第二章理想流动反应器
c A0 c A0 = ； VR 1 + 2kτ 1+ k V0 2
（b）两全混流反应器串联： c Af .b =
c A0 c A1 = ； VR (1 + kτ )2 1+ k V0
−k
VR V0
（c）平推流反应器与全混流反应器串联或（d）全混流反应器与平推流反应器串联：
c Af .c =
c e c e c A1 或 c Af .d = c A1e = A0 = A0 VR ( 1 + kτ ) 1 + kτ 1+ k V0
s=
rL rL α 1 = = = rA rL + rM α + 1 1 + 1
=
α
dc L − dc A c Lf
对平推流反应器，总选择率
S=
c A0 − c Af
∫ =
c Af
c A0
− sdc A
c A0 − c Af
c Lf c A0 − c Af
对全混流反应器，其出口组成与反应器内的组成一致，总选择率： S = s =
11. 等温自催化反应 A→R，反应速率 rA = kc A c R ，则平推流反应器所需体积小于全混流反应器，全混流 串联平推流反应器总体积最小。 采用多级串联全混流反应器可提高反应过程的推动力。 0 级等温不可逆单反应，全混流反应器、平推流反应器、间歇反应器的停留时间相同。 即： （1）tMFR>tPFR （2）tMFR=tPFR （3）tMFR<tPFR 多级串联连全混流反应器，当级数趋于无穷时反应器的总体积等于平推流反应器的总体积。 对于一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联后，为保证总反应体积最小各釜反应体积应相等。 等温恒容一级不可逆反应，相同体积的 PFR 与 MFR，各种组合的转化率：
3
性有利。
1 2 ⎯→ L⎯ ⎯→ M 27. 平推流反应器中发生恒容一级不可逆连串反应， A ⎯
k
k
rA = − rL =
dc A = k1c A dt
dc L = k1c A − k 2 c L dt dc rM = M = k 2 c L dt
组分A浓度单调下降，副产物M浓度单调上升，主产物L浓度先升后降，存在最大值。随k2/k1减小，则 cL增大，cM减小。已知有四条曲线分别对应k2/k1 =0，0.1，1，10，在图（1）中标出cA/cA0及相应cL/cA0曲线； 在图（2）中标出x=0.6 时与k2/k1 =1 相对应的各相对浓度cA/cA0、cL/cA0、cM/cA0。
s=
k c rL = 1− 2 L rA k1c A
随着转化率的增大，反应物浓度越来越低，cL/cA的
k
k
主反应速率为：
rL=k1cAn1，副反应速率为：
rM=k2cAn2。定义相对选择系数或对比速率为：
E2 − E1 Rg T n1 − n2 cA
r k c n1 k1 n1 −n2 k10 α= L = 1 A = cA = e n2 k 20 rM k 2 c A k2
1） 当n1>n2时，浓度增大可得到高的对比速率，因此采用具有高浓度推动力的间歇反应器或平推流反 应器可以提高目的产物L的选择性，采用高浓度原料或较低转化率等措施； 2） 当n1<n2时，α随浓度增大而降低，采用浓度推动力小的全混流反应器或循环流平推流反应器有利 于提高目的产物L的选择性。采用低浓度原料或较高转化率等措施。 3） 当n1=n2时选择率与浓度无关。 24. 瞬时选择率 s 的定义：关键组分反应物的总反应速率中向主产物转化的分率，即：
28. 间歇反应器或平推流反应器中进行一级不可逆反应连串反应，其最大收率 Ymax
⎛ k1 ⎞ =⎜ ⎜k ⎟ ⎟ ⎝ 2⎠
k2
( k 2 − k1 )
与初浓
度无关，只取决于k2/k1之比。当k1=k2时，目的产物出口浓度最大所需要的反应时间： t opt =
1 1 = ，最 k1 k 2
大收率为： Ymax =
⎡ ⎤ ⎡ VRM 1 1 ⎥ / ⎢ln = m⎢ − 1 1 1 − x Af VRP ⎢ (1 − x Af ) m ⎥ ⎢ ⎣ ⎦ ⎣
⎤ （1）m一定，xAf越大，VRM/VPM之比越大； （2）xAf一定，m ⎥。 ⎥ ⎦
