第四章-化学制药反应器

第四章化学制药反应器

反应过程及反应器在生产中重要性

制药工业的生产过程由一系列化学反应与物理处理过程有机地组合而成的。以氯霉素工艺为例化学反应过程是生产过程的中心，反应器是关键设备。

第一节反应器基础

一、化学反应器的分类1.按物料的聚集状态分

均相：气相、液相非均相：g-l相、

g-s相、l-l相、l-s相、

g-l-s相实质是按宏观动力学特性分类，相同聚集状态反应有相同的动力学规律。2.据反应器结构分

（a）管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式塔；（d）填料塔；（e)鼓泡塔；（f）喷雾塔；（g）固定床反应器；（h）流化床反应器；（i）移动床反应器；（j）滴流床反应器

实质是按传递过程的特征分类，相同结构反应器内物料具有相同流动、混和、传质、传热等特征。

3.根据温度条件和传热方式分类(1)根据温度条件分：等温、非等温式反应器(2)

根据传热方式分绝热式：不与外界进行热交换外热式：由热载体供给或移走热量又有间壁传热式、直接传热式、外循环传热式之分。蒸发传热式：靠挥发性反应物、产物、溶剂的蒸发移除热量。4.按化学反应器的操作方式分

（1）分批(或称间歇)式操作一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物料的生产过程。属非定态过程，反应器内参数随时间而变。适用：小批量、多品种的生产过程。（2）半分批(或称半连续)式操作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。属于非定态过程，反应器内参数随时间而变，也随反应器内位置而变。（3）连续式操作

连续加入反应物料和取出产物的生产过程。属定态过程，反应器内参数不随时间而改变，适于大规模生产。二、反应器计算的内容和基本方程式

（一）反应器计算的基本内容

1.选择合适的反应器型式

2.确定最佳操作条件

3.计算完成生产任务所需的反应器体积

（二）反应器计算的基本方程反应器计算可以采用经验法和数学模型法。经验计算法是根据已有的装置生产定额，进行相同生产条件、相同结构生产装置的工艺计算。局限性很大，只能在相近条件下进行反应器体积的估算。数学模型法计算的基础是描述化学过程本质的动力学模型以及反映传递过程特性的传递模型。基本方法是以实验事实为基础，建立上述模型，并建立相应的求解边界条件，然后求解。

反应器计算的基本方程包括：描述浓度变化的物料衡算式；描述温度变化的能量衡算式；描述压力变化的动量衡算式；描述反应速率变化的动力学方程式。

1.物料衡算式依据：质量守衡定律。基准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。衡算式：对任一组分A在单元时间Δτ、单元体积ΔV内：[A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量]目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。2.热量衡算式依据：能量守衡定律。基准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。衡算式：在单元时间Δτ、单元体积ΔV内（以放热反应为例）：

[积累的热量]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量]-[出料带走的热量]-[传给环境或热载体的热量]目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。3.动量衡算式动量衡算式以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化。当气相流动反应器的进出口压差很大，以致影响到反应组分浓度时，就要考虑流体的动量衡算。一般情况下，反应器计算可以不考虑此项。

4.动力学方程式对于均相反应，需要有本征动力学方程；对于非均相反应，应该有包括相际传递过程在内的宏观动力学方程。物料衡算式和动力学方程式是描述反应器性能的两个最基本的方程式。

第二节间歇操作釜式反应器

一、化学反应器的分类1.按物料的聚集状态分

均相：气相、液相非均相：g-l相、

g-s相、l-l相、l-s相、

g-l-s相实质是按宏观动力学特性分类，相同聚集状态反应有相同的动力学规律。釜式反应器的结构

釜式反应器是生产中广泛采用的反应器。它可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。釜式反应器的结构,主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分组成。1.釜体结构壳体结构包括筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。2.搅拌器作用：使物料混和均匀，强化传热和传质。种类：桨式、推进式、涡轮式、框式、锚式、螺带式等选择依据：主要根据物料性质、搅拌目的及各种搅拌器的性能特征来进行。3.轴封静止的搅拌釜封头和转动的搅拌轴之间设有搅拌轴密封装置，简称轴封，以防止釜内物料泄漏。轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。4.换热装置换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之符合工艺要求的温度条件的设备。其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式等，也可用直接火焰或电感加热。特点:

1.由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2.具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3.物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。二、BR容积和数量求算4.釜内各点物料的浓度、温度、反应速度相同，随时间而变。touttout/2CA,OCA,outCAttime0优点：

操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定应用：用于液—液相、气—液相等系统，如染料、医药、农药等小批量多品种的行业。一、已知条件1.每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0）或V0=FA0/CA0=W0/ρ2.操作周期——由反应时间（生产时间）τ和非生产时间τ‘组成。反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情况定。3.设备装料系数——设备中物料所占体积与设备实际容积之比，其值参见经验数据。二、计算方法1.已知V0与，根据已有的设备容积V，求算需用设备个数n按设计任务每天需要操作的总次数为每个设备每天能操作的批数为

则需用设备个数为：n’需取整数n，n＞n’。因此实际设备总能力比设计要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示，则：

