化学制药工艺与反应器第4章 化学制药反应器51P

第四章 化学制药反应器
反应过程及反应器在生产中重要性
制药工业的生产过程由一系列化学反应与物理处理过程有 机地组合而成的。 以氯霉素工艺为例 化学反应过程是生产过程的中心，反应器是关键设备。
第一节 反应器基础
一、化学反应器的分类 1.按物料的聚集状态分
均相： 气相、液相 非均相：g-l相、 g-s相、l-l相、l-s相、 g-l-s相
（3）连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程。属定态
过程，反应器内参数不随时间而改变，适于大规模生 产。
二、反应器计算的内容和基本方程式 （一）反应器计算的基本内容 1.选择合适的反应器型式 2.确定最佳操作条件 3.计算完成生产任务所需的反应器体积
（二）反应器计算的基本方程
反应器计算可以采用经验法和数学模型法。
釜式反应器的结构, 主要由壳体、搅拌 装置、轴封和换热 装置四大筒体、底、盖（或称封头）、 手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。
2.搅拌器
作用：使物料混和均匀，强化传热和传质。
种类：桨式、推进式、涡轮式、框式、锚式、 螺带式等
选择依据：主要根据物料性质、搅拌目的及 各种搅拌器的性能特征来进行。
CA CA,O
time
CA, out
0
tout/2
tout
t
➢ 优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应 时间较长的产品生产
➢ 缺点：
➢装料、卸料等辅助操作时间长， 定
产品质量不稳
➢ 应用：用于液—液相、气—液相等系统，如染料、 医药、农药等小批量多品种的行业。
一、已知条件
1.每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流 量V0）
➢ 一般情况下，反应器计算可以不考虑此 项。
4.动力学方程式 ➢ 对于均相反应，需要有本征动力学方程； ➢ 对于非均相反应，应该有包括相际传递 过程在内的宏观动力学方程。
物料衡算式和动力学方程式是描述反应 器性能的两个最基本的方程式。
第二节 间歇操作釜式反应器
一、化学反应器的分类 1.按物料的聚集状态分
均相： 气相、液相 非均相：g-l相、 g-s相、l-l相、l-s相、 g-l-s相
实质是按宏观动力学特性分类，相 同聚集状态反应有相同的动力学规律。
釜式反应器的结构
釜式反应器是生产中广泛采用的反应器。它可用 来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。 如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。
[积累的热量]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量][出料带走的热量]-[传给环境或热载体的热量]
➢ 目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关 系。
3.动量衡算式
➢ 动量衡算式以动量守恒与转化定律为 基础，计算反应器的压力变化。
➢ 当气相流动反应器的进出口压差很大， 以致影响到反应组分浓度时，就要考虑流 体的动量衡算。
二、BR容积和数量求算
特点:
1.由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子 尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因 而排除了物质传递对反应的影响； 2.具有足够强的传热条件，温度始终相等，无 需考虑器内的热量传递问题； 3.物料同时加入并同时停止反应，所有物料具 有相同的反应时间。
4.釜内各点物料的浓度、温度、反应速度 相同，随时间而变。
（1）分批(或称间歇)式操作 一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的
反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物料的 生产过程。属非定态过程，反应器内参数随时间而变。 适用：小批量、多品种的生产过程。
（2）半分批(或称半连续)式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其
余则为分批加入或卸出的操作。属于非定态过程，反 应器内参数随时间而变，也随反应器内位置而变。
3.根据温度条件和传热方式分类 (1) 根据温度条件分：等温、非等温式反应器 (2) 根据传热方式分 绝热式：不与外界进行热交换 外热式：由热载体供给或移走热量 又有间壁传热式、直接传热式、外 循环 传热式之分。 蒸发传热式：靠挥发性反应物、产物、溶 剂的蒸发移除热量。
4.按化学反应器的操作方式分
3.轴封
静止的搅拌釜封头和转动的搅拌轴之间设有 搅拌轴密封装置，简称轴封，以防止釜内物料泄 漏。
轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。
4.换热装置
换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之 符合工艺要求的温度条件的设备。
其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、 外部循环式等，也可用直接火焰或电感加热。
[A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] ➢目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间 变化的函数关系。
2.热量衡算式 ➢ 依 据： 能量守衡定律。 ➢ 基 准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和
单元时间作为空间基准和时间基准。 ➢ 衡算式：
在单元时间Δτ、单元体积ΔV内（以放热反应为例）：
2.操作周期—VD—或由GD反V应0=时FA间0/（C生A0=产W时0间/ρ）τ和非生产时
实质是按宏观动力学特性分类，相 同聚集状态反应有相同的动力学规律。
2.据反应器结构分
（a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式塔；（d）填料塔； （e)鼓泡塔；（f）喷雾塔；（g）固定床反应器；（h）流化床反应器； （i）移动床反应器；（j）滴流床反应器
实质是按传递过程的特征分类，相同结构反应器内物 料具有相同流动、混和、传质、传热等特征。
➢ 经验计算法是根据已有的装置生产定额，进 行相同生产条件、相同结构生产装置的工艺计算。 局限性很大，只能在相近条件下进行反应器体积 的估算。
➢ 数学模型法计算的基础是描述化学过程本 质的动力学模型以及反映传递过程特性的传递模 型。基本方法是以实验事实为基础，建立上述模 型，并建立相应的求解边界条件，然后求解。
反应器计算的基本方程包括： ➢ 描述浓度变化的物料衡算式； ➢ 描述温度变化的能量衡算式； ➢ 描述压力变化的动量衡算式；
➢ 描述反应速率变化的动力学方程式。
1.物料衡算式 ➢依 据：质量守衡定律。 ➢基 准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单 元时间作为空间基准和时间基准。 ➢衡算式：对任一组分A在单元时间Δτ、单元体积ΔV内：