第一章_反应器基本理论1解析

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(完整版)化学反应工程习题

化学反应工程习题第一部分：均相反应器基本理论1、试分别写出N 2+3H 2=2NH 3中用N2、H 2、NH 3的浓度对时间的变化率来表示的该反应的速率；并写出这三种反应速率表达式之间的关系。

2、已知某化学计量式为S R B A 2121+=+的反应，其反应速率表达式为B AA C C r 5.02=，试求反应速率B r =？；若反应的化学计量式写成S R B A +=+22，则此时反应速率A r =？为什么？3、某气相反应在400 oK 时的反应速率方程式为221061.3AA P d dP -⨯=-τh kPa /，问反应速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为21AA A kC d dn V r =⨯-=τh l mol ./，该反应速率常数k 的数值、单位如何？4、在973 oK 和294.3×103Pa 恒压下发生下列反应：C 4H 10→2C 2H 4+H 2 。

反应开始时，系统中含丁烷为116kg ，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa /s 的速率发生变化，试求下列项次的变化速率：（1）乙烯分压；（2）H 2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。

5、某溶液反应：A+B →C ，开始时A 与B 摩尔数相等，没有C ，1小时后A 的转化率为75%，当在下列三种情况下，2小时后反应物A 尚有百分之几未反应掉？（1）对A 为一级、B 为零级反应；（2）对A 、B 皆为一级反应；（3）对A 、B 皆为零级反应。

6、在一间歇反应器中进行下列液相反应： A + B = R A + R = S已知原料组成为C A0 = 2 kmol/m 3，C B0 = 4 kmol/m 3，C R0 = C S0 = 0。

反应混合物体积的变化忽略不计。

反应一段时间后测得C A = 0 .3 kmol/m 3，C R = 1.5 kmol/m 3。

计算这时B 和S 的浓度，并确定A 的转化率、生成R 的选择性和收率。

反应器基本理论课件

反器基本理
• 反应器概述 • 反应器的基础理论 • 反应器的类型与选择 • 反应器的操作与优化
反器概述
01
反应器的定义和分类
分类
连续反应器（Continuous Reactor）：反应物以稳定流速连续加入，产物也连续流出。
定义：反应器是一种用于进行化学反应的设备或系统，通过控制反应条件来促进化学反应的进行，并获取所需的产物。
批式反应器（Batch Reactor）：反应物一次性加入，反应完成后产物一次性取出。
半连续反应器（Semi-Batch Reactor）：反应物一部分连续加入，一部分批次加入。
反应器在化工流程中的地位
01
02
03
核心设备
反应器是化工流程中的核心设备之一，直接影响产品质量和生产效率。
反应条件控制
评估指标
评估反应器性能的主要指标包括反应器的转化率、选择性、产率等。此外，还需关注反应器的能耗、设备寿命、操作稳定性等方面的指标。在实际应用中，需根据具体反应体系和需求，综合权衡各方面因素，选择最适合的反应器类型和设计参数。
04
反器的操作
化
反应器的稳态操作
稳态操作定义
指的是反应器在连续、稳定的状态下进行操作，各参数不随时间变化。
适用场景
非均相反应器适用于涉及固-液、固气等反应体系的反应过程，如催化裂化、气体吸附等。
反应器的选择与评估
选择因素
在选择反应器时，需要考虑反应物的性质、反应条件、产物要求等因素。例如，对于快速反应，宜选择均相反应器；对于慢反应，宜选择非均相反应器。同时，还需考虑反应器的传热、传质性能，设备的投资与运行成本等因素。
非理想流动模型
分析实际反应器中可能出现的非理想流动现象，如返混、死区等，以及这些现象对反应器性能的影响。

