第2章-制药反应工程基础

1、1制药工程原理与设备制药工程原理与设备Principle and Equipment of Pharmaceutical E2第二章第二章 制药反应工程基础与设备制药反应工程基础与设备第一节第一节 药物化学合成反应工程基础药物化学合成反应工程基础1第二节第二节 生物反应工程基础生物反应工程基础2第三节第三节 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大344第四节第四节 生物反应器及放大生物反应器及放大3Do you know?v 药物的原药是通过药物的原药是通过化学反应化学反应合成、合成、生物生物（转化）合成或（转化）合成或从动植物组织器官中从动植物组织器官中提取分离提取分离过程获得的。

2、过程获得的。v 原料药的工业化原料药的工业化生产需要借助化学与生物合成生产需要借助化学与生物合成反应反应以及以及实现合成反应的实现合成反应的设备设备（反应器和与之配套的设备）和保证反（反应器和与之配套的设备）和保证反应向目标合成物及技术经济指标接近所需控制操作该设备的应向目标合成物及技术经济指标接近所需控制操作该设备的参数和方法参数和方法。v 一台搅拌釜，所用搅拌尺寸、功率都已给定，你会通过一台搅拌釜，所用搅拌尺寸、功率都已给定，你会通过计算说明或书本知识知道为什么？如何进行工程技术放大和计算说明或书本知识知道为什么？如何进行工程技术放大和车间工程工艺设计。车间工程工艺设计。 最重要的是进行反

3、应及提取设备的最重要的是进行反应及提取设备的放大设计与选型放大设计与选型。4Can you tell me?v对非均相反应合成过程所用设备，对非均相反应合成过程所用设备， （1）你认为应该是什么样的？）你认为应该是什么样的？ （2）你想知道是什么样的吗？）你想知道是什么样的吗？ （3）你知道为什么是这样的吗？）你知道为什么是这样的吗？ 凭经验和掌握的知识判断；凭经验和掌握的知识判断； 学习、进行测试；学习、进行测试； 设计方案、实验、对比，分析研究。设计方案、实验、对比，分析研究。52.1 药物化学合成反应工程基础药物化学合成反应工程基础 药物化学合成工业过程需要借助各种药物化学合成工业过程需

4、要借助各种反应器反应器来实现。反应器是一个复杂的系统，其中同时有来实现。反应器是一个复杂的系统，其中同时有传热、传质、扩散、摩擦传热、传质、扩散、摩擦等物理过程。等物理过程。 药物化学合成反应工程包括：药物化学合成反应工程包括： (1) 反应动力学；反应动力学； (2) 反应器的结构、设计、放大；反应器的结构、设计、放大； (3) 反应器优化；反应器优化； (4) 结构功能与结构功能与GMP要求一致。要求一致。62.1 药物化学合成反应工程基础药物化学合成反应工程基础2.1.1 药物化学合成工业的特点药物化学合成工业的特点 化学合成药物主要依赖化学合成药物主要依赖化学制药化学制药工业，药品直接

5、关系人工业，药品直接关系人民健康，化学制药工业是专业化程度较高的特殊行业。民健康，化学制药工业是专业化程度较高的特殊行业。（1）药物品种）药物品种多多，更新速度，更新速度快快；（2）生产技术）生产技术复杂复杂，工艺流程，工艺流程长长，生产成本，生产成本高高；（3）原辅材料）原辅材料多多；（4）质量要求）质量要求严格严格；GMP（5）产量不断扩大，质量）产量不断扩大，质量标准标准不断不断提高提高。7Review of Basic knowledge一、基本概念一、基本概念2.1.2 均相化学反应动力学均相化学反应动力学均相反应均相反应1.1.定义定义2.2.影响因素影响因素反应的各个物质均处于同

6、一相内进行的化学反应。反应的各个物质均处于同一相内进行的化学反应。温度温度催化剂催化剂反应物组成反应物组成压力压力8Review of Basic knowledge一、基本概念一、基本概念1. 化化学计量方程学计量方程 化学计量方程仅表示各个反应物与生成物在反应过程中化学计量方程仅表示各个反应物与生成物在反应过程中的变化关系的变化关系，方程本身与反应的方程本身与反应的实际历程无关实际历程无关，同时规同时规定各计量数之间不应含有除定各计量数之间不应含有除1 1以外的任何公因子。以外的任何公因子。02211ssAaAaAa01siiiAa2-12-2的计量数表示iiAa2.1.2 均相化学反应动

7、力学均相化学反应动力学92. 化化学反应速率学反应速率v 对于对于均相反应均相反应，常用，常用单位时间单位时间、单位反应容积单位反应容积内物质内物质量量的变化来定义该物质的的变化来定义该物质的反应速率反应速率RaSaBaAaRSBAVdtdnrAA/VdtdnrBB/VdtdnrRR/VdtdnrSS/SSRRBBAAarararar各物质的反应速率各物质的反应速率：2-32-42.1.2 均相化学反应动力学均相化学反应动力学103. 反应转化率和反应程反应转化率和反应程度度转化率：转化率：00KKKKKKnnxn组分 已反应掉的物质的量组分 的起始物质的量的物质的量为反应后的物质的量，为反应

8、前KK0KKnn00iiKKiKnnnnaa反应程度（反应进度）反应程度（反应进度）：2-52-62.1.2 均相化学反应动力学均相化学反应动力学物质的量的变化物质的量的变化与计量数比值与计量数比值114. 反应速率方程反应速率方程 表示反应表示反应速率速率与与浓度浓度等参数之间的关系，或表示等参数之间的关系，或表示浓度浓度等参等参数与数与时间时间关系的方程成为化学反应的关系的方程成为化学反应的速率方程。速率方程。bBaAAckcr RTEkkexp0)Kmol/(J3145. 8RRmol/ JE0为摩尔气体常数，；为反应的活化能，称为频率因子；k速率常数：速率常数：2-72-82.1.2

