非理想反应器——返混
返混_重要的化学工程概念
在实际反应器中 ,由于物料质点的逗留时间
不同 ,其反应程度也不一样 ,出口时物料中各个质
点的浓度也不相同 。为了计算平均转化率 ,就要
根据不同的逗留时间 ,求得出口物料的平均浓度 。
根据逗留时间分布密度的定义 ,逗留时间在 t 与 t
+ d t 间的质点所占的分率为 E ( t) d t ,若这部分质
王勤娜 [ 15 ] 等人对喹啉季铵盐类缓蚀剂在盐酸 中缓蚀性进行了研究 ,喹啉季胺盐优于咪唑啉季
胺盐及罗尼希碱 。季铵盐缓蚀剂与丙炔醇有较好 协同效应 。
4 结束语
冷却水缓蚀剂的品种很多 ,但任何一种单一 缓蚀剂的缓蚀效果往往不理想 ,为此 ,需要针对不 同水质 、不同工艺条件 、不同要求 ,开发各种复合 缓蚀剂 。有些缓蚀剂如锌盐和聚磷酸盐在冷却水 中不稳定 ,开发其在冷却水中的稳定剂 ,如共聚物 也是开发研究的重点 。随着全球对环境保护的重 视 ,开发无毒或低毒的缓蚀剂 ,也是缓蚀剂的主要 发展方向 。
张海涛 丁百全
1 前言
在化学工程领域 ,返混是一个重要的工程概 念 。返混 ,又称逆向混合 ,是指不同年龄质点之间 的混合 。这里的逆向是时间概念上的逆向 ,不同 于一般搅拌混合 。
2 返混的起因
返混产生的原因有两点 : (1) 反应器内的环流 运动 。物料在连续反应器中的反向运动造成返 混 ,如循环反应器中的循环流 、连续流动塔式反应 器中的轴向反向扩散以及连续釜式反应器中的搅 拌作用 。(2) 反应器内物料的流速分布不均匀 。 当反应器内物料的流速分布不均匀时也同样可以 改变反应器内的浓度分布 ,造成返混 。
同时进入反应个流体质点中停留时间介于t的质点所占分率dn停留时间的实验测定停留时间分布通常由实验测定主要的方法是应答技术即用一定的方法将示踪物加到反应器进口然后在反应器出口物料中检验示踪物信以获得示踪物在反应器中停留时间分布规律的实验数据
非理想反应器——返混.
（2）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。但 是，这种浓度分布的改变对反应的利弊取决于 反应过程的浓度效应。 （3） 返混是连续反应器中的一个重要工程因素， 任何过程在连续化时，必须充分考虑这个因素 的影响，否则不但不能强化生产，反而有可能 导致生产能力的下降或反应选择率的降低。
(1)装设挡板
目的：破坏釜内的圆周运动 作用： 对轴向和径向流动无影响 釜内液面的下凹现象基本消失 提高了混合效果
4、提高混合效果的措施
W
流入
流入
低粘度
高等粘度
流入
中等粘度
挡板2)偏心安装
目的：破坏循环回路的对称性
4、提高混合效果的措施
（3）导流筒
导流筒 档板
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。
（2）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。
2、降低返混程度的措施
(1)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。
(2) 工业上降低反应器返混程度的例子
连续操作的搅拌釜式反应器 连续操作的搅拌釜式反应器，其返混程 度可能达到理想混合程度。为了减少返混， 工业上常采用多釜串联的操作，这是横向 分割的典型例子。 当串联釜数足够多时，这种连续多釜串 联的操作性能就很接近理想置换反应器的 性能。
非理想流动反应器设计
实验验证与优化
总结词
实验验证与优化是检验数学模型和数值模拟结果准确 性的重要步骤，也是改进和完善非理想流动反应器设 计的必要环节。
详细描述
在非理想流动反应器的设计中，实验验证与优化是必 不可少的环节。通过实验验证，可以检验数学模型和 数值模拟结果的准确性，发现存在的问题和不足之处 。同时，实验优化也是改进和完善非理想流动反应器 设计的必要步骤。通过实验优化，可以找到最佳的反 应条件和操作参数，提高反应器的性能和效率。实验 验证与优化是实现非理想流动反应器设计的重要保障 。
对未来研究的建议与展望
针对非理想流动反应器设计的研究，我 们提出以下建议和展望
4. 结合人工智能和大数据技术，建立非 理想流动反应器的智能控制系统，实现 自动化和智能化操作。
3. 加强非理想流动反应器在实际生产中 的应用研究，以提高生产效率和经济效 益。
1. 深入研究非理想流动反应器的内部流 动特性，揭示其复杂的流动和反应机制 ，为优化设计提供理论支持。
环境工程领域的应用