制药工程与设备-PPT课件

数据2：
抗生素质量百分含量为1～3％；酶为 0.1～0.5％；单克隆抗体不超过0.0001％。
第一篇反应过程与设备
前言
反应器的重要性：核心设备，其结构、操作方式、操作条件影响转化率、质量、成本等。
反应动力学是反应工程学的基础理论之一，主要研究化学反应过程的速率及其影响因素。它包括两方面内容：第一是本征动力学（微观动力学）；第二是宏观动力学（反应器动力学）。
连续管式反应器的基础设计式
τ
Vt v0
CA0
dx xAf
A
0 ( rA )
在等容过程中，对在相同的反应条件下（即k相同）的同
一反应，达到相同的转化率，理想连续管式反应器中需要的停
留时间与间歇釜中需要的反应时间是相同的，所以，可以用间
歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。
对于连续管式反应器的基础设计式
如，对于一级反应有
( rA ) kCA
代入积分有
kCA0 (10 (1 xA )
11 ln
k 1 xA
讨论
nA0 V
xA dx A 0 (rA )
CA0
xA dx A 0 (rA )
从上式可以看出只要起始浓度相同，达到一定转化率所需的反应时间，只取决于反应速度，而与处理量无关，所以在进行间歇釜式反应器的放大时，只要保证放大后的反应速度与小试时相同，就可以实现高倍数放大。
受温度的影响不显著，可以近似看成与温度无关。
二、间歇釜式反应器 1．等温操作的反应时间微元时间内反应掉组分A的摩尔数＝微元时间内组分A减少的摩尔数
( rA )Vd
dnA
dnA
nA0dxA
(rA )Vd nA0dxA

化学反应过程第一章(1)

全混流模型
2021/1/9
平推流模型
有关反应器操作的几个工程概念 ➢ 流体的质点或粒子（微元）
代表一堆分子所组成的流体，它的体积比反应器的体积小到可以忽略，但其中所包含的分子足够多，具有确切的统计平均性质，如组成、温度、压力、流速； ➢ 停留时间（Retention time）指连续操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际时间。
• 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可能随位置变化而变化。）
• 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条件的场合，多采用连续操作。
• 主要缺点∶灵活性小，设备投资高。
2021/1/9
半间歇操作/半连续操作
全混流模型——返混程度为无穷大，反应物料的稳定流量流入反应器，
新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。出口处物料的浓度、温度等参数与反应器中物料相同。停留时间分布中有的很长，有的很短；举例——强烈搅拌的连续釜式反应器。
非理想流动模型——偏离上述两种理想流动模型，偏离程度可通过测定停留时间分布来确定。
2021/1/9
（三）按反应器结构类型分类
型式
适用的反应
特征
釜（槽）式，一级液相，液-液相，液-固相，气- 适用性大，操作弹性大。连续操作时温度、
或多级串联
液相，气-液-固三相
浓度易控制，返混严重。
均相管式
气相，液相
比传热面大，长径比很大，压降大，近平推流。
固定床
气-固相催化（绝热式或连续换催化剂不易磨损，但装卸难，传热控温不
一. 化学反应的分类（1）按反应的化学特性分类（2）按化学反应单元的分类

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

化学反应工程第一章1

进行运算，如将各相移至等号的同一侧。
aA bB rR sS 0
化学反应计量式只表示参与化学反应的各组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以进行的程度无关。化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因
子。具体写法依习惯而定，
SO 2 1 2 O2 SO3 与 2SO2 O2 2SO3
把化学反应定义式和化学反应动力学方程
相结合，可以得到：
1 dnA m n rA kcA cB V dt
直接积分，可获得化学反应动力学方程的积分形式。
对一级不可逆反应，恒容过程，有：
dcA rA kcA dt
cA 0 1 kt ln ln cA 1 xA
第一章
均相单一反应动力学和理想反应器
一、基本概念
1.化学反应式反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予以描述时,该定量关系式称为化学反应式:
aA bB rR sS
2.化学反应计量式
aA bB rR sS
是一个方程式，允许按方程式的运算规则
5. 化学反应速率
⑴ 反应速率定义为单位反应体系内反
应程度随时间的变化率。对于均相反应，单
位反应体系是指单位反应体积：
1 d r V dt mol m 3s 1
⑵ 常用的还有以反应体系中各个组份
分别定义的反应速率：
1 dnA rA V dt mol m 3s 1
对于反应：
t/hr 醋酸转化量 ×102/kmol.m-3 0 0 1 1.636 2 2.732 3 3.662 4 4.525 5 5.405 6 6.086 7 6.833 8 7.398
试求反应的速率方程

