第2章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)

1、e-mail: Phone:orkroom: 第九教學(xué)樓第九教學(xué)樓310制藥工程原理與設(shè)備制藥工程原理與設(shè)備Principle and Equipment of Pharmaceutical Engineering第二章第二章 制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)第一節(jié) 藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程基礎(chǔ)藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程基礎(chǔ)1第二節(jié)第二節(jié) 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)2第三節(jié)第三節(jié) 生物反應(yīng)設(shè)備生物反應(yīng)設(shè)備3第四節(jié)第四節(jié) 生物反應(yīng)器的設(shè)計與放大生物反應(yīng)器的設(shè)計與放大4Do you know?v藥物的原藥是通過化學(xué)反應(yīng)合成、生物（轉(zhuǎn)化）合成或藥物的原藥是通過

2、化學(xué)反應(yīng)合成、生物（轉(zhuǎn)化）合成或從動植物組織器官中提取分離過程獲得的。從動植物組織器官中提取分離過程獲得的。v原料藥的工業(yè)化生產(chǎn)需要借助化學(xué)與生物合成反應(yīng)以及原料藥的工業(yè)化生產(chǎn)需要借助化學(xué)與生物合成反應(yīng)以及實現(xiàn)合成反應(yīng)的設(shè)備（反應(yīng)器和與之配套的設(shè)備）和保實現(xiàn)合成反應(yīng)的設(shè)備（反應(yīng)器和與之配套的設(shè)備）和保證反應(yīng)向目標合成物及技術(shù)經(jīng)濟指標接近所需控制操作證反應(yīng)向目標合成物及技術(shù)經(jīng)濟指標接近所需控制操作該設(shè)備的參數(shù)和方法。該設(shè)備的參數(shù)和方法。v一臺攪拌釜，所用攪拌尺寸、功率都已給定，你會通過一臺攪拌釜，所用攪拌尺寸、功率都已給定，你會通過計算說明或書本知識知道為什么？如何進行工程技術(shù)放計算說明或書本知

3、識知道為什么？如何進行工程技術(shù)放大和車間工程工藝設(shè)計。大和車間工程工藝設(shè)計。 最重要的是進行反應(yīng)及提取設(shè)備的放大設(shè)計與選型放大設(shè)計與選型。Can you tell me?v對非均相反應(yīng)合成過程所用設(shè)備，對非均相反應(yīng)合成過程所用設(shè)備，（1）你認為應(yīng)該是什么樣的？）你認為應(yīng)該是什么樣的？（2）你想知道是什么樣的嗎？）你想知道是什么樣的嗎？（3）你知道為什么是這樣的嗎？）你知道為什么是這樣的嗎？ 憑經(jīng)驗和掌握的知識判斷；憑經(jīng)驗和掌握的知識判斷； 學(xué)習(xí)、進行測試；學(xué)習(xí)、進行測試； 設(shè)計方案、實驗、對比，分析研究。設(shè)計方案、實驗、對比，分析研究。2.1 藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程基礎(chǔ)藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程基礎(chǔ)2

4、.1.1 藥物化學(xué)合成工業(yè)的特點藥物化學(xué)合成工業(yè)的特點（1）藥物品種多，更新速度快；）藥物品種多，更新速度快；（2）生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，工藝流程長，生產(chǎn)成本高；）生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，工藝流程長，生產(chǎn)成本高；（3）原輔材料多；）原輔材料多；（4）質(zhì)量要求嚴格；）質(zhì)量要求嚴格；（5）產(chǎn)量不斷擴大，質(zhì)量標準不斷提高。）產(chǎn)量不斷擴大，質(zhì)量標準不斷提高。藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程的藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程的研究內(nèi)容研究內(nèi)容：反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、設(shè)計、放大反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、設(shè)計、放大反應(yīng)器優(yōu)化反應(yīng)器優(yōu)化結(jié)構(gòu)功能與結(jié)構(gòu)功能與GMP要求一致要求一致Review of Basic knowledge一、基本概念一、基本概念（一

5、）化學(xué)計量方程（一）化學(xué)計量方程 表示各反應(yīng)物和生成物在反應(yīng)過程中量的變化關(guān)系的方表示各反應(yīng)物和生成物在反應(yīng)過程中量的變化關(guān)系的方程。程。 或或 02211ssAaAaAa01siiiAa2-12-2的計量數(shù)表示iiAa2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)（二）化學(xué)反應(yīng)速率（二）化學(xué)反應(yīng)速率1、間歇系統(tǒng)：、間歇系統(tǒng)：（1）均相反應(yīng)，常用單位時間、單位反應(yīng)容積內(nèi)物質(zhì)量的）均相反應(yīng)，常用單位時間、單位反應(yīng)容積內(nèi)物質(zhì)量的變化來定義該物質(zhì)的反應(yīng)速率變化來定義該物質(zhì)的反應(yīng)速率RaSaBaAaRSBAVdtdnrAA/VdtdnrBB/VdtdnrRR/VdtdnrSS/SSRRBBAAara

