7-制藥反應設備.ppt

1、制藥反應設備,第九章 P96,反應、分離、制劑構成了藥品生產(chǎn)的主要工藝過程。,藥廠所用設備,制藥專用設備,化工設備,機械設備,原料藥生產(chǎn),藥物制劑生產(chǎn),反應器基礎,補充內(nèi)容,釜式,流化床,1、按反應器結構分,管式,一、反應器類型,固定床,塔式,2、按相態(tài)分類,均相反應器,液相反應器,氣相反應器,氣液相反應器,非均相反應器,氣固反應器,液液反應器,液固反應器,氣液固三相反應器,固固反應器,反應器,2、按操作方式分類,等溫反應器,半連續(xù)式,間歇式,連續(xù)式,非等溫反應器,理想反應器,4、按流動狀況分類,非理想反應器,3、按操作溫度分類,二、反應器操作方式,1、間歇操作,間歇操作的特點：將反應所需的原

2、料一次加入反應器，達到規(guī)定的反應程度后即卸出全部物料。然后對反應器進行清理，隨后進入下一個操作循環(huán)。,半連續(xù)式,間歇式,連續(xù)式,間歇反應過程是一個典型的非穩(wěn)態(tài)過程。 基本特征：反應器內(nèi)物料的組成隨時間而變化。,間歇操作通常采用釜式反應器，且反應過程中既無物料加入，又無物料輸出，因此，可視為恒容過程。,優(yōu)點：間歇反應器具有裝置簡單、操作方便、適應性強等，在制藥工業(yè)中應用廣泛。,2、連續(xù)操作 連續(xù)操作的特點：將反應原料連續(xù)地輸入反應器，反應物料也從反應器連續(xù)流出。 連續(xù)操作多屬于穩(wěn)態(tài)操作此時反應器內(nèi)任一位置上的反應物濃度、溫度、壓力、反應速度等參數(shù)均不隨時間而變化。,優(yōu)點：連續(xù)操作具有生產(chǎn)能力大、

3、產(chǎn)品質量穩(wěn)定、易實現(xiàn)機械化和自動化等，因此大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應器多采用連續(xù)操作。 缺點：連續(xù)操作適應能力較差，系統(tǒng)一旦建成，要改變產(chǎn)品品種往往非常困難，有時甚至要較大幅度地改變產(chǎn)品的產(chǎn)量也不容易辦到。,一、離心泵的結構和工作原理,3、半連續(xù)操作 原料或產(chǎn)物中有一種或一種以上的為連續(xù)輸入或輸出，而其余的（至少一種）為分批加入或卸出的操作，均屬半連續(xù)操作，相應的反應器為半連續(xù)反應器。原料藥生產(chǎn)中氣液反應常常采用半連續(xù)操作。例如，氯氣和對綠甲苯生產(chǎn)2,4-二氯甲苯。 半連續(xù)反應器中的物料組成既隨著時間而變化，又隨位置而變化。釜式、管式、塔式以及固定床反應器等都有采用半連續(xù)方式操作的。,三、反應器計算

4、基本方程式 反應器計算所應用的基本方程式主要有反應動力學方程式、物料衡算式和熱量衡算式。,1、反應動力學方程式 對于均相反應，反應速度可用單位時間、單位體積的反應物料中某一組分摩爾數(shù)的變化量來表示，即,表示生成速度 表示消耗速度,CA組分A的濃度，kmol.m-3 用轉化率來表示反應速度： 反應物的轉化率,對于等容過程:,對于等容過程：,如反應A R為n級不可逆反應，則反應動力學方程式可寫成：,k反應速度常數(shù)， n反應級數(shù),若反應為氣相，則反應動力學方程式可以用組分的分壓表示：,kp以反應物壓力表示的反應速度常數(shù)， pA反應體系中反應物A的分壓，Pa,R理想氣體常數(shù)，8.314 T體系溫度，K

5、,用不同組分表示化學反應速度時數(shù)值也不一定相同，如反應,組分A、B的消耗速度與組分M、N生成速度關系式,如果反應為理想氣體，則kp和k的關系,2、物料衡算式 在微元時間 內(nèi)，在微元體積 中，對反應物A進行物 料衡算得 A的輸入量A的輸出量A的消耗量A的積累量 反應物的消耗量取決于化學反應速度，應為 物料衡算式給出了反應器內(nèi)反應物濃度或轉化率隨位置或時 間的變化關系。,3、熱量衡算式 在微元時間 內(nèi)對微元體積 進行熱量衡算得 物料帶入的熱量物料帶出的熱量過程熱效應環(huán)境或載 熱體輸入熱量積累熱量 過程熱效應由物理變化熱效應和化學變化熱效應組成。當物 理變化熱可以忽略時，上式可寫成 物料帶入的熱量物

