间歇式反应器(专业教育)课件.ppt
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1、第三章第三章 间歇式反应器间歇式反应器第一节第一节 概述概述一、反应器类型一、反应器类型 反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。原反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。原料在反应器内进行反应,通过分离等方法获得原料药,原料料在反应器内进行反应,通过分离等方法获得原料药,原料药经过一定的制剂工艺药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、干燥、压片、包衣、如混合、造粒、干燥、压片、包衣、包装等包装等)即成为出厂的药品。其中,反应是整个生产工艺过程即成为出厂的药品。其中,反应是整个生产工艺过程的核心,而反应器则是反应过程的核心设备。的核心,而反应器则是反应过程的核心设备。反应器的类型很多,
2、特点不一,为便于分析研究各种反反应器的类型很多,特点不一,为便于分析研究各种反应器的性能、基本原理和工艺设计等问题,需将反应器进行应器的性能、基本原理和工艺设计等问题,需将反应器进行科学的分类。常用的分类方法如下:科学的分类。常用的分类方法如下:按几何形状分按几何形状分1特备参考立式搅拌反应锅立式搅拌反应锅2特备参考管式反应器管式反应器3特备参考卧式反应器卧式反应器4特备参考塔式反应器塔式反应器5特备参考固定床反应器固定床反应器6特备参考流化反应器流化反应器喷射反应器喷射反应器泵式反应器泵式反应器7特备参考按传热方式分类按传热方式分类间壁传热间壁传热 特点:特点:反应物与传热剂通过间壁传热反应
3、物与传热剂通过间壁传热图图 适用场合:适用场合:反应物不能与传热剂直接接触,温度控制较反应物不能与传热剂直接接触,温度控制较严格。严格。控制温度的方法:控制温度的方法:传热剂的流量、温度和压力。传热剂的流量、温度和压力。如:如:夹套传热、蛇管传热、电热、列管传热等。夹套传热、蛇管传热、电热、列管传热等。8特备参考直接传热直接传热 特点:特点:反应物直接与传热剂接触反应物直接与传热剂接触图图 适用场合:适用场合:反应物允许接触传热剂,要求快速升反应物允许接触传热剂,要求快速升温或降温。温或降温。控制温度的方法:控制温度的方法:传热剂的用量及温度。传热剂的用量及温度。如:如:直接蒸汽加热、直接加水
4、冷却等。直接蒸汽加热、直接加水冷却等。9特备参考蒸发传热蒸发传热 特点:特点:靠蒸发性反应物或反应介质(如溶剂)靠蒸发性反应物或反应介质(如溶剂)的蒸发移除热量。的蒸发移除热量。适用场合:适用场合:在沸腾下进行的化学反应。在沸腾下进行的化学反应。控制温度的方法:控制温度的方法:沸点温度、气相压力。沸点温度、气相压力。如:如:通过回流冷凝器除热。通过回流冷凝器除热。10特备参考绝热型绝热型 特点:特点:靠进料的显热及反应热维持一定的温靠进料的显热及反应热维持一定的温度变化。度变化。适用场合:适用场合:反应热不太大的情况下,允许温反应热不太大的情况下,允许温度在一定范围变化的场合。度在一定范围变化
5、的场合。控制温度的方法:控制温度的方法:进料的温度、流速。进料的温度、流速。如:如:乙烯水合制乙醇的绝热固定床反应器。乙烯水合制乙醇的绝热固定床反应器。当反应器内部不能设置传热构件时,或需要当反应器内部不能设置传热构件时,或需要强化传热速率时,常常采用外循环传热方式,外部强化传热速率时,常常采用外循环传热方式,外部热交换器常用列管式或螺旋板式的。热交换器常用列管式或螺旋板式的。11特备参考均相:均相:无相间界面,反应速率仅与温度、浓度有关。无相间界面,反应速率仅与温度、浓度有关。气相气相管式管式 均液相均液相锅式、管式、喷射器型锅式、管式、喷射器型非均相:非均相:过程的速率与温度、浓度、相间传
