间歇式反应器ppt课件

1、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。原料在反应器内进行反反应、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，原料药经过一定的制剂工艺应，通过分离等方法获得原料药，原料药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、干如混合、造粒、干燥、压片、包衣、包装等燥、压片、包衣、包装等)即成为出厂的药品。其中，反应是整个生产工艺过程的即成为出厂的药品。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。核心，而反应器则是反应过程的核心设备。 反应器的类型很

2、多，特点不一，为便于分析研究各种反应器的性能、基本原反应器的类型很多，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，需将反应器进行科学的分类。常用的分类方法如下：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：按几何形状分按几何形状分2立式搅拌反应锅立式搅拌反应锅3管式反应器管式反应器4卧式反应器卧式反应器5塔式反应器塔式反应器6固定床反应器固定床反应器7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8按传热方式分类按传热方式分类间壁传热间壁传热 特点：反应物与传热剂通过间壁传热图特点：反应物与传热剂通过间壁传热图 适用场合：反应物不能与传

3、热剂直接接触，温度控制较严格。适用场合：反应物不能与传热剂直接接触，温度控制较严格。 控制温度的方法：传热剂的流量、温度和压力。控制温度的方法：传热剂的流量、温度和压力。 如：夹套传热、蛇管传热、电热、列管传热等。如：夹套传热、蛇管传热、电热、列管传热等。 9直接传热直接传热 特点：反应物直接与传热剂接触图特点：反应物直接与传热剂接触图 适用场合：反应物允许接触传热剂，要求快速升温或降温。适用场合：反应物允许接触传热剂，要求快速升温或降温。 控制温度的方法：传热剂的用量及温度。控制温度的方法：传热剂的用量及温度。 如：直接蒸汽加热、直接加水冷却等。如：直接蒸汽加热、直接加水冷却等。10蒸发传热

4、蒸发传热 特点：靠蒸发性反应物或反应介质（如溶剂）的蒸发移除热量。特点：靠蒸发性反应物或反应介质（如溶剂）的蒸发移除热量。 适用场合：在沸腾下进行的化学反应。适用场合：在沸腾下进行的化学反应。 控制温度的方法：沸点温度、气相压力。控制温度的方法：沸点温度、气相压力。 如：通过回流冷凝器除热。如：通过回流冷凝器除热。11绝热型绝热型 特点：靠进料的显热及反应热维持一定的温度变化。特点：靠进料的显热及反应热维持一定的温度变化。 适用场合：反应热不太大的情况下，允许温度在一定范围变化的场合。适用场合：反应热不太大的情况下，允许温度在一定范围变化的场合。 控制温度的方法：进料的温度、流速。控制温度的方

5、法：进料的温度、流速。 如：乙烯水合制乙醇的绝热固定床反应器。如：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，或需要强化传热速率时，常常采用外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，外部热交换器常用列管式或螺旋板式的。循环传热方式，外部热交换器常用列管式或螺旋板式的。12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

6、。 气气-液相液相锅式、塔锅式、塔式、管式式、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13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

7、出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。的操作。a.常用反应器：锅式、塔式常用反应器：锅式、塔式b.操作特征：半连续反应器中的反应物系组成必然随时间而改变，也随反应器内操作特征：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。的位置而改变。c.适用场合：改变连续流动物料的加料速度，可调节反应速率。适用场合：改变连续流动物料的加料速度，可调节反应速率。14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：参与反应的物料一次性投入反应器，反间歇操作：参与反应的物料一次性投入反应器，反 应应完毕后产物又一

8、次性卸出的操作过程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：用于间歇操作的反应器。间歇反应器：用于间歇操作的反应器。2.2.操作特点：反应器内的工艺参数（温度、压力、反操作特点：反应器内的工艺参数（温度、压力、反 应物的浓度等）随时间而变；应物的浓度等）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。操作过程的灵活性大，便于改变工艺条件和更换产品。3.3.使用场合：反应速率较慢，热效应较小，生产规模不大的场合，以及多品种的使用场合：反应速率较慢，热效应较小，生产规模不大的场合，以及多品种的生产和工艺条件变化复杂的场合。在制药工业中应用较广。生

9、产和工艺条件变化复杂的场合。在制药工业中应用较广。 154.4.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，也有用管式和塔式反应器的。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。 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

10、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 16* *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；液液相反应器要采用能形成液膜或鼓泡的装置；液液及液液及液固相反应固相反应器（甚至固相）要有搅拌装置；液器（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。固定床，使液体物料通过床层，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反应，硝化反应同时在两相内进行，但在液非均相反应，硝化反应同时在两相内进行，

