理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用
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化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
–当反应为强放热反应，即（-ΔHr）很大时，可通 过控制A的滴加速率vCA0来控制放热量，从而控 制反应温度。
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
非理想流动反应器设计
理想流动反应器的设计提供重要支持。
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
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
非理想流动反应器2
控制方法
温度控制
通过调节加热或冷却装置，控制反应 温度在适宜范围内，保节进料压力或添加压缩气体， 控制反应压力在适宜范围内，影响反 应平衡和速率。
浓度控制
通过调节进料流量或添加溶剂，控制 反应物浓度在适宜范围内，影响反应 平衡和速率。
停留时间控制
通过调节进料流量和反应器体积，控 制物料在反应器内的停留时间，影响 反应平衡和产物质量。
流体力学原理
流动模型
流体力学原理是研究流体运动规律的科学，通过建立流动模 型，可以描述流体在反应器内的流动特性，如流速、流量、 压力等参数，从而优化流体流动状态以提高反应效率。
流动特性
流动特性包括流体的黏度、密度、压缩性等物理性质，以及 流体的流动状态如层流、湍流等，这些特性对反应器的设计 和操作具有重要影响。
05
非理想流动反应器的操作 方式与控制方法
操作方式
连续操作
反应物料连续加入反应器，产 物连续移出，操作稳定，适用
于大规模生产。
间歇操作
反应物料一次加入，产物一次 性移出，适用于小规模或实验 研究。
半连续操作
反应物料分批加入，产物连续 移出，适用于中等规模生产。
循环操作
反应物料循环通过反应器，产 物连续移出，适用于需要回收 或再利用的反应物料的操作。
03
非理想流动反应器的优缺 点
优点
适用范围广
非理想流动反应器适用于各种不同的反应类型和 物料特性，能够适应较宽的操作范围。
结构简单
非理想流动反应器的结构相对简单，制造和维护 成本较低，操作也较为方便。
可靠性高
由于非理想流动反应器的结构简单，其故障率较 低，能够保证生产的稳定性和可靠性。
缺点
传热效率低
非理想流动反应器
优化方法
优化反应器设计： 根据反应机理和工 艺要求合理设计反 应器的结构提高反 应效率。
改进操作方式：采 用更有效的操作方 式如连续流反应器、 脉冲流反应器等以 提高反应速度和产 物收率。
添加催化剂：选择 合适的催化剂降低 反应活化能提高反 应速率。
控制温度和压力： 根据反应要求控制 反应温度和压力以 获得更好的反应效 果。
反应特性
非理想流动反应器的流速分布不均匀 反应物在反应器内的停留时间分布不均匀 非理想流动反应器的传热效率较低 非理想流动反应器的反应效率较低
04
非理想流动反应器的应用
在化工生产中的应用
非理想流动反应器在化学反应中能够提高反应效率降低能耗。
在高粘度流体处理方面非理想流动反应器具有较好的流动性和传热性能。
活塞流反应器
定义：活塞流反应器是一种连续流动反应器物料在反应器内呈活塞状连续 流动。
特点：活塞流反应器具有结构简单、操作方便、无返混等优点但反应效率 相对较低。
应用：广泛应用于化工、石油、制药等领域适用于进行均相反应和气-液反 应。
类型：根据物料在反应器内的流动方向可分为轴向活塞流反应器和径向活 塞流反应器。
非理想流动反应器的传热面积较大能够提 高热量的传递效率。
非理想流动反应器通常采用特殊的传热元 件如翅片、螺旋板等以增强传热效果。
非理想流动反应器的传热介质通常采用导 热性能良好的液体或气体以提高传热效率。
非理想流动反应器的传热过程受到多种 因素的影响如反应物的物理性质、反应 温度和压力等因此需要进行详细的传热 计算和实验验证。
非理想流动反应器能够适应不同的反应条件实现多种反应的连续进行。
非理想流动反应器在制药、石化等领域中得到了广泛应用为化工生产带来了巨大的经济效 益和社会效益。
第5讲 理想流动与非理想流动
应用
实际生产中，连续操作釜式反应器可以近似看作是理 想混合流，连续操作管式反应器可以近似看作是理想平
推流。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
项目2 反应器设计和优化
任务一 间歇操作釜式反应器设计
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 偏离理想臵换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。
存在高浓度区；
间歇操作和连续操作釜式反应器虽然都存在剧烈的搅拌和混合，但参与混合
的物料是不同的。 前者是同一时刻进入反应器的物料之间的混合，不改变原有物料浓度； 后者是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，属于返混，造成反应器高浓度 区消失，生产能力下降。
项目2 反应器设计和优化
任务一 间歇操作釜式反应器设计
返混对反应过程的影响
返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消
失或减低。 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。 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
项目2 反应器设计和优化
一、反应器流动模型
任务一 间歇操作釜式反应器设计
化工操作过程可分为间歇过程、连续过程和半间歇半连续过程 ，反应器中流体的流动模型 是针对连续过程而言。 1、理想反应器：指流体的流动混合处于理想状况的反应器。 2、理想流动模型：两种极限流动情况 理想臵换流动模型：指在与流动方向垂直的截面上，各点的流速和流向完全相同，就像活塞 平推一样，称为“活塞流”。 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无穷大， 所有空间位臵物料的各种参数完全均匀一致。
第三章 理想流动反应器.
