[医药卫生]药厂反应设备--补充了解内容.ppt

药厂反应设备及车间工艺设计 药物生产工艺路线是化学制药工艺学研究的核心内容 药物的生产工艺实际上是各种化学单元反应与化工单元操作的有机组合和综合应用 化学单元反应与化工单元操作的关系 工艺过程 搅拌回流 环己烷 残留液 抽真空 蒸馏 回收环己烷 氯气 2 甲氧基萘 残余物 冷却20 回收制盐酸 干燥 氯化氢 过滤 收率98 5 固体 母液 一般合成原料药的生产过程为 原料 预处理 产品 产品分离及后处理 化学反应 中心环节对产品的收率和质量有决定性的影响 单元操作 物理过程 化学反应结果的好坏不仅与反应本身有关 而且也与反应所进行的场所及后处理过程有关 化学制药工艺与反应设备的关系 化学药品 合成工艺 反应设备 反应设备及车间工艺设计 化学制药反应设备 化学制药反应设备概述化学反应器的分类化学反应器基本理论间歇操作釜式反应器 化学制药反应设备概述 不同规模的化学反应装置 实验室的化学反应 基本不考虑传递的影响工业规模的化学反应 传递过程成为主要矛盾工业化学反应过程 具有一定反应特性的物料在具有一定传递特性的设备中进行化学变化的过程 反应好坏 收率高低取决于 1 反应本身的特性 一反 2 反应设备的特性 即传递过程特性 三传 工业反应过程 宏观反应过程 化学反应与物理变化过程的综合 涉及流体流动 传热 传质 处理整个反应工程的问题需要具备三个方面的知识 三传一反 a 化学反应的规律 反应动力学 b 传递过程的规律 质量 热量和动量的传递 c 上述两者的结合 放 吸 热量 反应器体积 L3传热量 反应器表面积 L2 传热的矛盾 从实验室到工业装置的过渡 实验室和理想间歇反应器 反应物C 均匀一致连续反应釜 各粒子反应时间长短不一 传质的矛盾 化学反应器的分类 化学反应器的分类 按物料的聚集状态分按反应器结构分按温度条件和传热方式分类按操作方式分 按物料的聚集状态分 g l相 如苯的烷基化g s相 如合成氨l l相 如已内酰胺缩合l s相 如离子交换g l s相 如焦油加氢精制 气相 如石油烃管式裂解炉液相 如乙酸丁酯的生产 均相 非均相 实质是按宏观动力学特性分类 相同聚集状态反应有相同的动力学规律 均相反应 反应速率主要考虑温度 浓度等因素 传质不是主要矛盾 非均相反应过程 反应速率除考虑温度 浓度等因素外还与相间传质速率有关 按物料的聚集状态分 a 釜式反应器 b 管式反应器 c 板式塔 d 填料塔 e 鼓泡塔 f 喷雾塔 g 固定床反应器 h 流化床反应器 实质是按传递过程的特征分类 相同结构反应器内物料具有相同流动 混和 传质 传热等特征 据反应器结构分 根据温度条件和传热方式分类 根据温度条件分 等温 非等温式反应器根据传热方式分绝热式 不与外界进行热交换外热式 由热载体供给或移走热量 间壁传热式 直接传热式 外循环传热式 蒸发传热式 靠挥发性反应物 产物 溶剂的蒸发移除热量 1 分批 或称间歇 式操作一次性加入反应物料 在一定条件下 经过一定的反应时间 达到所要求的转化率时 取出全部物料的生产过程 属非定态过程 反应器内参数随时间而变 按操作方式分 1 分批 或称间歇 式操作 通常采用釜式反应器 且反应过程中既无物料加入 又无物料输出 因此可视为恒容过程 由于药品的生产规模一般较小 且品种多 生产工艺复杂 而间歇反应器具有装置简单 操作方便 适应性强等优点 因此在制药工业有着广泛的应用 2 连续式操作向反应器中连续加入反应物料和取出产物的生产过程 属定态过程 反应器内参数不随时间而改变 工艺参数在设备的任何一点不随时间而改变 产品质量稳定 易于自动控制 适于大规模生产 3 半分批 或称半连续 式操作原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其余则为分批加入或卸出的操作 