第2章 制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)

1制藥工程原理與設(shè)備PrincipleandEquipmentofPharmaceuticalEngineeringsjh@2第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程基礎(chǔ)1第二節(jié)生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)2第三節(jié)反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大344第四節(jié)生物反應(yīng)器及放大3Doyouknow?藥物的原藥是通過化學(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。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）和保證反應(yīng)向目標(biāo)合成物及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)接近所需控制操作該設(shè)備的參數(shù)和方法。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(jìn)行工程技術(shù)放大和車間工程工藝設(shè)計。

最重要的是進(jìn)行反應(yīng)及提取設(shè)備的放大設(shè)計與選型。4Canyoutellme?對非均相反應(yīng)合成過程所用設(shè)備，（1）你認(rèn)為應(yīng)該是什么樣的？（2）你想知道是什么樣的嗎？（3）你知道為什么是這樣的嗎？憑經(jīng)驗和掌握的知識判斷；學(xué)習(xí)、進(jìn)行測試；設(shè)計方案、實驗、對比，分析研究。52.1藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程基礎(chǔ)

藥物化學(xué)合成工業(yè)過程需要借助各種反應(yīng)器來實現(xiàn)。反應(yīng)器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其中同時有傳熱、傳質(zhì)、擴(kuò)散、摩擦等物理過程。藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程包括：(1)反應(yīng)動力學(xué)；

(2)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、放大；

(3)反應(yīng)器優(yōu)化；

(4)結(jié)構(gòu)功能與GMP要求一致。62.1藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.1.1藥物化學(xué)合成工業(yè)的特點

化學(xué)合成藥物主要依賴化學(xué)制藥工業(yè)，藥品直接關(guān)系人民健康，化學(xué)制藥工業(yè)是專業(yè)化程度較高的特殊行業(yè)。（1）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；（3）原輔材料多；（4）質(zhì)量要求嚴(yán)格；GMP（5）產(chǎn)量不斷擴(kuò)大，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。7ReviewofBasicknowledge一、基本概念2.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)均相反應(yīng)1.定義2.影響因素反應(yīng)的各個物質(zhì)均處于同一相內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。溫度催化劑反應(yīng)物組成壓力8ReviewofBasicknowledge一、基本概念1.化學(xué)計量方程

化學(xué)計量方程僅表示各個反應(yīng)物與生成物在反應(yīng)過程中量的變化關(guān)系，方程本身與反應(yīng)的實際歷程無關(guān)，同時規(guī)定各計量數(shù)之間不應(yīng)含有除1以外的任何公因子。2-12-22.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)92.化學(xué)反應(yīng)速率

對于均相反應(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)速率各物質(zhì)的反應(yīng)速率：2-32-42.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)103.反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)程度轉(zhuǎn)化率：反應(yīng)程度（反應(yīng)進(jìn)度）：2-52-62.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)物質(zhì)的量的變化與計量數(shù)比值114.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)與時間關(guān)系的方程成為化學(xué)反應(yīng)的速率方程。速率常數(shù)：2-72-82.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)速率方程：a,b,k,E等參數(shù)分別代表的含義？12二、單一反應(yīng)不可逆反應(yīng)：反應(yīng)速率式:對于等溫恒容均相反應(yīng):其積分式為：2-92-102-112.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)13可逆反應(yīng)：均相催化反應(yīng)：2-122-132.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)二、單一反應(yīng)反應(yīng)速率式:反應(yīng)速率式:14平行反應(yīng)串聯(lián)反應(yīng)三、復(fù)合反應(yīng)2.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)兩個或更多獨立的計量方程來描述的反應(yīng)15三、復(fù)合反應(yīng)（基本概念）收率φp：生成的目的產(chǎn)物P的摩爾數(shù)與反應(yīng)掉的反應(yīng)組份Ａ的摩爾數(shù)之比得率Xp：生成的目標(biāo)產(chǎn)物P的摩爾數(shù)與反應(yīng)物的起始摩爾數(shù)之比選擇性Sp：目的產(chǎn)物P所生成的摩爾數(shù)與某副產(chǎn)物S生成的摩爾數(shù)之比

2-142-152-162.1.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)16一、分批式操作1.定義：反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器中，在反應(yīng)過程中不再投料，也不向外排出反應(yīng)物，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率后再全部放出產(chǎn)物。2.1.3分批操作及釜式反應(yīng)器2.釜式反應(yīng)器

組成：攪拌裝置、軸封、攪拌罐3.釜式反應(yīng)器特點

非生產(chǎn)性操作時間長、產(chǎn)物損失較大，控制費用較大。

適于經(jīng)濟(jì)價值高批量小的產(chǎn)物，如藥品和精細(xì)化工產(chǎn)品等。17二、分批式操作釜式反應(yīng)器物料衡算1.非恒容過程考慮體積2.1.3分批操作及釜式反應(yīng)器2.恒容過程消去體積，計算濃度變化3.恒溫操作

計算轉(zhuǎn)化率和得率結(jié)合化工原理知識自學(xué)計算方法18

制藥工業(yè)是關(guān)系到人民身體健康的特殊行業(yè)，各種生產(chǎn)工藝要求不盡相同，是的設(shè)備需要在及其復(fù)雜的條件下運行，因此合理選用材料是設(shè)計制藥設(shè)備的主要環(huán)節(jié)。2.1.4常用設(shè)備材料1.鑄鐵：C%>2%,具有良好的鑄造性、耐磨性、減震性及切削加工性，有相當(dāng)好的耐腐蝕性，且成本低廉。2.碳鋼：C%<2%，強度高，耐磨性強，應(yīng)用范圍廣。3.合金鋼：種類多，通過加入某些合金元素，提高材料強度、硬度、韌性、塑性、耐磨性、物化性等綜合性能。（鉻、錳、鑷、硅、硼、鋁、鎢、鉬、釩、鈦、稀土金屬等）一、金屬材料192.1.4常用設(shè)備材料1.無機非金屬二、非金屬材料

優(yōu)良的耐腐蝕性，原料來源豐富，品種多樣，既可單獨的結(jié)構(gòu)材料，又可作金屬設(shè)備的保護(hù)襯里、涂層、密封、保溫耐火材料等?；ぬ沾桑耗蜔?、不透性；塔、貯槽、反應(yīng)器等化工搪瓷：力學(xué)、電絕緣性能；反應(yīng)釜、換熱器等輝綠巖鑄石：超強耐腐蝕；襯里、管材等玻璃：熱穩(wěn)定性、清潔透明；管件、熱交換器等2.有機非金屬工程塑料：添加劑改善性能，機械強度加工性能好涂料：防腐保護(hù)涂層，種類多適應(yīng)性強不透性石墨：化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性強202.1.4常用設(shè)備材料1.化學(xué)腐蝕三、設(shè)備材料的防腐蝕

金屬材料表面受周圍介質(zhì)作用發(fā)生狀態(tài)變化使材料受破壞，分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類。金屬高溫氧化鋼的脫碳：表面硬度和抗疲勞程度降低。氫脆：變脆，力學(xué)性能劣化。腐蝕：氫腐蝕，脫碳和皮下鼓泡2.電化學(xué)腐蝕腐蝕原電池微電池、宏電池濃差電池212.1.4常用設(shè)備材料防腐措施三、設(shè)備材料的防腐蝕襯覆保護(hù)層電化學(xué)保護(hù)加入緩腐劑金屬涂層—電鍍非金屬涂層—隔離陰極保護(hù)改變電位，使金屬鈍化陽極保護(hù)222.1.4常用設(shè)備材料設(shè)備結(jié)構(gòu)制造工藝使用條件和壽命材料的物理、力學(xué)性能材料的耐腐蝕性材料的經(jīng)濟(jì)型其他方面設(shè)備材料的選擇合理選擇和正確使用材料，從以下幾點考慮：232.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)1.生化工程：

