制藥工程與設(shè)備-2010

1、2021/6/161制藥工程與設(shè)備制藥工程與設(shè)備教教 材：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：參考書： 1、化學(xué)反應(yīng)工程（第2版），陳甘棠主編，化學(xué)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(xué)工業(yè)出版社 4、制藥工程導(dǎo)導(dǎo)論，白鵬主編，化學(xué)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(xué)工業(yè)出版社 6、工藝藥劑學(xué)，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(xué)與反應(yīng)器第二版 戚以政 汪叔雄 編著 化學(xué)工業(yè)出版社 8、化工設(shè)計，陳聲宗主編，化學(xué)工藝出版社 9、廠潔凈室-設(shè)計、運行與GM

2、P認(rèn)證，許鐘麟主編，同濟大學(xué)出版社 蔡蔡 雄雄 輝輝2010/2/222021/6/162藥物生產(chǎn)方法藥物生產(chǎn)方法：目標(biāo)藥物工藝步驟（以制藥工藝學(xué)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(xué)構(gòu)象）GMP2021/6/163緒緒 論論 一、制藥工程的概念一、制藥工程的概念 制藥工程是應(yīng)用化學(xué)合成或生化反應(yīng)化學(xué)合成或生化反應(yīng)以及各種分離單元操作分離單元操作，實現(xiàn)藥物工業(yè)化生產(chǎn)的工程技術(shù)，它包括化學(xué)制藥、生化化學(xué)制藥、生化制藥制藥和中藥制藥中藥制藥。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）

3、要求進行研究、開發(fā)、設(shè)計、放大與優(yōu)化。2021/6/164原料藥生產(chǎn)制劑生產(chǎn)（廣義）原料藥生產(chǎn)制劑生產(chǎn)（廣義）原料藥生產(chǎn)（狹義）原料藥生產(chǎn)（狹義）制藥工程制藥工程二、制藥工程的內(nèi)容、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(xué)反應(yīng)生化反應(yīng)1含量低（工序，加工工業(yè)）（過程，過程工業(yè)）（上游)（下游)（微生物發(fā)酵、酶催化，基因工程）2穩(wěn)定性差3產(chǎn)品質(zhì)量要求高GMP2021/6/165數(shù)據(jù)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。化學(xué)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

4、本的8090%。數(shù)據(jù)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。2021/6/166第一篇第一篇 反應(yīng)過程與設(shè)備反應(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(xué)是反應(yīng)工程學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，主要研究化學(xué)反應(yīng)過程的速率及其影響因素。它包括兩方面內(nèi)容：第一是本征動力學(xué)（微觀動力學(xué)）；第二是宏觀動力學(xué)（反應(yīng)器動力學(xué)）。 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2021/6/167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

5、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）2021/6/168第一章第一章 反應(yīng)器基本理論反應(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 2021/6/1692.連續(xù)操作的管式反應(yīng)器 2021/6/16103.連續(xù)操作的攪拌釜 2021/6/1611二、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

6、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。 2021/6/16122.停留時間分布（1）年齡分布：）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：）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

7、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2021/6/1613（4 4）返混：）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，一般都是一般都是實驗測定壽命分布實驗測定壽命分布。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(xué)反應(yīng)的影響？2021/6/1614 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.全混流3.中間流 四、反應(yīng)器特性考察方法 1.物料衡算 202

8、1/6/16152.熱量衡算 2021/6/1616第二節(jié)第二節(jié) 等溫等容過程的反應(yīng)器等溫等容過程的反應(yīng)器 一、反應(yīng)速度及其表達式 或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(dǎo)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。ABSRa Aa Ba Sa R+=+abAABrkC C-=對于不可逆反應(yīng)ddxnVrAAA01)(ddnVrAA1)(2021/6/1617（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(dāng)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

9、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)速率的影響越大。2021/6/1618（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。 0expEkkRT=-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(yán)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