属于非定态过程 反应器内参数随时间而变 也随反应器内位置而变 联合操作 联合操作是连续操作和间歇操作的联合 比较灵活 有的药品生产的全流程是间歇操作 但个别步骤是连续的 在间歇过程和连续过程之间用中间储槽缓冲和衔接 如磺胺嘧啶的生产中 主要过程是间歇的 但乙烯基乙醚 EVE 和甲醇钠生产是连续的 化学反应器基本理论 反应器基本理论第一节理想反应器第二节等温等容过程的反应器容积第三节反应器型式及操作方式的选择 第一节理想反应器 理想模型 非理想模型 模型建立的基本方法及应用 理想气体状态方程 反应器选型 设计和优化 反应器中的流动状况影响反应结果 数学模型 流动模型 对实际过程的简化 反应器内流体流动类型 理想流动 非理想流动 全混流返混程度最大 中间流部分返混 平推流返混程度为零 理想反应器 间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器 连续流动反应器 理想流动反应器 操作方式 完全没有返混 返混极大 a b c 平推流反应器PistonFlowReactor PFR 活塞流模型或理想置换模型 假设 反应物料以稳定流量流入反应器 在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动 特点 物料粒子沿流动方向 轴向 不混合 在垂直于流向的任一截面上所有物性参数 T P C U 都是均匀的 所有出口物料粒子在反应器内的停留时间 相同 且等于物料粒子通过反应器所需的时间 全混流反应器ContinuedStirredTankReactor CSTR 连续搅拌槽式反应器或理想混合反应器 假设 反应物料以稳定流量流入反应器 在反应器中 刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合 特点 反应器内各点的物性参数 T C 相同 且分别与出口的T C相同 各物料粒子在反应器内的停留时间各不相同 有长有短 有一个最为分散的分布 间歇搅拌反应釜 理想反应器 非理想反应器 实际流动反应器 理想流动反应器 全混流反应器CSTR 平推流反应器PFR 反应器 由于理想反应器的计算比较简单 且工业生产中许多反应器又可近似按理想情况处理 故常以理想反应器的设计计算作为实际反应器的设计基础 基本的反应器型式 间歇操作搅拌釜连续操作搅拌釜连续操作管式反应器 特点 全部物料反应时间相同 物系参数 T C 随 而定 生产周期性进行 主要用于液相反应 液固相反应或气液鼓泡反应 优点 易于控制操作条件 便于清洗 适应性强缺点 生产量小 间歇操作搅拌釜BatchStirredTankReactor BSTR 连续操作搅拌釜 特点 搅拌充分 任一瞬间釜内各点的T C一致 出口物料T C状态与器内相同 物料连续进入 流出 达到稳态时 釜内反应物T C不随 而变 CA CA0 T只有一个值优点 生产量大缺点 达到相同x 所需的VR较大 连续操作管式反应器 特点 反应物料连续加入 流出 反应物沿流动方向前进 是L的函数 物系参数 TCP 随空间而变稳态时 器内任一空间处物系参数不随 而变优点 生产量大 反应器基本理论 第一节理想反应器第二节等温等容过程的反应器容积第三节反应器型式及操作方式的选择 连续釜式反应器 CSTR 的基础设计式 间歇釜式反应器和平推流反应器的基础设计式 三种理想反应器的基础设计式 第三节应器型式及操作方式的选择 依据 用同样数量的原料生产最多的产品 而且反应器的容积要小 分 1 简单反应2 复杂反应两种情况讨论 对简单反应 选择反应器型式的原则 1 零级反应 单台连续釜式反应器所需的有效容积与管式反应器的相同 但因釜式反应器存在装料系数 故实际容积有所增大 而间歇釜式反应器既存在装料系数 又存在辅助操作时间 故所需容积较大 可选用单个CSTR与PFR 