制药工程与设备专家讲座

制药工程与设备教材：《制药工程原理与设备》，姚日生主编，高等教育出版社参考书：1、《化学反应工程》（第2版），陈甘棠主编，化学工艺出版社2、《药厂反应设备及车间工艺设计》（第1版），蒋作良主编，中国医药科技出版社3、《高等制药分离工程》，李淑芬等主编，化学工业出版社4、《制药工程导导论》，白鹏主编，化学工业出版社5、《制药设备与工程设计》朱红吉等主编，化学工业出版社6、《工艺药剂学》，张汝华等主编，中国医药科技出版社7、《生化反应动力学与反应器》第二版戚以政汪叔雄编著化学工业出版社8、《化工设计》，陈声宗主编，化学工艺出版社9、《厂洁净室--设计、运行与GMP认证》，许钟麟主编，同济大学出版社

蔡雄辉/2/22制药工程与设备专家讲座第1页药品生产方法：目标药品工艺步骤（以《制药工艺学》为基础）工艺条件反应器分离工程（《制药分离工程》为确保）制剂工程制药工程（分子结构、光学构象）GMP制药工程与设备专家讲座第2页绪论

一、制药工程概念

制药工程是应用化学合成或生化反应以及各种分离单元操作，实现药品工业化生产工程技术，它包含化学制药、生化制药和中药制药。它探索和研究制造药品基本原理，制药新工艺，新设备，以及在药品生产全过程中怎样符合GMP（药品生产质量管理规范）要求进行研究、开发、设计、放大与优化。制药工程与设备专家讲座第3页原料药生产＋制剂生产（广义）原料药生产（狭义）制药工程二、制药工程内容

制剂生产药品生产反应过程分离过程化学反应生化反应含量低（工序，加工工业）（过程，过程工业）（上游)（下游)（微生物发酵、酶催化，基因工程）稳定性差3产品质量要求高GMP制药工程与设备专家讲座第4页数据1：

原料药生产分离纯化费用占产品总成本百分比普通在50～70％。化学合成药分离纯化成本普通是合成反应成本费用1～2倍，抗生素分离纯化成本费用约为发酵部分3～4倍；基因工程药品分离纯化费用占总成本80~90%。数据2：

抗生素质量百分含量为1～3％；酶为0.1～0.5％；单克隆抗体不超出0.0001％。制药工程与设备专家讲座第5页第一篇反应过程与设备

反应器主要性：关键设备，其结构、操作方式、操作条件影响转化率、质量、成本等。反应动力学是反应工程学基础理论之一，主要研究化学反应过程速率及其影响原因。它包含两方面内容：第一是本征动力学（微观动力学）；第二是宏观动力学（反应器动力学）。

反应器性能由：传递特征；设计与放大；优化与控制三个方面决定。序言制药工程与设备专家讲座第6页反应器相态均相非均相操作方式设备特征结构型式温度调整方式气相、液相气－固相、液－固相等釜式、管式、塔式、流化床间歇、连续、半连续等温、变温、绝热反应器分类：（外部条件）（本身特点））制药工程与设备专家讲座第7页第一章反应器基本理论

一、基本反应器型式1.间歇操作搅拌釜

制药工程与设备专家讲座第8页2.连续操作管式反应器

制药工程与设备专家讲座第9页3.连续操作搅拌釜

制药工程与设备专家讲座第10页二、操作反应器流动特征——返混

1．两个个概念停留时间：它是指反应物从进入反应器时刻起算到他们离开反应器时刻为止在反应器内共停留了多少时间。

思索：1.停留时间对反应结果影响？平均停留时间＝V有效容积/反应器内物料体积流量2.上述三种反应器停留时间特征？停留时间分布：在连续反应器中，同时进入反应器物料粒子，有很快就从出口流出，有则经很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定分布，称之为停留时间分布。

制药工程与设备专家讲座第11页2.停留时间分布（1）年纪分布：从进入反应器瞬间开始计算年纪，到所考虑瞬间为止，反应器内物料粒子，有已经停留了1S，有已经停留了10S……。这些不一样年纪物料粒子混在一起，形成了一定分布。称之为年纪分布。————以某瞬间反应器内全部物料粒子为研究对象（2）寿命分布：从进入反应器瞬间开始计算寿命，到所考虑瞬间为止，在反应器出口物料粒子中，有在器内已经停留了5S，有已经停留了8S……。这些不一样寿命物料粒子在出口混在一起，形成了一定分布。称之为寿命分布。————以某瞬间反应器出口物料粒子为研究对象制药工程与设备专家讲座第12页（4）返混：返混是时间概念上混合，是反应器内不一样停留时间物料粒子之间混合，它与停留时间分布联络在一起，有返混就必定存在停留时间分布；反之，如没有停留时间分布，则不存在返混。（3）年纪分布与寿命分布存在一定联络，普通都是试验测定寿命分布。以后停留时间分布测定都是测定寿命分布。思索：返混对化学反应影响？制药工程与设备专家讲座第13页

