1 Pharmaceutical Engineering6.1 反应应器基础础 6.2 釜式反应应器的工艺计艺计 算6.3 管式反应应器的工艺计艺计 算第6章 制药反应设备工艺计算2 Pharmaceutical Engineering6.1.1 反应应器类类型6.1.2 反应应器操作方式6.1.3 反应应器计计算基本方式 6.1.4 理想反应应器6.1 反应应器基础础3 Pharmaceutical Engineering1. 按结结构分类类2. 按相态态分类类 3. 按操作方式分类类4. 按操作温度分类类 5. 按流动动状况分类类6.1.1 反应应器类类型 4 Pharmaceutical Engineering(b) 管式 (a) 釜式 (d) 板式塔 (e) 填料塔 1.按结结构分类类 5 Pharmaceutical Engineering(f) 鼓泡塔 (g) 喷雾喷雾 塔 (h) 固定床 (i) 流化床 图图6-1 不同结结构型式的反应应器 1.按结结构分类类 6 Pharmaceutical Engineering图图6-2 反应应器按相态态分类类 反应器 2.按相态态分类类 7 Pharmaceutical Engineering3.按操作方式分类类：间间歇式、半间间歇式和连续连续 式反应应器 4.按操作温度分类类：等温和非等温反应应器 5.按流动动状况分类类：理想反应应器和非理想反应应器 8 Pharmaceutical Engineering1. 间间歇操作2.连续连续 操作3.半连续连续 操作6.1.2 反应应器操作方式 9 Pharmaceutical Engineering理想反应器是指流体的流动处于理想状况的反应器 。对于流体混合，有两种理想极限，即理想混合和理 想置换。 理想混合流型 理想置换流型 图6-5 反应器的两种理想流型 6.1.4 理想反应应器 10 Pharmaceutical Engineering理想混合的特征是物料达到完全混合，浓度、温度 和反应速度处处相等。工业生产中，搅拌良好的釜式 反应器可近似看成理想混合反应器。 理想混合釜式反应器可采用连续、半连续或间歇操 作方式。连续操作时，物料一进入反应器，就立即与反应器 内的物料完全混合。达到稳定状态时，反应器内物料 的组成和温度既与位置无关，又不随时间而变，且与 出口的浓度和温度相同。半连续或间歇操作时，反应器内物料的组成、温度 等参数仅随时间而变，与位置无关。 6.1.4 理想反应应器 11 Pharmaceutical Engineering理想置换的特征是在与流动方向垂直的截面上，各点的流速和流向完全相同，就象活塞平推一样，故又称“活塞流”或“平推流”。由于这种流动特征，在与流动方向垂直的截面上，流体的浓度和温度处处相等，不随时间而变；而沿流动方向，流体的浓度和温度不断改变。由于在流动方向上不存在流体混合，故所有的流体质点在反应器内的停留时间相同。工业生产中,细长型的管式反应器可近似看成理想置换反应 器。 6.1.4 理想反应应器 12 Pharmaceutical Engineering间间歇釜式反应应器 连续连续 釜式反应应器 管式反应应器 图图6-6 理想反应应器内反应应物及产产物的浓浓度变变化 6.1.4 理想反应应器 13 Pharmaceutical Engineering反应器计算所应用的基本方程式主要有反应动力学方程式、物料衡算式和热量衡算式。若反应过程有较大的压力降，并影响到化学反应速度时，还要应用动量衡算式。 6.1.3 反应应器计计算基本方程式14 Pharmaceutical Engineering对于均相反应，反应速度可用单位时间、单位体积 的反应物料中某一组分摩尔数的变化量来表示，即 (6-1) 式中rA以组分A表示的化学反应速度，kmolm-3s-1 或kmolm-3h-1； VR反应器的有效容积或反应体积，m3； nA组分A的摩尔数，mol或kmol； 反应时间，s或h。 1.反应动应动 力学方程式15 Pharmaceutical Engineering对于等容过程 (6-2) 式中 CA组分A的浓度，kmolm-3。 反应速度也可用转化率来表示。由式(4-6)可知， (6-3) 式中xA反应物A的转化率； nA0反应开始时反应物A的摩尔数，mol； nA某时刻反应物A的摩尔数，mol。1.反应动应动 力学方程式16 Pharmaceutical Engineering对于等容过程，式(6-3)可改写为为 (6-7) 则 (6-8) (6-9) (6-10) 1.反应动应动 力学方程式17 Pharmaceutical Engineering由于反应时各组分的摩尔数变化不一定相同，因此，用不同组分表示化学反应速度时，数值也不一定相同。如在反应 中，组分A、B的消耗速度与组分M、N的生成速度各不相同，但若将它们分别除以该组分的化学计量系数，则有下列关系 (6-14) 1.反应动应动 力学方程式18 Pharmaceutical Engineering化学反应速度与温度、压力和反应物浓度有关，反应速度与各影响因素之间的函数关系称为反应动力反应动力学方程式学方程式或反应速度方程式。如反应AR为为n级不可逆反应，则反应动力学方程式可写成 (6-11) 式中 k反应速度常数，kmol1-nm3(n-1)h-1或kmol1-nm3(n-1)h-1；n反应级数。 1.