11、但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大好几倍，当相接触面小时，总反应速度会酸相内反应速度比在有机相中的速度大好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩大流体两相间的接触面积，通常在反显著下降。为了扩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。17 制药工业属于精细有机合成工业，其产量小、规模一般较小，因此大多采制药工业属于精细有机合成工业，其产量小、规模一

12、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）。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）。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已标准化，可这类设备的化工零部件国内已标准化，可参见参见化工设备设计手册化工设备设计手册第一分册（材料与零第一分册（材料与零部件）。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18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

13、好、温度分布均匀、便于控制和改变结构简单、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，适合于多品种、小批量生产。反应条件、操作上灵活性较大，适合于多品种、小批量生产。2、应用： 从反应物料看：它能够适应于各种不同相态组合的反应物料。如：均液相、从反应物料看：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、液非均液相、液固相、气固相、气液相等液相等 从反应类型看：它几乎适用于所有有机合成的单元操作。如：氧化、还原、从反应类型看：它几乎适用于所有有机合成的单元操作。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。硝化、磺化、

14、卤化、缩合、聚合、烷化、酰化、重氮化、偶合等。193、缺点：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长。若采用连续操作，由于返混效应，要热釜的操作，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相同转化率时，需要更大的反应体积。由于间歇操作劳动生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产率低，大吨位产品常常需要多个反应锅同时操作。产率低，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

15、下面几部分组成 锅的主体、传热装置、搅拌装置、轴密封装置、传动装置、工艺接管锅的主体、传热装置、搅拌装置、轴密封装置、传动装置、工艺接管20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。物料衡算就是依据此定律定量地对生产工艺质量守恒定律。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。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、副产物及废料的质量、容积和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

16、步骤中的损失。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，考虑过程中原料用量的多少以及生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。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、提高产品质量、降低消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、核算生产过程中的经济效益。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。为设备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。213.3.

17、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算的基础，通常是以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，或者是在单位时间内生成多少成品或半成品作为依据。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。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，先对设计提出生产任务，以此折算成每昼夜生产在大型的连续的设计计算中，先对设计提出生产任务，以此折算成每昼夜生产多少成品作为基准。在折算过程中可以采用年工作日为多少成品作为基准。在折算过程中

18、可以采用年工作日为300300天或天或330330天天( (个别场合亦个别场合亦有以有以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总之是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。准。即：即：kg/d kg/h kg/d kg/h 等等 22 天天原原料料投投料料量量天天产产量量年年工工作作日日年年产产量量总总/间歇操作：除上述外，最常用间歇操作：除上述外，最常用“每批投料量每批投料量”或或“每批生产产品量每批

19、生产产品量”作为计算基作为计算基准。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。指某一物料所参加包括主反应和副反

20、应在内的化学转化过程的百分率。以符号以符号x xA A表示表示A A组分（物料）的转化率，则：组分（物料）的转化率，则：23 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增大。化学变化的原料在总投料量中所占比例增大。产率：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率：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，并用符号产量之比值。用百分率或分率表示，并用符号表示产率。表示产率。组组分分的的量量投投入入反

21、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产产量量按按投投入入原原料料计计算算的的理理论论目目的的产产物物实实际际得得量量24 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，这就可减少未反应原料，这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，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，所以在生产中力求达到最高的产率。所以在生产中力求达到最高的产率。%100某某原原料料投投入入量量原原料料量量由由主主产产物

22、物量量折折算算成成的的某某反应器反应器不考虑不考虑或25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：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阶段收率：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。得量的比例百分数。%100量量原原料料消消耗耗量量折折算算为为成成品品成成品品产产量量总总%100投投入入物物料料量量量量折折算算为为投投入入物物料料量

23、量阶阶段段产产品品或或半半成成品品输输出出阶阶段段n321总26 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损在内的消耗。分解，以及包括一切物理效应及机械漏损在内的消耗。 无论转化率或收率，一般是对主要物料而言，即转化率是指主要原料；收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。是指主要产物。反应的选择性：是表示各种主、副反应产物中，主产物所占的百分率（或分反应的选择性：是表示各种主、副反应产物中，主产物所占的百分率（或分率）。率）。

24、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27 选择性反映出反应系统中主反应所占的百分比。一般要求选择性愈高愈好。因选择性反映出反应系统中主反应所占的百分比。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，而目的产物的产量低。但不能单从选择性高选择性差，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应，即使

25、这部分反应经济合理。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，其设备的利用率仍然很低，因此，要确定合理的工艺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，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相同时：以上三者之中只有两个是独立的，当它们式中各量的单位相同时： 收收率率选选择择性性转转化化率率28 例例1：邻硝基氯苯经氨化与硫化钠还原生产邻苯