三、理想反应器（依据流动情况）依据返混程度大小，将流动情况分为：1.平推流2.全混流3.中间流

四、反应器特征考查方法1.物料衡算

制药工程与设备专家讲座第14页2.热量衡算

制药工程与设备专家讲座第15页第二节等温等容过程反应器

一、反应速度及其表示式

或通惯用于均相反应速率方程有两类，双曲函数型和幂函数型，双曲型速率式通常由所设定反应机理而导得，幂函数型速率方程则是直接由质量作用定律出发。对于不可逆反应制药工程与设备专家讲座第16页（2）

a和b值是凭试验取得，它既与反应机理无直接关系，也不等于各组分计量系数，只有当反应方程式为基元反应时，它才与计量系数相等。

（1）式中：a和b分别是反应对组分A和B反应级数，这些指数代数和称为总反应级数，它表明反应速率对各组分浓度敏感程度，a和b越大，则组分A和B浓度对反应速率影响越大。制药工程与设备专家讲座第17页（3）a和b只能在其试验范围内应用，可为任何数，但总反应级数在数值上极少到达3。更不可能大于3。

（4）式中为速率常数，或称为比反应速率，按定义，它与除反应组分浓度外其它因数相关，如温度、压力、催化剂及其浓度或所用溶剂等。

k0为指前因子或频率因子；E为反应活化能，因次为J/mol；R为通用气体常数（R=8.314J/mol·K）。严格来说，频率因子是温度函数，它与Tn成正比，但它较之指数项而言，其受温度影响不显著，能够近似看成与温度无关。制药工程与设备专家讲座第18页二、间歇釜式反应器

1．

等温操作反应时间微元时间内反应掉组分A摩尔数＝微元时间内组分A降低摩尔数制药工程与设备专家讲座第19页上式即为间歇釜式反应器基础设计式。对于液相反应，反应前后物料体积改变不大，可视为等容过程，则上式变为：

因为定容过程有以下关系

制药工程与设备专家讲座第20页代入基础设计式有若反应物原始浓度以及反应速度与转化率或浓度关系已知，则利用以上各式，即可求得到达一定转化率所需反应时间。

如，对于一级反应有代入积分有制药工程与设备专家讲座第21页讨论从上式能够看出只要起始浓度相同，到达一定转化率所需反应时间，只取决于反应速度，而与处理量无关，所以在进行间歇釜式反应器放大时，只要确保放大后反应速度与小试时相同，就能够实现高倍数放大。制药工程与设备专家讲座第22页2.反应器容积

设反应时间为τ，加料、出料及清洗等辅助时间为τ‘，

则每批操作所需要时间为τ＋

τ‘假如生产上要求单位时间处理物料量为v则每批操作需要处理物料量

这称为反应器装料容积，也称为有效容积（VR），它分为两部分：反应容积和辅助容积。实际生产，因为搅拌、发生泡沫等原因，物料不能装满，所以间歇釜容积（VT）要比有效容积大。

此比值称为装料系数，制药工程与设备专家讲座第23页三、连续管式反应器（活塞流反应器）——PFR

1.设计基础式

在管式反应器中，因为物料浓度、反应速度、温度等沿管长而改变。故取微元体积作物料衡算。

制药工程与设备专家讲座第24页进入微元体积组分A摩尔数－离开微元体积组分A摩尔数＝微元体积内反应掉组分A摩尔数

积分得

在定常态操作，FA0为常数，上式成为

制药工程与设备专家讲座第25页若进料得体积流量为v0，进料浓度为CA0，则上式化为

上式即为平推流反应器基础设计式。上式中τ称为时间空时，只有在等容过程中，它才等于平均停留时间。（为何？）在等容过程中有

上式也可写成：

制药工程与设备专家讲座第26页2.反应器容积

讨论：等容过程，间歇釜式反应器和连续管式反应器动力学区分？为何有相同基础设计式？间歇釜式反应器基础设计式

连续管式反应器基础设计式

在等容过程中，对在相同反应条件下（即k相同）同一反应，到达相同转化率，理想连续管式反应器中需要停留时间与间歇釜中需要反应时间是相同，所以，能够用间歇反应器中试验数据进行管式反应器设计与放大。

制药工程与设备专家讲座第27页对于连续管式反应器基础设计式或我们可用图形表示以下制药工程与设备专家讲座第28页四、连续釜式反应器（CSTR）

又称全混釜，其特点是物料一进入反应器，就马上与釜内物料均匀混合，而且反应器内温度、浓度等参数与出口物料参数相同，故反应器内各点速度相同，且等于出口转化率时反应速度。

反应器示意图以下：

制药工程与设备专家讲座第29页进入反应器组分A摩尔数－离开反应器组分A摩尔数＝反应器内反应掉组分A摩尔数

对定容过程有：

代入物料衡算式制药工程与设备专家讲座第30页讨论：连续釜式反应器与间歇反应釜或连续管式反应器反应容积比较。物料在反应器内平均停留时间(定容过程)，以下列图所表示，图中斜线部分面积为间歇反应釜或平推流反应器平均停留时间，全部阴影部分面积表示是全混流反应器平均停留时间。

