制药反应设备-课件.ppt

1、制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件1第六章第六章 制药反应设备制药反应设备6.1.6.1.反应器基础反应器基础6.2.6.2.釜式反应器的工艺计算釜式反应器的工艺计算6.3.6.3.管式反应器的工艺计算管式反应器的工艺计算6.4.6.4.反应器形式和操作方式选择反应器形式和操作方式选择6.5.6.5.搅拌器搅拌器6.6.6.6.气固相催化反应器气固相催化反应器6.7.6.7.反应器中的混合及对反应的影响反应器中的混合及对反应的影响反应器的工作原理、工艺计算和选型反应器的工作原理、工艺计算和选型制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件26.16.1反应器基础反应器基础v反应是整个生产工艺过

2、程的核心，反应器是反应是整个生产工艺过程的核心，反应器是反应过程的核心设备。制药工程设计从反应反应过程的核心设备。制药工程设计从反应器开始，器开始，SmithSmith等人提出设计的洋葱模型。等人提出设计的洋葱模型。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件3v反应器使原料转化为反应器使原料转化为产品；产品；v分离循环分离原料产分离循环分离原料产品和副产品组成的混品和副产品组成的混合物；合物；v上两步设计决定设计上两步设计决定设计过程的冷、热负荷。过程的冷、热负荷。故进而作换热网络设故进而作换热网络设计计v过程热量回收不能满过程热量回收不能满足的冷、热负荷决定足的冷、热负荷决定公用工程用量，因而

3、公用工程用量，因而第四步是公用工程设第四步是公用工程设计。计。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件4v上循环对制药过上循环对制药过程设计也适用，程设计也适用，但产品精制、烘但产品精制、烘干和包装过程必干和包装过程必须满足须满足GMP,故故换热网络设计同换热网络设计同时，必须设计形时，必须设计形成环境净化的空成环境净化的空调系统。调系统。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件5v设计遵循洋葱模型，但极少有一次全过程设设计遵循洋葱模型，但极少有一次全过程设计即得成功的全过程设计的。多数情况下设计即得成功的全过程设计的。多数情况下设计顺序是双向的，因为做出内层设计决策的计顺序是双向的，因为做出

4、内层设计决策的依据是不完整的，当把较多的细节考虑至设依据是不完整的，当把较多的细节考虑至设计中时，外层会出现一个比较完整的设计轮计中时，外层会出现一个比较完整的设计轮廓，此时设计决策可能需要改变，因此必须廓，此时设计决策可能需要改变，因此必须返回内层，如此反复进行。返回内层，如此反复进行。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件6v6.1.16.1.1反应器类型反应器类型v反应器的类型很多，特点不一，可按不同的反应器的类型很多，特点不一，可按不同的方式进行分类。方式进行分类。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件71 1、按结构分类、按结构分类进料进料出料出料(a)釜式釜式进料进料出料出料(

5、b)管式管式液体液体气体气体气体气体液体液体(c)板式塔板式塔液体液体气体气体液体液体气体气体(d)填料塔填料塔制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件8液液体体气气体体液液体体气气体体(f)鼓泡塔鼓泡塔 液液体体气气体体液液体体气气体体(g)喷雾塔喷雾塔 气气体体或或液液体体气气体体或或液液体体(h)固定床固定床 气气体体或或液液体体气气体体或或液液体体(i)流化床流化床制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件92 2、反应器按相态分类、反应器按相态分类固固三三相相反反应应器器液液气气固固相相反反应应器器固固固固相相反反应应器器液液固固相相反反应应器器气气液液相相反反应应器器液液液液相相反反

6、应应器器气气非非均均相相反反应应器器液液相相反反应应器器气气相相反反应应器器均均相相反反应应器器 反应器反应器制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件103.3.按操作方式分类：按操作方式分类：v间歇式间歇式v半间歇式半间歇式v连续式反应器连续式反应器 v4.4.按操作温度分类按操作温度分类v等温和非等温反应器等温和非等温反应器 v5.5.按流动状况分类按流动状况分类v理想流动反应器和非理想流动反应器理想流动反应器和非理想流动反应器制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件116.1.26.1.2反应器操作方式反应器操作方式v1 1、间歇操作、间歇操作 v间歇操作的间歇操作的特点特点是将原料是将