2 反应级数越高 xA越高 单台连续釜式反应器所需的有效容积就越大 此时宜选用PFR 3 对热效应 HT很大的反应 从有利于传热的角度 宜采用管式反应器 但为了控温的方便 也可选用间歇釜和N个CSTR 4 采用多釜串联反应器时 容积效率随釜数的增大而增大 但增大的速度渐趋缓慢 因此 串联的釜数一般不超过4 5 对反应速度较慢 且要求转化率较高的液相反应 宜选用间歇釜式反应器 6 对反应速度较快的气相或液相反应 选用管式反应器 7 对反应级数较低 且要求的转化率不高的液相反应或自催化反应 宜采用单台连续釜式反应器 2 复杂反应 用几个动力学方程式来描述 反应产物有几种 目标 主产物多 即选择性好 平行反应 一个反应物 1 温度效应 提高温度对活化能高的反应有利降低温度对活化能低的反应有利 若E1 E2 则在较高温度下进行若E1 E2 则在较低温度下进行若E1 E2 温度变化对选择性无影响 哪些因素影响该值 2 浓度效应 平行反应 若n1 n2 较高反应物浓度对主反应有利 若n1 n2 较低反应物浓度对主反应有利 若n1 n2 反应物浓度对选择性无影响 平推流反应器 低的单程转化率 全混流反应器 加入稀释剂 反应后物料循环 平行反应两个反应物 间歇操作 n1 n2 m1 m2CA CB都高 n1 n2 m1 m2CA高 CB低 n1 n2 m1 m2CA CB都低 n1 n2 m1 m2CA CB都高 n1 n2 m1 m2CA CB都低 n1 n2 m1 m2CA高 CB低 连续流动操作 二 连串反应 一级反应 选择率 k1CA k2CL rL rM k2CL 一级连串反应 组分A 单调下降 产物L 先升后降 有极大值 产物M 单调上升 化学制药反应设备 化学制药反应设备概述化学反应器的分类化学反应器基本理论间歇操作釜式反应器 间歇操作釜式反应器 缺点 设备生产效率低生产量小生产辅助时间较长优点 结构简单 加工方便传质效率高 温度分布均匀便于控制和改变工艺条件操作灵活 便于更换品种 小批量生产化学药品的特点 间歇操作釜式反应器 可用来进行均相反应也可用于以液相为主的非均相反应 如非均相液相 液固相 气液相 气液固相等 在精细化工的生产中 几乎所有的单元操作都可以在釜式反应器中进行在化学药品的生产中 间歇操作釜式反应器占反应器的90 以上 间歇操作釜式反应器 第一节釜式反应器的基本结构第二节釜式反应器的搅拌器第三节搅拌釜式反应器的传热 釜式反应器的结构 釜式反应器的结构主要包括釜体搅拌装置轴封换热装置四大部分组成 1 釜式反应器的釜体结构 釜式反应器的壳体结构包括筒体 底 盖 或称封头 手孔或人孔 视镜及各种工艺接管口等 筒体 圆筒形 作用 主要用来提供容积 是完成介质的物理 化学反应的容器 筒体一般按外压容器考虑 原因 1 搅拌釜通常适用于低压或常压反应 2 筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源 壳体的材质 按壳体的材质反应釜主要分为钢制反应釜 铸铁反应釜及搪玻璃反应釜 最常见的钢制反应釜的材料为Q235A 或容器钢 碳素结构钢 由Q 数字 质量等级符号 脱氧方法符号组成 Q 后面的数字表示屈服点数值 单位是MPa 例如Q235表示屈服点 s 为235MPa的碳素结构钢 A表示质量等级 钢制反应釜的特点是制造工艺简单 造价费用较低 维护检修方便 使用范围广泛 因此 化工生产普遍采用 材料Q235A不耐酸性介质腐蚀常用的还有不锈钢材料制的反应釜 可以耐一般酸性介质 经过镜面抛光的不锈钢制反应釜还特别适用于高粘度体系聚合反应 铸铁反应釜在氯化 磺化 硝化 缩合 硫酸增浓等反应过程中使用较多 除以上几种较为常用的材料外 在某些条件下还必须根据反应物料的性质 在罐体的内壁内衬橡胶 搪玻璃 聚四氟乙烯等耐腐蚀材料 釜底和釜盖 平面形 