將生物技術(shù)的實驗室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)，成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程，常稱為生化工程。是化學(xué)工程的分支、生物工程的重要組成部分，為生物技術(shù)服務(wù)的化學(xué)工程。2.生化工程技術(shù)：

利用化學(xué)工程原理和方法對實驗室所取得的基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程等生物技術(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。2.2.1基本概念24

基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程并不是各自獨立的，它們彼此之間是互相聯(lián)系、互相滲透的。其中基因工程技術(shù)是核心技術(shù)，它能帶動其他技術(shù)的發(fā)展。比如通過基因工程對細(xì)菌或細(xì)胞改造后獲得的“工程菌”或細(xì)胞，都必須分別通過發(fā)酵工程或細(xì)胞工程來生產(chǎn)有用的物質(zhì)；又如，通過基因工程技術(shù)對酶進(jìn)行改造以增加酶的產(chǎn)量、酶的穩(wěn)定性以及提高酶的催化效率等。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.2.1基本概念253.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。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。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)基本概念264.生物反應(yīng)過程

利用生物催化劑以完成生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)的過程。生物催化劑可以是微生物、動物、植物的整體活細(xì)胞，也可以是從細(xì)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。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)基本概念若采用活細(xì)胞為生物催化劑，稱為發(fā)酵或細(xì)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。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(xì)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。272.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)28生化反應(yīng)過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)過程的分類

酶催化反應(yīng)過程，

細(xì)胞反應(yīng)過程，

廢水的生物處理過程。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)基本概念29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。反應(yīng)動力學(xué)不僅有底物消耗或產(chǎn)物生成的速度方程還有細(xì)胞的生長動力學(xué)或酶活動力學(xué)方程，能量轉(zhuǎn)化也類似。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(xì)胞的培養(yǎng)和回收產(chǎn)物分離過程要求及費用比重大2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)30生化反應(yīng)工程技術(shù)發(fā)酵工程技術(shù)：懸浮生長細(xì)胞、固定化細(xì)胞酶工程技術(shù)：懸浮酶或酶液、固定化酶、溶劑工程生物分離工程技術(shù)：包括天然產(chǎn)物的分離工程技術(shù)

基因工程和蛋白質(zhì)工程要進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模，通常是要經(jīng)過發(fā)酵工程和酶工程才能實現(xiàn)。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)基本概念312.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)32生化反應(yīng)工程的主要研究內(nèi)容生化反應(yīng)動力學(xué)以及生化反應(yīng)器傳遞特性、設(shè)計與放大、優(yōu)化與控制，針對基因工程產(chǎn)品和動植物細(xì)胞培養(yǎng)所需的特殊生化反應(yīng)器、反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型、在線檢測技術(shù)。生化反應(yīng)器的流體流動模型與的化學(xué)反應(yīng)器的相同，基本形式也一樣，但結(jié)構(gòu)與使用方面有獨特性。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)33生化反應(yīng)過程包括兩個層次的動力學(xué)：本征動力學(xué)——微觀動力學(xué)，指的是沒有傳遞等工程因素的影響時，生化反應(yīng)的固有速率，該速率除反應(yīng)本身的特性外，只與各反應(yīng)的組分的濃度、溫度、催化劑及溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。宏觀動力學(xué)——反應(yīng)器動力學(xué)，指的是在一反應(yīng)器內(nèi)所觀測得到的總反應(yīng)速率及其影響因素，這些影響因素包括反應(yīng)器的形式和結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動與混合、傳質(zhì)與傳熱等，傳遞特性將影響反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)和產(chǎn)物的濃度分布及溫度分布，進(jìn)而影響到反應(yīng)器內(nèi)某一組分的反應(yīng)速度。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)342.2.1培養(yǎng)基的制備與滅菌定義：生化反應(yīng)過程中為微生物生長和進(jìn)行目的產(chǎn)物合成而提供的營養(yǎng)物質(zhì)及輔助成分。主要組成：1.碳源：構(gòu)成微生物細(xì)胞及代謝產(chǎn)物的碳架及所需的能量來源。

常用物質(zhì)：葡萄糖、蔗糖、淀粉、蜜糖等。2.氮源：構(gòu)成生物細(xì)胞蛋白質(zhì)和某些代謝產(chǎn)物的主要成分。常用物質(zhì)：有機氮（酵母抽提物、蛋白胨、玉米漿和黃豆餅粉等）無機氮（硫酸銨、硝酸鉀、氨水和尿素等）2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)一、培養(yǎng)基簡介352.2.1培養(yǎng)基的制備與滅菌主要組成：3.無機鹽：構(gòu)成微生物細(xì)胞的重要成分。

K、Na、Mg、Ca、Fe、Zn、P、S、Mn、Co、Cu等。4.生長因子：使生物細(xì)胞維持正常生長代謝必需的微量有機化合物。

維生素、氨基酸、生物素及生長激素等。5.前體物質(zhì)和促進(jìn)劑：促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物的合成，提高產(chǎn)量。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)一、培養(yǎng)基簡介362.2.1培養(yǎng)基的制備與滅菌(一)淀粉原料的處理和糖化2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)二、培養(yǎng)基制備淀粉原料篩選除雜淀粉原料粉碎淀粉的糖化獲得較純凈的原料，確保原料質(zhì)量和安全生產(chǎn)

增加表面積，提高原料利用率和制備效率

淀粉液化(蒸煮或酶催化）使結(jié)晶組織和細(xì)胞膜破裂，才能經(jīng)糖化酶催化生成葡萄糖使用。原料經(jīng)過物理、化學(xué)等方法處理，制成液態(tài)或固態(tài)的生物發(fā)酵培養(yǎng)基濕法和干法

372.2.1培養(yǎng)基的制備與滅菌(二)糖蜜的稀釋與澄清2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)二、培養(yǎng)基制備糖蜜的稀釋酸化澄清處理高濃度原糖蜜加水稀釋

稀釋后的糖蜜加濃硫酸調(diào)pH至3.5~3.8，升溫95

℃一定時間后中和，沉降或離心澄清除雜。除去不利于發(fā)酵的物質(zhì)和滅菌382.2.1培養(yǎng)基的制備與滅菌1.滅菌方法：加熱法化學(xué)殺菌法物理殺菌法（紫外線、超聲波等）2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)三、培養(yǎng)基的滅菌2.影響因素：

pH的影響：6~8時微生物最不易死亡，pH越低，滅菌時間越短

培養(yǎng)基成分：油脂、糖類蛋白質(zhì)等不利于滅菌，鹽類色素利于滅菌。

培養(yǎng)基顆粒物質(zhì)：顆粒越大，滅菌困難，較大或凝結(jié)成膠體必須

過濾除去。392.2.2微生物發(fā)酵基本理論二、發(fā)酵方式分批發(fā)酵補料分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)一、基因工程技術(shù)簡介——自學(xué)（結(jié)合生物化學(xué)）各自定義是什么？分析比較三種方式的優(yōu)缺點。402.2.2微生物發(fā)酵基本理論二、發(fā)酵方式比較分批發(fā)酵：間歇式發(fā)酵，起始一次性投入所需各種成分。補料分批發(fā)酵：間歇補充新鮮培養(yǎng)基，減緩發(fā)酵罐內(nèi)碳、氮

