《制药设备与工艺设计》第3章

1、1第第3章章 反应设备反应设备l3.1 机械搅拌反应器机械搅拌反应器l3.2 发酵设备发酵设备23.1 机械搅拌反应器机械搅拌反应器l反应设备的定义、应用反应设备的定义、应用l搅拌反应器的结构搅拌反应器的结构l搅拌器搅拌器l搅拌器附件搅拌器附件3反应设备的定义反应设备的定义l用来进行化学反应的装置，通常称为反应器。用来进行化学反应的装置，通常称为反应器。4反应设备的应用反应设备的应用l通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料混混合合均匀；均匀；l强化强化传热传热效果和相间传质；效果和相间传质；l使气体在液相中作均匀使气体在液相中作均匀分散分散；l使固体颗粒在

2、液相中均匀使固体颗粒在液相中均匀悬浮悬浮；l使不相容的另一液相均匀悬浮或充分使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化乳化。5l按结构型式分类，可分为：按结构型式分类，可分为：l釜式反应器釜式反应器l管式反应器管式反应器l塔式反应器塔式反应器l固定床反应器固定床反应器l流化床反应器流化床反应器 反应设备的类型反应设备的类型6l 釜式反应器釜式反应器 釜釜 式反应器也称槽式、锅式反应器。式反应器也称槽式、锅式反应器。l参与反应的物料一次投入，反应完成后，产物参与反应的物料一次投入，反应完成后，产物一次卸出的反应器。一次卸出的反应器。l特点：装置简单、互换性大，投资低等。特点：装置简单、互换性大，投资低

3、等。 管式反应器管式反应器 管式反应器主要用于气相、液相、管式反应器主要用于气相、液相、气气液相连续反应过程。液相连续反应过程。 反应设备的类型反应设备的类型7管式反应器结构示意图管式反应器结构示意图 8 鼓泡塔反应器结构示意图鼓泡塔反应器结构示意图11分布格板；分布格板；22夹套；夹套；33气体分布器；气体分布器；44塔体；塔体；55挡板；挡板；66塔外换热器；塔外换热器；77液体捕集器；液体捕集器；88扩大段扩大段塔式反应器塔式反应器9 固定床反应器固定床反应器 固定床反应器是指流体通过固定床反应器是指流体通过静止不静止不动的固体物料动的固体物料所形成的床层而进行化学反所形成的床层而进行化

4、学反应的设备。以气应的设备。以气- - 固反应的固定床反应器固反应的固定床反应器最常见。最常见。 流化床反应器流化床反应器 把反应器和在其中呈把反应器和在其中呈流态化的固体流态化的固体催化剂催化剂颗粒合在一起，成为流化床反应器。颗粒合在一起，成为流化床反应器。流化床反应器多用于气流化床反应器多用于气- - 固反应过程。固反应过程。 10机械搅拌反应器机械搅拌反应器l用于用于溶解、稀释溶解、稀释等多种传递过程；等多种传递过程；l化学反应化学反应过程。过程。11搅拌反应器的结构搅拌反应器的结构三大部分组成：三大部分组成：l搅拌装置搅拌装置l轴封轴封l搅拌罐搅拌罐传动装置传动装置搅拌轴搅拌轴搅拌器搅

5、拌器轴封轴封罐体罐体夹套夹套人孔人孔压出管压出管12夹套反应器罐体尺寸示意夹套反应器罐体尺寸示意 罐体尺寸确定罐体尺寸确定13罐体尺寸确定罐体尺寸确定 高径比高径比 确定罐体高径比的考虑因素确定罐体高径比的考虑因素 从减少从减少搅拌功率搅拌功率的角度考虑，高径比可取得的角度考虑，高径比可取得大一些大一些。 从从传热角度传热角度看，希望高径比可取得看，希望高径比可取得大一些大一些；当容积一定时，高径比大、罐体就高，盛料部当容积一定时，高径比大、罐体就高，盛料部分表面积大、传热面积也就大。分表面积大、传热面积也就大。 要考虑物料的状态，对要考虑物料的状态，对发酵类物料发酵类物料，为了使，为了使通入