2.已知每小时处理物料体积V0与操作周期，则需要设备的总容积为：求得设备总容积后，可查得系列设备标准选用决定设备的容积V和个数n。三、设备之间的平衡

1.什么情况下要求设备平衡？当产品由多道工序经间歇釜反应而制得时会存在设备平衡问题。如不平衡时，会出现前工序操作完了要出料，后工序却不能接受来料；或者，后工序待接受来料，而前工序尚未反应完毕的情况。这时将大大延长辅助操作的时间。2.反应釜之间平衡的条件?为了便于生产的组织管理和产品的质量检验，通常要求不同批号的物料不相混。各道工序每天操作的批次相同，即为一常数。3.如何根据平衡条件确定各工序反应器的大小和数量？确定主要反应工序的设备体积、数量及每天操作批数；使其它工序的α值都与其相同，确定各工序的设备体积与数量。例题讲解第三节连续操作釜式反应器和半间歇操作釜式反应器

连续操作釜式反应器的结构和间歇操作釜式反应器相同。进出物料的操作是连续的，即一边连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应产物引出反应器。这样的流动状况很接近理想混合流动模型或全混流模型。tresidencetime反应器内，物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。CA,inCA,outCAttime0tCA,OCA,outCAxposition0优点：容易自动控制，操作简单，节省人力。稳定性好，操作安全。缺点：在低浓度下进行反应。适用：产量大的产品生产，特别适宜对温度敏感的化学反应。流入量=流出量+反应量+累积量0进口中已有A取整个反应器为衡算对象一、单个连续操作釜式反应器（1－CSTR）

二、半分批操作的几种形式半分批操作由于其特殊功能，广泛用于精细化工生产中。(a)主要适应于以下几种情况：可以在沸腾温度下进行的强烈放热反应；要求严格控制反应物A的浓度；B浓度高，A和R浓度低对反应有利的场合；可逆反应。(b)主要适用于以下情况：要求严格控制反应器内A的浓度；保持在较低温度下进行的放热反应；A浓度低、B浓度高对反应有利的情况。(c)可以严格控制A、B的加料比例，而且可以保持A和B都在较低的浓度下进行，适合于A、B浓度降低对反应有利的场合。(d)既能满足A、B的比例要求，又能保持A、B在反应过程中的高浓度，对可逆反应尤其合适。

一、搅拌目的使物料混和均匀，强化传热和传质。包括：均相液体混合；液-液分散；气-液分散；固-液分散；结晶；固体溶解；强化传热等第四节釜式反应器的搅拌器二、常用搅拌器的型式、结构和特点化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置，包括搅拌器：包括旋转的轴和装在轴上的叶轮；辅助部件和附件：包括密封装置、减速箱、搅拌电机、支架、挡板和导流筒等。搅拌器是实现搅拌操作的主要部件，其主要的组成部分是叶轮，它随旋转轴运动将机械能施加给液体，并促使液体运动。

1.桨式搅拌器由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。桨式搅拌器的转速较低，一般为20～80r／min。桨式搅拌器直径取反应釜内径Di/3～2/3，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。桨式搅拌器适用于流动性大、粘度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。

2.涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min。涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌产生很强的径向流。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。

3.推进式搅拌器推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。推进式搅拌器直径约取反应釜内径Di的1/4～1/3，300～600r／min，搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。

4.框式和锚式搅拌器框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅动物料量大。如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/3～9/10，50～70r／min。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的搅拌器能产生良好的热传导。这类搅拌器常用于传热、晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌。

5.螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来。螺带的高度通常取罐底至液面的高度。螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低，通常不超过50r/min，产生以上下循环流为主的流动，主要用于高粘度液体的搅拌。

三、搅拌附件搅拌附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件，如挡板、导流筒等。1.挡板：目的是为了消除切线流和“打漩”。一般为2-4块，且对于低速搅拌高粘度液体的锚式和框式搅拌器安装挡板无意义。2.导流筒目的是控制流型（加强轴向流）及提高混合效果。不同型式的搅拌器的导流筒安置方位不同。

四、搅拌器的选型主要根据物料性质、搅拌目的及各种搅拌器的性能特征来进行。1.按物料粘度选型对于低粘度液体，应选用小直径、高转速搅拌器，如推进式、涡轮式；对于高粘度液体，就选用大直径、低转速搅拌器，如锚式、框式和桨式。2.按搅拌目的选型对低粘度均相液体混合，主要考虑循环流量。各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列：推进式、涡轮式、桨式。对于非均相液-液分散过程，首先考虑剪切作用，同时要求有较大的循环流量。各种搅拌器的剪切作用按从大到小的顺序排列：涡轮式、推进式、桨式。一、换热装置换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之符合工艺要求的温度条件的设备。其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式等，也可用直接火焰或电感加热。第五节釜式反应器的传热

1.夹套式夹套是套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器，既简单又方便。

夹套的高度取决于传热面积，而传热面积由工艺要求确定。夹套高度一般应比釜内液面高出50－100mm左右，以保证传热。当反应器的直径