6、料帶出的熱量化學變化熱環(huán)境或載 熱體輸入熱量積累熱量 在微元時間 內(nèi)，在微元體積 中因反應產(chǎn)生的化學變 化熱為,熱量衡算式給出了反應器內(nèi)溫度隨位置或時間的變化關系。,等溫過程,反應器計算,熱量衡算式,反應動力學方程式,聯(lián)立求解,物料衡算式,反應動力學方程式,聯(lián)立求解,物料的流動混合狀況直接影響著反應器內(nèi)濃度和溫度的分布，聯(lián)立解物料衡算式和熱量衡算式時，必須知道反應器內(nèi)物料的流動混合狀況。,物料衡算式,四、理想反應器,理想反應器指流體的流動處于理想狀況的反應器。 對于流體的混合有兩種理想極限，即理想混合和理想置換。,理想混合的特征是物料達到完全混合，濃度、溫度和反應速度處處相等。,理想混合的釜式

7、反應器可采用連續(xù)、半連續(xù)或間歇操作方式。,理想置換的特征是在與流動方向垂直的截面上，各點的流速和流向完全相同，就像活塞平推一樣，固又稱“活塞流”或 “平推流”。,理想反應器內(nèi)反應物和產(chǎn)物的濃度變化情況：,釜式反應器及工藝計算,第一節(jié),1、結構,軸封,攪拌裝置,攪拌軸,攪拌器,工藝接管,攪拌罐和攪拌軸之間的動密封,罐體,傳熱裝置,傳動裝置,攪拌罐,儀表及防爆裝置等,一、釜式反應器的結構、特點及應用,主 要 部 件,攪拌器（也稱攪拌槳和葉輪）,閉式,開式,軸向流,切向流,流型：攪拌器旋轉時，在攪拌器產(chǎn)生一股高速射流推動液體在攪拌容器內(nèi)循環(huán)流動，這種循環(huán)流動的途經(jīng)稱為流型。,基本流型,徑向流,根據(jù)釜

8、蓋和罐體連接方式不同釜式反應器分為兩類,流體的流動方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動。,徑向流:,流體的流動方向平行于攪拌軸。,軸向流：,切向流：,無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉運動，流速高時液體表面會形成漩渦，這種流型稱為切向流。,軸向流和徑向流對混合起主要作用,混合效果差,攪拌器安裝方式,槳式、推進式、渦輪式和錨式攪拌器在攪拌反應設備中應用最廣。,攪拌器按流型分類,（1）小直徑高轉速攪拌器,常見的攪拌器,推進式攪拌器,此類攪拌器實質上是一個無外殼的軸流泵，葉輪直徑一般為釜徑的0.20.5倍，常用轉速為100500r.min1。高速旋轉的攪拌器使釜內(nèi)液體產(chǎn)生軸向和切向運動。液體的軸向分速度可以使液

9、體形成如圖的總體循環(huán)流動，起到混合液體的作用；切向分速度使釜內(nèi)液體產(chǎn)生圓周運動，形成旋渦，不利于液體的混合且物料為多相體系時，還會產(chǎn)生分層或分離現(xiàn)象。,常用于低粘度液體的傳熱、反應以及固液比較小的懸浮、溶解過程。,渦輪式攪拌器,此類攪拌器實質上是一個無泵殼的離心泵，葉輪直徑一般為釜徑的0.20.5倍，常用轉速為10500r.min1。高速旋轉的攪拌器使釜內(nèi)液體產(chǎn)生徑向和切向運動，并以很高的絕對速度沿葉輪半徑方向流出。液體的徑向分速度可以使液體形成如圖的總體循環(huán)流動，起到混合液體的作用；切向分速度使釜內(nèi)液體產(chǎn)生圓周運動，應采取措施予以抑制。,與推進式比渦輪式不僅產(chǎn)生較大的循環(huán)量，而且對槳葉外緣附

10、件的液體產(chǎn)生較強的剪切作用。常用于粘度小的液體傳熱、反應以及固液懸浮、溶解和氣體分散等過程。,（2）大直徑低轉速攪拌器（用于中高粘度的液體）,槳式攪拌器,槳式攪拌器的旋轉直徑一般為釜徑的0.350.8倍，常用轉速為1100r.min1。平槳式攪拌器可使液體產(chǎn)生徑向和切向運動。可用于簡單的固液懸浮、溶解和氣體分散等過程。即使斜槳式攪拌器，所造成的軸向流動范圍也不大，故當釜內(nèi)液位較高時，應采用多斜式攪拌器或與螺旋槳配合使用。,（2）大直徑低轉速攪拌器（用于中高粘度的液體）,錨式和框式攪拌器,當液體粘度更大時采用這種攪拌器。攪拌器的旋轉直徑一般為釜徑的0.90.98倍，常用轉速為1100r.min1