6、质速率均有关。过程的速率与温度、浓度、相间传质速率均有关。气气-液相液相锅式、塔式、管式锅式、塔式、管式 液液-液相液相锅式、列管式锅式、列管式 气气-固相固相沸腾床、固定床、锅式沸腾床、固定床、锅式 液液-固相固相锅式锅式 气气-液液-固相固相锅式、塔式、流化床锅式、塔式、流化床 固固-半固相半固相球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式 按反应物相态分按反应物相态分12特备参考按操作方式分按操作方式分间歇操作(也称分批操作)反应器间歇操作(也称分批操作)反应器连续操作反应器连续操作反应器半连续操作(或称半间歇操作)反应器:半连续操作(或称半间歇操作)反应器:原料
7、与产物只要其中的一种为连续输入或输出,而其余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。则为分批加入或卸出的操作。a.常用反应器:常用反应器:锅式、塔式锅式、塔式b.操作特征:操作特征:半连续反应器中的反应物系组成必然随时间而半连续反应器中的反应物系组成必然随时间而改变,也随反应器内的位置而改变。改变,也随反应器内的位置而改变。c.适用场合:适用场合:改变连续流动物料的加料速度,可调节反应速率。改变连续流动物料的加料速度,可调节反应速率。13特备参考第三章第三章 间歇式反应器间歇式反应器 二、间歇式反应器间歇式反应器1.1.间歇操作:间歇操作:参与反应的物料一次性
8、投入反应器,反参与反应的物料一次性投入反应器,反 应完毕后产物又一次性卸出的操作过程应完毕后产物又一次性卸出的操作过程 (或称分批操作)。(或称分批操作)。间歇反应器:间歇反应器:用于间歇操作的反应器。用于间歇操作的反应器。2.2.操作特点:操作特点:反应器内的工艺参数(温度、压力、反反应器内的工艺参数(温度、压力、反 应物的应物的浓度等)随时间而变;操作过程的灵活性大,浓度等)随时间而变;操作过程的灵活性大,便于改变工艺条件和更换产品。便于改变工艺条件和更换产品。3.3.使用场合:使用场合:反应速率较慢,热效应较小,生产规模不大的反应速率较慢,热效应较小,生产规模不大的场合,以及多品种的生产
9、和工艺条件变化复场合,以及多品种的生产和工艺条件变化复杂的场合。在制药工业中应用较广。杂的场合。在制药工业中应用较广。14特备参考4.4.间歇式反应器的类型间歇式反应器的类型 从几何形式上看:常用锅式(釜式)反应器,也有用管从几何形式上看:常用锅式(釜式)反应器,也有用管式和塔式反应器的。式和塔式反应器的。从所处理物料的相态上来看,有:从所处理物料的相态上来看,有:保保证证质质量量传传递递对对非非均均相相反反应应物物料料必必须须要要尽尽量量扩扩大大相相接接触触面面积积固固相相固固相相液液液液相相液液液液相相气气非非均均相相反反应应器器:热热交交换换器器,以以提提高高物物料料扩扩散散和和液液相相
10、物物料料有有时时还还装装搅搅拌拌般般用用管管式式或或塔塔式式反反应应器器对对反反应应器器要要求求较较低低,一一相相或或均均液液相相均均相相反反应应器器:物物料料为为气气 15特备参考*对于气对于气液相反应器要采用能形成液膜或鼓泡的装置;液相反应器要采用能形成液膜或鼓泡的装置;液液液及液液及液固相反应器(甚至固相)要有搅拌装置;液固相反应器(甚至固相)要有搅拌装置;液固相反应常用塔式反应器,将固体物料做成固定床,使液体固相反应常用塔式反应器,将固体物料做成固定床,使液体物料通过床层,因此要装液体喷淋装置。物料通过床层,因此要装液体喷淋装置。如:混酸的硝化过程即是液如:混酸的硝化过程即是液液非均相