9、均相化学反应动力学均相化学反应动力学RaSaBaAaRSBA速率方程：速率方程：a,b,k,E等参数分别代表的含义？等参数分别代表的含义？12二、单一反应二、单一反应不可逆反应：不可逆反应：SaBaAaSkBAbBaASSABBAAckcaraararbBaAAAckcdtdcr0AAccbBaAAccdckt反应速率式反应速率式:对于等温恒容均相反应对于等温恒容均相反应:其积分式为：其积分式为：2-92-102-112.1.2 均相化学反应动力学均相化学反应动力学13可逆反应：可逆反应：CRCAkSAAAckkcdtdcrACAAckcdtdcr均相催化反应：均相催化反应：2-122-132

10、.1.2 均相化学反应动力学均相化学反应动力学二、单一反应二、单一反应反应速率式反应速率式:反应速率式反应速率式:14v平行反应平行反应v串联反应串联反应ABPRABSABPSR三、复合反应三、复合反应2.1.2 均相化学反应动力学均相化学反应动力学两个或更多独立的计量方程来描述的反应两个或更多独立的计量方程来描述的反应15三、复合反应（基本概念）三、复合反应（基本概念）收率收率p：生成的目的产物生成的目的产物P的摩尔数与反应掉的反应组份的的摩尔数与反应掉的反应组份的 摩尔数之比摩尔数之比AApppnnnn00得率得率Xp：生成的目标产物：生成的目标产物P的摩尔数与反应物的起始摩尔数之比的摩尔

11、数与反应物的起始摩尔数之比选择性选择性Sp：目的产物目的产物P所生成的摩尔数与某副产物所生成的摩尔数与某副产物S生成的生成的 摩尔数之比摩尔数之比 00APPPnnnX00SSPPPnnnnS2-142-152-162.1.2 均相化学反应动力学均相化学反应动力学16一、分批式操作一、分批式操作1. 定义定义：反应物料反应物料一次投入一次投入反应器中，在反应过程中不再投料，反应器中，在反应过程中不再投料，也不向外排出反应物，待反应达到要求的转化率后再也不向外排出反应物，待反应达到要求的转化率后再全部放全部放出出产物。产物。2.1.3 分批操作及釜式反应器分批操作及釜式反应器2. 釜式反应器釜式

12、反应器 组成：搅拌装置、轴封、搅拌罐组成：搅拌装置、轴封、搅拌罐3. 釜式反应器特点釜式反应器特点 非生产性操作时间长、非生产性操作时间长、 产物损失较大，产物损失较大， 控制费用较大。控制费用较大。 适于经济价值高批量小的产物，如药品和精细化工产品等适于经济价值高批量小的产物，如药品和精细化工产品等。17二、分批式操作釜式反应器物料衡算二、分批式操作釜式反应器物料衡算1. 非恒容过程非恒容过程 考虑体积考虑体积2.1.3 分批操作及釜式反应器分批操作及釜式反应器2. 恒容过程恒容过程 消去体积，计算浓度变化消去体积，计算浓度变化3. 恒温操作恒温操作 计算转化率和得率计算转化率和得率结合化工

13、原理知识结合化工原理知识自学计算方法自学计算方法18 制药工业是关系到人民身体健康的特殊行业，各种生产工制药工业是关系到人民身体健康的特殊行业，各种生产工艺要求不尽相同，是的设备需要在及其复杂的条件下运行，因艺要求不尽相同，是的设备需要在及其复杂的条件下运行，因此此合理选用材料是设计制药设备的主要环节合理选用材料是设计制药设备的主要环节。2.1.4 常用设备材料常用设备材料1. 铸铁铸铁：C%2%,具有良好的具有良好的铸造铸造性性、耐磨耐磨性性、减震减震性及性及切削切削加工性，有相当好的加工性，有相当好的耐腐蚀耐腐蚀性，且性，且成本低廉成本低廉。2. 碳钢：碳钢：C% 副反应级数副反应级数2

14、2，则反应，则反应物浓度物浓度C C高对主反应有利；高对主反应有利； 若若1 12 2，用间歇或平推流反应器，用间歇或平推流反应器 1 12 2，用连续全混流反应器，用连续全混流反应器123结合反应类型选择反应器结合反应类型选择反应器串联反应系统串联反应系统：当反应转化率一定时，反应物的停留时当反应转化率一定时，反应物的停留时间为一定值。间为一定值。 在连续全混流反应器中，反应物和产物的停留时间在连续全混流反应器中，反应物和产物的停留时间分布很宽，即反应物的停留时间可能比预定的停留时间分布很宽，即反应物的停留时间可能比预定的停留时间短，也可能比预定的停留时间长，反应选择性较低，短，也可能比预定

15、的停留时间长，反应选择性较低，对串联反应系统宜用对串联反应系统宜用间歇或活塞流反应器间歇或活塞流反应器 124聚合物常用其分子量分布和平均分子量来表征其性能。聚合物常用其分子量分布和平均分子量来表征其性能。分子量分布宽度取决于分子量分布宽度取决于聚合反应器是间歇反应器、活塞流反聚合反应器是间歇反应器、活塞流反应器还是连续全混流反应器。应器还是连续全混流反应器。1.1.没有终止或聚合物活性寿命比物料在反应器中的停留时没有终止或聚合物活性寿命比物料在反应器中的停留时间还长。间还长。 在在间歇间歇或活塞流反应器中，所有的分子有相同的停留时或活塞流反应器中，所有的分子有相同的停留时间，如果没有反应终止

