应器的流动模型
停留时间分布与反应器的流动模型停留时间（residence time）是指流体在反应器中停留的平均时间，通常用时间单位表示。
它在反应器设计和操作中起着重要的作用，对反应器性能和产品质量有着直接影响。
此外，停留时间分布（residence time distribution）还可以用来描述流体在反应器中停留时间的分布情况。
停留时间分布与反应器的流动模型密切相关。
在反应器中，流体的流动通常遵循不同的模型，如完全混合模型、分层模型、或完全不混合模型等。
不同的流动模型会导致不同的停留时间分布。
完全混合模型是指在整个反应器内部，流体以均匀的速度混合和流动。
这意味着反应器内的任何一点，流体的特性都是相同的。
在完全混合模型中，停留时间分布是均匀的，即流体停留的时间是相等的，没有明显的梯度。
这种模型通常适用于小规模反应器或具有高速搅拌的大规模反应器。
分层模型是指在反应器中，流体分为不同的层次流动，形成不同的流速和混合程度。
在这种模型中，停留时间分布是不均匀的，不同位置的流体停留的时间不同。
通常，在底部和顶部的流体停留时间较长，而在中间位置的流体停留时间较短。
这种模型适用于某些特定的反应器类型，如换热塔或蓄能反应器。
完全不混合模型是指反应器中流体不进行混合，而是呈现分层的状态。
在这种模型中，停留时间分布是非常不均匀的，不同位置的流体停留时间差异非常大。
这种模型通常适用于某些特殊的反应器，如上升气流床反应器或固定床反应器。
为了更好地理解停留时间分布和反应器的流动模型，研究者通常使用流体动力学实验和数值模拟方法。
通过实验，可以测量反应器中不同位置的流体停留时间，进而推导出停留时间分布。
而数值模拟可以通过求解反应器内的流体运动方程，得到停留时间分布和流速分布等参数。
停留时间分布与反应器的流动模型对反应器的设计和运行具有重要意义。
在反应器设计中，需要选择合适的流动模型和控制参数，以满足反应物转化率和产品选择性的要求。
在反应器操作中，需要实时监测和控制停留时间分布，以确保反应器的稳定性和效率。
第四章-停留时间分布
E (t)V 0M C (t)V 0V 0 0C C ((tt))dt0 C C ((tt))dt
F(t)
t
E(t)dt;
另外，
E(t) V0C(t)
0
M
t
t
实验离散型F数(t)据表V M 0示0 tC(t)dtV V 0 00 0 C C ((tt))d dtt0 0 C C ((tt))d dtt
i
0 6.5 19.0 31.5 41.5 46.5 49.0 50.0 50.0 0.0
Ci
1
F ( ti ) 0 0.13 0.38 0.63 0.83 0.93 0.98 1.00 1.00 1.00
ti Ci 0 780 3000 4500 4800 3000 1800 840 0
0
t
2 i
0
2
t2
tm 2
306090.218; 374.42
是偏向活塞流的实际反应器。
第三节 理想流动反应器的停留时间分布
对于理想流动反应器，可直接计算停留时间分布。
一、活塞流模型（PFR）
①阶跃法测定F（t）
C/C0 C/C0 C/C0
注入 1.0
应答
1.0
1.0
应答
0
tm t
0
F(t)
0 1
t tm t tm
C
i
0 0.936 7.200 16.200 23.040 18.000 12.960 7.056 0
0
105
1 0
C i 0 6 .5 1 2 .5 1 2 .5 1 0 .0 5 .0 2 .5 1 .0 0 0 5 0
0
1 0
tiC i 0 7 8 0 3 0 0 0 4 5 0 0 8 4 0 .0 0 0 1 8 7 2 0
第五章停留时间分布与反应器的流动模型
可以用的示踪物很多，利用其光学的、电学 的、化学的或放射性的特点，配合其测试 装置，进行检测。
例如：最直观的方法是在物料中加入少量有 色颜料，然后用光电比色仪测定流出液颜 色的变化，采用哪种示踪物，要根据物料 的物态（气、液、固）、相系（均相还是 非均相）以及反应器的类型（固定床、流 化床）等情况而定。
• 停留时间的长短直接影响到反应率 （即影响到反应进行的程度）时间越 长，反应进行的越完全，粒子在出口 时反应率就高，可见研究反应物料在 反应器内的停留时间问题具有十分重 要的意义。
在第3 章中讨论了两种不同类型的流动反 应器——全混流反应器和平推流反应器。 在相同的情况下，两者的操作效果有很 大的差别，究其原因是由于反应物料在 反应器内的流动状况不同，即停留时间 分布不同。
F (t) t dN 0N
F(t) 被称为停留时间 分布函数，无因次量。也可以说停留
时间介于0-t之间的物料的百分率。
停留时间分布函数F (t)
t
F (t) 0 E(t)dt
E(t)与F(t)的关系
E(t) dF(t) dt
分布密度就是分布函数对停留时间的一阶导数，
也就是F(t)~t曲线的切线斜率。
dN E(t)dt N
•
N
• E(t) 被称为停留时间分布密度函数。
E(t) = 0 t <0
E(t)≥ 0 t≥0
停留时间分布密度函数E (t)
归
一
E(t)dt 1 化
0
条
件
2.停留时间分布函数F(t)定义 • 定义：在稳定连续流动系统中，同时
进入反应器的N个流体粒子中，其停 留时间小于t的那部分粒子占总粒子 数N的分率记作：
0.2