制藥工程與設(shè)備-

制藥工程與設(shè)備教材：?制藥工程原理與設(shè)備?，姚日生主編，高等教育出版社參考書：1、?化學(xué)反響工程?〔第2版〕，陳甘棠主編，化學(xué)工藝出版社2、?藥廠反響設(shè)備及車間工藝設(shè)計(jì)?〔第1版〕，蔣作良主編，中國醫(yī)藥科技出版社3、?高等制藥別離工程?，李淑芬等主編，化學(xué)工業(yè)出版社4、?制藥工程導(dǎo)導(dǎo)論?，白鵬主編，化學(xué)工業(yè)出版社5、?制藥設(shè)備與工程設(shè)計(jì)?朱紅吉等主編，化學(xué)工業(yè)出版社6、?工藝藥劑學(xué)?，張汝華等主編，中國醫(yī)藥科技出版社7、?生化反響動力學(xué)與反響器?第二版戚以政汪叔雄編著化學(xué)工業(yè)出版社8、?化工設(shè)計(jì)?，陳聲宗主編，化學(xué)工藝出版社9、?廠潔凈室--設(shè)計(jì)、運(yùn)行與GMP認(rèn)證?，許鐘麟主編，同濟(jì)大學(xué)出版社

蔡雄輝2021/2/22藥物生產(chǎn)方法：目標(biāo)藥物工藝步驟〔以?制藥工藝學(xué)?為根底〕工藝條件反響器別離工程〔?制藥別離工程?為保證〕制劑工程制藥工程〔分子結(jié)構(gòu)、光學(xué)構(gòu)象〕GMP緒論

一、制藥工程的概念

制藥工程是應(yīng)用化學(xué)合成或生化反響以及各種別離單元操作，實(shí)現(xiàn)藥物工業(yè)化生產(chǎn)的工程技術(shù)，它包括化學(xué)制藥、生化制藥和中藥制藥。它探索和研究制造藥物的根本原理，制藥新工藝，新設(shè)備，以及在藥品生產(chǎn)全過程中如何符合GMP〔藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)〕要求進(jìn)行研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、放大與優(yōu)化。原料藥生產(chǎn)＋制劑生產(chǎn)（廣義）原料藥生產(chǎn)（狹義）制藥工程二、制藥工程的內(nèi)容

制劑生產(chǎn)藥物生產(chǎn)反響過程別離過程化學(xué)反響生化反響含量低〔工序，加工工業(yè)〕〔過程，過程工業(yè)〕〔上游)〔下游)〔微生物發(fā)酵、酶催化，基因工程〕穩(wěn)定性差3產(chǎn)品質(zhì)量要求高GMP數(shù)據(jù)1：原料藥生產(chǎn)的別離純化費(fèi)用占產(chǎn)品總本錢的比例一般在50～70％?；瘜W(xué)合成藥的別離純化本錢一般是合成反響本錢費(fèi)用的1～2倍，抗生素別離純化的本錢費(fèi)用約為發(fā)酵局部的3～4倍；基因工程藥物的別離純化費(fèi)用占總本錢的80~90%。數(shù)據(jù)2：

抗生素質(zhì)量百分含量為1～3％；酶為0.1～0.5％；單克隆抗體不超過0.0001％。第一篇反響過程與設(shè)備反響器的重要性：核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)、操作方式、操作條件影響轉(zhuǎn)化率、質(zhì)量、本錢等。反響動力學(xué)是反響工程學(xué)的根底理論之一，主要研究化學(xué)反響過程的速率及其影響因素。它包括兩方面內(nèi)容：第一是本征動力學(xué)〔微觀動力學(xué)〕；第二是宏觀動力學(xué)〔反響器動力學(xué)〕。反響器的性能由：傳遞特性；設(shè)計(jì)與放大；優(yōu)化與控制三個方面決定。前言2.連續(xù)操作的管式反響器3.連續(xù)操作的攪拌釜

二、操作反響器的流動特性——返混1．兩個個概念停留時間：它是指反響物從進(jìn)入反響器的時刻起算到他們離開反響器的時刻為止在反響器內(nèi)共停留了多少時間。思考：1.停留時間對反響結(jié)果的影響？平均停留時間＝V有效容積/反響器內(nèi)物料體積流量2.上述三種反響器的停留時間特性？停留時間分布：在連續(xù)反響器中，同時進(jìn)入反響器的物料粒子，有的很快就從出口流出，有的那么經(jīng)很長時間才從出口流出，停留時間有長有短，形成一定的分布，稱之為停留時間分布。2.停留時間分布〔1〕年齡分布：從進(jìn)入反響器的瞬間開始計(jì)算年齡，到所考慮的瞬間為止，反響器內(nèi)的物料粒子，有的已經(jīng)停留了1S，有的已經(jīng)停留了10S……。這些不同年齡的物料粒子混在一起，形成了一定的分布。稱之為年齡分布。————以某瞬間反響器內(nèi)的所有物料粒子為研究對象〔2〕壽命分布：從進(jìn)入反響器的瞬間開始計(jì)算壽命，到所考慮的瞬間為止，在反響器出口的物料粒子中，有的在器內(nèi)已經(jīng)停留了5S，有的已經(jīng)停留了8S……。這些不同壽命的物料粒子在出口混在一起，形成了一定的分布。稱之為壽命分布?！阅乘查g反響器出口的物料粒子為研究對象〔4〕返混：返混是時間概念上的混合，是反響器內(nèi)不同停留時間的物料粒子之間的混合，它與停留時間分布聯(lián)系在一起，有返混就必然存在停留時間分布；反之，如沒有停留時間分布，那么不存在返混?！?〕年齡分布與壽命分布存在一定的聯(lián)系，一般都是實(shí)驗(yàn)測定壽命分布。以后的停留時間分布測定都是測定壽命分布。思考：返混對化學(xué)反響的影響？

