1、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、化學反應(yīng)工程（第2版），陳甘棠主編，化學工藝出版社 2、藥廠反應(yīng)設(shè)備及車間工藝設(shè)計（第1版），蔣作良主編，中國醫(yī)藥科技出版社 3、高等制藥分離工程，李淑芬等主編，化學工業(yè)出版社 4、制藥工程導導論，白鵬主編，化學工業(yè)出版社 5、制藥設(shè)備與工程設(shè)計朱紅吉等主編，化學工業(yè)出版社 6、工藝藥劑學，張汝華等主編，中國醫(yī)藥科技出版社 7、生化反應(yīng)動力學與反應(yīng)器第二版 戚以政 汪叔雄 編著 化學工業(yè)出版社 8、化工設(shè)計，陳聲宗主編，化學工藝出版社 9、廠潔凈室-設(shè)計、運行與GMP認證，許鐘麟主編，同濟大學出版社,藥物生產(chǎn)

2、方法：,目標藥物,工藝步驟,（以制藥工藝學為基礎(chǔ)）,工藝條件,反應(yīng)器,分離工程,（制藥分離工程為保證）,制劑工程,制藥工程,（分子結(jié)構(gòu)、光學構(gòu)象）,GMP,緒 論,一、制藥工程的概念,制藥工程是應(yīng)用化學合成或生化反應(yīng)以及各種分離單元操作，實現(xiàn)藥物工業(yè)化生產(chǎn)的工程技術(shù)，它包括化學制藥、生化制藥和中藥制藥。它探索和研究制造藥物的基本原理，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)量管理規(guī)范）要求進行研究、開發(fā)、設(shè)計、放大與優(yōu)化。,制藥工程,二、制藥工程的內(nèi)容,制劑生產(chǎn),藥物生產(chǎn),反應(yīng)過程,分離過程,化學反應(yīng),生化反應(yīng),含量低,（工序，加工工業(yè)）,（過程，過程工業(yè)）,（上游

3、),（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)的分離純化費用占產(chǎn)品總成本的比例一般在5070?；瘜W合成藥的分離純化成本一般是合成反應(yīng)成本費用的12倍，抗生素分離純化的成本費用約為發(fā)酵部分的34倍；基因工程藥物的分離純化費用占總成本的8090%。,數(shù)據(jù)2： 抗生素質(zhì)量百分含量為13；酶為0.10.5；單克隆抗體不超過0.0001。,第一篇 反應(yīng)過程與設(shè)備,反應(yīng)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、成本等。,反應(yīng)動力學是反應(yīng)工程學的基礎(chǔ)理論之一，主要研究化學反應(yīng)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

4、動力學（微觀動力學）；第二是宏觀動力學（反應(yīng)器動力學）。,反應(yīng)器的性能由：傳遞特性；設(shè)計與放大；優(yōu)化與控制三個方面決定。,前言,反應(yīng)器,相態(tài),均相,非均相,操作方式,設(shè)備特性,結(jié)構(gòu)型式,溫度調(diào)節(jié)方式,氣相、液相,氣固相、液固相等,釜式、管式、塔式、流化床,間歇、連續(xù)、半連續(xù),等溫、變溫、絕熱,反應(yīng)器的分類：,（外部條件）,（自身特點）,第一章 反應(yīng)器基本理論,一、基本的反應(yīng)器型式,1.間歇操作的攪拌釜,2.連續(xù)操作的管式反應(yīng)器,3.連續(xù)操作的攪拌釜,二、操作反應(yīng)器的流動特性返混,1兩個個概念,停留時間：它是指反應(yīng)物從進入反應(yīng)器的時刻起算到他們離開反應(yīng)器的時刻為止在反應(yīng)器內(nèi)共停留了多少時間。,思

5、考：1.停留時間對反應(yīng)結(jié)果的影響？,平均停留時間V有效容積/反應(yīng)器內(nèi)物料體積流量,2.上述三種反應(yīng)器的停留時間特性？,停留時間分布：在連續(xù)反應(yīng)器中，同時進入反應(yīng)器的物料粒子，有的很快就從出口流出，有的則經(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：從進入反應(yīng)器的瞬間開始計算年齡，到所考慮的瞬間為止，反應(yīng)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。 以某瞬間反應(yīng)器內(nèi)的所有物料粒子為研究對象,（2）壽命分布：從進入反應(yīng)器的瞬間開始計算壽命，到所考慮的瞬

