1、1,sjh,2,第二章 制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備,4,第四節(jié) 生物反應(yīng)器及放大,3,Do you know?,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(dòng)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(shí)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(tái)攪拌釜，所用攪拌尺寸、功率都已給定，你會(huì)通過計(jì)算說明或書本知識(shí)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(jì)。 最重要的是進(jìn)行反應(yīng)及提取設(shè)備的放大設(shè)計(jì)與選型。,4,Can you tell me?,對(duì)非均相反應(yīng)合成過程所用設(shè)備，

2、（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(yàn)和掌握的知識(shí)判斷； 學(xué)習(xí)、進(jìn)行測(cè)試； 設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)、對(duì)比，分析研究。,5,2.1 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(shí)現(xiàn)。反應(yīng)器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中同時(shí)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(dòng)力學(xué)； (2) 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、放大； (3) 反應(yīng)器優(yōu)化； (4) 結(jié)構(gòu)功能與GMP要求一致。,6,2.1 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(diǎn) 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

3、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。,7,Review of Basic knowledge,一、基本概念,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),均相反應(yīng),1.定義,2.影響因素,反應(yīng)的各個(gè)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,8,Review of Basic knowledge,一、基本概念 1. 化學(xué)計(jì)量方程 化學(xué)計(jì)量方程僅表示各個(gè)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(shí)際歷程無關(guān)

4、，同時(shí)規(guī)定各計(jì)量數(shù)之間不應(yīng)含有除1以外的任何公因子。,2-1,2-2,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),9,2. 化學(xué)反應(yīng)速率,對(duì)于均相反應(yīng)，常用單位時(shí)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：,2-3,2-4,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),10,3. 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）：,2-5,2-6,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),物質(zhì)的量的變化 與計(jì)量數(shù)比值,11,4. 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(shí)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)：,2-7,2-8,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),速

5、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(duì)于等溫恒容均相反應(yīng):,其積分式為：,2-9,2-10,2-11,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),13,可逆反應(yīng)：,均相催化反應(yīng)：,2-12,2-13,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)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(dòng)力學(xué),兩個(gè)或更多獨(dú)立的計(jì)量方程來描述的反應(yīng),15,三、復(fù)合反應(yīng)（基本概念）,收率p：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

6、：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,2-14,2-15,2-16,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)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(diǎn) 非生產(chǎn)性操作時(shí)間長、 產(chǎn)物損失較大， 控制費(fèi)用較大。 適于經(jīng)濟(jì)價(jià)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

7、積，計(jì)算濃度變化,3. 恒溫操作 計(jì)算轉(zhuǎn)化率和得率,結(jié)合化工原理知識(shí) 自學(xué)計(jì)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(yùn)行，因此合理選用材料是設(shè)計(jì)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%副反應(yīng)級(jí)數(shù)2，則反應(yīng)物濃度C高對(duì)主反應(yīng)有利； 若12，用間歇或平推流反應(yīng)器 12，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(shí)，反應(yīng)物的停留時(shí)間為一定值。 在連續(xù)全混流反應(yīng)器中，反

8、應(yīng)物和產(chǎn)物的停留時(shí)間分布很寬，即反應(yīng)物的停留時(shí)間可能比預(yù)定的停留時(shí)間短，也可能比預(yù)定的停留時(shí)間長，反應(yīng)選擇性較低， 對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)與放大,

9、125,2.聚合物活性壽命比平均停留時(shí)間短。 當(dāng)聚合反應(yīng)屬于自由基反應(yīng)時(shí)，由于兩個(gè)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(shí)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(shí)間變化的影響并不重要。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,126,2.3.6 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(shí)，常常過多地

10、考慮原料的利用率，這樣原料成本就成為整個(gè)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(huì)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(duì)于生成的副產(chǎn)物，有時(shí)可以單獨(dú)作為一種產(chǎn)品；有時(shí)可以簡(jiǎn)單地作為燃料；有時(shí)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,127,3.復(fù)雜反應(yīng) 對(duì)于平行反應(yīng)，主反應(yīng)和副反應(yīng)的級(jí)數(shù)不同，選擇轉(zhuǎn)化率不同。 對(duì)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(qiáng)調(diào)的是，這些反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率初始設(shè)定值在