三、理想反響器〔依據(jù)流動情況〕根據(jù)返混程度的大小，將流動情況分為：1.平推流2.全混流3.中間流

四、反響器特性考察方法1.物料衡算

2.熱量衡算

第二節(jié)等溫等容過程的反響器一、反響速度及其表達(dá)式或通常用于均相反響的速率方程有兩類，雙曲函數(shù)型和冪函數(shù)型，雙曲型速率式通常由所設(shè)定的反響機(jī)理而導(dǎo)得，冪函數(shù)型速率方程那么是直接由質(zhì)量作用定律出發(fā)的。對于不可逆反響〔2〕

a和b的值是憑試驗(yàn)獲得的，它既與反響機(jī)理無直接的關(guān)系，也不等于各組分的計(jì)量系數(shù)，只有當(dāng)反響方程式為基元反響時，它才與計(jì)量系數(shù)相等?！?〕式中：a和b分別是反響對組分A和B的反響級數(shù)，這些指數(shù)的代數(shù)和稱為總反響級數(shù)，它說明反響速率對各組分濃度的敏感程度，a和b越大，那么組分A和B的濃度對反響速率的影響越大。〔3〕a和b只能在其試驗(yàn)范圍內(nèi)應(yīng)用，可為任何數(shù)，但總反響級數(shù)在數(shù)值上很少到達(dá)3。更不可能大于3。〔4〕式中為速率常數(shù)，或稱為比反響速率，按定義，它與除反響組分濃度外的其它因數(shù)有關(guān)，如溫度、壓力、催化劑及其濃度或所用的溶劑等。k0為指前因子或頻率因子；E為反響的活化能，因次為J/mol；R為通用氣體常數(shù)〔R=8.314J/mol·K〕。嚴(yán)格來說，頻率因子是溫度的函數(shù)，它與Tn成正比，但它較之指數(shù)項(xiàng)而言，其受溫度的影響不顯著，可以近似看成與溫度無關(guān)。二、間歇釜式反響器1．

等溫操作的反響時間微元時間內(nèi)反響掉組分A的摩爾數(shù)＝微元時間內(nèi)組分A減少的摩爾數(shù)上式即為間歇釜式反響器的根底設(shè)計(jì)式。對于液相反響，反響前后物料體積變化不大，可視為等容過程，那么上式變?yōu)椋河捎诙ㄈ葸^程有如下關(guān)系

代入根底設(shè)計(jì)式有假設(shè)反響物的原始濃度以及反響速度與轉(zhuǎn)化率或濃度的關(guān)系，那么利用以上各式，即可求得到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需的反響時間。如，對于一級反響有代入積分有討論從上式可以看出只要起始濃度相同，到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需的反響時間，只取決于反響速度，而與處理量無關(guān)，所以在進(jìn)行間歇釜式反響器的放大時，只要保證放大后的反響速度與小試時相同，就可以實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)放大。2.反響器容積設(shè)反響時間為τ，加料、出料及清洗等輔助時間為τ‘，那么每批操作所需要時間為τ＋τ‘如果生產(chǎn)上要求單位時間處理的物料量為v那么每批操作需要處理的的物料量這稱為反響器的裝料容積，也稱為有效容積〔VR〕，它分為兩局部：反響容積和輔助容積。實(shí)際生產(chǎn)，由于攪拌、發(fā)生泡沫等原因，物料不能裝滿，所以間歇釜的容積〔VT〕要比有效容積大。此比值稱為裝料系數(shù)，三、連續(xù)管式反響器〔活塞流反響器〕——PFR1.設(shè)計(jì)根底式在管式反響器中，由于物料濃度、反響速度、溫度等沿管長而變化。故取微元體積作物料衡算。進(jìn)入微元體積組分A的摩爾數(shù)－離開微元體積組分A的摩爾數(shù)＝微元體積內(nèi)反響掉組分A的摩爾數(shù)積分得

在定常態(tài)操作，F(xiàn)A0為常數(shù)，上式成為

假設(shè)進(jìn)料得體積流量為v0，進(jìn)料濃度為CA0，那么上式化為

上式即為平推流反響器的根底設(shè)計(jì)式。上式中的τ稱為時間空時，只有在等容過程中，它才等于平均停留時間?！矠槭裁?？〕在等容過程中有

上式也可寫成：

2.反響器容積討論：等容過程，間歇釜式反響器和連續(xù)管式反響器的動力學(xué)區(qū)別？為什么有相同的根底設(shè)計(jì)式？間歇釜式反響器的根底設(shè)計(jì)式連續(xù)管式反響器的根底設(shè)計(jì)式在等容過程中，對在相同的反響條件下〔即k相同〕的同一反響，到達(dá)相同的轉(zhuǎn)化率，理想連續(xù)管式反響器中需要的停留時間與間歇釜中需要的反響時間是相同的，所以，可以用間歇反響器中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管式反響器的設(shè)計(jì)與放大。對于連續(xù)管式反響器的根底設(shè)計(jì)式或我們可用圖形表示如下四、連續(xù)釜式反響器〔CSTR〕又稱全混釜，其特點(diǎn)是物料一進(jìn)入反響器，就立即與釜內(nèi)物料均勻混合，而且反響器內(nèi)的溫度、濃度等參數(shù)與出口物料的參數(shù)相同，故反響器內(nèi)各點(diǎn)速度相同，且等于出口轉(zhuǎn)化率時的反響速度。反響器示意圖如下：進(jìn)入反響器組分A的摩爾數(shù)－離開反響器組分A的摩爾數(shù)＝反響器內(nèi)反響掉組分A的摩爾數(shù)對定容過程有：