11、。此類攪拌器一般在層流狀態(tài)下操作，主要使液體產(chǎn)生水平環(huán)向流動，基本不產(chǎn)生軸向流動，故難以保證軸向混合均勻。但此類攪拌器攪拌范圍大，且可根據(jù)需要在槳上增加橫梁和豎梁，以進一步增大攪拌范圍，所以一般不會產(chǎn)生死區(qū)。此外，由于攪拌器與釜內(nèi)壁間隙很小，可防止固體顆粒在釜內(nèi)壁上的沉積現(xiàn)象。,常用于中、高粘度液體的混合、傳熱及反應等過程。,螺旋式攪拌器,可以提高軸向混合效果。攪拌器的旋轉直徑一般為釜徑的0.90.98倍，常用轉速為0.550r.min1。此類攪拌器也在層流狀態(tài)下操作，但在螺帶的作用下，液體沿著螺旋面上升或下降形成軸向循環(huán)流動，故混合效果比錨式和框式好。,常用于中、高粘度液體的混合、傳熱及反應

12、等過程。,攪拌器選型,攪拌器附件,打旋現(xiàn)象：當攪拌器置于容器中心攪拌低粘度液體時，若葉輪轉速足夠高，液體就會在離心力的作用下涌向釜壁，使釜壁處的液面上升，而中心處的液面下降，結果形成了一個大漩渦，這種現(xiàn)象叫打旋。,打旋現(xiàn)象危害：葉輪的轉速越大，形成的漩渦就越深，但各層液體之間幾乎不發(fā)生軸向混合，且當物料為多相體系時，還會發(fā)生分層或分離現(xiàn)象。更為嚴重的是，當液面下凹至一定深度后，葉輪中心部位將暴露于空氣中，并吸入空氣，使被攪拌液體的表觀密度和攪拌效率下降。此外，打旋還會引起功率波動和異常作用力，加劇攪拌器的震動，甚至無法工作。,（1）擋板,既能提高液體的湍動程度，又能使切向流動變?yōu)檩S向和徑向流動

13、，制止打旋現(xiàn)象的發(fā)生。從而使攪拌效果顯著提高。,對于高粘度的液體，應使擋板離開釜壁并與壁面傾斜。,擋板的安裝方式與液體的粘度有關。,對于低粘度液體，可將擋板垂直縱向地安裝在釜內(nèi)壁上，上部伸出液面，下部到達釜底。,對于中等粘度液體或固液體系，應使擋板離開釜壁，以防液體在擋板后形成較大的流動死區(qū)或固體在擋板后積聚。,導流筒為一圓筒體，其作用是使槳葉排出的液體在導流筒內(nèi)部和外部形成軸向循環(huán)流動。導流筒可限定釜內(nèi)液體的流動路線，迫使釜內(nèi)液體通過導流筒內(nèi)的強烈混合區(qū)，既能提了循環(huán)流量和混合效果，又有助于消除短路與流動死區(qū)。,（2）導流筒,傳動裝置及攪拌軸,（1）電機,（2）減速裝置,（3）攪拌軸,兩級齒

14、輪減速機,三角皮帶減速機,擺線針尺行星減速機,諧波減速機,2、釜式反應器特點,結構簡單、加工方便；釜內(nèi)設有攪拌裝置，釜外常設傳熱夾套，傳質和傳熱效率均較高；在攪拌良好的情況下，釜式反應器可近似看成理想混合反應器，釜內(nèi)濃度、溫度均一，化學反應速度處處相等；釜式反應器操作靈活，適應性強，便于控制和改變反應條件，尤其適用于小批量、多品種生產(chǎn)。,二、間歇釜式反應器的工藝計算,間歇操作屬于非穩(wěn)態(tài)過程，隨著反應的進行，釜內(nèi)物料的組成、溫度及反應速度等均隨時間而變化。,1、反應時間的計算,攪拌良好的間歇釜式反應器可視為理想混合反應器，其物料衡算具有以下特點： （1）由于反應器內(nèi)溫度、濃度均一，不隨位置而變，