11、后面的階段差不多肯定要改變。因?yàn)榉磻?yīng)器轉(zhuǎn)化率是一個(gè)極其重要的最優(yōu)化變量，當(dāng)處理復(fù)雜反應(yīng)時(shí)，對(duì)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(duì)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),128,129,4.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(gè)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(shí)現(xiàn)的，則應(yīng)避免過量。 5. 整個(gè)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

12、力、原料的構(gòu)成等都對(duì)結(jié)果有顯著的影響。 在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中所做的決定通常是在整個(gè)流程設(shè)計(jì)中最重要的方面。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)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),130,2.3.7 反應(yīng)器的放大,方法主要有： 經(jīng)驗(yàn)放大法 因次分析法 恒圓周速度法 時(shí)間常數(shù)法 數(shù)學(xué)模擬法,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,131,1.經(jīng)驗(yàn)放大法,依靠對(duì)已有裝置的操作經(jīng)驗(yàn)所建立起來的以認(rèn)識(shí)為主而進(jìn)行的放大方法。 對(duì)于目前難以進(jìn)行理論解析的領(lǐng)域，還是用經(jīng)驗(yàn)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,132,2.幾何相似放大

13、,在反應(yīng)器的放大中，放大倍數(shù)實(shí)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 ）3 D2 /D1 =H2/ H1 = m1/3 若按幾何相似放大法，當(dāng)體積增加10倍時(shí)，則其直徑和高度均放大10 1/3倍,2.3.7 反應(yīng)器的放大,133,3.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(duì)于攪拌，由于Pn3d5 ， VL D3 d3 所以 P/VL n3 d2 n 2 = n 1 （d 1 / d 2 ）2/3 P2 =

14、 P 1 （d 2 / d 1 ）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(duì)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 / ug 0.252 n2 = n1 (d1 / d2 )0.75 (ug2 / ug1 ) 0.08 Pg2 = Pg1 (d2 / d1 )2.75 (ug2 / ug1 ) 0.24,Pn3d5,2.3.7 反應(yīng)器的放大,135,放大過程中各參數(shù)的相互關(guān)系表,用不同的放大方法，結(jié)果差異很大，對(duì)發(fā)酵罐還

15、有環(huán)境因素,136,對(duì)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：?jiǎn)挝灰后w體積在單位時(shí)間內(nèi)通入的氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）表示 VVM=Q0/VL m 3/ m3min 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(duì)壓力，Pa,2.3.7 反應(yīng)器的放大,137,當(dāng)采用(VVM) 2 = (VVM) 1進(jìn)行放大時(shí)， 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(shí) (VVM) 2 / (VVM) 1 =pL2 D1 / pL1 D

16、2 同樣，用不同的放大方法，所得結(jié)果也是有差異的,VL D3,Q0,對(duì)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,138,4.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(shí)，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(duì)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

17、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，由于同時(shí)涉及微生物的生長、傳質(zhì)、傳熱和剪切等，需要維持的相似條件較多，要使其同時(shí)得到滿足是不大可能的。還是要根據(jù)自己已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。,4.因次分析法,2.3.7 反應(yīng)器的放大,140,5.恒圓周速度法,這種方法的實(shí)質(zhì)是使放大后攪拌器的圓周速度與中型裝置的圓周速度保持一致。 舉例來說，設(shè)一直徑為0.2m的渦輪攪拌器，在0.2m3的反應(yīng)器中以600rpm的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，今欲在20m3的生產(chǎn)設(shè)備中獲得同樣的攪拌效果，那它的攪拌器轉(zhuǎn)速應(yīng)該是多少? 在解決這個(gè)問題之前，我們首先應(yīng)該確定各種型式攪拌器可取的圓周速度。,2.3.7 反應(yīng)器的放大,

18、141,142,上表列出了渦輪式攪拌器的轉(zhuǎn)速隨容器尺寸和所需的攪拌強(qiáng)度而變化的情況 從表中查得，20m3的設(shè)備，其攪拌直徑約為1.0m即為中型裝置時(shí)的5倍。 要使兩種裝置中的圓周速度一致 (nd = 600 0.2 =120 mmin) 則生產(chǎn)裝置的轉(zhuǎn)速僅為中型裝置的1/5，即120rpm。 至于框式攪拌器，槳式攪拌器及推進(jìn)式攪拌器的圓周速度，則建議采用如下的數(shù)值：,2.3.7 反應(yīng)器的放大,143,2.3.7 反應(yīng)器的放大,144,所謂時(shí)間常數(shù)法是指某一變量與其變化速率之比。 ug (VVM) VL / pLD 2 混合時(shí)間 m=V/1.5nd 3 (攪拌反應(yīng)器） 反應(yīng)時(shí)間 r=C/r 擴(kuò)散