代入物料衡算式討論：連續(xù)釜式反響器與間歇反響釜或連續(xù)管式反響器的反響容積比較。物料在反響器內(nèi)的平均停留時間(定容過程)，如以下圖所示，圖中斜線局部的面積為間歇反響釜或平推流反響器的平均停留時間，所有陰影局部的面積表示的是全混流反響器的平均停留時間。很顯然，用點(diǎn)表示的面積為增加的平均停留時間。對同一反響，在相同的條件下，到達(dá)相同的轉(zhuǎn)化率，全混流反響器所需要的容積要大得多，所增加的數(shù)值與增加的面積成正比。為了克服這個缺點(diǎn)，可以用多釜串連的方法。五、多釜串連反響器單位時間內(nèi)進(jìn)入i釜的摩爾數(shù)－單位時間內(nèi)離開i釜的摩爾數(shù)＝單位時間內(nèi)在i釜中反響掉的摩爾數(shù)對于液相反響，體積流量為常數(shù)，那么有：因此可以利用上式結(jié)合反響速度方程式進(jìn)行逐釜進(jìn)行計(jì)算，直到到達(dá)規(guī)定轉(zhuǎn)化率為止。對于一級反響，且各容積相等的釜有第三節(jié)反響器型式及操作方式的選擇選用反響器型式及操作方式的依據(jù)是：用同樣數(shù)量的原料能生產(chǎn)出最多的產(chǎn)品，而且反響器的容積要小。一、簡單反響1.間歇反響器與平推流反響器假設(shè)為等容過程，那么根底設(shè)計(jì)式相同間歇反響器與平推流反響器所需的容積相同，但因?yàn)殚g歇反響器中存在輔助時間與裝料系數(shù)，所以它需要的總?cè)莘e較平推流反響器為大。因此對于反響時間很短，輔助時間相對較長的反響來說，選用管式反響器較為適合。2.間歇反響器與全混流反響器對于一級反響有：間歇反響器：全混流反響器：如要使全混流反響器需要的容積小于間歇式反響器，即滿足以下條件：所以由上式可以看出：當(dāng)輔助時間的長短超過某一值后，間歇反響釜需要的容積將大于連續(xù)反響釜；對于速度很快的反響，輔助時間即使很短，間歇反響釜需要的容積也會大于連續(xù)反響釜，所以對于反響速度較快，輔助時間相對較長的反響，不適宜采用間歇操作。3.全混流反響器與平推流反響器引入容積效率＝平推流反響器所需容積/全混流反響器所需容積即零級反響：一級反響：二級反響：用圖形表示如下4.多釜串連反響器與平推流反響器對于一級反響，N個等容積的串聯(lián)釜，可由多釜串聯(lián)設(shè)計(jì)式求得在每一釜中的停留時間為：假設(shè)令平推流反響器需要的容積與多釜串聯(lián)反響器需要的容積之比稱為多釜串連反響器的容器效率，那么多釜串聯(lián)反響器的容積效率為：將上式繪圖如下由圖可見，N=1，即單個連續(xù)釜的η最??；N=∞,即當(dāng)釜數(shù)為無限多時，η＝1，多釜串聯(lián)的總?cè)莘e就等于理想管式反響器的容積。當(dāng)釜數(shù)少時，增加釜數(shù)，η增加較大，當(dāng)釜數(shù)較多時，再增加釜數(shù)，效果越來越小。在生產(chǎn)中，釜數(shù)一般不超過4個。綜上所述，對簡單反響，選擇反響器型式原那么：1.對零級反響，選用單個連續(xù)釜和管式反響器需要的容積相同，而間歇釜因有輔助時間和裝料系數(shù)，需要容積較大。2.反響級數(shù)越高，轉(zhuǎn)化率越高，單個連續(xù)釜需要的容積越大，可采用管式反響器。如反響熱效應(yīng)很大，為了控制溫度方便，可采用間歇釜或多釜串連反響器。3.液相反響，反響慢，要求轉(zhuǎn)化率高時，采用間歇反響釜。4.氣相或液相反響，反響快，采用管式反響器。5.液相反響，反響級數(shù)低，要求轉(zhuǎn)化率不高，或自催化反響，可采用單個連續(xù)操作的攪拌釜。二、復(fù)雜反響1.平行反響設(shè)A的分解反響為一平行反響：反響速度方程式為：那么選擇率在一定的反響溫度下，k1、k2都是常數(shù)，即大，就要使大，當(dāng)〔即主反響的級數(shù)較高〕時，那么CA大，R的收率高，反之，時，那么CA小，R的收率高。要使CA保持較高，可采用以下方法：①采用間歇釜或管式反響器；②采用較低的單程轉(zhuǎn)化率；③用濃度較高的原料。要使CA保持較低，可采用以下方法：①采用全混釜，并使轉(zhuǎn)化率高些；②用局部反響后的物料循環(huán)，以降低進(jìn)料中反響物的濃度；③參加惰性稀釋劑。當(dāng)時，＝常數(shù)，與濃度無關(guān)，所以反響器型式不影響R的收率，此時，只能靠改變反響溫度或催化劑來提高R的收率。2.連串反響例如：假設(shè)反響速度為那么選擇性當(dāng)R是目的產(chǎn)物時，要使R的收率高，即大，就要設(shè)法使CA大，CR小，可采用間歇釜，管式反響器或多釜串聯(lián)反響器。當(dāng)S是目的產(chǎn)物時，要使S的收率高，即小，就要設(shè)法使CA小，CR大，可采用單個連續(xù)釜。