26、二胺。已知工业邻硝基氯苯纯：邻硝基氯苯经氨化与硫化钠还原生产邻苯二胺。已知工业邻硝基氯苯纯度为度为98%，生产每吨邻苯二胺消耗，生产每吨邻苯二胺消耗1800kg工业邻硝基氯苯。氨化工段收率为工业邻硝基氯苯。氨化工段收率为95%。求该车间总收率及还原工段收率。求该车间总收率及还原工段收率。 解：反应式如下解：反应式如下NH2NH2NH3NO2NH2Na2SNO2Cl分子量：分子量：157.5 138 108车间总收率：车间总收率：%83%100%9818001085 .1571000 总总 还原工段收率：还原工段收率：%5 .87%100%95%83 氨氨化化总总还还原原 29+ HNO3NO2

27、+H2O 主反应主反应 例例2：在苯的混酸硝化生产硝基苯车间，投入含量为：在苯的混酸硝化生产硝基苯车间，投入含量为98%的苯的苯300kg，经硝化，经硝化反应后得酸性硝基物反应后得酸性硝基物468kg，其中硝基苯含量，其中硝基苯含量98%，二硝基苯含量，二硝基苯含量0.1%，废酸带，废酸带走损失硝基苯走损失硝基苯0.5kg，忽略其他副反应等损失。求硝化反应中苯的转化率、收率，忽略其他副反应等损失。求硝化反应中苯的转化率、收率和选择性。和选择性。 解：化学反应方程式为解：化学反应方程式为+2HNO3NO2NO2+2H2O 副反应副反应 苯、硝基苯和二硝基苯的分子量分别为苯、硝基苯和二硝基苯的分子

28、量分别为78、123和和16830%9 .9952.45914.459 52.459123784 .291%99%10062.46314.459 62.46378123%9830014.4595 . 0%98468991. 02944 .291 4 .291 16878%1 . 046812378)5 . 0%98468(294%98300 反应消耗折成硝基苯反应消耗折成硝基苯按投入苯应得硝基苯按投入苯应得硝基苯反应实得硝基苯反应实得硝基苯反应消耗苯反应消耗苯投入苯投入苯苯苯kgkgkgxkgkg 314.物料衡算的基本步骤物料衡算的基本步骤画出物料流程框图，画出物料流程框图，在图上写出物料名

29、称、组成及流向，确定计算范围。在图上写出物料名称、组成及流向，确定计算范围。收集计算所必须的基本数据收集计算所必须的基本数据原料、中间体、产物组成（规格）及物化性质。原料、中间体、产物组成（规格）及物化性质。原料转化率、产物收率，包括阶段收率和车间总收率。原料转化率、产物收率，包括阶段收率和车间总收率。原料间的理论配比及实际配比。原料间的理论配比及实际配比。反应工艺条件，如过程时间、温度、压力及过程热效应等。反应工艺条件，如过程时间、温度、压力及过程热效应等。32硫硫 酸酸质质%H2SO4 93H2O 7硝硝 酸酸质质%HNO3 96H2O 4 混酸混酸 配制釜配制釜 混混 酸酸质质%H2SO

30、4 56HNO3 32H2O 12H2O（kg）*33写出主、副反应方程式。对物理过程可免去这一步。写出主、副反应方程式。对物理过程可免去这一步。说明计算任务。如年产量、年工作日、产品纯度及确定每天生产能力。说明计算任务。如年产量、年工作日、产品纯度及确定每天生产能力。确定计算基准。如分批操作（间歇操作）可用一天或一批的量为基准，即吨确定计算基准。如分批操作（间歇操作）可用一天或一批的量为基准，即吨/ /天、千克天、千克/ /天或吨天或吨/ /批、千克批、千克/ /批。连续生产可用吨批。连续生产可用吨/ /时或千克时或千克/ /时。根据生产任务时。根据生产任务及总收率确定投料量。及总收率确定投

31、料量。根据已知数据进行物料衡算。根据已知数据进行物料衡算。把计算结果分别列成进、出物料衡算表，检查进、出量是否平衡（相等或相把计算结果分别列成进、出物料衡算表，检查进、出量是否平衡（相等或相差不多）。在物料衡算表中尽可能包括：物料纯度、投入量的百分比、体积等。差不多）。在物料衡算表中尽可能包括：物料纯度、投入量的百分比、体积等。 物料衡算表形式如下：物料衡算表形式如下：34画出物料衡算图，对一个车间设计必须画出物料衡算总图。画出物料衡算图，对一个车间设计必须画出物料衡算总图。5.物料衡算方程 GGinin进入系统的物料总量；进入系统的物料总量；GGoutout 输出系统的物料总量；输出系统的物

