1、1第六章第六章 制药反应设备制药反应设备6.1 6.1 反应器基础反应器基础6.2 6.2 釜式反应器的工艺计算釜式反应器的工艺计算6.3 6.3 管式反应器的工艺计算管式反应器的工艺计算6.4 6.4 反应器型式和操作方式选择反应器型式和操作方式选择6.5 6.5 搅拌器搅拌器2 药厂用设备可分为药厂用设备可分为:机械设备机械设备 化工设备化工设备 制药专用设备制药专用设备一般一般,原料药原料药生产以生产以机械设备机械设备和和化工设备化工设备为主，为主，药物制剂药物制剂生产以生产以制药专用设备制药专用设备为主。为主。本章着重讨论原料药生产的本章着重讨论原料药生产的核心设备核心设备 反应器反应
2、器的的工作原理、工艺计算和选型工作原理、工艺计算和选型。36.1 反应器基础反应器基础6.1.1 6.1.1 反应器的类型反应器的类型反应、分离、制剂反应、分离、制剂 构成了药品生产的主要工艺过程。构成了药品生产的主要工艺过程。原料在反应器内进行反应，通过分离等方法获得原料药，原料在反应器内进行反应，通过分离等方法获得原料药，原料药经过一定的制剂工艺原料药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、如混合、造粒、干燥、压片、包衣、包装等干燥、压片、包衣、包装等)即成为出厂的药品。即成为出厂的药品。其中，其中，反应是整个生产工艺过程的反应是整个生产工艺过程的核心核心，而反应器则是，而反应器则是反应过程的反
3、应过程的核心设备核心设备。反应器的类型很多，可按不同的方式进行分类。反应器的类型很多，可按不同的方式进行分类。4 按结构分类按结构分类进进料料出出料料进进 料料出出 料料液液体体气气体体气气体体液液体体液液体体气气体体液液体体气气体体(a)(a)釜式釜式(b)(b)管式管式(d)(d)板式塔板式塔(e)(e)填料塔填料塔5液液体体气气体体液液体体气气体体液液体体气气体体液液体体气气体体气气体体或或液液体体气气体体或或液液体体气气体体或或液液体体气气体体或或液液体体(f)(f)鼓泡塔鼓泡塔 (g)(g)喷雾塔喷雾塔 (h)(h)固定床固定床 (i)(i)流化床流化床图图6-1 6-1 不同结构型
4、式的反应器不同结构型式的反应器6（2 2）按相态来分）按相态来分固固三三相相反反应应器器液液气气固固相相反反应应器器固固固固相相反反应应器器液液固固相相反反应应器器气气液液相相反反应应器器液液液液相相反反应应器器气气非非均均相相反反应应器器液液相相反反应应器器气气相相反反应应器器均均相相反反应应器器 反应器反应器图图6-2 6-2 反应器按相态分类反应器按相态分类7 按操作方式分类：按操作方式分类：间歇式、半间歇式和连续式反应器间歇式、半间歇式和连续式反应器 按操作温度分类：按操作温度分类：等温和非等温反应器等温和非等温反应器 按流动状况分类：按流动状况分类：理想反应器和非理想反应器理想反应器
5、和非理想反应器86.1.2 6.1.2 反应器的操作方式反应器的操作方式分为分为:间歇操作间歇操作 半间歇操作半间歇操作(半连续操作半连续操作)连续操作连续操作 间歇操作间歇操作特点特点:将反应所需的原料一次加入反应器，达到规定的反将反应所需的原料一次加入反应器，达到规定的反 应程度后即卸出全部物料。应程度后即卸出全部物料。然后对反应器进行清理，随后进入下一个操作循环，然后对反应器进行清理，随后进入下一个操作循环，即进行下一批即进行下一批投料、反应、卸料、清理投料、反应、卸料、清理等过程。等过程。9间歇反应过程是一个典型的间歇反应过程是一个典型的非稳态过程非稳态过程反应器内物料的组成随时间而变
6、化反应器内物料的组成随时间而变化这是间歇过程的基本特征。这是间歇过程的基本特征。间歇釜式反应器内反应物和产物的间歇釜式反应器内反应物和产物的浓度随时间的变化关系如图浓度随时间的变化关系如图6-36-3所示。所示。图图6-3 6-3 间歇釜式反应器间歇釜式反应器 及其浓度变化及其浓度变化10 间歇操作间歇操作:通常采用通常采用釜式釜式反应器，且反应过程中既无物反应器，且反应过程中既无物料加入，又无物料输出料加入，又无物料输出可视为可视为恒容过程恒容过程。如如气相反应气相反应，反应体积为反应体积为整个反应器容积整个反应器容积，反应过程中保持不变；反应过程中保持不变；又如又如液相反应液相反应，反应体
