《制药设备与工艺设计》第章2

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

7

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搅拌反应器的的结构三大部分组成成：搅拌装置轴封搅拌罐传动装置搅拌轴搅拌器轴封罐体夹套人孔压出管11夹套反应器罐罐体尺寸示意意罐体尺寸确定定12罐体尺寸确定定◆高径比●确定罐体高径径比的考虑因因素＊从减少搅拌功率的角度考虑，，高径比可取取得大一些。＊从传热角度看，希望高径径比可取得大一些；当容积一定定时，高径比比大、罐体就就高，盛料部部分表面积大大、传热面积积也就大。＊要考虑物料的的状态，对发酵类物料，为了使通入入罐内的空气气与发酵物料料充分接触，，高径比应取取得大一些。13◆直径及高度确确定●装料系数若物料在反应应过程中产生生泡们沫或呈呈沸腾状态，，取装料系数数0.6～0.7；若物料反应较较平稳，则取取装料系数0.8～0.85。●直径及高度确确定1、在初步确确定H/Di后，可先忽忽略封头的容容积，近似计计算出罐体的的容积。14≈得2、将上式计计算的结果圆圆整为标准直直径，再代入入下式中克计计算出罐体的的高度V0:物料体积Vk:封头体积15反应釜的高径径比液-固相、液液－液相1～1.3一般搅拌罐气气－液相1～2发酵罐类发发酵液1.7～2.5在确定反应釜釜直径及高度度时还应根据据反应釜操作作时所允许的的装料程度一一装料16传热装置◆夹套可拆卸的夹套套不可拆卸的夹夹套17◆蛇管蛇管结构18工艺接管◆进料管进料管结构19◆出料管下部出料管上部出料管20搅拌器搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，，是搅拌反应应器的关键部部件功能是提供过过程所需要的的能量和适宜宜的流动状态态。21流型搅拌器旋转时时把机械能传传递给流体，，在搅拌器附附近形成高湍动的充分分混合区，并产生一股股高速射流推推动液体在搅搅拌容器内循循环流动这种循环流动的途途径称为流型。流型的影响因因素搅拌器的形式式搅拌容器和内构件几何特特征流体性质搅拌器转速22三种基本流型型搅拌机顶插式式中心安装的的立式圆筒的的三种基本流型型径向流轴向流切向流23径向流流体的流动方方向垂直于搅拌轴，沿沿径向流动，，碰到容器壁壁面分成两股流体分别别向上、向下下流动，再回到叶端端，不穿过叶叶片，形成上、下两个循循环24轴向流流体的流动方方向平行于搅拌轴，流流体由叶桨推推动，使流体体向下流动，，遇到容器底底面再翻上，，形成上下循环流。25切向流无挡板的容器器内，流体绕轴作旋转运运动，流速高时的的液体表面会会形成漩涡，这种流型称称为切向流混合效果很差差26三种流型同时时存在轴向流与径向流对混合起主要要作用切向流应加以抑制挡板可削弱切向流流,增强轴轴向流和径向向流27搅拌器在容器器内的安装方方式除中心安装的的立式圆筒不同方式安装装的搅拌机产产生的流型各各不相同28按流体流动形形态轴向流搅拌器器径向流搅拌器器混合流搅拌器器按搅拌器结构构按搅拌的用途途搅拌器分类29按流体流动形形态分类30常用搅拌器及及流型示意浆式、推进式式、涡轮式和和锚式搅拌器器在搅拌反应应设备中应用用最为广泛，，据统计约占搅搅拌器总数的的75％～80％。31按搅拌器结构构分类采用平叶和折折叶的搅拌器器桨式涡轮式框式锚式采用螺旋面叶叶的搅拌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用于低黏流体体的搅拌器推进式长薄叶螺旋桨桨式圆盘涡轮式用于高黏流体体的搅拌器锚式框式螺旋桨式螺带式按搅拌用途分分类36根据搅拌过程程的特点和主主要控制因素素进行选型搅拌器选型37挡板导流筒筒搅拌附附件的的作用用改善反反应器器内流流体的的流动动状态态改变径径向流流,提提高高混合合效果果保护搅搅拌器器减少剧剧烈旋旋转的的液体体结合合漩涡涡作用用对搅搅拌轴轴产生生冲击击作用用搅拌器器附件件38安装4块挡挡板，，其宽宽度为为容器器直径径的1/12~1/10。传热蛇蛇管可代替替挡板板（垂直换换热管管时可不不再安安装挡挡板））挡板39避免旋旋涡现现象，，增大大被搅搅拌液液体的的湍流程程度切向流流动变变为轴向和和径向向流动动，强化化反应应器内内液体体的对对流和和扩散散，改改善搅搅拌效效果。。