连续反应器的放大
化工过程与开发 第五章 反应器放大PPT课件
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❖ （4）对于多釜串联反应器的放大，应保 证大小两系统中每一釜内物料流动的停留 时间分布相同、温度相同和反应的转化率 相同，且反应速率应当不受搅拌速率的影 响。
❖ （5）对于非均相反应系统，放大的依据 是保持大小两系统的相界面积等，通常是 以保持单位容积输入的搅拌功率相等来取 代。
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模型型式
恒温系统：反应系统压强变化很小时，只 用物料衡算式 变温系统：物料衡算式和热量衡算式 如果反应管很长，阻力损失较大，则应将 物料衡算式、热量衡算式和动量衡算式联 立求解。
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管式反应器放大应注意的问题
（l）保证反应器内物料的流动状况放大后与放 大前相同
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第五节 固定床催化反应器
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一、固定床反应器放大应考虑的问题
❖ 1．反应热效应的影响 ❖ 供热、去热、温度梯度 ❖ 2．最佳反应温度 ❖ 3．催化剂床层 ❖ 催化剂的装填、床层尺寸
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二、固定床催化反应器的数学模型
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第六节 流化床反应器
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❖ 特点：
非均相，固体颗粒悬浮在流体中，传 热、传质优。
要满足这一要求，则不一定能满足大 小两反应系统的几何相似条件，此时
可以暂不考虑几何相似。
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第四节 连续操作搅拌釜
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❖ 数学模型
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生物工程设备第五章 生物反应器的放大与控制
又因为
D ug (VVM ) pL
所以
(VVM )2 ( D1 )23 ( pL2 )
(VVM )1 D2
pL1
QG ug Di2,VL: Di3
第二篇 生物反应设备
第五章 生物反应器的放大与控制
生物反应器的放大过程
1）利用实验室规模的反应器进行种子筛选和 工艺试验；
2）在中间规模的反应器中试验（中试），确 定最佳的操作条件；
3）在大型生产设备中投入生产。
放大的重要性
为生物技术产品从实验室到工业生产的关键。
对一个生物反应过程，在不同大小反应器中进行 生物反应虽相同，但三传有明显差别，从而导致 不同反应器中生物反应速率有差别。
放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数
H1 H2 常数 D1 D2
V2 V1
D2 D1
3
m
所以
H2
1
m3
和
D2
1
m3
H1
D1
H1,H2-模型反应器和放大反应器的高度，m；D1,D2-模型反应 器和放大反应器的内径，m；V1,V2-模型反应器和放大反应器 的体积，m3；
（二）以单位体积液体中搅拌功 率相同放大
ug
60Q0 (273 t) 9.8 104
4
Di 2
273
pL
27465.6(VVM )(273 t)VL Di2 pL
Q0
ug pL Di2 27465.6 (273 t)VL
VVM
ug pL Di2
27465.6 (273 t)VL
（四）以空气线速度相同的原则 进行放大
u g1 u g2
欲使整个生物反应器处于最优条件下进行操作， 必须使反应器中每个细胞都处于最优环境之下， 达到整体优化。
反应器放大设计课件
反应器放大设计
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常用的几何相似放大准则
着眼的过程