7、积为反应体积为液体所占据的空间液体所占据的空间，虽不充满整个反应器，但液体可视为不可压缩流体，虽不充满整个反应器，但液体可视为不可压缩流体，故反应体积仍可视为恒定。故反应体积仍可视为恒定。药品生产的药品生产的规模一般较小，且品种多、生产工艺复杂规模一般较小，且品种多、生产工艺复杂，而而间歇反应器间歇反应器具有具有装置简单、操作方便、适应性强装置简单、操作方便、适应性强等优等优点点在制药工业中有着广泛的应用。在制药工业中有着广泛的应用。11 连续操作连续操作特点特点:反应原料连续入反应器，连续流出反应器。反应原料连续入反应器，连续流出反应器。连续操作属于连续操作属于稳态过程稳态过程，反应器内任一
8、位置上的反应物浓度反应器内任一位置上的反应物浓度 、T T、P P、反应速度等参数均不随时间而变化、反应速度等参数均不随时间而变化。管式反应器内反应物和产物的管式反应器内反应物和产物的浓度随管长的变化关系浓度随管长的变化关系 如图如图6-46-4所示。所示。C CA0A0C CAfAfC CRfRf图图6-4 6-4 管式反应器及其浓度关系管式反应器及其浓度关系L LL L12沿反应物料的流动方向，反应物沿反应物料的流动方向，反应物A A的浓度由入口处的浓度的浓度由入口处的浓度C CA0A0降低至出口浓度降低至出口浓度C CAfAf，产物，产物R R的浓度则由入口处的浓度的浓度则由入口处的浓度
9、(通常为通常为零零)升高至出口浓度升高至出口浓度C CRfRf。不可逆反应不可逆反应:若管长足够，反应物若管长足够，反应物A(A(不过量不过量)将由入口处的将由入口处的C CA0A0降低至出口浓度降低至出口浓度零零，但对某些反应管长需要，但对某些反应管长需要无限长无限长;可逆反应可逆反应:则降至其则降至其平衡浓度平衡浓度,但要达到平衡浓度但要达到平衡浓度,管长需管长需要要无限长无限长。注意注意:对单一反应，产物对单一反应，产物R R的浓度随管长的增加而增大。的浓度随管长的增加而增大。n但若同时但若同时存在多个化学反应存在多个化学反应，此结论也未必成立。，此结论也未必成立。n如如连串反应连串反应
10、A AR(R(产物产物)S S，产物，产物R R的浓度先随管长的增的浓度先随管长的增加而增大加而增大,达一极大值后又随管长的增加而减小。达一极大值后又随管长的增加而减小。13图图6-36-3与与6-46-4有些类似，有些类似，但一个是但一个是随时间随时间而变化，而变化，另一个是另一个是随位置随位置(管长管长)而变化而变化，这是两种操作方式的这是两种操作方式的本质区别。本质区别。连续操作优点连续操作优点:具有具有生产能力大、产品质量稳定、生产能力大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化易实现机械化和自动化等等,大规模工业生产的反应器多采用连续操作。大规模工业生产的反应器多采用连续操作。但但连续操作
11、的适应能力较差连续操作的适应能力较差，系统一旦建成，要改，系统一旦建成，要改变产品品种往往非常困难，有时甚至要较大幅度地变产品品种往往非常困难，有时甚至要较大幅度地改变产品的产量也不容易办到。改变产品的产量也不容易办到。14半间歇操作半间歇操作原料或产物中有一种或一种以上的为连续输入或输出，原料或产物中有一种或一种以上的为连续输入或输出，而其余的而其余的(至少一种至少一种)为分批加入或卸出的操作，为分批加入或卸出的操作，均属均属半连续操作半连续操作，相应的反应器称为，相应的反应器称为半连续反应器半连续反应器。原料药生产中的气液相反应常常采用半连续操作。原料药生产中的气液相反应常常采用半连续操作
12、。例如，例如，由由氯气和对氯甲苯生产氯气和对氯甲苯生产2,4-2,4-二氯甲苯二氯甲苯即采用半连即采用半连续操作方式。续操作方式。对氯甲苯和催化剂对氯甲苯和催化剂一次加入反应器内，一次加入反应器内，氯气氯气则连续通则连续通入反应器，未反应的入反应器，未反应的氯气及反应产生的氯化氢氯气及反应产生的氯化氢从反应从反应器连续排出。反应结束后，卸出反应物料。器连续排出。反应结束后，卸出反应物料。15半连续操作半连续操作:具有连续操作和间歇操作的某些特征具有连续操作和间歇操作的某些特征。有连续输入和输出物料，这点与连续操作相似有连续输入和输出物料，这点与连续操作相似;也有分批加入或卸出的物料也有分批加入
