1、CHAPTER 6 PHARMACEUTICAL REACTOR制 藥 反 應 設 備2 藥廠所用的設備可分為:機械設備化工設備制藥專用設備 一般來說，原料藥生產(chǎn)以機械設備和化工設備為主，藥物制劑生產(chǎn)以制藥專用設備為主。 本章著重討論原料藥生產(chǎn)的核心設備反響器的工作原理、工藝計算和選型。 Chapter6 Pharmaceutical Reactor3 6.1 反響器根底 6.2 釜式反響器的工藝計算6.3 管式反響器的工藝計算6.4 反響器型式和操作方式 Chapter 6 Pharmaceutical Reactor6.5 攪拌器4 6.1.1 反響器類型 6.1.2 反響器操作方式6.1

2、.3 反響器計算根本方程式6.1.4 理想反響器6.1 Fundamentals of Reactor 5 反響是整個生產(chǎn)工藝過程的核心，而反響器那么是反響過程的核心設備。反響器的類型很多，特點不一，可按不同的方式進行分類。 6.1.1 Classification 1.按結構分類 2.按相態(tài)分類3.按操作方式分類4.按操作溫度分類5.按流動狀況分類6 (b) 管式 (a) 釜式 (d) 板式塔 (e) 填料塔 1.Classification on Structure 7 (f) 鼓泡塔 (g) 噴霧塔 (h) 固定床 (i) 流化床 圖6-1 不同結構型式的反響器 1.Classifica

3、tion on Structure 8 圖6-2 反響器按相態(tài)分類 反應器 2.Classification on Phase 9 3.按操作方式分類：間歇式、半間歇式和連續(xù)式反響器 4.按操作溫度分類：等溫和非等溫反響器 5.按流動狀況分類：理想反響器和非理想反響器 2.Classification on Phase 10 1.間歇操作 2.連續(xù)操作 3.半連續(xù)操作6.1.2 Operation Modes 11 間歇操作的特點是將反響所需的原料一次參加反響器，到達規(guī)定的反響程度后即卸出全部物料。然后對反響器進行清理，隨后進入下一個操作循環(huán)，即進行下一批投料、反響、卸料、清理等過程。 1.B

4、atch Operated 12 間歇反響過程是一個典型的非穩(wěn)態(tài)過程，反響器內(nèi)物料的組成隨時間而變化，這是間歇過程的根本特征。間歇釜式反響器內(nèi)反響物和產(chǎn)物的濃度隨時間的變化關系如圖6-3所示。 AR 圖6-3 間歇釜式反響器 及其濃度變化 1.Batch Operated 13 對于不可逆反響，隨著反響時間的增加，反響物A(不過量)的濃度將由開始時的CA0逐漸降低至零,但對某些反響時間需要無限長;而對于可逆反響那么降至其平衡濃度，但要到達平衡濃度,時間需要無限長。 間歇操作通常采用釜式反響器，且反響過程中既無物料參加，又無物料輸出，因此，可視為恒容過程。如氣相反響，反響體積為整個反響器容積，反

5、響過程中保持不變；又如液相反響，反響體積為液體所占據(jù)的空間，雖不充滿整個反響器，但液體可視為不可壓縮流體，故反響體積仍可視為恒定。1.Batch Operated 14 連續(xù)操作的特點是將反響原料連續(xù)地輸入反響器，反響物料也從反響器連續(xù)流出。前述各類反響器均可采用連續(xù)操作。 連續(xù)操作多屬于穩(wěn)態(tài)操作，此時反響器內(nèi)任一位置上的反響物濃度、溫度、壓力、反響速度等參數(shù)均不隨時間而變化。管式反響器內(nèi)反響物和產(chǎn)物的濃度隨管長的變化關系如圖6-4所示。 2.Continuous Operated 15 2.Continuous Operated AR圖6-4 管式反應器及其濃度變化16 圖6-3與6-4有些