某组分流入量 ＝ 某组分流出量 ﹢ 某组分反应消耗量 ﹢ 某组分累积量
反应器
反应单元
流入量
0 √ √ √
流出量
0 √ √ √
反应量
√ √ √ √
累积量
√ 0 0 √
间歇式 平推流(稳态)
整个反应器 微元长度
全混釜(稳态) 整个反应器 非稳态
(2)热量衡算方程式
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体系的温度，通过热量衡算可以计算 反应器中温度的变化。
rA=kCA rA=kCA2
kt ln
C A0 CA
1 1 xA
xA 1 xA
1 1 kt C A C A0
C A0 kt
表3－1 间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式 反应级数 反应速率 残余浓度式
kt CA0 CA
转化率式
kt CA0 xA
xA kt C A0
流入量 = 流出量 + 反应量
+ 累积量
0
间歇操作中流人量和流出量都等于零。
若V为液相反应混合物的体积，因而对反应组分A的物 料衡算式可写成
dnA dx A rAV nA0 ( nA nA0 (1 x A )) dt dt
积分
nA 0 t VR
x Af
0
xAf dx dxA A C A0 0 rA rA
2、非理想流动模型
偏离平推流的情况
涡流、湍动或流体碰撞 反应器中的填料或催化 剂引起旋涡运动 垂直于流体流动方向 截面上的流速不均匀 填料或催化剂装填不 均匀引起的沟流或短 路
偏离全混流的情况
S
S
(a). 死角
反应器
反应单元
流入量
0 √ √ √
流出量
0 √ √ √
反应量
√ √ √ √
累积量
√ 0 0 √
间歇式 平推流(稳态)
整个反应器 微元长度
全混釜(稳态) 整个反应器 非稳态
(2)热量衡算方程式
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体系的温度，通过热量衡算可以计算 反应器中温度的变化。
rA=kCA rA=kCA2
kt ln
C A0 CA
1 1 xA
xA 1 xA
1 1 kt C A C A0
C A0 kt
表3－1 间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式 反应级数 反应速率 残余浓度式
kt CA0 CA
转化率式
kt CA0 xA
xA kt C A0
流入量 = 流出量 + 反应量
+ 累积量
0
间歇操作中流人量和流出量都等于零。
若V为液相反应混合物的体积，因而对反应组分A的物 料衡算式可写成
dnA dx A rAV nA0 ( nA nA0 (1 x A )) dt dt
积分
nA 0 t VR
x Af
0
xAf dx dxA A C A0 0 rA rA
2、非理想流动模型
偏离平推流的情况
涡流、湍动或流体碰撞 反应器中的填料或催化 剂引起旋涡运动 垂直于流体流动方向 截面上的流速不均匀 填料或催化剂装填不 均匀引起的沟流或短 路
偏离全混流的情况
S
S
(a). 死角
化学反应工程第四章
C C o 2 C C D t Z 2 L2
C Co u z L
代入上式中有
C D 2 C C ( ) 2 W Z Z
ul Pe 令 D
皮克特准数（Pecllet Number）
当Pe→∞时， ul 0 无轴向扩散，活塞流 D ul 当Pe→0时， D 极大轴向扩散，全混流 1．离散程度较小的扩散模型（服从正态分布）
0
0
E (t )dt
(t t ) 2 E (t )dt
0
N
t E (t )dt 2tt E (t )dt t 2 E (t )dt
2 0 0 0
t 2 E (t )dt t 2
0
离散点 t 2 t 2 E(t )t (t ) 2 4.停留日间分布函数的测定
1.年令分布E函数（密度函数）
n E f (t ) tQ
Qm
n E f (t ) tQ
检测
一次注入
E dt
n E f (t ) tQ
E
t t+dt
t1 t2
t
E (t )t 1
i 1
M
E (t ) dt 1
i 1
n n tQ t Q 1 i 1 i 1 M M
，
E ( ) e e e
1
t
t
F ( ) 1 e
返混
0 1
2
§4-3非理想流动（non-ideal flow）
实际流动大多是属于非理想流动范畴。 2 0 1 。若按两种理想流动模型都有误差。 应用非理想流动模型处理。
C Co u z L
代入上式中有
C D 2 C C ( ) 2 W Z Z
ul Pe 令 D
皮克特准数（Pecllet Number）
当Pe→∞时， ul 0 无轴向扩散，活塞流 D ul 当Pe→0时， D 极大轴向扩散，全混流 1．离散程度较小的扩散模型（服从正态分布）
0
0
E (t )dt
(t t ) 2 E (t )dt
0
N
t E (t )dt 2tt E (t )dt t 2 E (t )dt
2 0 0 0
t 2 E (t )dt t 2
0
离散点 t 2 t 2 E(t )t (t ) 2 4.停留日间分布函数的测定
1.年令分布E函数（密度函数）
n E f (t ) tQ
Qm
n E f (t ) tQ
检测
一次注入
E dt
n E f (t ) tQ
E
t t+dt
t1 t2
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i 1