11、反应,硝化反应同时液非均相反应,硝化反应同时在两相内进行,但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大在两相内进行,但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大好几倍,好几倍,当相接触面小时,总反应速度会显著下降。当相接触面小时,总反应速度会显著下降。为了扩为了扩大流体两相间的接触面积,通常在反大流体两相间的接触面积,通常在反应器内装有高效搅拌器,在急剧应器内装有高效搅拌器,在急剧搅拌下,使液滴分散的很细,大搅拌下,使液滴分散的很细,大大增加两相间的接触面积,同时大增加两相间的接触面积,同时由于各相内所形成的湍流而强化由于各相内所形成的湍流而强化传质过程。传质过程。16特备参考 制药工业属于精细有机合成工
12、业,其产量小、规模一制药工业属于精细有机合成工业,其产量小、规模一般较小,因此大多采用间歇操作,所用反应器常为带搅拌装般较小,因此大多采用间歇操作,所用反应器常为带搅拌装置的锅式反应器(间歇式反应器)。置的锅式反应器(间歇式反应器)。5.5.典型搅拌反应锅的结构典型搅拌反应锅的结构 这类设备的化工零部件国内这类设备的化工零部件国内已标准化,可参见已标准化,可参见化工设备设计手化工设备设计手册册第一分册(材料与零部件)。第一分册(材料与零部件)。主要由以下部分组成:主要由以下部分组成:锅的主体锅的主体 轴密封装置轴密封装置换热装置换热装置 传动装置传动装置搅拌装置搅拌装置 工艺接管工艺接管17特
13、备参考锅式反应器的特点及应用锅式反应器的特点及应用 1、特点:结构简单、加工方便、传质效率好、温度分布结构简单、加工方便、传质效率好、温度分布均匀、便于控制和改变反应条件、操作上灵活性较大,适合均匀、便于控制和改变反应条件、操作上灵活性较大,适合于多品种、小批量生产。于多品种、小批量生产。2、应用:从反应物料看:从反应物料看:它能够适应于各种不同相态组合的反它能够适应于各种不同相态组合的反应物料。如:均液相、非均液相、液应物料。如:均液相、非均液相、液固相、气固相、气液相等液相等 从反应类型看:从反应类型看:它几乎适用于所有有机合成的单元操作。它几乎适用于所有有机合成的单元操作。如:氧化、还原
14、、硝化、磺化、卤化、缩合、聚合、烷化、如:氧化、还原、硝化、磺化、卤化、缩合、聚合、烷化、酰化、重氮化、偶合等。酰化、重氮化、偶合等。18特备参考3、缺点:设备生产效率低,间歇操作的辅助时间有时占设备生产效率低,间歇操作的辅助时间有时占的比例较大,特别是压热釜的操作,升温和降温所占的时间的比例较大,特别是压热釜的操作,升温和降温所占的时间长。若采用连续操作,由于返混效应,要求达到与间歇操作长。若采用连续操作,由于返混效应,要求达到与间歇操作相同转化率时,需要更大的反应体积。由于间歇操作劳动生相同转化率时,需要更大的反应体积。由于间歇操作劳动生产率低,大吨位产品常常需要多个反应锅同时操作。产率低
15、,大吨位产品常常需要多个反应锅同时操作。4、结构:典型搅拌反应锅由下面几部分组成典型搅拌反应锅由下面几部分组成 锅的主体、传热装置、搅拌装置、轴密封装置、传动锅的主体、传热装置、搅拌装置、轴密封装置、传动装置、工艺接管装置、工艺接管19特备参考第二节第二节 反应锅的物料衡算反应锅的物料衡算一、物料衡算的基本内容一、物料衡算的基本内容1.1.物料衡算的依据物料衡算的依据质量守恒定律质量守恒定律。物料衡算就是依据此定。物料衡算就是依据此定律定量地对生产工艺的各个间段作物料计算。律定量地对生产工艺的各个间段作物料计算。2.2.目的和意义:目的和意义:通过物料衡算可以得出原料、中间产物、成品、副产物及
