制药设备与工艺设计-反应设备

第3章反应设备3.1机械搅拌反应器3.2发酵设备13.1机械搅拌反应器反应设备的定义、应用搅拌反应器的结构搅拌器搅拌器附件2反应设备的定义用来进行化学反应的装置，通常称为反应器。3反应设备的应用通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料混合均匀；强化传热效果和相间传质；使气体在液相中作均匀分散；使固体颗粒在液相中均匀悬浮；使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化。4按结构型式分类，可分为：釜式反应器管式反应器塔式反应器固定床反应器流化床反应器

反应设备的类型5◆釜式反应器

釜式反应器也称槽式、锅式反应器。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。特点：装置简单、互换性大，投资低等。◆管式反应器

管式反应器主要用于气相、液相、气—液相连续反应过程。

反应设备的类型6管式反应器结构示意图

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鼓泡塔反应器结构示意图1—分布格板；2—夹套；3—气体分布器；4—塔体；5—挡板；6—塔外换热器；7—液体捕集器；8—扩大段塔式反应器8◆固定床反应器固定床反应器是指流体通过静止不动的固体物料所形成的床层而进行化学反应的设备。以气-固反应的固定床反应器最常见。◆流化床反应器把反应器和在其中呈流态化的固体催化剂颗粒合在一起，成为流化床反应器。流化床反应器多用于气-固反应过程。

9机械搅拌反应器用于溶解、稀释等多种传递过程；化学反应过程。10搅拌反反应器器的结结构三大部部分组组成：：搅拌装装置轴封搅拌罐罐传动装装置搅拌轴轴搅拌器器轴封罐体夹套人孔压出管管11夹套反反应器器罐体体尺寸寸示意意罐体尺尺寸确确定12罐体尺尺寸确确定◆高径比比●确定罐罐体高高径比比的考考虑因因素＊从减少少搅拌功功率的角度度考虑虑，高高径比比可取取得大一些些。＊从传热角角度看，希希望高高径比比可取取得大一些些；当容容积一一定时时，高高径比比大、、罐体体就高高，盛盛料部部分表表面积积大、、传热热面积积也就就大。。＊要考虑虑物料料的状状态，，对发酵类类物料料，为了了使通通入罐罐内的的空气气与发发酵物物料充充分接接触，，高径径比应应取得得大一些些。13◆直径及及高度度确定定●装料系系数若物料料在反反应过过程中中产生生泡们们沫或或呈沸沸腾状状态，，取装装料系系数0.6～0.7；若物料料反应应较平平稳，，则取取装料料系数数0.8～0.85。●直径及及高度度确定定1、在在初步步确定定H/Di后，，可先先忽略略封头头的容容积，，近似似计算算出罐罐体的的容积积。14≈得2、将将上式式计算算的结结果圆圆整为为标准准直径径，再再代入入下式式中克克计算算出罐罐体的的高度度V0:物料体体积Vk:封头体体积15反应釜的的高径比比液-固相相、液－－液相1～1.3一般搅拌拌罐气气－液相相1～～2发酵罐类类发酵酵液1.7～～2.5在确定反反应釜直直径及高高度时还还应根据据反应釜釜操作时时所允许许的装料料程度一一装料16传热装置置◆夹套可拆卸的的夹套不可拆卸卸的夹套套17◆蛇管蛇管结构构18工艺接管管◆进料管进料管结结构19◆出料管下部出料料管上部出料料管20搅拌器搅拌器又又称搅拌桨或搅拌叶叶轮，是是搅拌反反应器的的关键部部件功能是提提供过程程所需要要的能量量和适宜宜的流动动状态。。21流型搅拌器旋旋转时把把机械能能传递给给流体，，在搅拌拌器附近近形成高湍动的的充分混混合区，并产生生一股高高速射流流推动液液体在搅搅拌容器器内循环环流动这种循环流动动的途径径称为流型型。流型的影影响因素素搅拌器的的形式搅拌容器器和内构件几几何特征征流体性质质搅拌器转转速22三种基本本流型搅拌机顶顶插式中中心安装装的立式式圆筒的的三种基本本流型径向流轴向流切向流23径向流流体的流流动方向向垂直于搅拌轴轴，沿径径向流动动，碰到到容器壁壁面分成成两股流体体分别向向上、向向下流动动，再回到到叶端，，不穿过过叶片，，形成上、下两两个循环环24轴向流流体的流流动方向向平行于搅拌轴轴，流体体由叶桨桨推动，，使流体体向下流流动，遇遇到容器器底面再再翻上，，形成上下循环环流。25切向流无挡板的的容器内内，流体体绕轴作旋旋转运动动，流速高高时的液液体表面面会形成成漩涡，这种流流型称为为切向流流混合效果果很差26三种流型型同时存存在轴向流与径向流对混合起起主要作作用切向流应加以抑抑制挡板可削弱切切向流,增强强轴向流流和径向向流27搅拌器在在容器内内的安装装方式除中心安安装的立立式圆筒筒不同方式式安装的的搅拌机机产生的的流型各各不相同同28按流体流流动形态态轴向流搅搅拌器径向流搅搅拌器混合流搅搅拌器按搅拌器器结构按搅拌的的用途搅拌器分分类29按流体流流动形态态分类30常用搅拌拌器及流流型示意意浆式、推推进式、、涡轮式式和锚式式搅拌器器在搅拌拌反应设设备中应应用最为为广泛，，据统计约约占搅拌拌器总数数的75％～80％。。31按搅拌器器结构分分类采用平叶叶和折叶叶的搅拌拌器桨式涡轮式框式锚式采用螺旋旋面叶的的搅拌器器推进式螺杆式螺带式32