32、料总量；GGa a系统内累积量之和。系统内累积量之和。 对于间歇操作的设备，其中的累积量对于间歇操作的设备，其中的累积量GGa a为零（终点时物料全部排出）为零（终点时物料全部排出）物料衡算表（千克物料衡算表（千克/天）天）物料名称物料名称含量含量% 折纯量折纯量kg实际量实际量质量质量kg kmol体积体积m3物质的量比物质的量比理论理论 实际实际备注备注系统系统Ga+ G反应反应GoutGin G损耗损耗35 GinGout GaG损耗损耗 G反应反应说明：对于物理过程，因为系统中各组分的质量和摩尔数均不变，所以一般采说明：对于物理过程，因为系统中各组分的质量和摩尔数均不变，所以一般采用组

33、分守恒（即对过程的某一组分作衡算）较方便，而不用总量守恒，而且常用用组分守恒（即对过程的某一组分作衡算）较方便，而不用总量守恒，而且常用摩尔数守恒。摩尔数守恒。对于化学反应过程对于化学反应过程有惰性组分的化学过程：因为惰性组分不发生化学反应，可采用组分守恒。有惰性组分的化学过程：因为惰性组分不发生化学反应，可采用组分守恒。参加反应的各组分：因各组分的摩尔数、质量一般均要发生变化，必须考虑组参加反应的各组分：因各组分的摩尔数、质量一般均要发生变化，必须考虑组分在化学过程中质量（或摩尔数）的产生或消耗（可根据化学方程式求算物质转分在化学过程中质量（或摩尔数）的产生或消耗（可根据化学方程式求算物质转

34、化的定量关系）。化的定量关系）。36式中：式中：Fi物流物流i的摩尔流量，物流进入系统的摩尔流量，物流进入系统Fi为正；离开系统为负。为正；离开系统为负。 xij组分组分j在物流在物流i中的摩尔分数。中的摩尔分数。 NS物流的总个数。物流的总个数。 rj 组分在系统中的变化速率，产生为正；消耗为负。组分在系统中的变化速率，产生为正；消耗为负。 i代表物流，代表物流，i=1，2，3， NS j代表组分，代表组分，j=0，1，2， NCjNsiijirxF 137当化学反应的计量系数未知或反应很复杂，生成物组分多，但所涉及的化学当化学反应的计量系数未知或反应很复杂，生成物组分多，但所涉及的化学元素

35、的种类不多时元素的种类不多时( (如：裂解、燃烧、聚合等如：裂解、燃烧、聚合等) )，可采用原子守恒的方法来进行，可采用原子守恒的方法来进行物料衡算。物料衡算。例2-1/P31010 jkijNsiNcjimxF（原子或元素的摩尔数守恒）（原子或元素的摩尔数守恒）mjk 元素元素k在组分在组分j中的原子个数中的原子个数38二、典型过程的物料衡算二、典型过程的物料衡算 在原料药生产中，对常见的几个有机单元反应（如磺化、硝化、氯化等）已经在原料药生产中，对常见的几个有机单元反应（如磺化、硝化、氯化等）已经进行了一系列的研究，各计算也比较成熟。分别讨论如下。进行了一系列的研究，各计算也比较成熟。分别

36、讨论如下。1.磺化过程磺化过程磺化剂：磺化过程所用磺化剂多为硫酸、发烟硫酸和三氧化硫。硫酸由于制造和磺化剂：磺化过程所用磺化剂多为硫酸、发烟硫酸和三氧化硫。硫酸由于制造和使用上的考虑，一般有两种规格，即使用上的考虑，一般有两种规格，即92%93%的绿矾油和的绿矾油和98%100%的一水合物的一水合物（也可以看作是三氧化硫与水以（也可以看作是三氧化硫与水以1 1的摩尔比率组成的混合物）。如果有过量的的摩尔比率组成的混合物）。如果有过量的三氧化硫存在于硫酸中，就成为发烟硫酸。三氧化硫存在于硫酸中，就成为发烟硫酸。 在计算时，可将前两者折算为在计算时，可将前两者折算为SO3，后者也可折算成硫酸。，后

37、者也可折算成硫酸。39磺化反应方程式磺化反应方程式 在用硫酸和发烟硫酸进行有机物的磺化时，可认为是硫酸或在用硫酸和发烟硫酸进行有机物的磺化时，可认为是硫酸或是硫酐为有效的成分，因此反应方程式可表示如下：是硫酐为有效的成分，因此反应方程式可表示如下：2133212342 80 )( 18 98 )( MnMHSORnSORHnMnMOnHHSORSOnHRHnnnn 或或RHn被磺化物；被磺化物； n 被磺基所取代的氢原子数；被磺基所取代的氢原子数；R(SO3H)n磺化产物（磺酸）；磺化产物（磺酸）；M1被磺化物的分子量；被磺化物的分子量； M2磺化产物的分子量；磺化产物的分子量；40 在多数场