15、故可對整個反應器有效容積（反應體積）進行物料衡算； （2）由于間歇操作，物料衡算式 “A的輸入量A的輸出量A的消耗量A的積累量”中的輸入、輸出量均為零。間歇釜式反應器的物料衡算式為,-A的消耗量A的積累量,等容過程,對于零級反應，反應動力學方程式為,對于等溫過程，k為常數(shù)，故,對于一級反應，反應動力學方程式為,對于等容過程，故,類似地，將二級反應動力學方程式,代入得,2、反應器總容積的計算,釜式反應器間歇操作時，每處理一批物料都需要一定的出料、清洗、加料等輔助操作時間，故處理一定量物料所需要的有效體積不僅與反應時間有關，而且與輔助操作時間有關。,VR反應器的有效容積或反應體積，即物料所占有的體

16、積，m3,Vh每小時所需處理的物料體積，m3.h-1,達到規(guī)定轉化率所需要的反應時間，h,輔助操作時間，h,注：輔助操作時間一般根據(jù)經(jīng)驗確定。為了提高間歇釜式反應器的生產(chǎn)能力，應設法減少輔助操作時間。,決定反應器的總容積VT，還需考慮裝料系數(shù),裝料系數(shù)一般為0.40.85。對于不起泡、不沸騰的物料， 可取0.70.85；對于起泡或沸騰的物料，可取0.40.6。此外裝料系數(shù)的選擇還應該考慮攪拌器和換熱器的體積。,3、釜式反應器的臺數(shù)及單釜容積的確定,對于給定的生產(chǎn)任務，在求得所需反應器的容積VT后，再根據(jù)工藝要求和反應器系列標準，即可確定所需釜式反應器的臺數(shù)N及單釜容積VTS。生產(chǎn)中有以下幾種可

17、能情況。 （1）已知VTS，求N 這種情況在產(chǎn)品擴產(chǎn)或更新時比較常見。此時，工廠已有若干臺反應器，需通過計算確定擴產(chǎn)或更新后所需要的反應器臺數(shù)。 對于給定的處理量，每天需操作的總批數(shù)為,式中,每天需處理的物料體積，m3.d-1,單臺反應器的有效容積，即裝料容積，m3,每天每臺反應器可操作的批數(shù)為,完成給定生產(chǎn)任務所需的反應器臺數(shù),若 不是整數(shù)，則應圓整成整數(shù)N。這樣反應器的實際生產(chǎn)能力較設計要求提高了，其提高程度可用生產(chǎn)能力后備系數(shù) 表示，即,一般情況下， 的值在1.11.15之間較為合適。,（2）已知N，求VTS,先確定了反應器的臺數(shù)，這種情況在廠房面積受到限制時比較常見。,（3）N及VTS

18、均為未知 ，求N和VTS 這種情況在新建制藥工程項目中較為常見。計算時，可結合工藝要求及廠房等具體情況，先假設反應器的單釜容積VTS或所需反應器的臺數(shù)N，然后按上述方法計算出N或VTS值。由于臺數(shù)一般不會很多，因此常先假設幾個不同的N值求出相應的反應釜容積VTS ，然后再根據(jù)工藝要求及廠房等具體情況，確定一組適宜的N和VTS值作為設計值。,4、釜式反應器主要工藝尺寸的確定,一般情況下，釜式反應器的高度H為直徑D的1.2倍左右，釜蓋和釜底均采用標準橢圓形封頭，封頭高度H1（不含直邊）為直徑D的0.25倍，則釜式反應器的圓筒體高度H2（含封頭直邊）為,反應器的容積可按下式計算,工藝計算求出,之后，

19、檢驗裝料系數(shù)是否合適,釜式反應器主要工藝尺寸確定后，其壁厚可通過強度計算確定，法蘭、手孔、視鏡等附件可根據(jù)工藝條件從相應的標準中選取。,發(fā)酵設備,第二節(jié),生化反應過程主要特點： 以可再生的資源為主要原料，過程中所產(chǎn)生的廢物危害性較小，但是難以控制原料組成，不易保證產(chǎn)品質量。 生化反應過程通常在常溫、常壓下進行。但是生物催化劑受環(huán)境影響和雜菌污染、易失活、很難長期使用。 與一般化工產(chǎn)品的生產(chǎn)相比，生產(chǎn)設備較為簡單、能耗較低。但某些生化反應由于特殊性而使得反應基質和產(chǎn)物濃度均不能太高，因而反應器的生產(chǎn)效率較低。 生化反應過程機理較為復雜，難以控制與檢測；反應液中雜質含量較多，給分離提純帶來了一定困