6、類似，但一個是隨時間而變化，另一個是隨位置(管長)而變化，這是兩種操作方式的本質區(qū)別。 連續(xù)操作具有生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質量穩(wěn)定、易實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，因此，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反響器多采用連續(xù)操作。但連續(xù)操作的適應能力較差，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。 2.Continuous Operated 17 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)為分批參加或卸出的操作，均屬半連續(xù)操作，相應的反響器稱為半連續(xù)反響器。原料藥生產(chǎn)中的氣液相反響常常采用半連續(xù)操作。例如，由氯氣和對氯甲苯生產(chǎn)2,4-二氯甲苯即采用半連

7、續(xù)操作方式。對氯甲苯和催化劑一次參加反響器內(nèi)，氯氣那么連續(xù)通入反響器，未反響的氯氣及反響產(chǎn)生的氯化氫從反響器連續(xù)排出。反響結束后，卸出反響物料。 3.Semi-batch Operated 18 半連續(xù)操作同時具有連續(xù)操作和間歇操作的某些特征。有連續(xù)輸入和輸出的物料，這點與連續(xù)操作相似;也有分批參加或卸出的物料，因而生產(chǎn)是間歇的,這是間歇操作的特點。因此,半連續(xù)反響器中的物料組成既隨時間而變化,又隨位置而變化。釜式、管式、塔式以及固定床反響器等都有采用半連續(xù)方式操作的。 3.Semi-batch Operated 19 反響器計算所應用的根本方程式主要有反響動力學方程式、物料衡算式和熱量衡算式

8、。假設反響過程有較大的壓力降，并影響到化學反響速度時，還要應用動量衡算式。 6.1.3 Fundamental Equations of Reactor Calculation 20 對于均相反響，反響速度可用單位時間、單位體積的反響物料中某一組分摩爾數(shù)的變化量來表示，即 (6-1) 式中rA以組分A表示的化學反響速度，kmolm-3s-1或kmolm-3h-1； VR反響器的有效容積或反響體積，m3； nA組分A的摩爾數(shù)，mol或kmol； 反響時間，s或h。 1.Equations of Reaction Kinetics21 對于等容過程 (6-2) 式中 CA組分A的濃度，kmolm-

9、3。 反響速度也可用轉化率來表示。由式(4-6)可知， (6-3) 式中xA反響物A的轉化率； nA0反響開始時反響物A的摩爾數(shù)，mol； nA某時刻反響物A的摩爾數(shù)，mol。 1.Equations of Reaction Kinetics22 由式(6-3)得 (6-4) 那么 (6-5) 代入式(6-1)，并取號得 (6-6) 1.Equations of Reaction Kinetics23 對于等容過程，式(6-3)可改寫為 (6-7) 那么 (6-8) (6-9) (6-10) 1.Equations of Reaction Kinetics24 化學反響速度與溫度、壓力和反響物

10、濃度有關，反響速度與各影響因素之間的函數(shù)關系稱為反響動力學方程式或反響速度方程式。如反響AR為n級不可逆反響，那么反響動力學方程式可寫成 (6-11) 式中 k反響速度常數(shù)，kmol1-nm3(n-1)h-1或kmol1-nm3(n-1)h-1；n反響級數(shù)。 1.Equations of Reaction Kinetics25 上述反響假設為氣相反響，那么反響動力學方程式也可以組分的分壓表示 (6-12) 式中 kp以反響物壓力表示的反響速度常數(shù)，kmol m-3 s-1Pa-n或kmol m-3 h-1Pa-n； pA反響體系中反響物A的分壓，Pa。 1.Equations of React

11、ion Kinetics26 如果反響氣體可視為理想氣體，那么kp和k的關系為 (6-13) 式中R理想氣體常數(shù),8.314kJkmol-1K-1； T體系溫度，K。 1.Equations of Reaction Kinetics27 由于反響時各組分的摩爾數(shù)變化不一定相同，因此，用不同組分表示化學反響速度時，數(shù)值也不一定相同。如在反響 中，組分A、B的消耗速度與組分M、N的生成速度各不相同，但假設將它們分別除以該組分的化學計量系數(shù)，那么有以下關系 (6-14) 1.Equations of Reaction Kinetics28 對于簡單的化學反響，如aA+bB=mM+nN，只要列出任一反