反应器PPT课件

此类反应器需有投料和卸料的时间，通常用于实验室实验或少量水处理中。
精品课件
10
物料衡算式为：
dCi dt
r(Ci )
t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：
t
ccoi
dCi r (Ci )
设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则
t
ccoi
dCi kCi
1 C0 k lnCi
精品课件
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理想反应器分类
完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
完全混合，间歇操作，封闭系统
完全混合连续式反应器（CSTR型,continous flow stirred tank reactor）完全混合，连续操作，不封闭系统
推流式反应器（PF型，plug flow reactor）
推流式，连续操作，不封闭系统
精品课件
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完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
• 投入反应物，均匀混合，并发生反应，达到预期反应程度后，排出反应物
特征： 1.反应过程中为封闭系统，无物质输入输出。 2.反应器中反应物浓度随时间是变化的，但任一时刻t，反应器中浓度认为是均匀的。
精品课件
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完全混合连续式反应器（CSTR型，continous flow stirred tank reactor ）
反应物连续输入，一进入反应器即与反应器内的物料快速混合均匀（瞬间）。反应器内物料连续流出，且出水中反应物浓度与反应器内各点处反应物浓度相同。
• 特征： • 1.连续流入，连续流出； • 2.反应器内各点反应物浓度相同，且
Cn 0.01,n 2,k 0.92 C0

反应器基础知识课件(原创)

反应器基础知识
主要内容
概述反应器的种类反应器的一般结构及优缺点反应器的操作条件反应器的选型
概述
反应器用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样,例如: 冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器。
釜式反应器
搅拌器除聚合过程外，还有许多其他化工过程需要搅拌器。按工艺过程搅拌器可分为混合、搅动、悬浮和分散四种。按型式，搅拌器有推进器式、透平式、浆式、锚式、螺轴式、螺带式以及有刮壁作用的搅拌器。前三种适用于高速搅拌低粘稠流体，后几种适用于低速搅拌高粘稠流体。
釜式反应器
传热装置聚合反应往往严格控制聚合温度，要求反应物料纯净不被污染，加之粘度高易结垢，要求传热装置传热效率要高，结构要简单，避免有容易挂胶的粗糙表面和导致结垢的死角，并便于清洗。
釜式反应器的高径比为1-2，在石化行业中，除用于液相均相、液相非均相或气相反应外，主要用于聚合反应，即将小分子变为大分子，使反应物具有可塑、成纤、成膜、高弹等特性。很多釜内含有搅拌器和换热装置。大部分反应釜由釜体、搅拌器、减速器、密封装置、换热装置和挡板组成。
釜式反应器
釜体釜体是一个压力容器，其内壁有的要求镜面，有的无此要求。
塔式反应器
气升式鼓泡塔气升式鼓泡塔塔内装有一根或几根气升管，气体从下部的气体分布器进入气升管。在气升管中，气液混合物密度比环形空间中的液体密度小得多，引起液体在环形空间和气升管内做循环流的，故称为气升式鼓泡反应器。苯乙烯装置中的烃化/烃化转移反应器就是这种结构。

第一章_反应器基本理论1

三、理想反应器
间歇反应器连续流动反应器全混流反应器
(a)
平推流反应器返混极大
(b)
(c)
三、理想反应器
BSTR
1投料
2年龄
PFR
连续加料(入口)
年龄相同(某处)
CSTR
连续加料(入口)
年龄不同
一次加料(起寿命相同(中止)
全无返混
寿命相同(出口)
全无返混
寿命不同(出口)
第一章反应器基本理论
第一节理想反应器一、基本的反应器型式二、连续操作反应器的流动特性——返混三、理性反应器
一、基本的反应器形式
间歇操作的搅拌釜
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)
特点：物料一次加入，一起放出，全部物料t相同时，T，n 可以达到均匀一致，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变。
3. 温度对反应速率的影响
从阿累尼乌斯方程可看出：反应速率对温度敏感的程度取决于E的大小
4. 转化率、收率和选择性
转化率 X--针对反应物而言
注意： 1. 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来X 是不一样的 2. 关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言）针对关键组分计算，可使X最大到100%
特点
实例
细长型的管式反应器，当Re数很大时，接近PFR
连续搅拌釜CSTR
实际生产中连续操作的反应器
返混程度为零
理想反应器
间歇反应釜