放大过程中需保持恒等的量（准则）
1. 均一系混合速度
(Qd/V)0.33 Pv0.16(与N0.81d0.32等效)
2. 分散相混合速度
Pv0.5~1.1
3. 对应的流速一定
Nd
4. 同一液滴直径
N3d2(与Pv等效)
➢ 取不同的放大准则可使过程能耗相差很大，必须予以重视。
➢ 保持Qd／V 恒定（即翻转次数恒定）的放大法是最耗能的放大法。
而保持Re恒定，一般不能重现过程结果。
➢ 实用的放大法是保持Pv恒定或Nd恒定，或取二者之间。
反应器放大设计
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反应器传热能力变化(湍流)
槽径 放大 倍数
3 5 10 r
N3d2恒定
5. 使液滴分散的最小转速 N d1.1
6. 相际传质速度
N3 d2
7. 固液悬浮
Nd或N4 d3
8. 溶解速度
(Qd/V)0.24 Pv0.11或N3 d2
反应器放大设计
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问题的提出：
• 反应器选型与设计强烈依赖经验和实 验，对其的优劣很难用理论预测。
• 逐级放大来以达到搅拌设备被要求的 传质、传热和混合，周期长、耗费大。
• 对釜的长径比、桨径/槽径比、叶片宽/槽径 比、叶片截面形状对NP、NC的影响，以及夹 套和内冷管的传热作了系统的研究。
反应器放大设计
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混合参数的冷模研究
叶片截面 d/D
板截面 0.5
园角矩形 0.5
椭园
0.5
扁园
0.5
三叶后掠式叶轮的特性参数
b/D
生物反应器规模放大的基本原理
反应器放大的目的是增加产量，同时保持相似的产品质量。
这意味着必须跨规模保持相当的细胞特异性生产力、细胞密度和活性以及细胞代谢。
为了实现这一点，尽可能多的操作参数必须保持不变。
在工艺放大过程中，温度、pH、溶氧设定点和补液策略等与规模无关的变量很容易保持不变（表1）。
然而，与规模相关的参数，如搅拌、叶轮叶尖速度、混合时间、雷诺数和通气流速，在整个放大过程中不能同时保持不变。
这是因为它们对搅拌速度、叶轮直径和容器直径具有不同的依赖性。
最终，这些参数会影响运营成本、培养异质性、气体转移特性以及施加于细胞的剪切应力。
从本质上讲，生物反应器的放大涉及多方面的权衡和妥协。
表1 规模无关变量和规模依赖性变量虽然搅拌罐生物反应器的体积功率输入通常保持在10-80 W/m3 的范围内，但其它因素，即混合速度、混合时间、叶轮叶尖速度和雷诺数，根据生产规模的不同而有不同的值。
如（表2）所示，搅拌速度随着规模的增加而降低。
然而，由于叶轮尺寸增加，叶轮叶尖速度和雷诺数遵循相反的趋势。
最后，由于容器直径的增加，混合时间也随着规模的增加而增加。
表2 不同生产规模下规模相关参数的典型值Part1、几何相似性几何相似性通常是用于放大生物反应器的第一个标准。
如果罐直径增加，所有其它长度（罐高度、叶轮直径和叶轮宽度）都会增加相同的比例因子。
一般来说，用于细胞培养的生物反应器罐的高径比(H/D) 对于台式生物反应器为1-2，对于中试和工业规模的生物反应器为2-3。
然而，保持H/D 会影响与表面和体积相关的因素，例如热传递、气体传递和混合。
由于在罐壁上发生热交换，每单位体积的热传递随着体积的增加而减少。
恒定的H/D 纵横比也将显著降低表面积与体积比(Ac/V)，从而降低表面通气对O2和CO2汽提的贡献。
因为气体传输速率的重要性以及对混合速度和气体流速的限制，这对于剪切敏感细胞至关重要。
Part 2、动力学相似性和规模放大标准当所有相关力的比率在不同规模上保持不变时，就会存在动态相似性，从而导致，例如，相似的流场。
好氧生物反应器放大的经验准则
好氧生物反应器放大的经验准则
好氧生物反应器放大的经验准则可以归纳为以下几点：
1. 比例放大原则：当放大反应器容积时，必须保持反应器内的流场、氧气传递、搅拌速度、曝气量、混合程度等参数与原始反应器保持一致，以确保反应器内的微生物群落和反应条件维持稳定。
因此，放大后的反应器需要重新设计，以保证流体力学和生物学特性的一致性。
2. 建议放大比例：一般情况下，好氧生物反应器的放大比例建议不超过10倍。
过大的比例放大可能会导致反应器内部的流场不稳定、氧气传递受阻、混合不均匀等问题，从而影响反应器的性能和稳定性。