3.連串—平行反響對A來說是串聯(lián)反響：對B來說是平行反響：假設(shè)R為目的產(chǎn)物，那么應(yīng)控制B的參加速度，掌握好反響時間，使R的收率最高。三、全混釜與管式反響器的配合使用當(dāng)反響速度隨反響物濃度的變化出現(xiàn)最大值時，最好采用全混釜使反響在反響速度最大的濃度下進(jìn)行，然后再用管式反響器使反響到達(dá)最終轉(zhuǎn)化率，這樣可使反響器需要的容積最小。如自催化反響：產(chǎn)物R起著催化作用，因此反響速度開始隨著反響物濃度A下降而增大，到達(dá)最大值后，隨A的濃度的下降而減小，這樣，就可以先用一個全混釜使反響在最適宜的CA下進(jìn)行，再串聯(lián)一個管式反響器，將CA降低到最終轉(zhuǎn)化率的要求。第四節(jié)停留時間分布及其測定

一、停留時間分布的數(shù)學(xué)描述

1.分布密度函數(shù)與分布函數(shù)

如果在某瞬間〔τ=0〕同時進(jìn)入反響器N份物料，經(jīng)過時間τ后，在設(shè)備出口處開始測定，測定時間段，總共測定出物料有ΔN份，那么停留時間為的物料占進(jìn)料的分率為：上式為離散型的停留時間分布，如果將觀測的時間間隔縮短到非常小，得到的將是一條連續(xù)的停留時間分布曲線，如以下圖所示。圖中曲線下的微小面積表示停留時間在τ和τ＋dτ之間的物料占τ＝0時進(jìn)料的分率，其中E〔τ〕稱為停留時間分布密度函數(shù)，顯然有：

假設(shè)停留時間從范圍內(nèi)的物料占進(jìn)料中的分率為F〔τ〕表示，那么F〔τ〕稱為停留時間分布函數(shù)。它的定義是針對出口物料中，已在反響器內(nèi)停留時間小于τ的物料在進(jìn)料中所占的分率。用圖形表示如下2.停留時間分布函數(shù)的特征值

1.平均停留時間

概率中的數(shù)學(xué)期望代表平均值，所以平均停留時間可用下式表示：

或平均停留時＝V有效容積/反響器體積流量用數(shù)學(xué)期望求得的平均停留時間與用VR/v求得比較，更能代表實(shí)際情況。2.方差

概率分布中，離差平方的平均值稱為方差，它表示隨機(jī)變量取值的分散程度，所以停留時間分布函數(shù)的方差為：方差表示停留時間分布曲線的離散程度，越大，停留時間分布越分散，返混程度越大。3.以無因次時間表示的停留時間分布

為了方便起見，常采用用θ表示的停留時間分布。，稱為無因次停留時間。此時有以下三種關(guān)系。①平均停留時間②分布密度函數(shù)E〔θ〕與分布函數(shù)F〔θ〕因?yàn)橥Ａ魰r間在區(qū)間內(nèi)的粒子，其無因次停留時間必在區(qū)間內(nèi)，所以有：于是可得：③方差

以后將會證明，平推流的〔沒有返混〕，全混流的〔返混最大〕，中間流〔返混介于兩種理想流型之間〕。所以，用評價停留時間分布的離散程度要比明確，它可以定量地描述流動情況偏離理想流動的程度。二、停留時間分布的測定

1．脈沖法測定

當(dāng)設(shè)備內(nèi)物料流動到達(dá)定常態(tài)后，在某瞬間將示蹤劑一次注入進(jìn)料中，同時開始分析出口物料中示蹤劑濃度的變化。因?yàn)樗查g注入示蹤劑量很少，其參加不會影響原來的流況，所以示蹤劑的停留時間分布就是物料的停留時間分布。即，所以2.階躍法測定

使物料〔不含示蹤劑，稱為流體1〕以定常的流量流過反響器，自某瞬間〔τ＝0〕起，突然將其切換為含示蹤劑濃度為C0的物料〔稱為流體2〕，并保持流量不變，同時開始測定出口處示蹤劑濃度隨時間的變化。作業(yè)：P45/15，17，19

第五節(jié)流動模型與停留時間分布一、理想流動模型的停留時間分布1.平推流模型有或

,

2.全混流模型設(shè)反響器的容積為物料的體積流量為到達(dá)定常流動后，從某瞬間開始，將進(jìn)料切換為含有示蹤劑〔濃度為C0〕的物料，在切換的時間內(nèi)，對全釜作物料衡算。進(jìn)入的示蹤劑量－離開的示蹤劑量＝積累的示蹤劑量別離變量積分得：

二、描述非理想流動得模型多釜串聯(lián)模型用幾個等容積全混釜得串聯(lián)來模擬實(shí)際反響器中的流動情況，即假設(shè)實(shí)際反響器中得返混程度與N個等容積全混釜串聯(lián)時得返混程度相同，N是虛擬釜數(shù)，不一定是整數(shù)，它就是多釜串聯(lián)模型的模型參數(shù)。此外，多釜串聯(lián)模型還假設(shè)N個虛擬釜的總?cè)莘e等于實(shí)際反響器的容積，所以每個虛擬釜中的停留時間為實(shí)際反響器中停留時間的1/N。對系統(tǒng)參加脈沖示蹤劑A后，對每個釜作示蹤劑的物料衡算。最后可得出：其方差為：可見，當(dāng)N＝1時，即為全混流模型。時，即為平推流模型

