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第二节 理想流动模型和理想反应器
在反应器内，由于物料流动状态的差异会造成器内出现浓度、温度及停留时间分布，从而对产品的产量和质量有显著的影响。在化学工业中，处理的物料多数情况下为流体，流体在反应器中的流动混和状况和流动模型对化学反应具有重要影响。所谓的模型，是经过合理简化的某个过程的本质规律。流动模型，是指流体流经反应器时实际流动和混合的状况进行合理简化后，就其本质规律提出的物理图象，并以数学语言加以描述。从下面的内容中可得到进一步理解。
一、流体混合的概念及意义
物料在反应器内流动时可能存在两种不同的混合。下面分别予以介绍。
1、流体粒子（微元）在空间顺序上的混合——空混
流体在反应器内流动，不论其因何种原因而产生的流体粒子在反应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空间混合，简称空混。
当流体的粒子在空间的位置完全没有变化时，称为完全无混合，以空混=0表示；当流体粒子间在空间发生最大程度上的混合，称为完全混合，以空混=∞表示。显然，上述两种情况都是理想的情况，而实际上反应器中的空混则是介于上述两种理想的情况之间。
空间混合会对反应器内物料的浓度、温度等因素产生何种影响呢？由空混的定义可知，空混越大，物质在空间上传递就越快，流体对流传热就越好，因而反应器内各位置的浓度、温度的差异就越小，因而空混导致反应器内浓度、温度的均匀。
2、流体粒子（微元）在时间顺序上的混合——返混
流体粒子在反应器内由于操作形式等原因，会产生不同停留时间的粒子而存在停留时间分布，这是前面已经了解到的。这种具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合，称为返混。所谓逆向，是指时间顺序上的颠倒，比如先进入反应器的物料的粒子后流出反应器，而后进入反应器的物料的粒子却先流出反应器。返混的程度也有两种极端情况，一种是完全无返混，以返混=0表示；一种是完全返混，是以返混=∞表示。返混=0是指物料粒子在反应器中的停留时间是相同的，而返混=∞则是表示不同停留时间的粒子在反应器内进行了充分的混合。
返混会对反应器内那些因素产生影响呢？一般地说，如果物料粒子在反应器中停留时间越长，则其浓度越低，反之则越高。在连续操作的反应器中，由于返混，新鲜的浓度较高的进料的粒子，一部分可能很快流出反应器，而早以进入反应器的 由于反应而浓度降得较低的物料粒子却可能停留在反应器中不流出，这两种情况都导致反应器内反应物的浓度降低，或起用“冲稀”的作用。返混的程度越大，“冲稀”的作用越显著，即显著地降低了反应物的浓度。一般来说，返混对反应来说是一个不利的因素，它影响反应器的生产能力。
二、理想流动模型
按照混合的概念，针对物料在反应器中不同的流动和混合状况，可建立种种不同的流动模型，本课程将介绍三种流动模型。
1、间歇完全混合流动模型、理想间歇反应器
这种模型又称为间歇全混式流动模型。其混和情况为：空混=∞，返混=0。因而这种模型的特点是，由于空混=∞，反应器内各点的浓度是均匀的，温度也是相等的，其它的参数也是一致的，但随时间而变化，因而是不稳定过程；由于返混=0，故所有物料在反应器内的停留时间相同，不存在停留时间分布。凡是符合上述特点的反应器称为理想间歇反应器。
图5-6 间歇搅拌釜
在实际的生产中，完全符合上述特点的反应器是不存在的。但有些情况下的反应器与上述特点比较接近。例如，在釜式反应器中进行液相反应，如图5-6所示，反应物料一次性加入，在强烈搅拌下进行反应，反应物结束后物料一次性放出。这种间歇搅拌釜可处理为理想间歇反应器。
2、连续理想混合流动模型、理想混合反应器
连续理想混合流动模型简称理想混合模型，是指物料以稳定的流量进入反应器后，瞬间就在整个反应器内分散均匀并与器内原存留的物料完全混合。其混合情况是：空间混合=∞；返混=∞。
图5-7 理想混合式流动
理想混合流动的特点是：（1）器内以及出口物料的组成和温度等参数均匀一致，且不随时间、空间而变化；（2）各物料微元在器内的停留时间不尽相同，存在停留时间分布。如图5-7所示。
在实际反应器中，带强烈搅拌的连续釜式反应器内物料的流况就近似于这种流动模型。此外，沸腾床中的固相颗粒运动，长径比比较大的鼓泡塔中的液相流动，大循环量的连续反应器的流体流动等等，也都趋近于这种流动模型。
凡是器内物料呈理想混合流动的反应器，就称为理想混合反应器。通常用连续搅拌釜式反应器代表理想混合反应器，也称为全混釜，以CSTR表示。
3、连续理想排挤流动模型，理想排挤反应器
理想排挤或称理想置换模型，是指物料以稳定的流量由反应器的一端流入反应器后，各物料微元沿流动方向齐头并进，完全没有轴向混合与扩散，就好像活塞在气缸里向前平推一样。所以又称为“活塞流”，如图5-8所示。
图5-8 理想排挤式流动
活塞流模型的混合情况是：轴向空间混合=0；返混=0，活塞流模型的特点是：（1）在与流动方向垂直的任意截面上各点，物料的流速、浓度、温度及停留时间等完全一样；（2）物料的浓度、温度等各参数沿流动方向递变；（3）在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。
细长型的连续流动管式反应器内物料的流况就近似这种流动模型。在长径比较大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反应器内，当气相流速达到一定值后，其气相流动情况一般亦可以认为是活塞流。
凡器内物料呈理想排挤流动的反应器就称为理想排挤反应器。其典型代表是连续操作活塞流管式反应器，也称为平推流反应器，以PFR表示。
上述理想流动，是理想流动模型的两种极端情况。实际反应器中物料的流况总是或多或少地偏离理想状态，而是介于理想混合和理想排挤两种流动模型之间，这种流动统称为非理想流动。造成这种偏离的原因主要是反应器型式、操作条件和物料性质。
描述非理想流动与混合的模型就叫非理想流动模型。其中最常用的是轴向扩散流动模型和多级理想混合串联流动模型，本课程不予讨论。