制药工程与设备专家讲座第31页很显然，用点表示面积为增加平均停留时间。对同一反应，在相同条件下，到达相同转化率，全混流反应器所需要容积要大得多，所增加数值与增加面积成正比。为了克服这个缺点，能够用多釜串连方法。

五、多釜串连反应器

制药工程与设备专家讲座第32页单位时间内进入i釜摩尔数－单位时间内离开i釜摩尔数＝单位时间内在i釜中反应掉摩尔数

对于液相反应，体积流量为常数，则有：

所以能够利用上式结合反应速度方程式进行逐釜进行计算，直到抵达要求转化率为止。

对于一级反应，且各容积相等釜有

制药工程与设备专家讲座第33页第三节反应器型式及操作方式选择选取反应器型式及操作方式依据是：用一样数量原料能生产出最多产品，而且反应器容积要小。一、简单反应1.间歇反应器与平推流反应器若为等容过程，则基础设计式相同间歇反应器与平推流反应器所需容积相同，但因为间歇反应器中存在辅助时间与装料系数，所以它需要总容积较平推流反应器为大。所以对于反应时间很短，辅助时间相对较长反应来说，选取管式反应器较为适合。制药工程与设备专家讲座第34页2.间歇反应器与全混流反应器对于一级反应有：间歇反应器：全混流反应器：

如要使全混流反应器需要容积小于间歇式反应器，即满足以下条件：所以制药工程与设备专家讲座第35页由上式能够看出：当辅助时间长短超出某一值后，间歇反应釜需要容积将大于连续反应釜；对于速度很快反应，辅助时间即使很短，间歇反应釜需要容积也会大于连续反应釜，所以对于反应速度较快，辅助时间相对较长反应，不宜采取间歇操作。3.全混流反应器与平推流反应器引入容积效率＝平推流反应器所需容积/全混流反应器所需容积即制药工程与设备专家讲座第36页零级反应：一级反应：二级反应：用图形表示以下制药工程与设备专家讲座第37页4.多釜串连反应器与平推流反应器对于一级反应，N个等容积串联釜，可由多釜串联设计式求得在每一釜中停留时间为：若令平推流反应器需要容积与多釜串联反应器需要容积之比称为多釜串连反应器容器效率，则多釜串联反应器容积效率为：制药工程与设备专家讲座第38页将上式绘图以下由图可见，N=1，即单个连续釜η最小；N=∞,即当釜数为无限多时，η＝1，多釜串联总容积就等于理想管式反应器容积。当釜数少时，增加釜数，η增加较大，当釜数较多时，再增加釜数，效果越来越小。在生产中，釜数普通不超出4个。制药工程与设备专家讲座第39页总而言之，对简单反应，选择反应器型式标准：1.对零级反应，选取单个连续釜和管式反应器需要容积相同，而间歇釜因有辅助时间和装料系数，需要容积较大。2.反应级数越高，转化率越高，单个连续釜需要容积越大，可采取管式反应器。如反应热效应很大，为了控制温度方便，可采取间歇釜或多釜串连反应器。3.液相反应，反应慢，要求转化率高时，采取间歇反应釜。4.气相或液相反应，反应快，采取管式反应器。5.液相反应，反应级数低，要求转化率不高，或自催化反应，可采取单个连续操作搅拌釜。制药工程与设备专家讲座第40页二、复杂反应1.平行反应设A分解反应为一平行反应：反应速度方程式为：则选择率在一定反应温度下，k1、k2都是常数，即大，就要使大，当（即主反应级数较高）时，则CA大，R收率高，反之，时，则CA小，R收率高。制药工程与设备专家讲座第41页要使CA保持较高，可采取以下方法：①采取间歇釜或管式反应器；②采取较低单程转化率；③用浓度较高原料。要使CA保持较低，可采取以下方法：①采取全混釜，并使转化率高些；②用部分反应后物料循环，以降低进料中反应物浓度；③加入惰性稀释剂。当时，＝常数，与浓度无关，所以反应器型式不影响R收率，此时，只能靠改变反应温度或催化剂来提升R收率。制药工程与设备专家讲座第42页2.连串反应比如：若反应速度为则选择性当R是目标产物时，要使R收率高，即大，就要设法使CA大，CR小，可采取间歇釜，管式反应器或多釜串联反应器。当S是目标产物时，要使S收率高，即小，就要设法使CA小，CR大，可采取单个连续釜。

制药工程与设备专家讲座第43页3.连串—平行反应对A来说是串联反应：对B来说是平行反应：若R为目标产物，则应控制B加入速度，掌握好反应时间，使R收率最高。制药工程与设备专家讲座第44页三、全混釜与管式反应器配合使用

当反应速度随反应物浓度改变出现最大值时，最好采取全混釜使反应在反应速度最大浓度下进行，然后再用管式反应器使反应到达最终转化率，这么可使反应器需要容积最小。如自催化反应：产物R起着催化作用，所以反应速度开始伴随反应物浓度A下降而增大，到达最大值后，随A浓度下降而减小，这么，就能够先用一个全混釜使反应在最适宜CA下进行，再串联一个管式反应器，将CA降低到最终转化率要求。制药工程与设备专家讲座第45页第四节停留时间分布及其测定

