1、第4 4章 非理想流动本章主要内容本章主要内容第1节 反应器中混合状态分析第2节停留时间分布第3节理想流动模型和非理想流动模型第4节 非理想流动反应器设计第5节混合质量对反应的影响间歇反应器间歇反应器平推流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器完全不混合完全混合(a)(b)(c)第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析1.1.非理想流动非理想流动第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际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的工业反应器中的反应物料流动模型往
2、往介于两者之间。间。在实际反应器中，由于各种工程因素的影响，流动反在实际反应器中，由于各种工程因素的影响，流动反应器内物料的流动状况偏离平推流和全混流。应器内物料的流动状况偏离平推流和全混流。偏离平偏离平推流和全混流的流动状况称为非理想流动。推流和全混流的流动状况称为非理想流动。反应器内的反应器内的混合程度混合程度完全混合完全混合完全不混合完全不混合介于两者之间介于两者之间偏离平推流的情况漩涡运动：涡流、漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料湍动、碰撞填料截面上流截面上流速不均匀速不均匀沟流、短路：填料或沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀催化剂装填不均匀第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合
3、状态分析偏离全混流的情况死角死角短路短路第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析物料在反应器内的混合情况影响反应结果在化学反应器中进行化学反应，首先要进行物料的混合。在化学反应器中进行化学反应，首先要进行物料的混合。理想流动反应器中，认为物料的混合达到了分子状态均匀理想流动反应器中，认为物料的混合达到了分子状态均匀混合的程度。混合的程度。第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析2.2.混合现象的分类混合现象的分类物料的混合只是一种总称，可以有不同的分类物料的混合只是一种总称，可以有不同的分类按混合对象的年龄可以把混合分成两种：（1）同龄混合：相同年龄物料之间的混
4、合（2）返混：不同年龄物料之间的混合，也称逆向混合第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析 间歇反应器中不存在返混 平推流反应器不存在返混 全混流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第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析返混对反应过程的影响 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
5、能力的下降或反应选择率的降低。第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析 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。第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析 降低返混程度的措施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，通常有横向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。分
6、割两种，其中重要的是横向分割。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)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，常在其内部装置横向挡板横向挡板以减少返混。(纵向)第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析按混合尺度的大小混合可分为两种类型：宏观混合：设备尺度上的混合微观混合：物料微团尺度上的混合微团是指固体颗粒，液微团是指固体颗粒，液滴、气泡或分子团等尺滴、气泡或分子团等尺度的物料聚集体。每个度的物料聚集体。每个微团是均匀的微团是均匀的第第1
7、1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析总体流动总体流动设备尺度上的宏观均匀设备尺度上的宏观均匀液体微团间的相对运动和液体微团间的相对运动和剪切力剪切力更小尺度更小尺度上的均匀上的均匀分子扩散分子扩散微观均匀微观均匀3.3.间歇釜中混合的强化间歇釜中混合的强化第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析搅拌是使物料达到混合的一种手段搅拌是使物料达到混合的一种手段高转速搅拌器（1）桨式搅拌器 液体的总体循环流动液体的总体循环流动二、强化混合的手段搅拌第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析a-a-直叶圆盘涡轮直叶圆盘涡轮 b-b-弯叶圆盘涡轮弯叶圆盘涡轮 c-
8、c-直叶涡轮直叶涡轮 d-d-折叶涡轮折叶涡轮 e-e-弯叶涡轮弯叶涡轮（2）涡轮式搅拌器第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析涡轮式搅拌器的总体循环流动涡轮式搅拌器的总体循环流动大叶片低转速搅拌器（1）锚式搅拌器 （2）框式搅拌器（3）螺带式搅拌器 锚式 框式 螺带式第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析螺带式搅拌器搅拌效果第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析提高混合效果的措施：q消除打旋现象加设挡板加设挡板第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析q消除打旋现象偏心
9、安装偏心安装第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析提高混合效果的措施：q加设导流筒浆式 涡轮式第第1 1节节 反应器中混合状态分析反应器中混合状态分析一、停留时间分布的定义第第2 2节节 停留时间分布停留时间分布全混流反应器：全混流反应器：机械混合最大逆向混合最大 返混程度无穷大平推流反应器：平推流反应器：机械混合为零逆向混合为零 返混程度等于零间歇反应器：间歇反应器：机械混全最大逆向混合为零 返混程度等于零停留时间停留时间：连续流动反应器中流体微元从进入反应器到：连续流动反应器中流体微元从进入反应器到流出反应器出口所经历的时间流出反应器出口所经历的时间第第2 2节节 停留时
10、间分布停留时间分布同一时刻离开反应器的物料中，在反应器内经历的停留时间有长有短，称为停留时间分布物料的停留时间分布范围为0t，其极限分布为0，即全混流反应器的停留时间分布范围。停留时间是随机变量，因此停留时间分布是一种概率分布。需对大量分子集合体进行统计分析反应器内的返混程度不同反应器内的返混程度不同停留时间不同停留时间不同反应结果不同反应结果不同浓度不同浓度不同反应速率不同反应速率不同生产能力不同生产能力不同第第2 2节节 停留时间分布停留时间分布例：在连续操作的反应器内，如果在某一瞬间（t=0）极快地向入口物流中加入100个红色粒子，同时在系统的出口处记下不同时间间隔流出的红色粒子数。停留
11、时间范围tt+t0-22-33-44-55-66-7出口流中的红色粒子数026121822分率N/N00.020.060.120.180.227-88-99-1010-1111-1212-14171264100.170.120.060.040.010第第2 2节节 停留时间分布停留时间分布料量时瞬间进入反应器的物的物料量停留时间为0ttttNN若以停留时间t为横坐标，为纵坐标作图，则每一个长方形的面积为 即表示停留时间为tt+t的物料占总进料的分率。tNN1NN第第2 2节节 停留时间分布停留时间分布假如示踪剂改用红色流体，连续检测出口中红色流体的浓度，如果将观测的时间间隔缩到非常小，得到的将
12、是一条连续的停留时间分布曲线。E(t)t t+dt t图中曲线下微小面积E(t)dt表示停留时间在t和t+dt之间的物料占t=0时进料的分率。第第2 2节节 停留时间分布停留时间分布停留时间分布密度E(t):同时进入反应器的N个流体质点中，停留时间介于t与t+dt间的质点所占分率为E(t)dt。这里的E(t)就是停留时间分布密度E(t)曲线下的全部面积代表不同停留时间的物料占进料分率的总和。E(t)归一停留时间分布函数F(t):停留时间0-t范围内的物料（停留时间小于t的质点）占进料的分率。有：t=0,F(t)=0,t=,F(t)=1,F(t)是单调增函数1d)0ttE（tttEtF0d)(（第第2 2节节 停留时间分布停留时间分布在某一时间t时，E(t)和F(t)之间的关系为：tttEtF0d)(（ttFtEd)(d)（第第2 2节节 停留时间分布停留时间分布