在环境工程领域，非理想流动反应器被广泛应用于废水处理、废气处理和固体废弃物处理等环保工程 中。这些处理过程需要高效地进行化学反应和物理分离，因此需要非理想流动反应器具有较高的反应 速度和分离效率。
非理想流动反应器的应用，可以提高环保工程的处理效果和处理能力，降低处理成本，减少二次污染 ，为环境保护做出贡献。
数值模拟方法
总结词
数值模拟方法是通过计算机模拟反应器的运行过程，预测其性能和优化设计方案的有效 手段。
详细描述
在建立了数学模型之后，需要采用数值模拟方法进行求解。数值模拟方法能够模拟反应 器的实际运行过程，预测其性能，并优化设计方案。常用的数值模拟软件包括Fluent、 ANSYS等，这些软件能够模拟复杂的流体动力学、化学反应和热量传递等现象，为非
反应器内流体流动与混合非理想流动
F ( ) 1 e
1 e
上述两表达式中已不包含 τ，故与全混流容
器的大小及流量无关，其分布曲线见图 。
E(t) 1/τ
F(t) 1.0
0
t
0
t
全混流的E(t)、F(t) 函数曲线
全混流的平均停留时间
t tE (t )dt t e dt
应器的管径较小、较长，物料在其中的流
速较快时，返混程度很小，此时可近似按
平推流进行分析与设计。
平推流反应器中所有物料质点的停留时间
都相同，且等于整个物料的平均停留时间。
采用脉冲示踪法测定平推流的停留时间分
布密度函数 E(t)
C(t)
C0 E(t)
t=0
t=0 t=0
t t tt
激励曲线
t
停留时间分布积累函数（阶跃示踪时）
C (t ) t / F (t ) 1 e C0
停留时间分布密度函数
dF (t ) 1 t / E (t ) e dt
无因次时间表示的停留时间分布函数
E ( ) E (t )
t
1
e
t
e
同样的停留时间分布可以是不同的返混造 成的。 不能直接用测定的停留时间分布来描述返 混的程度，必须借助于模型方法。
数学模型方法
分析器内复杂的实际流动状况，进行
合理的简化，通过数学方法来表述或关联 返混与停留时间分布的定量关系，然后再 进行求解。
建立流动模型的基本思想： 根据实测的停留时间分布，假设一种流动 状态，令这种流动状态下的停留时间分布 与实测结果一致，并根据假设的流动状态 的模型参数，结合在其中进行反应的特征
4第四章非理想流动
3. E(t)和F(t)之间的关系
F(t) tdN tE(t)dt
0N 0
分布函数是密度函 数的可变上限积分
E(t) dF (t) 密度函数是分布函数的一阶导数
dt
t 0 F (0 ) 0 ;
t F ( )0E (t)d t 1 .0
4.1.2 停留时间分布的实验测定
• 停留时间分布通常由实验测定，主要的方法 是应答技术，即用一定的方法将示踪物加到反 应器进口，然后在反应器出口物料中检验示踪 物信号，以获得示踪物在反应器中逗留的时间 分布规律的实验数据。
在反应器入口处
c0 t 0
c0
t
c
t 0 t 0
在切换成含示踪剂的流体后，t-dt～t时间间隔内示
踪剂流出系统量为Qc(t)dt ，这部分示踪剂在系统内的
停留时间必定小于或等于t，任意的dt时间间隔内流入
系统的示踪剂量为Qc(∞)dt ，由F(t)定义可得
F(t)QQcc( t)ddtt cc( t)
提出可能的流动模型，并根据停留时间分布测定的 实验数据来确定所提出的模型中所引入的模型参数； • 3、结合反应动力学数据通过模拟计算来预测反应结 果； • 4、通过一定规模的热模实验来验证模型的准确性。
4.2.1 常见的几种流动模型
一、 理想流动模型
1. 平推流模型
根据平推流的定义，同时进入系统的流体粒子也 同时离开系统，即平推流反应器不改变输入信号的 形状，只将其信号平移一个位置。
0
Z/2
Z
1、平推流模型 基本假设：物料质点沿同一方向以同一流速流动。 基本特征：参数在同一径向上相同，所有物料质点在 反应器中的停留时间都相同，反应器内无返混。
• 2、全混流模型
混合过程与非理想反应器
•方差
2 t
—RTD对数学期望的二阶矩
—意义：RTD对 t 的偏离程度
(t
t
)2
f
(t)dt
2 t
0
0 f (t)dt
f (t)
t t
(t t )2 f (t)dt 0
(t2 2tt t 2 ) f (t)dt 0
t2 f (t)dt 2t
tf (t)dt t 2
f (t)dt
Chemical Reaction Engineering 第六章混合过程与非理想反应器 6.1混合现象
PFR —物料质点具有相同的停留时间 CSTR —物料质点具有不同的停留时间 非理想流动：介于PFR与CSTR之间