13、或卸出的物料生产是间歇的生产是间歇的,这这是间歇操作的特点。是间歇操作的特点。半连续反应器中的半连续反应器中的物物料组成既随时间而变化料组成既随时间而变化,又随位置而变化。又随位置而变化。釜式、管式、塔式以及固定床釜式、管式、塔式以及固定床反应器等都有采用反应器等都有采用半连续方式操作的。半连续方式操作的。166.1.3 6.1.3 反应器计算的基本方程式反应器计算的基本方程式 反应动力学方程式反应动力学方程式、物料衡算式物料衡算式和和热量衡算式热量衡算式。若反应有较大若反应有较大P P，并影响到，并影响到r时，还要用时，还要用动量衡算式动量衡算式。反应动力学方程式反应动力学方程式均相反应均相
14、反应:反应速度反应速度r r用用单位时间、单位体积的反应物料中单位时间、单位体积的反应物料中某一组分摩尔数的变化量来表示某一组分摩尔数的变化量来表示，即，即 式中式中:r rA A-以组分以组分A A表示的化学反应速度，表示的化学反应速度，kmolkmol m m-3-3 s s-1-1 V VR R-反应器的有效容积或反应体积，反应器的有效容积或反应体积，m m3 3；n nA A-组分组分A A的摩尔数，的摩尔数，molmol或或kmolkmol；-反应时间，反应时间，s s或或h h。ddnV1rARA(6-1)(6-1)17对于等容过程对于等容过程ddCddnV1rAARA0AA0AA
15、nnnx(6-2)(6-2)式中式中:C:CA A组分组分A A的浓度，的浓度，kmolkmol m m-3-3。反应速度也可用转化率来表示。反应速度也可用转化率来表示。由式由式(4-6)(4-6)可知，可知，(6-3)(6-3)式中式中:x:xA A反应物反应物A A的转化率；的转化率；n nA0A0反应开始时反应物反应开始时反应物A A的摩尔数，的摩尔数，molmol；n nA A某时刻反应物某时刻反应物A A的摩尔数，的摩尔数，molmol。18由式由式(6-3)(6-3)得得)x1(nnA0AAA0AAdxndnddxnV1ddnV1rA0ARARA则则代入式代入式(6-1)(6-1)
16、，并取，并取 号得号得(6-4)(6-4)(6-5)(6-5)(6-6)(6-6)对于等容过程对于等容过程，式，式(6-3)(6-3)可改写为可改写为0AA0A0AA0AACCCnnnx)x1(CCA0AAddxCddCrA0AAAA0AAdxCdC则则(6-7)(6-7)(6-8)(6-8)(6-9)(6-9)(6-10)(6-10)19nAARAkCddnV1rr r与与T T、P P和反应物浓度有关和反应物浓度有关，r r与各影响因素之间的函数关系与各影响因素之间的函数关系称为称为反应动力学方程式反应动力学方程式或反应速度方程式。或反应速度方程式。如反应如反应A AR R为为n n级不可
17、逆反应级不可逆反应，则反应动力学方程式可写成，则反应动力学方程式可写成(6-11)(6-11)式中式中:k:k反应速度常数，反应速度常数，kmolkmol1-n1-n m m3(n-1)3(n-1)h h-1-1;n;n反应级数。反应级数。nApARApkddnV1r若为若为气相反应气相反应，则反应动力学方程式也可组分的分压表示，则反应动力学方程式也可组分的分压表示式中式中:k:kp p-以反应物压力表示的反应速度常数，以反应物压力表示的反应速度常数，kmolkmol m m-3 3 s s-1 1 PaPa-n-n；p pA A反应体系中反应物反应体系中反应物A A的分压，的分压，PaPa。
18、(6-12)(6-12)20如果如果反应气体可视为理想气体反应气体可视为理想气体，则，则k kp p和和k k的关系为的关系为np)RT(kk(6-13)(6-13)R-R-理想气体常数理想气体常数,8.314kJ,8.314kJ kmolkmol-1-1 K K-1-1；T-T-体系温度，体系温度，K K。nrmrbrarNMBA反应时各组分的摩尔数变化不一定相同反应时各组分的摩尔数变化不一定相同用不同组分表示化学反应速度时，数值也不一定相同。用不同组分表示化学反应速度时，数值也不一定相同。如在反应中，组分如在反应中，组分A A、B B的消耗速度与组分的消耗速度与组分M M、N N的生成速度
19、的生成速度各不相同，但若将它们分别除以该组分的化学计量系数，各不相同，但若将它们分别除以该组分的化学计量系数，则有下列关系则有下列关系(6-14)(6-14)21对简单反应对简单反应，如，如aA+bBaA+bB=mM+nNmM+nN，只列出，只列出任一反应物任一反应物的物算的物算式，其余反应物和产物的量可通过化学计量关系确定式，其余反应物和产物的量可通过化学计量关系确定反应器内反应物的反应器内反应物的浓度、温度等参数浓度、温度等参数随随时间或空间时间或空间而而变化，变化，r r也随之发生改变也随之发生改变应分别选取微元体积应分别选取微元体积dVdVR R和和微元时间微元时间d d 作为物料衡算