19、時(shí)間 D=L2 /DZ 液體停留時(shí)間 L = V/F =L/u 氣體停留時(shí)間 G= VG/F 傳質(zhì)時(shí)間 mt =1/kLa 細(xì)胞生長時(shí)間 g= 1/ max,6.時(shí)間常數(shù)法,2.3.7 反應(yīng)器的放大,145,有了這些時(shí)間常數(shù)，可進(jìn)行比較判斷。 如：當(dāng)混合時(shí)間m 反應(yīng)時(shí)間r時(shí)，表示流體混合時(shí)間比反應(yīng)所需時(shí)間長，此時(shí)，流體混合成為控制因素。 在放大時(shí)，首先要保證流體混合達(dá)到要求。 時(shí)間常數(shù)法，可用于找出某過程放大的主要矛盾，并根據(jù)此來進(jìn)行該反應(yīng)器的放大。,2.3.7 反應(yīng)器的放大,6.時(shí)間常數(shù)法,146,根據(jù)有關(guān)原理和必要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)際對(duì)象用數(shù)學(xué)的形式加以描述，然后，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬研究、設(shè)

20、計(jì)和放大。所建立的數(shù)學(xué)方程稱為數(shù)學(xué)模型。 由過程機(jī)理推導(dǎo)而得的“機(jī)理模型”，由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納而得的“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?，?shù)學(xué)模型介于二者之間。 在工程上將中型和/或小型試驗(yàn)所得的最佳操作條件及攪拌器的化工工藝參數(shù)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)挠?jì)算處理，從而獲得為工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模所需的攪拌裝置的操作條件和數(shù)據(jù)，這一過程稱為放大。 由于影響因素較多，即使在幾何相似的場(chǎng)合下，也不可能通過放大使所有的參數(shù)與中型試驗(yàn)裝置完全一致。,7.數(shù)學(xué)模型法,2.3.7 反應(yīng)器的放大,147,攪拌器的結(jié)構(gòu)與作用 流體流動(dòng)以及流體速度的漲落造成物料交換是反應(yīng)、傳熱以及擴(kuò)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(yùn)動(dòng)（徑向流，或

21、稱原生流），流體作軸向運(yùn)動(dòng)的軸向流（或稱次生流），徑向流因擋板作用后產(chǎn)生次生流。 徑向流的圓周運(yùn)動(dòng)對(duì)流體的混合與傳質(zhì)所起的作用較小，而軸向流對(duì)其影響較大。,2.3.8 攪拌器的設(shè)計(jì)與功率計(jì)算,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,148,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,149,常見攪拌槳及其結(jié)構(gòu)形式,150,151,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,152,螺軸式攪拌,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,153,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,154,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,155,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,156,157,流體在攪拌容器中流型,在攪拌容器中，流體的流動(dòng)型式(流

22、型) 可以分為： 層流、轉(zhuǎn)換區(qū)(過渡區(qū))、和湍流 在層流及湍流區(qū)域，流體的速度分布是一個(gè)常數(shù)，因此在層流及湍流區(qū)域流體的流型是固定的。 在湍流程度較高時(shí)，流型對(duì)于攪拌效果具有重要作用。 當(dāng)攪拌雷諾數(shù)大于10000時(shí)，流體的流型屬湍流狀態(tài):,D為攪拌器直徑，N為攪拌器轉(zhuǎn)速，、 分別為流體的密度和粘度,158,湍流向所有方向進(jìn)行質(zhì)量傳遞完成混合過程。 微觀流動(dòng)：湍流向各個(gè)方向發(fā)展，不僅使流動(dòng)快的流體微元進(jìn)入流動(dòng)慢的區(qū)域，同時(shí)速度低的流體微元也會(huì)帶入速度較高的區(qū)域。 宏觀流動(dòng)：包括徑向流動(dòng)和軸向流動(dòng)，或者說，流體分子或微元構(gòu)成的主流的運(yùn)動(dòng)軌跡。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,流體在攪拌容器中流型