6、罐内的空气与发酵物料充分接触，高径比通入罐内的空气与发酵物料充分接触，高径比应取得应取得大一些大一些。14 直径及高度确定直径及高度确定 装料系数装料系数 若物料在反应过程中产生泡们沫或呈沸腾状态，取装若物料在反应过程中产生泡们沫或呈沸腾状态，取装料系数料系数0.60.60.70.7； 若物料反应较平稳，则取装料系数若物料反应较平稳，则取装料系数0.80.80.850.85。 直径及高度确定直径及高度确定 1 1、在初步确定、在初步确定H/DiH/Di后，可先忽略封头的容积，近似后，可先忽略封头的容积，近似计算出罐体的容积计算出罐体的容积。15 得2、将上式计算的结果圆整为标准直径，再代入下式

7、中克计算出罐体的高度 V)(4432iiiDHDHD30)(4iDHiVD 20244ikikDVVDVVHV V0 0: :物料体积物料体积V Vk k: :封头体积封头体积16l反应釜的高径比反应釜的高径比 l 液液-固相、液液相固相、液液相 11.3 l一般搅拌罐一般搅拌罐 气液相气液相 12 l发酵罐类发酵罐类 发酵液发酵液 1.72.5 l在确定反应釜直径及高度时还应根据反应釜操在确定反应釜直径及高度时还应根据反应釜操作时所允许的装料程度一装料作时所允许的装料程度一装料17传热装置 夹套 可拆卸的夹套可拆卸的夹套 不可拆卸的夹套不可拆卸的夹套 18 蛇管蛇管结构蛇管结构 19工艺接管

8、 进料管 进料管结构进料管结构20 出料管下部出料管下部出料管 上部出料管上部出料管 21搅拌器搅拌器l搅拌器又称搅拌器又称搅拌桨搅拌桨或搅拌或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关叶轮，是搅拌反应器的关键部件键部件l功能是提供过程所需要的功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。能量和适宜的流动状态。22流型流型l搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成成高湍动的充分混合区高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动体在搅拌容器内循环流动l这种这种循环流动的途径循环流动的途径称为流型。称为流型。l流型

9、的影响因素流型的影响因素l搅拌器的形式搅拌器的形式l搅拌容器搅拌容器和和内构件几何特征内构件几何特征l流体性质流体性质l搅拌器转速搅拌器转速23三种基本流型三种基本流型l搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒的搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒的三种基本流型三种基本流型l径向流径向流l轴向流轴向流l切向流切向流24径向流径向流l流体的流动方向流体的流动方向垂直垂直于搅拌于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成壁面分成两股流体分别向上、两股流体分别向上、向下流动向下流动，再回到叶端，不，再回到叶端，不穿过叶片，形成穿过叶片，形成上、下两个上、下两个循环循环25轴向流轴向流l流体的流动方

10、向流体的流动方向平行平行于搅拌于搅拌轴，流体由叶桨推动，使流轴，流体由叶桨推动，使流体向下流动，遇到容器底面体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成再翻上，形成上下循环流上下循环流。26切向流切向流l无挡板的容器内，流体无挡板的容器内，流体绕轴绕轴作旋转运动作旋转运动，流速高时的液，流速高时的液体表面会形成体表面会形成漩涡漩涡，这种流，这种流型称为切向流型称为切向流l混合效果很差混合效果很差 27l三种流型同时存在三种流型同时存在l轴向流轴向流与与径向流径向流对混合起主要作用对混合起主要作用l切向流切向流应加以抑制应加以抑制l挡板挡板可削弱切向流可削弱切向流, 增强轴向流和径向流增强轴向流和径向流

11、 28搅拌器在容器内的安装方式搅拌器在容器内的安装方式l除中心安装的立式圆筒除中心安装的立式圆筒l不同方式安装的搅拌机产生的流型各不相同不同方式安装的搅拌机产生的流型各不相同29n按流体流动形态按流体流动形态n轴向流搅拌器轴向流搅拌器n径向流搅拌器径向流搅拌器n混合流搅拌器混合流搅拌器n按搅拌器结构按搅拌器结构n按搅拌的用途按搅拌的用途搅拌器分类搅拌器分类30按流体流动形态分类按流体流动形态分类31常用搅拌器及流型示意常用搅拌器及流型示意 l浆式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅浆式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，拌反应设备中应用最为广泛，l据统计约占搅拌器总数的据统计