20、的作为物料衡算的空间基准和时间基准空间基准和时间基准。的积累量的消耗量的输出量的输入量AAAA 物料衡算式物料衡算式反应物的反应物的消耗量消耗量取决于取决于r r。在微元时间。在微元时间d d 内，在微元体内，在微元体积积dVdVR R中因反应而中因反应而消耗的反应物消耗的反应物A A的为的为 。物料衡算式物料衡算式(6-15)(6-15)给出反应器内反应物浓度或转给出反应器内反应物浓度或转化率随位置或时间的变化关系。化率随位置或时间的变化关系。ddVrRA(6-15)(6-15)22热量衡算式热量衡算式化学反应通常有化学反应通常有热效应热效应 T随反应进行而发生改变，而随反应进行而发生改变，
21、而T改变又会影响改变又会影响r进行热量衡算，以确定进行热量衡算，以确定T随反应器内随反应器内位置或时间的变化关系，从而进一步计算位置或时间的变化关系，从而进一步计算r。与物算一样，分别选取微元体积与物算一样，分别选取微元体积dVdVR R和微元时间和微元时间d d 作为热作为热量衡算的空间基准和时间基准量衡算的空间基准和时间基准。在微元时间。在微元时间d d 内对微元内对微元体积体积dVdVR R进行热量衡算得进行热量衡算得:物理变化热可忽略时物理变化热可忽略时积累热量环境或载热体输入热量化学变化热物料带出热量物料带入热量AtrRAHddVr在微元时间在微元时间d d 内，在微元体积内，在微元
22、体积dVRdVR中因反应而产生的中因反应而产生的化学变化热为化学变化热为 (6-16)(6-16)热量衡算式热量衡算式(6-16)(6-16)给出反应器内给出反应器内T T随位置或时间的变化关系。随位置或时间的变化关系。23反应器计算反应器计算:联立求解联立求解物算式、热算式物算式、热算式和和动力学方程式动力学方程式。对等温过程对等温过程:T T不随时间和空间而改变不随时间和空间而改变 仅需联立求解仅需联立求解物算式物算式和和动力学方程式动力学方程式。物料物料流动混合状况流动混合状况直接影响反应器内的直接影响反应器内的浓度浓度和和T T分布分布在联立求解物算式和热算式时，必须知道反应器内物料在
23、联立求解物算式和热算式时，必须知道反应器内物料流动混合状况。流动混合状况。下面首先讨论流动混合处于下面首先讨论流动混合处于理想状况的理想反应器理想状况的理想反应器，在，在此基础上，再讨论此基础上，再讨论非理想流动反应器非理想流动反应器。246.1.4 6.1.4 理想反应器理想反应器理想反应器理想反应器:指流体的流动处于理想状况的反应器。指流体的流动处于理想状况的反应器。对流体混合，有两种理想极限，即对流体混合，有两种理想极限，即理想混合理想混合和和理想置理想置换换。25图图6-5 6-5 理想混合流型理想混合流型理想混合的特征理想混合的特征:物料达到物料达到完全混合，浓度、完全混合，浓度、T
24、 T和和r r处处相等处处相等工业生产中，工业生产中，搅拌良好的釜式反应器搅拌良好的釜式反应器 可近似看成理想混合反应器。可近似看成理想混合反应器。理想混合釜式反应器可采用理想混合釜式反应器可采用连续、半连续或间歇连续、半连续或间歇操作方式。操作方式。连续操作时连续操作时，物料一进入反应器，物料一进入反应器，就立即与反应器内的物料完全混合。就立即与反应器内的物料完全混合。达到稳定状态时达到稳定状态时，反应器内反应器内物料的组成物料的组成和和T T既与位置无既与位置无关，又不随时间而变，且与关，又不随时间而变，且与出口的浓度和出口的浓度和T T相同相同。半连续或间歇操作时半连续或间歇操作时，反应
25、器内物料的组成、反应器内物料的组成、T T等参数等参数仅仅随时间而变随时间而变，与位置无关。，与位置无关。26理想置换的特征理想置换的特征:在与流动方向垂直的截面上，各点的在与流动方向垂直的截面上，各点的流速和流向完全相同，流速和流向完全相同，就象活塞平推一样，故又称就象活塞平推一样，故又称“活塞流活塞流”或或“平推流平推流”。这种流动这种流动特征特征，在与流动方向垂直的截面上，流体的在与流动方向垂直的截面上，流体的浓度和温度处处相等，浓度和温度处处相等，不随时间而变不随时间而变；而沿流动方向，；而沿流动方向，流体的浓度和温度不断改变。流体的浓度和温度不断改变。在在流动方向上不存在流体混合流动