越大，VRM/VPM之比越小，越接近平推流反应器； （3）虚线表明kt一定时，反应器级数不同，所得最 终转化率也不同。m增大，xAf增大。 19. PFR 循环操作，则循环比 r 增加，返混程度增加。 20. 对于n<0 的等温不可逆反应，反应速率随反应物浓度下降反而增加，1/rA随xA增加而单调下降。此时 降低反应器内的浓度推动力反而对反应有利，因此返混最大的全混流模型所需要的体积最小，而没有 返混的平推流模型所需要的体积最大，多釜串联模型所需体积介于两者之间，且随釜数增多所需反应 体积迅速增大。 21. 自催化反应中，随产物量增多反应速率加快，当反应达到一定程度后，由于反应物浓度下降影响更显 著，反应速率达到极大后又下降，反应动力学曲线存在极值。在转化率xA<xAm阶段，全混流反应器或 循环比很大的循环操作平推流反应器所需体积最小，而xA>xAm时平推流反应器所需体积最小，因此最 好采用一个全混流反应器将反应进行到xAm，再接一个平推流反应器将反应进行到出口转化率可以使 反应器总体积最小。
（g）全混流反应器与平推流反应器并联：
c Af ,g = 0.5( c A0 e −2kτ +
c A0 ) 1 + 2kτ
n
17. 等温、等容、不可逆反应： rA = kc A 。对反应级数n>0 的不可逆反应，反应速率随反应物浓度增加而 增大，1/rA随xA增加而单调上升。随着反应的不断进行，反应物浓度降低，转化率增大，反应速率下 降。实现同一化学反应过程平推流反应器所需反应体积最小，全混流反应器所需反应体积最大，返混 成都介于两者之间的多釜串联全混流反应器所需体积介于两者之间。返混降低了反应器的浓度推动 力，使反应体积增大。反应级数越高，反应对浓度推动力的依赖越强，返混对反应影响越严重。 18. 一级不可逆反应，等体积多级全混流反应器串联的总反应体积与单个平推流反应器体积之比为：
2
22. 单一反应，根据反应的动力学行为不同，反应器内的返混状况对反应器体积有不同影响。多重反应由 于主、副反应动力学行为不同，反应器内的流动状况不仅影响反应器体积，还影响复合反应的选择性 和最终产物分布。
1 2 23. 对于等温平行反应 A ⎯ ⎯→ L(主反应，目的产物 )"" A ⎯ ⎯→ M (副发反应，副产物 )
1
12. 13. 14. 15. 16.
（1）两 MFR 串联转化率高于两 MFR 并联； （2）PFR 串联 MFR>MFR 串联 MFR； （3）PFR 串联 MFR＝MFR 串联 PFR； （4）PFR 并联 PFR＝PFR 串联 PFR； （5）PFR 串联 PFR>MFR 串联 PFR。 即： （a）两全混流反应器并联： c Af ,a =
−k
VR V0 / 2
−k
VR V0
− kτ
−k
VR V0
=Байду номын сангаас
c A0 e c e −kτ = A0 ； (1 + kτ ) 1 + kτ
（e）两平推流反应器并联或（f）两平推流反应器串联：
c Af .e = c A0 e
= c A0 e
− 2kτ
或 c Af . f = c A1e
−k
VR V0
= c A0 e −2kτ ；
第二章
理想流动反应器
1. 反应器选型、设计和优化的基础是反应器中的： （1）流体流动模型； （2）化学动力学模型； （3）传递模型； （4）宏观动力学模型。 2. 稳定操作条件下，平推流反应器（plug-flow reactor，PFR）或连续流动管式反应器（continuous flow tubular reactor， ）中各点浓度、温度等参数不随时间变化，但沿轴向位置变化，所有的物料具有相同 的停留时间。 3. 稳定操作条件下， 全混流反应器 （mixed flow reactor， MFR） 或连续流动搅拌槽反应器 （continuous-flow stirred tank reactor，CSTR）中反应参数不随时间和空间变化，流出物料与反应器内浓度、温度相同 。 4. 间歇反应器（batch reactor）中物料具有相同的停留时间，物料浓度随时间而变，不随空间而变。 5. 在相同进出口浓度和相同温度条件下， BR与PFR反应推动力相同， 全混流反应器的推动力最小且不变， MFR中物料返混降低了反应推动力。 6. 适用于等温、变温、等容情况的 BR 积分形式方程：
1 。 e 1
⎛ k2 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜1 + k1 ⎟ ⎝ ⎠
2
29. 全混流反应器中进行一级不可逆反应连串反应，主产物最大收率 Ymax =
与反应物初浓
度无关，只取决于k2/k1之比。当k1=k2时，
( τ m )opt =
1 1 = k1 k 2 1 4
Ymax =
30. 一级连串反应在同样的k2/k1比值下平推流反应器的最大收率高于全混流反应器。
t = n A0 ∫