16、的影响，间，如果没有反应终止的影响，分子链长度将近似相等分子链长度将近似相等，反，反应所得分子量分布较窄。应所得分子量分布较窄。 与此相反，由于与此相反，由于连续连续全混流反应器中分子停留时间分布全混流反应器中分子停留时间分布较宽，故所得聚合物的较宽，故所得聚合物的分子量分布也较宽分子量分布也较宽。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大1252.2.聚合物活性寿命比平均停留时间短。聚合物活性寿命比平均停留时间短。 当聚合反应属于自由基反应时，由于两个自由基可能结合使当聚合反应属于自由基反应时，由于两个自由基可能结合使聚合反应终止，这些活性自由基中心的寿命可能非常短。聚合反应终

17、止，这些活性自由基中心的寿命可能非常短。 链终止过程受自由基浓度的影响，而自由基浓度又受单体链终止过程受自由基浓度的影响，而自由基浓度又受单体浓度的影响。浓度的影响。 在在间歇或活塞间歇或活塞流反应器中，单体和自由基浓度降低。链长流反应器中，单体和自由基浓度降低。链长度随着停留时间的增加而增加，因而这两种反应器所得分子量度随着停留时间的增加而增加，因而这两种反应器所得分子量分布较宽分布较宽； 连续连续全混流反应器中单体的浓度是全混流反应器中单体的浓度是均匀均匀的，链终止速率为的，链终止速率为一定值。因而这种反应器所得聚合物分子量分布一定值。因而这种反应器所得聚合物分子量分布较窄较窄。由于聚。由

18、于聚合物活性寿命较短，停留时间变化的影响并不重要。合物活性寿命较短，停留时间变化的影响并不重要。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大1262.3.6 反应器的选择小结反应器的选择小结u1. 原料的利用率原料的利用率 在选择反应器时，常常过多地考虑原料的利用率，这样原料在选择反应器时，常常过多地考虑原料的利用率，这样原料成本就成为整个工艺中最重要的成本。成本就成为整个工艺中最重要的成本。 同样，不能有效地利用原料就可能产生废料造成环境污染。同样，不能有效地利用原料就可能产生废料造成环境污染。反应器以下列方式操作会造成原料利用率低：反应器以下列方式操作会造成原料利用率低： 如果

19、转化率低，未反应的原料难以如果转化率低，未反应的原料难以分离和循环分离和循环 对于生成的对于生成的副产物副产物，有时可以单独作为一种产品；有时可，有时可以单独作为一种产品；有时可以简单地作为燃料；有时则必须采用昂贵的废物处理工艺以简单地作为燃料；有时则必须采用昂贵的废物处理工艺 进料中的进料中的杂质杂质可能生成另外的副产物，最好在反应前净化可能生成另外的副产物，最好在反应前净化127u3.3.复杂反应复杂反应 对于对于平行平行反应，主反应和副反应的级数不同，选择转化率不同。反应，主反应和副反应的级数不同，选择转化率不同。对于对于串联串联反应，选择性随转化率的增加而降低。在此适于采用比反应，选择

20、性随转化率的增加而降低。在此适于采用比单一反应低的转化率，设定转化率为单一反应低的转化率，设定转化率为50或可逆反应的平衡转化或可逆反应的平衡转化率的率的50。 应该强调的是，这些反应器转化率初始设定值在后面的阶段应该强调的是，这些反应器转化率初始设定值在后面的阶段差不多肯定要改变。因为反应器转化率是一个差不多肯定要改变。因为反应器转化率是一个极其重要的最优化极其重要的最优化变量变量，当处理复杂反应时，对于所选择的转化率要使选择性达到，当处理复杂反应时，对于所选择的转化率要使选择性达到最大值，以此目的来选择反应器的类型、温度最大值，以此目的来选择反应器的类型、温度、压力和催化剂。、压力和催化剂

21、。u2.单单一反应一反应 对于不可逆单一反应的转化率和可逆反应的平衡转化率初始设定值为对于不可逆单一反应的转化率和可逆反应的平衡转化率初始设定值为95较较好。好。2.3.6 反应器的选择小结反应器的选择小结128129u4.传热传热 一旦选择了基本的反应器类型和条件，那么传热就可能成一旦选择了基本的反应器类型和条件，那么传热就可能成为另一个主要问题。上图概括了关于传热必须要做的基本决定。为另一个主要问题。上图概括了关于传热必须要做的基本决定。如果反应产物的冷却是由直接冷激实现的，则应避免过量。如果反应产物的冷却是由直接冷激实现的，则应避免过量。u5. 整个工艺过程中的反应器整个工艺过程中的反应

22、器 除了与反应性能、反应温度等因素之外，还有许多条件也能除了与反应性能、反应温度等因素之外，还有许多条件也能影响反应器的选择，例如影响反应器的选择，例如安全性、操作压力、原料的构成安全性、操作压力、原料的构成等都对等都对结果有显著的影响。结果有显著的影响。 在反应器设计中所做的决定通常是在整个流程设计中最重要在反应器设计中所做的决定通常是在整个流程设计中最重要的方面。的方面。反应器的设计通常与流程的其余部分密切关联反应器的设计通常与流程的其余部分密切关联。2.3.6 反应器的选择小结反应器的选择小结1302.3.7 反应器的放大反应器的放大方法主要有：方法主要有：u经验放大法经验放大法u因次分