26、方向上不存在流体混合所有的流体质点在反所有的流体质点在反应器内的停留时间相同应器内的停留时间相同。工业生产中工业生产中,细长型的细长型的管式反应器管式反应器可近似看成可近似看成理想置换反应器。理想置换反应器。图图6-5 6-5 理想置换流型理想置换流型27CA0 CAf 浓浓度度 时时间间 CRf A A R RCA0 位位置置 CAf CRf 浓浓度度 CA0 CRf CAf A A R RCA0CRf位位 置置 CAf 浓浓度度 CA0 CAf CRf A A R R间歇釜式反应器间歇釜式反应器 连续釜式反应器连续釜式反应器 管式反应器管式反应器 图图6-6 6-6 理想反应器内反应物及产
27、物的浓度变化理想反应器内反应物及产物的浓度变化286.2 釜式反应器的工艺计算釜式反应器的工艺计算6.2.1 釜式反应器的结构釜式反应器的结构、特点及应用特点及应用(见见P90图图6-7)釜体釜体一般是由钢板卷焊而成的圆筒体，再焊上钢制标准一般是由钢板卷焊而成的圆筒体，再焊上钢制标准釜底釜底，并配上，并配上封头封头、搅拌器搅拌器等零部件而制成。等零部件而制成。根据反应物料的性质，罐体的内壁可内衬根据反应物料的性质，罐体的内壁可内衬橡胶、搪玻璃橡胶、搪玻璃、聚四氟乙烯聚四氟乙烯等耐腐蚀材料。等耐腐蚀材料。为控制为控制T T，罐体外壁常设有，罐体外壁常设有夹套夹套，内部也可安装，内部也可安装蛇管蛇
28、管。标准釜底一般为标准釜底一般为椭圆形椭圆形，根据工艺要求，也可采用，根据工艺要求，也可采用平底平底、半球底半球底或或锥形底锥形底等。等。釜式反应器的结构釜式反应器的结构2930根据根据釜盖与釜体釜盖与釜体连接方式不同，可分为连接方式不同，可分为开式开式(法兰连接法兰连接)和和闭式闭式(焊接焊接)两大类。图两大类。图6-76-7是典型的开式结构示意图。是典型的开式结构示意图。目前，釜式反应器的技术参数已实现标准化，搪玻璃釜目前，釜式反应器的技术参数已实现标准化，搪玻璃釜式反应器的主要技术参数见附录六。式反应器的主要技术参数见附录六。特点特点:结构简单、加工方便；结构简单、加工方便；釜内设有釜内
29、设有搅拌装置搅拌装置,釜外常设釜外常设传热夹套传热夹套,传质传质和传热效率均较高和传热效率均较高;在搅拌良好的情况下在搅拌良好的情况下,可近似看成可近似看成理想混合理想混合反应器反应器,釜内浓度、釜内浓度、T T均一均一,r r处处相等处处相等;操作灵活操作灵活,适应性强适应性强,便于控制和改变反应条便于控制和改变反应条件件,尤其适用于小批量、多品种生产。尤其适用于小批量、多品种生产。釜式反应器在药品生产中有着广泛的应用。釜式反应器在药品生产中有着广泛的应用。316.2.2 间歇釜式反应器的工艺计算间歇釜式反应器的工艺计算 的计算的计算搅拌良好的间歇釜式反应器可视为搅拌良好的间歇釜式反应器可视
30、为理想混合反应器，理想混合反应器，其物料衡算具有以下其物料衡算具有以下特点：特点：反应器内浓度、温度均一，不随位置而变，反应器内浓度、温度均一，不随位置而变，可对可对整个反应器整个反应器有效容积有效容积(反应体积反应体积)进行物料衡算。进行物料衡算。间歇操作，式间歇操作，式(6-15)(6-15)中的中的输入量和输出量均为零输入量和输出量均为零，得到间歇釜式反应器的物料衡算式为得到间歇釜式反应器的物料衡算式为 ARAdndVr的积累量的消耗量AA(6-17)(6-17)A0ARAdxndVr即即(6-18)(6-18)32RAA0AVrdxnd Afx 0 RAA0AVrdxn则则积分得积分得
31、式中式中:x:xAfAf反应终止时反应物反应终止时反应物A A的转化率。的转化率。式式(6-20)(6-20)对对等温、非等温、等容和变容过程等温、非等温、等容和变容过程均适用。均适用。对于非等温和变容过程，尤其是非等温过程，对于非等温和变容过程，尤其是非等温过程，式式(6-20)(6-20)的求解比较复杂，可参考理想管式反应器的求解比较复杂，可参考理想管式反应器非等温和变容过程的计算方法非等温和变容过程的计算方法(参见本章第三节参见本章第三节)。此处仅讨论此处仅讨论等温等容过程等温等容过程的计算。的计算。(6-19)(6-19)(6-20)(6-20)33 AfAfx 0 x 0 AA0AA