7. 不可逆单反应A→P，其动力学方程为
dx A 或 x A0 Vr A
x Af
t=∫
dc A c A0 - r A
c Af
n rA = kc A 。达到相同转化率时0 级反应时间t与初浓度cA0成正
比，1 级反应与初浓度无关，2 级反应与初浓度成反比。这一结论可用来定性判别反应级数。 8. 平推流反应器积分形式的设计方程： τ =
x Af dx c A dc VR A A = c A0 ∫ = −∫ 0 c A0 V0 rA rA
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第二章 理想流动与非理想流动1
第二章
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。
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。
制药工程原理与设备-02反应器基本理论1
6
第二节 等温等容过程的计算 •
1 dnA 一、反应速 ( rA ) V d 率 nA0 nA xA nA0
• 转化率
nA nA0 (1 x A ) dnA nA0 dx A dxA 1 nA0 dxA (rA ) C A0 V d d
7
如：Ａ→Ｒ
• 边界条件: VR= 0 XA = 0 dVR dx A VR=VR XA=XA 0 FA ( rA )
dFA FA0 dxA
16
dVR dx A FA0 (rA )
x A dx VR A 0 (r ) FA0 A
VR
0
dVR FA0
xA
0
dx A ( rA )
③ n=2时 二级反应
2 (rA ) kC A0 (1 x A ) 2
C A0
xA
0
dxA xA 1 xA dxA 1 2 2 0 (1 xA )2 kC A0 1 xA kC A0 (1 x A ) kC A0
12
作业：
推导：对于n级反应，A初始浓度为CA0 ，反应速率方程： 推导反应转化率xA为时，反应釜内反应时间τ的表达式： τ＝f (xA，n，k，CA0)
整 x 理： x
Ai
1 xAi 1
2
1 1 xAi 1
1 xAi 1 1 xAi 1 xAi 1 xAi 1 x Ai 1 x Ai 1 x Ai 1
1 xAi 1 1 xAi 1 1 1 xAi 1 xAi 1
• 选择性
s 生成目的产物所消耗的关键组分的量 已转化的关键组分的量
6 第二章 反应器内流体流动与混合 (1)--梁斌 97-2003
反应器内物料的流动方向和速度分布的不
同，造成物料粒子在反应器内的停留时间 不同，从而引起各粒子反应程度的差异， 造成物料浓度分布不同，这降低了反应效 率，影响了产品质量和产量。 流动状况对化学反应的影响有两方面：物 料的浓度和停留时间。
物料在反应器内存在浓度和温度分布，使
器内物料处于不同的温度和浓度下进行化
处理量和实际操作时间来决定的。
• 根据生产任务求得物料在单位时间内的物 料处理量 V′。 • 每批实际操作时间由反应时间 t 和辅助 时间 t0 组成。辅助时间包括加料、调温、 缷料和清洗等时间。
1.每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间
t R t t0
2.反应器有效体积 VR ：
VR V (t t0 )
x
x+△x
管式反应器
管径较小、管子较长
和流速较大的管式反应器
可近似地按平推流来处理。
一、平推流反应器特性 (1)属连续定态操作，反应器各个截面上的参 数(浓度、温度、转化率等)相同，且不随时 间而变化； (2)器内参数(浓度、温度、压力等)沿流动方 向连续变化，反应速率也随轴向位置变化；
动量衡算方程
在列出上述基本方程时，需要知道动力学
方程和流动模型。 2.反应器设计的基本内容
(1) 选择合适的反应器形式
(2) 确定最佳的工艺条件
(3) 计算所需反应器体积
2.2 简单反应器
简单反应器分为： 1.间歇釜式反应器 2.平推流管式反应器 3.全混流釜式反应器
讨论等温恒容过程，只需结合动力学方
适用于经济价值高、批量小的产物，如药
品和精细化工产品等的生产。
一.间歇釜式反应器传递特性(装置特性)
化学反应工程-9-第二章-均相理想流动反应器
表1 几种桨叶在不同要求下的不同适用情况