10、影響不顯著，可以近似看成與溫度無關(guān)。2021/6/1619二、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)()AAr Vddnt-= -0AAAdnn dx= -AAAdxnVdr0)(VrdxndAAA)(02021/6/1620上式即為間歇釜式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式。 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 AA0ACC(1x )=-AA0AdCCdx= -AxAAAVrdxn00)(AAxAAAxAAArdxCrdxVn0000)()(2021/6/1621代入基礎(chǔ)設(shè)計式有 若反應(yīng)物的原

11、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AAA0A( r )kCkC(1x )-=-代入積分有AxAAAAxkxkCdxCA11ln1)1 (000AACCAArdC0)(2021/6/1622討論討論 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。AAxAAAxAAArdxCrdxVn0000)()(2021/6/16232.反應(yīng)器容積 設(shè)反應(yīng)時間為，加料、出料及清洗等輔助

12、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則每批操作需要處理的的物料量 ()RVv =+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)，TRVV /2021/6/1624三、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。 2021/6/1625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)

13、 AAAAF(FdF )( r )dV-+= -AA0AFF (1x )=-積分得 在定常態(tài)操作，F(xiàn)A0為常數(shù)，上式成為 RAAAdVrdxF)(0AfRxAAVARrdxFdV000)(AfxAAARrdxFV00)(2021/6/1626若進料得體積流量為v0，進料濃度為CA0，則000AAFv C上式化為 000()AfxtAAAVdxCvr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 0/1AAACCx0/AAACdCdx上式也可寫成： 00()AtACRACAVdCvr 2021/6/16272.反應(yīng)器容

14、積 000000()()=-蝌AfAfxxtAAATAAAVdxdxCVCvrr討論：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(xué)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 0000()()=-蝌AAxxAAAAAAndxdxCVrr連續(xù)管式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式 000()=-AfxtAAAVdxCvr 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

15、。 2021/6/1628對于連續(xù)管式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式000()=-AfxtAAAVdxCvr或00()AtACRACAVdCvr 我們可用圖形表示如下2021/6/1629四、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)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： 2021/6/1630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) 0()-= -AAfARFFrV對定容過程有： 0()-= -AAfARvCvCr V=AfACC0

16、0()()-=-AAfAARAACxCCVvrr代入物料衡算式2021/6/1631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。 2021/6/1632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 2021/6/1633單位時間內(nèi)進入i釜的

17、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： 1()-= -AiAiAiRivCvCrV1()-=-RiAiAiiAiVCCvr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 11(1)=-+ANNxk2021/6/1634第三節(jié)第三節(jié) 反應(yīng)器型式及操作方式的選擇反應(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 AfxAAAtrdx

18、CvV00)( 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。 2021/6/16352.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： 00011()()( ln)(1)1= +=+=+-AxAAAAAdxVv CvkCxkx全混流反應(yīng)器： 00(1)(1)-= = =-AAAAAACCxVvvvkCxkx 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：11ln(1)1-AAAxkxkx所以2021/6/1636 由上式可以

19、看出：當(dāng)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)器所需容積00000()()()()-=-蝌AAAxCAAACAAAAAAAAdxdCCrrCCCCrr即2021/6/163701=111ln1-=-AAAxxx21=-Ax零級反應(yīng)：一級反應(yīng)：二級反應(yīng)：用圖形表示如下2021/6/16384.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)

20、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： 11()11-=NANxk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： 11111lnln1111()1()111-=輊輊犏犏-犏犏-臌臌AANNAAkxxNNxxk2021/6/1639將上式繪圖如下 由圖可見，N=1，即單個連續(xù)釜的最小；N=,即當(dāng)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(dāng)釜數(shù)少時，增加釜數(shù)，增加較大，當(dāng)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。2021/6/1640綜上所述，對簡單反應(yīng)，選擇反應(yīng)器型

21、式原則： 1.對零級反應(yīng)，選用單個連續(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。2021/6/1641二、復(fù)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： 11=RArk C22=SArk C則選擇率 1212-=R

22、ASrkCrk在一定的反應(yīng)溫度下，k1、k2都是常數(shù)，即 大，就要使 大，當(dāng) （即主反應(yīng)的級數(shù)較高）時，則CA 大，R的收率高，反之， 時，則CA小，R的收率高。SRrr12-AC12122021/6/1642 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(dāng) 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。12=12/=RSrrkk2021/6/16432.連