6、rarar各物質(zhì)的反應(yīng)速率各物質(zhì)的反應(yīng)速率：2-32-4（二）化學(xué)反應(yīng)速率（二）化學(xué)反應(yīng)速率（2）非均相反應(yīng)：）非均相反應(yīng)：l 兩相流體系統(tǒng)：采用單位相界面面積兩相流體系統(tǒng)：采用單位相界面面積Sl 固固-液系統(tǒng)：采用單位固相表面積或催化劑內(nèi)表面液系統(tǒng)：采用單位固相表面積或催化劑內(nèi)表面S，或，或單位固體質(zhì)量或催化劑質(zhì)量單位固體質(zhì)量或催化劑質(zhì)量WSdtdnrAA/WdtdnrAA/（二）化學(xué)反應(yīng)速率（二）化學(xué)反應(yīng)速率2、連續(xù)系統(tǒng)：可表示為單位體積、單位反應(yīng)面積或單位、連續(xù)系統(tǒng)：可表示為單位體積、單位反應(yīng)面積或單位質(zhì)量固體某一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾流率變化。質(zhì)量固體某一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾流率變化。Rii

7、dVdNr/dSdNrii/dWdNrii/（三）反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)程度（三）反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)程度轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率：00KKKKKKnnnx的起始物質(zhì)的量組分已反應(yīng)掉的物質(zhì)的量組分的物質(zhì)的量為反應(yīng)后的物質(zhì)的量，為反應(yīng)前KK0KKnnKKKiiiannann00反應(yīng)程度：反應(yīng)程度：2-52-6（四）反應(yīng)速率方程（四）反應(yīng)速率方程 表示反應(yīng)速率與濃度等參數(shù)之間的關(guān)系，或表示濃度等參數(shù)與表示反應(yīng)速率與濃度等參數(shù)之間的關(guān)系，或表示濃度等參數(shù)與時間關(guān)系的方程成為化學(xué)反應(yīng)的速率方程（時間關(guān)系的方程成為化學(xué)反應(yīng)的速率方程（rate equationrate equation）。）。bBaAAckcr RTEkk

8、exp0)Kmol/(J3145. 8RRmol/JE0為摩爾氣體常數(shù)，；為反應(yīng)的活化能，稱為頻率因子；k速率常數(shù)：速率常數(shù)：2-72-8二、單一反應(yīng)二、單一反應(yīng)不可逆反應(yīng)：不可逆反應(yīng)：SaBaAaSkBAbBaASSABBAAckcaraararbBaAAAckcdtdcr0AAccbBaAAccdckt反應(yīng)速率式:對于等溫恒容均相反應(yīng)對于等溫恒容均相反應(yīng):其積分式為：2-92-102-11可逆反應(yīng)：可逆反應(yīng)：CRCAkSAAAckkcdtdcrACAAckcdtdcr均相催化反應(yīng)：均相催化反應(yīng)：2-122-13三、復(fù)合反應(yīng)三、復(fù)合反應(yīng)收率收率p：生成的目的產(chǎn)物：生成的目的產(chǎn)物P的摩爾數(shù)與反

9、應(yīng)掉的反應(yīng)組份的的摩爾數(shù)與反應(yīng)掉的反應(yīng)組份的摩爾數(shù)之比摩爾數(shù)之比AApppnnnn00得率得率Xp：生成的目標產(chǎn)物：生成的目標產(chǎn)物P的摩爾數(shù)與反應(yīng)物的起始摩爾數(shù)之比的摩爾數(shù)與反應(yīng)物的起始摩爾數(shù)之比選擇性選擇性Sp：目的產(chǎn)物：目的產(chǎn)物P所生成的摩爾數(shù)與某副產(chǎn)物所生成的摩爾數(shù)與某副產(chǎn)物S生成的摩爾數(shù)之比生成的摩爾數(shù)之比 00APPPnnnX00SSPPPnnnnS2-142-152-16由由A和和B進行均相二級不可逆反應(yīng)進行均相二級不可逆反應(yīng)A+B = S，速率方程為：，速率方程為：求：求： （1）當）當 時的積分式時的積分式 （2）當）當 時的積分式時的積分式BAtAACkCddCBABACC0

10、0BAABBACC00（1）CA與與CB之比保持恒定之比保持恒定 所以所以 積分得積分得 寫成轉(zhuǎn)化率時寫成轉(zhuǎn)化率時 BABABACCCC00AABBCC0AACCBAACCdCkt0022AAAACCCCAAAABACdCtkCdCktkkAB011AACCtk)1(10AAACtk （2） 式中：式中： 積分得積分得 )1 (0AAACC)1 ()1 (10000ABABABABBCCCCCABABBAABCC001AABCkt11ln)1 (1101 設(shè)某反應(yīng)的動力學(xué)方程為設(shè)某反應(yīng)的動力學(xué)方程為 ，當，當A的濃度為的濃度為 時，達到時，達到A的殘余濃度的殘余濃度 ，需多少時間？需多少時間？