12、響物的物料衡算式，其余反響物和產(chǎn)物的量都可以通過化學計量關系來確定。 由于反響器內(nèi)反響物的濃度、溫度等參數(shù)隨時間或空間而變化，化學反響速度也隨之發(fā)生改變，因此,應分別選取微元體積dVR和微元時間d作為物料衡算的空間基準和時間基準。 1.Equations of Material Balance29 在微元時間d內(nèi)，在微元體積dVR中，對反響物A進行物料衡算得 (6-15) 反響物的消耗量取決于化學反響速度。在微元時間d內(nèi)，在微元體積dVR中因反響而消耗的反響物A的量為 。 物料衡算式(6-15)給出了反響器內(nèi)反響物濃度或轉化率隨位置或時間的變化關系。 2.Equations of Materi

13、al Balance30 化學反響通常都有顯著的熱效應，因此，反響體系的溫度會隨著反響的進行而發(fā)生改變，而溫度的改變又會影響化學反響速度，所以必須進行熱量衡算，以確定溫度隨反響器內(nèi)位置或時間的變化關系，從而進一步計算化學反響速度。 與物料衡算一樣，分別選取微元體積dVR和微元時間d作為熱量衡算的空間基準和時間基準。在微元時間d內(nèi)對微元體積dVR進行熱量衡算得 (6-16) 3.Equations of Energy Balance31 過程熱效應由物理變化熱和化學變化熱組成。當物理變化熱可以忽略時，式(6-16)可改寫為 (6-17) 在微元時間d內(nèi)，在微元體積dVR中因反響而產(chǎn)生的化學變化熱

14、為 。 熱量衡算式(6-16)或(6-17)給出了反響器內(nèi)溫度隨位置或時間的變化關系。 3.Equations of Energy Balance 積累熱量傳遞至環(huán)境或載熱體輸入熱量化學變化熱物料帶出熱量物料帶入熱量 =-+-32 反響器計算實際上就是聯(lián)立求解物料衡算式、熱量衡算式和反響動力學方程式。對于等溫過程，由于溫度不隨時間和空間而改變，因此僅需聯(lián)立求解物料衡算式和反響動力學方程式。 由于物料的流動混合狀況直接影響著反響器內(nèi)的濃度和溫度分布，因此，在聯(lián)立求解物料衡算式和熱量衡算式時，必須知道反響器內(nèi)物料的流動混合狀況。6.1.4 Idealized reactor Models 33 理

15、想反響器是指流體的流動處于理想狀況的反響器。對于流體混合，有兩種理想極限，即理想混合和理想置換。 理想混合流型 理想置換流型 圖6-5 反響器的兩種理想流型 6.1.4 Idealized reactor Models 34 理想混合的特征是物料到達完全混合，濃度、溫度和反響速度處處相等。工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌良好的釜式反響器可近似看成理想混合反響器。 理想混合釜式反響器可采用連續(xù)、半連續(xù)或間歇操作方式。連續(xù)操作時，物料一進入反響器，就立即與反響器內(nèi)的物料完全混合。到達穩(wěn)定狀態(tài)時，反響器內(nèi)物料的組成和溫度既與位置無關，又不隨時間而變，且與出口的濃度和溫度相同。半連續(xù)或間歇操作時，反響器內(nèi)物料的組成、

16、溫度等參數(shù)僅隨時間而變，與位置無關。 6.1.4 Idealized reactor Models a層流 b湍流 c活塞流圖 管式徑向流速分布流體在管式反響器內(nèi)流動如下圖，徑向流速分布是不均勻的，以中心處的流速最大，靠壁處最小。流體在連續(xù)反響器中的流動和混合是一種極其復雜的物理現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象又直接影響到反響器內(nèi)各處流體的濃度和溫度，從而影響化學反響速率。正是由于這種流動現(xiàn)象錯綜復雜，就有必要對其作出合理的簡化，建立起描述管內(nèi)流動狀況的物理模型，也即流動模型。36 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(徑向流速分布均勻,徑向混合均勻；不存在軸向混合即在流體流動方