23、串反應(yīng)例如： 若反應(yīng)速度為 12=-RARrk Ck C2=SRrk C則 選擇性 122-=RARSRrk Ck Crk C當(dāng)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。SRrr /當(dāng)S是目的產(chǎn)物時，要使S的收率高，即 小，就要設(shè)法使CA小，CR大，可采用單個連續(xù)釜。 SRrr /2021/6/16443.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。2021/6/1645三、全混釜與管式反應(yīng)器的配合使用 當(dāng)反應(yīng)速度隨反應(yīng)物濃度的變化出現(xiàn)最大值時，最好

24、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。2021/6/1646第四節(jié)第四節(jié) 停留時間分布及其測定停留時間分布及其測定 一、停留時間分布的數(shù)學(xué)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

25、物料占進料的分率為： +0+=停留時間為的物料量 時瞬間進入反應(yīng)器的物料量NN2021/6/1647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)， ( )E d2021/6/1648顯然有： 0( )1=E d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0 0( )( )=F E dF（）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)停留時間小于的物料在進料中所占的分率。 ( )( )=dF E

26、d2021/6/1649用圖形表示如下2021/6/16502.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(xué)期望代表平均值，所以平均停留時間可用下式表示： 000( )( )( )=E dE dE d( ) ( ) -=iiiii E E 或平均停留時V有效容積/反應(yīng)器體積流量 用數(shù)學(xué)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。 2021/6/16512.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：222220000()( )()( )( )( )-=-=-蝌E dE d E dE d222( ) -=-

27、tiii E 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。2t2021/6/16523.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1.0=2021/6/1653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： +d+d( )( )=E dE d( )( )=E E 0( )( )( )1=F F E d2021/6/1654方差 2222000022200(1) ( )( )2( )( )11( )(

28、)2 1( )1=-=-+= - + =-蝌蝌蝌Ed EdEdEdEd E d222220( )=-= E d222=2021/6/1655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。20=12201222021/6/1656二、停留時間分布的測定 1脈沖法測定 ( )E 當(dāng)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

29、布就是物料的停留時間分布。即 ，所以物料示蹤劑（)(NdNNdN0( )/( )=vC d ME d0( )( )=vECMtt2021/6/16572.階躍法測定 ( )F 使物料（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。0( )( )=C FCtt0( )( )/=FCCtt作業(yè)：作業(yè)：P45/15，17，19 2021/6/1658第五節(jié)第五節(jié) 流動模型與停留時間分布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( )0=F ( )1=F ( )

30、0=E =( )= E 1.平推流模型 有 或 , 2021/6/16592.全混流模型RVvd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0( )( )-=RvC dvC dV dC 分離變量積分得：00( )ln-= -CC C /0( )( )/1-=- F C Ce2021/6/1660/1( )( )/-= E dF de( )( )1-=-F F e( )( )-=E E e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)來模擬實

31、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。 2021/6/1661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：1( )()(1)!-=-NNNE NeN其方差為：22200(1)( )( )11/=-=-=蝌E d E dN21= N20=可見，當(dāng)N1時，即為全混流模型。 時，即為平推流模型 當(dāng)2021/6/1662多釜串聯(lián)模型的E（）曲線 多釜串

32、聯(lián)模型的F（）曲線 當(dāng)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)，于是即可按多釜串聯(lián)反應(yīng)器的公式計算轉(zhuǎn)化率。2021/6/1663例：2021/6/16642021/6/1665第二章攪拌釜式反應(yīng)器第二章攪拌釜式反應(yīng)器 2021/6/1666第一節(jié)第一節(jié) 攪拌釜中的流動與混合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

33、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。 0000=+AAABVCVV0000=+BBABVCVV=+AAABVCVV=+BBABVCVV2021/6/16670/=AAICC001/1-=-ABBACICCC令：當(dāng)（CACA0時） 或稱為均勻度。顯然，當(dāng)混合均勻時 I1；不均勻時，I104，K為與Re無關(guān)的常數(shù)。此時攪拌功率53dnP 2021/6/167432ndnddV53dnP =PgVHVPH/22353dnnddnHndHV/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