12、约占搅拌器总数的7580。32按搅拌器结构分类按搅拌器结构分类l采用平叶和折叶的搅拌器采用平叶和折叶的搅拌器l桨式桨式l涡轮式涡轮式l框式框式l锚式锚式l采用螺旋面叶的搅拌器采用螺旋面叶的搅拌器l推进式推进式l螺杆式螺杆式l螺带式螺带式33 TY120三窄螺旋叶搅拌器TY130推进式搅拌器TY140四宽螺旋叶搅拌器 TY210型平直叶桨式搅拌器TY220斜叶桨式搅拌器TY240双折叶桨式搅拌器型式搅拌器型式34 TY250复合折叶桨式TY260椭圆叶桨式TY340三菱锥叶开启涡轮 TY410框式搅拌器特殊框式搅拌器TY520斜叶开启涡轮TY530平直叶开启涡轮35 TY610平直叶圆盘涡轮搅拌

13、器TY640弧叶圆盘涡轮TY650箭叶式圆盘涡轮 TY660抛物线圆盘涡轮TY715螺带螺杆搅拌器衬的搅拌器36n用于低黏流体的搅拌器用于低黏流体的搅拌器l推进式推进式l长薄叶螺旋桨式长薄叶螺旋桨式l圆盘涡轮式圆盘涡轮式l用于高黏流体的搅拌器用于高黏流体的搅拌器l锚式锚式l框式框式l螺旋桨式螺旋桨式l螺带式螺带式按搅拌用途分类按搅拌用途分类37l根据搅拌过程的特点和主要控制因素进行选型根据搅拌过程的特点和主要控制因素进行选型搅拌器选型搅拌器选型38l挡板挡板l导流筒导流筒l搅拌附件的作用搅拌附件的作用l改善反应器内流体的流动状态改善反应器内流体的流动状态l改变径向流改变径向流, 提高混合效果提

14、高混合效果l保护搅拌器保护搅拌器l减少剧烈旋转的液体结合漩涡作用对搅拌轴产生冲击作减少剧烈旋转的液体结合漩涡作用对搅拌轴产生冲击作用用 搅拌器附件搅拌器附件39l安装安装4块挡板，其宽度为容器直径的块挡板，其宽度为容器直径的1/121/10。l传热蛇管传热蛇管可代替挡板（可代替挡板（垂直换热管垂直换热管时可不再安装时可不再安装挡板）挡板）挡板挡板40l避免旋涡现象，增大被搅避免旋涡现象，增大被搅拌液体的拌液体的湍流程度湍流程度l切向流动变为切向流动变为轴向和径向轴向和径向流动流动，强化反应器内液体，强化反应器内液体的对流和扩散，改善搅拌的对流和扩散，改善搅拌效果。效果。 搅拌反应器的挡板结构搅

15、拌反应器的挡板结构挡板的作用挡板的作用41l上下开口圆筒上下开口圆筒，安装于容器内，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作在搅拌混合中起导流作l导流筒的直径约为容器直径的导流筒的直径约为容器直径的70%l涡轮式或桨式搅拌器涡轮式或桨式搅拌器，导流筒，导流筒置于桨叶的上方置于桨叶的上方l推进式搅拌器推进式搅拌器，导流筒套在桨，导流筒套在桨叶外面叶外面导流筒导流筒42l机械搅拌反应器的传动装置机械搅拌反应器的传动装置l1电动机；电动机；l2减速器；减速器；l3联轴器；联轴器；l4机座；机座； l5轴封装置；轴封装置；l6底座；底座；l7封头；封头；l8搅拌轴；搅拌轴；传动装置传动装置433.2 发酵设

16、备发酵设备443.2 发酵设备发酵设备l发酵的操作过程发酵的操作过程l发酵罐的设计要求发酵罐的设计要求l常用发酵罐常用发酵罐l机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐l自吸式发酵罐自吸式发酵罐l气升式发酵罐气升式发酵罐l塔式发酵罐塔式发酵罐45什么是发酵什么是发酵l生物化学生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵酵l微生物生理学微生物生理学：有机物被生物体氧化降解：有机物被生物体氧化降解成氧化产物并释放能量的过程成氧化产物并释放能量的过程l工业生产工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为命活动而实现的工业生产均称为“发酵发酵