源濃度的衰減，使微生物對數(shù)生長期和穩(wěn)定期延長，

提高產(chǎn)度濃度。連續(xù)發(fā)酵：不斷加入新鮮培養(yǎng)基，取出成熟的發(fā)酵液，保證

營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的濃度，良好的生長代謝環(huán)境。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)分批：周期長，生產(chǎn)效率低，每次要清洗滅菌等。連續(xù)：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高；缺點：細(xì)胞易突變，不良的反

而生長更快，產(chǎn)物減少；長期維持無雜菌污染較困難。412.2.3酶催化基本理論優(yōu)點：

高度專一性；催化效率高；反應(yīng)條件溫和，對設(shè)備要求不高。缺點：易失活變質(zhì)；易被雜菌污染。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)酶催化特點42一、酶催化反應(yīng)動力學(xué)——底物濃度與酶反應(yīng)速度的定量關(guān)系2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.2.3酶催化基本理論

單底物酶促反應(yīng)，底物S與酶E結(jié)合，形成復(fù)合物ES后再分解成產(chǎn)物P并使酶E釋放：

設(shè)底物濃度[S]比酶濃度[E]大得多，復(fù)合物濃度[ES]為動態(tài)平衡不變值，則產(chǎn)物的生產(chǎn)速率為：米氏方程43

上式即為Michaelis-Menten方程，簡稱為M-M方程或米氏方程。該式中有兩個動力學(xué)參數(shù)，即和。

Km為米氏常數(shù)，物理含義是指復(fù)合物ES的消失速度(k-1+k2)與形成速度(k+1)之比，當(dāng)=

/2時，根據(jù)方程得Km=CS，即Km等于酶促反應(yīng)速率達(dá)到其最大速度一半時的底物濃度[S]。

2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)一、酶催化反應(yīng)動力學(xué)2.2.3

酶催化基本理論

Km可以表示酶和底物之間的親和能力，Km值越大，親和能力越弱，反之亦然。44簡單酶催化反應(yīng)動力學(xué)有一個顯著的特點，即反應(yīng)速率與底物濃度的關(guān)系是一種單調(diào)增加的函數(shù)關(guān)系。

1.底物抑制

實際上有些酶的催化反應(yīng)，由于底物濃度過高，其反應(yīng)速率反而會下降。此種效應(yīng)稱之為底物的抑制作用，抑制作用分為可逆抑制與不可逆抑制兩大類。根據(jù)產(chǎn)生抑制的機理不同，可逆抑制又分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制和混合型抑制。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)一、酶催化反應(yīng)動力學(xué)2.2.3酶催化基本理論45

1.底物抑制

競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)一、酶催化反應(yīng)動力學(xué)2.2.3酶催化基本理論Km值不變，vmax值變小,v變小

Km值變小，vmax值變小，但Vmax/Km值不變

,v變小

Km值增大，vmax值不變，v變小

Km值越大，酶與底物親和能力越弱。46

2.抑制物抑制——反應(yīng)速率方程見P58競爭性抑制：抑制物與底物結(jié)構(gòu)類似，在活性部位與酶結(jié)合，阻礙酶與底物結(jié)合。非競爭性抑制：抑制物在酶的活性部位以外與酶結(jié)合，也影響酶的催化反應(yīng)速率。反競爭抑制：抑制物與復(fù)合物ES作用生成ESI，使酶反應(yīng)速率下降。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)一、酶催化反應(yīng)動力學(xué)2.2.3

酶催化基本理論47

影響酶活性的環(huán)境因素及穩(wěn)定性(1)底物、抑制劑(2)溫度(3)pH值(4)離子強度、電場、磁場、光照、超聲波等2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)一、酶催化反應(yīng)動力學(xué)2.2.3酶催化基本理論影響最大48二、細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)

細(xì)胞反應(yīng)過程本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系。

細(xì)胞如同一微小的反應(yīng)容器，原料中的反應(yīng)物透過細(xì)胞周圍的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在酶的作用下進(jìn)行催化反應(yīng)，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，接著這些產(chǎn)物又被釋放出來。

細(xì)胞的生長過程包括下列階段：延遲期、指數(shù)生長期、減速期、靜止期和衰亡期。每階段都有自己的動力學(xué)特點，尤以指數(shù)生長期和減速期最為重要。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.2.3酶催化基本理論49細(xì)胞間歇培養(yǎng)各階段的濃度-時間曲線圖2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)501.無抑制細(xì)胞生長動力學(xué)方程Monod方程是Monod于1942年提出的經(jīng)驗方程，系典型的均衡生長模型，與延滯期后的細(xì)胞生長過程相符：kCCCS=rC=

CM+CS

CM+CSrCmaxCS2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.2.3

酶催化基本理論當(dāng)培養(yǎng)基中不存在抑制細(xì)胞生長的物質(zhì)時，細(xì)胞的生長速率與基質(zhì)濃度關(guān)系51CS為限制性基質(zhì)濃度g/L；CM為飽和常數(shù)(g/L)，其值等于比生長速率恰為最大比生長速率的一半時的限制性基質(zhì)濃度。Monod方程的基本假設(shè)如下：a.細(xì)胞的生長為均衡式生長（唯一變量是細(xì)胞的濃度）；b.培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，其他組分為過量，不影響細(xì)胞的生長；c.細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.2.3酶催化基本理論1.無抑制細(xì)胞生長動力學(xué)方程522.有抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)①基質(zhì)抑制動力學(xué)

當(dāng)基質(zhì)濃度很高時，細(xì)胞的生長反而會受到基質(zhì)的抑制作用。同底物對酶催化反應(yīng)的抑制一樣，基質(zhì)對細(xì)胞生長的抑制同樣可以分為競爭性、非競爭性和反競爭性抑制。②產(chǎn)物抑制動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過程中，有些代謝產(chǎn)物濃度較高時，也會抑制細(xì)胞的生長和其代謝能力，產(chǎn)物的抑制也可分為競爭性和非競爭性抑制。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)53

代謝產(chǎn)物對細(xì)胞生長的抑制中，最具代表性的是發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇時，乙醇對酵母菌或其他菌類的抑制作用。右圖表示了在一運動發(fā)酵單孢菌作用下發(fā)酵生產(chǎn)乙醇時，乙醇濃度對該菌比生長速率的影響，可見，當(dāng)乙醇濃度增加，單孢菌比生長速率快速下降。2.2生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.有抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)542.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大反應(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。反應(yīng)器不僅關(guān)系設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)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)，在其中進(jìn)行反應(yīng)的同時有傳熱、傳質(zhì)、擴(kuò)散和摩擦（碰撞）等物理過程存在，這就要求設(shè)備安全、可控。在大的容器中，反應(yīng)物的混合、流動分布、停留時間分布以及提高多孔催化劑表面的有效利用有同樣重要。任一過程可以受這些因素中的某一或多種因素的作用。反應(yīng)器概述552.3.1反應(yīng)器種類按物料相態(tài)分類(1)均相反應(yīng)器(反應(yīng)物與生成物屬同一相):氣相、液相(2)非均相反應(yīng)器(反應(yīng)體系多于一相):氣液、液液、氣固、