过程 桨叶形状 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 特征参数 容积/mL 0~3.785ⅹ105 0~2.08ⅹ105 0~7.57ⅹ105 固体含量/% 0~50 0~100 65~90 物料流量/ （cm3/s） 0~1.90 0~63 0~0.19 容积/mL 0~39.7ⅹ103 0~75.7ⅹ103 0~189ⅹ103 容积/L 0~3.97ⅹ103 0~37.85ⅹ103 0~37.85ⅹ103 要求 D/d H/D 没有 限制 补充说明
螺旋桨叶：NV=0.5；
NV=0.93D/d，D为釜直径。
六叶涡轮桨叶，叶片宽度和直径之比W/d=1/5 ，当Red>104，
功率数NP、NV和Red之间的关系如下图：
二、釜式反应器内混合概念
对于CSTR，存在两种混合。 1、返混 不同停留时间物料间的混合，即返混。CSTR是返混达到最大 的一种反应器。 问题：完全混合如何判断？ 经验标准是：
a b
rS k 2C A2 CB2
a
b
瞬时选择率： 则：
rP SP rP rS
1 1 SP rS k 2 a2 a1 b2 b1 1 C A CB 1 k1 rP
问题：如何提高选择率？
⑴连续操作 ① a1 a2，b1 b 2 对 C A、C B 的控制应使都高，操作方式如下：
螺旋桨 式，平 直叶， 三叶 41.0 0.32
桨叶型 式 KL KT
螺距式， 涡轮式， 三叶 六平叶 43.5 1.00 71.0 6.30
六叶后 掠弯式 70.0 4.80
风扇涡 轮式， 六叶 70.0 1.65
平桨式， 二叶 36.5 1.70
化学反应工程-第二章 复合反应与反应器选型
VR 4 0.537 2.15m3
16
2.1.4 循环反应器
在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度， 以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原 料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法， 如图所示。
17
循环反应器的基本假设： ①反应器内为理想活塞流流动； ②管线内不发生化学反应； ③整个体系处于定常态操作。
第二章
复合反应与反应器选型
1
2.2.1 单一不可逆反应过程平推流反应器 与全混流反应器的比较
图2-1 不同反应器中浓度、转化率、反应速率的变化图 2
对于平推流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
P
1
k
cn 1 A0
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
对于全混流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
m
xA
图2-5 多釜串联反应器的空间时间
11
计算出口浓度或转化率
对于一级反应：
1
cA0 cA1 kcA1
2
cA1 cA2 kcA2
cA1
cA0
1 k1
cA2
cA1
1 k 2
cA0
1 k11 k 2
依此类推：
cAN N cA0
1 ki
i 1
12
如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：
cAN
VR1 :VR2 V01 :V02
是应当遵循的条件
6
(2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同 转化率使反应器体积最小，与平推流并联 操作同样道理，必须满足的条件相同。
7
(1)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作，
16
2.1.4 循环反应器
在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度， 以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原 料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法， 如图所示。
17
循环反应器的基本假设： ①反应器内为理想活塞流流动； ②管线内不发生化学反应； ③整个体系处于定常态操作。
第二章
复合反应与反应器选型
1
2.2.1 单一不可逆反应过程平推流反应器 与全混流反应器的比较
图2-1 不同反应器中浓度、转化率、反应速率的变化图 2
对于平推流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