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型式33

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34

TY610平直叶圆盘涡轮搅拌器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ＰＥ的搅拌器35用于低黏黏流体的的搅拌器器推进式长薄叶螺螺旋桨式式圆盘涡轮轮式用于高黏黏流体的的搅拌器器锚式框式螺旋桨式式螺带式按搅拌用用途分类类36根据搅拌拌过程的的特点和和主要控控制因素素进行选选型搅拌器选选型37挡板导流筒搅拌附件件的作用用改善反应应器内流流体的流流动状态态改变径向向流,提提高混混合效果果保护搅拌拌器减少剧烈烈旋转的的液体结结合漩涡涡作用对对搅拌轴轴产生冲冲击作用用搅拌器附附件38安装4块块挡板，，其宽度度为容器器直径的的1/12~1/10。传热蛇管管可代替挡挡板（垂直换热热管时可不再再安装挡挡板）挡板39避免旋涡涡现象，，增大被被搅拌液液体的湍流程度度切向流动动变为轴向和径径向流动动，强化反反应器内内液体的的对流和和扩散，，改善搅搅拌效果果。搅拌反应应器的挡挡板结构构挡板的作作用40上下开口口圆筒，安装于于容器内内，在搅搅拌混合合中起导导流作导流筒的的直径约约为容器器直径的的70%涡轮式或或桨式搅搅拌器，导流筒筒置于桨桨叶的上上方推进式搅搅拌器，导流筒筒套在桨桨叶外面面导流筒41机械搅拌拌反应器器的传动动装置1—电动动机；2—减速速器；3—联轴轴器；4—机座座；5—轴封封装置；；6—底座座；7—封头头；8—搅拌拌轴；传动装置置423.2发发酵设设备433.2发发酵设设备发酵的操操作过程程发酵罐的的设计要要求常用发酵酵罐机械搅拌拌式发酵酵罐自吸式发发酵罐气升式发发酵罐塔式发酵酵罐44什么是发发酵生物化学学中把酵母母的无氧氧呼吸过过程称作作发酵微生物生生理学：有机物物被生物物体氧化化降解成成氧化产产物并释释放能量量的过程程工业生产产上笼统地地把一切切依靠微微生物的的生命活活动而实实现的工工业生产产均称为为“发酵酵”发酵的菌菌种—微微生物，，包括细细菌、病病毒、真真菌以及及一些小小型的原原生动物物等在内内的一大大类生物物群体45什么是酵酵母一种单细细胞真菌,在有氧和无无氧环境境下都能生生存,属属于兼性性厌氧菌菌有氧气的环境中中，酵母母菌将葡葡萄糖转转化为水水和二氧氧化碳无氧的条件下下，将葡葡萄糖分分解为二二氧化碳碳和酒精C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+2ATP(放放出能量量:118kJ/mol)酿酒过程中，，乙醇被被保留下下来烤面包或或蒸馒头头的过程中中，二氧氧化碳将将面团发发起，而而酒精则则挥发46发酵罐的的操作和和设计要要求气-液接接触浓度的在在线检测测混合传热泡沫控制制营养物或或控制pH用的的试剂的的加入结构可靠靠良好的气液接触触和液固固混合性能减少机械搅拌拌和通气所所消耗的的动力良好的传热性能设置有效效的消泡沫装装置必要和可可靠的监测及控控制仪表表47间歇发酵酵罐48发酵罐的的设计要要求49发酵罐型型式按搅拌和通通气的能能量输入入方式可分为机械搅拌拌式外部液体体循环式式空气喷射射提升式式50机械搅拌拌式51外部液体体循环式式52空气喷射射提升式式53常用发酵酵罐机械搅拌拌式发酵酵罐自吸式