17、”l发酵的菌种发酵的菌种微生物，包括细菌、病毒、真菌微生物，包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体群体46什么是酵母什么是酵母l一种单细胞一种单细胞真菌真菌,在在有氧和无氧环境有氧和无氧环境下都能下都能生存生存,属于兼性厌氧菌属于兼性厌氧菌l有氧气有氧气的环境中，酵母菌将葡萄糖转化为的环境中，酵母菌将葡萄糖转化为水和二氧化碳水和二氧化碳l无氧无氧的条件下，将葡萄糖分解为二氧化碳的条件下，将葡萄糖分解为二氧化碳和和酒精酒精lC6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (放出能量放出能量:118 kJ/mol) l

18、酿酒酿酒过程中，乙醇被保留下来过程中，乙醇被保留下来l烤面包或蒸馒头烤面包或蒸馒头的过程中，二氧化碳将面团发的过程中，二氧化碳将面团发起，而酒精则挥发起，而酒精则挥发47发酵罐的操作和设计要求发酵罐的操作和设计要求l气气-液接触液接触l浓度的在线检测浓度的在线检测l混合混合l传热传热l泡沫控制泡沫控制l营养物或控制营养物或控制pH用用的试剂的加入的试剂的加入结构可靠结构可靠良好的良好的气液接触和液固气液接触和液固混合混合性能性能减少减少机械搅拌机械搅拌和通气所消耗的动和通气所消耗的动力力良好的良好的传热传热性能性能设置有效的设置有效的消泡沫装置消泡沫装置必要和可靠的必要和可靠的监测及控制仪表监

19、测及控制仪表48间歇发酵罐间歇发酵罐49发酵罐的设计要求发酵罐的设计要求50发酵罐型式发酵罐型式l按按搅拌和通气的能量输入方式搅拌和通气的能量输入方式可分为可分为l机械搅拌式机械搅拌式l外部液体循环式外部液体循环式l空气喷射提升式空气喷射提升式51机械搅拌式机械搅拌式52外部液体循环式外部液体循环式53空气喷射提升式空气喷射提升式54常用发酵罐常用发酵罐l机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐n自吸式发酵罐自吸式发酵罐n气升式发酵罐气升式发酵罐n塔式发酵罐塔式发酵罐55机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐l机械搅拌机械搅拌l压缩空气通气装置压缩空气通气装置56机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐l主要组成部

20、件主要组成部件l罐体罐体-1l搅拌装置搅拌装置-2l传热装置传热装置-4l通气装置通气装置-7l传动机构传动机构-657罐体罐体l组成组成 l圆筒形筒身圆筒形筒身l上下两个椭圆形封头上下两个椭圆形封头l几何尺寸比例几何尺寸比例lH/D=1.73；d/D=1/21/3lW/D=1/81/12；B/D=0.81ls/d=1.52.5 (2); s/d=12 (3)l发酵罐的发酵罐的公称容积公称容积V0为筒身部分容积为筒身部分容积Vc和和底封头容积底封头容积Vb之和，即之和，即V0=Vc+Vbl实际装料量实际装料量 lV=0V0;l0是装料系数，是装料系数，0.70.8 lV= （0.70.8）V0

21、58罐体罐体l接管和接口接管和接口 l冷却水、给排气、取样、放料、接种、消泡冷却水、给排气、取样、放料、接种、消泡剂、酸、碱等工艺接管剂、酸、碱等工艺接管l视镜、仪表等接口视镜、仪表等接口l材料材料 l不锈钢钢板或复合不锈钢板不锈钢钢板或复合不锈钢板l以保证罐内培养液清洁和壁面光滑以保证罐内培养液清洁和壁面光滑 l压力容器用钢压力容器用钢l强度强度 l能承受灭菌蒸汽的压力和温度能承受灭菌蒸汽的压力和温度59搅拌装置搅拌装置l采用采用圆盘涡轮式搅拌器圆盘涡轮式搅拌器l配置配置2-3个搅拌器个搅拌器 l有利于液体本身的混合及气液和液固之间的有利于液体本身的混合及气液和液固之间的混合混合l改善传质和