停留时间分布—年龄分布、寿命分布 微团（凝聚态）：固体颗粒、分子袋（团）
某个微团的浓度~对应~该微团的停留时间 动力学关系
(t2 2tt t 2 ) f (t)dt 0
t2 f (t)dt 2t
tf (t)dt t 2
f (t)dt
0
0
0
t
t
2
tt 0
有偏离
t2 f (t)dt t 2 0
2
tt 0
无偏离
Chemical Reaction Engineering
6.3 CSTR中的固相反应 流固相反应器特点： •反应器是一个全混釜 •每一个颗粒独立反应，与其他颗粒 完全不混 •每一个颗粒相当于一个间歇反应器 •每一个颗粒的反应程度(转化率） 由该颗粒在反应器中的停留时间决定 •反应器存在停留时间分布（RTD）
1
2 1
N
2
3
N
2 0 N→∞ PFR 2 1 N=1 CSTR
非理想流动
0
I (t )dt 1
有归一性，且0≤I（t）≤∞。
-16-
2019年4月16日星期二
5.2.4 年龄分布积累函数Y（t） 年龄分布积累函数——在整个反应器中的N个流体质 点中，年龄小于t(或介于0→ t之间)的质点数△N所占 的分率△N/N=Y（t）
Y t I (t )dt
t
-30-
2019年4月16日星期二
整个反应器中，年龄小于等于t的流体占总流体的分
为
I (t )dt ，而反应器中流体总量为VRC0，包括示踪
0
t
与非示踪流体。 容器中示踪流体的积累量：
VR C0 I (t )dt
0
t
-31-
2019年4月16日星期二
作稳态流动时示踪流体物料衡算 流入量=流出量+积累量
-20-
2019年4月16日星期二
v E (t ) C (t ) C (t ) Q
Q Q 1 Q E (t )dt QE(t )dt C (t )dt C (t )dt
0 0 0 0
所以
式中
E (t )
v v C (t )dt
-3-
2019年4月16日星期二
理想流动——平推流与全混流 平推流：所有流体质点（微元）具有相同的停留时 间分布 全混流：各流体微元在反应器中停留时间各不相 同 ， 即 具 有 停 留 时 间 分 布 （ Residence Time Distibution，简称为RTD）。 研究停留时间分布对反应器的设计和强化的重要意 义：反应深度与反应物料在反应器中停留时间长短 有关。
化学反应工程名词解释
化学反应工程名词解释1．返混：不同年龄粒子之间之间的混合；或是指反应器中逗留了不同时间，因而具有不同的性质的物料粒子之间的混合或即经历了不同的反应时间的物料粒子之间的混合，又称逆向混合。
(上述只要答对一种情况给3分)。
2．临界流化速度：是指刚刚能使粒子流化起来的气体空床流速。
3．模型法：就是通过对复杂的实际过程的分析，进行合理的简化，然后用一定的数学方法予以描述，使其符合实际过程的规律性，然后加以求解。
4. 速率控制步骤：是指一个连串过程速率（度）最小，而且比其他步骤的速率（度）小得多的步骤，它的速度决定着整个过程的速度，称为速率控制步骤。
5．速率方程：在溶剂及催化剂和压力一定的情况下，定量描述反应速率与温度及浓度的关系的关系式。
6．非理想流动：凡是流动状况偏离平推流和全混流这两种理想情况的流动，统称非理想流动。
7．颗粒带出速度：当气速增大到某一速度时，流体对颗粒的曳力和颗粒的重力相等，则颗粒就会被气流所带走，这一速度称带出速度。
（或是指流体速度大于固体颗粒在流体中的沉降速度时，颗粒粒子被气流带出床层，这个速度叫做带出速度或称终端速度。
）8. 固定床反应器:凡是流体通过固定的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称固定床反应器。
9．理想反应器：是指能以活塞流或全混流来描述其流动状况的反应器。
10．停留时间：是指流体以进入系统时算起，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：11. 多段绝热反应器：是指多次在绝热条件下进行反应，反应一次之后经过换热以满足所需温度条件，再进行下一次的绝热反应。
每反应一次，称为一段，一个反应器可做成一段，也可以将数段合并在一起组成一个多段反应器固定床催化反应器：12．空速：在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积，称为空速13．停留时间分布：由于同时进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间有长有短，因而形成一个分布，称为停留时间分布。