搅拌反反应器器的挡挡板结结构挡板的的作用用40上下开开口圆圆筒，安装装于容容器内内，在在搅拌拌混合合中起起导流流作导流筒筒的直直径约约为容容器直直径的的70%涡轮式式或桨桨式搅搅拌器器，导流流筒置置于桨桨叶的的上方方推进式式搅拌拌器，导流流筒套套在桨桨叶外外面导流筒筒41机械搅搅拌反反应器器的传传动装装置1—电电动机机；2—减减速器器；3—联联轴器器；4—机机座；；5—轴轴封装装置；；6—底底座；；7—封封头；；8—搅搅拌轴轴；传动装装置423.2发发酵设设备433.2发发酵设设备发酵的的操作作过程程发酵罐罐的设设计要要求常用发发酵罐罐机械搅搅拌式式发酵酵罐自吸式式发酵酵罐气升式式发酵酵罐塔式发发酵罐罐44什么是是发酵酵生物化化学中把酵酵母的的无氧氧呼吸吸过程程称作作发酵酵微生物物生理理学：有机机物被被生物物体氧氧化降降解成成氧化化产物物并释释放能能量的的过程程工业生生产上笼统统地把把一切切依靠靠微生生物的的生命命活动动而实实现的的工业业生产产均称称为““发酵酵”发酵的的菌种种—微微生物物，包包括细细菌、、病毒毒、真真菌以以及一一些小小型的的原生生动物物等在在内的的一大大类生生物群群体45什么是是酵母母一种单单细胞胞真菌,在有氧和和无氧氧环境境下都能能生存存,属属于兼兼性厌厌氧菌菌有氧气气的环境境中，，酵母母菌将将葡萄萄糖转转化为为水和和二氧氧化碳碳无氧的条件件下，，将葡葡萄糖糖分解解为二二氧化化碳和和酒精C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+2ATP(放出出能量量:118kJ/mol)酿酒过程中中，乙乙醇被被保留留下来来烤面包包或蒸蒸馒头头的过程程中，，二氧氧化碳碳将面面团发发起，，而酒酒精则则挥发发46发酵罐罐的操操作和和设计计要求求气-液液接触触浓度的的在线线检测测混合传热泡沫控控制营养物物或控控制pH用用的试试剂的的加入入结构可可靠良好的的气液接接触和和液固固混合性能减少机械搅搅拌和通气气所消消耗的的动力良好的的传热性能设置有有效的的消泡沫沫装置置必要和和可靠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罐体组成圆筒形筒筒身上下两个个椭圆形形封头几何尺寸寸比例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)发酵罐的的公称容积积V0为筒身部部分容积积Vc和底封头头容积Vb之和，即即V0=Vc+Vb实际装料料量V=η0V0;η0是装料系系数，0.7~0.8V=（（0.7~0.8）V057罐体接管和接接口冷却水、、给排气气、取样样、放料料、接种种、消泡泡剂、酸酸、碱等等工艺接接管视镜、仪仪表等接接口材料不锈钢钢钢板或复复合不锈锈钢板以保证罐罐内培养养液清洁洁和壁面面光滑压力容器器用钢强度能承受灭灭菌蒸汽汽的压力力和温度度58搅拌装置置采用圆盘涡轮轮式搅拌拌器配置2-3个搅搅拌器有利于液液体本身身的混合合及气液液和液固固之间的的混合改善传质质和传热热有助于氧氧的溶解解59通气装置置将无菌空气气导入罐内的的装置单孔管单孔管的的出口位位置正下方开口向下下60传热装置置发酵过程程中发酵酵液产生生热量最适宜培培养温度度冷却水导出部分分热量发酵罐的的传热装装置有夹夹套和蛇蛇管61机械消末末装置发酵过程程中，由由于发酵酵液中含含有大量量蛋白质质等发泡泡物质，，在强烈烈的通气气搅拌下下将产生生大量泡泡沫消除发酵酵液泡沫沫消泡剂(天然油油脂、聚聚醚类、、硅类、、高碳醇醇)机械消泡泡装置62耙式消泡泡桨消泡桨安安装于搅搅拌轴上上，与轴轴同转，，齿面略略高于液液面，消消泡桨直直径约为为罐径的的0.8~0.9当少量泡泡沫上升升时，如如果泡沫沫的机械械强度较较小，耙耙齿可把把泡沫打打碎。63封闭式涡涡轮消泡泡桨尺寸消沫器直直径约为为罐径的的1/2安装涡轮消沫沫器直接接安装于于搅拌轴上，由于于搅拌轴轴转速太太低效果果不佳下伸轴发发酵罐，，罐顶安装装，涡轮轴轴高速旋旋转工作过程程泡沫直接接被涡轮轮打碎，，或被涡涡轮抛出出撞击到到罐壁而而破碎64自吸式发发酵罐不需空气气压缩机机自吸入空空气的生生物反应应器65自吸式发发酵罐的的形式形式叶轮和导导轮自吸入式式发酵罐罐喷射自吸式反反应器文丘里管管反应器共同特点点:利用特殊转子子或喷射器或文丘里管管所形成的的负压，将空气气从外界界吸入66文氏管的的原理文氏管的的原理把气流由由粗变细细，以加加快气体体流速，，使气体体在文氏氏管出口口的后侧侧形成一一个“真真空”区区。当这这个真空空区靠近近工件时时会对工工件产生生一定的的吸附作作用67自吸式发发酵罐的的优点节约了空空气净化化系统中中的空气气压缩机机、冷却却器、油油水分离离器、空空气贮罐罐等设备备，减少少占地面面积可减少发酵酵设备投投资约30%左右发酵总动动力消耗耗比通用用式低68自吸式发发酵罐的的缺点必须采用用高效率率、低阻阻力的空气除菌菌装置用于无菌要求求较低的醋酸和和酵母的的发酵生生产中不适用于于对剪切切作用敏敏感的微生物物的发酵酵69气升式发发酵罐70工作原理理利用空气气喷嘴喷出250~300m/s高高速的空空气，空空气以气气泡形式式分散于于液体中中，使平平均密度度下降；；在不通通气一侧侧，因液液体密度度较大，，与通气气侧的液液体产生