反应动应动 力学方程式反应器计算基本方程式v1.反应动力学方程式v2.物料衡算式20 Pharmaceutical Engineering在微元时间d内，在微元体积积dVR中，对反应物 A进行物料衡算得 (6-15) 反应物的消耗量取决于化学反应速度。在微元时 间d内，在微元体积dVR中因反应而消耗的反应物A 的量为 。 物料衡算式(6-15)给出了反应器内反应物浓度或转化率随位置或时间的变化关系。 2. 物料衡算式21 Pharmaceutical Engineering6.2.1 釜式反应应器的结结构、特点及应应用6.2.2 间间歇式反应应器的工艺计艺计 算6.2 釜式反应应器的工艺计艺计 算 22 Pharmaceutical Engineering釜体一般是由钢板卷焊而成的圆筒体，再焊上钢制标准釜底，并配上封头、搅拌器等零部件而制成。根据反应物料的性质，罐体的内壁可内衬橡胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蚀材料。为控制反应温度，罐体外壁常设有夹套，内部也可安装蛇管。标准釜底一般为椭圆形，根据工艺要求，也可采用平底、半球底或锥形底等。 6.2.1 釜式反应应器的结结构、特点及应应用23 Pharmaceutical Engineering根据釜盖与釜体连接方式的不同，搅拌釜式反应器可分为开式(法兰连接)和闭式(焊接)两大类。图6-7是典型的开式搅拌釜式反应器结构示意图。目前，釜式反应器的技术参数已实现标准化。 6.2.1 釜式反应应器的结结构、特点及应应用 图6-7 开式搅拌釜式反应器结构示意图 1-搅拌器；2-罐体；3-夹套；4-搅拌轴 5-压出管；6-支座；7-人孔；8-轴封；9-传动装置Pharmaceutical Engineering 6.2.1 釜式反应应器的结结构、特点及应应用 25 Pharmaceutical Engineering4. 釜式反应应器主要工艺艺尺寸的确定1. 反应时间应时间 的计计算2. 反应总应总 容积积的计计算 3. 釜式反应应器的台数及单单釜容积积的确定6.2.2 间间歇式反应应器的工艺计艺计 算 26 Pharmaceutical Engineering搅拌良好的间歇釜式反应器可视为理想混合反应 器，其物料衡算具有以下特点： (1) 由于反应应器内浓浓度、温度均一，不随位置而 变变，故可对对整个反应应器有效容积积(反应体积)进行 物料衡算。 (2) 由于间歇操作，式(6-15)中的输入量和输出量均为零，因而得到间歇釜式反应器的物料衡算 式为 (6-18)1. 反应时间应时间 的计计算27 Pharmaceutical Engineering(6-19) 即则 积分得 (6-20) 式中 xAf反应终止时反应物A的转化率。 1.反应时间应时间 的计计算28 Pharmaceutical Engineering在等容情况下，VR保持不变，故式(6-20)中的VR可 移至积分号外，则 (6-21) 上式表明，达到一定转转化率所需要的反应时间仅应时间仅 与反应应物的初始浓浓度和化学反应应速度有关，而与物 料的处处理量无关。因此，若能保证证放大后的装置在 搅搅拌和传热传热 两方面均与提供试验试验 数据的装置完全相 同，就可以简单简单 地计计算出大生产产装置的尺寸，实现实现 高倍数的放大。1.反应时间应时间 的计计算 29 Pharmaceutical Engineering对于零级反应，反应动力学方程式为 (6-22) 代入式(6-21)得 对对于等温过过程，k为常数，故 (6-23) 1.反应时间应时间 的计计算 30 Pharmaceutical Engineering对于一级反应，反应动力学方程式为 (6-24) 对对于等容过过程，将式(6-8)代入上式得 (6-25) 代入式(6-21)得 (6-26) 1.反应时间应时间 的计计算 31 Pharmaceutical Engineering类似地，将二级反应的反应动力学方程式 代入式(6-21)得 (6-27) 如果反应动应动 力学方程比较较复杂杂，往往不易求得解析解，此时时可采用图图解积积分法或数值积值积 分法求得近似解。 1.反应时间应时间 的计计算 32 Pharmaceutical Engineering釜式反应器间歇操作时，每处理一批物料都需要 一定的出料、清洗、加料等辅助操作时间,故处理一 定量物料所需要的有效体积不仅与反应时间有关,而 且与辅助操作时间有关。 (6-28) 式中VR反应器的有效容积或反应体积，即物料所 占有的体积，m3；Vh每小时所需处理的物料体积 ，m3h-1；达到规定转化率所需要的反应时间,h;辅助操作时间,s或h。 2. 反应应器总总容积积的计计算33 Pharmaceutical Engineering反应器总容积VT,考虑虑装料系数。 (6-29) 装料系数一般为0.40.85。对于不起泡、不沸腾的 物料，可取0.70.85；对于起泡或沸腾的物料，可 取0.40.6。2.反应应器总总容积积的计计算 34 Pharmaceutical Engineering在搅搅拌良好的间间歇釜式反应应器 当丁醇过过量时时，反应动应动 力学方程式为为 式中CA为为乙酸浓浓度，kmolm-3。已知反应速度常数k 为1.04m3kmol-1h-1，投料摩尔比为乙酸：丁醇=1： 4.97，反应前后物料的密度为750kgm-3，乙酸、丁醇