Re又为雷诺数（Reynolds number）的数学符号，一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。公式为：Re=ρvd/η，其中v、ρ、η 分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。例如，对于小球在流体中的流动，当Re比“1”小得多时，其阻力 f=6πrηv（称为斯托克斯公式），当Re比“1”大得多时， f′=0.2πr2v2而与η无关。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流动状态，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态，Re>4000为紊流状态，Re=2000～4000为过渡状态[2]。在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。

反应器基础知识

反应器基础知识一、内容概览首先我们要明白，反应器是做什么用的。

简单来说反应器就是一个让化学反应发生的场所，就像我们做饭用的锅一样，只不过这个“锅”里发生的反应可能更复杂、更高级。

第一部分我们会介绍反应器的基本结构和类型，没错不同的反应器有着不同的“长相”和“功能”，它们各有特点，各司其职。

你会了解到反应器有哪些种类，每种类型的反应器适合进行哪些反应。

第二部分我们会谈谈反应器的工作原理，就像我们了解电器的原理一样，了解反应器的原理能让我们更好地使用它。

这部分内容会告诉你，反应器是怎么让化学反应发生的，它的工作过程是怎样的。

第三部分我们会深入探讨反应器在实际应用中的作用，你会发现反应器不仅仅是在实验室里出现，它在工业、环保、科研等领域都有广泛的应用。

我们会举一些实例，让你更直观地了解反应器的应用情况。

我们还会聊聊如何选择和保养反应器，以及在使用过程中需要注意哪些问题。

这样你在使用反应器时就能更加得心应手，避免一些不必要的麻烦。

1. 反应器的定义与重要性当我们谈论化学反应时，反应器是一个我们不可忽视的重要角色。

那么反应器究竟是什么呢？简单来说反应器就是一个让化学反应发生的地方，它提供了一个环境，让我们可以将不同的化学物质放在一起，通过一定的条件，让它们发生化学反应，从而得到我们想要的产物。