6、間為止，在反應(yīng)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。 以某瞬間反應(yīng)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，是反應(yīng)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，則不存在返混。,（3）年齡分布與壽命分布存在一定的聯(lián)系，一般都是實驗測定壽命分布。以后的停留時間分布測定都是測定壽命分布。,思考：返混對化學反應(yīng)的影響？,三、理想反應(yīng)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

7、混流 3.中間流,四、反應(yīng)器特性考察方法,1.物料衡算,2.熱量衡算,第二節(jié) 等溫等容過程的反應(yīng)器,一、反應(yīng)速度及其表達式,或,通常用于均相反應(yīng)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)定的反應(yīng)機理而導得，冪函數(shù)型速率方程則是直接由質(zhì)量作用定律出發(fā)的。,對于不可逆反應(yīng),（2） a和b的值是憑試驗獲得的，它既與反應(yīng)機理無直接的關(guān)系，也不等于各組分的計量系數(shù)，只有當反應(yīng)方程式為基元反應(yīng)時，它才與計量系數(shù)相等。,（1）式中：a和b分別是反應(yīng)對組分A和B的反應(yīng)級數(shù)，這些指數(shù)的代數(shù)和稱為總反應(yīng)級數(shù)，它表明反應(yīng)速率對各組分濃度的敏感程度，a和b越大，則組分A和B的濃度對反應(yīng)速率的影響越

8、大。,（3）a和b只能在其試驗范圍內(nèi)應(yīng)用，可為任何數(shù)，但總反應(yīng)級數(shù)在數(shù)值上很少達到3。更不可能大于3。,（4）式中為速率常數(shù)，或稱為比反應(yīng)速率，按定義，它與除反應(yīng)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為反應(yīng)的活化能，因次為J/mol；R為通用氣體常數(shù)（R=8.314J/molK）。嚴格來說，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、間歇釜式反應(yīng)器,1等溫操作的反應(yīng)時間,微元時間內(nèi)反應(yīng)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應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式。

9、,對于液相反應(yīng)，反應(yīng)前后物料體積變化不大，可視為等容過程，則上式變?yōu)椋?由于定容過程有如下關(guān)系,代入基礎(chǔ)設(shè)計式有,若反應(yīng)物的原始濃度以及反應(yīng)速度與轉(zhuǎn)化率或濃度的關(guān)系已知，則利用以上各式，即可求得達到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間。,如，對于一級反應(yīng)有,代入積分有,討論,從上式可以看出只要起始濃度相同，達到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間，只取決于反應(yīng)速度，而與處理量無關(guān)，所以在進行間歇釜式反應(yīng)器的放大時，只要保證放大后的反應(yīng)速度與小試時相同，就可以實現(xiàn)高倍數(shù)放大。,2.反應(yīng)器容積,設(shè)反應(yīng)時間為，加料、出料及清洗等輔助時間為 ，,則每批操作所需要時間為 ,如果生產(chǎn)上要求單位時間處理的物料量為 v,則每批操作需

10、要處理的的物料量,這稱為反應(yīng)器的裝料容積，也稱為有效容積（VR），它分為兩部分：反應(yīng)容積和輔助容積 。,實際生產(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)管式反應(yīng)器（活塞流反應(yīng)器）PFR,1.設(shè)計基礎(chǔ)式,在管式反應(yīng)器中，由于物料濃度、反應(yīng)速度、溫度等沿管長而變化。故取微元體積作物料衡算。,進入微元體積組分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)反應(yīng)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,若進料得體積流量為v0，進料濃度為CA0，則,上式化為,上式即為平推流反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式 。上式中的稱為時間