當(dāng)多釜串聯(lián)模型的E〔θ〕曲線多釜串聯(lián)模型的F〔θ〕曲線當(dāng)實(shí)際反響器中的流動情況偏離平推流或全混流模型不大時，可實(shí)驗(yàn)測出其停留時間分布，求出方差，取其倒數(shù)即為虛擬釜數(shù)，于是即可按多釜串聯(lián)反響器的公式計(jì)算轉(zhuǎn)化率。例：第二章攪拌釜式反響器第一節(jié)攪拌釜中的流動與混合一、混合效果的度量1.均勻度假設(shè)將A、B兩種液體，各取體積VA、VB置于一容器中，那么容器內(nèi)A、B的平均濃度〔體積％〕分別為，；，。經(jīng)過一定時間的攪拌后，在容器中各處取樣分析，假設(shè)混合均勻，那么混合液中各處的A、B濃度均分別為CA0、CB0；假設(shè)混合尚未均勻，那么各處的濃度CA或大于CA0，或小于CA0；CB亦然。CA〔或CB〕與CA0〔或CB0〕相差越大，表示混合越不均勻。令：當(dāng)〔CA<CA0時〕〔當(dāng)CA>CA0時〕或稱為均勻度。顯然，當(dāng)混合均勻時I＝1；不均勻時，I<1。I偏離1越遠(yuǎn)，反映了混合越不均勻。所以，均勻度可以表示混合狀態(tài)偏離均勻狀態(tài)的程度。假設(shè)同時在混合液中各處取m個樣品，分別測出CA值，求得I值，那么混合液的平均均勻度應(yīng)為，可用來度量全部液體的混合效果。2.宏觀均勻與微觀均勻ab同一個混合狀態(tài)，其均勻度是隨取樣尺寸而變得。就上述兩種狀態(tài)，就設(shè)備尺寸來說，兩者都是均勻的，稱為宏觀均勻；從微團(tuán)尺度上來說，兩者具有不同的均勻度；從分子尺度上來說，兩者都是不均勻的。只有當(dāng)微團(tuán)消失，才能到達(dá)分子尺度上的均勻，即微觀均勻。二、混合的機(jī)理1.總體流動——宏觀均勻

2.湍動程度——微觀均勻三、提高混合效果的措施1.消除打旋現(xiàn)象〔1〕加設(shè)擋板全擋板條件〔即使再增加附件，攪拌器的功率也不會增大〕即：〔2〕偏心安裝2.加設(shè)導(dǎo)流筒釜中設(shè)置導(dǎo)流筒，可以嚴(yán)格地控制流動方向，使釜內(nèi)所有物料均通過導(dǎo)流筒內(nèi)的強(qiáng)烈混和區(qū)，既提高了混和效果，又有助于消除短路和死區(qū)。四、攪拌功率與混和效果為了到達(dá)宏觀上的均勻，必須有足夠強(qiáng)大的總體流動，即流量要足夠大；為了到達(dá)小尺度上的均勻，必須提高總流的湍動程度，即壓頭要足夠大?？梢姡瑸榱说竭_(dá)一定的混和效果，攪拌器必須提供足夠大的流量V和壓頭H，即必須向攪拌器提供足夠的功率P〔P=ρgVH〕。影響攪拌功率的幾何因素有：攪拌器的直徑d攪拌器的葉片數(shù)、形狀以及葉片長度l和寬度B容器直徑D；容器中所裝液體的高度h；攪拌器距離容器底部的距離h1；擋板的數(shù)目及寬度b；對于特定的攪拌器，通常以攪拌器的直徑d為特征尺寸，而把其他幾何尺寸以無因次的比照變量來表示。，

······影響攪拌功率的物理因素有：液體的密度ρ、粘度μ、攪拌器的轉(zhuǎn)速n等。由上述可知，對安裝擋板的攪拌裝置，攪拌功率P應(yīng)是ρ、μ、n、d以及······等的函數(shù)，即

式中共含5個有因次的物理量，根據(jù)定理〔該過程的無因次準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目I等于變量數(shù)與根本因次數(shù)之差。此題為5－3＝2〕，假設(shè)選定因次獨(dú)立的三個物理量ρ、n、d作為初始變量，利用因次分析法可將上式化為無因次形式。式中稱為功率準(zhǔn)數(shù)K；

稱為攪拌雷諾數(shù)ReM。對于一系列幾何相似的攪拌裝置，比照····變量都為一常數(shù)。上式可化間為或

其中

這樣，在特定的攪拌裝置上，由上式安排試驗(yàn)不難測得準(zhǔn)數(shù)K與攪拌雷諾數(shù)的關(guān)系。當(dāng)流動進(jìn)入充分湍流區(qū)時，即ReM>104，K為與Re無關(guān)的常數(shù)。此時攪拌功率攪拌器的流量取決于面積速度的乘積，即

而攪拌器在湍流區(qū)的功率為

再由

可知

所以

在攪拌功率一定的情況下，為一定值，那么

將上述關(guān)系分別代入〔1〕中，得上式說明，在等功率條件下，采用大直徑、低轉(zhuǎn)速得攪拌器，更多的功率消耗于總體流動，有利于宏觀混和；采用小直徑、高轉(zhuǎn)速的攪拌器，那么更多的功率消耗于湍動，有利于小尺度上的混和五、混和時間根據(jù)研究，混和時間大致等于釜內(nèi)物料循環(huán)時間的4倍，即式中：混和時間秒或小時；VR裝料容積m3；V攪拌器的流量〔泵送能力〕m3/h或m3/s；攪拌器的流量與其直徑的3次方和轉(zhuǎn)速的1次方成正比，即在湍流區(qū)，對一定幾何形狀的槳葉，其KV值為一常數(shù)