了解了反应器的定义后，我们再来谈谈反应器的重要性。

在我们的日常生活中，许多产品的制造都离不开反应器的帮助。

比如我们常用的塑料、药品、食品等等，都是在反应器中通过化学反应制作出来的。

反应器就像是化学反应的“舞台”，没有它很多化学反应就无法进行，我们的生产生活也会受到很大的影响。

因此反应器在工业生产、科研领域都扮演着非常重要的角色。

2. 反应器在工业生产中的应用概述工业生产离不开反应器的运用，你知道吗反应器就像是工厂里的“魔术盒子”，负责让原料在特定的条件下发生变化，变成我们需要的产品。

无论是制造食品、药品还是化工原料，反应器都扮演着重要的角色。

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❖流体粒子（微元）在时间顺序上的混合——返混
连续操作反应器特有的
现象
返混=0 返混=∞
在连续操作的反应器中，返混的程度越大，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。
2.返混与停留时间分布
停留时间分布 RTD（residence time distribution）
第一章反应器基本理论
第一节理想反应器一、基本的反应器型式二、连续操作反应器的流动特性——返混三、理性反应器
一、基本的反应器形式
间歇操作的搅拌釜
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)
特点：物料一次加入，一起放出，全部物料t相同时，T，n 可以达到均匀一致，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变。
按混合对象的年龄来分：
年龄——物料在反应器中已经停留的时间。寿命——物料在反应器中总共停留的时间
对仍留在反应器中的物
料而言
对已经离开反应器的物
料而言
（1）相同年龄物料之间的混合——同龄混合
例如：间歇反应过程中搅拌引起的混合
（1）不同年龄物料之间的混合——返混
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。例如：连续流动的釜式反应器
自催化反应复杂反应
可控制在最佳浓度下操作
反应物浓度高有利于副反应进行时
有利！
返混对连串副反应是有利还是不利的因素？
5. 各种不同反应器中时间的概念（1）平均停留时间
物料流过反应器所需要的时间
连续反应器中的液相反应
反应器的有效容积
物料的体积流量
反应器几何容积中，用于反应的体积。
反应器内（T、P）下的体积流量
雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，
流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷
诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流
动状态，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态，Re>4000为紊流
二、连续操作反应器的流动特性---返混
1.混合现象的分类
❖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。
空混=0 空混=∞
空混越大，传质越快，传热越好，各位置的浓度、温度的差异就越小，导致反应器内浓度、温度的均匀。
优点缺点
装置简单、操作方便、灵活、适应性强，应用广
设备利用率不高，劳动强度大，不易自动控制，产品质量不稳定
连续操作管式反应器
Piston Flow Reactor (PFR)
特点：一端加入反应物，一端引出，n，v沿流动方向逐渐降低，定常态时，各参数不变
优点：设备利用率高，节省劳力，产品质量稳定，易于控制，适合于大规模生产
在连续反应器中，同时进入反应器的物料粒子，有的很快从出口流出，有的则经过很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定的分布。
改变反应器的浓度分布返混的两个孪生现象
造成物料的RTD
返混
？停留时间分布
不存在一一对应关系！相同的RTD可以有不同的返混情况
停留时间分布有两种
年龄分布
寿命分布
对象
（2）空间时间简称空时，用表示
意义：处理一个VR的物料所需要的时间。（3）空间速度简称空速
Sv=1/ =v/VR=入口体积流量/反应器有效体积
意义：单位反应体积、单位反应时间内所处理的物料量
小结：从、Sv的意义可知道，它们均表示连续反应器的生产能力。小，Sv大，生产能力大，两者均表示入口状态下反应器的生产能力，一般用于描述连续反应器中的气相反应。
反应器内的物料
反应器的出口物料
描述
从进入反应器的瞬间开始算年龄，到所考虑的瞬间为止，不同年龄的物料粒子混在一
起，形成一定的分布。
从进入反应器的瞬间开始算寿命，到离开反应器瞬间为止，反应器的出口物料中不同寿命的物料粒子混在一起，形成一定的分布。
关系两者存在一定的关系，可换算，一般通过实验测定寿命分布。
返混程度最大
物料一进入反应器就均匀分散在整个反应器内，物料在反应器内的停留时间有长有短，最为分散。
连续搅拌釜CSTR
部分返混
非理想流动
实际生产中连续操作的反应器
理想反应器
为雷诺数（Reynolds number）的数学符号，一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。公式为：Re=ρvd/η，其中v、ρ、η 分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。例如，对于小球在流体中的流动，当Re比“1”小得多时，其阻力 f=6πrηv（称为斯托克斯公式），当Re比“1”大得多时， f′=0.2πr2v2而与η无关。
（4）反应时间 t
反应持续的时间，指反应物料达到所要求的转化率所需持续的时间，用于描述间歇反应。
三、理想反应器平推流
全混流
中间流
返混程度特点
实例
不存在返混
流体通过细长管道时，与流动方向成垂直的截面上，各粒子的流速完全相同，就像活塞平推过去一样，粒子在轴向没有混合、扩散。
细长型的管式反应器，当Re数很大时，接近PFR
连续操作搅拌釜
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
特点：强烈搅拌，反应器内各点T，n相同，物料随进随出，出口物料n与釜内反应物相同
优点：反应物的浓度、温度及v（速率）保持恒定不变，对自催化反应有利缺点：釜内n很低，v很慢，达到同样的P，需要的VR(反应容积)较大、时间较长
3. 返混产生的原因
涡流与扰动死角
速度分布
沟流、填料或催化剂装填不均匀
短路
4.返混对化学反应的影响
1) 总的来说，使产品的收率、质量降低。 2) 返混使反应物的浓度降低。
冲稀的作用
3) 返混使系统中的温度分布和浓度分布趋于平坦，对要求有较大温度差或浓度差的场合不利。
？思考返混对化学反应一定是不利的吗？