11、解：解：slmolCrAA/35. 02lmol/1lmol/01. 0)11(35. 0135. 00200AACCAACCAACCCdCrdCtAAAAst283)1101. 01(35. 012.1.3 分批操作與釜式反應(yīng)器分批操作與釜式反應(yīng)器 反應(yīng)器是生產(chǎn)工藝過程與設(shè)計的起始中心，是化學(xué)合成、反應(yīng)器是生產(chǎn)工藝過程與設(shè)計的起始中心，是化學(xué)合成、生物發(fā)酵與轉(zhuǎn)化及反應(yīng)分離提取的關(guān)鍵設(shè)備。生物發(fā)酵與轉(zhuǎn)化及反應(yīng)分離提取的關(guān)鍵設(shè)備。 反應(yīng)器不僅關(guān)系設(shè)計方案的經(jīng)濟性，而且影響環(huán)境。反應(yīng)器不僅關(guān)系設(shè)計方案的經(jīng)濟性，而且影響環(huán)境。 制藥工業(yè)的反應(yīng)器及提取分離設(shè)備均是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，制藥工業(yè)的反應(yīng)器及提取

12、分離設(shè)備均是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，這就要求設(shè)備安全、可控。這就要求設(shè)備安全、可控。 在大的容器中，存在多種過程，任一過程可以受這些因在大的容器中，存在多種過程，任一過程可以受這些因素中的某一或多種因素的作用。素中的某一或多種因素的作用。反應(yīng)器的類型很多。反應(yīng)器的類型很多。一、反應(yīng)器種類一、反應(yīng)器種類按物料相態(tài)分類按物料相態(tài)分類(1)均相反應(yīng)器（反應(yīng)物與生成物均屬同一相）：均相反應(yīng)器（反應(yīng)物與生成物均屬同一相）：氣相、液相氣相、液相(2)非均相反應(yīng)器（反應(yīng)體系多于一相）：氣液、非均相反應(yīng)器（反應(yīng)體系多于一相）：氣液、液液、氣固、液固、氣液固液液、氣固、液固、氣液固按結(jié)構(gòu)形式分類按結(jié)構(gòu)形式分類釜式反應(yīng)器

13、、管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、流化床釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器、固定式反應(yīng)器等式反應(yīng)器、固定式反應(yīng)器等按操作方式分按操作方式分（1）分批（或稱間歇）操作反應(yīng)器）分批（或稱間歇）操作反應(yīng)器（2）連續(xù)操作反應(yīng)器）連續(xù)操作反應(yīng)器（3）半連續(xù)操作反應(yīng)器）半連續(xù)操作反應(yīng)器按流體流動及混合形式分按流體流動及混合形式分（1）平推流（活塞流、柱塞流、理想置換）平推流（活塞流、柱塞流、理想置換）（2）理想混合流）理想混合流（3）中間流型）中間流型實際反應(yīng)器實際反應(yīng)器攪拌釜式反應(yīng)器攪拌釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器（填料）塔式反應(yīng)器（填料）塔式反應(yīng)器固定床催化反應(yīng)器固定床催化反應(yīng)器固定床非催化

14、反應(yīng)器固定床非催化反應(yīng)器流化床催化反應(yīng)器流化床催化反應(yīng)器流化床催化反應(yīng)器流化床催化反應(yīng)器帶夾套的開式攪拌釜結(jié)構(gòu)示意圖帶夾套的開式攪拌釜結(jié)構(gòu)示意圖 Catalytic distillation for MTBE production J.N. Armor， Applied Catalysis A: General 222 (2001) 9199 Schematic diagram of a reactive distillation column B. Saha et al. ，Catalysis Today 60 (2000) 147157 填料填料（散堆、（散堆、規(guī)整）規(guī)整）催化劑催化劑（包

15、（包裹均散、裹均散、固著在填料固著在填料表面或表面或共燒結(jié)）共燒結(jié)）固固定定床床反反應(yīng)應(yīng)器器的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)形形式式釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用釜體一般是由鋼板卷焊而成的圓筒體，再焊上鋼制標準釜釜體一般是由鋼板卷焊而成的圓筒體，再焊上鋼制標準釜底，配上封頭、攪拌器等零部件而制成。標準釜底一般為橢底，配上封頭、攪拌器等零部件而制成。標準釜底一般為橢圓形，可用平底、半球底或錐形底等圓形，可用平底、半球底或錐形底等按釜蓋與釜體連接方式的不同，攪拌釜式反應(yīng)器可分為開按釜蓋與釜體連接方式的不同，攪拌釜式反應(yīng)器可分為開式（法蘭連接）和閉式（焊接）兩大類式（法蘭連接）和閉式（焊接）兩