第二節(jié)攪拌器的選型與放大了解有關(guān)的工藝過程對于攪拌器的液體流型、循環(huán)量及壓頭大小等方面的要求，從而定出葉輪尺寸和轉(zhuǎn)速大小的合理配合。一、攪拌器的型式a.螺旋槳式攪拌器特點(diǎn)：高轉(zhuǎn)速，葉端圓周速度一般為5～15m/s。適用于粘度小于2Pa?s液體的攪拌。液體作軸向和切向運(yùn)動，需安裝擋板抑制切向的圓周運(yùn)動。這種流動總體流動的湍動程度不高，但循環(huán)量大，因此適用于以宏觀混和為目的的攪拌過程，尤其適用于要求容器上下均勻的場合。1.高轉(zhuǎn)速攪拌器b.渦輪式攪拌器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速較高，葉端圓周速度一般為3～8m/s，適用于粘度小于50Pa?s液體的攪拌，液體作徑向和切向運(yùn)動，并以很高的速度由出口沖出，流向壁面，分成上下兩路回流入攪拌器，形成循環(huán)總體流動。必須安裝擋板抑制切向的圓周運(yùn)動。與推進(jìn)式攪拌器相比，它所造成的總體流動回路較為曲折，出口的絕對速度大，槳葉邊緣附近的湍動程度大。更適應(yīng)于要求小尺度均勻的攪拌。特點(diǎn)：垂直安裝的槳葉〔平槳〕可使液體沿徑向和切向運(yùn)動，可用于簡單的液體混合、固體懸浮和溶解以及氣體的分散。但軸向流動范圍小，故當(dāng)釜內(nèi)液位較高時，應(yīng)在同一根軸上安裝幾個槳葉攪拌器或于螺旋攪拌器配合使用。因徑向范圍大，適用于高粘度液體的攪拌。a.槳式攪拌器2.大葉片低轉(zhuǎn)速攪拌器b.框式和錨式攪拌器特點(diǎn)：其產(chǎn)生的剪切作用很小，但攪動范圍很大，不會產(chǎn)生死區(qū)，適用于高粘度液體的攪拌。c.螺帶式攪拌器特點(diǎn)：因在攪拌時會產(chǎn)生液體的軸向流動，所以混合效果較框式和錨式為好。二、攪拌器的選型低粘度均相液體的混合一般的攪拌器均可，推進(jìn)式的循環(huán)速率大且消耗動力少，最合用；槳式的轉(zhuǎn)速低，消耗功率小，但混合效果不佳；渦輪式的剪切作用強(qiáng)，但功率消耗大。2.分散〔非均相液體的混合〕渦輪式攪拌器的剪切作用和循環(huán)速率大，用于此類操作效果最好。特別是平直的比折葉和彎葉更適宜。而彎葉渦輪可以節(jié)省動力。3.固體懸浮4.固體溶解低粘度液體、容易沉降——渦輪式攪拌器〔開啟〕固液比重差小，不易沉降——推進(jìn)式固液比大或不易沉降——槳式或錨式攪拌器大量溶解——渦輪式攪拌器小量溶解——推進(jìn)式5.氣體吸收6.傳熱7.高粘度操作8.結(jié)晶圓盤渦輪攪拌器小熱量——夾套＋槳式攪拌器中等熱量——夾套＋槳式攪拌器＋擋板大熱量——蛇管＋渦輪〔推進(jìn)式〕攪拌器＋擋板錨式或框式或螺帶式小直徑、高轉(zhuǎn)速——小晶粒；大直徑、低轉(zhuǎn)速——大晶粒；三、攪拌器的放大保持?jǐn)嚢枥字Z數(shù)不變不變，即2.保持葉端圓周速度nπd不變3.保持單位體積所消耗的攪拌功率P/V不變在湍流區(qū)域，，那么4.保持傳熱膜系數(shù)不變通用的傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：對于采用相同流體和溫度的幾何相似系統(tǒng)可得：注意：在保持傳熱膜系數(shù)不變的情況下放大，葉端圓周速度和P/V等重要變量的改變都不大，而這三者對于間歇反響器是尤為重要的。結(jié)論：至于具體的攪拌過程究竟采用哪個放大準(zhǔn)那么比較適宜，需通過逐級放大試驗(yàn)來確定。在幾個〔一般為3個〕幾何相似大小不同的試驗(yàn)裝置中，改變攪拌器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得同樣滿意的生產(chǎn)效果，然后按上述原那么判定哪個較為適用，并據(jù)此放大準(zhǔn)那么外推求出大型攪拌裝置的尺寸和轉(zhuǎn)速等。例見書。第三節(jié)攪拌功率一、均相液體的攪拌功率設(shè)有一片槳葉通過液體作運(yùn)動，液體與槳葉的相對速度以平均速度表示，那么作用于槳葉的力為：〔?化工原理?，〕因?yàn)楣视锌朔肆λ璧墓β实扔诹Τ艘云骄俣龋杭磳嚢韫β食苑Q為功率準(zhǔn)數(shù)，以NP表示〔有時也用K表示〕因?yàn)槟敲从信c流體在管道中的流動類似，應(yīng)與攪拌器型式和流體流動有關(guān)，所以有：其中

對于一定型式的攪拌器，那么有此時如前節(jié)所述。根據(jù)Re的大小，攪拌釜內(nèi)的流動情況分為層流、過渡流和湍流，如果用函數(shù)來表示，就可對每一種指定型式的攪拌器功率曲線分段求出攪拌功率的關(guān)聯(lián)式。層流區(qū)〔Re<10〕不同型式攪拌器的功率曲線都成直線，且斜率相同，m=-1；同一型式幾何相似的攪拌器，不管有無擋板，其NP～Re在同一直線上，即擋板對攪拌功率無影響。

將與結(jié)合，有2.完全湍流區(qū)〔Re>104〕無擋板時，因自由外表下降成漏斗狀，空氣被吸入液體中，使液體的密度減小，所以攪拌功率消耗降低，NP隨Re的增大而減小，其功率消耗可由功率曲線求得。有擋板時，NP與Re無關(guān)，即NP＝K有