一、停留时间分布数学描述

1.分布密度函数与分布函数

假如在某瞬间（τ=0）同时进入反应器N份物料，经过时间τ后，在设备出口处开始测定，测定时间段，总共测定出物料有ΔN份，则停留时间为物料占进料分率为：

制药工程与设备专家讲座第46页上式为离散型停留时间分布，假如将观察时间间隔缩短到非常小，得到将是一条连续停留时间分布曲线，以下列图所表示。

图中曲线下微小面积表示停留时间在τ和τ＋dτ之间物料占τ＝0时进料分率，其中E（τ）称为停留时间分布密度函数，

制药工程与设备专家讲座第47页显然有：

若停留时间从范围内物料占进料中分率为F（τ）表示，则F（τ）称为停留时间分布函数。它定义是针对出口物料中，已在反应器内停留时间小于τ物料在进料中所占分率。

制药工程与设备专家讲座第48页用图形表示以下制药工程与设备专家讲座第49页2.停留时间分布函数特征值

1.平均停留时间

概率中数学期望代表平均值，所以平均停留时间可用下式表示：

或平均停留时＝V有效容积/反应器体积流量

用数学期望求得平均停留时间与用VR/v求得比较，更能代表实际情况。

制药工程与设备专家讲座第50页2.方差

概率分布中，离差平方平均值称为方差，它表示随机变量取值分散程度，所以停留时间分布函数方差为：方差表示停留时间分布曲线离散程度，越大，停留时间分布越分散，返混程度越大。制药工程与设备专家讲座第51页3.以无因次时间表示停留时间分布

为了方便起见，常采取用θ表示停留时间分布。，称为无因次停留时间。此时有以下三种关系。①平均停留时间制药工程与设备专家讲座第52页②分布密度函数E（θ）与分布函数F（θ）

因为停留时间在区间内粒子，其无因次停留时间必在区间内，所以有：于是可得：制药工程与设备专家讲座第53页③方差

制药工程与设备专家讲座第54页以后将会证实，平推流（没有返混），全混流（返混最大），中间流（返混介于两种理想流型之间）。所以，用评价停留时间分布离散程度要比明确，它能够定量地描述流动情况偏离理想流动程度。制药工程与设备专家讲座第55页二、停留时间分布测定

1．脉冲法测定

当设备内物料流动到达定常态后，在某瞬间将示踪剂一次注入进料中，同时开始分析出口物料中示踪剂浓度改变。因为瞬间注入示踪剂量极少，其加入不会影响原来流况，所以示踪剂停留时间分布就是物料停留时间分布。即，所以制药工程与设备专家讲座第56页2.阶跃法测定

使物料（不含示踪剂，称为流体1）以定常流量流过反应器，自某瞬间（τ＝0）起，突然将其切换为含示踪剂浓度为C0物料（称为流体2），并保持流量不变，同时开始测定出口处示踪剂浓度随时间改变。作业：P45/15，17，19

制药工程与设备专家讲座第57页第五节流动模型与停留时间分布一、理想流动模型停留时间分布1.平推流模型有或

,

制药工程与设备专家讲座第58页2.全混流模型设反应器容积为物料体积流量为到达定常流动后，从某瞬间开始，将进料切换为含有示踪剂（浓度为C0）物料，在切换时间内，对全釜作物料衡算。进入示踪剂量－离开示踪剂量＝积累示踪剂量分离变量积分得：

制药工程与设备专家讲座第59页二、描述非理想流动得模型多釜串联模型用几个等容积全混釜得串联来模拟实际反应器中流动情况，即假设实际反应器中得返混程度与N个等容积全混釜串联时得返混程度相同，N是虚拟釜数，不一定是整数，它就是多釜串联模型模型参数。另外，多釜串联模型还假设N个虚拟釜总容积等于实际反应器容积，所以每个虚拟釜中停留时间为实际反应器中停留时间1/N。制药工程与设备专家讲座第60页对系统加入脉冲示踪剂A后，对每个釜作示踪剂物料衡算。最终可得出：其方差为：可见，当N＝1时，即为全混流模型。时，即为平推流模型

当制药工程与设备专家讲座第61页多釜串联模型E（θ）曲线多釜串联模型F（θ）曲线当实际反应器中流动情况偏离平推流或全混流模型不大时，可试验测出其停留时间分布，求出方差，取其倒数即为虚拟釜数，于是即可按多釜串联反应器公式计算转化率。制药工程与设备专家讲座第62页例：制药工程与设备专家讲座第63页制药工程与设备专家讲座第64页第二章搅拌釜式反应器