发发酵罐气升式发发酵罐塔式发酵酵罐54机械搅拌拌式发酵酵罐机械搅拌拌压缩空气气通气装装置55机械搅拌拌式发酵酵罐主要组成成部件罐体-1搅拌装置置-2传热装置置-4通气装置置-7传动机构构-656罐体组成圆筒形筒身身上下两个椭椭圆形封头头几何尺寸比比例H/D=1.7~3；d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12；；B/D=0.8~1s/d=1.5~2.5(2);s/d=1~2(3)发酵罐的公称容积V0为筒身部分分容积Vc和底封头容容积Vb之和，即V0=Vc+Vb实际装料量量V=η0V0;η0是装料系数数，0.7~0.8V=（0.7~0.8）V057罐体接管和接口口冷却水、给给排气、取取样、放料料、接种、、消泡剂、、酸、碱等等工艺接管管视镜、仪表表等接口材料不锈钢钢板板或复合不不锈钢板以保证罐内内培养液清清洁和壁面面光滑压力容器用用钢强度能承受灭菌菌蒸汽的压压力和温度度58搅拌装置采用圆盘涡轮式式搅拌器配置2-3个搅拌器器有利于液体体本身的混混合及气液液和液固之之间的混合合改善传质和和传热有助于氧的的溶解59通气装置将无菌空气导导入罐内的装装置单孔管单孔管的出出口位置正下方开口向下60传热装置发酵过程中中发酵液产产生热量最适宜培养养温度冷却水导出部分热热量发酵罐的传传热装置有有夹套和蛇蛇管61机械消末装装置发酵过程中中，由于发发酵液中含含有大量蛋蛋白质等发发泡物质，，在强烈的的通气搅拌拌下将产生生大量泡沫沫消除发酵液液泡沫消泡剂(天天然油脂、、聚醚类、、硅类、高高碳醇)机械消泡装装置62耙式消泡桨桨消泡桨安装装于搅拌轴轴上，与轴轴同转，齿齿面略高于于液面，消消泡桨直径径约为罐径径的0.8~0.9当少量泡沫沫上升时，，如果泡沫沫的机械强强度较小，，耙齿可把把泡沫打碎碎。63封闭式涡轮轮消泡桨尺寸消沫器直径径约为罐径径的1/2安装涡轮轮消消沫沫器器直直接接安安装装于于搅拌拌轴轴上，，由由于于搅搅拌拌轴轴转转速速太太低低效效果果不不佳佳下伸伸轴轴发发酵酵罐罐，，罐顶顶安安装装，涡涡轮轮轴轴高高速速旋旋转转工作作过过程程泡沫沫直直接接被被涡涡轮轮打打碎碎，，或或被被涡涡轮轮抛抛出出撞撞击击到到罐罐壁壁而而破破碎碎64自吸吸式式发发酵酵罐罐不需需空空气气压压缩缩机机自吸吸入入空空气气的的生生物物反反应应器器65自吸吸式式发发酵酵罐罐的的形形式式形式式叶轮轮和和导导轮轮自吸吸入入式式发发酵酵罐罐喷射射自吸吸式式反反应应器器文丘丘里里管管反应应器器共同同特特点点:利用用特殊殊转转子子或喷射射器器或文丘丘里里管管所形形成成的的负压压，将将空空气气从从外外界界吸吸入入66文氏氏管管的的原原理理文氏氏管管的的原原理理把气气流流由由粗粗变变细细，，以以加加快快气气体体流流速速，，使使气气体体在在文文氏氏管管出出口口的的后后侧侧形形成成一一个个““真真空空””区区。。当当这这个个真真空空区区靠靠近近工工件件时时会会对对工工件件产产生生一一定定的的吸吸附附作作用用67自吸吸式式发发酵酵罐罐的的优优点点节约约了了空空气气净净化化系系统统中中的的空空气气压压缩缩机机、、冷冷却却器器、、油油水水分分离离器器、、空空气气贮贮罐罐等等设设备备，，减减少少占占地地面面积积可减少少发发酵酵设设备备投投资资约30%左左右右发酵酵总总动动力力消消耗耗比比通通用用式式低低68自吸吸式式发发酵酵罐罐的的缺缺点点必须须采采用用高高效