7、原料一次一次加入反应器，加入反应器，达到规定的反应程度后卸出全部物料。然后达到规定的反应程度后卸出全部物料。然后进入下一个操作循环。进入下一个操作循环。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件12间歇釜式反应器及其浓度变化间歇釜式反应器及其浓度变化v间歇反应过程是间歇反应过程是非非稳态稳态过程，反应器过程，反应器内物料的组成内物料的组成随时随时间而变化间而变化。v器内反应物和产物器内反应物和产物的的浓度浓度随时间的变随时间的变化关系如图所示。化关系如图所示。AR CA00浓浓度度CRCA时时间间CRfCAf制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件13v对对不可逆不可逆反应，随着反应，随着的增加

8、，反应物的增加，反应物A A的浓的浓度将由开始时的度将由开始时的C CA0A0逐渐降至逐渐降至零零;v对对可逆反应可逆反应随随的增加而降至其的增加而降至其平衡平衡浓度；浓度；v对对单一反应单一反应A AR(R(产物产物)，R R的浓度随反应时的浓度随反应时间的增加而间的增加而增大增大；v连串反应连串反应A AR(R(产物产物)S S，产物，产物R R的浓度先随的浓度先随的增加而增大，达一的增加而增大，达一极大值极大值后又随后又随的增的增加而减小。加而减小。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件14釜式反应器釜式反应器v间歇操作常用釜间歇操作常用釜式反应器式反应器,可视为可视为恒容过程恒容过程

9、。气相气相反反应，应，V VR R为整个反应为整个反应器容积；器容积；液相液相反应，反应，V VR R为液体所占据的为液体所占据的空间。空间。v间歇反应器间歇反应器具有装具有装置简单、操作方置简单、操作方便、适应性强等便、适应性强等优点，在制药工优点，在制药工业中有着广泛的业中有着广泛的应用。应用。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件152 2、连续操作、连续操作v反应原料反应原料连续连续地输入反地输入反应器，反应产物也从反应器，反应产物也从反应器应器连续连续流出。流出。v连续操作多属于连续操作多属于稳态操稳态操作作，器内任一，器内任一位置位置上的上的反应物浓度、温度、压反应物浓度、温度、

10、压力、反应速度等力、反应速度等参数均参数均不随时间而变化不随时间而变化。v（1 1）管式反应器）管式反应器v多个化学反应，产物多个化学反应，产物R R的的浓度变化同间歇反应器。浓度变化同间歇反应器。C CRf CA0 CAf CR0 LCAf CRf CA0 CR0 CR*CA*L制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件16（2 2）全混流釜式反应器）全混流釜式反应器(CSTR)(CSTR)v器内器内各处浓度各处浓度相同且等于相同且等于出口浓度出口浓度，且不随时间而，且不随时间而变，变，制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件17 连续操作具有生产能力大、产品质量稳定、易实连续操作具有生产能力

11、大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化等优点，现机械化和自动化等优点，大规模大规模工业生产的反应器工业生产的反应器多采用连续操作多采用连续操作v3 3、半连续操作、半连续操作v原料或产物中有原料或产物中有一种一种或一种以上的为或一种以上的为连续连续输入或输输入或输出，而出，而其余其余的的(至少一种至少一种)为为分批分批加入或卸出的操作。加入或卸出的操作。v器内的物料组成既随器内的物料组成既随时间时间而变化而变化,又随又随位置位置而变化。而变化。v釜式、管式、塔式以及固定床反应器等都有采用半釜式、管式、塔式以及固定床反应器等都有采用半连续方式操作的。连续方式操作的。制药反应设备制药反应设备 pp

12、t课件课件186.1.36.1.3反应器计算基本方程式反应器计算基本方程式v反应器计算所应用的反应器计算所应用的基本方程式基本方程式:v反应动力学方程式反应动力学方程式v物料衡算式物料衡算式v热量衡算式。热量衡算式。v过程过程P P较大，并影响到较大，并影响到r rA A时，还要用时，还要用动量衡算式动量衡算式。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件191 1、反应动力学方程式、反应动力学方程式v对于对于均相反应均相反应反应速度可用单位时间、反应速度可用单位时间、单位体积的反应物料中某一单位体积的反应物料中某一组分摩尔数组分摩尔数的的变化量变化量来表示，来表示，ddnV1rARA反应物取反应