16、大類罐體的內(nèi)壁可內(nèi)襯耐腐蝕材料，外壁常設(shè)有傳熱夾套，或罐體的內(nèi)壁可內(nèi)襯耐腐蝕材料，外壁常設(shè)有傳熱夾套，或內(nèi)部安裝傳熱蛇管內(nèi)部安裝傳熱蛇管在攪拌良好的下，可視為理想混合反應(yīng)器，操作靈活，適在攪拌良好的下，可視為理想混合反應(yīng)器，操作靈活，適應(yīng)性強，便于控制和改變反應(yīng)條件，尤其適用于制藥工業(yè)的應(yīng)性強，便于控制和改變反應(yīng)條件，尤其適用于制藥工業(yè)的小批量、多品種生產(chǎn)特點。小批量、多品種生產(chǎn)特點。間歇攪拌釜式反應(yīng)器間歇攪拌釜式反應(yīng)器間歇攪拌釜式反應(yīng)器內(nèi)任間歇攪拌釜式反應(yīng)器內(nèi)任一點的濃度或溫度隨反應(yīng)一點的濃度或溫度隨反應(yīng)時間而變，所以是不穩(wěn)定時間而變，所以是不穩(wěn)定操作的反應(yīng)器（操作的反應(yīng)器（Batch Ta

17、nk Reactor BTR）v攪拌裝置攪拌裝置v軸封軸封v罐體罐體v附件附件理想反應(yīng)器特點：理想反應(yīng)器特點：1、空間完全混合，各點濃度、溫度均一。、空間完全混合，各點濃度、溫度均一。2、各組分濃度隨時間而變，反應(yīng)速率也隨之而變。、各組分濃度隨時間而變，反應(yīng)速率也隨之而變。3、所有流體質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相等。（具有相同的歷、所有流體質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相等。（具有相同的歷程）程） 1. 反應(yīng)器設(shè)計的基本原理反應(yīng)器設(shè)計的基本原理根據(jù)給定的生產(chǎn)任務(wù)進行設(shè)計，使反應(yīng)器的容積、類型和操作方法最佳。通常是在反應(yīng)器的類型和操作方法（或/和條件）已經(jīng)確定的前前提提下，進行反應(yīng)體積(volume o

18、f reacting fluid)的計算；然后，結(jié)合反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物系的組成與操作條件，確定反應(yīng)器的容積(internal volume of reactor)。 三、反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)三、反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)反應(yīng)體積的計算取決于反應(yīng)速率以及組分的轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)體積的計算取決于反應(yīng)速率以及組分的轉(zhuǎn)化率。 反應(yīng)器設(shè)計通常要借助一定的數(shù)學(xué)模型，即反應(yīng)器設(shè)計通常要借助一定的數(shù)學(xué)模型，即反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率及組分轉(zhuǎn)化率等的變化關(guān)系反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率及組分轉(zhuǎn)化率等的變化關(guān)系式，即反應(yīng)器設(shè)計的基本方程。式，即反應(yīng)器設(shè)計的基本方程。包括：物料衡算式、熱量衡算式以及動量衡包括：物料衡算式、熱量衡算式以及動量衡算式

19、（對有大的壓力降過程）以及相關(guān)的反應(yīng)算式（對有大的壓力降過程）以及相關(guān)的反應(yīng)（生長）動力學(xué)方程、熱力學(xué)計算式和各種傳（生長）動力學(xué)方程、熱力學(xué)計算式和各種傳遞參數(shù)計算式等遞參數(shù)計算式等2. 反應(yīng)動力學(xué)方程反應(yīng)動力學(xué)方程對于均相反應(yīng)對于均相反應(yīng) (single-phase reaction)，反應(yīng)速度可用單位時間、單位體，反應(yīng)速度可用單位時間、單位體積的反應(yīng)物料中某一組分摩爾數(shù)的變量來表示，即積的反應(yīng)物料中某一組分摩爾數(shù)的變量來表示，即 當當A為生成物時，式取為生成物時，式取+號，表示生成速度；當號，表示生成速度；當A為反應(yīng)物時，取為反應(yīng)物時，取表表示消耗速度。示消耗速度。對于等容過程對于等容過

20、程2-172-182-192-202-213 物料平衡方程式物料平衡方程式對于簡單的反應(yīng)，如對于簡單的反應(yīng)，如 aA+bB mM+nN 在在d內(nèi)，在內(nèi)，在dVR中，對反應(yīng)物中，對反應(yīng)物A進行物料衡算得：進行物料衡算得： A輸入量輸入量A輸出量輸出量+A消耗量消耗量+A積累量積累量A的消耗量取決于反應(yīng)速度。在的消耗量取決于反應(yīng)速度。在d內(nèi)，在內(nèi)，在dVR中因反應(yīng)而消耗的反應(yīng)物中因反應(yīng)而消耗的反應(yīng)物A的量為的量為AdVRd。 物料衡算式給出了反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度或轉(zhuǎn)化率隨位置或時間的變化關(guān)物料衡算式給出了反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度或轉(zhuǎn)化率隨位置或時間的變化關(guān)系。系。反應(yīng)體積微元物料平衡圖反應(yīng)體積微元物料平衡