17、向上不存在流體的混合。)，就象活塞平推一樣，故又稱“活塞流或“平推流。由于這種流動特征，在與流動方向垂直的截面上，流體的濃度和溫度處處相等，不隨時間而變；而沿流動方向，流體的濃度和溫度不斷改變。由于在流動方向上不存在流體混合，故所有的流體質點在反響器內(nèi)的停留時間相同。工業(yè)生產(chǎn)中,細長型的管式反響器可近似看成理想置換反響器。 6.1.4 Idealized reactor Models 37 間歇釜式反響器 連續(xù)釜式反響器 管式反響器 圖6-6 理想反響器內(nèi)反響物及產(chǎn)物的濃度變化 6.1.4 Idealized reactor Models 三種反響器的比較類 型 BRCSTRPlug Flow

18、 Reactor PFR停留時間 相同不同相同返 混無有，且達到最大無模型名稱全混模型全混流模型活塞流模型39 6.2.1 釜式反響器的結構、特點及應用 6.2.2 間歇釜式反響器的工藝計算 6.2.3 連續(xù)釜式反響器的工藝計算 6.2 Process Calculation of Tank Reactor 40 釜體一般是由鋼板卷焊而成的圓筒體，再焊上鋼制標準釜底，并配上封頭、攪拌器等零部件而制成。根據(jù)反響物料的性質，罐體的內(nèi)壁可內(nèi)襯橡膠、搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蝕材料。為控制反響溫度，罐體外壁常設有夾套，內(nèi)部也可安裝蛇管。標準釜底一般為橢圓形，根據(jù)工藝要求，也可采用平底、半球底或錐形底等。

19、 6.2.1 Structure, Characteristic and application 圖6-7 開式攪拌釜式反響器結構示意圖1-攪拌器；2-罐體；3-夾套；4-攪拌軸5-壓出管；6-支座；7-人孔；8-軸封；9-傳動裝置41 根據(jù)釜蓋與釜體連接方式的不同，攪拌釜式反響器可分為開式(法蘭連接)和閉式(焊接)兩大類。圖6-7是典型的開式攪拌釜式反響器結構示意圖。目前，釜式反響器的技術參數(shù)已實現(xiàn)標準化，搪玻璃釜式反響器的主要技術參數(shù)見附錄六。 6.2.1 Structure, Characteristic and application 42 4.釜式反響器主要工藝尺寸的計算 1.反響時

20、間的計算 2.反響器總容積的計算 3.釜式反響器的臺數(shù)及單釜容積的計算 6.2.2 Process Calculation of BTR 43 攪拌良好的間歇釜式反響器可視為理想混合反響器，其物料衡算具有以下特點： (1) 由于反響器內(nèi)濃度、溫度均一，不隨位置而變，故可對整個反響器有效容積(反響體積)進行物料衡算。 (2) 由于間歇操作，式(6-15)中的輸入量和輸出量均為零，因而得到間歇釜式反響器的物料衡算式為 (6-18) 1.Calculation Reaction Time 44 即 (6-19) 那么 積分得 (6-20) 式中 xAf反響終止時反響物A的轉化率。 1.Calcula

21、tion Reaction Time 45 (6-20) 式(6-20)對等溫、非等溫、等容和變?nèi)葸^程均適用。對于非等溫和變?nèi)葸^程，尤其是非等溫過程，式(6-20)的求解比較復雜，可參考理想管式反響器非等溫和變?nèi)葸^程的計算方法(參見本章第三節(jié))。此處僅討論等溫等容過程的計算。 1.Calculation of Reaction Time 46 在等容情況下，VR保持不變，故式(6-20)中的VR可移至積分號外，那么 (6-21) 上式說明，到達一定轉化率所需要的反響時間僅與反響物的初始濃度和化學反響速度有關，而與物料的處理量無關。因此，假設能保證放大后的裝置在攪拌和傳熱兩方面均與提供試驗數(shù)據(jù)的

22、裝置完全相同，就可以簡單地計算出大生產(chǎn)裝置的尺寸，實現(xiàn)高倍數(shù)的放大。 1.Calculation of Reaction Time 47 對于零級反響，反響動力學方程式為 (6-22) 代入式(6-21)得 對于等溫過程，k為常數(shù)，故 (6-23) 1.Calculation of Reaction Time 48 對于一級反響，反響動力學方程式為 (6-24) 對于等容過程，將式(6-8)代入上式得 (6-25) 代入式(6-21)得 (6-26) 1.Calculation of Reaction Time 49 類似地，將二級反響的反響動力學方程式 代入式(6-21)得 (6-27) 如