返混相关概念理解以及在化工过程建模中的体现
间分布实验数据求出其数理统计特征如期望和方差，再进一步
建立合适的流动模型，并且求出流动模型中的参数如轴向分散
模型中的 Ｐｅ 准数，或多釜串联模型中的 Ｎ 等，作为衡算基础，
进行设备的设计和分析。
返混是由物料在反应器中的停留时间分布来定量描述的。
[ ]
Ｌ，
[ ｄｃｄｚ ]
ｚ ＝ Ｌ＋
＝ ０，该条件表示在反应器出口之后不再有浓度变
化，因为件不同，则导致停留时间分布也会存
在差别。
多釜串联模型则用来描述返混程度较大的情况，反应器中
返混等效于 Ｎ 个等容的全混流反应器串联并且级间无返混时
∂ｃ
１ ∂２ ｃ ∂ｃ
＝
－
＝
－
∂θ
ｕＬ ∂ｌ ２
∂ｌ
Ｐｅ ∂ｌ ２
∂ｌ
Ｄ ｅａ 即为轴向分散系数，取决于反应器结构、流动状况、物料
性质等，可由停留时间分布试验数据计算得到。 Ｐｅ 为彼克列准
数，表示轴向对流流动与轴向分散流动的相对大小。 Ｐｅ 越大，
越接近于平推流，Ｐｅ 越小，越接近于全混流。
对于固定床反应器的一维轴向分散模型，则需要上述流动
第９期
王溪，等：返混相关概念理解以及在化工过程建模中的体现
· ２１７·
返混相关概念理解以及在化工过程建模中的体现
王溪，王明媚，马爽，王二强 ∗
（ 中国科学院大学 化学工程学院，北京 １０００４９）
摘要：返混作为化工学科中的一个重要概念，对于理解设备内部非理想流动、停留时间分布和微观混合等知识点非常有帮助。 化工过程
具有的返混程度。 该模型参数 Ｎ 可由无因次停留时间的方差
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用
上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流 动系统可能全部存在，也可能是其中的几种，甚至有 其它的原因。
返混及其对反应过程的影响
返混含义：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。
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。
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。
种，其中重要的是__________。 连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作
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。
化学反应工程 第四章 非理想流动
今用分散模型关联，求
数。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
解：
换算为无量纲时标，
则得下表数据。
将实验数据标绘成曲线，然后读取
等间隔时的诸E值
见下表。
化学反应工程
4.2.1 常见的几反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
③化学反应的计算 定态情况下平推流管式反应器的物料衡算式为：
流， ；对一般实际流况， 。
；对平推
所以，用
来评价分布的分散程度比较方便。
化学反应工程
4.1.4 用对比时间θ表示的概率函数
例4-1 今有某一均相反应器中测定的下列一组数据（见 ，示踪加入 下表第一栏和第二栏），实验采用
量Q=4.95g，实验完毕时测得反应器内存料量V=1785mL，求 解：
（详见教材P92）
对定态系统的非理想流动，同样可作微元段的物料衡算而得：
若用无量纲参数表示并注意到：
这样式（4-32）便变为：
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
对一级反应可得解析解：
对于二级反应，用数值法求得的结果，表示在图（4-17）
和图（4-18）中。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
（４）组合模型
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
在一个稳定的连续流动系统中，当在某一瞬间同时进 入系统的一定量流体，其中各流体粒子将经历不同的停留 时间后依次自系统中流出。如果把函数 用曲线表示，
则图4-2（a）中所示阴影部分的面积值也就是停留时间介 于t和t＋dt之间的流体分率。