液固、氣液固按結(jié)構(gòu)形式分類

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2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大56按操作方式分(1)分批（或稱間歇）操作反應(yīng)器（原料一次加入、結(jié)束取出）(2)連續(xù)操作反應(yīng)器（原料連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器并連續(xù)引出反應(yīng)產(chǎn)物）(3)半連續(xù)操作反應(yīng)器（某些原料在反應(yīng)前一次加入，其他連續(xù)或斷續(xù)

進(jìn)入反應(yīng)器，或?qū)⒛撤N反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)引出）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）（無軸向混合）(2)理想混合流（物料在反應(yīng)器內(nèi)完全混合，各點組成和溫度相同，連續(xù)

操作的攪拌釜式反應(yīng)器）(3)中間流型（擴(kuò)散引起速度波動、短路與旁路及溝流、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)引起

的流體停滯及流體的循環(huán)等干擾，存在部分返混）2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.1反應(yīng)器種類57實際反應(yīng)器

攪拌釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器（填料）塔式反應(yīng)器固定床催化反應(yīng)器固定床非催化反應(yīng)器流化床催化反應(yīng)器

流化床非催化反應(yīng)器2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.1反應(yīng)器種類58帶夾套的開式攪拌釜結(jié)構(gòu)示意圖592.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大60

CatalyticdistillationforMTBEproduction

J.N.Armor，AppliedCatalysisA:General222(2001)91–99

塔式反應(yīng)器示意圖61

Schematicdiagramofareactivedistillationcolumn

B.Sahaetal.，CatalysisToday60(2000)147–157

填料（散堆、規(guī)整）催化劑（包裹均散、固著在填料表面或共燒結(jié)）62固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式63a批量反應(yīng)器；b穩(wěn)態(tài)流動反應(yīng)器；c~e幾種半連續(xù)性反應(yīng)器。642.3.2釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用

構(gòu)造：釜體一般是由鋼板卷焊而成的圓筒體，再焊上鋼制標(biāo)準(zhǔn)釜底，配上封頭、攪拌器等零部件而制成。標(biāo)準(zhǔn)釜底一般為橢圓形，可用平底、半球底或錐形底等

分類：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

傳熱：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

適用：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)的小批量、多品種生產(chǎn)特點。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大65間歇攪拌釜式反應(yīng)器間歇攪拌釜式反應(yīng)器內(nèi)任一點的濃度或溫度隨反應(yīng)時間而變，所以是不穩(wěn)定操作的反應(yīng)器。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大66攪拌裝置軸封罐體附件組成：67

理想反應(yīng)器特點：1.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。3.所有流體質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相等(具有相同的歷程)。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.2釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用682.3.3反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài)從混合的對象來看有兩種混合狀態(tài)具有相同年齡的流體微元間的混合。

如間歇式反應(yīng)器流體微元的混合，其流體微元在釜內(nèi)的停留時間是相同的。不同年齡的流體微元的混合，稱之為返混，或稱為逆向混合。這里指的逆向主要是指的時間(time)概念上的逆向，而不是指空間（space)上的逆向。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大69反應(yīng)器中的混合：

就連續(xù)攪拌式反應(yīng)器而言，其混合可視為三個不同部分所組成：因攪拌器的旋轉(zhuǎn)面造成液體的流通或循環(huán)，使得整個反應(yīng)器中的物料引起湍動面混合，并稱之為主流；

在較小的范圍中因攪拌器的剪切或進(jìn)料的噴射面引起的湍動，使物料分散成微團(tuán)(或小滴)；

分子擴(kuò)散，均勻化的最后步驟。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.3反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài)70產(chǎn)生混合的主要因素：由于液體中分子擴(kuò)散的速度很慢，故在很大程度上混合受主流及湍動的影響，而主要影響因素則是主流的速度。連續(xù)反應(yīng)器中的流動與混合是由進(jìn)料的噴射效應(yīng)以及（主要因素）機械攪拌所造成的。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.3反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài)71

返混是連續(xù)化操作的伴生現(xiàn)象，兩種連續(xù)理想反應(yīng)器的返混情況處于兩種極端狀態(tài)：在平推流反應(yīng)器中，流體象活塞一樣向前運動，不存在著任何返混在理想混合反應(yīng)器中，物料的停留時間有長有短，這些具有不同停留時間的物料由于受攪拌的作用，其返混程度達(dá)到最大實際反應(yīng)器流體流動的返混程度介于這兩種理想反應(yīng)器之間2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.3反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài)72

形成返混的原因：一、由不均勻的速度分布引起，如流動過程中有死角和溝流以及粘性流體在管式反應(yīng)器作層流流動時，均使流體的停留時間不同而造成返混二、由物料的流動方向相反的運動引起，如連續(xù)釜式反應(yīng)器的攪拌作用和管式反應(yīng)器的分子擴(kuò)散，渦流擴(kuò)散作用而形成返混。一般說來，由于溝流、死角等非理想流動所引起的返混十分嚴(yán)重。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.3反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài)73反應(yīng)器的近似處理帶攪拌的釜式反應(yīng)器認(rèn)為是理想混合反應(yīng)器：攪拌達(dá)到混合所需要的時間較之物料通過容器的平均停留時間要短得多；管式、固定床催化反應(yīng)器近似地考慮為平推流反應(yīng)器：軸向擴(kuò)散作用不大，形成的返混程度很小。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.3反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài)74反應(yīng)器內(nèi)流動狀態(tài)流入反應(yīng)器內(nèi)的物料在平均停留時間短得多的時間內(nèi)達(dá)到分子級的分散，任一特定分子的周圍沒有與其同時進(jìn)入的分子，這種混合稱之為微觀混合，這種流體稱之微觀流體。（微觀流體的反應(yīng)是分子間的碰撞）進(jìn)入反應(yīng)器的流體以微元的尺度均一分布，且這些微元中同時進(jìn)入的各分子永遠(yuǎn)保持在一起，也就是微元之間相互沒有影響和作用，這種混合稱之為宏觀混合，這種流體稱之為宏觀流體。（宏觀流體的反應(yīng)在微元之內(nèi)進(jìn)行）2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.3反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài)751.反應(yīng)器設(shè)計的基本原理在反應(yīng)器的設(shè)計中，我們要做的是：根據(jù)給定的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)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已經(jīng)確定的前提下，進(jìn)行反應(yīng)體積的計算；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。2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大761.反應(yīng)器設(shè)計的基本原理2.3.4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。對大多數(shù)反應(yīng)器而言，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物系的組成與操作參數(shù)總是隨反應(yīng)時間或反應(yīng)器的空間位置而改變，或兩者同時變化，因此反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率（或細(xì)胞生長速率）均是變化的。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大77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)計算式和各種傳遞參數(shù)計算式等。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)782.反應(yīng)動力學(xué)方程

對于均相反應(yīng)，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

當(dāng)A為生成物時，式取+號，表示生成速度；當(dāng)A為反應(yīng)物時，取–表示消耗速度。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)79對于等容過程2-172-182-192.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大802-202-21所以只要知道化學(xué)的或生物的反應(yīng)速率rA就可以利用公式算出反應(yīng)體積（或反應(yīng)器的有效容積）VR2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大813物料平衡方程式