23、析法因次分析法u恒圆周速度法恒圆周速度法u时间常数法时间常数法u数学模拟法数学模拟法2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大131u1.经验放大法经验放大法 依靠对已有装置的操作经验所建立起来的以认识为依靠对已有装置的操作经验所建立起来的以认识为主而进行的放大方法。主而进行的放大方法。 对于对于目前难以进行理论解析的领域目前难以进行理论解析的领域，还是用经验放，还是用经验放大法。例如，根据大法。例如，根据P/V、体积传质系数、圆周速度相等，、体积传质系数、圆周速度相等，以及生化反应器以及生化反应器PO2 、气体线速度、气体线速度ug相等。相等。2.3.7 反应器的放大反应器的放

24、大1322.几何相似放大几何相似放大 在反应器的放大中，放大在反应器的放大中，放大倍数倍数实际上就是指实际上就是指反应反应器体积所增加的倍数器体积所增加的倍数，即放大倍数，即放大倍数 m=V2 /V1 若要两者的几何相似，则应有：若要两者的几何相似，则应有：m=V2 /V1 =（ D2 /D1 ）3D2 /D1 =H2/ H1 = m1/3 若按几何相似放大法，当体积增加若按几何相似放大法，当体积增加10倍时，则其倍时，则其直径和高度均放大直径和高度均放大10 1/3倍倍2.3.7 反应器的放大反应器的放大1333.恒定等体积相似功率放大恒定等体积相似功率放大 以以单位反应体积单位反应体积（或

25、生化反应培养液体积、或天然药物（或生化反应培养液体积、或天然药物提取液体积提取液体积 ）所）所消耗的功率相等消耗的功率相等为基准进行放大，即为基准进行放大，即 P/VL=常数常数 对于搅拌，由于对于搅拌，由于Pn3d5 ， VL D3 d3 所以所以 P/VL n3 d2 n 2 = n 1 （d 1 / d 2 ）2/3 P2 = P 1 （d 2 / d 1 ）3 也就是说，放大后也就是说，放大后d增大，转速增大，转速n减小或消耗功率减小或消耗功率P增加。增加。2.3.7 反应器的放大反应器的放大134 对于耗气发酵，可以单位培养液体积所消耗对于耗气发酵，可以单位培养液体积所消耗的的通气功

26、率相等通气功率相等的原则进行放大：的原则进行放大： (Pg / VL ) 2 = (Pg / VL ) 1 Pg / VL n3.15d2.346 / ug 0.252 n2 = n1 (d1 / d2 )0.75 (ug2 / ug1 ) 0.08 Pg2 = Pg1 (d2 / d1 )2.75 (ug2 / ug1 ) 0.24Pn3d52.3.7 反应器的放大反应器的放大135放大过程中各参数的相互关系表放大过程中各参数的相互关系表放大判椐放大判椐符号符号 80L P/VL nndNRe 输入功率输入功率P1.01253125250.2单位体积功率单位体积功率P/VL1.01.0250

27、.20.0016搅拌转速搅拌转速n1.00.341.00.20.04搅拌桨直径搅拌桨直径d1.05.05.05.05.0桨泵入速率桨泵入速率F1.042.5125255.0单位体积泵入速率单位体积泵入速率F/VL1.00.341.00.20.04恒圆周速率恒圆周速率nd1.01.75.01.00.2搅拌搅拌NRend2/ 1.08.525.05.01.0用不同的放大方法，结果差异很大，对发酵罐还有环境因素用不同的放大方法，结果差异很大，对发酵罐还有环境因素136对于气液非均相反应（或耗氧发酵）对于气液非均相反应（或耗氧发酵）以单位反应液以单位反应液体积体积的的气体流量气体流量相同的原则进行放大

28、相同的原则进行放大方法一：单位液体体积在单位时间内通入的气量（标准状态）方法一：单位液体体积在单位时间内通入的气量（标准状态）表示表示 VVM=Q0/VL m 3/ m3min方法二：操作状态下气体的方法二：操作状态下气体的线速度线速度ug m /h 表示表示 pL的是液柱平均绝对压力，的是液柱平均绝对压力，Pa2.3.7 反应器的放大反应器的放大137当采用当采用(VVM) 2 = (VVM) 1进行放大时，进行放大时， ug (VVM) VL / pLD 2 (VVM) D / pL ug2 / ug1=D2 / D1 =pL1 / pL2当采用当采用ug2 = ug1进行放大时进行放大时

29、 (VVM) 2 / (VVM) 1 =pL2 D1 / pL1 D2 同样，用不同的放大方法，所得结果也是有差异的同样，用不同的放大方法，所得结果也是有差异的VL D3Q0对于气液非均相反应（或耗氧发酵）对于气液非均相反应（或耗氧发酵）2.3.7 反应器的放大反应器的放大138u4.4.因次分析法因次分析法 这种方法是根据相似论的原理，以保持无因次准数相等的这种方法是根据相似论的原理，以保持无因次准数相等的原则，又称模型相似法。原则，又称模型相似法。 模型设备与生产设备相似时，除几何尺寸相似外，还需要模型设备与生产设备相似时，除几何尺寸相似外，还需要求两系统中求两系统中相似准数相等相似准数相

30、等。 搅拌操作由于涉及的参数较多，在放大过程中除几何尺寸搅拌操作由于涉及的参数较多，在放大过程中除几何尺寸相似外，欲使所有的准数都相等是不可能的，因此，只能考虑相似外，欲使所有的准数都相等是不可能的，因此，只能考虑使主要的准数相等。使主要的准数相等。 2.3.7 反应器的放大反应器的放大139 对有生化反应参与的反应器，采用因次分析法放大是对有生化反应参与的反应器，采用因次分析法放大是极其困难极其困难的，甚至得出极不合理的结果。的，甚至得出极不合理的结果。 只有在某些特殊情况下，才有可能应用，如，纯粹是只有在某些特殊情况下，才有可能应用，如，纯粹是扩散扩散控制的过程，那就不必考虑反应的相似问题