16、通过物料衡算可以得出原料、中间产物、成品、副产物及废料的质量、容积和组成,以及每一生产步骤中的损失。废料的质量、容积和组成,以及每一生产步骤中的损失。可以帮助设计者正确选择生产过程的流程,考虑过程中原可以帮助设计者正确选择生产过程的流程,考虑过程中原料用量的多少以及生产的废料是否可利用等问题。料用量的多少以及生产的废料是否可利用等问题。可揭示实际生产中的物料浪费情况,以作为减少废料、提可揭示实际生产中的物料浪费情况,以作为减少废料、提高产品质量、降低消耗定额及选用回收设备等的有力依据、高产品质量、降低消耗定额及选用回收设备等的有力依据、核算生产过程中的经济效益。核算生产过程中的经济效益。为设备
17、的工艺计算及系统的热量衡算提供必要的条件。为设备的工艺计算及系统的热量衡算提供必要的条件。20特备参考3.3.物料衡算时应注意的问题物料衡算时应注意的问题计算基准计算基准 必须自始至终地选定一个固定不变的基准作为计必须自始至终地选定一个固定不变的基准作为计算的基础,通常是以单位时间内处理多少物料,或者是在单算的基础,通常是以单位时间内处理多少物料,或者是在单位时间内生成多少成品或半成品作为依据。位时间内生成多少成品或半成品作为依据。基准的选择是按具体情况而定的:基准的选择是按具体情况而定的:在大型的连续的设计计算中在大型的连续的设计计算中,先对设计提出生产任务,以,先对设计提出生产任务,以此折
18、算成每昼夜生产多少成品作为基准。此折算成每昼夜生产多少成品作为基准。在折算过程中可以在折算过程中可以采用年工作日为采用年工作日为300300天或天或330330天天(个别场合亦有以个别场合亦有以270270天计的天计的)。也可以每小时生产成品量或每小时消耗原料量作为计算基准。也可以每小时生产成品量或每小时消耗原料量作为计算基准。总之是总之是单位时间内所处理的物料量或单位时间内所生产单位时间内所处理的物料量或单位时间内所生产的产品量作为计算基准的产品量作为计算基准。即:即:kg/d kg/hkg/d kg/h 等等 21特备参考 天天原料投料量原料投料量天天产量产量年工作日年工作日年产量年产量总
19、总/间歇操作:间歇操作:除上述外,最常用除上述外,最常用“每批投料量每批投料量”或或“每批生产每批生产产品量产品量”作为计算基准。作为计算基准。即即 千克千克/批批 吨吨/批批 取每吨产物或原料作为计算基准,可直接求出原料消耗定额。取每吨产物或原料作为计算基准,可直接求出原料消耗定额。取每摩尔或每千摩尔的投料量作为计算基准。取每摩尔或每千摩尔的投料量作为计算基准。究竟如何选取计算基准,视计算方便而定。究竟如何选取计算基准,视计算方便而定。转化率、阶段收率和车间总收率转化率、阶段收率和车间总收率 在物料计算过程中,常用到这些名词及其数据。在物料计算过程中,常用到这些名词及其数据。转化率转化率指某
20、一物料所参加包括主反应和副反应在内的化学指某一物料所参加包括主反应和副反应在内的化学转化过程的百分率。以符号转化过程的百分率。以符号x xA A表示表示A A组分(物料)的转化率,组分(物料)的转化率,则:则:22特备参考 转化率反映出原料通过反应器后产生化学变化的程度,转化率反映出原料通过反应器后产生化学变化的程度,转化率增大说明产生化学变化的原料在总投料量中所占比例转化率增大说明产生化学变化的原料在总投料量中所占比例增大。增大。产率:产率:一般是指单程收率。是指主产物的实际收得量与按一般是指单程收率。是指主产物的实际收得量与按投入原料计算的理论产量之比值。用百分率或分率表示,并投入原料计算