制药工程与设备专家讲座第65页第一节搅拌釜中流动与混合一、混合效果度量1.均匀度若将A、B两种液体，各取体积VA、VB置于一容器中，则容器内A、B平均浓度（体积％）分别为，；，。经过一定时间搅拌后，在容器中各处取样分析，若混合均匀，则混合液中各处A、B浓度均分别为CA0、CB0；若混合还未均匀，则各处浓度CA或大于CA0，或小于CA0；CB亦然。CA（或CB）与CA0（或CB0）相差越大，表示混合越不均匀。

制药工程与设备专家讲座第66页令：当（CA<CA0时）（当CA>CA0时）

或称为均匀度。显然，当混合均匀时I＝1；不均匀时，I<1。I偏离1越远，反应了混合越不均匀。所以，均匀度能够表示混合状态偏离均匀状态程度。若同时在混合液中各处取m个样品，分别测出CA值，求得I值，则混合液平均均匀度应为，可用来度量全部液体混合效果。制药工程与设备专家讲座第67页2.宏观均匀与微观均匀ab同一个混合状态，其均匀度是随取样尺寸而变得。就上述两种状态，就设备尺寸来说，二者都是均匀，称为宏观均匀；从微团尺度上来说，二者含有不一样均匀度；从分子尺度上来说，二者都是不均匀。只有当微团消失，才能到达分子尺度上均匀，即微观均匀。制药工程与设备专家讲座第68页二、混合机理1.总体流动——宏观均匀

2.湍动程度——微观均匀三、提升混合效果办法1.消除打旋现象（1）加设挡板全挡板条件（即使再增加附件，搅拌器功率也不会增大）即：制药工程与设备专家讲座第69页（2）偏心安装2.加设导流筒釜中设置导流筒，能够严格地控制流动方向，使釜内全部物料均经过导流筒内强烈混和区，既提升了混和效果，又有利于消除短路和死区。四、搅拌功率与混和效果为了到达宏观上均匀，必须有足够强大总体流动，即流量要足够大；为了到达小尺度上均匀，必须提升总流湍动程度，即压头要足够大。可见，为了到达一定混和效果，搅拌器必须提供足够大流量V和压头H，即必须向搅拌器提供足够功率P（P=ρgVH）。制药工程与设备专家讲座第70页影响搅拌功率几何原因有：搅拌器直径d搅拌器叶片数、形状以及叶片长度l和宽度B容器直径D；容器中所装液体高度h；搅拌器距离容器底部距离h1；挡板数目及宽度b；对于特定搅拌器，通常以搅拌器直径d为特征尺寸，而把其它几何尺寸以无因次对比变量来表示。，

······影响搅拌功率物理原因有：液体密度ρ、粘度μ、搅拌器转速n等。制药工程与设备专家讲座第71页由上述可知，对安装挡板搅拌装置，搅拌功率P应是ρ、μ、n、d以及······等函数，即

式中共含5个有因次物理量，依据定理（该过程无因次准数数目I等于变量数与基本因次数之差。此题为5－3＝2），若选定因次独立三个物理量ρ、n、d作为初始变量，利用因次分析法可将上式化为无因次形式。式中称为功率准数K；

称为搅拌雷诺数ReM。制药工程与设备专家讲座第72页对于一系列几何相同搅拌装置，对比····变量都为一常数。上式可化间为或

其中

这么，在特定搅拌装置上，由上式安排试验不难测得准数K与搅拌雷诺数关系。当流动进入充分湍流区时，即ReM>104，K为与Re无关常数。此时搅拌功率制药工程与设备专家讲座第73页搅拌器流量取决于面积速度乘积，即

而搅拌器在湍流区功率为

再由

可知

所以

在搅拌功率一定情况下，为一定值，则

将上述关系分别代入（1）中，得

制药工程与设备专家讲座第74页上式表明，在等功率条件下，采取大直径、低转速得搅拌器，更多功率消耗于总体流动，有利于宏观混和；采取小直径、高转速搅拌器，则更多功率消耗于湍动，有利于小尺度上混和五、混和时间依据研究，混和时间大致等于釜内物料循环时间4倍，即式中：混和时间