31、。控制的过程，那就不必考虑反应的相似问题。 生化反应器的放大中，由于同时涉及微生物的生长、生化反应器的放大中，由于同时涉及微生物的生长、传质、传热和剪切等，需要维持的相似条件较多，要使其传质、传热和剪切等，需要维持的相似条件较多，要使其同时得到满足是同时得到满足是不大可能不大可能的。还是要根据自己已有的知识的。还是要根据自己已有的知识和经验进行判断。和经验进行判断。u4.4.因次分析法因次分析法2.3.7 反应器的放大反应器的放大140u5.恒圆周速度法恒圆周速度法 这种方法的这种方法的实质实质是使放大后是使放大后搅拌器的圆周速度搅拌器的圆周速度与中型装与中型装置的圆周速度保持一致。置的圆周速

32、度保持一致。 举例来说，设一直径为举例来说，设一直径为0.2m的涡轮搅拌器，在的涡轮搅拌器，在0.2m3的的反应器中以反应器中以600rpm的速度转动，今欲在的速度转动，今欲在20m3的生产设备中的生产设备中获得同样的搅拌效果，那它的搅拌器转速应该是多少获得同样的搅拌效果，那它的搅拌器转速应该是多少? 在解决这个问题之前，我们首先应该确定各种型式搅在解决这个问题之前，我们首先应该确定各种型式搅拌器可取的圆周速度。拌器可取的圆周速度。2.3.7 反应器的放大反应器的放大141142 上表列出了上表列出了涡轮式涡轮式搅拌器的转速随容器尺寸和所需的搅搅拌器的转速随容器尺寸和所需的搅拌强度而变化的情况

33、拌强度而变化的情况 从表中查得，从表中查得，20m3的设备，其搅拌直径约为的设备，其搅拌直径约为1.0m即为中即为中型装置时的型装置时的5倍。倍。 要使两种装置中的要使两种装置中的圆周速度圆周速度一致一致(nd = 600 0.2 =120 mmin)则生产装置的转速仅为中型装置的则生产装置的转速仅为中型装置的1/5，即，即120rpm。 至于框式搅拌器，至于框式搅拌器，桨式搅拌器及推进式搅拌器的圆周速桨式搅拌器及推进式搅拌器的圆周速度，则建议采用如下的数值：度，则建议采用如下的数值：2.3.7 反应器的放大反应器的放大1432.3.7 反应器的放大反应器的放大144所谓时间常数法是指某一变量

34、与其变化速率之比。所谓时间常数法是指某一变量与其变化速率之比。 ug (VVM) VL / pLD 2 混合时间混合时间 m=V/1.5nd 3 (搅拌反应器）搅拌反应器） 反应时间反应时间 r=C/r 扩散时间扩散时间 D=L2 /DZ 液体停留时间液体停留时间 L = V/F =L/u 气体停留时间气体停留时间 G= VG/F 传质时间传质时间 mt =1/kLa 细胞生长时间细胞生长时间 g= 1/ maxu 6.时间常数法时间常数法2.3.7 反应器的放大反应器的放大145有了这些时间常数，可进行比较判断。有了这些时间常数，可进行比较判断。 如：当混合时间如：当混合时间m 反应时间反应

35、时间r时，表示流体混合时，表示流体混合时间比反应所需时间长，此时，时间比反应所需时间长，此时，流体混合成为控制因素。流体混合成为控制因素。 在放大时，首先要保证流体混合达到要求。在放大时，首先要保证流体混合达到要求。 时间常数法，可用于找出某过程放大的时间常数法，可用于找出某过程放大的主要矛盾主要矛盾，并，并根据此来进行该反应器的放大。根据此来进行该反应器的放大。2.3.7 反应器的放大反应器的放大u 6.时间常数法时间常数法146 根据有关原理和必要的实验结果，对实际对象用数学的根据有关原理和必要的实验结果，对实际对象用数学的形式加以描述，然后，再用计算机进行模拟研究、设计和放形式加以描述，

36、然后，再用计算机进行模拟研究、设计和放大。所建立的数学方程称为大。所建立的数学方程称为数学模型数学模型。 由过程机理推导而得的由过程机理推导而得的“机理模型机理模型”，由经验数据归纳，由经验数据归纳而得的而得的“经验模型经验模型”，数学模型介于二者之间。，数学模型介于二者之间。 在工程上将在工程上将中型和中型和/ /或小型或小型试验所得的最佳操作试验所得的最佳操作条件条件及及搅拌器的化工工艺搅拌器的化工工艺参数参数，经过适当的计算处理，从而获得为，经过适当的计算处理，从而获得为工业化生产规模所需的搅拌装置的操作条件和数据，这一过工业化生产规模所需的搅拌装置的操作条件和数据，这一过程称为程称为放

37、大放大。 由于影响因素较多，即使在几何相似的场合下，也不由于影响因素较多，即使在几何相似的场合下，也不可能通过放大使所有的参数与中型试验装置完全一致。可能通过放大使所有的参数与中型试验装置完全一致。u7.数学模型法数学模型法2.3.7 反应器的放大反应器的放大147v搅拌器的结构与作用搅拌器的结构与作用 流体流动以及流体速度的涨落造成物料交换是反应、流体流动以及流体速度的涨落造成物料交换是反应、传热以及扩散的根本原因，传热以及扩散的根本原因，搅拌器搅拌器起作重要的作用。起作重要的作用。 搅拌器可促使流体产生搅拌器可促使流体产生圆周圆周运动（径向流，或称原运动（径向流，或称原生流），流体作轴向运