21、圖4 熱量平衡方程式熱量平衡方程式分別選取微元體積分別選取微元體積dVR和微元時間和微元時間d作為熱量衡算的空間基準和時間基作為熱量衡算的空間基準和時間基準，在準，在d內(nèi)對內(nèi)對dVR進行熱量衡算得：進行熱量衡算得： 物料帶入物料帶出物料帶入物料帶出+過程熱效應(yīng)過程熱效應(yīng)+外界輸入積累熱量外界輸入積累熱量 過程熱效應(yīng)由物理變化熱和化學(xué)變化熱組成，當物理變化熱可以忽過程熱效應(yīng)由物理變化熱和化學(xué)變化熱組成，當物理變化熱可以忽略時，上式可改寫為：略時，上式可改寫為： 物料帶入物料帶入-物料帶出物料帶出+化學(xué)變化熱化學(xué)變化熱+外界輸入積累熱量外界輸入積累熱量 熱量衡算式給出了反應(yīng)器內(nèi)溫度隨位置或時間的變

22、化關(guān)系。熱量衡算式給出了反應(yīng)器內(nèi)溫度隨位置或時間的變化關(guān)系。反應(yīng)器的計算過程方法反應(yīng)器的計算過程方法反應(yīng)器計算實際上就是聯(lián)立求解聯(lián)立求解物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動力學(xué)方程式對于等量過程對于等量過程，由于溫度不隨時間和空間而改變，因此僅需聯(lián)立求解物料衡算式和反應(yīng)動力學(xué)方程式由于物料的流動混合狀況直接影響著反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度分布，因此，在聯(lián)立求解物料衡算式和熱量衡算式時，必須知道反應(yīng)器內(nèi)物料的流動混合狀況物料的流動混合狀況。四、反應(yīng)器的工藝計算四、反應(yīng)器的工藝計算間歇釜式反應(yīng)器的工藝計算間歇釜式反應(yīng)器的工藝計算間歇釜式反應(yīng)器物料衡算具有的特點：間歇釜式反應(yīng)器物料衡算具有的特點：由于反應(yīng)器內(nèi)濃

23、度、溫度均一，不隨位置而變，故可對整個反應(yīng)器有效容積(反應(yīng)體積)進行物料衡算。由于間歇操作，物料的輸入量和輸出量均為零，因而物料衡算式為： A的消耗量的消耗量 + A的積累量的積累量0由于由于 A的消耗量的消耗量+A的積累量的積累量0，則，則：x xAfAf - -反應(yīng)終止時反應(yīng)物反應(yīng)終止時反應(yīng)物A A的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率 公式對等溫、非等溫、等容和變?nèi)葸^程均適用反應(yīng)時間的計算反應(yīng)時間的計算在等容情況下，在等容情況下，V VR R保持不變，則：保持不變，則：2-22上式表明，達到一定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)時間僅與僅與反應(yīng)物的初始濃度和化學(xué)反應(yīng)速度有關(guān)，而與物料的處理量無關(guān)。因此，若能保證放大后的裝置在

24、攪拌和傳熱攪拌和傳熱兩方面均與提供試驗數(shù)據(jù)的裝置完全相同，就可以簡單地計算出大生產(chǎn)裝置的尺寸，實現(xiàn)高倍數(shù)的放大。要對上式進行積分，尚需知道反應(yīng)速度與轉(zhuǎn)化率之間的函數(shù)關(guān)系，即反應(yīng)動力學(xué)方程式反應(yīng)動力學(xué)方程式。2-22 得2-232-242-252-26等溫等溫等溫等溫總?cè)莘e的計算總?cè)莘e的計算釜式反應(yīng)器間歇操作時，處理一定量物料所需要的有效體積有效體積VR不僅與反應(yīng)時間有關(guān)，而且與輔助操作時間有關(guān)： VR= Vh (+) (2-27) VR反應(yīng)器的有效容積或反應(yīng)體積，m3 ；Vh每小時所需處理的物料體積， m3 h-1 ；為達規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間，h。 決定反應(yīng)器的總?cè)莘e決定反應(yīng)器的總?cè)莘eV V

25、T T，還需考慮裝料系數(shù)： VT = VR/ （2-28）一般為0.40.85。對于不起泡、不沸騰的物料，可取0.70.85；對于起泡或沸騰的物料， 可取0.40.6；此外，裝料系數(shù)的選擇還應(yīng)考慮攪拌器和換熱器的體積。釜式反應(yīng)器的臺套數(shù)及單釜容積確定釜式反應(yīng)器的臺套數(shù)及單釜容積確定 對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即總體積對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即總體積Vd確定，根據(jù)工藝要求和反應(yīng)器系列標準，確定，根據(jù)工藝要求和反應(yīng)器系列標準，即可確定所需反應(yīng)器的臺數(shù)即可確定所需反應(yīng)器的臺數(shù)N及單釜容積及單釜容積VTS （m3 ） .已知已知VTS，求，求N，對給定的處理量，對給定的處理量Vd （m3 d-1 ） ，每天需操