P
1
k
cn 1 A0
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
对于全混流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
m
xA
图2-5 多釜串联反应器的空间时间
11
计算出口浓度或转化率
对于一级反应：
1
cA0 cA1 kcA1
2
cA1 cA2 kcA2
cA1
cA0
1 k1
cA2
cA1
1 k 2
cA0
1 k11 k 2
依此类推：
cAN N cA0
1 ki
i 1
12
如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：
cAN
VR1 :VR2 V01 :V02
是应当遵循的条件
6
(2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同 转化率使反应器体积最小，与平推流并联 操作同样道理，必须满足的条件相同。
7
(1)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作，
聚合反应工程基础第二章3
C Ai 1 C Ai 1 i rAi (C Ai C Ai 1 ) rAi i
根据动力学方程做rA ~ CA关系曲线
rA
CA3 CA2 CA1 CA0
CA
设计多级串联理想混合反应器时，合理分配各级反应器
的出口转化率，可使反应器所需总体积最小。 以两只不等容的理想混合反应器串联操作为例： 对于第一级反应器 对于第二级反应器
1 2 ... n cA0 (
x A1
xA 0
x A 2 dx x A , N dx dxA A A ... ) x A1 r x A , N 1 r rA A A
c A0
xA ,N
xA 0
dxA rA
与单一平推流 反应器相同
请考虑要使并列的两路得到相同的转化率， 则两路的流量比是多少？
xA dx xA V A cA 0 c A0 0 0 V0 rA
例:
均相气相反应A→3R，其动力学方程为rA=kcA，该过程在
185℃，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1， 进料量FA0=30kmol/h，原料含50％惰性气，为使反应器出口转
化率达80％，该反应器体积应为多大?
VR V0 cA 0
xA
0
0.8 dxA V0 cA0 0 kcA
dx A 1 xA kcA0 1 x A A
V0
0.8
0
dxA 3.34 0.8 1 xA 0 1 xA dxA 1 xA 3.23 k 1 x A
相同时没有返混。如果各支路之间的转化率
不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，
10__第二章_反应器内流体流动与混合--非理想流动__297-2003(0)
间，调节釜数N就可以在全混釜与平推流反应
器之间确定某一种性能状态。
非理想连续流动的返混程度介于两种流动之间。
多釜串联模型把一个非理想流动的实际反
应器等价为N 个体积相同的全混釜串联反 应器，每个釜内达到完全混合，釜间没有
返混。
实际非理想流动反应器的停留时间分布等
价为釜数为 N 的串联全混釜的停留时间分
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
S
C 2 (t )
1
S
C1 (t )
1
S
(1 e
t
S
)
此一阶常微分方程可用积分因子法求解。
C 2 (t ) 1 e F2 (t ) C 2 (t ) C0
t
S
(1
t
S
t
) (1 t
C 2 (t ) 1 e
S
S
)
对第三釜作物料衡算，可得：
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
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用
➢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。
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。
全混流反应器计算的基本公式-化学反应工程
表3－1 理想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