38、动的生流），流体作轴向运动的轴向轴向流（或称次生流），径流（或称次生流），径向流因挡板作用后产生向流因挡板作用后产生次生流次生流。 径向流的圆周运动对流体的混合与传质所起的作用径向流的圆周运动对流体的混合与传质所起的作用较小，而轴向流对其影响较大。较小，而轴向流对其影响较大。2.3.8 搅拌器的设计与功率计算搅拌器的设计与功率计算2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大1482.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大149常见搅拌桨及其结构形式常见搅拌桨及其结构形式1501512.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大152螺轴式搅拌螺轴式搅拌2.3

39、 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大1532.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大1542.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大155v2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大156157流体在搅拌容器中流型流体在搅拌容器中流型在搅拌容器中，流体的流动型式在搅拌容器中，流体的流动型式(流型流型) 可以分为：可以分为：层流、转换区层流、转换区(过渡区过渡区)、和湍流、和湍流在层流及湍流区域，流体的在层流及湍流区域，流体的速度分布是一个常数速度分布是一个常数，因此，因此在层流及湍流区域流体的在层流及湍流区域流体的流型是固定流型是固定的。

40、的。在在湍流湍流程度较高时，程度较高时，流型流型对于搅拌效果具有重要作用。对于搅拌效果具有重要作用。当搅拌雷诺数大于当搅拌雷诺数大于10000时，流体的流型属时，流体的流型属湍流湍流状态状态:D为搅拌器直径，为搅拌器直径，N为搅拌器转速，为搅拌器转速，、 分别为流体的密度和粘度分别为流体的密度和粘度158湍流向湍流向所有方向所有方向进行质量传递完成混合过程。进行质量传递完成混合过程。微观流动微观流动：湍流向各个方向发展，不仅使流动快的流：湍流向各个方向发展，不仅使流动快的流体微元进入流动慢的区域，同时速度低的流体微元也会体微元进入流动慢的区域，同时速度低的流体微元也会带入速度较高的区域。带入速

41、度较高的区域。宏观流动宏观流动：包括：包括径向径向流动和流动和轴向轴向流动，或者说，流体流动，或者说，流体分子或微元构成的主流的运动轨迹。分子或微元构成的主流的运动轨迹。 2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大流体在搅拌容器中流型流体在搅拌容器中流型159湍流在旋转的桨叶所造成的流股中产生湍流在旋转的桨叶所造成的流股中产生： 具有一定粘度的流体，流速不高时处于具有一定粘度的流体，流速不高时处于层流层流状态；状态；流速超过一定范围时，产生的速度梯度使流体发生变形，流速超过一定范围时，产生的速度梯度使流体发生变形，同时发生流速的涨落，这种涨落造成同时发生流速的涨落，这种涨落造成涡

42、流涡流，造成与，造成与主流主流方向交叉的质量传递及动量传递方向交叉的质量传递及动量传递，这种流动方式就是，这种流动方式就是湍湍流流。 在具有一定粘度的流体的流动中，只要存在着速度在具有一定粘度的流体的流动中，只要存在着速度梯度，则同时也存在着剪切应力。梯度，则同时也存在着剪切应力。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大流体在搅拌容器中流型流体在搅拌容器中流型160工艺过程对搅拌的要求工艺过程对搅拌的要求混合混合：通过搅拌作用，使比重、粘度不同的物料通过搅拌作用，使比重、粘度不同的物料混合均匀混合均匀。搅动搅动：通过搅拌使物料通过搅拌使物料强烈强烈流动，以提高传热及传质速率。流

43、动，以提高传热及传质速率。悬浮悬浮：通过搅拌作用，使原来在静止的液体中会沉降的固通过搅拌作用，使原来在静止的液体中会沉降的固颗粒或液滴颗粒或液滴悬浮悬浮在液体。在液体。分散分散：通过搅拌作用，使气体，液体或固体通过搅拌作用，使气体，液体或固体分散分散在液体质在液体质中，增大不同物相间的中，增大不同物相间的接触面积接触面积，加快传热和传质过程。，加快传热和传质过程。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大161 流体的宏观流动，对混合、搅动、悬浮都有很大作用。搅拌器流体的宏观流动，对混合、搅动、悬浮都有很大作用。搅拌器能使流体自下而上翻滚作循环流动，造成流体强制对流并作旋转运能使

44、流体自下而上翻滚作循环流动，造成流体强制对流并作旋转运动，从而产生混合及搅动作用，而流体运动产生的拉曳力则使其中动，从而产生混合及搅动作用，而流体运动产生的拉曳力则使其中的颗粒得以悬浮。的颗粒得以悬浮。 湍流的流股发生速度涨落，与相邻区域发生动量和质量的交湍流的流股发生速度涨落，与相邻区域发生动量和质量的交换，这就是混合搅动的过程。换，这就是混合搅动的过程。 剪切力剪切力主要造成主要造成分散分散的效果，浆叶顶端的圆击线速度对剪切的效果，浆叶顶端的圆击线速度对剪切力的影响很大。搅拌器的力的影响很大。搅拌器的循环流量循环流量（泵送量）与（泵送量）与ND3成正比，而剪成正比，而剪切力则与切力则与N2

45、D2有关。有关。 因此，对于主要要求达到因此，对于主要要求达到分散效果分散效果的过程来说，可以的过程来说，可以加大搅拌加大搅拌器转速器转速N减少桨叶直径减少桨叶直径D，以减少用于流体循环方面的，以减少用于流体循环方面的功率消耗功率消耗2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大162搅拌可能产生的漩涡及漩涡的消除搅拌可能产生的漩涡及漩涡的消除 在流体粘度较低，搅拌器转速较高的情况下，容易产生在流体粘度较低，搅拌器转速较高的情况下，容易产生漩漩涡流涡流，漩涡是离心力作用于旋转的液体所产生的漩涡是离心力作用于旋转的液体所产生的。 随着搅拌器转速的增加，漩涡可以到达叶轮的位置，将随着搅拌