對于簡單的反應(yīng)，如aA+bBmM+nN只要列出任一反應(yīng)物的物料衡算式，其余反應(yīng)物和產(chǎn)物的量都可以通過化學(xué)計量關(guān)系來確定。由于反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度、溫度等參數(shù)隨時間或空間而變化，反應(yīng)速度也隨之發(fā)生改變，故應(yīng)分別選取微元體積dVR和微元時間dτ作為物料衡算的空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。

2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)823物料平衡方程式

aA+bBmM+nN在dτ內(nèi)，在dVR中，對反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算得：

A輸入量＝A輸出量+A消耗量+A積累量A的消耗量取決于反應(yīng)速度。在dτ內(nèi)，在dVR中因反應(yīng)而消耗的反應(yīng)物A的量為AdVRdτ。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。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)83反應(yīng)體積微元物料平衡圖844熱量平衡方程式

化學(xué)反應(yīng)通常都有顯著的熱效應(yīng)，因此，反應(yīng)體系的溫度會隨著反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生改變，而溫度的改變又會影響化學(xué)反應(yīng)速度，所以必須進(jìn)行熱量衡算，以確定溫度隨反應(yīng)器內(nèi)位置或時間的變化關(guān)系，從而進(jìn)一步計算化學(xué)反應(yīng)速度。

2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)854熱量平衡方程式

分別選取微元體積dVR和微元時間dτ作為熱量衡算的空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)，在dτ內(nèi)對dVR進(jìn)行熱量衡算得：

物料帶入－物料帶出+過程熱效應(yīng)+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(dāng)物理變化熱可以忽略時，上式可改寫為：

物料帶入-物料帶出+化學(xué)變化熱+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化關(guān)系。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計與選擇基礎(chǔ)86反應(yīng)器的計算過程方法實際上就是聯(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，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。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大4熱量平衡方程式872.3.5反應(yīng)器的工藝計算1.間歇釜式反應(yīng)器的工藝計算

釜式反應(yīng)器間歇操作時，反應(yīng)物料按一定配比一次加入反應(yīng)釜，通過攪拌使物料混合均勻。經(jīng)過一定時間的反應(yīng)，且達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率后，將物料移出反應(yīng)器從而完成一個生產(chǎn)周期。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(jìn)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+A的積累量＝02.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大88由于A的消耗量+A的積累量＝0，則：xAf--反應(yīng)終止時反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率公式對等溫、非等溫、等容和變?nèi)葸^程均適用(1)反應(yīng)時間的計算2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.5反應(yīng)器的工藝計算89在等容情況下，VR保持不變，則：2-22上式表明，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)時間僅與反應(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(jìn)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。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大902-22得2-232-242-252-262.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大91(2)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VR不僅與反應(yīng)時間τ有關(guān)，而且與輔助操作時間τ’有關(guān)：

VR=Vh(τ+τ')

(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，m3h-1

；τ為達(dá)規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間，h。

2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大92(2)總?cè)莘e的計算決定反應(yīng)器的總?cè)莘eVT，還需考慮裝料系數(shù)ψ：

VT=VR/ψ

（2-28）ψ一般為0.4～0.85。對于不起泡、不沸騰的物料，ψ可取0.7～0.85；對于起泡或沸騰的物料，ψ可取0.4～0.6；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。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大93(3)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)，總體積Vd確定，根據(jù)工藝要求和反應(yīng)器系列標(biāo)準(zhǔn)，即可確定所需反應(yīng)器的臺數(shù)N及單釜容積VTS(m3)①.已知VTS求N，對給定的處理量Vd(m3d-1)，每天需操作的總批數(shù)為α=Vd/VRS=Vd/VTSψ（2-29）

每天每臺反應(yīng)器可操作的批數(shù)為

β=24/(τ+τ')（2-30）

完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器臺數(shù)為

Np=α/β

（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)δ(1.1~1.15)為

δ=N/Np

（2-32）2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大94②.已知N求VTS

，由式（2-31）和式（2-32）可求得每臺反應(yīng)器的容積為

VTS=Vd(τ+τ')δ/24

ψN

（2-33）③.N及VTS均為未知，求N和VTS，由于臺數(shù)一般不會很多，因此常先假設(shè)幾個不同的N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，確定一組適宜的N和VTS值作為設(shè)計值。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大(3)釜式反應(yīng)器的臺套數(shù)及單釜容積確定95(4)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)器的主要工藝尺寸如圖所示。一般情況下，高度H為直徑D的1.2倍左右釜蓋和釜底均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，封頭高度H1，(不含直邊)為直徑D的0.25倍，則釜式反應(yīng)器的圓筒體高度H2(含封頭直邊)為H2＝H-2Hl＝1.2D-2×0.25D＝0.7D(2-34)反應(yīng)器的總?cè)莘e可按下式計算VTS=（π/4）D2H2+0.131D3

（2-35）2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大962.連續(xù)釜式反應(yīng)器的工藝計算連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點a攪拌良好的連續(xù)釜式反應(yīng)器可視為理想混合反應(yīng)器；b釜式反應(yīng)器采用連續(xù)操作時，物料連續(xù)流動，隨進(jìn)隨出，且出口物料的溫度、組成與釜內(nèi)物料的完全相同，這對自催化反應(yīng)特別有利；2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.5反應(yīng)器的工藝計算c強烈攪拌下，各點的濃度、溫度均勻一致；操作達(dá)穩(wěn)定時，釜內(nèi)物料的溫度和組成均不隨時間而變，屬穩(wěn)態(tài)操作過程。97連續(xù)釜式反應(yīng)器的缺點

當(dāng)采用單釜連續(xù)操作時，新鮮原料一進(jìn)入反應(yīng)器立即與釜內(nèi)物料完全混合，釜內(nèi)CA=CAf出口，整個反應(yīng)都在較低的反應(yīng)物濃度CA下進(jìn)行，因而反應(yīng)速度rA較小，對于給定的生產(chǎn)任務(wù)所需反應(yīng)器的有效容積較大。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的工藝計算98連續(xù)釜式反應(yīng)器的缺點

為克服單釜連續(xù)操作的缺點，可采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作。串聯(lián)的釜數(shù)越多，各釜反應(yīng)物濃度的變化就愈接近于理想管式反應(yīng)器，當(dāng)釜數(shù)為無窮多時，各釜反應(yīng)物濃度的變化與管式反應(yīng)器內(nèi)的完全相同，因而為完成相同的任務(wù)，兩者所需的有效容積相同。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的工藝計算99連續(xù)釜式反應(yīng)器的缺點

當(dāng)串聯(lián)的釜數(shù)超過某一極限后，因釜數(shù)增加而引起的設(shè)備投資和操作費用的增加，將超過因反應(yīng)器容積減少而節(jié)省的費用。實踐表明，采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時，釜數(shù)一般不宜超過4臺。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的工藝計算100單釜連續(xù)操作穩(wěn)態(tài)操作時，其物料衡算特點有:a.反應(yīng)器內(nèi)溫度均一，不隨時間而變，為等溫反應(yīng)器。故計算反應(yīng)器容積時，只需進(jìn)行物料衡算。b.反應(yīng)器內(nèi)濃度均一，不隨時間而變，故可對反應(yīng)器的有效容積和任意時間間隔進(jìn)行物料衡算。c.物料衡算式中的積累量為零：A的輸入量＝A的輸出量+A的消耗量+A的積累量d.反應(yīng)速度可按出口處的濃度和溫度計算。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的工藝計算101如圖所示反應(yīng)物A的物料衡算式為