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E (t ) dt 1
i 1
n n tQ t Q 1 i 1 i 1 M M
，
E ( ) e e e
1
t
t
F ( ) 1 e
返混
0 1
2
§4-3非理想流动（non-ideal flow）
实际流动大多是属于非理想流动范畴。 2 0 1 。若按两种理想流动模型都有误差。 应用非理想流动模型处理。
第二章 理想流动与非理想流动1
（3）动量衡算 动量衡算以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化。 当气相流动反应器的压降大时，需要考虑压力对反应速率的影响， 此时需进行动量衡算。
第二节 理想流动反应器
2-3
间歇反应器
图2-5 是一种常见的间歇反应器。反应物料按一定配料比一次 加入反应器。顶部一般有可拆卸的盖，以供清洗和维修之用。间 歇反应器内设置搅拌装置，使器内浓度 均匀。顶盖还开有各种工艺接管用以测 量温度、压力和添加各种物料。反应器 筒一般都装有夹套或在器内设置盘管用 来加热或冷却物料。搅拌器的型号、尺 寸和安装位置要根据物料的性质及工艺 要求优化选择，以使反应在达到充分混 和的前提下功率最省。经过一定的反应 时间，达到规定的转化率后，将物料排 出。
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。
间歇反应器所需的实际操作时间包括两部分：反应时间t与辅助 时间t’, t’包括加料、调温、卸料、清洗等时间，按生产实际确定。 当单位时间处理的物料量为V时，反应器有效体积为
VR = V (t + t )..................2 8
,
2-4 活塞流反应器
活塞流反应器是化工生产中常用的反应器，工 业中长径比大于30的管式反应器可视为活塞流 反应器。物料在反应器中像活塞一样向前流动， 无轴向扩散。定态条件下，器内物料的各种参 数如温度、浓度、反应速率等只随物料流动方 向变化，不随时间变化，且同一平面上参数相 同。
理想流动反应器的分类和应用
返混对反应过程的影响
返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消
失或减低。 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。 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
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。
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。
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 偏离理想臵换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。
实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因 滞留区的存在 存在沟流与短路 循环流
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。
①放臵填料 ②设臵多孔多层横向挡板，把床层分成若干级 ③设臵垂直管
理想流动反应器的分类和应用
分类 理想混合流反应器 理想平推流反应器
应用
实际生产中，连续操作釜式反应器可以近似看作是理 想混合流，连续操作管式反应器可以近似看作是理想平
流体流速分布不均匀
扩散 上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流
反应工程阶段复习
任何化学品的生产，都离不开三个阶段：原料预处理、化学反应、产品精制。
化学反应过程是化工生产过程的核心研究目的：使化学工业生产中的反应过程最优化。
三传一反化学反应器的分类按物料的聚集状态分均相： 气相：如石油烃管式裂解炉液相：如乙酸丁酯的生产非均相： g-l 相：如苯的烷基化g-s 相：如合成氨l-l 相：如已内酰胺缩合l-s 相：如离子交换g-l-s 相：如焦油加氢精制按操作方式分分批(或称间歇)式操作一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物料的生产过程。
属非定态过程，反应器内参数随时间而变。
适用：小批量、多品种的生产过程。
半分批(或称半连续)式操作原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其余则为分批加入或卸出的操作。
属于非定态过程，反应器内参数随时间而变，也随反应器内位置而变。
连续式操作连续加入反应物料和取出产物的生产过程。
属定态过程，反应器内参数不随时间而改变，适于大规模生产。
均相反应是指在均一的液相或气相中进行的化学反应。
有很广泛的应用范围，如烃类的热裂解为典型的气相均相反应，而酸碱中和、酯化、皂化等则为典型的液相均相反应。
均相反应应满足的两个必要条件反应系统可以成为均相预混和速率＞＞反应速率均相反应的特点：反应过程不存在相界面，过程总速度由化学反应本身决定。