秒或小时；VR装料容积

m3；V搅拌器流量（泵送能力）m3/h或m3/s；搅拌器流量与其直径3次方和转速1次方成正比，即在湍流区，对一定几何形状桨叶，其KV值为一常数

制药工程与设备专家讲座第75页第二节搅拌器选型与放大了解相关工艺过程对于搅拌器液体流型、循环量及压头大小等方面要求，从而定出叶轮尺寸和转速大小合理配合。一、搅拌器型式a.螺旋桨式搅拌器特点：高转速，叶端圆周速度普通为5～15m/s。适合用于粘度小于2Pa•s液体搅拌。液体作轴向和切向运动，需安装挡板抑制切向圆周运动。这种流动总体流动湍动程度不高，但循环量大，所以适合用于以宏观混和为目标搅拌过程，尤其适合用于要求容器上下均匀场所。1.高转速搅拌器制药工程与设备专家讲座第76页b.涡轮式搅拌器特点：转速较高，叶端圆周速度普通为3～8m/s，适合用于粘度小于50Pa•s液体搅拌，液体作径向和切向运动，并以很高速度由出口冲出，流向壁面，分成上下两路回流入搅拌器，形成循环总体流动。必须安装挡板抑制切向圆周运动。与推进式搅拌器相比，它所造成总体流动回路较为波折，出口绝对速度大，桨叶边缘附近湍动程度大。更适应于要求小尺度均匀搅拌。制药工程与设备专家讲座第77页特点：垂直安装桨叶（平桨）可使液体沿径向和切向运动，可用于简单液体混合、固体悬浮和溶解以及气体分散。但轴向流动范围小，故当釜内液位较高时，应在同一根轴上安装几个桨叶搅拌器或于螺旋搅拌器配合使用。因径向范围大，适合用于高粘度液体搅拌。a.桨式搅拌器2.大叶片低转速搅拌器制药工程与设备专家讲座第78页b.框式和锚式搅拌器特点：其产生剪切作用很小，但搅动范围很大，不会产生死区，适合用于高粘度液体搅拌。c.螺带式搅拌器特点：因在搅拌时会产生液体轴向流动，所以混合效果较框式和锚式为好。制药工程与设备专家讲座第79页二、搅拌器选型低粘度均相液体混合普通搅拌器均可，推进式循环速率大且消耗动力少，最适用；桨式转速低，消耗功率小，但混合效果不佳；涡轮式剪切作用强，但功率消耗大。2.分散（非均相液体混合）涡轮式搅拌器剪切作用和循环速率大，用于这类操作效果最好。尤其是平直比折叶和弯叶更适当。而弯叶涡轮能够节约动力。制药工程与设备专家讲座第80页3.固体悬浮4.固体溶解低粘度液体、轻易沉降——涡轮式搅拌器（开启）固液比重差小，不易沉降——推进式固液比大或不易沉降——桨式或锚式搅拌器大量溶解——涡轮式搅拌器小量溶解——推进式制药工程与设备专家讲座第81页5.气体吸收6.传热7.高粘度操作8.结晶圆盘涡轮搅拌器小热量——夹套＋桨式搅拌器中等热量——夹套＋桨式搅拌器＋挡板大热量——蛇管＋涡轮（推进式）搅拌器＋挡板锚式或框式或螺带式小直径、高转速——小晶粒；大直径、低转速——大晶粒；制药工程与设备专家讲座第82页三、搅拌器放大保持搅拌雷诺数不变不变，即2.保持叶端圆周速度nπd不变3.保持单位体积所消耗搅拌功率P/V不变在湍流区域，，则制药工程与设备专家讲座第83页4.保持传热膜系数不变通用传热膜系数关联式为：对于采取相同流体和温度几何相同系统可得：注意：在保持传热膜系数不变情况下放大，叶端圆周速度和P/V等主要变量改变都不大，而这三者对于间歇反应器是尤为主要。制药工程与设备专家讲座第84页结论：至于详细搅拌过程终究采取哪个放大准则比较适当，需经过逐层放大试验来确定。在几个（普通为3个）几何相同大小不一样试验装置中，改变搅拌器转速进行试验，以取得一样满意生产效果，然后按上述标准判定哪个较为适用，并据此放大准则外推求出大型搅拌装置尺寸和转速等。例见书。制药工程与设备专家讲座第85页第三节搅拌功率一、均相液体搅拌功率设有一片桨叶经过液体作运动，液体与桨叶相对速度以平均速度表示，则作用于桨叶力为：

（《化工原理》，）因为故有克服此力所需功率等于力乘以平均速度：即制药工程与设备专家讲座第86页将搅拌功率除以称为功率准数，以NP表示（有时也用K表示）因为则有与流体在管道中流动类似，应与搅拌器型式和流体流动相关，所以有：制药工程与设备专家讲座第87页其中

对于一定型式搅拌器，则有此时如前节所述。依据Re大小，搅拌釜内流动情况分为层流、过渡流和湍流，假如用函数来表示，就可对每一个指定型式搅拌器功率曲线分段求出搅拌功率关联式。制药工程与设备专家讲座第88页层流区（Re<10）不一样型式搅拌器功率曲线都成直线，且斜率相同，m=-1；同一型式几何相同搅拌器，不论有没有挡板，其NP～Re在同一直线上，即挡板对搅拌功率无影响。

将与结合，有2.完全湍流区（Re>104）无挡板时，因自由表面下降成漏斗状，空气被吸入液体中，使液体密度减小，所以搅拌功率消耗降低，NP随Re增大而减小，其功率消耗可由功率曲线求得。制药工程与设备专家讲座第89页有挡板时，NP与Re无关，即NP＝K有

此时K值是在情况下测得，如实际设备中则应校正：其中

普通情况下，不论是否有挡板，层流、过渡流、湍流，搅拌功率都可有功率曲线求得。制药工程与设备专家讲座第90页二、非均相液体搅拌功率对于非均相液体，先算出平均密度和平均粘度，再按均相液体方法来计算搅拌功率。液液相搅拌a.平均密度其中代表体积分率，下标代表不一样液体。b.平均粘度当两项液体粘度均较小时：制药工程与设备专家讲座第91页2.气液相搅拌搅拌釜中通入空气，因为搅拌器周围液体密度减小，搅拌需要功率显著下降，其降低程度与通气量Q（m3/min）及循环量V（m3/min）相关。因为所以惯用通气准数来关联通气对搅拌功率影响。有下面3种方法：关联式：Na<0.035Na>0.035其中，分别代表通气与不通气时搅拌功率。