32、AR0ArdxCrdxVn在等容下在等容下，V VR R保持不变，故式保持不变，故式(6-20)(6-20)的的V VR R可移至积分号可移至积分号外，则外，则 上式表明，达到一定转化率所需要的上式表明，达到一定转化率所需要的仅与反应物的初仅与反应物的初始浓度和始浓度和r r有关，而与有关，而与物料的处理量物料的处理量无关无关。若能保证放大后的装置在若能保证放大后的装置在搅拌和传热两方面搅拌和传热两方面均与提供均与提供试验数据的装置完全相同，就可以简单地计算出大生产试验数据的装置完全相同，就可以简单地计算出大生产装置的尺寸，装置的尺寸，实现高倍数的放大。实现高倍数的放大。(6-21)(6-21
33、)34对零级反应对零级反应:反应动力学方程式为反应动力学方程式为krAAfx 0 A0AkdxCkxCdxkCAf0Ax 0 A0AAfAAkCr)x1(kCrA0AAAfx 0 AAx 0 A0AA0Ax11lnk1)x1(dxk1)x1(kCdxCAfAf代入式代入式(6-21)(6-21)得得等温过程，等温过程，k k为常数为常数对一级反应对一级反应:反应动力学方程式为反应动力学方程式为对对等容等容过程，将式过程，将式(6-8)(6-8)代入上式得代入上式得代入式代入式(6-21)(6-21)得得(6-22)(6-22)(6-23)(6-23)(6-24)(6-24)(6-25)(6-2
34、5)(6-26)(6-26)35 对二级反应对二级反应:反应动力学方程式为反应动力学方程式为2A20AA)x1(kCrAfx 0 2A20AA0A)x1(kCdxCAfx 0 Af0AAf2AA0A)x1(kCx)x1(dxkC1 代入式代入式(6-21)(6-21)得得(6-27)(6-27)如果反应动力学方程比较复杂，往往不易求得如果反应动力学方程比较复杂，往往不易求得解析解解析解，此时可采用，此时可采用图解积分法图解积分法或或数值积分法数值积分法求得近似解。求得近似解。36 反应器总容积的计算反应器总容积的计算n釜式反应器间歇操作时釜式反应器间歇操作时，每处理一批物料都需要一，每处理一批
35、物料都需要一定的定的出料、清洗、加料出料、清洗、加料等等辅助操作时间辅助操作时间,n故处理一定量物料所需要的有效体积不仅与故处理一定量物料所需要的有效体积不仅与反应时反应时间间有关有关,而且与而且与辅助操作时间有关辅助操作时间有关。式中式中:V VR R反应器的反应器的有效容积有效容积或或反应体积反应体积，n 即即物料所占有的体积物料所占有的体积，m3 3；n V Vh h每小时所需处理的物料体积，每小时所需处理的物料体积，m m3 3 h h-1-1；n 达到规定转化率所需要的反应时间达到规定转化率所需要的反应时间,h;h;n 辅助操作时间辅助操作时间,s s或或h h。)(VVhR(6-2
36、8)(6-28)37RTVV辅助操作时间一般根据经验确定。辅助操作时间一般根据经验确定。为提高间歇釜式反应器的生产能力为提高间歇釜式反应器的生产能力,应设法减少应设法减少辅助操作时间辅助操作时间。决定决定反应器总容积反应器总容积V VT T,还需考虑还需考虑装料系数装料系数。一般为一般为0.40.40.850.85。对不起泡、不沸腾的物料对不起泡、不沸腾的物料，可取可取0.70.70.850.85；对起泡或沸腾的物料对起泡或沸腾的物料，可取可取0.40.40.60.6。此外此外,的选择还应考虑的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积搅拌器和换热器的体积。(6-29)(6-29)38例例6-1:CH3
37、COOH+C4H9OH浓 H2SO4100 COCH3COOC4H9+H2O在搅拌良好的间歇釜式反应器在搅拌良好的间歇釜式反应器当丁醇过量时，反应动力学方程式为当丁醇过量时，反应动力学方程式为 式中式中C CA A为为HACHAC浓度，浓度，kmolkmol m m-3-3。已知已知k k为为1.04m1.04m3 3 kmolkmol-1-1 h h-1-1，投料，投料摩尔比摩尔比为为HACHAC：丁醇：丁醇=1=1：4.974.97，反应前后物料的，反应前后物料的密度密度为为750kg750kg m m-3-3，HACHAC 、丁醇及醋、丁醇及醋酸丁酯的酸丁酯的M M分别为分别为6060、