此時K值是在的情況下測得，如實(shí)際設(shè)備中那么應(yīng)校正：其中

一般情況下，不管是否有擋板，層流、過渡流、湍流，攪拌功率都可有功率曲線求得。二、非均相液體的攪拌功率對于非均相液體，先算出平均密度和平均粘度，再按均相液體的方法來計(jì)算攪拌功率。液液相攪拌a.平均密度其中代表體積分率，下標(biāo)代表不同液體。b.平均粘度當(dāng)兩項(xiàng)液體的粘度均較小時：2.氣液相攪拌攪拌釜中通入空氣，由于攪拌器周圍的液體密度減小，攪拌需要的功率顯著下降，其降低程度與通氣量Q〔m3/min〕及循環(huán)量V〔m3/min〕有關(guān)。因?yàn)樗猿Ｓ猛鉁?zhǔn)數(shù)來關(guān)聯(lián)通氣對攪拌功率的影響。有下面3種方法：關(guān)聯(lián)式：Na<0.035Na>0.035其中，分別代表通氣與不通氣時攪拌功率。

b.關(guān)聯(lián)圖將Na準(zhǔn)數(shù)與/標(biāo)繪，可由Na查出/然后求出Pg。c.計(jì)算式：對于密度800～1650kg/m3、粘度9*10－4～0.1Pa·S，外表張力7.35～729N/m的液體，有如下的就算公式：，n：轉(zhuǎn)速，rpm；d：攪拌器直徑，m；Q：通氣量，m3/min；Kg：常數(shù)，當(dāng)D/d=3時，Kg＝0.157；當(dāng)D/d=2.5時，Kg＝0.113；當(dāng)D/d=2時，Kg＝0.101；此式適用于渦輪攪拌器、多層攪拌器及非牛頓液體的攪拌的場合。d.準(zhǔn)數(shù)方程式：此式適用于各種情況。3.固液相攪拌當(dāng)固體顆粒的量不大時，可近似地看作是一均一的懸浮狀態(tài)。取平均密度和粘度來代替原有液相的密度和粘度，按均相液體的攪拌進(jìn)行計(jì)算。平均密度：其中代表體積分率，下標(biāo)代表液體和固體

平均粘度：當(dāng)當(dāng)液相粘度；固體顆粒于液體的體積比。三、非牛頓液體的攪拌功率因牛頓液體服從牛頓粘性定律，即：

非流頓型液體，一般遵循Ostwald的冪指數(shù)規(guī)律，即當(dāng)m=1，K＝當(dāng)m<1，稱為假塑性液體；大多數(shù)高聚物溶液等。當(dāng)m>1，稱為脹塑性液體；固體含量高的懸浮液等為牛頓型液體按照粘度的定義，對非牛頓液體仍可定義剪切應(yīng)力與剪切率的比值，稱為表觀粘度，以表示：假塑性液體，表觀粘度隨剪切率的增大而減小；脹塑性液體，表觀粘度隨剪切率的增大而增大。而攪拌器內(nèi)的平均剪切率與攪拌器的轉(zhuǎn)速成正比：帶入上式有：用計(jì)算得到的平均表觀粘度帶入Re中，即于是就可以利用計(jì)算牛頓液體的攪拌功率的關(guān)聯(lián)式來求出實(shí)際介質(zhì)的中的攪拌功率。第四節(jié)攪拌釜的傳熱一、溫度對化學(xué)反響的影響溫度對反響速率的影響由阿累尼烏斯經(jīng)驗(yàn)式：式中的活化能E不僅是反響難易程度的衡量，也是反響速度對溫度敏感性的標(biāo)志。上式取對數(shù)：如將lnk對1/T作圖那么為一直線。有如下結(jié)論：a.活化能大的反響，反響速率對溫度較敏感，活化能小的反響，不太敏感；b.對一定的反響〔E值一定〕，低溫時反響速度對溫度敏感，高溫時不太敏感。對于簡單反響，反響速度是溫度、濃度的函數(shù)。例如，對于簡單可逆放熱反響，在濃度不變的情況下，隨著溫度的增大，反響速率增大，而當(dāng)溫度增大到一定程度，此時逆反響占優(yōu)，總的反響速率反而下降，故在濃度不變的情況下，反響速率對反響溫度存在一最大值，亦即存在最正確反響溫度。如以下圖的其中任一一條曲線。如果對于濃度變化的非穩(wěn)態(tài)操作，如果使?jié)舛鹊淖兓?，使反響溫度隨著對應(yīng)濃度的最正確反響溫度變化，那么反響速率一直處于最大狀態(tài)，那么反響容積最小。對于不可逆反響和可逆吸熱反響，反響速度總是隨著溫度的升高而加快，他們的最正確溫度也是工藝上所允許的最高溫度。2.溫度對選擇性的影響對平行反響：假設(shè)反響速度為那么選擇率：可見，當(dāng)E1>E2時，溫度升高，選擇性增大；當(dāng)E1<E2時，溫度升高，選擇性減小。因此，提高溫度有利于活化能大的反響；降低溫度，有利于活化能小的反響。二、攪拌釜的傳熱裝置夾套如果是加熱介質(zhì)是水蒸氣，進(jìn)口管應(yīng)靠近夾套上端，冷凝液從底部排除；如果傳熱介質(zhì)是液體，那么進(jìn)口管安排在底部。夾套的高度一般應(yīng)比釜內(nèi)液面高出50～100mm，以保證充分傳熱。夾套的上端開有不凝氣的排出口。2.蛇管當(dāng)需要的傳熱量大時，或釜體內(nèi)襯有橡膠、瓷磚等隔熱材料而不能采用夾套傳熱時，可采用蛇管傳熱。蛇管浸在物料中，熱損失小，傳熱效果好。排列密集的蛇管能起到導(dǎo)流筒和擋板的作用，強(qiáng)化攪拌，提高傳熱效果。但蛇管檢修麻煩，對含有固體顆粒的物料和粘稠物料容易堆積和掛料，以至于影響傳熱效果。三、攪拌釜的傳熱計(jì)算釜內(nèi)物料與夾套〔蛇管〕內(nèi)的物料之間的傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算：釜側(cè)傳熱膜系數(shù)一般是將包含釜側(cè)傳熱膜系數(shù)的努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re及普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr關(guān)聯(lián)成如下的函數(shù)式：關(guān)聯(lián)式中為校正項(xiàng)。分別為流體在釜內(nèi)總體溫度下與壁面溫度下的粘度。L為特征長度