制药工程与设备专家讲座第92页b.关联图将Na准数与/标绘，可由Na查出/然后求出Pg。c.计算式：对于密度800～1650kg/m3、粘度9*10－4～0.1Pa·S，表面张力7.35～729N/m液体，有以下就算公式：，n：转速，rpm；d：搅拌器直径，m；Q：通气量，m3/min；Kg：常数，当D/d=3时，Kg＝0.157；当D/d=2.5时，Kg＝0.113；当D/d=2时，Kg＝0.101；此式适合用于涡轮搅拌器、多层搅拌器及非牛顿液体搅拌场所。制药工程与设备专家讲座第93页d.准数方程式：此式适合用于各种情况。3.固液相搅拌当固体颗粒量不大时，可近似地看作是一均一悬浮状态。取平均密度和粘度来代替原有液相密度和粘度，按均相液体搅拌进行计算。制药工程与设备专家讲座第94页平均密度：其中代表体积分率，下标代表液体和固体

平均粘度：当当液相粘度；固体颗粒于液体体积比。制药工程与设备专家讲座第95页三、非牛顿液体搅拌功率因牛顿液体服从牛顿粘性定律，即：

非流顿型液体，普通遵照Ostwald幂指数规律，即当m=1，K＝当m<1，称为假塑性液体；大多数高聚物溶液等。当m>1，称为胀塑性液体；固体含量高悬浮液等为牛顿型液体制药工程与设备专家讲座第96页按照粘度定义，对非牛顿液体仍可定义剪切应力与剪切率比值，称为表观粘度，以表示：假塑性液体，表观粘度随剪切率增大而减小；胀塑性液体，表观粘度随剪切率增大而增大。而搅拌器内平均剪切率与搅拌器转速成正比：带入上式有：用计算得到平均表观粘度带入Re中，即于是就能够利用计算牛顿液体搅拌功率关联式来求出实际介质中搅拌功率。制药工程与设备专家讲座第97页第四节搅拌釜传热一、温度对化学反应影响温度对反应速率影响由阿累尼乌斯经验式：式中活化能E不但是反应难易程度衡量，也是反应速度对温度敏感性标志。上式取对数：如将lnk对1/T作图则为一直线。制药工程与设备专家讲座第98页有以下结论：a.活化能大反应，反应速率对温度较敏感，活化能小反应，不太敏感；b.对一定反应（E值一定），低温时反应速度对温度敏感，高温时不太敏感。制药工程与设备专家讲座第99页对于简单反应，反应速度是温度、浓度函数。比如，对于简单可逆放热反应，在浓度不变情况下，伴随温度增大，反应速率增大，而当温度增大到一定程度，此时逆反应占优，总反应速率反而下降，故在浓度不变情况下，反应速率对反应温度存在一最大值，亦即存在最正确反应温度。以下列图其中任一一条曲线。假如对于浓度改变非稳态操作，假如使浓度改变，使反应温度伴随对应浓度最正确反应温度改变，则反应速率一直处于最大状态，则反应容积最小。制药工程与设备专家讲座第100页对于不可逆反应和可逆吸热反应，反应速度总是伴随温度升高而加紧，他们最正确温度也是工艺上所允许最高温度。制药工程与设备专家讲座第101页2.温度对选择性影响对平行反应：若反应速度为则选择率：可见，当E1>E2时，温度升高，选择性增大；当E1<E2时，温度升高，选择性减小。所以，提升温度有利于活化能大反应；降低温度，有利于活化能小反应。制药工程与设备专家讲座第102页二、搅拌釜传热装置夹套假如是加热介质是水蒸气，进口管应靠近夹套上端，冷凝液从底部排除；假如传热介质是液体，则进口管安排在底部。夹套高度普通应比釜内液面高出50～100mm，以确保充分传热。夹套上端开有不凝气排出口。2.蛇管当需要传热量大时，或釜体内衬有橡胶、瓷砖等隔热材料而不能采取夹套传热时，可采取蛇管传热。蛇管浸在物料中，热损失小，传热效果好。排列密集蛇管能起到导流筒和挡板作用，强化搅拌，提升传热效果。但蛇管检修麻烦，对含有固体颗粒物料和粘稠物料轻易堆积和挂料，以至于影响传热效果。制药工程与设备专家讲座第103页三、搅拌釜传热计算釜内物料与夹套（蛇管）内物料之间传热系数可由下式计算：釜侧传热膜系数普通是将包含釜侧传热膜系数努赛尔准数Nu与雷诺准数Re及普朗特准数Pr关联成以下函数式：制药工程与设备专家讲座第104页关联式中为校正项。分别为流体在釜内总体温度下与壁面温度下粘度。L为特征长度