34、以 53dn5/3-nd3/5-dn3/8/dHV8/5/-VHn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 2021/6/1675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4/mRtVVmt3=VVK nd式中： 混和時間 秒或小時； VR裝料容積 m3； V攪拌器的流量（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

35、狀的槳葉，其KV值為一常數(shù) 2021/6/1676第二節(jié)第二節(jié) 攪拌器的選型與放大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2021/6/1677b.渦輪式攪拌器 特點：轉(zhuǎn)速較高，葉端圓周速度一般為38m/s，適用

36、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。 2021/6/1678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(dāng)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.槳式攪拌器2.大葉片低轉(zhuǎn)速攪拌器2021

37、/6/1679b.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。2021/6/1680二、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。 2021/6/16813.固體懸浮4.固體溶解低粘度液體、容

38、易沉降渦輪式攪拌器（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2021/6/16825.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；2021/6/1683三、攪拌器的放大保持?jǐn)嚢枥字Z數(shù)不變2R e = n d不變，即 221122=n dn d2.保持葉端圓周速度nd不變1122=n dn d3.保持單位體積所消耗的攪拌功率P/V不變53dnP 3Vd23/dnVP在湍流區(qū)域，則3232

39、1122=n dn d2021/6/16844.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： 2() ()=pmbC Dd na對于采用相同流體和溫度的幾何相似系統(tǒng)可得：21222111()()-=mmdndn注意：注意：在保持傳熱膜系數(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。2021/6/1685結(jié)論：結(jié)論： 至于具體的攪拌過程究竟采用哪個放大準(zhǔn)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(zhǔn)則外推

40、求出大型攪拌裝置的尺寸和轉(zhuǎn)速等。 例見書。2021/6/1686第三節(jié)第三節(jié) 攪攪 拌拌 功功 率率一、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-v表示，則作用于槳葉的力為： 212-=販FAv（化工原理， ）212-=fpv2,-檔Advnd2224()搗返Fdndn d因為故有克服此力所需的功率等于力乘以平均速度：即 2021/6/16872435-=搗PF vn dndn d將攪拌功率除以35n d稱為功率準(zhǔn)數(shù)，以NP表示（有時也用K表示）35=PPNn d,檔薜F PFPpN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：20

41、21/6/1688(Re ,=攪拌器型式）pmNf其中2Re =mnd (Re )=pmNf2()=pndN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)2()=mpndNC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。2021/6/1689層流區(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。2021/6/1690有擋板時，NP與Re無關(guān)，即NPK35=PKn d/3,/3=LHdD d/3,/3

42、構(gòu)LHdD d35=PfKn d1(/ ) (/ )3=LfD dHd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。 2021/6/1691二、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-=iix xa.平均密度其中代表體積分率，下標(biāo)代表不同液體。b.平均粘度當(dāng)兩項液體的粘度均較小時：-= ixi2021/6/16922.氣液相攪拌3ndV 3/=aNQ nd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

43、氣量Q（m3/min）及循環(huán)量V（m3/min）有關(guān)。因為所以常用通氣準(zhǔn)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：/112.6=-gaPPN/0621.85=-gaPPNgPPNa0.035 其中，分別代表通氣與不通氣時攪拌功率。 2021/6/1693gPPgPPb.關(guān)聯(lián)圖將Na準(zhǔn)數(shù)與/標(biāo)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：230.450.56()=ggP ndPKQ， n：轉(zhuǎn)速，rpm；d：攪拌器直徑，m；Q：通氣量，m3/min；Kg：常數(shù)， 當(dāng)D/d=

44、3時，Kg0.157；當(dāng)D/d=2.5時，Kg0.113；當(dāng)D/d=2時，Kg0.101； 此式適用于渦輪攪拌器、多層攪拌器及非牛頓液體的攪拌的場合。2021/6/1694d.準(zhǔn)數(shù)方程式：224.380.1151.96 /3lg(/)192( /)()()(/)= -d Dgnd n dPPd DQ ndg此式適用于各種情況。 3.固液相攪拌當(dāng)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。 2021/6/1695-=iix x平均密度：其中代表體積分率，下標(biāo)代表液體和固體 1(12.5 )-=+1 (14.5 )-=+