26、作的總批數(shù)為，每天需操作的總批數(shù)為 = Vd / VRS = Vd / VTS （2-29） 每天每臺反應(yīng)器可操作的批數(shù)為每天每臺反應(yīng)器可操作的批數(shù)為 = 24/ (+) （2-30） 完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器臺數(shù)為完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器臺數(shù)為 Np= / （2-31） Np值圓成整數(shù)，這樣反應(yīng)器的實際生產(chǎn)能力后備系數(shù)值圓成整數(shù)，這樣反應(yīng)器的實際生產(chǎn)能力后備系數(shù)(1.11.15)表示為表示為 =N/Np （2-32）. 已知已知N求求 VTS ，由式（，由式（2-31）和式（）和式（2-32）可求得）可求得每臺反應(yīng)器的容積為每臺反應(yīng)器的容積為 VTS = Vd (+) / 24 N

27、（2-33）. N及及VTS均為未知，求均為未知，求N 和和 VTS ，由于臺數(shù)一般不，由于臺數(shù)一般不會很多，因此常先假設(shè)幾個不同的會很多，因此常先假設(shè)幾個不同的N值求出相應(yīng)的值求出相應(yīng)的VTS ，然后再根據(jù)工藝要求及廠房等具體情況，確，然后再根據(jù)工藝要求及廠房等具體情況，確定一組適宜的定一組適宜的N和和VTS值作為設(shè)計值。值作為設(shè)計值。釜式反應(yīng)器主要工藝尺寸的確定釜式反應(yīng)器主要工藝尺寸的確定釜式反應(yīng)器的主要工藝尺寸釜式反應(yīng)器的主要工藝尺寸 釜式反應(yīng)器的主要工藝尺寸如圖所示。釜式反應(yīng)器的主要工藝尺寸如圖所示。一般情況下，其高度一般情況下，其高度H為直徑為直徑D的的1.2倍左倍左右右釜蓋和釜底均

28、采用標準橢圓形封頭，封頭釜蓋和釜底均采用標準橢圓形封頭，封頭高度高度H，(不含直邊不含直邊)為直徑為直徑D的的0.25倍，倍，則釜式反應(yīng)器的圓筒體高度則釜式反應(yīng)器的圓筒體高度H2 (含封頭直含封頭直邊邊)為為H2H-2Hl1.2D-20.25D0.7D (2-34) 反應(yīng)器的總?cè)莘e可按下式計算反應(yīng)器的總?cè)莘e可按下式計算VTS =（/4）D2 H2 + 0.131 D3 （2-35） 在間歇釜中一級不可逆反應(yīng)，液相反應(yīng)在間歇釜中一級不可逆反應(yīng)，液相反應(yīng)A 2R， kmol/m3h，k=9.52109exp-7448.4/T h-1， 2.3 kmol/m3，MR=60，CR0=0，若轉(zhuǎn)化率，若轉(zhuǎn)

29、化率0.7，裝置的生產(chǎn)能力為，裝置的生產(chǎn)能力為50000 kg產(chǎn)物產(chǎn)物R/天。求天。求50等溫操作所需反應(yīng)器的有效容積？（等溫操作所需反應(yīng)器的有效容積？（用于非生產(chǎn)性操作時間用于非生產(chǎn)性操作時間t0=0.75 h） AAkCr 0AC解：反應(yīng)終了時解：反應(yīng)終了時R的濃度為的濃度為：)/(22. 3230mkmolxCCAARAxAAxAAAxkxdxkkCdxCtAA11ln11100092. 0502734 .7448exp1052. 99k)(31. 17 . 011ln92. 01ht24500000ttMVCRR)(2 .226022. 32406. 2500003mVv攪拌器的結(jié)構(gòu)與

30、作用攪拌器的結(jié)構(gòu)與作用流體流動以及流體速度的漲落造成物料交換是反應(yīng)、傳熱以及擴散的根本原因，攪拌器起作重要的作用。攪拌器可促使流體產(chǎn)生圓周運動（徑向流徑向流，或稱原生流），流體作軸向運動的軸向流（或稱次生流次生流），徑向流因擋板作用后產(chǎn)生次生流。徑向流的圓周運動對流體的混合與傳質(zhì)所起的作用較小，而軸向流對其影響較大。五、五、 攪拌器的設(shè)計與功率計算攪拌器的設(shè)計與功率計算常見攪拌槳及其結(jié)構(gòu)形式常見攪拌槳及其結(jié)構(gòu)形式螺軸式攪拌螺軸式攪拌機械攪拌反應(yīng)器機械攪拌反應(yīng)器攪拌器輸出的軸功率P與反應(yīng)器的直徑D、攪拌器的直徑d、液柱的高度HL 、攪拌器的轉(zhuǎn)速n、液體的黏度、密度、重力加速度g以及攪拌器的形式和