23、,159,湍流在旋轉(zhuǎn)的槳葉所造成的流股中產(chǎn)生： 具有一定粘度的流體，流速不高時(shí)處于層流狀態(tài)；流速超過一定范圍時(shí)，產(chǎn)生的速度梯度使流體發(fā)生變形，同時(shí)發(fā)生流速的漲落，這種漲落造成渦流，造成與主流方向交叉的質(zhì)量傳遞及動(dòng)量傳遞，這種流動(dòng)方式就是湍流。 在具有一定粘度的流體的流動(dòng)中，只要存在著速度梯度，則同時(shí)也存在著剪切應(yīng)力。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,流體在攪拌容器中流型,160,工藝過程對(duì)攪拌的要求,混合：通過攪拌作用，使比重、粘度不同的物料混合均勻。 攪動(dòng)：通過攪拌使物料強(qiáng)烈流動(dòng)，以提高傳熱及傳質(zhì)速率。 懸?。和ㄟ^攪拌作用，使原來在靜止的液體中會(huì)沉降的固顆粒或液滴懸浮在液體。 分散：通過攪

24、拌作用，使氣體，液體或固體分散在液體質(zhì)中，增大不同物相間的接觸面積，加快傳熱和傳質(zhì)過程。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,161,流體的宏觀流動(dòng)，對(duì)混合、攪動(dòng)、懸浮都有很大作用。攪拌器能使流體自下而上翻滾作循環(huán)流動(dòng)，造成流體強(qiáng)制對(duì)流并作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生混合及攪動(dòng)作用，而流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的拉曳力則使其中的顆粒得以懸浮。 湍流的流股發(fā)生速度漲落，與相鄰區(qū)域發(fā)生動(dòng)量和質(zhì)量的交換，這就是混合攪動(dòng)的過程。 剪切力主要造成分散的效果，漿葉頂端的圓擊線速度對(duì)剪切力的影響很大。攪拌器的循環(huán)流量（泵送量）與ND3成正比，而剪切力則與N2D2有關(guān)。 因此，對(duì)于主要要求達(dá)到分散效果的過程來說，可以加大攪拌器轉(zhuǎn)速N減

25、少槳葉直徑D，以減少用于流體循環(huán)方面的功率消耗,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,162,攪拌可能產(chǎn)生的漩渦及漩渦的消除,在流體粘度較低，攪拌器轉(zhuǎn)速較高的情況下，容易產(chǎn)生漩渦流，漩渦是離心力作用于旋轉(zhuǎn)的液體所產(chǎn)生的。 隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加，漩渦可以到達(dá)葉輪的位置，將大量帶入空氣，使攪拌器的功率消耗將顯著下降，這是漩渦使葉輪局部露出液面的一個(gè)現(xiàn)象。 在漩渦存在時(shí)，軸向的循環(huán)速度常低于徑向的循環(huán)速率，影響攪拌效果。 值得注意的是，劇烈打旋的液體常引起往復(fù)沖動(dòng)的浪濤，結(jié)合漩渦的作用，對(duì)攪拌軸將造成起儲(chǔ)存的沖擊力。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,163,1.消除漩渦通常采取在容器內(nèi)安裝擋板的辦法：

26、 使攪拌體系的流型處于湍流區(qū)域，造成從底到頂?shù)拇罅垦h(huán)，也不會(huì)產(chǎn)生漩渦，不致對(duì)攪拌軸形成往復(fù)的不平衡的作用力,漩渦的消除,164,2.將攪拌軸不安裝在設(shè)備的中心線上，實(shí)行偏心安裝，可能減小漩渦提高軸向循環(huán)速率。,漩渦的消除,165,一般要求發(fā)酵罐流體在被攪拌時(shí)，應(yīng)達(dá)到“全擋板條件”。 所謂全擋板條件是指在攪拌罐中增加擋板或其他附件時(shí)，攪拌功率不再增加，而漩渦基本消失。 滿足全擋板條件的擋板數(shù)及寬度，可按下式求出：,W擋板寬度、D罐直徑、mb擋板數(shù) 一般發(fā)酵罐中安裝4塊擋板 擋板寬度（1/81/12） D,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,166,2.3.8.2 攪拌器的功率計(jì)算,攪拌的軸功率