38、合下，磺化反应的实际硫酸用量要比上式所列的理论量大得多，在多数场合下，磺化反应的实际硫酸用量要比上式所列的理论量大得多，因采用硫酸或发烟硫酸作磺化剂时，随着反应的进行，每引进一个磺基必须消耗因采用硫酸或发烟硫酸作磺化剂时，随着反应的进行，每引进一个磺基必须消耗一个一个SO3，因此随着反应过程中，因此随着反应过程中SO3的消耗及水的生成，逐渐使硫酸的浓度降低，的消耗及水的生成，逐渐使硫酸的浓度降低，当降到某一程度后，磺化反应几乎不再进行。此时的硫酸浓度即为当降到某一程度后，磺化反应几乎不再进行。此时的硫酸浓度即为“极限浓度极限浓度”。苯在苯在373K时，磺化反应的硫酸极限浓度为时，磺化反应的硫酸

39、极限浓度为81.6%。也可用含。也可用含SO3的百分数来表示的百分数来表示极限浓度，并称为磺化极限浓度，并称为磺化值。则苯的磺化值。则苯的磺化值：值： 81.6809866.6。 值不是固定不变的，浓度和温度对值不是固定不变的，浓度和温度对值均有影响。值均有影响。 发烟硫酸的含量是以发烟硫酸中过量的三氧化硫占发烟硫酸的质量百分率表发烟硫酸的含量是以发烟硫酸中过量的三氧化硫占发烟硫酸的质量百分率表示。示。41 在磺化剂的初始浓度在磺化剂的初始浓度时，时，值和磺化剂用量之间值和磺化剂用量之间的关系可以根据物料平衡导的关系可以根据物料平衡导出。出。采用下列符号：采用下列符号：Mc被磺化物的用量，被磺

40、化物的用量，kg； Ms磺化剂的用量，磺化剂的用量，kg；S 以以SO3含量表示的磺化剂的质量百分浓度，含量表示的磺化剂的质量百分浓度，%；M1被磺化物分子量。被磺化物分子量。按反应方程式，在生成磺化产物上所消耗的按反应方程式，在生成磺化产物上所消耗的SO3量为：量为：kgMnMc 801过程完毕后剩余的过程完毕后剩余的SO3量为：量为：kgMnMcMsS 801 42废酸量：废酸量：kgMnMcMs 801 废酸中的废酸中的SO3含量应该等于含量应该等于，所以，按反应前后的所以，按反应前后的SO3进行平衡得：进行平衡得： )80(8011MnMcMsMnMcMsS 整理可得磺化剂用量的计算式

41、：整理可得磺化剂用量的计算式：kgSMnMcMs )()1(801 （P33）43 在生产实际中，磺化反应往往并不进行到当硫酸浓度降低到在生产实际中，磺化反应往往并不进行到当硫酸浓度降低到值值时才终止，时才终止，这样会使磺化过程的时间持续太长，同时会发生副反应。反应终了时酸的浓度这样会使磺化过程的时间持续太长，同时会发生副反应。反应终了时酸的浓度叫做废酸浓度，有时也称叫做废酸浓度，有时也称值值。则则1009880-9880 ）（消消耗耗的的硫硫酸酸质质量量原原用用硫硫酸酸质质量量废废酸酸中中所所含含硫硫酸酸的的质质量量 )()()(988010024242OHwSOHwSOHw 44 例例3.

42、苯的硫酸液相磺化剂制苯磺酸，苯的硫酸液相磺化剂制苯磺酸，值为值为64%，求磺化反应生成，求磺化反应生成1000kg苯磺苯磺酸时，至少需要酸时，至少需要98%的硫酸量（忽略副反应和损失）。的硫酸量（忽略副反应和损失）。 解：反应方程式为解：反应方程式为+ H2SO4SO3H+ H2O 78 98 158 1880. 0988098. 0 781581000 SkgMckgSMnMcMs2 .1139)64. 080. 0(78)64. 01(80781581000)()1(801 见例见例2-2/P3445 用混酸（用混酸（HNO3+H2SO4）进行硝化的过程，可以用下列方程式来表示其物料）进行

43、硝化的过程，可以用下列方程式来表示其物料平衡的关系。平衡的关系。 RHXx HNO3yH2SO4zH2O R(NO3)X yH2SO4 (zx)H2O硝酸过剩率硝酸过剩率 大多数硝化反应的大多数硝化反应的HNO3用量接近于方程式表示的理论量（这是用用量接近于方程式表示的理论量（这是用混酸硝化的特点之一），但有一些硝化反应，在实际生产中混酸硝化的特点之一），但有一些硝化反应，在实际生产中HNO3量则往往超过量则往往超过理论量较多。超过理论量的理论量较多。超过理论量的HNO3质量百分数称为质量百分数称为“硝酸过剩率硝酸过剩率” ，用符号，用符号表示。表示。2.2.硝化过程物料衡算硝化过程物料衡算4