3. 设计参数的合理选择：反应器放大后，需要重新设计反应器的大小、气液分离器、搅拌速度、曝气器、进出料管道等参数。
这些参数的选择应考虑到反应器的体积、底部曝气量、混合程度、水力停留时间等因素，以确保反应器能够稳定运行并具有良好的降解能力。
4. 运行参数的监控与调整：当反应器放大后，需要对反应器内的运行参数进行实时监控，并及时调整反应器内的气体流量、搅拌速度、曝气量等参数，以确保反应器能够保持稳定的运行状态。
总之，好氧生物反应器的放大需要综合考虑多个因素，包括比例放大原则、设计参数的合理选择、运行参数的监控与调整等，以确保反应器能够在放大后仍能够保持稳定的运行状态和良好的降解能力。
化学工程中的反应器放大技术
化学工程中的反应器放大技术化学反应器是进行化学反应的设备，而反应器放大技术是将实验室中的化学反应器放大到工业生产中的关键技术。
化学反应器放大过程需要考虑多个因素，如反应器的尺寸、热量传递和物料传送等。
反应器尺寸的确定在实验室中，通常使用的反应器规模比较小，一般是升级或是放大操作的前置阶段。
为了保证放大之后的反应器能够正常运行，需要先确定反应器的尺寸。
在确定尺寸过程中，需要考虑以下因素：1. 反应物质的摩尔数和反应度摩尔数是反应物质量的单位，反应度是指反应物质进入反应后能够转化成产物的比率。
反应物质摩尔数和反应度的不同，会影响到反应器的尺寸大小。
通常来说，反应物质摩尔数越大，需要增加的反应器尺寸就会越大。
2. 反应器内的混合性能混合性能对反应器尺寸有很大的影响。
如果反应器内部混合性能不好，在进行放大操作时要增加反应时间或反应器尺寸来满足反应的需要。
而如果反应器内部混合性能好，就可以使用更小的反应器。
3. 反应器加热方式反应器加热方式也会影响到反应器尺寸。
如果采用了有效的加热方式，就可以使用更小的反应器。
反之，需要使用更大的反应器来满足温度需求。
热量传递的考虑在进行反应放大时，热量的传递也是一个重要的考虑因素。
在实验室中，反应体积较小，可以通过常规的方法来加热和降温。
但是在工业生产中，反应体积更大，使用传统的加热方式会导致反应器温度不均匀，造成反应不完全。
因此，在反应器放大的过程中，需要采用更广泛的热量传递方式。
比如说，通过外部加热器加热，或者通过热交换等方式来实现热量传递。
物料传送的处理在进行反应过程中，物料的传送也是非常重要的。
传统的传送方式是通过重力和差压等方式进行物料传送，但在反应器放大过程中，需要使用更加先进的物料传送方式。
一种常见的方法是通过压缩空气、氮气等气体进行传送，这种方式可以保证物料传送更加均匀和可控。
同时，在反应器放大过程中，还需要考虑物料的储存和转移等问题。
如果物料储存时间过长或转移运输过程不当，会对反应的结果造成不良影响。
第七章 生物反应器的放大讲解
( 3.4 )5 3.58
1080
62.7KW
而实际装液量为75%，HL=8.54m,D/d=3.58,
H L 8.54 8.99 d 0.95
P10
1 3
(D)*(HL
d
d
) * P0
1 3
3.58 8.99 62.7 119KW
选用三层搅拌器，m=3,
P30 P10(0.4 0.6m) 119 (0.4 0.63) 262KW
a exp(bQg ),
a, b为与气体流速和搅拌器直径有关的系数
例题
• 采用100m3机械搅拌通风式发酵罐进行谷氨酸发酵，已知
发酵液密度＝1080Kg / m3，粘度为＝210－3 Pa s,
D 3.4m, D / d 3.58, H 10m, H L 8.54m,装液量为75%，采用 六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，三组，转数n 150r / min ， 通风比为Q＝0.2v v m, 求Pg
3、无通气时非牛顿型流体的搅拌轴功率
• 非顿型流体的，特别是高黏度流体要达到充分的湍流状态几乎是不可能的，
而功率准数总是和Re相关。
Re
Nd 2L a
• 对于细胞反应，大部分流体为拟塑性流体，又称为幂律流体，其表现粘度可 表示为：
a
K
n1, Re
Nd 2L K n1
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验， 找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
3）按几何相似原则确定大罐尺寸：
取H/D=2.4,HL/D=1.5,D/d=3，有效容积60%，忽略封底 容积，则液体体积为
生物反应器的放大与控制.