27、人們?cè)谘芯繑嚢柽^程中發(fā)現(xiàn)攪拌與Re準(zhǔn)數(shù)有關(guān)，在適用于攪拌的場(chǎng)合， Re準(zhǔn)數(shù)是以改變后的形式出現(xiàn)： 從力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，借助數(shù)學(xué)解析法對(duì)攪拌器進(jìn)行分析研究所得結(jié)果與因次分析的結(jié)果基本一致。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,167,取其中的dA面積來分析它在液體中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受的阻力： dFdA截面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受的力，N 阻力系數(shù) u微元槳葉的圓周速度，m/s 被攪拌液體的密度，kg/m3,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.8.2 攪拌器的功率計(jì)算,168,要克服阻力dF使截面微元dA移動(dòng)距離l，必須做的功： l dF 若微元dA移動(dòng)l共需耗時(shí)間，則消耗在此微元上的功率為： dP=ldF/,2.3

28、反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.8.2 攪拌器的功率計(jì)算,169,微元dA的線速度：u=l/=2nx 施于此微元的功率： dP= ldF/= udF 又 dA=hdx 只要確定系數(shù)kN就能進(jìn)行攪拌功率的計(jì)算，而kN與攪拌的形式有關(guān),2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,170,在湍流區(qū)，渦輪式攪拌器的攪拌功率: 上式kN =N/1.355105 ,則,其中N是葉輪層數(shù)，P單位kW ，適用于低黏度牛頓流體。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.8.2 攪拌器的功率計(jì)算,171,機(jī)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、

29、密度、重力加速度g以及攪拌器的形式和結(jié)構(gòu)等。 因?yàn)镈、 HL 均與d之間有一定的比例關(guān)系，于是：,P=f (n、d、g),2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.8.2 攪拌器的功率計(jì)算,172,應(yīng)用因次分析及實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)牛頓流體而言，有下列準(zhǔn)數(shù)關(guān)系,全擋板、液面未見旋渦, y=0,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,173,在攪拌過程中NRe大于10 4時(shí)，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 功率準(zhǔn)數(shù)NP= K，即 NP不隨NRe而變化， NP= =K Pn3d5 P = K n3d5 在層流區(qū)，粘性力起主

30、要作用，慣性力忽略不計(jì)， x=-1 NP= K NRe -1 ，即 Pn2d3 P = K n2d3,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,174,通常，攪拌器大多在湍流狀態(tài)下操作，故可用式P = K n3d5 = NP n3d5 來計(jì)算攪拌器的軸功率。 當(dāng)D/d=3、HL/d=3 、槳葉距釜底高度B/d=1、擋板數(shù)為4的情況， NP可通過NP NRe關(guān)系圖讀出：,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,175,176,177,178,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,179,不設(shè)擋板的快速攪拌下，對(duì)低黏度流體易漏斗狀下陷的旋渦，在液面形成下陷漏斗狀程度與NRe，NFr有關(guān)：,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)

31、與放大,180,181,例題：,某推進(jìn)式攪拌器，s/d=1，直徑d=0.3m，用以攪拌=1.7210-3 Pas，=1.43 103 kg/m3 的液體，線速度取450m/min，試求取攪拌器的軸功率。 解：攪拌線速度： u=nd n=u/d=450/( 0.3) 480rpm (8rps) NRe =nd3/=5.986 105 查圖，對(duì)推進(jìn)式攪拌器全擋板場(chǎng)合， NP =0.35 P= NP n3d5 =622.7 W,182,對(duì)非牛頓流體，由于其黏度隨攪拌轉(zhuǎn)速不同而變化，因此: 先要求出表觀黏度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系， 再依次確定NRe 、NP 、P和Pg。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2