均相反应速率的表达式均相反应动力学方程式单一反应与复杂反应单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程式便能代表的反应 1i i dn r V dτ±=±12i i A Br k c c αα±=复杂反应：有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述。
基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反应为基元反应。
非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转化成为产物分子的反应，则称为非基元反应反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。
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等温下：C A、C Af、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_______
化_学_反_应_工_程-第四章_停留时间分布与流动模型
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 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
解:(1)数据的一致性检验
0
c A (t)dt c A t t c A 100
0 0
m 80 100 V 0.8
4.1.1 停留时间分布的定量描述
4.1.2 停留时间分布的函数表达式 1. 停留时间分布密度函数 2. 停留时间分布函数 4.1.3 停留时间的实验测定 1. 脉冲示踪法 2. 阶跃示踪法 4.1.4 停留时间分布函数的数字特征
第四章 停留时间分布与流动模型
4.1.1 停留时间分布的定量描述
理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混。 全混釜反应器的返混最大，出口物料停留时间分布与釜 内物料的停留时间分布相同。
引言
实际反应器流动形式的复杂性
Short circuiting
u
沟 流
Dead zone
回 流
存在速度分布
存在死区和短路现象
存在沟流和回流
偏离理想流动模式，反应结果与理想反应器的计算值具有 较大的差异。
面积重心
0
tE(t)dt E(t)dt
tE(t)dt
0
0
t
其物理意义： 为E(t)曲线的分布中心，即E ~ t曲线所围面积的重 心在t坐标轴上的投影；数学上称： E(t)曲线对于坐标原点的一次矩(t-0) 其它计算方法
ˆ t tE (t )dt tdF (t ) [1 F (因次：[时间] t )]dt
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 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
解:(1)数据的一致性检验
0
c A (t)dt c A t t c A 100
0 0
m 80 100 V 0.8
4.1.1 停留时间分布的定量描述
4.1.2 停留时间分布的函数表达式 1. 停留时间分布密度函数 2. 停留时间分布函数 4.1.3 停留时间的实验测定 1. 脉冲示踪法 2. 阶跃示踪法 4.1.4 停留时间分布函数的数字特征
第四章 停留时间分布与流动模型
4.1.1 停留时间分布的定量描述
理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混。 全混釜反应器的返混最大，出口物料停留时间分布与釜 内物料的停留时间分布相同。
引言
实际反应器流动形式的复杂性
Short circuiting
u
沟 流
Dead zone
回 流
存在速度分布
存在死区和短路现象
存在沟流和回流
偏离理想流动模式，反应结果与理想反应器的计算值具有 较大的差异。
面积重心
0
tE(t)dt E(t)dt
tE(t)dt
0
0
t
其物理意义： 为E(t)曲线的分布中心，即E ~ t曲线所围面积的重 心在t坐标轴上的投影；数学上称： E(t)曲线对于坐标原点的一次矩(t-0) 其它计算方法
ˆ t tE (t )dt tdF (t ) [1 F (因次：[时间] t )]dt
化学反应工程 第四章
V V 'RA V 'RB
在t时对出口处的示踪物B作物料衡算：
所以，
VC V 'RA 0 V 'RB C0
C V 'RB C0 V
＝停留时间≤t的示踪物溶液体积所占分率最后得：F(t)(
C C0
)
s
3.脉冲法
1）实验步骤
（1）物料保持稳定流动
（2）在一瞬间注入示踪剂B，总量是M，在体积流量V中的
t tm＝t
则
2 t
t2E(t)dt
2
t
0
0
对离散型测定值，
t2E(t)
2 t
0
tm2
E(t)
0
三、对比时间 为了方便起见，常用对比时间作为变量。 对比时间的定义
t
tm
1.平均对比停留时间
tm 1
tm
2. E( )
3. F ( )
E( )
dF ( ) d
dF ( )
d( t )
浓度为Co 。数学描述为 0 t 0
C C0 0 t t0
0 t t0
c(∞)
C0
C(t)
t0
V ( M )Ccp(t)
0
0
t=0
t
（３）以t＝0为计时基准，检测出口处的B浓度C。
响应t 曲线 t
（４）标绘
V
( M
)C p
~
t
曲线
２）( V
M
)Cp
?