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
化学反应工程
非均理想流动及反应器试题(答案)
非理想流动及反应器1.停留时间分布的密度函数在t ＜0时，E （t ）=_______。
（0）2.停留时间分布的密度函数在t ≥0时，E （t ）_______。
（＞0）3.当t=0时，停留时间分布函数F （t ）=_______。
（0）4.当t=∞时，停留时间分布函数F （t ）=_______。
（1）5.停留时间分布的密度函数E （θ）=_______E （t ）。
（t ）6.表示停留时间分布的分散程度的量=2θσ_______2tσ。
（21t）7.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______、_______。
（脉冲法、阶跃法、周期示踪法、随机输入示踪法）8.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。
（∞） 9.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。
（0） 10.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。
（1） 11.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。
（0） 12.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
（0）13.平推流管式反应器其E （t ）曲线的方差=2t σ_______。
（0）14.全混流反应器t=0时E （t ）=_______。
（tt et -1）15.全混流反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
（1）16.全混流反应器其E （t ）曲线的方差=2t σ_______。
（2t ）17.偏离全混流、平推流这两种理想流动的非理想流动，E （θ）曲线的方差2θσ为_______。
（0～1）22.脉冲示踪法测定停留时间分布0C CA对应曲线为_______。
（E （t ）曲线）23.阶跃示踪法测定停留时间分布0C CA对应曲线为_______。
（F(t)曲线）24.非理想流动不一定是由_______造成的。
返混
o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a C o p y r i g h t e d E a C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a 返混一个重要的化学工程概念 Backmixing –A Important Chemical Engineering Concept 张海涛 丁百全 (华东理工大学化工学院 上海 200237) 在化学工程领域返混是一个重要的工程概念返混又称逆向混合是指不同年龄质点之间的混合这里的逆向是时间概念上的逆向不同于一般搅拌混合 1. 返混的起因 返混产生的原因有两点(1) 反应器内的环流运动物料在连续反应器中的反向运动造成返混如循环反应器中的循环流连续流动塔式反应器中的轴向反向扩散以及连续釜式反应器中的搅拌作用(2) 反应器内物料的流速分布不均匀当反应器内物料的流速分布不均匀时也同样可以改变反应器内的浓度分布造成返混 2. 返混的度量 返混现象有两种极限情况[1]一种是假定反应物料以稳定流率流入反应器在反应器中平行向前移动好像用一个活塞在气缸中推动气体向一个方向移动一样该反应器称为活塞流反应器其特点是沿着物料的流动方向物料的温度浓度不断变化而垂直于物料流动方向的任何截面上物料的所有参数如温度浓度压力流速都相同因此反应器中没有返混另一种假定反应物料以稳定流率流入反应器在其中刚进入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都等于反应器出口处的物料性质这种反应器称为全混流反应器全混流反应器的返混程度最大而介于活塞流与全混流反应器之间的是有不同程度返混的非理想反应器 2.1 停留时间的概念 返混是由物料在反应器中的停留时间分布来度量的所谓停留时间是指物料质点从进入反应器开始到离开为止在反应器中总共停留的时间 物料在反应器中的停留时间分布是一个随机过程因此可用停留时间分布密度与停留时间分布函数来描述由于这两种函数关系密切本文主要介绍停留时间分布密度 