FA0—FAf—rAVR＝0(2-36)FA0:進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物A的千摩爾流量，kmol·s-1或kmol·h-1;FAf:離開反應(yīng)器的反應(yīng)物A的千摩爾流量，kmol·s-1或kmol·h-1

2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大單釜連續(xù)操作2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的工藝計算Vh:A的千摩爾體積流量，m3·h-1或m3·h-1102對于連續(xù)過程:

FAf=FA0(1-xAf)代入式(2-36)：FA0—FAf—rAVR＝0并化簡得

VR＝FA0(xAf/rA)（2-37）物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間即反應(yīng)時間為：2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大單釜連續(xù)操作（2-38）1032-382-392-402-412.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大單釜連續(xù)操作104多釜串聯(lián)連續(xù)操作

采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時，各釜仍具有單釜連續(xù)操作反應(yīng)器所具有的特點。此外，為簡化計算，作如下假設(shè):a.釜間不存在混合；

b.對于液相反應(yīng)，因反應(yīng)和溫度改變而引起的密度變化可忽略參照下圖，對液相反應(yīng)，由假設(shè)b可知，單位時間內(nèi)各釜處理的物料體積相等，即Vh=Vh1＝Vh2＝…＝VhN

在第i釜中對反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算得(參照2-36)FAi-1＝FAi+rAiVRi2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大105在多釜串聯(lián)連續(xù)操作中，前一釜的出料即為后一釜的進(jìn)料。因此，利用式(2-42)，并結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)方程式進(jìn)行逐釜計算，即可計算出達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)釜數(shù)、各釜容積VRi和相應(yīng)的轉(zhuǎn)化率xAi。(2-42)1062.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大1072.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大1083.管式反應(yīng)器的工藝計算結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用管式反應(yīng)器的主體通常是一根或多根水平或豎直放置的管子，管子常為無縫鋼管，當(dāng)為多根管子時，相鄰管子的兩端可用U型管件連接；管外常設(shè)有夾套，構(gòu)成的套管環(huán)隙作為加熱或冷卻介質(zhì)的流動通道；采用金屬管子能耐高壓，可用于加壓反應(yīng)；也可采用玻璃等非金屬材料制成，耐壓能力受到限，但耐腐蝕能力大為提高。結(jié)構(gòu)材質(zhì)2.3.5反應(yīng)器的工藝計算1093.管式反應(yīng)器的工藝計算結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用管式反應(yīng)器是一種典型的連續(xù)操作反應(yīng)器，由于是連續(xù)操作，因而生產(chǎn)能力較大，并容易實現(xiàn)自動控制。與釜式反應(yīng)器相比，單位體積所具有的傳熱面積較大，特別適用于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。可用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應(yīng)。為保證管式反應(yīng)器內(nèi)具有良好的傳熱和傳質(zhì)條件，一般要求反應(yīng)物料在管內(nèi)作高速湍流運動。2.3.5反應(yīng)器的工藝計算110管式反應(yīng)器的近似處理工業(yè)生產(chǎn)中，細(xì)長型的管式反應(yīng)器可近似看成理想平推流反應(yīng)器。用于液相反應(yīng)，可忽略密度變化，視為等容過程。用于氣相反應(yīng)時，則有兩種情況，一是反應(yīng)過程中氣體物質(zhì)的總摩爾量保持不變，應(yīng)按等容過程處理；二是反應(yīng)過程中氣體物質(zhì)的總摩爾量要發(fā)生改變，則應(yīng)按變?nèi)葸^程處理。溫度也有類似情況，當(dāng)過程的熱效應(yīng)可以忽略或采取適當(dāng)措施使體系的溫度保持不變時，則按等溫過程處理，否則應(yīng)視為非等溫過程。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大111管式反應(yīng)器的設(shè)計基礎(chǔ)方程式根據(jù)管式反應(yīng)器的物料衡算式導(dǎo)出設(shè)計基礎(chǔ)方程式，管式反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)態(tài)操作時，其物料衡算具有如下特點:物料組成、溫度和反應(yīng)速度不隨時間而變化，故可對任意時間間隔進(jìn)行物料衡算。物料組成、溫度和反應(yīng)速度沿流動方向而變，故應(yīng)取微元管長進(jìn)行物料衡算。物料在反應(yīng)器中的積累量為零。2.3.5反應(yīng)器的工藝計算112沿管式反應(yīng)器的管長方向取長為dl的微元圓柱體，相應(yīng)的體積為dVR：2.3.5反應(yīng)器的工藝計算管式反應(yīng)器的設(shè)計基礎(chǔ)方程式物料衡算113∵

FA=FA0(1-xA)=VhCA0

(1-xA)∴

dFA=FA-FA0=-

FA0dxA，由物料平衡方程得

dFA=-

rAdVR

FA0dxA=

rAdVR∫dVR/FA0=∫dxA/

rAVR/（VhCA0）=∫dxA/

rA空間時間(對整個反應(yīng)器)

t=VR/Vh=CA0

∫dxA/

rA2.3.5反應(yīng)器的工藝計算——管式1142.3.6反應(yīng)器的選擇

反應(yīng)器的類型很多，對某一產(chǎn)品來說，必需選擇合適的反應(yīng)器。通常，反應(yīng)器的最終設(shè)計方案還與流程的其他部分相關(guān)，如：反應(yīng)路徑、反應(yīng)系統(tǒng)類型、反應(yīng)器的性能等。1.反應(yīng)路徑

生產(chǎn)一種產(chǎn)品，有多種路徑可供選擇。理想的反應(yīng)路徑是利用最便宜的原料并產(chǎn)生最少量的副產(chǎn)品。此外，還必須考慮其他因素。如經(jīng)濟(jì)上應(yīng)考慮原料和副產(chǎn)品未來價格變動，技術(shù)上應(yīng)考慮操作安全性和能耗。影響新反應(yīng)路徑開發(fā)的最主要的原因是缺少合適的催化劑。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大1152.反應(yīng)系統(tǒng)類型

選擇反應(yīng)路徑之后，應(yīng)確定反應(yīng)器類型和反應(yīng)操作條件。常遇到的反應(yīng)系統(tǒng)類型有：單一反應(yīng)大多數(shù)反應(yīng)系統(tǒng)包括多個反應(yīng)，有時副反應(yīng)可忽略，只考慮一個主反應(yīng)副反應(yīng)與主反應(yīng)為平行反應(yīng)系統(tǒng)中包括多個反應(yīng)副反應(yīng)與主反應(yīng)為串聯(lián)反應(yīng)主副反應(yīng)除了是平行的之外，還可能是串聯(lián)反應(yīng)聚合反應(yīng)聚合反應(yīng)按照是否有終止而分為兩大類，如烯烴分子的自由基聚合反應(yīng)即包括終止步驟，沒有終止步驟的聚合反應(yīng)的縮聚反應(yīng)等2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.6反應(yīng)器的選擇1163.反應(yīng)器性能