46、器转速的增加，漩涡可以到达叶轮的位置，将大量带入空气，大量带入空气，使搅拌器的使搅拌器的功率消耗将显著下降功率消耗将显著下降，这是漩涡，这是漩涡使叶轮局部露出液面的一个现象。使叶轮局部露出液面的一个现象。 在漩涡存在时，轴向的循环速度常低于径向的循环速率，在漩涡存在时，轴向的循环速度常低于径向的循环速率，影响搅拌效果。影响搅拌效果。 值得注意的是，剧烈打旋的液体常引起值得注意的是，剧烈打旋的液体常引起往复冲动往复冲动的浪涛，的浪涛，结合漩涡的作用，对搅拌轴将造成起储存的结合漩涡的作用，对搅拌轴将造成起储存的冲击力冲击力。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大1631.1.消除

47、漩涡消除漩涡通常采取通常采取在容器内安装挡板在容器内安装挡板的办法：的办法： 使搅拌体系的流型处于使搅拌体系的流型处于湍流湍流区域，造成从底到顶的区域，造成从底到顶的大量循环，也不会产生漩涡，不致对搅拌轴形成往复的不大量循环，也不会产生漩涡，不致对搅拌轴形成往复的不平衡的作用力平衡的作用力漩涡的消除漩涡的消除164 2.将搅拌轴不安装在设备的中心线上，实行将搅拌轴不安装在设备的中心线上，实行偏心安装偏心安装，可能减小漩涡提高轴向循环速率。可能减小漩涡提高轴向循环速率。漩涡的消除漩涡的消除165 一般要求发酵罐流体在被搅拌时，应达到一般要求发酵罐流体在被搅拌时，应达到“全挡板条件全挡板条件”。所

48、谓全挡板条件所谓全挡板条件是指在搅拌罐中增加挡板或其他附件时，搅是指在搅拌罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而漩涡基本消失拌功率不再增加，而漩涡基本消失。 满足全挡板条件的挡板数及宽度，可按下式求出：满足全挡板条件的挡板数及宽度，可按下式求出：W挡板宽度、挡板宽度、D罐直径、罐直径、mb挡板数挡板数一般发酵罐中安装一般发酵罐中安装4块挡板块挡板挡板宽度（挡板宽度（1/81/12） D2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大1662.3.8.2 搅拌搅拌器的功率计算器的功率计算搅拌的轴功率搅拌的轴功率 人们在研究搅拌过程中发现搅拌与人们在研究搅拌过程中发现搅拌与Re准数

49、有关，在适用准数有关，在适用于搅拌的场合，于搅拌的场合， Re准数是以改变后的形式出现：准数是以改变后的形式出现： 从力学观点出发，借助数学解析法对搅拌器进行分析研从力学观点出发，借助数学解析法对搅拌器进行分析研究所得结果与因次分析的结果基本一致。究所得结果与因次分析的结果基本一致。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大167 取其中的取其中的dA面积来分析它在液体面积来分析它在液体中转动时所受的阻力：中转动时所受的阻力：dFdA截面转动时所受的力，截面转动时所受的力，N阻力系数阻力系数u微元桨叶的圆周速度，微元桨叶的圆周速度，m/s被搅拌液体的密度，被搅拌液体的密度，kg/

50、m32.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大2.3.8.2 搅拌搅拌器的功率计算器的功率计算168 要克服阻力要克服阻力dF使截面微元使截面微元dA移动移动距离距离l，必须做的功：，必须做的功： l dF 若微元若微元dA移动移动l共需耗共需耗时间，则时间，则消耗在此微元上的功率为：消耗在此微元上的功率为： dP=ldF/2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大2.3.8.2 搅拌搅拌器的功率计算器的功率计算169微元微元dA的线速度：的线速度：u=l/=2nx施于此微元的功率：施于此微元的功率： dP= ldF/= udF 又又 dA=hdx 只要确定系数只要

51、确定系数kN就能进行搅拌功率的计算，而就能进行搅拌功率的计算，而kN与搅拌的形式有关与搅拌的形式有关2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大170在湍流区，在湍流区，涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器的搅拌功率的搅拌功率:上式上式kN =N/1.355105 ,则则其中其中N是叶轮层数，是叶轮层数，P单位单位kW ，适用于低黏度牛顿流体。，适用于低黏度牛顿流体。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大2.3.8.2 搅拌搅拌器的功率计算器的功率计算171机械搅拌反应器机械搅拌反应器 搅拌器输出的搅拌器输出的轴功率轴功率P与反应器的直径与反应器的直径D、搅拌器的直径、搅拌器

52、的直径d、液柱的高度液柱的高度HL 、搅拌器的转速、搅拌器的转速n、液体的黏度、液体的黏度、密度、密度、重、重力加速度力加速度g以及搅拌器的形式和结构等。以及搅拌器的形式和结构等。 因为因为D、 HL 均与均与d之间有一定的之间有一定的比例关系比例关系，于是：，于是：P=f (n、d、g)2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大2.3.8.2 搅拌搅拌器的功率计算器的功率计算172应用因次分析及实验证明，对牛顿流体而言，有下列准数关系应用因次分析及实验证明，对牛顿流体而言，有下列准数关系全挡板、液面未见旋涡全挡板、液面未见旋涡, y=02.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选