停留时间分布密度的定义是同时进入反应器的N 个流体质点中停留时间介于t 与间的质点所占分率dt t +N dN 为dt t E )( 2.2 停留时间的实验测定 停留时间分布通常由实验测定主要的方法是应答技术即用一定的方法将示踪物加到反应器进口然后在反应器出口物料中检验示踪物信号以获得示踪物在反应器中停留时间分布规律的实验数据示踪物输入的方法有多种如阶跃注入法脉冲注入法等本文主要介绍脉冲注入法的实验 脉冲法是当反应器中流体达到定态流动后在某个极短的时间内将示踪物脉冲注入进料中然后分析出口流体中的示踪物随时间的变化以确定逗留时间分布实验的具体作法是使物料以稳定的流率V 通过反应体积V R然后在某个瞬间(t 0时)用极短的时间间隔t ∆向进料中注入浓度为C 0的示踪物并保持混合物的流率仍为V 同时在出口处测定o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b li c o f C h i n a C o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a 示踪物浓度C 随逗留时间t 的变化 以去离子水为料液高锰酸钾溶液为示踪物采用脉冲注入法进行实验测定多级转盘塔的逗留时间分布实验装置如图1所示转盘安装在每级的中间改变电阻平稳地调节转轴速度实验时去离子水从蒸馏水瓶经泵l 输送到高位槽2调节针形阀3经流量计4让料液充满转盘塔5或6开动电机搅拌调节电压电阻使转速稳定待流量稳定后用针筒自进口快速注入一定量的示踪物料高锰酸钾溶液注射时同时计时每隔一定时间间隔在出口处取样进行比色分析在一定流率V 0及转速下求得示踪物的消光度随时间的变化直到消光度为零实验即告结束 图1 多级转盘塔停留时间分布测定实验流程示意图 3. 返混的影响 返混改变了反应器内物料的浓度分布使反应物的浓度普遍下降产物的浓度普遍上升因此返混的利弊决定于反应动力学的浓度效应对正级数的反应返混降低了反应推动力使反应速率降低转化率降低对负级数的反应返混提高反应速率有利于反应对自催化反应返混使产物产物同时又是催化剂浓度增加也有利于反应对复合反应中的平行反应若主反应级数高于副反应级数返混使主产物选择率下降若主反应级数低于副反应级数返混使主产物选择率提高对复合反应中的连串反应返混使反应物浓度降低产物浓度提高因而使主产物的选择率下降 实际反应器中由于流动情况复杂返混情况不同流体质点在反应器中逗留时间不同都会影响到反应的转化率 在实际反应器中由于物料质点的逗留时间不同其反应程度也不一样出口时物料中各个质点的浓度也不相同为了计算平均转化率就要根据不同的逗留时间求得出口物料的平均浓度根据逗留时间分布密度的定义逗留时间在t 与t+dt 间的质点所占的分率为E(t)dt 若这部分质点的浓度为C A 则出口物料中反应组分A 的平均浓度A 为 ∫∞=0)(dt t E C A A C (1) 若知道物料质点的逗留时间分布密度就可由上式算出出口平均浓度 下面的例子说明根据逗留时间分布密度计算平均转化率的方法反映了逗留时间分布对转化率的影响连续反应器中进行一级液相反应[2]为了判断反应器中的流型采用脉冲法加入示踪物进行停留时间分布测定测得下列实验数据采用同样空时的CSTR 可以达到82.18转化率问这反应器可达到的转化率为多少o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a C o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a 时间t,s 10 20 30 40 50 60 70 80 示踪物浓度 0 3 5 5 4 2 1 0 解首先计算平均停留时间 平均停留时间t 连续型计算公式和离散型计算公式分别为 ∑∑=∫∫=∞∞∞∞0000p p p p c tc dt c dt tc t 124553)701()602()405()305()203(+++++×+×+×+×+×==40s 利用CSTR 的反应结果计算k 对一级反应 c c c k −=0τ s x x k /1151.0)8218.01(408218.0)1(=−=−=τ实际反应器的转化率 dt t E e c c x kt )(1100∫−=−=∞− 离散型为∑∆−=−=∞−00)(11t t E e c c x kt 其中∑∆=∞0)(t c c t E p p 时间 t,s 浓度 )(t E Kt kt e − t t E e kt ∆−)( 20 3 0.015 2.3 0.1003 0.015 30 5 0.025 3.45 0.0307 0.0079 40 5 0.025 4.60 0.01 0.0025 50 4 0.02 5.75 0.0031 0.0006 60 2 0.01 6.90 0.001 0.0001 70 1 0.005 8.05 0.0003 1.510-5 ∑∆−t t E e kt )(=0.0261 x=1kt e −=140115.0×−e =10.01005=99 由于实际反应器转化率在PFR 与CSTR 之间所以是非理想反应器 4. 