结构简单 制造方便 适用于常压或压力不高时 碟形 应用较广 球形 适用于高压场合 椭圆形 应用最广 锥形 适用于反应后物料需要分层处理的场合 几种常见的的釜底和釜盖的形状 附属设备 手孔 人孔 安装和检修设备的内部构件 视镜 观察设备内部物料的反应情况 也作液面指示用安全装置 安全阀和爆破膜其它工艺接管 进料管 出料管 测温孔 测压孔等除出料管口外 其它工艺接口一般都开在顶盖上 2 釜式反应器的搅拌装置 釜式反应器的的搅拌装置主要由搅拌轴和搅拌电机组成搅拌浆的不同形式等内容在下一节详细介绍 搅拌反应器的轴封 静止的搅拌釜封头和转动的搅拌轴之间设有搅拌轴密封装置 简称轴封 以防止釜内物料泄漏 实验室一般采用磁力搅拌 密封问题相对简单轴封装置主要有填料密封和机械密封两种 1 填料密封特点 结构简单 安装方便 成本低 对轴磨损大 摩擦功耗大 需经常调解 2 机械密封特点 密封可靠 对轴无磨损 摩擦功耗小 使用寿命长 无需调整 结构复杂 成本高 釜式反应器的传热装置 换热装置是用来加热或冷却反应物料 使之符合工艺要求的温度条件的设备 其结构型式主要有夹套式 蛇管式 列管式 外部循环式等 也可用直接火焰或电感加热 釜式反应器的结构 釜式反应器的结构主要包括釜体搅拌装置轴封换热装置四大部分组成 釜式反应器的搅拌器 搅拌的作用和机理常用搅拌器的型式提高混合效果的措施搅拌器的选型 搅拌目的 使物料混和均匀 强化传热和传质 包括均相液体混合 液 液分散 气 液分散 固 液分散 结晶 固体溶解 强化传热等 搅拌液体的流动模型 液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的 流动模型 简称 流型 a 轴向流 b 径向流 c 切线流打漩现象 常用搅拌器的型式 结构和特点 在化学制药工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置 典型的机械搅拌装置包括1 搅拌器 包括旋转的轴和装在轴上的叶轮 2 辅助部件和附件 包括密封装置 减速箱 搅拌电机 支架 挡板和导流筒等 搅拌器是实现搅拌操作的主要部件 其主要的组成部分是叶轮 它随旋转轴运动将机械能施加给液体 并促使液体运动 常用搅拌器的型式 结构和特点 小直径高转速搅拌器 大直径低转速搅拌器 推进式搅拌器 螺带式搅拌器 浆式搅拌器 涡轮式搅拌器 锚式和框式搅拌器 适用于高粘度液体 适用于低粘度液体 1 螺旋浆式 推进式 搅拌器 由桨叶 键 轴环 竖轴所组成 桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造 螺旋浆式 推进式 搅拌器 推进式搅拌器搅拌时能使物料在反应釜内循环流动 所起作用以容积循环为主 剪切作用较小 上下翻腾效果良好 当需要有更大的流速时 反应釜内设有导流筒 推进式搅拌器直径约取反应釜内径Di的1 4 1 3 300 600r min 搅拌器的材料常用铸铁和铸钢 2 涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器 按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶 涡轮搅拌器速度较大 300 600r min 主要优点是当能量消耗不大时 搅拌效率较高 搅拌产生很强的径向流 造成强烈的漩涡运动和很大剪切力 可将液体微团破碎很细适用于 粘度小于50Pa s 中等粘度 液体和要求小尺寸均匀的搅拌过程 3 浆式搅拌器 特点 桨式搅拌器的转速较低 一般为20 80r min 桨叶不宜过长 当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶 旋转时使液体作切向运动 使液体作圆周运动轴向运动 形成总体循环流动 