45、平均粘度：當(dāng)當(dāng)液相粘度； 固體顆粒于液體的體積比。2021/6/1696三、非牛頓液體的攪拌功率 因牛頓液體服從牛頓粘性定律，即：=dwdr ()=mdwKdr非流頓型液體，一般遵循Ostwald的冪指數(shù)規(guī)律，即當(dāng)m=1，K當(dāng)m1，稱為脹塑性液體；固體含量高的懸浮液等為牛頓型液體2021/6/1697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a表示：1/()-=madwdwKdrdr假塑性液體，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。=dwBndr1()-=maK Bn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

46、算得到的平均表觀粘度帶入Re中，即2Re=and 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。2021/6/1698第四節(jié)第四節(jié) 攪拌釜的傳熱攪拌釜的傳熱一、溫度對化學(xué)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：/0-=E RTkA e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(biāo)志。上式取對數(shù)：0lnln/=-kAE RT如將lnk對1/T作圖則為一直線。2021/6/1699有如下結(jié)論：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)速度對溫度敏感，高溫時不

47、太敏感。2021/6/16100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(dāng)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。2021/6/16101(-rA)T 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。 20

48、21/6/161022.溫度對選擇性的影響對平行反應(yīng)：12,=RAsArk Crk C1212/()/111/222-=ERTEERTRERTsrkAeAerkA eA若反應(yīng)速度為則選擇率： 可見，當(dāng)E1E2時，溫度升高，選擇性增大；當(dāng)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)。2021/6/16103二、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(dāng)需要的

49、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(dǎo)流筒和擋板的作用，強化攪拌，提高傳熱效果。但蛇管檢修麻煩，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。 2021/6/16104三、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：12111=+K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(zhǔn)數(shù)Nu與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re及普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr關(guān)聯(lián)成如下的函數(shù)式：Re Pr ( /)=mbcwNua 2021/6/16105關(guān)聯(lián)式中( /)cw 為校正項。分別為流體在

50、釜內(nèi)總體溫度下與壁面溫度下的粘度。=LNu2Re=nd Pr =PC L為特征長度 2.夾套側(cè)傳熱膜系數(shù)當(dāng)夾套內(nèi)通蒸汽時，蒸汽的冷凝膜系數(shù)可取7500W/(m2K)當(dāng)夾套內(nèi)通冷卻水時，其傳熱膜系數(shù)可用下式計算：Re3600 0.80.29300=uDe2021/6/161063.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)較直管內(nèi)增大?？捎孟率接嬎悖?(13.5)=+edD1d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) 0.80.410.023()()=PC dud當(dāng)Re10000、10000、Pr=0.5100時 當(dāng)管內(nèi)走冷卻介質(zhì)

51、，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?()-=maK Bn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。2021/6/16108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 加入的總摩爾數(shù)反應(yīng)中反應(yīng)掉的摩爾數(shù)主要原料在主反應(yīng)和副轉(zhuǎn)化率100%100理論得量的摩爾數(shù)數(shù)主產(chǎn)物實際得量的摩爾收率發(fā)生主反應(yīng)的原料量發(fā)生副反應(yīng)的原料量發(fā)生主反應(yīng)的原料量選擇性00,1,2,3=-+=iiiirdnQ CQCrViKdt收率選擇性轉(zhuǎn)化率2021/6/16109二、反應(yīng)釜容積與個數(shù)的確定 給定VT，求

52、n24/()=+/=Pn n每天需要操作的批數(shù)為：而每天每個反應(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。TdRdVVVV/TdPVVn24)(/2021/6/161102.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20.131=VD220.1314=+TVD HD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)。

53、則有：TdPVVn24)(/2021/6/16111四、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)/(/TdRdVVVV為一常數(shù)。2021/6/16112第六節(jié) 連續(xù)反應(yīng)釜的熱穩(wěn)定性一、全混釜的熱量平衡 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：0()()()()ARsPr VHKA TTC TTru- D=-+-反應(yīng)的放熱速率曲線0()=+-AARACCVruu()AArkC-=0/(1)=+RAAVCCku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：