32、.3.8.2 反應(yīng)器的攪拌功率計(jì)算,183,生物發(fā)酵時(shí)，通氣將降低對(duì)攪拌器軸功率輸出的要求，減少程度與通氣量存在一定的關(guān)系，為此，引入通氣準(zhǔn)數(shù)Na=QG /nd3 。 若Pg為通氣攪拌功率， P0不通氣攪拌功率， 當(dāng)Na 0.035 Pg / P0 =1-12.6 Na 當(dāng)Na 0.035 Pg / P0 =0.62-1.85 Na Brown提出 Pg / P0 =a exp(- b QG) a ,b 與氣體速度和攪拌直徑等有關(guān)。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.8.2 反應(yīng)器的攪拌功率計(jì)算,184,自吸式氣液反應(yīng)器,立式圓筒容器高徑比HT/DT=22.5; 液柱高度與直徑比HL

33、/DT=11.5 攪拌器: 渦輪外徑Di=DT/3 ，渦輪高度h=Di /4 ，渦輪與反應(yīng)器底距離y=Di ，吸氣口徑=3Di /8 ，擋板寬度B=DT/10 不吸氣時(shí) 攪拌功率: P0 = k n 3Di 5 P0- kg m/s， k葉輪攪拌功率常數(shù),n 攪拌轉(zhuǎn)速1/s， 液體重度kg /m3,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,185,吸氣時(shí)攪拌功率 PS = P0 e - 25.6Vs PS - kg m/s，Vs反應(yīng)器內(nèi)氣體線速度 m/s 配套電機(jī)功率以為準(zhǔn)PS為準(zhǔn)，按傳動(dòng)機(jī)械效率的0.85 計(jì)算 當(dāng)HL /DT=1.5時(shí)吸氣量 q(m 3 /s) =0.0628n Di 3 VS =

34、 q(0.785DT2) -1(273+t)273-1(1+P1.0110-5+HL(210.34),2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,自吸式氣液反應(yīng)器,186,2.4 生物反應(yīng)器及放大,生化反應(yīng)器是利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。,按照所使用的生物催化劑的不同： 酶催化反應(yīng)器 細(xì)胞反應(yīng)器 根據(jù)反應(yīng)器的操作方式： 間歇操作（分批操作）反應(yīng)器 連續(xù)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)： 釜式、管式、塔式、膜式 按固相催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)： 填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤,187,按反應(yīng)體系的相態(tài)： 均相、非均相 根據(jù)反應(yīng)器所需的能量的輸入方式： 通過機(jī)械攪拌輸入能量的機(jī)械攪拌式生化反應(yīng)器 利用氣

35、體噴射動(dòng)能的氣升式生化反應(yīng)器 利用泵對(duì)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： 生物團(tuán)塊(包括細(xì)胞、絮凝物、菌絲體)反應(yīng)器 生物膜反應(yīng)器,2.4 生物反應(yīng)器及放大,188,根據(jù)反應(yīng)物系在反應(yīng)內(nèi)的流動(dòng)與混合狀態(tài)來分類，常以反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)類型表示。 對(duì)不同流型的反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)各組分的濃度等狀態(tài)參數(shù)的分布各不相同，流動(dòng)類型是決定反應(yīng)進(jìn)行狀況的重要工程因素。 按流動(dòng)模型來分，可分為理想反應(yīng)器與非理想反應(yīng)器，在理想反應(yīng)器中又可分為活塞流和全混流反應(yīng)器。對(duì)生化反應(yīng)器進(jìn)行這種分類有利于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行模擬與放大。 生化反應(yīng)器目前正在向大型化和自動(dòng)化方向發(fā)展。生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的反應(yīng)器最大容積已達(dá)2300m3 ，廢水處理反應(yīng)器的體積已達(dá)2700m3,2.4 生物反應(yīng)器及放大,189,190,191,192,193,1電機(jī) 2齒輪箱 3人孔 4消泡器 5冷卻蛇管 6支撐座 7空氣分布器 8攪拌葉輪 9罐體 10攪拌軸 11無菌軸封 12軸承 13聯(lián)軸器,1.通氣機(jī)械攪拌發(fā)酵罐,2.4 生物反應(yīng)器及放大,2.4.1生物反應(yīng)器,冷卻蛇管,空氣分布器,攪拌葉輪,進(jìn)氣,排氣,194,1發(fā)酵罐 2導(dǎo)流筒 3發(fā)酵液進(jìn)口 4空氣分布器 5空氣進(jìn)口 6循環(huán)泵 7發(fā)酵液出口 8熱交換器 9、11噴嘴 10發(fā)酵液出料口 12排氣管,