2.夾套側(cè)傳熱膜系數(shù)當(dāng)夾套內(nèi)通蒸汽時，蒸汽的冷凝膜系數(shù)可取7500W/(m2·K)當(dāng)夾套內(nèi)通冷卻水時，其傳熱膜系數(shù)可用下式計(jì)算：Re<3600Re>36003.蛇管側(cè)傳熱膜系數(shù)流體在彎管內(nèi)流動，由于離心力的作用，擾動加速，使傳熱膜系數(shù)較直管內(nèi)增大?？捎孟率接?jì)算：d——蛇管管子內(nèi)徑De——蛇管圈直徑流體在直管內(nèi)的傳熱膜系數(shù)流體在蛇管內(nèi)的傳熱膜系數(shù)

當(dāng)Re>10000、<0.002Pa·S時

其定性溫度為進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。當(dāng)粘度較大，且Re>10000、Pr=0.5~100時

當(dāng)管內(nèi)走冷卻介質(zhì)，可取管內(nèi)走加熱介質(zhì)，可取四.非牛頓液體的傳熱膜系數(shù)攪拌介質(zhì)為非牛頓液體時，計(jì)算傳熱膜系數(shù)的關(guān)鍵在于確定被攪拌液體的平均表觀粘度。可由計(jì)算表觀粘度。然后按計(jì)算牛頓液體的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。第五節(jié)間歇反響釜的工藝計(jì)算一、反響釜的物料衡算收率＝選擇性×轉(zhuǎn)化率二、反響釜容積與個數(shù)確實(shí)定給定VT，求n每天需要操作的批數(shù)為：而每天每個反響釜可操作的批數(shù)為：因此，生產(chǎn)過程中需用的反響釜個數(shù)為：通常由上式計(jì)算的nP不為整數(shù)，須圓整成整數(shù)，這樣反響釜的生產(chǎn)能力較設(shè)計(jì)要求提高了，其提高程度稱為生產(chǎn)能力的后備系數(shù)，以表示，即，后備系數(shù)通常在1.1～1.15為適宜。2.給定n，求VT如先確定反響釜的個數(shù)，那么由下式：取1.1～1.15。三、反響釜直徑與高度確實(shí)定一般攪拌反響釜的高度與直徑之比H/D＝1.2左右。釜蓋與釜底采用橢圓形封頭。封頭容積，不包括直邊高度的容積在內(nèi)。那么有：四、設(shè)備之間的平衡通常要求不同批號的物料不相混，這樣就應(yīng)使各道工序每天操作的批數(shù)相同，即為一常數(shù)。第六節(jié)連續(xù)反響釜的熱穩(wěn)定性一、全混釜的熱量平衡在連續(xù)操作的反響釜內(nèi)，溫度均一且不隨時間變化，所以，可以對整個反響釜作單位時間內(nèi)的熱量衡算。即：反響的放熱速率曲線為了簡單起見，下面討論一級不可逆反響的放熱速率曲線。由全混釜的物料衡算式：和速率方程：

代入上式有

代入Qr有2.除熱速率曲線所以，除熱速率與反響溫度成直線關(guān)系，隨參數(shù)值的不同，直線有不同的斜率和截距。而放熱曲線為S形曲線，二者的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為穩(wěn)態(tài)操作的溫度。隨著參數(shù)不同，反響器可有多個穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)。如以下圖所示。第三章其他型式反響器第一節(jié)管式反響器一、管式反響器的特點(diǎn)、型式和應(yīng)用特點(diǎn)：一般用于連續(xù)操作，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，單位容積的生產(chǎn)能力高，傳熱面積大，耐高壓，易于控制管理。應(yīng)用范圍：一般應(yīng)用于均相反響——?dú)庀嗪鸵合?。型式?.水平或垂直的管式反響器2.盤管式反響器3.U型管式反響器二、變溫等容過程管式反響器的計(jì)算1.等溫等容過程管式反響器的計(jì)算等溫等容過程反響器的設(shè)計(jì)，需要聯(lián)解動力學(xué)方程式和物料衡算式，而非等溫反響，由于動力學(xué)方程式中的反響速率隨著溫度的變化而變化，反響器內(nèi)溫度的變化、與外界熱量的交換，需通過熱量衡算才能確定。因此設(shè)計(jì)非等溫過程的反響器，需聯(lián)解動力學(xué)方程、物料衡算式和熱量衡算式。2.變溫等容過程管式反響器的計(jì)算對微元體積dV建立熱量衡算，可得：反響物經(jīng)過微元體積后熱量變化為：將上述各式代入熱量衡算式有：此即平推流管式反響器熱量衡算的一般式。對于等溫過程dT=0，有對于絕熱過程現(xiàn)討論絕熱過程管式反響器容積的計(jì)算方法。假設(shè)在反響器中，過程的轉(zhuǎn)化率從變化到，相應(yīng)于物料的溫度從如果忽略反響過程中物料摩爾數(shù)的變化，那么上式積分右邊有：變化到T，令那么有稱為絕熱溫升系數(shù)，其物理意義是當(dāng)物料總進(jìn)料的摩爾流量為1時，反響物A全部轉(zhuǎn)化后使物料溫度升高的度數(shù)。如果知道關(guān)系，結(jié)合動力學(xué)方程和物料衡算式，便可求出到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需的管式反響器容積。三、等溫變?nèi)葸^程管式反響器的計(jì)算對于變?nèi)葸^程，一般總壓變化不大，故可以視為定壓過程①膨脹因子對于反響：〔均為氣相〕當(dāng)τ＝0時nA0nB000當(dāng)τ＝τ時nAnBnRnS故τ＝0時反響前物系的總摩爾數(shù)為而τ＝τ時反響前物系的總摩爾數(shù)為假設(shè)令那么那么稱為膨脹因子，其物理意