44、6硫酸脱水值和废酸计算浓度硫酸脱水值和废酸计算浓度 有时候根据不同硝化过程所需的混酸硝化能力（即硫酸的脱水值和废酸计算浓有时候根据不同硝化过程所需的混酸硝化能力（即硫酸的脱水值和废酸计算浓度）的要求，先计算出所需混酸的组成，再进行混酸配制计算。度）的要求，先计算出所需混酸的组成，再进行混酸配制计算。 硫酸脱水值（也称混酸硝化的脱水值，或简称脱水值）是指硝化终了时废酸中硫酸脱水值（也称混酸硝化的脱水值，或简称脱水值）是指硝化终了时废酸中硫酸和水计算质量之比，通常以符号硫酸和水计算质量之比，通常以符号D.V.S (Dehydrating Value of Sulfuric Acid）表）表示。示。

45、废酸中水的质量废酸中水的质量废酸中硫酸的质量废酸中硫酸的质量 SVD.47在硝化废酸中，在硝化废酸中，H2SO4与与H2O的质量比应为：的质量比应为：)(1898xzy D.V.S在一定程度上反映出硝化过程的难易程度。脱水值愈大表示硝化反应在一定程度上反映出硝化过程的难易程度。脱水值愈大表示硝化反应愈难。愈难。48 表表2-1/P37列出一些有机物硝化时的混酸组成和脱水值及硝酸过剩率列出一些有机物硝化时的混酸组成和脱水值及硝酸过剩率 。 设设m和和l分别为混酸中硫酸和硝酸的质量百分含量，分别为混酸中硫酸和硝酸的质量百分含量，为硝酸比（投料硝酸为硝酸比（投料硝酸摩尔数摩尔数/投料投料1摩尔被硝化

46、物）。以摩尔被硝化物）。以100份混合酸为计算基准，被硝化物完全反份混合酸为计算基准，被硝化物完全反应。应。则则反应生成水反应生成水混酸中的水混酸中的水llmmSVDlllm 72)100(. 726318100l/为反应的硝酸量，为反应的硝酸量，假设被硝化物全部反应假设被硝化物全部反应。49 废酸计算浓度（亦称硝化活性因数）其含义是指混酸硝化终了时，废酸中硫酸废酸计算浓度（亦称硝化活性因数）其含义是指混酸硝化终了时，废酸中硫酸的计算浓度，以的计算浓度，以 m 表示。如以表示。如以100份混酸为计算基准。份混酸为计算基准。废酸总量废酸总量生成水量生成水量反应消耗硝酸量反应消耗硝酸量lllll

47、751007210072则则lmlmm 14014075100100 :50所以可得所以可得D.V.S和和m之间的关系：之间的关系：1401)72100(.lllmSVDm 如果投料比如果投料比1，则有下述关系：则有下述关系：100. 100.1. mmSVDSVDSVDm 或或51混酸的组成方程式混酸的组成方程式 实践证明：每一种物质在一定条件下进行硝化时，只要将脱水值维持在一实践证明：每一种物质在一定条件下进行硝化时，只要将脱水值维持在一定的数值，则混酸组成可以在一定范围内变动而不会明显影响硝化效果。因此，定的数值，则混酸组成可以在一定范围内变动而不会明显影响硝化效果。因此，当规定了脱水值

48、当规定了脱水值D.V.S及及HNO3过剩百分率过剩百分率 后，混酸中后，混酸中HNO3浓度浓度(l)与与H2SO4浓浓度度(m)的关系式如下：的关系式如下： m=kl+b （混酸组成方程式）（混酸组成方程式）式中：式中： 上式是根据硝化反应的物理平衡导出的。导出过程如下：上式是根据硝化反应的物理平衡导出的。导出过程如下：52令：令：MH被硝化物的质量，被硝化物的质量，kg； M被硝化物的摩尔质量，被硝化物的摩尔质量，kg/kmol； MM.A硝化过程中混酸用量，硝化过程中混酸用量，kg； l硝化混酸中硝酸的质量百分数，硝化混酸中硝酸的质量百分数，%； m硝化混酸中硫酸的质量百分数，硝化混酸中硫