13、物取“-”,-”,产物取产物取“+”+”。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件20等容过程等容过程vA A为反应物，取负号。为反应物，取负号。ddCddnV1rAARA0AA0AAnnnx)x1(nnA0AAA0AAdxndnddxnV1ddnV1rA0ARARA对反应物对反应物A A制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件21等容过程等容过程0AA0A0AA0AACCCnnnx)x1(CCA0AAA0AAdxCdCddxCddCrA0AAA制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件22反应反应A AR R为为n n级不可逆反应，则反应动力学方程式为级不可逆反应，则反应动力学方程式为式中式中

14、k k反应速度常数，反应速度常数，kmolkmol1-n1-n m m3(n-1)3(n-1)h h-1-1；n n反应级数。反应级数。nAARAkCddnV1r制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件23气相反应气相反应v如果反应气体可视为如果反应气体可视为理想气体理想气体，则，则k kp p和和k k的关系为的关系为nApARApkddnV1rnp)RT(kk制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件24用不同组分表示化学反应速度，其值与相应化学用不同组分表示化学反应速度，其值与相应化学计量计量系数系数有关有关 v组分组分A A、B B、MM、NN表示的表示的反应速度反应速度与组分的化学与组

15、分的化学计计量系数量系数，有下列，有下列关系关系：nNmMbBaAnrmrbrarNMBA制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件252 2、物料衡算式、物料衡算式v对单一化学反应，列出对单一化学反应，列出一一反应物反应物的的物料衡算式物料衡算式，其其余余反应物和产物的量都可通过化学反应物和产物的量都可通过化学计量关系计量关系来确定。来确定。v由于反应器内参数随由于反应器内参数随或空间而变，或空间而变，r ri i也随之变化，也随之变化，故选取微元体积故选取微元体积dVdVR R和微元时间和微元时间d d 作为物料衡算的作为物料衡算的空间空间基准和基准和时间时间基准。基准。的积累量的消耗量的输

16、出量的输入量AAAA所定单元所定单元消耗消耗的反应物的反应物A A的量为的量为ddVrRA制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件263、热量衡算式热量衡算式在微元时间在微元时间d d 内对微元体积内对微元体积dVdVR R进行进行热量衡算热量衡算得得积累热量环境或载热体输入热量过程热效应物料带出热量物料带入热量物理物理变化热可变化热可忽略忽略时，热量衡算式变为时，热量衡算式变为积累热量环境或载热体输入热量化学变化热物料带出热量物料带入热量注意各项的符号!制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件27 在在d d 内，内，dVdVR R中因反应产生的中因反应产生的化学变化热化学变化热为为v反应器

17、计算即联立求解反应器计算即联立求解物料衡算式物料衡算式、热量衡热量衡算式算式和反应和反应动力学方程式动力学方程式。v等温过程等温过程，T T不随时间和空间而改变，故仅需不随时间和空间而改变，故仅需联立求解联立求解物料衡算式物料衡算式和反应和反应动力学方程式动力学方程式。v物料的流动混合状况影响反应器内的物料的流动混合状况影响反应器内的C C和和T T分分布，考虑流动布，考虑流动混合状况混合状况（理想反应器理想反应器，非理非理想流动反应器想流动反应器）。）。AtrRAHddVr制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件286.1.4 6.1.4 理想反应器理想反应器v理想反应器是指流体的流动处于理

18、想反应器是指流体的流动处于理想状况理想状况的反应器。的反应器。对于流体混合，有对于流体混合，有理想混合理想混合和和理想置换理想置换两种极端情两种极端情况。况。理想混合流型理想混合流型理想置换流型理想置换流型制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件291 1、理想混合反应器、理想混合反应器v理想混合理想混合的的特征特征是物料达到完全混合，浓度、温度是物料达到完全混合，浓度、温度和反应速度和反应速度处处相等处处相等。v生产中，搅拌良好的釜式反应器可近似看成理想混生产中，搅拌良好的釜式反应器可近似看成理想混合反应器。合反应器。v连续操作连续操作（CSTRCSTR）时，反应器内物料的组成和温度既时，反