11、空時，只有在等容過程中，它才等于平均停留時間。（為什么？）,在等容過程中有,上式也可寫成：,2.反應(yīng)器容積,討論：等容過程，間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)管式反應(yīng)器的動力學區(qū)別？為什么有相同的基礎(chǔ)設(shè)計式？,間歇釜式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式,連續(xù)管式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式,在等容過程中，對在相同的反應(yīng)條件下（即k相同）的同一反應(yīng)，達到相同的轉(zhuǎn)化率，理想連續(xù)管式反應(yīng)器中需要的停留時間與間歇釜中需要的反應(yīng)時間是相同的，所以，可以用間歇反應(yīng)器中的試驗數(shù)據(jù)進行管式反應(yīng)器的設(shè)計與放大。,對于連續(xù)管式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式,或,我們可用圖形表示如下,四、連續(xù)釜式反應(yīng)器（CSTR）,又稱全混釜，其特點是物料一進入反應(yīng)器，就立即與釜內(nèi)

12、物料均勻混合，而且反應(yīng)器內(nèi)的溫度、濃度等參數(shù)與出口物料的參數(shù)相同，故反應(yīng)器內(nèi)各點速度相同，且等于出口轉(zhuǎn)化率時的反應(yīng)速度。,反應(yīng)器示意圖如下：,進入反應(yīng)器組分A的摩爾數(shù)離開反應(yīng)器組分A的摩爾數(shù)反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)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)釜式反應(yīng)器與間歇反應(yīng)釜或連續(xù)管式反應(yīng)器的反應(yīng)容積比較。,物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間(定容過程)，如下圖所示，圖中斜線部分的面積為間歇反應(yīng)釜或平推流反應(yīng)器的平均停留時間，所有陰影部分的面積表示的是全混流反應(yīng)器的平均停留時間。,很顯然，用點表示的面積為增加的平均停留時間。對同一反應(yīng)，在相同的條件下，達到相同的轉(zhuǎn)化率，全混流反應(yīng)器所需要的容

13、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，可以用多釜串連的辦法。,五、多釜串連反應(yīng)器,單位時間內(nèi)進入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釜中反應(yīng)掉的摩爾數(shù),對于液相反應(yīng)，體積流量為常數(shù)，則有：,因此可以利用上式結(jié)合反應(yīng)速度方程式進行逐釜進行計算，直到達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率為止。,對于一級反應(yīng)，且各容積相等的釜有,第三節(jié) 反應(yīng)器型式及操作方式的選擇,選用反應(yīng)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，而且反應(yīng)器的容積要小 。,一、簡單反應(yīng),1.間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器,若為等容過程，則基礎(chǔ)設(shè)計式相同,間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器所需的容積相同，但因為間歇

14、反應(yīng)器中存在輔助時間與裝料系數(shù)，所以它需要的總?cè)莘e較平推流反應(yīng)器為大。因此對于反應(yīng)時間很短，輔助時間相對較長的反應(yīng)來說，選用管式反應(yīng)器較為適合。,2.間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器,對于一級反應(yīng)有：,間歇反應(yīng)器：,全混流反應(yīng)器：,如要使全混流反應(yīng)器需要的容積小于間歇式反應(yīng)器，即滿足下列條件：,所以,由上式可以看出：當輔助時間的長短超過某一值后，間歇反應(yīng)釜需要的容積將大于連續(xù)反應(yīng)釜；對于速度很快的反應(yīng)，輔助時間即使很短，間歇反應(yīng)釜需要的容積也會大于連續(xù)反應(yīng)釜，所以對于反應(yīng)速度較快，輔助時間相對較長的反應(yīng)，不適宜采用間歇操作。,3.全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器,引入容積效率平推流反應(yīng)器所需容積/全混流反應(yīng)

15、器所需容積,即,零級反應(yīng)：,一級反應(yīng)：,二級反應(yīng)：,用圖形表示如下,4.多釜串連反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器,對于一級反應(yīng)，N個等容積的串聯(lián)釜，可由多釜串聯(lián)設(shè)計式求得在每一釜中的停留時間為：,若令平推流反應(yīng)器需要的容積與多釜串聯(lián)反應(yīng)器需要的容積之比稱為多釜串連反應(yīng)器的容器效率 ，則多釜串聯(lián)反應(yīng)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)釜的最?。籒=,即當釜數(shù)為無限多時，1，多釜串聯(lián)的總?cè)莘e就等于理想管式反應(yīng)器的容積。當釜數(shù)少時，增加釜數(shù)，增加較大，當釜數(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，對簡單反應(yīng)，選擇反應(yīng)器型式原則： 1.對零級反應(yīng)，選用