38、7474和和116116。若每天生产。若每天生产3000kg3000kg乙酸丁酯乙酸丁酯(不考虑分离过程损失不考虑分离过程损失)，乙酸的转化率为，乙酸的转化率为50%50%，每批，每批辅助操辅助操作时间作时间为为0.5h0.5h，装料系数，装料系数 为为0.7.0.7.试计算所需反应器的试计算所需反应器的有效容积有效容积(V VR R)和总容积和总容积(V VT T)。2AAkCr39解：解：(1)(1)计算反应时间计算反应时间 是二级反应是二级反应)x1(kCxAf0AAf7.7197.597.47497.5160M75.197.517.717501C0A55.0)5.01(75.104.1
39、5.0kmolkmol m m-3-3h h40(2)(2)计算所需反应器的有效容积计算所需反应器的有效容积V VR R 每天生产每天生产3000kg3000kg乙酸丁酯，则每小时乙酸用量为乙酸丁酯，则每小时乙酸用量为1295.0160116243000920)7497.460129(12923.1750920Vh29.1)5.055.0(23.1)(VVhR84.17.029.1VVRTkgkg h h-1-1每小时处理的总原料量为每小时处理的总原料量为kgkg h h-1-1每小时处理的原料体积为每小时处理的原料体积为m m3 3 h h-1-1故反应器的有效容积为故反应器的有效容积为(3
40、)(3)计算所需反应器的总容积计算所需反应器的总容积V VT T 由式由式(6-29)(6-29)知知 m m3 3 m m3 341(3)(3)反应器台数和单釜容积的确定反应器台数和单釜容积的确定TSdRSdVVVV对给定生产任务，在求所需反应器的总容积对给定生产任务，在求所需反应器的总容积V VT T后，再后，再根据工艺要求和反应器系列标准，可确定所需反应器根据工艺要求和反应器系列标准，可确定所需反应器的的台数台数N N及及单釜容积单釜容积V VTSTS。生产中可能有以下几种情况：。生产中可能有以下几种情况：(1)(1)已知已知V VTSTS，求，求N N在产品扩产或更新时常见在产品扩产或
41、更新时常见。此时工厂已有若干台反应。此时工厂已有若干台反应器，需通过计算确定扩产或更新后所需的器，需通过计算确定扩产或更新后所需的N N 。对给定的处理量，每天需对给定的处理量，每天需操作的总批数操作的总批数为为式中式中:V Vd d每天需处理的物料体积，每天需处理的物料体积，m m3 3 d d-1-1；V VRSRS单台反应器的有效容积单台反应器的有效容积,即装料容积即装料容积,m,m3 3。(6-30)(6-30)42每天每天每台反应器可操作的批数每台反应器可操作的批数为为24TShTSdPV)(VV24)(VNPNN则完成给定生产任务所需的则完成给定生产任务所需的反应器台数反应器台数为
42、为若由式若由式(7-32)(7-32)算出的算出的N NP P值不是整数，则应值不是整数，则应圆整成整数圆整成整数N N。这样反应器的实际生产能力较设计要求提高了，其提高这样反应器的实际生产能力较设计要求提高了，其提高程度可用程度可用生产能力后备系数生产能力后备系数 表示，即表示，即一般情况下一般情况下,的数值的数值在在1.11.11.151.15之间较为合适。之间较为合适。(6-31)(6-31)(6-32)(6-32)(6-33)(6-33)43(2)(2)已知已知N N，求，求V VTSTS即即先确定反应器台数先确定反应器台数，在，在厂房面积受到限制时厂房面积受到限制时比较常见。比较常见
43、。由式由式(6-32)(6-32)和和(6-33)(6-33)可求得每台反应器的容积为可求得每台反应器的容积为N)(VN24)(VVhdTS式式(6-34)(6-34)中的中的 可取可取1.11.11.151.15。(6-34)(6-34)(3)N(3)N及及V VTSTS均为未知，求均为未知，求N N和和V VTSTS在在新建制药工程项目中新建制药工程项目中较为常见。计算时，可结合工较为常见。计算时，可结合工艺要求及厂房等情况，先假设反应器的单釜容积艺要求及厂房等情况，先假设反应器的单釜容积VTS或或所需台数所需台数N N，然后按上述方法计算出，然后按上述方法计算出N N或值。或值。台数一般
44、不会很多台数一般不会很多常先假设几个不同的常先假设几个不同的N N值求出相值求出相应的反应釜容积应的反应釜容积V VTSTS，然后再根据工艺要求及厂房等具，然后再根据工艺要求及厂房等具体情况，确定一组适宜的体情况，确定一组适宜的N N和和V VTSTS值作为设计值。值作为设计值。44(4)(4)反应器主要工艺尺寸反应器主要工艺尺寸反应器主要工艺尺寸见反应器主要工艺尺寸见P P9393图图6-8 6-8。一般一般H/D=1.2H/D=1.2左右左右。釜盖和釜底均采用釜盖和釜底均采用标准椭圆型标准椭圆型封头。封头高度封头。封头高度H H1 1(不含不含直边高度直边高度)=0.25D,)=0.25D