19、应器内物料的组成和温度既与与位置无关位置无关，又，又不随时间而变不随时间而变，且与，且与出口出口的浓度和的浓度和温度温度相同相同。v半连续半连续或或间歇操作间歇操作（BSTRBSTR）时，反应器内物料的组时，反应器内物料的组成、温度等参数仅成、温度等参数仅随时间而变随时间而变，与位置无关。，与位置无关。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件302 2、理想置换反应器（、理想置换反应器（PFRPFR）v理想置换理想置换的的特征特征 在与流动方向垂直的在与流动方向垂直的截面截面上上，各点的流速和流向，各点的流速和流向完全相同完全相同，称为，称为“活活塞流塞流”或或“平推流平推流”。v在与流动方向

20、在与流动方向垂直垂直的截面上，流体的浓度和的截面上，流体的浓度和温度温度处处相等处处相等，不随时间而变不随时间而变；v而沿而沿流动方向流动方向，流体的浓度和温度不断改变。，流体的浓度和温度不断改变。所有的流体质点在反应器内的所有的流体质点在反应器内的停留时间相同停留时间相同。v生产中生产中,细长型的管式反应器可近似看成理想细长型的管式反应器可近似看成理想置换反应器。置换反应器。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件313 3、理想反应器内反应物及产物的浓度变化、理想反应器内反应物及产物的浓度变化CA0 CAf 浓浓度度 时间时间 CRf A RA R间歇釜式反应器间歇釜式反应器CA0 位置位

21、置 CAf CRf 浓浓度度 CA0 CRf CAf A RA R连续釜式反应器连续釜式反应器CA0CRf位位置置 CAf 浓浓度度 CA0 CAf CRf A A R R管式反应器管式反应器制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件326.26.2釜式反应器的工釜式反应器的工艺计算艺计算v6.2.1.6.2.1.釜式反应器的结构、釜式反应器的结构、特点及应用特点及应用v1 1、结构、结构v由釜体、上封头、搅拌器由釜体、上封头、搅拌器等部件而制成。等部件而制成。v罐体内壁可内衬耐腐蚀材罐体内壁可内衬耐腐蚀材料。料。v为控温，常设有夹套，内为控温，常设有夹套，内部也可安装蛇管。部也可安装蛇管。制药

22、反应设备制药反应设备 ppt课件课件33串联反应釜制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件342 2、特点及其应用、特点及其应用v釜式反应器结构简单、加工方便；釜式反应器结构简单、加工方便；v釜内设有釜内设有搅拌装置搅拌装置,釜外常设釜外常设传热夹套传热夹套,传质和传热传质和传热效率均较高效率均较高;v若搅拌良好若搅拌良好,可近似看成可近似看成理想混合理想混合反应器反应器,釜内浓釜内浓度、温度均一度、温度均一,化学反应速度处处相等化学反应速度处处相等;v间歇过程间歇过程所有物料具有相同的反应时间；所有物料具有相同的反应时间；v操作灵活操作灵活,适应性强适应性强,便于控制和改变反应条件便于控制和

23、改变反应条件,尤尤其适用于小批量、多品种、反应时间较长生产。其适用于小批量、多品种、反应时间较长生产。v缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定稳定v釜式反应器的技术参数已釜式反应器的技术参数已实现标准化实现标准化，搪玻璃釜式，搪玻璃釜式反应器的主要技术参数见反应器的主要技术参数见附录六附录六。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件356.2.26.2.2间歇釜式反应器的工艺计算间歇釜式反应器的工艺计算v1 1、反应时间的计算、反应时间的计算v搅拌良好可视为理想混合反应器搅拌良好可视为理想混合反应器(BSTRBSTR)，物料衡算，物料衡算有

24、下特点：有下特点：v(1)(1)由于反应器内浓度、温度均一，不随位置而变，由于反应器内浓度、温度均一，不随位置而变，故可对故可对整个整个反应器反应器有效容积有效容积(反应体积反应体积)进行物料衡进行物料衡算。算。v(2)(2)由于间歇操作，对反应物由于间歇操作，对反应物A AARAdndVr流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量00-A的反应量=A的积累量制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件36上式对上式对等温、非等温、等容等温、非等温、等容和和变容变容过程均适用。过程均适用。积分得积分得 RAA0AVrdxnd AARAAAAdxndVrdxndn00,AfxRAA