结语 总之返混是反应器连续化后才出现的一种工程现象在分析设计和使用各种类型的反应器时都必须把反应器中的返混状况作为一项重要的特征加以考虑某些反应器具有特殊的型式或结构如一般管式反应器的长径比必须大于100连续釜式反应器的多釜串联操作等究其原因就是出于限制返混的考虑 参考文献 [1] 朱炳辰化学反应工程化学工业出版社,1998,7591[2] 朱炳辰房鼎业姚佩芳化学反应工程例题与习题华东化工学院出版社19937980。
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4章 非理想流动
0 dt
0
t : 0
F t : 0 1
13
二、停留时间分布
（2）方差
2 和无因次方差
t
2
方差用来表示随机变量的分散程度，是描述停留时间分布
的重要参量。在数学上它表示E(t)曲线对于平均停留时间的
二次矩。
2 t
(t t )2 E(t)dt
0
E(t)dt
t2E(t)dt t 2
0 2
1
2
(t t)2 E(t)dt
0
2 t
2
16
二、停留时间分布
在作实验测定时，一般是每间隔一段时间取样一次，所得的E函 数一般为离散型的，亦即为各个等时间间隔下的E，此时平均停 留时间和方差为：
tˆ t
tE(t)dt
0
E(t)dt
tE(t)dt
0
0
tˆ t
tE (t )t E(t)t
tE (t ) E(t)
2 t
t2E(t)dt t 2
Hale Waihona Puke E（t）dt 1 0N 1
N
6
二、停留时间分布
2、停留时间分布函数F (t)
t=0时刻进入反应器的流体质点中，在0~t之间流出的量所占 的分率，计为F (t)：
F
t
t
0
E
t
dt
,
E t dF t
dt
E 函数在任何 t 上的值就是在F曲线上对应点的斜率。
F（） E（t）dt 1 0
E( ) E(t)
9
二、停留时间分布
(3) F( )与F(t)
F( )
E( )d
t
E(t)d
化学反应工程第4章
7
四、停留时间分布
• 停留时间分布（简称RTD）:由于反应器中物 停留时间分布（简称 ） 由于反应器中物 料的返混， 料的返混，造成了所有流体微元的停留时间 有长有短，呈现了一种概率分布。 有长有短，呈现了一种概率分布。即返混造 成了停留时间分布。但并非只有返混才可以 成了停留时间分布。 引起停留时间分布。 层流：无返混， 引起停留时间分布。如：层流：无返混，但 却存在着停留时间分布。 却存在着停留时间分布。 • 由此可知，返混与停留时间分布并无确定的 由此可知，返混与停留时间分布并无确定的 一一对应关系， 一一对应关系，一定的返混必然形成确定的 停留时间分布， 停留时间分布，但是一定的停留时间分布并 不一定由确定的返混引起的。 不一定由确定的返混引起的。
18
∞
= ∑(t − t)2 E(t)∆t
统计量的物理意义: 统计量的物理意义: 数学期望：代表均值（统计量的平均值）， 数学期望：代表均值（统计量的平均值）， 这里是平均停留时间。 这里是平均停留时间。 代表统计量的分散程度， 方 差：代表统计量的分散程度，这里 是停留时间对均值的偏离程度。 是停留时间对均值的偏离程度。
5
6
三、按返混程度对反应器的分类
1.完全不返混型反应器 完全不返混型反应器 • 2.充分返混型反应器 充分返混型反应器 • 3.部分返混型反应器 部分返混型反应器 •在这类反应器中物料之间存在一定程度的 在这类反应器中物料之间存在一定程度的 返混，但并未达到充分返混的程度， 返混 ， 但并未达到充分返混的程度 ， 现将 这类反应器称为非理想流动反应器。 这类反应器称为非理想流动反应器。
26
27
c/c0 1 阶跃输入前进入的物料 阶跃输入后进入的物料 t=0 响应曲线 t
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三、返混及其对反应过程的影响