16、單個連續(xù)釜和管式反應(yīng)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.反應(yīng)級數(shù)越高，轉(zhuǎn)化率越高，單個連續(xù)釜需要的容積越大，可采用管式反應(yīng)器。如反應(yīng)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應(yīng)器。 3.液相反應(yīng)，反應(yīng)慢，要求轉(zhuǎn)化率高時，采用間歇反應(yīng)釜。 4.氣相或液相反應(yīng)，反應(yīng)快，采用管式反應(yīng)器。 5.液相反應(yīng)，反應(yīng)級數(shù)低，要求轉(zhuǎn)化率不高，或自催化反應(yīng)，可采用單個連續(xù)操作的攪拌釜。,二、復雜反應(yīng),1.平行反應(yīng),設(shè)A的分解反應(yīng)為一平行反應(yīng)：,反應(yīng)速度方程式為：,則選擇率,在一定的反應(yīng)溫度下，k1、k2都是常數(shù)，即 大， 就要使 大，當 （即主反應(yīng)的級數(shù)較高） 時，則

17、CA 大，R的收率高，反之， 時，則CA小，R的收率高。,要使CA保持較高，可采用下列方法：采用間歇釜或管式反應(yīng)器；采用較低的單程轉(zhuǎn)化率；用濃度較高的原料。 要使CA保持較低，可采用下列方法：采用全混釜，并使轉(zhuǎn)化率高些；用部分反應(yīng)后的物料循環(huán)，以降低進料中反應(yīng)物的濃度；加入惰性稀釋劑。,當 時， 常數(shù)，與濃度無關(guān)，所以反應(yīng)器型式不影響R的收率，此時，只能靠改變反應(yīng)溫度或催化劑來提高R的收率。,2.連串反應(yīng),例如：,若反應(yīng)速度為,則 選擇性,當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，管式反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器。,當S是目的產(chǎn)物時，要使S的收率高，即 小，

18、 就要設(shè)法使CA小，CR大，可采用單個連續(xù)釜。,3.連串平行反應(yīng),對A來說是串聯(lián)反應(yīng)：,對B來說是平行反應(yīng)：,若R為目的產(chǎn)物，則應(yīng)控制B的加入速度，掌握好反應(yīng)時間，使R的收率最高。,三、全混釜與管式反應(yīng)器的配合使用,當反應(yīng)速度隨反應(yīng)物濃度的變化出現(xiàn)最大值時，最好采用全混釜使反應(yīng)在反應(yīng)速度最大的濃度下進行，然后再用管式反應(yīng)器使反應(yīng)達到最終轉(zhuǎn)化率，這樣可使反應(yīng) 器需要的容積最小。如自催化反應(yīng)： 產(chǎn)物R起著催化作用，因此反應(yīng)速度開始隨著反應(yīng)物濃度A下降而增大，達到最大值后，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應(yīng)在最適宜的CA下進行，再串聯(lián)一個管式反應(yīng)器，將CA降低到最終轉(zhuǎn)化率的要求

19、。,第四節(jié) 停留時間分布及其測定,一、停留時間分布的數(shù)學描述,1.分布密度函數(shù)與分布函數(shù),如果在某瞬間（=0）同時進入反應(yīng)器N份物料，經(jīng)過時間后，在設(shè)備出口處開始測定，測定 時間段，總共測定出物料有N份，則停留時間為 的物料占進料的分率為：,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，如下圖所示。,圖中曲線下的微小面積 表示停留時間在和d之間的物料占0時進料的分率 ，其中E（）稱為停留時間分布密度函數(shù)，,顯然有：,若停留時間從 范圍內(nèi)的物料占進料中的分率為F（）表示，則,F（）稱為停留時間分布函數(shù)。它的定義是針對出口物料中，已在反應(yīng)器內(nèi)停

20、留時間小于的物料在進料中所占的分率。,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/反應(yīng)器體積流量,用數(shù)學期望求得的平均停留時間與用VR/v求得比較，更能代表實際情況。,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，常采用用表示的停留時間分布。 ，稱為無因次停留時間。此時有下列三種關(guān)系。,平均停留時間