25、AVrdxn00则则制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件37等容过程等容过程v上式表明，达到一定上式表明，达到一定x xA A所需要的所需要的仅与反应物仅与反应物的的C CA0A0和化学和化学r rA A有关，而有关，而与物料的处理量无关与物料的处理量无关。v若能保证若能保证放大放大后的装置在搅拌和传热两方面均后的装置在搅拌和传热两方面均与提供试验数据的装置完全相同，就可实现高与提供试验数据的装置完全相同，就可实现高倍数的放大。倍数的放大。AfAAfAfCCAAxAAAxAARArdCrdxCrdxVn00000制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件38图解积分示意图图解积分示意图/cA

26、0rA-1xxAfxA0AAAfCCAAxAAArdCrdxC000rA-1CACA0CAf制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件39零级反应零级反应等温过程等温过程，k k为常数为常数AfxAAkdxC00krAkxCdxkCAfAxAAAf000制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件40一级反应，等温等容一级反应，等温等容过程过程v二级反应，等温等容二级反应，等温等容过程过程AfxAAxAAAAAAAAxkxdxkxkCdxCxkCkCrAfAf11ln1111100000AfAAfxAAAxAAAAAAAAxkCxxdxkCxkCdxCxkCkCrAfAf11111002002200

27、2202制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件412 2、反应器总容积的计算、反应器总容积的计算v（1 1）有效容积）有效容积v实际操作时间实际操作时间=反应时间反应时间()+)+辅助时间辅助时间 ()v反应体积反应体积V VR R是指反应物料在反应器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积 )(VVhR制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件42（2 2）总容积）总容积V VT T装料系数装料系数 一般一般为为0.40.40.850.85。不起泡、不沸腾不起泡、不沸腾的物料，的物料，可取可取0.70.70.850.85；起泡或沸腾的物料，起泡或沸腾的物料，可取可取0.40.40.60.

28、6。装料系数的选择还应考虑装料系数的选择还应考虑搅拌器搅拌器和和换热器换热器的体积。的体积。RTVV制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件43例例6 61 1在搅拌良好的间歇釜式反应器中，在搅拌良好的间歇釜式反应器中，用乙酸和丁用乙酸和丁醇生产醋酸丁酯，反应式为醇生产醋酸丁酯，反应式为v当丁醇过量时，反应动力学方程式为当丁醇过量时，反应动力学方程式为v式中式中C CA A为乙酸浓度，为乙酸浓度，kmolkmol m m-3-3。已知反应速度常数。已知反应速度常数k k为为1.04m1.04m3 3 kmolkmol-1-1 h h-1-1，投料摩尔比为乙酸：丁醇，投料摩尔比为乙酸：丁醇=1=

29、1：4.974.97，反应前后物料的密度为，反应前后物料的密度为750kg750kg m m-3-3，乙酸、丁，乙酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分别为醇及醋酸丁酯的分子量分别为6060、7474和和116116。若每。若每天生产天生产3000kg3000kg乙酸丁酯乙酸丁酯(不考虑分离过程损失不考虑分离过程损失)，乙，乙酸的转化率为酸的转化率为50%50%，每批辅助操作时间为，每批辅助操作时间为0.5h0.5h，装，装料系数料系数 为为0.70.7，试计算所需反应器的有效容积和总，试计算所需反应器的有效容积和总容积。容积。2AAkCrCH3COOH+C4H9OH浓 H2SO4100 COCH3CO

30、OC4H9+H2O制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件44解：解：(1)(1)计算反应时间计算反应时间 因为是二级反应，故因为是二级反应，故3075.197.417.717501mkmolCAh55.05.0175.104.15.0AfAAfxkCx107.7197.597.47497.5160iiMxM制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件45(2)(2)计算所需反应器的有效容积计算所需反应器的有效容积V VR R每天生产每天生产3000kg3000kg乙酸丁酯，则乙酸丁酯，则每小时每小时乙酸用量为乙酸用量为3329.15.055.023.123.17509209207497.4601

31、291291295.011624603000mVVhmVhkghkghRh反应器的有效容积：每小时处理原料体积：每小时处理总原料量：每小时乙酸用量：制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件46(3)(3)计算所需反应器的总容积计算所需反应器的总容积V VT Tv前已求得反应器的有效容积为前已求得反应器的有效容积为1.29m1.29m3 3则反应器的总容积则反应器的总容积84.17.029.1VVRTm3制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件473 3、反应器的台数、反应器的台数N N及单釜容积及单釜容积V VTSTS的确定的确定v (1)(1)已知已知V VTSTS，求，求N N v对于给定