21、的理论产量之比值。用百分率或分率表示,并用符号用符号表示产率。表示产率。组组分分的的量量投投入入反反应应器器中中组组分分的的量量反反应应消消耗耗AAxA原原料料的的投投入入量量原原料料量量反反应应掉掉的的AAxA或或%100产量产量按投入原料计算的理论按投入原料计算的理论目的产物实际得量目的产物实际得量23特备参考 单程收率(产率)单程收率(产率),反映出反应器的生产能力,反映出反应器的生产能力,这,这就可减少未反应原料的回收量,并减少动力(如水、电、汽就可减少未反应原料的回收量,并减少动力(如水、电、汽等)消耗,标志整个过程既经济又合理,所以等)消耗,标志整个过程既经济又合理,所以在生产中力
22、求在生产中力求达到最高的产率。达到最高的产率。%100某原料投入量某原料投入量原料量原料量由主产物量折算成的某由主产物量折算成的某反应器反应器不考虑不考虑或24特备参考总收率和成品产量及原料消耗关系如下:总收率和成品产量及原料消耗关系如下:%100原料消耗量原料消耗量成品产量折算为原料量成品产量折算为原料量总总 总收率总收率或或总收率与阶段收率之间的关系可用下式表示:总收率与阶段收率之间的关系可用下式表示:阶段收率:阶段收率:也称各个工段的收率。是指该阶段(工段)也称各个工段的收率。是指该阶段(工段)产品实际得量与理论得量的比例百分数。产品实际得量与理论得量的比例百分数。%100量量原料消耗量
23、折算为成品原料消耗量折算为成品成品产量成品产量总总%100投入物料量投入物料量量折算为投入物料量量折算为投入物料量阶段产品或半成品输出阶段产品或半成品输出阶段阶段n321总25特备参考 引起实际得量与理论得量差值的因素是原料的副反应、引起实际得量与理论得量差值的因素是原料的副反应、产物的进一步反应或分解,以及包括一切物理效应及机械漏产物的进一步反应或分解,以及包括一切物理效应及机械漏损在内的消耗。损在内的消耗。无论转化率或收率,一般是对主要物料而言,即转化率无论转化率或收率,一般是对主要物料而言,即转化率是指主要原料;收率是指主要产物。是指主要原料;收率是指主要产物。反应的选择性:反应的选择性
24、:是表示各种主、副反应产物中,主产物所是表示各种主、副反应产物中,主产物所占的百分率(或分率)。占的百分率(或分率)。100%反反应应掉掉的的某某原原料料量量料料量量(主主要要原原料料)由由主主产产物物量量折折算算成成某某原原26特备参考 选择性反映出反应系统中主反应所占的百分比。选择性反映出反应系统中主反应所占的百分比。一般要求一般要求选择性愈高愈好。因选择性差,副反应多,原料消耗量大,而选择性愈高愈好。因选择性差,副反应多,原料消耗量大,而目的产物的产量低。但不能单从选择性高的一方面去考虑,因目的产物的产量低。但不能单从选择性高的一方面去考虑,因选择性高,只能说明过程的副反应少,并不意味着
25、过程就一定选择性高,只能说明过程的副反应少,并不意味着过程就一定经济合理。例如,若通过反应器的原料只有很少一部分进行反经济合理。例如,若通过反应器的原料只有很少一部分进行反应,即使这部分反应掉的原料全部变成目的产物,其设备的利应,即使这部分反应掉的原料全部变成目的产物,其设备的利用率仍然很低,因此,用率仍然很低,因此,要确定合理的工艺参数,就必须对转化要确定合理的工艺参数,就必须对转化率和选择性这两个指标进行综合考虑,要在较高转化率的前提率和选择性这两个指标进行综合考虑,要在较高转化率的前提下考虑选择性。下考虑选择性。以上三者之中只有两个是独立的,当它们式中各量的单位以上三者之中只有两个是独立
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