2 1
4 .6 4，如果忽略液柱压力
PL
，
则 u g 2 4 .6 4 即线速度增大4.64倍，其结果是显得空气线速度放大 u g1
过多。 实用文档
（四）以空气线速度相同的原则进行放大
以空气线速度相同的原则进行放大时有
ug1 ug2
（7-19）
即
(VVM)2 pL2 Di1
(VVM)1
pL1 Di2
第九章 生物反应器的放大与控制
实用文档
引言
一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成 为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试， 适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。
生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。 生物反应器的放大:是指将研究设备中的优化的培养结果
转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物 反应过程放大的含义。它是生物技术开发过程中的重要组 成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。
二、其他放大方法
时间常数是指某一变量与其变化速率之比。常用的时间常数 有反应时间、扩散时间、混合时间、停留时间、传质时间、 传热时间和溶氧临界时间等。时间常数法可以利用这些时间 常数进行比较判断，用于找出过程放大的主要矛盾并据此来 进行反应器的放大。
实用文档
二、其他放大方法
数学模拟法是根据有关的原理和必要的实验结果，对实际的 过程用数学方程的形式加以描述，然后用计算机进行模拟研 究、设计和放大。该法的数学模型根据建立方法不同，可分 为由过程机理推导而得的“机理模型”、由经验数据归纳而得 的“经验模型”和介于二者之间的“混合模型”。
实用文档
二、其他放大方法
迄今为止，因次分析法已成功地应用于各种物理过程。但对 有生化反应参与的反应器的放大则存在一定的困难。这是因 为在放大过程中，要同时保证放大前后几何相似、流体力学 相似、传热相似和反应相似实际上几乎是不可能的，保证所 有无因次数群完全相等也是不现实的，并且还会得出极不合 理的结果。
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V C A0 C A C A0 x A q0 rA rA
多釜串联的计算
Vi C Ai1 C Ai x Ai x Ai1 n n 1 q0 ki C Ai ki C Ai (1 x Ai ) n
釜式放大时应注意的问题
（1）设计方程的依据是釜内物料的流动与混合达到理 想混合状态，运用设计方程进行放大时，实际系统应 该满足这一条件。 （2）连续操作搅拌釜放大的相似条件是平均停留时间 相等、停留时间分布函数相同。 （3）对于连续操作搅拌釜放大，保持停留时间相等而 且要保持空速相等；为了维持反应温度，应使传热面 积能和容积的增大相适应，则放大后不一定能保持几 何相似
（4）多釜串联反应器的相似条件应当是每一釜的停留 时间腹部相同、温度相同和反应转化率相同而且反应 速率不受搅拌速率的影响。 （5）对于非均相系统，放大判据为相界面相同，但要 测定实际系统的相界面很困难，一般用单位容积输入 功率相等取代。
连续反应器放大反应
连续反应器
连续反应器介绍两种：于产品品种单一而产量 较大的场合
釜式反应器
管式反应器特点的
（1）反应器内各点的浓度C、温度T和反应速度r随 在反应器内运动的时间的不同都是不同的。 （2）稳定状态下，单元时间、微元体积内，反应 物积累量为零。 （3）各物料质点在反应器内的停留时间相同。
连续釜式反应器的特点
（1）反应器内各点的浓度C、温度T和反应速度r不 随在反应器内的停留时间改变。 （2）各物料质点在反应器内的停留时间不相同。 （3）反应是在低浓度下进行的。
其放大方法
（1）串联多个反应釜，增大产量。 （2）增大反应釜的体积。
反应釜放大的主要原理是保证平均停留时间不 变。 单釜的计算如下：
v1 ( Ntubes ) 2 R L 2 s (Stubes ) 2 S R S L (不可压缩) v2 ( Ntubes )1 R L
式中 Stubes ( Ntubes )2 /( Ntubes )1 是管数放大因子，S R R2 / R1 是直径放大因子， S L L2 / L1 是长度放大因子。
放大的主要目标是要保持可接受的产品质量。理想 的说，意味着要在大装置中生产出与小型实验和中试装置 完全相同的产品。 如果中试反应器为湍流状态，并且近似为活塞流，反 应器的性能由原料组成、原料温度和反应器的平均停留时 间决定。 生产能力的放大因子为S。为了保持i不变，系统的物 料质量持有量也必须放大S倍。当流体不可压缩时，体积 放大S倍。通常情况下放大允许改变管数、管径和管长。
增加管式反应器生产能力有三种不同方法：
（1）平行添加同样的反应器。用于换热器的列管式设 计就是常用的和较经济的增加生产能力方法。 （2）将管子做长。增加管子长度不是常用的增加生产 能力的方法，但它也是有用的。有长度为几千米的单管 反应器。 （3）增大管径，保持恒压降或用几何相似规则进行放 大。几何相似对管子意几何相似味着在放大中保持相同 的L/d。对于恒压降的放大，若有流体为湍流状态，则 会降低长径比。
2 2 2 2 1 1
应注意的问题： （1）在保持放大前后两系统几何相似的同时， 应保持两系统内物料流动的停留时间分布函数 为保持放大前后反应器物料的停留时间分布相 同，无论物料呈层流流动还是湍流流动，应保 持两系统流动的雷诺数相等 （2）对于气相反应，当反应管长远大于管径， 而产生的压强变化又影响反应器内的总压时， 必须考虑压强的变化值相等。