32、的处理量，每天需操作的总批数为对于给定的处理量，每天需操作的总批数为 TSdRSdVVVV式中式中 V Vd d每天需处理的物料体积，每天需处理的物料体积，m m3 3 d d-1-1；V VRSRS单台反应器的有效容积单台反应器的有效容积,即装料容积即装料容积,m,m3 3。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件48每天每台反应器可操作的批数为每天每台反应器可操作的批数为v则完成给定生产任务所需的反应器台数为则完成给定生产任务所需的反应器台数为24TShTSdPV)(VV24)(VN生产能力后备系数生产能力后备系数 PNN一般一般 取值在取值在1.11.11.151.15较合适。较合适。制

33、药反应设备制药反应设备 ppt课件课件49(2)(2)已知已知N N，求，求V VTSTSv(3)N(3)N及及V VTSTS均为未知，求均为未知，求N N和和V VTSTSv先先假设假设V VTSTS（或（或N N），然后计），然后计算出算出N N或（或（V VTSTS）值。常）值。常先假设几个不同的先假设几个不同的N N值求出相应的反应釜容积值求出相应的反应釜容积V VTSTS，然后再根据工艺要求及厂房等具体情况，确定一组然后再根据工艺要求及厂房等具体情况，确定一组适宜的适宜的NN和和V VTSTS值作为值作为设计值设计值。N)(VN24)(VVhdTS制药反应设备制药反应设备 ppt课件

34、课件504 4、釜式反应器主要工艺尺寸的确定、釜式反应器主要工艺尺寸的确定v由工艺计算求出反应器的单釜容积由工艺计算求出反应器的单釜容积V VTSTS后，求出后，求出反应器反应器直径直径的的计算值计算值,按筒体规格按筒体规格圆整圆整后即得反后即得反应器直径的应器直径的设计值设计值。然后按。然后按H=1.2DH=1.2D求出反应器求出反应器的高度的高度H H，并检验装料系数是否合适。，并检验装料系数是否合适。v 壁厚可通过壁厚可通过强度强度计算确定，法兰、手孔、视镜计算确定，法兰、手孔、视镜等附件可根据工艺条件从相应的等附件可根据工艺条件从相应的标准标准中选取。中选取。制药反应设备制药反应设备

35、ppt课件课件51AArkCArk2AArkCAnArkC讨论讨论 ：理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式：理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式AACCk0kCCAA0AACCk0lnkAAeCC0011AACCkkCCCAAA001nAnACCnk10111AAxCk00AACkxAxk11lnkAex1AAAxxCk110kCkCxAAA001 kCnxnAnA101111制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件52k k增大增大(温度升高）温度升高）减少减少反应体积减小反应体积减小5 5、讨论：、讨论：（1 1）间歇反应器中的单反应）间歇反应器中的单反应2 2）反应浓度的

36、影响）反应浓度的影响1 1）k k的影的影响响零级反应零级反应与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应一级反应与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应二级反应与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比3 3）残余浓度）残余浓度零级反应残余浓度随零级反应残余浓度随直线下降直线下降一级反应残余浓度随一级反应残余浓度随逐渐下降逐渐下降二级反应残余浓度随二级反应残余浓度随慢慢下降慢慢下降反应后期的速度很小制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件53补充：补充：（2）复合反应复合反应：必须用两个以上的化学计量：必须用两个以上的化学计量式方能确定反应在反应时的变化关系式方能确定反应在反应时的变化关

37、系平行反应平行反应BARPSSRPBA串联反应串联反应平行平行+串联反应串联反应RBPPBA平行平行+串联反应串联反应APSR制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件54v例题在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应例题在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应hcQAhcPBAAA32Q3Pmkmol/5.0r 2mkmol/2r 反应开始时反应开始时A和和B的浓度均为的浓度均为2kmol/m3,目的产物为目的产物为P，初始浓度为零，试计算反应时间为，初始浓度为零，试计算反应时间为3h时时A的转化的转化率和率和P的收率。的收率。解：因为解：因为 2 5.0222r-22AAAAAQPccccrr制

