微观混合是化学工业中的常见现象,一般指物料从湍流分散后的最小粘性涡尺度(Kolmogorov尺度)到分子尺度的均匀化过程。微观混合过程对于快速反应体系至关重要。如果微观混合速率慢于化学反应本征速率,物料就有可能来不及均匀分散而反应已经完成,从而导致副反应频繁发生,最终对反应收率、转化率、选择性及产品质量等产生重要影响。如何深入研究微观混合过程的机理并构建相应的理论模型一直是国际化学工程领域中的重点和难点。本文通过分析前人工作,认为已有微观混合模型假定“流体微元间的碰撞频率为常数”不具普适性。因此本文基于流体微元间发生碰撞作用的流体力学原理,从碰撞频率方程的推导出发,采用统计学方法,对流体微元在反应器内的混合行为建立了带有随机参数的群体平衡框架,并用标准矩方法进行求解,结合流体微元的物理行为,用累积量-忽略封闭法对未封闭的化学反应项进行封闭处理,得到了一个用于描述流体微元间聚并-分散过程的微观混合模型,并分别对单一反应、平行-竞争反应、串联-竞争反应体系建立了基于群体平衡框架的微观混合模型数学表达式。不同于前人模型,本文将基于群体平衡框架的微观混合模型推广应用于更多的实验对照,验证了模型的合理性。通过对文献报道的平行-竞争反应体系实验数据进行模型验证,结果表明:采用本文模型模拟得到的离集指数与实验结果吻合良好;离集指数随加料时间的延长而减小;搅拌釜反应器中,在加料时间一定的情况下,搅拌转速增加,反应器内湍动程度增加(耗散速率增加),物料分散至流体微元时间缩短,且流体微元初始尺度减小,因而离集指数减小;加料点设置于湍动程度越高的位置(桨叶排出流区),离集指数越小。将模型预测结果与文献报道的串联-竞争反应体系的实验数据进行对照,进一步验证了模型的可靠性。模拟结果显示:反应物初始浓度增大、反应物体积比增大均可引起离集指数的增大,虽然与实验数据存在一定的差异性,但总体趋势较为一致;此外,本文模型预测半连续操作条件下,离集指数随转速增大而减小的结果与实验数据吻合情况好于片状模型及卷吸模型的预测结果。粘度增大,流体微元尺度增大,流体微元间的质量交换作用减弱,到达微观混合均匀程度时间延长,由于反应时间确定,反应将在未达到分子尺度均匀混合之前结束,从而增大粘度将会使离集指数增大。