n=0
rA k
CA CA0 kt
C kt ln A0 CA
kt ln 1 1 xA
n=1
rA kCA
2 rA kCA
VR=V’(t+t’) 式中V’为单位时间所处理的物料量。
三、间歇反应器中的单反应
设有单一反应A→P n r kC 动力学方程为 A A n＝1时， rA kCA 按式（3－5）残余浓度式
kt ln
C A0 CA
或转化率公式：
kt ln(1 xA )
残余浓度式是计算经反应后残余A的浓度，而转化率式 是计算A的利用率，根据工艺要求可以公式（3－5）计 算。间歇反应中反应速率、转化率和残余浓度的计算结 果列于表3－1。
二、间歇反应器性能的数学描述 1.反应时间～xA的关系 在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间 变化，可以通过物料衡算求出反应时间t和xA的关系式。 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（V） 在dt时间内对A作物料衡算： [A流入量] = [A流出量] +[ A反应量] + [A累积量] 0 = 0 ＋
x Af 0
dxA rA
可知，二者具有一定的等效性。
三、等温平推流反应器的计算 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动方 向变化。 n 将 rA kCA 代入平推流反应器体积计算公式
VR V0CA0
X Af 0 X Af dx dxA A V0CA0 n 0 rA kCA
第二章 反应器
本章重点： （1）反应器理论（2）停留时间函数、混合与反应 （3）物料衡算方程与Fick 第一扩散定律第二章 反应器§2-1 物料恒算方程物料恒算方程的推导在充满液体的体积V 中，组分A 的质量浓度为A ρ，其反应速率为A r , A ρ随时间的变化率为dtd Aρ，流量Q 不断进入和流出V ，A 的进口质量浓度为i A ρ，A 的出口质量浓度为oA ρ。
如果质量浓度以㎎/L 计算，体积V 以L 计算，按照质量守恒定律，可得到组分A 的下列物料衡算关系：每秒进入V 的质量+每秒在V 内产生或消失的质量=每秒流出的质量+每秒在V 内积累的质量式中每秒进入及流出V 的质量可用i A Q ρ及O A Q ρ表示；每秒在V 内所产生或消失的A 的质量应为A Vr ；每秒在V 内所积累的A 的质量是由于A ρ随时间变化所引起，V ⎪⎭⎫⎝⎛dt d A ρ，这样就得到了以下物料衡算方程：dtd VQ Vr Q AA A A o i ρρρ+=+ （2-1） 式中V ⎪⎭⎫⎝⎛dt d A ρ虽然称为累计项，但它实际是其余三项的净效果，即式（2-1）写成下列形式才符合公式推导的思路：V ⎪⎭⎫⎝⎛dt d A ρ= o i A A A Q Vr Q ρρ-+注意：（1） 体积V 有时取为一个反应器的整个体积，有时取为一个无穷小的体积元，应视具体情况而定；（2） 公式的前提条件是：在V 中，A ρ，A r 及dtd Aρ都可看作是均匀分布的。
§2-2 浓度与扩散1. 通量的定义通量=扩散速率×浓度2. 质量浓度、质量分数（mass fraction ）及物质的量浓度、摩尔分数（mole fraction ）的关系以A 、B 二元体系为例来说明。
质量浓度：ρ= A ρ+B ρ （2-2）A c =A AM ρ B c =BBM ρA w =ρρAB w =ρρBc =A c +B c （2-5）A x =ccA（2-6）（2-3）（2-4）B x =cc B平均摩尔质量： M =cρ（2-7）A x +B x =1 M M x M x B B A A =+A x =MwM w M w BA A A A +A w +B w =1 MM w M w b B B A 1=+ A w =BB A A AA M x M x M x ⋅+⋅⋅3. 混合物的局部平均速率ν及局部摩尔平均速率ν*的定义ν=BA BB A A ρρυρυρ++=B B A A w w υυ+ (2-10)ν*=BA BB A A c c c c ++υυ=B B A A x x υυ+ (2-11)于是有：υυ -A 为A 相对于ν的扩散速率；υυ -B 为B 相对于ν的扩散速率；* υυ-A 为A 相对于*υ的扩散速率；* υυ-B 为B 相对于*υ的扩散速率；(2-8)2-9§2-3 Fick 第一扩散定律1. Fick 第一扩散定律分子扩散：物质通过它们的分子活动而相互渗透的现象。