循环量大 湍动程度不大 径向搅动范围大桨式搅拌器适用于粘度小于2Pa s的流体和以宏观混合为目的的搅拌过程 也适用于纤维状和结晶状的溶解液 物料层很深时可在轴上装置数排桨叶 4 框式和锚式搅拌器 框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形 其结构比较坚固 搅动物料量大 如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时 通常称为锚式搅拌器 框式和锚式搅拌器 搅拌器直径与釜内径接近 间隙小 d D 0 95 0 98 b d 0 07 0 1 间隙15 40mm 低转速v 0 5 1 5m s剪切力小 搅动范围大 不会产生死区 适用于 高粘度液体 结晶或传热过程 可防止在釜壁成膜或沉积 常用于传热 晶析操作和高粘度液体 高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌 5 螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器 螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器 d D 0 9 0 98 b d 0 1 v 2m s常做成几条紧贴釜内壁 与釜壁的间隙很小 所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来 快速旋转时 搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来 慢速旋转时 有刮板的搅拌器能产生良好的热传导 螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低 通常不超过50r min 产生以上下循环流为主的流动主要用于高粘度液体的搅拌 常用搅拌器的型式 结构和特点 小直径高转速搅拌器 大直径低转速搅拌器 推进式搅拌器 螺带式搅拌器 浆式搅拌器 涡轮式搅拌器 锚式和框式搅拌器 适用于高粘度液体 适用于低粘度液体 搅拌的作用和机理常用搅拌器的型式提高混合效果的措施搅拌器的选型 提高混合效果的措施 消除打旋现象 1 打漩当被搅拌液料出现沿圆周做整体旋转运动时 这种流动状态叫打旋 2 打旋的危害 几乎不存在轴向混合 会出现分离现象 液面下凹 有效容积降低 当旋涡较深时 会发生从液体表面吸气现象 引起液体密度变化或机械振动 消除打旋现象的措施 加设挡板最好的挡板效果 加设4块0 1D宽的挡板2 加设导流筒3 偏心安装搅拌器 搅拌附件 搅拌附件 搅拌附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件 如挡板 导流筒等 1 挡板 目的是为了消除切线流和 打漩 一般为2 4块 导流筒 不同型式的搅拌器的导流筒安置方位不同螺旋桨搅拌器 导流筒套在叶轮外面涡轮式搅拌器 导流筒置于叶轮上方 目的是控制流型 加强轴向流 及提高混合效果 导流筒直径 0 7D 偏心安装搅拌器 搅拌的作用和机理常用搅拌器的型式提高混合效果的措施搅拌器的选型 搅拌器的选型 主要根据物料性质 搅拌目的及各种搅拌器的性能特征来进行 按物料粘度选型对于低粘度液体 应选用小直径 高转速搅拌器 如推进式 涡轮式 对于高粘度液体 就选用大直径 低转速搅拌器 如锚式 框式和桨式 按搅拌目的选型 1 对低粘度均相液体混合 主要考虑循环流量 各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列 推进式 涡轮式 桨式 2 对于非均相液 液分散过程 首先考虑剪切作用 同时要求有较大的循环流量 各种搅拌器的剪切作用按从大到小的顺序排列 涡轮式 推进式 桨式 1 