20、難。,制藥工業(yè)主要包含以下兩種生化反應： （1）酶催化反應 以游離酶或固定化酶為催化劑的反應過程稱為酶催化反應過程。生物體中所進行的反應幾乎都是在酶的催化下進行的。 （2）微生物反應過程 即采用活細胞作催化劑的反應過程。包括一般的微生物發(fā)酵反應過程和固定化細胞反應過程以及動植物細胞的培養(yǎng)過程等。,58,下游過程,生物反應過程(中游過程),上游過程,生化反應器分類： 按使用生物催化劑不同分為酶催化反應器和細胞生化反應器。 按操作方式分間歇式、連續(xù)式和半間歇式。 按反應器結構特征分釜式、管式、塔式、膜式等。,原料的預處理,菌種制備和擴大培養(yǎng),無菌空氣,培養(yǎng)基配制,滅菌,發(fā)酵,產(chǎn)品分離純化,微生物制

21、藥過程,發(fā)酵罐：通常把深層培養(yǎng)微生物的反應器稱為發(fā)酵罐。,發(fā)酵罐設計應滿足如下要求： 結構可靠。 有良好的氣液接觸和液固混合性能，以便有效進行物質傳遞及空氣溶入。 在保證發(fā)酵要求的前提下，盡量減少機械攪拌和通氣所消耗的動力。 有良好的傳熱性能，以適應發(fā)酵在最適宜溫度和滅菌操作條件下進行。 減少泡沫的產(chǎn)生，設置有效的消泡沫裝置，以提高發(fā)酵的裝料系數(shù)。 附有必要和可靠的檢測及控制儀表。,發(fā)酵罐按照攪拌和通氣的能量輸入方式分,機械攪拌式,外部液體循環(huán)式,空氣噴射提升式,由于大多數(shù)微生物都需要氧，因此發(fā)酵罐通常采用通氣和攪拌的方法來增加氧的溶解，以滿足微生物反應的需要。既具有機械攪拌又具有壓縮空氣分布

22、裝置的發(fā)酵罐用途較廣，可稱為通用式發(fā)酵罐。,發(fā)酵過程中生化反應和機械攪拌所產(chǎn)生的熱量必須及時移除以保證發(fā)酵在恒溫下進行。換熱裝置有夾套和蛇管兩種，一般容積小于5m3的發(fā)酵罐采用夾套換熱，而大于5m3的發(fā)酵罐則采用蛇管換熱。,一、機械攪拌式發(fā)酵罐,注意：避免使用銅或青銅裝置。,罐體、攪拌裝置、換熱裝置、擋板、消泡器、電動機與變速裝置、壓縮空氣分布裝置等，并在殼體適當部位設置排氣、取樣、放料、接種、酸堿等管道接口以及人孔、視鏡等部件。,（1）罐體,幾何尺寸,罐體材料以不銹鋼或復合不銹鋼為好，以保證罐內(nèi)培養(yǎng)液清潔和壁面光滑，也可用壓力容器用鋼制作。罐體應承受滅菌蒸汽的壓力和溫度。,（2）攪拌裝置,機

23、械攪拌的作用是為了有利于液體本身的混合及氣液和液固之間的混合，以改善傳質和傳熱過程，特別是有助于氧的溶解。,發(fā)酵罐中廣泛采用圓盤渦輪式攪拌器。為了提高混合效果，通常在一根攪拌軸上配置2個或3個攪拌器，個別的也有4個攪拌器。,（3）通氣裝置,發(fā)酵罐將無菌空氣導入到發(fā)酵液中的裝置，為了防止培養(yǎng)液中固體物料堵塞，空氣分布管通常采用單孔管并且開口向下。也可以采用帶小孔的環(huán)狀空氣分布管。,（4）傳熱裝置,發(fā)酵過程中發(fā)酵液產(chǎn)生的凈熱量稱為發(fā)酵熱，發(fā)酵熱隨發(fā)酵時間而改變，發(fā)酵最旺盛時，發(fā)酵熱量最大。為了維持一定最適宜培養(yǎng)液溫度，須冷卻導出部分熱量。,（5）機械消泡裝置,發(fā)酵液中含有蛋白質等發(fā)泡物質，在強烈的通氣攪拌下會產(chǎn)生大量的泡沫易使發(fā)酵液外溢，且造成染菌。消除發(fā)酵液泡沫，除了采用加入消泡劑之外，在泡沫量較小和機械強度較差時，還可以采用機械消泡裝置來消泡。,二、自吸式發(fā)酵罐,自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在機械攪拌過程中自吸入空氣的生物反應器。,自吸式發(fā)酵罐的形式,文丘里管反應器,噴射自吸式反應器,葉輪和導輪的自吸式發(fā)酵罐,帶有中央吸氣口攪拌器的自吸式發(fā)酵罐,最關鍵的部件：帶有中央吸氣口攪拌器的。,工作過程