49、酸的质量百分数，%； n硝化混酸中水的质量百分数，硝化混酸中水的质量百分数，%； HNO3的过剩百分率，的过剩百分率，%； x硝化物中被硝化物中被-NO2取代的取代的H数。数。对对HNO3作物料衡算：作物料衡算：对对H2SO4作物料衡算：作物料衡算：(1) 100)01.01(63.lMMxMAMH 100.18100100.mMSVDMMmlMAMHAM 53化简得：化简得：(1)、(2)两式相除，并化简得：两式相除，并化简得： 在生产实际中，被硝化物的在生产实际中，被硝化物的D.V.S往往未知，但一般可以规定其废酸组成，往往未知，但一般可以规定其废酸组成，则则：（推倒过程见教材：（推倒过程

50、见教材P38） (2) 100.)100(.18.SVDmlmMSVDMxMAMH (3) .1.100.1)(01. 01(7.)001. 01(72bklSVDSVDlSVDSVDm (4) 140140140blklmllmm 54上式即规定了废酸组成时，混酸组成必须遵循的规律。上式即规定了废酸组成时，混酸组成必须遵循的规律。 (3)、(4)式只能用来确定硝化混酸中硝酸与硫酸间的含量关系，不能最终确式只能用来确定硝化混酸中硝酸与硫酸间的含量关系，不能最终确定硝化混酸的组成。有实际意义的混酸组成只可在一定范围内，选择混酸组成定硝化混酸的组成。有实际意义的混酸组成只可在一定范围内，选择混酸组

51、成时，应考虑以下原则：时，应考虑以下原则：在原料酸所能配出的范围内；在原料酸所能配出的范围内；尽量节省尽量节省H2SO4用量（在满足脱水值的前提下）；用量（在满足脱水值的前提下）；尽量少生成多硝基化合物（不能过量太多）。尽量少生成多硝基化合物（不能过量太多）。 55硝化混酸组成的图解法硝化混酸组成的图解法 为了最后确定硝化混酸的组成，采用直角三角座标来处理为了最后确定硝化混酸的组成，采用直角三角座标来处理HNO3 、H2SO4、H2O三组分之间的关系（有时也采用等边三角座标）。如图三组分之间的关系（有时也采用等边三角座标）。如图2-1/P39 采用直角三角座标除了具有等边三角座标的特性之外，还

52、具有以下优点：采用直角三角座标除了具有等边三角座标的特性之外，还具有以下优点：容易读取图内各点组成；容易读取图内各点组成；绘制容易，可按自己所需的座标绘制；绘制容易，可按自己所需的座标绘制；对组分含量精确度要求不一致时，可采用不等腰直角三角座标，将含量精度对组分含量精确度要求不一致时，可采用不等腰直角三角座标，将含量精度要求高的组分放在较长一边。要求高的组分放在较长一边。56 直线直线 代表混酸组成方程式。则硝化混代表混酸组成方程式。则硝化混酸的组成应该是在酸的组成应该是在 线上的一点。在生产线上的一点。在生产实践中往往是采用两种或两种以上的不同组实践中往往是采用两种或两种以上的不同组成的酸（

53、其中之一可以是水）来进行配制硝成的酸（其中之一可以是水）来进行配制硝化混酸的。如果两种组成酸的组成在图化混酸的。如果两种组成酸的组成在图2-1中中分别用点分别用点g、h来表示，那么用它们来配制成来表示，那么用它们来配制成的混酸必定是在的混酸必定是在 线上的任一点线上的任一点o，o点的位点的位置决定于置决定于g、h两原料酸的配比大小，它们的两原料酸的配比大小，它们的关系是：关系是：efefghMg、Mh 分别代表原料酸分别代表原料酸g、h的投料量的投料量以上方程式为混和方程以上方程式为混和方程 ogohMMhg 57 由于最后配制的混酸既要服从由于最后配制的混酸既要服从m=kl+b(或或m=kl

54、+b)，又要符合混和方程，又要符合混和方程，因此，因此，o点必在两直线的交点。点必在两直线的交点。 在确定了混酸的组成之后，即可利用式在确定了混酸的组成之后，即可利用式2-5/P37算出混酸的投料量算出混酸的投料量MM.A。 MM.A=Mg+Mh 故原料酸故原料酸g，h的投料量相应地为：的投料量相应地为：AMgMghohM. AMhMghogM. 例2-3/P39 58 作业：甲苯硝化反应作业：甲苯硝化反应D.V.S = 2.3，硝酸比，硝酸比=1，酸油比酸油比=2.5（混酸与有机物（混酸与有机物之比）。计算硝化废酸的之比）。计算硝化废酸的m值及所用混酸的组成。值及所用混酸的组成。 作业：对蒽