在出口处作示踪物B的物料衡算：
V C dt Mt
在实际 反应器中，物料可能是由固体颗粒、液滴、气泡或者 分子团块等聚集体组成的，称之为微团。微团之间的混合程度 有三种情况，
在t时对出口处的示踪物B作物料衡算：
所以，
VC V 'RA 0 V 'RB C0
C V 'RB C0 V
＝停留时间≤t的示踪物溶液体积所占分率最后得：F(t)(
C C0
)
s
3.脉冲法
1）实验步骤
（1）物料保持稳定流动
（2）在一瞬间注入示踪剂B，总量是M，在体积流量V中的
t tm＝t
则
2 t
t2E(t)dt
2
t
0
0
对离散型测定值，
t2E(t)
2 t
0
tm2
E(t)
0
三、对比时间 为了方便起见，常用对比时间作为变量。 对比时间的定义
t
tm
1.平均对比停留时间
tm 1
tm
2. E( )
3. F ( )
E( )
dF ( ) d
dF ( )
d( t )
浓度为Co 。数学描述为 0 t 0
C C0 0 t t0
0 t t0
c(∞)
C0
C(t)
t0
V ( M )Ccp(t)
0
0
t=0
t
（３）以t＝0为计时基准，检测出口处的B浓度C。
响应t 曲线 t
（４）标绘
V
( M
)C p
~
t
曲线
２）( V
M
)Cp
?
在出口处作示踪物B的物料衡算：
V C dt Mt
在实际 反应器中，物料可能是由固体颗粒、液滴、气泡或者 分子团块等聚集体组成的，称之为微团。微团之间的混合程度 有三种情况，
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
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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➢滞留区的存在 ➢存在沟流与短路 ➢循环流 ➢流体流速分布不均匀 ➢扩散
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。
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
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。
➢ 在工程放大中产生的问题
➢ 间歇反应器中不存在返混 ➢ 理想置换反应器不存在返混 ➢ 理想混合反应器返混达到极限状态 ➢ 非理想流动反应器存在不同程度的返混
返混对反应过程的影响
➢ 返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消 失或减低。 ➢ 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。 ➢ 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。
➢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。 ①放置填料 ②设置多孔多层横向挡板，把床层分成若干级 ③设置垂直管
理想流动反应器的分类和应用
分类 ➢ 理想混合流反应器 ➢ 理想平推流反应器 应用
实际生产中，连续操作釜式反应器可以近似看作是理 想混合流，连续操作管式反应选择率，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。
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_______ 理想混合反应器返混为____, 非理想流动反应器返混为_____ 返混带来的最大影响是_____________________________ 返混对反应来说是有害的，必须采取各种措施进行抑制。 降低返混程度的主要措施是______，通常有________和________两
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。
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。
实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因
➢ 连续操作的搅拌釜式反应器 为减少返混，工业上常采用多釜串联的操作。当串联釜 数足够多时，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。(横向纵向？)
➢ 流化床 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，对高径比较大的，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（横向纵向？）
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。
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
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。
➢ 在工程放大中产生的问题
➢ 间歇反应器中不存在返混 ➢ 理想置换反应器不存在返混 ➢ 理想混合反应器返混达到极限状态 ➢ 非理想流动反应器存在不同程度的返混
返混对反应过程的影响
➢ 返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消 失或减低。 ➢ 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。 ➢ 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。
➢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。 ①放置填料 ②设置多孔多层横向挡板，把床层分成若干级 ③设置垂直管
理想流动反应器的分类和应用
分类 ➢ 理想混合流反应器 ➢ 理想平推流反应器 应用
实际生产中，连续操作釜式反应器可以近似看作是理 想混合流，连续操作管式反应选择率，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。
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_______ 理想混合反应器返混为____, 非理想流动反应器返混为_____ 返混带来的最大影响是_____________________________ 返混对反应来说是有害的，必须采取各种措施进行抑制。 降低返混程度的主要措施是______，通常有________和________两
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。
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。
实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因
➢ 连续操作的搅拌釜式反应器 为减少返混，工业上常采用多釜串联的操作。当串联釜 数足够多时，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。(横向纵向？)
➢ 流化床 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，对高径比较大的，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（横向纵向？）