低粘度均相液体的混合 如果混合时间没有严格要求 一般搅拌器都可采用 推进式的循环速率大且消耗动力少 最适合 浆式的转速低 消耗功率小 但混合效果不佳 涡轮式剪切作用强 但对该种混合物不太必要 且其动力消耗大 2 分散 非均相液体的混合 涡轮式搅拌器的剪切作用和循环速率最大 用于此类操作效果最好 特别是平直叶的剪切作用比折叶和弯叶的大 更为合适 在分散粘度较大的液体时 可采用弯叶涡轮以节省动力 3 固体悬浮 在低粘度液体内悬浮易沉降的固体颗粒时 应选用涡轮式搅拌器 其中开启涡轮式最好 如固液比重差小 不易沉降时 可用推进式 对固液比在50 以上或液体粘度高而固体不易沉降的 可采用浆式或锚式搅拌器 4 固体溶解 要求搅拌器兼有剪切作用和循环速率 所以涡轮式最合适 推进式可用于小容量的溶解过程 浆式需挡板提高循环能力 一般用于容易悬浮起来的溶解操作 5 气体吸收 最适宜型式为各种圆盘涡轮搅拌器 因其剪切作用强 圆盘下可存住一些气体 使气体分散更平稳 萘普生制备中2 甲氧基萘的氯代反应 6 传热 传热量小时可采用夹套釜加浆式搅拌器 中等传热可采用夹套釜加浆式搅拌器并加挡板 Re 3000 传热量很大时可用蛇管传热 采用推进式或涡轮式搅拌器 并加挡板 7 高粘度操作 液体粘度在0 1 1Pa s时可用锚式 无中间横梁 粘度在1 10Pa s时可用框式 有横梁 粘度越高 中间的竖 横梁越多 可用到10Pa s 粘度大于2Pa s以上的液体混合 可用螺带式搅拌器 直到500Pa s仍有效 8 结晶 结晶过程需控制晶粒的形状和大小 故通过实验选取确定 一般小直径高转速的搅拌器适用于微粒晶体 晶体形状不易一致 大直径低转速的搅拌器适用于颗粒要求较大的定形结晶 此时釜内不宜装挡板 传热设备 化学反应需在一定温度下进行 化学反应的收率 选择性 所需时间等都与反应温度有关 反应过程中大都有一定热效应 釜式反应器的传热 对于维持最佳反应条件 取得最好的反应效果非常重要 不良的传热不仅影响反应效果 有时甚至会引起爆炸等严重事故 k t k t k t k t 温度对反应速率影响的几种类型 一般反应 爆炸反应 反常反应 催化加氢或酶反应 夹套式 夹套的高度取决于传热面积 而传热面积由工艺要求确定 夹套高度一般应高于料液的高度 应比釜内液面高出50 100mm左右 以保证传热 夹套是套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器 既简单又方便 夹套上有传热介质的进出口 加热介质为水蒸气 则进口管在上端 冷凝液从底部排出 如果传热介质是液体 则进出口相反 夹套与釜体间距 25 100mm螺旋导流板 缩小夹套中流体的流通面积 避免短路 增强传热效果 增大传热膜系数 值 蛇管式 当工艺需要的传热面积大 单靠夹套传热不能满足要求时 或者是反应器内壁衬有橡胶 瓷砖等非金属材料时 可采用蛇管 插入套管 插入D形管等传热 蛇管浸没在物料中 热量损失少 且由于蛇管内传热介质流速高 它的给热系数比夹套大很多 对于含有固体颗粒的物料及粘稠的物料 容易引起物料堆积和挂料 影响传热效果 特点 热损失小 传热效果好 传热系数比夹套高60 缺点 不适宜含固体颗粒的物料和粘稠物料 列管式 对于大型反应釜 需高速传热时 可在釜内安装列管式换热器 回流冷凝式反应在沸腾下进行或蒸发量大的场合 给热系数高 外部循环式 当反应器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足工艺要求 或由于工艺的特殊要求无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺要求时 可以通过泵将反应器内的料液抽出 经过外部换热器换热后再循环回反应器内 冷 热源的选择 低温冷源的选择冷却用水 水的冷却效果好 最