對聚合反應(yīng)，常用聚合物的分子量分布來表示反應(yīng)性能，聚合物的分子量分布可表示其力學(xué)性能。對其他類型的反應(yīng)器，常用的重要參數(shù)為：轉(zhuǎn)化率=反應(yīng)消耗掉的反應(yīng)物量/反應(yīng)物進(jìn)料量收率=(目的產(chǎn)物生成量/反應(yīng)消耗掉的反應(yīng)物量)×化學(xué)計量因子得率=（目的產(chǎn)物生成量/反應(yīng)物進(jìn)料量）×化學(xué)計量因子選擇性=(目的產(chǎn)物生成量/副產(chǎn)物生成量）×化學(xué)計量因子化學(xué)計量因子是指每摩爾產(chǎn)物所需要的反應(yīng)物的摩爾數(shù)。如果有兩種或兩種以上反應(yīng)物或生成物，則對每個化合物分別計算上述參數(shù)2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.6反應(yīng)器的選擇117在描述反應(yīng)器性能時，選擇性比收率更有意義；當(dāng)描述整個工廠時，整個過程的收率才是一個十分重要的參數(shù)；由于未轉(zhuǎn)化的物料一般要分離和再循環(huán)，所以選擇反應(yīng)器時還不能確定反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，最終轉(zhuǎn)化率要由以后的設(shè)計過程來確定。盡管如此，為了使設(shè)計進(jìn)行下去，必須對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率做出某些假設(shè)，這樣選擇的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率很可能要經(jīng)過多次修改。對選定的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)應(yīng)具有最大的選擇性。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.6反應(yīng)器的選擇118作為選擇反應(yīng)器階段的設(shè)計目標(biāo)可概括為：單一反應(yīng)對于所選定的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，使反應(yīng)器的設(shè)備投資最小，即反應(yīng)器的體積最小。對間歇反應(yīng)器，還應(yīng)考慮達(dá)到指定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間。復(fù)雜反應(yīng)

不管是平行、串聯(lián)還是混合反應(yīng)，設(shè)計目標(biāo)是對于所選定的轉(zhuǎn)化率，使副產(chǎn)物的生成最少，即反應(yīng)具有最大的選擇性。（因為原料價格對過程的經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用）2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大2.3.6反應(yīng)器的選擇1191.平行反應(yīng)，如果選擇性隨著轉(zhuǎn)化率增加而增加，轉(zhuǎn)化率應(yīng)初步設(shè)定為95％左右。對于可逆反應(yīng)轉(zhuǎn)化率選擇平衡轉(zhuǎn)化率的95％左右。2.如果選擇性隨著反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率增加而減少，則很難做出選擇。對于不可逆反應(yīng)，選擇轉(zhuǎn)化率為50％左右；對于可逆反應(yīng)，選擇轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率的50％左右.3.對串聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)，隨著轉(zhuǎn)化率的增加，反應(yīng)的選擇性很可能大大降低。是一種難以確定反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)系統(tǒng)。對不可逆反應(yīng)，選擇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率在50％左右；對可逆反應(yīng)，選擇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率的50％左右較宜。初步確定了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，以及在此轉(zhuǎn)化率下得到最大的選擇性之后，就要進(jìn)行反應(yīng)器的初步設(shè)計，首要考慮反應(yīng)器類型。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大120常用三種理想反應(yīng)器模型1.理想間歇模型反應(yīng)物加入后即開始操作。反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)處于全混狀態(tài)，反應(yīng)一段時間后，采出產(chǎn)品。反應(yīng)器內(nèi)濃度隨時間變化，物料全混以保證反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度是完全均勻的。（間歇釜式反應(yīng)器）2.連續(xù)全混流模型原料流及產(chǎn)品流均為連續(xù)的，假定反應(yīng)器內(nèi)物料為完全混合。反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度也都是均勻的。由于物料為完全混合，一個流體單元可能在進(jìn)入反應(yīng)器的瞬間流出反應(yīng)器，也可能在反應(yīng)器中停留一段時間，所以反應(yīng)器中不同流體單元的停留時間大不相同。（連續(xù)單釜式反應(yīng)器）2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大121常用三種理想反應(yīng)器模型3.活塞流模型反應(yīng)物流均勻流動，在物流方向上無任何混合。與理想間歇模型相似，活塞流反應(yīng)器中的所有流體單元具有相同的停留時間。活塞流反應(yīng)器可看成是許多連續(xù)全混反應(yīng)器的串聯(lián)組合，串聯(lián)組合中，反應(yīng)器的數(shù)目越多，越接近活塞流反應(yīng)器。（串聯(lián)多釜式or管式反應(yīng)器）2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大122結(jié)合反應(yīng)類型選擇反應(yīng)器單一反應(yīng)：

原料產(chǎn)品，r=kCα

。宜采用理想間歇反應(yīng)器、活塞流（平推流）反應(yīng)器平行反應(yīng)：

原料

產(chǎn)品+副產(chǎn)品與連續(xù)全混流反應(yīng)器相比，間歇或平推流反應(yīng)器中反應(yīng)物的平均濃度較高，如果主反應(yīng)的級數(shù)α1>副反應(yīng)級數(shù)α2，則反應(yīng)物濃度C高對主反應(yīng)有利；若α1<α2，則反應(yīng)物濃度C低對主反應(yīng)有利?！唳?>α2，用間歇或平推流反應(yīng)器

α1<α2，用連續(xù)全混流反應(yīng)器123結(jié)合反應(yīng)類型選擇反應(yīng)器串聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)：當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率一定時，反應(yīng)物的停留時間為一定值。在連續(xù)全混流反應(yīng)器中，反應(yīng)物和產(chǎn)物的停留時間分布很寬，即反應(yīng)物的停留時間可能比預(yù)定的停留時間短，也可能比預(yù)定的停留時間長，反應(yīng)選擇性較低，對串聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)宜用間歇或活塞流反應(yīng)器

124聚合物常用其分子量分布和平均分子量來表征其性能。分子量分布寬度取決于聚合反應(yīng)器是間歇反應(yīng)器、活塞流反應(yīng)器還是連續(xù)全混流反應(yīng)器。1.沒有終止或聚合物活性壽命比物料在反應(yīng)器中的停留時間還長。在間歇或活塞流反應(yīng)器中，所有的分子有相同的停留時間，如果沒有反應(yīng)終止的影響，分子鏈長度將近似相等，反應(yīng)所得分子量分布較窄。與此相反，由于連續(xù)全混流反應(yīng)器中分子停留時間分布較寬，故所得聚合物的分子量分布也較寬。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大1252.聚合物活性壽命比平均停留時間短。當(dāng)聚合反應(yīng)屬于自由基反應(yīng)時，由于兩個自由基可能結(jié)合使聚合反應(yīng)終止，這些活性自由基中心的壽命可能非常短。鏈終止過程受自由基濃度的影響，而自由基濃度又受單體濃度的影響。在間歇或活塞流反應(yīng)器中，單體和自由基濃度降低。鏈長度隨著停留時間的增加而增加，因而這兩種反應(yīng)器所得分子量分布較寬；

連續(xù)全混流反應(yīng)器中單體的濃度是均勻的，鏈終止速率為一定值。因而這種反應(yīng)器所得聚合物分子量分布較窄。由于聚合物活性壽命較短，停留時間變化的影響并不重要。2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大1262.3.6反應(yīng)器的選擇小結(jié)1.原料的利用率

