流体在管内流动时存在流速分布,同一横截面上,中间处的流速最大,越靠近器壁流速越小;当流体呈层流时,其径向流速分布为抛物面状,如图2中a所示,呈湍流时则随湍动的程度不同流速分布变得扁平,如图2中b所示。
可以看出,中心部分的流体停留时间短,而靠近管壁处的流体停留时间长。停留时间不同影响化学反应进行的速率和程度。另外,由于反应器内的流体混合的形式和程度直接影响到反应器内各处流体的浓度和温度,而它们又是决定反应速率的因素,因此反应器内流体混合也是一个重要的影响因素。根据实际流动状况,对其进行合理简化,建立流动模型。
活塞流是一种极端的理想流动状况,即径向流速分布均匀,如图2中c所示。所谓活塞流是指反应物料以一致的方向、相同的速度从反应器进口向出口运动,像活塞一样均匀地向前移动。其特点是连续定态操作,在反应器的各处截面上物料浓度均匀、温度均匀,且物料参数不随时间变化,属于稳态操作;物系参数随轴向位置变化,故反应速率随轴向位置变化;所有物料在反应器内停留时间相同,不存在返混。
所谓返混是指具有不同停留时间的流体粒子之间的混合。对活塞流反应器而言,同一时刻进入反应器的流体粒子必然在同一时刻离开反应器,即所有物料在反应器内停留时间相同。因此,活塞流反应器与间歇操作釜式反应器具有相同的效果,即当物料在反应器内的停留时间相同时,两者所达到的最终转化率及最终收率相同。
对于连续操作釜式反应器,假设刚进入反应器的新鲜物料与已经存留在反应器中的物料能达到瞬间的完全混合,以致在整个反应器内各处物料的浓度和温度完全相同,且等于反应器出口处物料的浓度和温度,在这种情况下,物料的返混程度达到最大,这就是所谓的全混流模型,又称完全混合流模型(CSTR),是另一种极端的理想流动状况。
活塞流和全混流都属于理想化了的流动,因此这两种模型又称为理想流动模型。两者最大的区别在于活塞流无返混存在,而全混流返混程度达到最大。