38、药反应设备制药反应设备 ppt课件课件55v对于液相反应，可视为恒容系统由式（对于液相反应，可视为恒容系统由式（6-20)得得ACCCCAAAAACCAAxAAAxAARAdCCCCCdCrdCrdxCrdxVnAAAAAfAAfAf00021121200000022ln21AAAACCCC制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件56v代入CA0=2kmol/m3，=2h得：得：vCA=2.48210-3kmol/m3则则A的转化率为的转化率为9988.02002482.0200AAAACCCx仅知道仅知道A的转化率还不能确定的转化率还不能确定P的生成量，因为转的生成量，因为转化的化的A既可生

39、成既可生成P也可生成也可生成Q，由速率方程知：，由速率方程知：制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件57APAAAAAPCdCdCCCddCCddC2112,22分离变量得：分离变量得：APAAAAAPCdCdCCCddCCddC2112,22制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件58005.015.010AAAAPCCAACCAACPCdCCdCdC积分得：积分得：303838.1002482.05.0125.01ln25.015.01ln2mkmolCCCAAP得得P的收率的收率6919.011203838.100PAAPPPCCCy制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件59v实际上

40、等温操作是很难实现的，只有当反应物料中实际上等温操作是很难实现的，只有当反应物料中反应物浓度很小，反应速率很慢且反应热效应又不反应物浓度很小，反应速率很慢且反应热效应又不大的情况下才接近等温操作。而且大多数情况下大的情况下才接近等温操作。而且大多数情况下（除非热敏性的反应物料）也不必要求等温操作。（除非热敏性的反应物料）也不必要求等温操作。更多的情况是要求合理的温度序列最有利于反应的更多的情况是要求合理的温度序列最有利于反应的进行，或有利于改善反应的产物分布。进行，或有利于改善反应的产物分布。分析不同情况下怎样的温度分布对产物的选择性分析不同情况下怎样的温度分布对产物的选择性和收率有利？和收率

41、有利？如平行反应当主副反应活化能不同时控制如平行反应当主副反应活化能不同时控制怎样温度较好？怎样温度较好？串联反应，目的产物为中间产物，当主副反串联反应，目的产物为中间产物，当主副反应活化能不同时怎样控制温度分布？应活化能不同时怎样控制温度分布？制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件606、分批式操作的优化分析、分批式操作的优化分析v分批式操作的过程中随反应物转化率的提高，反应分批式操作的过程中随反应物转化率的提高，反应速率下降，反应效率下降，故存在什么转化率下停速率下降，反应效率下降，故存在什么转化率下停止反应最为有利的问题。可有两种目标来进行优化：止反应最为有利的问题。可有两种目标来进行

42、优化：（1）以反应器的平均生产速率）以反应器的平均生产速率YR为最大的优化为最大的优化(1)12000RRRRRCddCVddYVCY制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件61也可写成用转化率表示的形式，若有也可写成用转化率表示的形式，若有(2)0RRCddC则有,rRaA(4)23(3)0(C 000R00ddxCarddCarddCxCarCCaCrCaCCAAARAAAARRRAA）得）带入（制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件62v将式（将式（3）和（）和（4）代入（）代入（1）式得：）式得：00AARxddxddY得：令 1 00020000AAAAAAARxddxarVCxC

43、arddxCarVddY制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件63v分母项为产物分母项为产物R的质量，上式对的质量，上式对求导并令其等于求导并令其等于零即得：零即得：FRRCddC00（2）以生产费用最低为目标的优化）以生产费用最低为目标的优化 若以若以表示反应操作时的操作费用（元表示反应操作时的操作费用（元/h/h）；）；0为非生产性操作时的费用（元为非生产性操作时的费用（元/h）；）；F表示表示固定消费（元），则单位生产量的总费用为固定消费（元），则单位生产量的总费用为 RRFMVCTC00制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件646.2.3.6.2.3.连续釜连续釜式反应器的工艺计算

44、式反应器的工艺计算v搅拌良好的连续釜式反应器可视为搅拌良好的连续釜式反应器可视为理想混合反应器理想混合反应器(CSTRCSTR)。新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达。新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。到完全混合。v特点特点：所有空间位置的物料参数都等于：所有空间位置的物料参数都等于出口出口处的物处的物料性质，物料质点在反应器中的料性质，物料质点在反应器中的停留时间停留时间参差不齐，参差不齐，形成一个停留时间分布。形成一个停留时间分布。v连续釜式反应器的操作稳定时，釜内物料的温度和连续釜式反应器的操作稳定时，釜内物料的温度和组成不随时间而变化，属于组成不随时间而变化，属于稳态操作