54、代入上式有2021/6/16113 代入Qr有00/0()()11- D=- D=+AAArARRE RTRkCCHQHVVkV A euuu2.除熱速率曲線 00()()()()=-+-=+-+CsPPPsQKATTC TTCKATC TKATururur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(biāo)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。2021/6/161142021/6/161152021/6/16116第三章第三章 其他型式反應(yīng)器其他型式反應(yīng)器第一節(jié) 管式反應(yīng)器一、管式反應(yīng)器的特點、型

55、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2021/6/16117二、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()()AAAARFFdFr dV-+= -0()AAAARdFF dxr dV= -= - -00000()()RA fA fVxRAAAxRAAAd Vd xFrVd xCru=-=-蝌00()AfxRAAAVdxCrtu=-2021/6/16118等溫等容過程反應(yīng)器的設(shè)計，需要聯(lián)解動力學(xué)方程

56、式和物料衡算式，而非等溫反應(yīng)，由于動力學(xué)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(xué)方程、物料衡算式和熱量衡算式。 2021/6/161192.變溫等容過程管式反應(yīng)器的計算Q1Q2對微元體積dV建立熱量衡算，可得：12ArQQQQ=+-2021/6/161200()()()()rAAAAAAwQr dVHF dxHQKA TT= - D=- D=-反應(yīng)物經(jīng)過微元體積后熱量變化為：2101niPiiQQF C dT=-=將上述各式代入熱量衡算式有：001()()nAAAWiPiiF dxHKA TT

57、F C dT=- D-=2021/6/16121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0()()AAAWF dxHKA TT- D=-對于絕熱過程 001()nAAAiPiiF dxHF C dT=- D=現(xiàn)討論絕熱過程管式反應(yīng)器容積的計算方法。 0AxAx0T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，2021/6/1612200001()nTiPiPTiF C dTF CTT-=-00000()()()AAAAPF ZxxHF CTT- D=-000()()AAAAPZHTTxxC- D

58、-=-0()AAPZHCl- D=令 則有 00()AATTxxl-=-00()AATTxxl-=-l稱為絕熱溫升系數(shù)，其物理意義是當(dāng)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)。2021/6/16123如果知道xT-關(guān)系，結(jié)合動力學(xué)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)： aAbBrRsS+ +- -+ + （均為氣相）當(dāng)0時 nA0 nB0 0 0當(dāng)時 nA nB nR nS故0時反應(yīng)前物系的總摩爾數(shù)為ABnnn= =+ +0002021/6/1

59、6124而時反應(yīng)前物系的總摩爾數(shù)為ABRSAABAAAAAAABAAbrsnnnnnnxnn xn xn xaaarsabnnn xa= =+ + + += =- -+ +- -+ + + +- -+ += =+ + +0000000001()()()若令A(yù)rsabad+ +- -+ += =()()AAAAAAnnnxnZxtdd= =+ += =+ +00001()則 則 Ad稱為膨脹因子，其物理意義是當(dāng)變化1mol的組分A時，引起物系摩爾總數(shù)的增加或減少的值。2021/6/16125等溫變?nèi)葸^程的動力學(xué)方程式表示法 因為AAAAAAAAAd nxd nxdnrVdVdVZxdttdt-

60、- - - -= = = - -= = - -+ +0000111()()()()AAAAAACdxrZxddt- -= =+ +001()上式即為變?nèi)葸^程的反應(yīng)速度表示式。2.等溫變?nèi)葸^程管式反應(yīng)器的容積計算 對等溫變?nèi)葸^程管式反應(yīng)器，若其流動模型符合平推流的假設(shè)，將物料衡算與動力學(xué)方程聯(lián)立求解，可求得反應(yīng)器的有效容積VR，即2021/6/16126AxARAAdxVFr= =- - 00()對于一級反應(yīng)：AAAAPAnPrkCkkk PVRT-=-=() AAAAAAAAAAAAnxPnxZPnnZxZxdd總總- - -=+0000001111()()AAAAAAAAAAAxxPP ZP