在選擇反應(yīng)器時，常常過多地考慮原料的利用率，這樣原料成本就成為整個工藝中最重要的成本。同樣，不能有效地利用原料就可能產(chǎn)生廢料造成環(huán)境污染。反應(yīng)器以下列方式操作會造成原料利用率低：如果轉(zhuǎn)化率低，未反應(yīng)的原料難以分離和循環(huán)對于生成的副產(chǎn)物，有時可以單獨作為一種產(chǎn)品；有時可以簡單地作為燃料；有時則必須采用昂貴的廢物處理工藝進(jìn)料中的雜質(zhì)可能生成另外的副產(chǎn)物，最好在反應(yīng)前凈化1273.復(fù)雜反應(yīng)

對于平行反應(yīng)，主反應(yīng)和副反應(yīng)的級數(shù)不同，選擇轉(zhuǎn)化率不同。對于串聯(lián)反應(yīng)，選擇性隨轉(zhuǎn)化率的增加而降低。在此適于采用比單一反應(yīng)低的轉(zhuǎn)化率，設(shè)定轉(zhuǎn)化率為50％或可逆反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率的50％。應(yīng)該強調(diào)的是，這些反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率初始設(shè)定值在后面的階段差不多肯定要改變。因為反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率是一個極其重要的最優(yōu)化變量，當(dāng)處理復(fù)雜反應(yīng)時，對于所選擇的轉(zhuǎn)化率要使選擇性達(dá)到最大值，以此目的來選擇反應(yīng)器的類型、溫度、壓力和催化劑。2.單一反應(yīng)

對于不可逆單一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和可逆反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率初始設(shè)定值為95％較好。2.3.6反應(yīng)器的選擇小結(jié)1281294.傳熱

一旦選擇了基本的反應(yīng)器類型和條件，那么傳熱就可能成為另一個主要問題。上圖概括了關(guān)于傳熱必須要做的基本決定。如果反應(yīng)產(chǎn)物的冷卻是由直接冷激實現(xiàn)的，則應(yīng)避免過量。5.整個工藝過程中的反應(yīng)器除了與反應(yīng)性能、反應(yīng)溫度等因素之外，還有許多條件也能影響反應(yīng)器的選擇，例如安全性、操作壓力、原料的構(gòu)成等都對結(jié)果有顯著的影響。在反應(yīng)器設(shè)計中所做的決定通常是在整個流程設(shè)計中最重要的方面。反應(yīng)器的設(shè)計通常與流程的其余部分密切關(guān)聯(lián)。2.3.6反應(yīng)器的選擇小結(jié)1302.3.7反應(yīng)器的放大方法主要有：經(jīng)驗放大法因次分析法恒圓周速度法時間常數(shù)法數(shù)學(xué)模擬法2.3反應(yīng)器的選擇、設(shè)計與放大1311.經(jīng)驗放大法依靠對已有裝置的操作經(jīng)驗所建立起來的以認(rèn)識為主而進(jìn)行的放大方法。對于目前難以進(jìn)行理論解析的領(lǐng)域，還是用經(jīng)驗放大法。例如，根據(jù)P/V、體積傳質(zhì)系數(shù)、圓周速度相等，以及生化反應(yīng)器PO2

、氣體線速度ug相等。2.3.7反應(yīng)器的放大1322.幾何相似放大

在反應(yīng)器的放大中，放大倍數(shù)實際上就是指反應(yīng)器體積所增加的倍數(shù)，即放大倍數(shù)

m=V2

/V1

若要兩者的幾何相似，則應(yīng)有：m=V2

/V1=（D2

/D1

）3D2

/D1=H2/H1=m1/3

若按幾何相似放大法，當(dāng)體積增加10倍時，則其直徑和高度均放大101/3倍2.3.7反應(yīng)器的放大1333.恒定等體積相似功率放大以單位反應(yīng)體積（或生化反應(yīng)培養(yǎng)液體積、或天然藥物提取液體積）所消耗的功率相等為基準(zhǔn)進(jìn)行放大，即

P/VL=常數(shù)對于攪拌，由于P∝n3d5，VL∝D3∝d3

所以P/VL∝

n3d2

n

2=n

1（d1/d2）2/3P2=P

1（d2/d1）3

也就是說，放大后d增大，轉(zhuǎn)速n減小或消耗功率P增加。2.3.7反應(yīng)器的放大134對于耗氣發(fā)酵，可以單位培養(yǎng)液體積所消耗的通氣功率相等的原則進(jìn)行放大：

(Pg/

VL)2=(Pg/

VL)1

Pg/

VL∝n3.15d2.346/ug0.252

n2=n1(d1/d2)0.75(ug2/ug1)0.08

Pg2=Pg1(d2/d1)2.75(ug2/ug1)0.24P∝n3d52.3.7反應(yīng)器的放大135放大過程中各參數(shù)的相互關(guān)系表放大判椐符號80LP/VLnndNRe輸入功率P1.01253125250.2單位體積功率P/VL1.01.0250.20.0016攪拌轉(zhuǎn)速n1.00.341.00.20.04攪拌槳直徑d1.05.05.05.05.0槳泵入速率F1.042.5125255.0單位體積泵入速率F/VL1.00.341.00.20.04恒圓周速率nd1.01.75.01.00.2攪拌NRend2ρ/μ1.08.525.05.01.0用不同的放大方法，結(jié)果差異很大，對發(fā)酵罐還有環(huán)境因素136對于氣液非均相反應(yīng)（或耗氧發(fā)酵）以單位反應(yīng)液體積的氣體流量相同的原則進(jìn)行放大方法一：單位液體體積在單位時間內(nèi)通入的氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）表示

VVM=Q0/VL[m3/

m3?min]方法二：操作狀態(tài)下氣體的線速度ug[m

/h]表示pL的是液柱平均絕對壓力，Pa2.3.7反應(yīng)器的放大137當(dāng)采用(VVM)2=(VVM)1進(jìn)行放大時，

ug

∝(VVM)

VL/

pLD

2∝(VVM)D

/

pL

ug2/

ug1=D2/

D1=pL1/

pL2當(dāng)采用ug2=

ug1進(jìn)行放大時

(VVM)2/(VVM)1=pL2D1/

pL1D2

同樣，用不同的放大方法，所得結(jié)果也是有差異的VL

∝D3Q0對于氣液非均相反應(yīng)（或耗氧發(fā)酵）2.3.7反應(yīng)器的放大1384.因次分析法這種方法是根據(jù)相似論的原理，以保持無因次準(zhǔn)數(shù)相等的原則，又稱模型相似法。模型設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備相似時，除幾何尺寸相似外，還需要求兩系統(tǒng)中相似準(zhǔn)數(shù)相等。攪拌操作由于涉及的參數(shù)較多，在放大過程中除幾何尺寸相似外，欲使所有的準(zhǔn)數(shù)都相等是不可能的，因此，只能考慮使主要的準(zhǔn)數(shù)相等。

2.3.7反應(yīng)器的放大139對有生化反應(yīng)參與的反應(yīng)器，采用因次分析法放大是極其困難的，甚至得出極不合理的結(jié)果。只有在某些特殊情況下，才有可能應(yīng)用，如，純粹是擴(kuò)散控制的過程，那就不必考慮反應(yīng)的相似問題。生化反應(yīng)器的放大中