2.夹套侧传热膜系数当夹套内通蒸汽时，蒸汽冷凝膜系数可取7500W/(m2·K)当夹套内通冷却水时，其传热膜系数可用下式计算：Re<3600Re>3600制药工程与设备专家讲座第105页3.蛇管侧传热膜系数流体在弯管内流动，因为离心力作用，扰动加速，使传热膜系数较直管内增大。可用下式计算：d——蛇管管子内径De——蛇管圈直径流体在直管内传热膜系数流体在蛇管内传热膜系数

当Re>10000、<0.002Pa·S时

其定性温度为进出口温度算术平均值。制药工程与设备专家讲座第106页当粘度较大，且Re>10000、Pr=0.5~100时

当管内走冷却介质，可取管内走加热介质，可取四.非牛顿液体传热膜系数搅拌介质为非牛顿液体时，计算传热膜系数关键在于确定被搅拌液体平均表观粘度。可由计算表观粘度。然后按计算牛顿液体相关公式进行计算。制药工程与设备专家讲座第107页第五节间歇反应釜工艺计算一、反应釜物料衡算收率＝选择性×转化率制药工程与设备专家讲座第108页二、反应釜容积与个数确实定给定VT，求n天天需要操作批数为：而天天每个反应釜可操作批数为：所以，生产过程中需用反应釜个数为：通常由上式计算nP不为整数，须圆整成整数，这么反应釜生产能力较设计要求提升了，其提升程度称为生产能力后备系数，以表示，即，后备系数通常在1.1～1.15为适当。制药工程与设备专家讲座第109页2.给定n，求VT如先确定反应釜个数，则由下式：取1.1～1.15。三、反应釜直径与高度确实定普通搅拌反应釜高度与直径之比H/D＝1.2左右。釜盖与釜底采取椭圆形封头。封头容积，不包含直边高度容积在内。则有：制药工程与设备专家讲座第110页四、设备之间平衡通常要求不一样批号物料不相混，这么就应使各道工序天天操作批数相同，即为一常数。制药工程与设备专家讲座第111页第六节连续反应釜热稳定性一、全混釜热量平衡在连续操作反应釜内，温度均一且不随时间改变，所以，能够对整个反应釜作单位时间内热量衡算。即：反应放热速率曲线为了简单起见，下面讨论一级不可逆反应放热速率曲线。由全混釜物料衡算式：和速率方程：

代入上式有制药工程与设备专家讲座第112页

代入Qr有2.除热速率曲线所以，除热速率与反应温度成直线关系，随参数值不一样，直线有不一样斜率和截距。而放热曲线为S形曲线，二者交点横坐标为稳态操作温度。伴随参数不一样，反应器可有多个稳态操作点。以下列图所表示。制药工程与设备专家讲座第113页制药工程与设备专家讲座第114页制药工程与设备专家讲座第115页第三章其它型式反应器第一节管式反应器一、管式反应器特点、型式和应用特点：普通用于连续操作，结构简单，加工方便，单位容积生产能力高，传热面积大，耐高压，易于控制管理。应用范围：普通应用于均相反应——气相和液相。型式：1.水平或垂直管式反应器2.盘管式反应器3.U型管式反应器制药工程与设备专家讲座第116页二、变温等容过程管式反应器计算1.等温等容过程管式反应器计算制药工程与设备专家讲座第117页等温等容过程反应器设计，需要联解动力学方程式和物料衡算式，而非等温反应，因为动力学方程式中反应速率伴随温度改变而改变，反应器内温度改变、与外界热量交换，需经过热量衡算才能确定。所以设计非等温过程反应器，需联解动力学方程、物料衡算式和热量衡算式。

制药工程与设备专家讲座第118页2.变温等容过程管式反应器计算对微元体积dV建立热量衡算，可得：制药工程与设备专家讲座第119页反应物经过微元体积后热量改变为：将上述各式代入热量衡算式有：制药工程与设备专家讲座第120页此即平推流管式反应器热量衡算普通式。对于等温过程dT=0，有对于绝热过程现讨论绝热过程管式反应器容积计算方法。假设在反应器中，过程转化率从改变到，对应于物料温度从假如忽略反应过程中物料摩尔数改变，则上式积分右边有：

改变到T，制药工程与设备专家讲座第121页令则有称为绝热温升系数，其物理意义是当物料总进料摩尔流量为1时，反应物A全部转化后使物料温度升高度数。制药工程与设备专家讲座第122页假如知道关系，结合动力学方程和物料衡算式，便可求出到达一定转化率所需管式反应器容积。三、等温变容过程管式反应器计算对于变容过程，普通总压改变不大，故能够视为定压过程①膨胀因子对于反应：（均为气相）当τ＝0时nA0nB000当τ＝τ时nAnBnRnS故τ＝0时反应前物系总摩尔数为制药工程与设备专家讲座第123页而τ＝τ时反应前物系总摩尔数为若令则则称为膨胀因子，其物理意义是当改变1mol组分A时，引发物系摩尔总数增加或降低值。制药工程与设备专家讲座第124页②等