45、稳态操作过程。过程。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件65反应器内浓度变化情况反应器内浓度变化情况CA,0CA,fCA0CA,0CA,fCA位置位置0制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件66v釜式反应器采用釜式反应器采用单釜连续操作单釜连续操作时，釜内时，釜内C CA A与与出口物料的出口物料的C CAfAf相同，相同，r rA A较慢，这是单釜连续较慢，这是单釜连续操作的操作的缺点缺点。v采用采用多釜串联多釜串联连续操作连续操作,代替一台有效容积代替一台有效容积为为V VR R的连续釜式反应器。平均的连续釜式反应器。平均r rA A较单釜的要较单釜的要快，若两者的快，若两者的有效容

46、积相同有效容积相同，多釜串联处理，多釜串联处理量增加量增加；若处理；若处理量相同量相同，则多釜串联总有效，则多釜串联总有效容积可以容积可以减小减小制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件67多釜串联操作反应器内的浓度变化多釜串联操作反应器内的浓度变化CACA2CA0CAfxposition32145CA*CA1CA3CA4制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件68v串联的釜数越多，各釜反应物浓度的变化就愈接近串联的釜数越多，各釜反应物浓度的变化就愈接近于理想管式反应器，当釜数为于理想管式反应器，当釜数为无穷多无穷多时，各釜反应时，各釜反应物浓度的变化与物浓度的变化与管式反应器管式反应器内的完

47、全内的完全相同相同。v但是，当串联的釜数超过某一极限后，因釜数增加但是，当串联的釜数超过某一极限后，因釜数增加而引起的设备投资和操作而引起的设备投资和操作费用费用的的增加增加，将超过因反，将超过因反应器容积减少而节省的费用。应器容积减少而节省的费用。v多釜串联连续操作时，釜数一般多釜串联连续操作时，釜数一般44台台。制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件69单釜连续操作用于自催化反应单釜连续操作用于自催化反应v间歇釜式反应器或管式反间歇釜式反应器或管式反应器进行应器进行自催化反应自催化反应时，时，C CA A要经历一个由大变小的过要经历一个由大变小的过程程,相应地相应地,r,rA A要经历一

48、个由要经历一个由小变大、再由大变小的过小变大、再由大变小的过程。采用单釜连续操作程。采用单釜连续操作,可可使釜内的使釜内的C CA A始终维持在始终维持在最最大大r rA A所对应的所对应的C CA A值值,从而可从而可大大提高反应器的生产能大大提高反应器的生产能力或力或减小减小反应器的反应器的容积容积。RAACkCrRACArACACAfCA0rAmax自催化反应的反应速度自催化反应的反应速度Ar1制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件701 1、单釜连续操作、单釜连续操作反应器内物料的反应器内物料的浓度浓度和和温度处处相等温度处处相等，且等，且等于反应器于反应器流出物料流出物料的浓度和温

49、度的浓度和温度。outTTF FA0 A0 ，V Vh h ，C CA0A0V Vh h ，C CA Af fC CAfAfV VR RF FAfAf=F=FA0A0(1-x(1-xAfAf)制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件71v物料衡算具有如下物料衡算具有如下特点特点：v(1)(1)反应器内反应器内温度均一温度均一，为，为等温等温反应器。故计算反反应器。故计算反应器应器容积容积时时,只需进行只需进行物料衡算物料衡算。v(2)(2)反应器内浓度均一，不随时间而变，故可对反反应器内浓度均一，不随时间而变，故可对反应器的应器的有效容积有效容积和和任意时间间隔任意时间间隔进行物料衡算。进行物

50、料衡算。v(3)(3)物料衡算式中的物料衡算式中的积累量为零积累量为零。v(4)(4)反应反应速度速度可按可按出口处出口处的浓度和温度计算。的浓度和温度计算。取取整个反应器整个反应器为衡算为衡算对象对象作物料衡算作物料衡算流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0制药反应设备制药反应设备 ppt课件课件72反应器内反应器内平均停留时间平均停留时间fAAfAhRrxCVV0fAAAfAhRrxxCVV)(00进口中已有进口中已有A反应反应AAfARRAAfARAAfAARAAfAAfAAfAAARAAfArxFVVrxFVrxFFVrFFxFFxFFVrFF000000000