21、,分布密度函數(shù)E（）與分布函數(shù)F（）,因為停留時間在 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：,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,當設(shè)備內(nèi)物料流動達到定常態(tài)后，在某瞬間將示蹤劑一次注入進料中，同時開始分析出口物料中示蹤劑濃度的變化。因為瞬間注入示蹤劑量很少，其加入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

22、物料（不含示蹤劑，稱為流體1）以定常的流量流過反應(yīng)器，自某瞬間（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)反應(yīng)器的容積為,物料的體積流量為,達到定常流動后，從某瞬間開始，將進料切換為 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。,進入的示蹤劑量離開的示蹤劑量積累的示蹤劑量,分離變量積分得：,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

23、模擬實際反應(yīng)器中的流動情況，即假設(shè)實際反應(yīng)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等于實際反應(yīng)器的容積，所以每個虛擬釜中的停留時間為實際反應(yīng)器中停留時間的1/N。,對系統(tǒng)加入脈沖示蹤劑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N1時，,即為全混流模型。,時，,即為平推流模型,當,多釜串聯(lián)模型的E（）曲線,多釜串聯(lián)模型的F（）曲線,當實際反應(yīng)器中的流動情況偏離平推流或全混流模型不大時，可實驗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

24、聯(lián)反應(yīng)器的公式計算轉(zhuǎn)化率。,例：,第二章攪拌釜式反應(yīng)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,若將A、B兩種液體，各取體積VA、VB置于一容器中，則容器內(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，若混合均勻，則混合液中各處的A、B濃度均分別為CA0、CB0；若混合尚未均勻，則各處的濃度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（CACA0時）,（當CACA0時）,或,稱為均勻度。顯然，當混合均勻時 I1；不均勻時，I1。I偏離1越遠，反映了混合越不均勻

25、。所以，均勻度可以表示混合狀態(tài)偏離均勻狀態(tài)的程度。,若同時在混合液中各處取m個樣品，分別測出CA值，求得I值，則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,a b,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。只有當微團消失，才能達到分子尺度上的均勻，即微觀均勻。,二、混合的機理,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

26、 不會增大）即：,（2）偏心安裝,2.加設(shè)導流筒,釜中設(shè)置導流筒，可以嚴格地控制流動方向，使釜內(nèi)所有物料均通過導流筒內(nèi)的強烈混和區(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,為了達到宏觀上的均勻，必須有足夠強大的總體流動，即流量要足夠大；為了達到小尺度上的均勻，必須提高總流的湍動程度，即壓頭要足夠大?？梢姡瑸榱诉_到一定的混和效果，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=gVH）。,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

27、； 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對比變量來表示。,，,影響攪拌功率的物理因素有：液體的密度、粘度、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、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（該過程的無因次準數(shù)的數(shù)目I等于變量數(shù)與基本因次數(shù)之差。此題為532），若選定因次獨立的三個物理量、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，對比 變量,都為一常數(shù)。上式可化間為,或,其中,這樣，在特

28、定的攪拌裝置上，由上式安排試驗不難測得準數(shù)K與攪拌雷諾數(shù)的關(guān)系。 當流動進入充分湍流區(qū)時，即ReM104，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，則,將上述關(guān)系分別代入（1）中，得,上式表明，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，則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

29、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：高轉(zhuǎn)速，葉端圓周速度一般為515m/s。適用于粘度小于2Pas液體的攪拌。液體作軸向和切向運動，需安裝擋板抑制切向的圓周運動。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

30、器,特點：轉(zhuǎn)速較高，葉端圓周速度一般為38m/s，適用于粘度小于50Pas液體的攪拌，液體作徑向和切向運動，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動。與推進式攪拌器相比，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：垂直安裝的槳葉（平槳）可使液體沿徑向和切向運動，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

31、器,2.大葉片低轉(zhuǎn)速攪拌器,b.框式和錨式攪拌器,特點：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：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，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合適。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

32、拌器（開啟） 固液比重差小，不易沉降推進式 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,保持攪拌雷諾數(shù)不變,不變，即,2.保持葉端圓周速度nd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，,，,則,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