45、,则园筒体高度则园筒体高度H H2 2(含封头直边含封头直边)H H2 2=H-2HH-2H1 1=1.2=1.2D-2D-20.25D0.25D=0.7=0.7D D反应器总容积反应器总容积:VTSTS=D D2 2H H2 2/4+0.262/4+0.262D D3 3 (6-36)(6-36)由工艺计算求出单釜容积由工艺计算求出单釜容积V VTSTS后，可由式后，可由式(6-35)(6-35)和和(6-36)(6-36)求出求出D D计算计算。将。将D D计算计算按筒体规格按筒体规格圆整后圆整后即得即得D D设计设计。然后按。然后按H=1.2DH=1.2D求出求出H H，并检验装料系数是
46、否合适。，并检验装料系数是否合适。反应器的主要工艺尺寸确定后，其壁厚可通过强度计算反应器的主要工艺尺寸确定后，其壁厚可通过强度计算确定，法兰、手孔、视镜等附件可根据工艺条件从相确定，法兰、手孔、视镜等附件可根据工艺条件从相应的标准中选取。应的标准中选取。(6-35)(6-35)45466.2.3 连续釜式反应器的工艺计算连续釜式反应器的工艺计算搅拌良好的连续釜式反应器可视为搅拌良好的连续釜式反应器可视为理想混合理想混合反应器，其反应器，其构造与间歇釜式反应器相同。釜式反应器采用连续操构造与间歇釜式反应器相同。釜式反应器采用连续操作时，物料连续流动，随进随出，且作时，物料连续流动，随进随出，且出
47、口物料的温度、出口物料的温度、组成与釜内物料的温度、组成完全相同组成与釜内物料的温度、组成完全相同。连续釜式反应器内均装有连续釜式反应器内均装有搅拌器搅拌器，在强烈搅拌下，各点，在强烈搅拌下，各点的浓度、温度均匀一致。的浓度、温度均匀一致。连续釜式反应器的操作达到稳定时，釜内物料的温度和连续釜式反应器的操作达到稳定时，釜内物料的温度和组成均组成均不随时间而变化不随时间而变化，即属于，即属于稳态操作过程。稳态操作过程。47釜式反应器既可采用釜式反应器既可采用单釜单釜连续操作，也可采用连续操作，也可采用多釜串联多釜串联连续连续操作。操作。当采用单釜时当采用单釜时，新鲜原料一进入反应器就立即与釜内，
48、新鲜原料一进入反应器就立即与釜内物料完全混合，物料完全混合，釜内反应物的浓度釜内反应物的浓度与与出口物料中的反应物浓出口物料中的反应物浓度相同度相同，整个反应都在较低的反应物浓度下进行，整个反应都在较低的反应物浓度下进行r r较慢较慢，这，这是单釜连续操作的是单釜连续操作的缺点。缺点。管式反应器内管式反应器内反应物的浓度反应物的浓度要经要经历一个历一个由大到小逐渐变化由大到小逐渐变化的过程，相应地，的过程，相应地，r r也有一个也有一个由由大到小逐渐变化大到小逐渐变化的过程的过程，并在出口处达到最小，并在出口处达到最小。可见，。可见，与管式反应器相比与管式反应器相比,同一反应要达到同一反应要达
49、到相同转化率相同转化率,连续釜连续釜式反应器所需的式反应器所需的较长较长对给定生产任务所需反应器的对给定生产任务所需反应器的有效容积较大有效容积较大。48当采用当采用多釜串联连续多釜串联连续操作时操作时,对单釜连续操作的缺点可有对单釜连续操作的缺点可有所克服。例如所克服。例如采用三台有效容积均为采用三台有效容积均为V VR R/3/3的釜式反应器的釜式反应器串联连续操作串联连续操作,以代替一台有效容积为以代替一台有效容积为V VR R的连续釜式反的连续釜式反应器。若两者的反应物应器。若两者的反应物C CA0A0、C CAfAf和和T T均相同均相同,则三釜串联则三釜串联连续操作时仅第三台釜内的
50、反应物浓度连续操作时仅第三台釜内的反应物浓度C CA3A3与单釜连续与单釜连续操作反应器内的反应物浓度操作反应器内的反应物浓度C CAfAf相同相同,而其余二台的浓度而其余二台的浓度均较之为高均较之为高图图6-9 6-9 理想连续釜式反应器理想连续釜式反应器49三釜串联连续操作的三釜串联连续操作的r r平均平均单釜连续操作的单釜连续操作的r r平均平均完成相同的反应，若两者的完成相同的反应，若两者的有效容积相同有效容积相同，则三釜串，则三釜串联连续操作的联连续操作的处理量可增加处理量可增加；反之，若；反之，若处理量相同处理量相同，则，则三釜串联连续操作所需反应器的三釜串联连续操作所需反应器的总