55、醌间歇硝化过程进行物料衡算。已知被硝化物为作业：对蒽醌间歇硝化过程进行物料衡算。已知被硝化物为BB酸酸(苯甲酰苯甲酰苯甲酸苯甲酸)缩合、稀释后的混合物料，每批投料中含蒽醌缩合、稀释后的混合物料，每批投料中含蒽醌318kg，BB酸等杂质酸等杂质14.5kg，H2SO4 1437.5kg，H2O 349kg。加入。加入97.5%的浓硝酸进行硝化，硝酸比的浓硝酸进行硝化，硝酸比为为4.5。硝化终点时硝基物粗硝基蒽醌中含二硝基蒽醌。硝化终点时硝基物粗硝基蒽醌中含二硝基蒽醌23%，未反应蒽醌，未反应蒽醌2%。59kg质质%AQ杂质杂质H2SO4H2O31814.51437.5349-计计M1100kg质

56、质%HNO3H2O-97.52.5计计M2100浓硝酸浓硝酸蒽醌混料蒽醌混料硝基物硝基物废酸硝化硝化kg质质%AQNO2AQ(NO2)AQ-232计计M3100物料衡算框图物料衡算框图杂质杂质M4：14.5kgkg质质%H2SO4HNO3H2O-计计M5100603.3.氯化过程的物料衡算氯化过程的物料衡算 氯化反应的氯化反应的显著特点是串联反应，因此，在氯化生产过程中，显著特点是串联反应，因此，在氯化生产过程中，首先考虑的首先考虑的不是氯化剂的用量，而是一氯化物及多氯化物的相对生成量。不是氯化剂的用量，而是一氯化物及多氯化物的相对生成量。 在工业上常用氯化剂为在工业上常用氯化剂为Cl2，也可

57、用，也可用SO2Cl2(硫酰二氯，在惰性有机溶剂中进硫酰二氯，在惰性有机溶剂中进行时使用，反应温和，但价太高行时使用，反应温和，但价太高)；在水介质中进行时，还可用盐酸加氧化剂；在水介质中进行时，还可用盐酸加氧化剂（如：（如：H2O2、NaClO、 NaClO3 等）；在气相高温氯化时，可用等）；在气相高温氯化时，可用HCl(g)加空气。加空气。 61 许多有机化合物的氯化过程可用下列一般方程式表示之：许多有机化合物的氯化过程可用下列一般方程式表示之： RHn+nCl2RCln+nHCl 氯化时得到一氯、二氯及三氯化合物，其数量间的比率，可根据化学动力氯化时得到一氯、二氯及三氯化合物，其数量间

58、的比率，可根据化学动力学定律来决定。学定律来决定。令：令：CA0拟氯化原料的原始浓度，拟氯化原料的原始浓度，mol分数；分数； Cx氯化物的浓度，氯化物的浓度，mol分数；分数； Cy二氯化物的浓度，二氯化物的浓度，mol分数；分数； C氯的浓度；氯的浓度；反应时间；反应时间； n反应级数反应级数(以氯为准以氯为准)；k1，k2分别为一氯化和二氯化的反应速度常数。分别为一氯化和二氯化的反应速度常数。62 由于生成氯化物的反应具有相同的级数，而且是顺序进行的（串联反应），由于生成氯化物的反应具有相同的级数，而且是顺序进行的（串联反应），则：则：)(2yxnyCCCkddC )()()()(001

59、2xAyxxAyxxyCCCCkCCCCkkdCdC )(01xAnxCCCkddC 两式相除：两式相除： 解此微分方程式，并取相应的边界条件后得：解此微分方程式，并取相应的边界条件后得：1)()()1()(0001 xAyxkxAACCCCkCCC63令：令：CH=CA0Cx 未反应原料的浓度未反应原料的浓度 CM=Cx Cy 一氯化物的浓度一氯化物的浓度则未反应物料的浓度与一氯化物浓度之关系：则未反应物料的浓度与一氯化物浓度之关系：kCCkCCHkHkAM 1110二氯化物的浓度应为：二氯化物的浓度应为：MHAyCCCC 0反应液中一氯化物可能达到的最大浓度应为：反应液中一氯化物可能达到的

60、最大浓度应为：kkAMkC 10C最最大大 在不同的操作条件下，在不同的操作条件下，k2/k1值不同，比值越小，越有利于主反应的进行。值不同，比值越小，越有利于主反应的进行。64磺化反应器磺化反应器 适用于低粘度、低温液体烃类的均适用于低粘度、低温液体烃类的均相和非均相磺化器。锅体为铸铁材料，相和非均相磺化器。锅体为铸铁材料，采用上出料形式，即出料管从锅盖接采用上出料形式，即出料管从锅盖接管伸至反应器底部，由压缩空气或氮管伸至反应器底部，由压缩空气或氮气将锅内物料压出。气将锅内物料压出。低粘度液相磺化器低粘度液相磺化器65适于粘稠物料磺化器适于粘稠物料磺化器66双膜磺化器双膜磺化器67苯气相磺