33、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應(yīng)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則比較合適，需通過逐級放大試驗來確定。在幾個（一般為3個）幾何相似大小不同的試驗裝置中，改變攪拌器的轉(zhuǎn)速進行試驗，以獲得同樣滿意的生產(chǎn)效果，然后按上述原則判定哪個較為適用，并據(jù)此放大準則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動，液體與槳葉的相對速度以平均速度,表示，則作用于槳葉的力為：,（化工原理， ）,因為,故有,克服此力所需的功率等于力乘以平均速度：即,將攪拌功率除

34、以,稱為功率準數(shù)，以NP表示（有時也用K表示）,因為,則有,與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，則有,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)（Re10）,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，不論有無擋板，其NPRe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)（Re104）,無擋板時，因自由表面下降成漏斗狀，空氣被吸入液體中，使液體的密

35、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NPK,有,此時K值是在,的情況下測得，如實際設(shè)備中,則應(yīng)校正：,其中,一般情況下，不論是否有擋板，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，下標代表不同液體。,b.平均粘度 當兩項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

36、循環(huán)量V（m3/min）有關(guān)。因為,所以常用通氣準數(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：,Na0.035,Na0.035,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準數(shù)與,/,標繪，可由Na查出,/,然后求出Pg。,c.計算式：,對于密度8001650kg/m3、粘度9*1040.1PaS，表面張力7.35729N/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D/d=3時，Kg0.157；當D/d=2.5時，Kg0.113；當D/d=2時，Kg0.101； 此式適用于渦輪攪拌器、多層攪拌

37、器及非牛頓液體的攪拌的場合。,d.準數(shù)方程式：,此式適用于各種情況。,3.固液相攪拌,當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行計算。,平均密度：,其中,代表體積分率，下標代表液體和固體,平均粘度：當,當,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m=1，K,當m1，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

38、液體，表觀粘度隨剪切率的增大而減??；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：,用計算得到的平均表觀粘度帶入Re中，即,于是就可以利用計算牛頓液體的攪拌功率的關(guān)聯(lián)式來求出實際介質(zhì)的中的攪拌功率。,第四節(jié) 攪拌釜的傳熱,一、溫度對化學反應(yīng)的影響,溫度對反應(yīng)速率的影響,由阿累尼烏斯經(jīng)驗式：,式中的活化能E不僅是反應(yīng)難易程度的衡量，也是反應(yīng)速度對溫度敏感性的標志。,上式取對數(shù)：,如將lnk對1/T作圖則為一直線。,有如下結(jié)論： a.活化能大的反應(yīng)，反應(yīng)速率對溫度較敏感，活化能小的反應(yīng)，不太敏感； b.對一定的反應(yīng)（E值一定），低溫時反應(yīng)速度

39、對溫度敏感，高溫時不太敏感。,對于簡單反應(yīng)，反應(yīng)速度是溫度、濃度的函數(shù)。例如，對于簡單可逆放熱反應(yīng)，在濃度不變的情況下，隨著溫度的增大，反應(yīng)速率增大，而當溫度增大到一定程度，此時逆反應(yīng)占優(yōu)，總的反應(yīng)速率反而下降，故在濃度不變的情況下，反應(yīng)速率對反應(yīng)溫度存在一最大值，亦即存在最佳反應(yīng)溫度。如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?yīng)溫度隨著對應(yīng)濃度的最佳反應(yīng)溫度變化，則反應(yīng)速率一直處于最大狀態(tài)，則反應(yīng)容積最小。,對于不可逆反應(yīng)和可逆吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速度總是隨著溫度的升高而加快，他們的最佳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,對平行反應(yīng)：,若反

40、應(yīng)速度為,則選擇率：,可見，當E1E2時，溫度升高，選擇性增大；當E1E2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應(yīng)；降低溫度，有利于活化能小的反應(yīng)。,二、攪拌釜的傳熱裝置,夾套,如果是加熱介質(zhì)是水蒸氣，進口管應(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，則進口管安排在底部。夾套的高度一般應(yīng)比釜內(nèi)液面高出50100mm，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流筒和擋板的作用，強化攪拌，提高傳熱效果。但