31、結(jié)構(gòu)等。因為D、 HL 均與d之間有一定的比例關(guān)系，于是：P=f (n、d、g)應(yīng)用因次分析及實驗證明，對牛頓流體而言，攪拌功率有下列關(guān)系全擋板、液面未見旋渦全擋板、液面未見旋渦, y=0為功率特征數(shù)，無量綱式中53p2253iyixiidnNNgdnndKdnN層流、過渡流和湍流粘滯力之比，大小反應(yīng)與雷諾數(shù)，為流體慣性力2Reind力與重力之比弗勞德常數(shù)，液體慣性gdnFri2 在攪拌過程中Re大于10 4時，流體在湍流區(qū)，小于10為層流區(qū)，其轉(zhuǎn)換區(qū)的范圍較一般管道中的流體為寬。 在湍流攪拌情況下，慣性力的作用超過粘性力，x=0 NP= K，即 NP不隨NRe而變化， Nn3d5 N = K

32、 n3d5 在層流區(qū)，粘性力起主要作用，慣性力忽略不計， x=-1 NP= K NRe -1 ，即 Nn2d3 N = K n2d3 Re 為為10104之間，呈現(xiàn)過渡流，則攪拌功率為：之間，呈現(xiàn)過渡流，則攪拌功率為：Relg252gdndnNii2.1.4 常用設(shè)備材料常用設(shè)備材料一、分類：一、分類：（一）金屬材料：鑄鐵，碳鐵合金、合金鋼（一）金屬材料：鑄鐵，碳鐵合金、合金鋼（二）非金屬材料：（二）非金屬材料：v 無機非金屬材料：化工搪瓷、化工陶瓷、輝輝綠巖鑄石、無機非金屬材料：化工搪瓷、化工陶瓷、輝輝綠巖鑄石、玻璃；玻璃；v 有機非金屬材料：工程塑料、涂料、不透性石墨有機非金屬材料：工程塑

33、料、涂料、不透性石墨二、防腐：二、防腐：v 按腐蝕反應(yīng)進行的方式，腐蝕分類：化學(xué)腐蝕（金屬高溫按腐蝕反應(yīng)進行的方式，腐蝕分類：化學(xué)腐蝕（金屬高溫氧化、鋼的脫碳、氫脆、氫蝕）；電化學(xué)腐蝕氧化、鋼的脫碳、氫脆、氫蝕）；電化學(xué)腐蝕v 按腐蝕破壞的形態(tài)，腐蝕分為：均勻腐蝕、局部腐蝕（點按腐蝕破壞的形態(tài)，腐蝕分為：均勻腐蝕、局部腐蝕（點腐蝕、區(qū)域腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕）腐蝕、區(qū)域腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕）v 防腐措施：涂層保護（金屬涂層、非金屬涂層）、電化學(xué)防腐措施：涂層保護（金屬涂層、非金屬涂層）、電化學(xué)保護（陰極保護、陽極保護）、腐蝕介質(zhì)處理等。保護（陰極保護、陽極保護）、腐蝕介質(zhì)處理等。2.1.

34、4 常用設(shè)備材料常用設(shè)備材料三、設(shè)備材料的選擇：三、設(shè)備材料的選擇：v 材料的物理、力學(xué)性能：中低壓設(shè)備可采用屈服極限為材料的物理、力學(xué)性能：中低壓設(shè)備可采用屈服極限為235345MPa級特種鋼；直徑較大、壓力較高的設(shè)備級特種鋼；直徑較大、壓力較高的設(shè)備，最好采用普通低鋼，強度級別宜用，最好采用普通低鋼，強度級別宜用400MPa級或以上級或以上的鋼種；操作溫度超過的鋼種；操作溫度超過400，還需考慮材料的蠕變強，還需考慮材料的蠕變強度和持久強度；對壓力容器應(yīng)采用延伸率不低于度和持久強度；對壓力容器應(yīng)采用延伸率不低于14%的的鋼材。鋼材。v 材料的耐腐蝕性：對于腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)盡可能采用節(jié)鎳無材料

35、的耐腐蝕性：對于腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)盡可能采用節(jié)鎳無鎳不銹鋼。鎳不銹鋼。v 材料的經(jīng)濟性材料的經(jīng)濟性v 其他：壓力容器材料選擇應(yīng)符合其他：壓力容器材料選擇應(yīng)符合GB150-1998 、GB6654-1996和和GB4726-2000規(guī)定。規(guī)定。2.3 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)生化工程生化工程： 它是化學(xué)工程的分支、生物工程的重要組成部分，它是化學(xué)工程的分支、生物工程的重要組成部分，是為生物技術(shù)服務(wù)的化學(xué)工程。是為生物技術(shù)服務(wù)的化學(xué)工程。生化工程技術(shù)：生化工程技術(shù)： 它是利用化學(xué)工程原理和方法對實驗室所取得的它是利用化學(xué)工程原理和方法對實驗室所取得的包括基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋