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。 非理想流动反应器存在不同程度的返混。
2、返混对反应过程的影响
（1）反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。 例如对理想混合反应器而言，进口的反应物虽然具有高
浓度，但一旦进入反应器内，由于存在剧烈的混合作用，
b、设置多孔多层横向挡板，把床层分成若 干级，尽管在每一级内液相仍然达到全混， 但对整个床层来说类似于多釜串联反应器， 使级间的返混受到了很大的限制。 c、设置垂直管，既可限制气泡的合并长大， 又在一定程度上起到了限制液相返混的作 用。
3、强化混合的手段－搅拌
（1）间歇釜中混合的强化
总体流动
设备尺度上的宏观均匀
导流筒 档板
既提高了循环流量和混合效果， 又有助于消除短路与流动死区。
五、非理想反应器的工业应用
• 燃煤电厂粉煤灰浆中碳酸钙的沉淀过程伴 随着粉煤灰中游离氧化钙的溶解。为了研 究这一多相体系的反应动力学过程，以总 无机碳含量为检测因子，利用批式实验的 方法取得了反应的动力学数据。在此基础 上，把灰浆池作为一个非理想的反应器。 通过对其流动特性的测试和对反应动力学 数据的拟合，预测了反应在灰浆池中的转 化率。
液体微团间的相对运动和 剪切力 微观均匀
更小尺度 上的均匀
分子扩散
搅拌是使物料达到混合的一种手段
（2）高转速搅拌器 桨式搅拌器
液体的总体循环流动
涡轮式搅拌器的总体循环流动
（2）大叶片低转速搅拌器 锚式搅拌器 框式搅拌器 螺带式搅拌器
锚式
框式
螺带式
螺带式搅拌器搅拌效果
4、提高混合效果的措施
非理想反应器
一、非理想反应器定义 二、偏离理想流动状态的原因 三、返混及其对反应过程的影响 四、降低返混程度的措施
五、非理想反应器的工业应用
一、非理想反应器定义
完全不返混
部分返混
充分返混
PFR BR
非理想流动反应器
CSTR
二、偏离理想流动状态的原因： 1、滞留区的存在 2、存在沟流与短路 3、循环流 4、流体流速分布不均匀 5、扩散
流化床 流化床中由于气泡运动造成气相和固相 都存在严重的返混。为了限制返混，工业 上对高径比较大的流化床反应器，常在其 内部装置横向挡板以减少返混；而对高径 比较小的流化床反应器，则可设置垂直管 作为内部构件，这是纵向分割的例子。
气液鼓泡反应器 由于气泡搅动所造成的液体反向流动， 形成很大的液相循环流量。因此，其液相 流动十分接近于理想混合。为了限制气液 鼓泡反应器中液相的返混程度，工业上常 采用以下措施： a、放置填料，即填料鼓泡塔，填料不 但起分散气泡，增强气液相间传质的作用， 而且限制了液相的返混。
器的特要特征加以考虑。
（2）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。
(1)装设挡板
目的：破坏釜内的圆周运动 作用： 对轴向和径向流动无影响 釜内液面的下凹现象基本消失 提高了混合效果
4、提高混合效果的措施
W
流入
流入
低粘度
高等粘度
流入
中等粘度
挡板的常见安装方式
4、提高混合效果的措施
(2)偏心安装
目的：破坏循环回路的对称性
4、提高混合效果的措施
（3）导流筒
导流筒 档板
2、降低返混程度的措施
(1)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。
(2) 工业上降低反应器返混程度的例子
连续操作的搅拌釜式反应器 连续操作的搅拌釜式反应器，其返混程 度可能达到理想混合程度。为了减少返混， 工业上常采用多釜串联的操作，这是横向 分割的典型例子。 当串联釜数足够多时，这种连续多釜串 联的操作性能就很接近理想置换反应器的 性能。
进入的高浓度反应物料立即被迅速分散到反应器的各个部 位，并与那里原有的低浓度物料相混合，使高浓度瞬间消 失。可见，理想混合反应器中由于剧烈的搅拌混合，不可 能存在高浓度区。
（2）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。但 是，这种浓度分布的改变对反应的利弊取决于 反应过程的浓度效应。 （3） 返混是连续反应器中的一个重要工程因素， 任何过程在连续化时，必须充分考虑这个因素 的影响，否则不但不能强化生产，反而有可能 导致生产能力的下降或反应选择率的降低。
四、降低返混程度的措施
1、返混对反应器的意义——实际应注意的准则 （1）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。因此，在分析各种类型反应