53、择、设计与放大173 在搅拌过程中在搅拌过程中NRe大于大于10 4时，流体在湍流区，小于时，流体在湍流区，小于10为层为层流区，其转换区的范围较一般管道中的流体为宽。流区，其转换区的范围较一般管道中的流体为宽。 在在湍流湍流搅拌情况下，惯性力的作用超过粘性力，搅拌情况下，惯性力的作用超过粘性力，x=0 功功率准数率准数NP= K，即即 NP不随不随NRe而变化，而变化， NP= =K Pn3d5 P = K n3d5 在在层流层流区，粘性力起主要作用，惯性力忽略不计，区，粘性力起主要作用，惯性力忽略不计， x=-1 NP= K NRe -1 ，即即 Pn2d3 P = K n2d3 2.3

54、反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大174 通常，搅拌器大多在湍流状态下操作，故可用式通常，搅拌器大多在湍流状态下操作，故可用式P = K n3d5 = NP n3d5 来计算搅拌器的轴功率。来计算搅拌器的轴功率。 当当D/d=3、HL/d=3 、桨叶距釜底高度、桨叶距釜底高度B/d=1、挡板、挡板数为数为4的情况，的情况， NP可通过可通过NP NRe关系图读出：关系图读出：2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大1751761771782.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大179 不设挡板的快速搅拌下，对低黏度流体易漏斗状下陷的旋不设挡板的快速

55、搅拌下，对低黏度流体易漏斗状下陷的旋涡，在液面形成下陷漏斗状程度与涡，在液面形成下陷漏斗状程度与NRe，NFr有关：有关：2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大180181例题：例题：某推进式搅拌器，某推进式搅拌器，s/d=1，直径，直径d=0.3m，用以搅拌，用以搅拌=1.7210-3 Pas，=1.43 103 kg/m3 的液体，线速度取的液体，线速度取450m/min，试求取，试求取搅搅拌器的轴功率拌器的轴功率。解：解：搅拌线速度：搅拌线速度： u=nd n=u/d=450/( 0.3) 480rpm (8rps) NRe =nd3/=5.986 105 查图，对推进

56、式搅拌器全挡板场合，查图，对推进式搅拌器全挡板场合， NP =0.35 P= NP n3d5 =622.7 W 182对非牛顿流体，由于其黏度随搅拌转速不同而对非牛顿流体，由于其黏度随搅拌转速不同而变化，因此变化，因此:先要求出表观黏度与转速之间的关系，先要求出表观黏度与转速之间的关系，再依次确定再依次确定NRe 、NP 、P和和Pg。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大2.3.8.2 反应器的搅拌功率计算反应器的搅拌功率计算183 生物发酵时，通气将降低对搅拌器轴功率输出的要求，减生物发酵时，通气将降低对搅拌器轴功率输出的要求，减少程度与通气量存在一定的关系，为此，引入通

57、气准数少程度与通气量存在一定的关系，为此，引入通气准数Na=QG /nd3 。 若若Pg为通气搅拌功率，为通气搅拌功率， P0不通气搅拌功率，不通气搅拌功率， 当当Na 0.035 Pg / P0 =1-12.6 Na 当当Na 0.035 Pg / P0 =0.62-1.85 Na Brown提出提出 Pg / P0 =a exp(- b QG) a ,b 与气体速度和搅拌直径等有关与气体速度和搅拌直径等有关。2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大2.3.8.2 反应器的搅拌功率计算反应器的搅拌功率计算184自吸式气液反应器自吸式气液反应器立式圆筒容器高径比立式圆筒容器高径

58、比HT/DT=22.5;液柱高度与直径比液柱高度与直径比HL /DT=11.5 搅拌器搅拌器: 涡轮外径涡轮外径Di=DT/3 ，涡轮高度，涡轮高度h=Di /4 ，涡轮与反应器，涡轮与反应器底距离底距离y=Di ，吸气口径，吸气口径 =3Di /8 ，挡板宽度，挡板宽度B=DT/10不吸气时不吸气时搅拌功率搅拌功率: P0 = k n 3Di 5 P0- kg m/s， k叶轮搅拌功率常数叶轮搅拌功率常数,n 搅拌转速搅拌转速1/s， 液体重液体重度度kg /m32.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大185 吸气时搅拌功率吸气时搅拌功率PS = P0 e - 25.6Vs

59、PS - kg m/s，Vs反应器内气体线速度反应器内气体线速度 m/s配套电机功率以为准配套电机功率以为准PS为准，按传动机械效率的为准，按传动机械效率的0.85 计算计算 当当HL /DT=1.5时吸气量时吸气量 q(m 3 /s) =0.0628n Di 3 VS = q(0.785DT2) -1(273+t)273-1(1+P1.0110-5+HL(210.34)2.3 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大自吸式气液反应器自吸式气液反应器1862.4 生物反应器及放大生物反应器及放大生化反应器生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备。是利用生物催化剂进行生化反应的设备。

60、按照所使用的生物催化剂的不同按照所使用的生物催化剂的不同： 酶催化反应器酶催化反应器 细胞反应器细胞反应器根据反应器的操作方式：根据反应器的操作方式： 间歇操作（分批操作）反应器间歇操作（分批操作）反应器 连续操作反应器连续操作反应器 半间歇操作反应器半间歇操作反应器按反应器的结构：按反应器的结构： 釜式、管式、塔式、膜式釜式、管式、塔式、膜式按固相催化剂的运动状态按固相催化剂的运动状态： 填充床、流化床、生物转盘填充床、流化床、生物转盘187按反应体系的相态：按反应体系的相态： 均相、非均相均相、非均相根据反应器所需的能量的输入方式：根据反应器所需的能量的输入方式： 通过通过机械搅拌机械搅拌