22、传热改善传质和传热l有助于氧的溶解有助于氧的溶解60通气装置通气装置l将将无菌空气导无菌空气导入罐内的装置入罐内的装置l单孔管单孔管l单孔管的出口位置单孔管的出口位置l正下方正下方l开口向下开口向下61传热装置传热装置l发酵过程中发酵液产生热量发酵过程中发酵液产生热量l最适宜培养温度最适宜培养温度l冷却水冷却水导出部分热量导出部分热量l发酵罐的传热装置有夹套和蛇管发酵罐的传热装置有夹套和蛇管62机械消末装置机械消末装置l发酵过程中，由于发酵液中含有大量蛋白质等发发酵过程中，由于发酵液中含有大量蛋白质等发泡物质，在强烈的通气搅拌下将产生大量泡沫泡物质，在强烈的通气搅拌下将产生大量泡沫l消除发酵液

23、泡沫消除发酵液泡沫 l消泡剂消泡剂(天然油脂、聚醚类、硅类、高碳醇天然油脂、聚醚类、硅类、高碳醇)l机械消泡装置机械消泡装置63耙式消泡桨耙式消泡桨l消泡桨安装于搅拌轴上，与轴同转，齿面略高于消泡桨安装于搅拌轴上，与轴同转，齿面略高于液面，消泡桨直径约为罐径的液面，消泡桨直径约为罐径的0.80.9l当少量泡沫上升时，如果泡沫的机械强度较小，当少量泡沫上升时，如果泡沫的机械强度较小，耙齿可把泡沫打碎。耙齿可把泡沫打碎。64封闭式涡轮消泡桨封闭式涡轮消泡桨l尺寸尺寸l消沫器直径约为罐径的消沫器直径约为罐径的1/2l安装安装l涡轮消沫器直接安装于涡轮消沫器直接安装于搅拌轴搅拌轴上，由于搅拌轴转速太上

24、，由于搅拌轴转速太低效果不佳低效果不佳l下伸轴发酵罐，下伸轴发酵罐，罐顶安装罐顶安装，涡轮轴高速旋转，涡轮轴高速旋转l工作过程工作过程l泡沫直接被涡轮打碎，或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎泡沫直接被涡轮打碎，或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎65自吸式发酵罐自吸式发酵罐l不需空气压缩机不需空气压缩机l自吸入空气的生物反应器自吸入空气的生物反应器66自吸式发酵罐的形式自吸式发酵罐的形式l形式形式l叶轮和导轮叶轮和导轮自吸入式发酵罐自吸入式发酵罐l喷射喷射自吸式反应器自吸式反应器l文丘里管文丘里管反应器反应器l共同特点共同特点:l利用利用特殊转子特殊转子或或喷射器喷射器或或文丘里管文丘里管所形所形成的成的负

25、压负压，将空气从外界吸入，将空气从外界吸入67文氏管的原理文氏管的原理l文氏管的原理文氏管的原理l把气流由粗变细，以加快气体流速，使气体在把气流由粗变细，以加快气体流速，使气体在文氏管出口的后侧形成一个文氏管出口的后侧形成一个“真空真空”区。当这区。当这个真空区靠近工件时会对工件产生一定的吸附个真空区靠近工件时会对工件产生一定的吸附作用作用 68自吸式发酵罐的优点自吸式发酵罐的优点l节约了空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、节约了空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐等设备，减少占地面积油水分离器、空气贮罐等设备，减少占地面积l可可减少发酵设备投资减少发酵设备投资约约30%左右左右l发酵总动力消耗比通用式低发酵总动力消耗比通用式低69自吸式发酵罐的缺点自吸式发酵罐的缺点l必须采用高效率、低阻力的必须采用高效率、低阻力的空气除菌装置空气除菌装置l用于用于无菌要求较低无菌要求较低的醋酸和酵母的发酵生产的醋酸和酵母的发酵生产中中l不适用于对剪切作用敏感不适用于对剪切作用敏感的微生物的发酵的微生物的