36、包括基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程在內(nèi)的生物技術(shù)成果加以開發(fā)和利用的一白質(zhì)工程在內(nèi)的生物技術(shù)成果加以開發(fā)和利用的一門工程技術(shù)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。門工程技術(shù)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。 生物化學(xué)工程學(xué)科生物化學(xué)工程學(xué)科研究圍繞生化反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)問題的學(xué)科。它是利用化學(xué)工程原理和方法對實驗室所取得的生物技術(shù)成果加以開發(fā)，使之成為生物反應(yīng)過程的一門學(xué)科?；蛘哒f，是生物學(xué)技術(shù)和化學(xué)工程技術(shù)相互融合的學(xué)科，又是化學(xué)工程發(fā)展的前沿學(xué)科。 生物反應(yīng)工程生物反應(yīng)工程實質(zhì)上是利用生物催化劑生物催化劑以完成生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)的過程。生物催化劑生物催化劑可以是微生物、動物、植物的整

37、體細胞，也可以是從細胞中提取出來的酶(enzyme)。它們可以游離的形式使用，也可以采用固定化技術(shù)將其固定在多孔介質(zhì)中或表面后再使用。 在生物反應(yīng)工程中：若采用活細胞（包括微生物、動物、植物細胞）為生物催化劑，稱為發(fā)酵或細胞培養(yǎng)過程；發(fā)酵或細胞培養(yǎng)過程；若生物催化劑采用游離或固定化酶則稱為酶反應(yīng)過程酶反應(yīng)過程。兩者的區(qū)別在于在發(fā)酵過程中除得到反應(yīng)產(chǎn)品外，還可得到更多的生物細胞，而在酶反應(yīng)過程中，酶不會增長。因此，生物反應(yīng)過程又不同于化學(xué)反應(yīng)過程。生化反應(yīng)工程特點生化反應(yīng)工程特點采用生物催化劑，采用可再生資源為主要原料，生產(chǎn)設(shè)備比較簡單、能耗低，但反應(yīng)器生產(chǎn)效率低。生化反應(yīng)工程的分類生化反應(yīng)工程

38、的分類酶催化反應(yīng)工程，細胞反應(yīng)工程，廢水的生物處理工程。與經(jīng)典化學(xué)工程的差異與經(jīng)典化學(xué)工程的差異借助生命體或具生物活性的物質(zhì)（酶）參與物質(zhì)及能量的轉(zhuǎn)化。 對反應(yīng)的環(huán)境要求不同 如反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與空間、系統(tǒng)潔凈無菌等過程涉及酶、菌或細胞的培養(yǎng)和回收產(chǎn)物分離過程要求及費用比重大生化反應(yīng)工程技術(shù)生化反應(yīng)工程技術(shù)發(fā)酵工程技術(shù)發(fā)酵工程技術(shù)：懸浮生長細胞、固定化細胞酶工程技術(shù)酶工程技術(shù)：懸浮酶或酶液、固定化酶、溶劑工程生物分離工程技術(shù)生物分離工程技術(shù)：包括天然產(chǎn)物的分離工程技術(shù) 2.4 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器生化反應(yīng)器是利用生物催化劑進行生化反應(yīng)的設(shè)備。生化反應(yīng)器是利用生物催化劑進行生化反應(yīng)的設(shè)備。按照所使用的

39、生物催化劑的不同按照所使用的生物催化劑的不同：酶催化反應(yīng)器酶催化反應(yīng)器細胞反應(yīng)器細胞反應(yīng)器根據(jù)反應(yīng)器的操作方式：根據(jù)反應(yīng)器的操作方式：間歇操作（分批操作）反應(yīng)器間歇操作（分批操作）反應(yīng)器連續(xù)操作反應(yīng)器連續(xù)操作反應(yīng)器半間歇操作反應(yīng)器半間歇操作反應(yīng)器按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)：按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)：主要差別反映在其外型(長徑比)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上釜式、管式、塔式、膜式釜式、管式、塔式、膜式按固相催化劑的運動狀態(tài)：按固相催化劑的運動狀態(tài)：填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤按反應(yīng)體系的相態(tài)：按反應(yīng)體系的相態(tài)：均相、非均相均相、非均相根據(jù)反應(yīng)器所需的能量的輸入方式：根據(jù)反應(yīng)器所需的能量的輸入方式：通過機械攪拌輸入能量的機械攪拌式生化反應(yīng)器通過機械攪拌輸入能量的機械攪拌式生化反應(yīng)器利用氣體噴射動能的氣升式生化反應(yīng)器利用氣體噴射動能的氣升式生化反應(yīng)器利用泵對液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生化反應(yīng)器利用泵對液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生化反應(yīng)器根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：生物團塊生物團塊( (包括細胞、絮凝物、菌絲體包括細胞、絮凝物、菌絲體) )反應(yīng)器反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器另