41、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)的努賽爾準數(shù)Nu與雷諾準數(shù)Re及普朗特準數(shù)Pr關(guān)聯(lián)成如下的函數(shù)式：,關(guān)聯(lián)式中,為校正項。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),當夾套內(nèi)通蒸汽時，蒸汽的冷凝膜系數(shù)可取7500W/(m2K) 當夾套內(nèi)通冷卻水時，其傳熱膜系數(shù)可用下式計算：,Re3600,Re3600,3.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

42、管內(nèi)增大?？捎孟率接嬎悖?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Re10000、,0.002PaS時,其定性溫度為進出口溫度的算術(shù)平均值。,當粘度較大，且Re10000、Pr=0.5100時,當管內(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?？捎?計算表觀粘度。然后按計算牛頓液體的有關(guān)公式進行計算。,第五節(jié) 間歇反應(yīng)釜的工藝計算,一、反應(yīng)釜的物料衡算,收率選擇性轉(zhuǎn)化率,二、反應(yīng)釜容積與個數(shù)的確定,給定VT，求n,每天需要操作的批數(shù)為：,而每天每個

43、反應(yīng)釜可操作的批數(shù)為：,因此，生產(chǎn)過程中需用的反應(yīng)釜個數(shù)為：,通常由上式計算的nP不為整數(shù)，須圓整成整數(shù)，這樣反應(yīng)釜的生產(chǎn)能力較設(shè)計要求提高了，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1.11.15為合適。,2.給定n，求VT,如先確定反應(yīng)釜的個數(shù)，則由下式：,取1.11.15。,三、反應(yīng)釜直徑與高度的確定,一般攪拌反應(yīng)釜的高度與直徑之比H/D1.2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)。則有：,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)反應(yīng)釜的熱穩(wěn)定性,一、全混釜

44、的熱量平衡,在連續(xù)操作的反應(yīng)釜內(nèi)，溫度均一且不隨時間變化，所以，可以對整個反應(yīng)釜作單位時間內(nèi)的熱量衡算。即：,反應(yīng)的放熱速率曲線,為了簡單起見，下面討論一級不可逆反應(yīng)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，除熱速率與反應(yīng)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，二者的交點的橫坐標為穩(wěn)態(tài)操作的溫度。隨著參數(shù)不同，反應(yīng)器可有多個穩(wěn)態(tài)操作點。如下圖所示。,第三章 其他型式反應(yīng)器,第一節(jié) 管式反應(yīng)器,一、管式反應(yīng)器的特點、型式和應(yīng)用,特點：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

45、面積大，耐高壓，易于控制管理。 應(yīng)用范圍：一般應(yīng)用于均相反應(yīng)氣相和液相。 型式： 1.水平或垂直的管式反應(yīng)器 2.盤管式反應(yīng)器 3.U型管式反應(yīng)器,二、變溫等容過程管式反應(yīng)器的計算 1.等溫等容過程管式反應(yīng)器的計算,等溫等容過程反應(yīng)器的設(shè)計，需要聯(lián)解動力學方程式和物料衡算式，而非等溫反應(yīng)，由于動力學方程式中的反應(yīng)速率,隨著溫度的變化而變化，反應(yīng)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)計非等溫過程的反應(yīng)器，需聯(lián)解動力學方程、物料衡算式和熱量衡算式。,2.變溫等容過程管式反應(yīng)器的計算,對微元體積dV建立熱量衡算，可得：,反應(yīng)物經(jīng)過微元體積后熱量變化為：,將上述各式代入熱量衡

46、算式有：,此即平推流管式反應(yīng)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應(yīng)器容積的計算方法。,假設(shè)在反應(yīng)器中，過程的轉(zhuǎn)化率從,變化到,，相應(yīng)于物料的溫度從,如果忽略反應(yīng)過程中物料摩爾數(shù)的變化，則上式積分右邊有：,變化到T，,令,則有,稱為絕熱溫升系數(shù)，其物理意義是當物料總進料的摩爾流量為1時，反應(yīng)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)合動力學方程和物料衡算式，便可求出達到一定轉(zhuǎn)化率所需的管式反應(yīng)器容積。,三、等溫變?nèi)葸^程管式反應(yīng)器的計算,對于變?nèi)葸^程，一般總壓變化不大，故可以視為定壓過程,膨脹因子 對于反應(yīng)：,（均為氣相） 當0時 nA0 nB0 0 0 當時 nA nB nR nS,