23、果反響動力學方程比較復雜，往往不易求得解析解，此時可采用圖解積分法或數(shù)值積分法求得近似解。 1.Calculation of Reaction Time 50 釜式反響器間歇操作時，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響時間有關,而且與輔助操作時間有關。 (6-28) 式中VR反響器的有效容積或反響體積，即物料所占有的體積，m3；Vh每小時所需處理的物料體積，m3h-1；到達規(guī)定轉化率所需要的反響時間,h;輔助操作時間,s或h。 2.Calculation Total Volume 51 輔助操作時間一般根據(jù)經(jīng)驗確定。為提高間歇釜式

24、反響器的生產(chǎn)能力,應設法減少輔助操作時間。 決定反響器總容積VT,還需考慮裝料系數(shù)。 (6-29) 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)的選擇還應考慮攪拌器和換熱器的體積。 2.Calculation Total Volume 52 在攪拌良好的間歇釜式反響器 當丁醇過量時，反響動力學方程式為 式中CA為乙酸濃度，kmolm-3。反響速度常數(shù)k為1.04m3kmol-1h-1，投料摩爾比為乙酸：丁醇=1：4.97，反響前后物料的密度為750kgm-3，乙酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分別為60、74和11

25、6。假設每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯(不考慮別離過程損失)，乙酸的轉化率為50%，每批輔助操作時間為0.5h，裝料系數(shù)為0.7，試計算所需反響器的有效容積和總容積。 Example 6-1 53 解：(1) 計算反響時間 因為是二級反響，故 那么 kmolm-3 所以 h Example 6-1 54 (2) 計算所需反響器的有效容積VR 每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯，那么每小時乙酸用量為 kgh-1 每小時處理的總原料量為 kgh-1 每小時處理的原料體積為 m3h-1 Example 6-1 55 故反響器的有效容積為 m3 (3) 計算所需反響器的總容積VT 由式(6-29)知 m3 E

26、xample 6-1 56 對于給定的生產(chǎn)任務，在求得所需反響器的總容積VT后，再根據(jù)工藝要求和反響器系列標準，即可確定所需釜式反響器的臺數(shù)N及單釜容積VTS。生產(chǎn)中可能有以下幾種情況： (1) VTS，求N 這種情況在產(chǎn)品擴產(chǎn)或更新時比較常見。此時，工廠已有假設干臺反響器，需通過計算確定擴產(chǎn)或更新后所需的反響器臺數(shù)。 3.Determination of number and single volume 57 對于給定的處理量，每天需操作的總批數(shù)為 (6-30) 式中 Vd每天需處理的物料體積，m3d-1； VRS單臺反響器的有效容積,即裝料容積,m3。 3.Determination of

27、 number and single volume 58 每天每臺反響器可操作的批數(shù)為 (6-31) 那么完成給定生產(chǎn)任務所需的反響器臺數(shù)為 (6-32) 3.Determination of number and single volume NP值不是整數(shù)，那么應圓整成整數(shù)N59 圓整后反響器的實際生產(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 (6-33) 一般情況下,的數(shù)值在1.11.15之間較為適宜。 3.Determination of number and single volume 60 (2) N，求VTS 即先確定了反響器的臺數(shù)，這種情況在廠房面積受到限制時

28、比較常見。由式(6-32)和(6-33)可求得每臺反響器的容積為 (6-34) 式(6-34)中的可取1.11.15。 3.Determination of number and single volume 61 (3) N及VTS均為未知，求N和VTS 這種情況在新建制藥工程工程中較為常見。計算時，可結合工藝要求及廠房等具體情況，先假設反響器的單釜容積VTS或所需反響器的臺數(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值求出相應的反響釜容積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。 3.Determination

29、 of number and single volume 62 由工藝計算求出反響器的單釜容積VTS后，即可由式(6-35)和(6-36)求出反響器直徑的計算值。將反響器直徑計算值按筒體規(guī)格圓整后即得反響器直徑的設計值。然后按H=1.2D求出反響器的高度H，并檢驗裝料系數(shù)是否適宜。 釜式反響器的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。 4. Determination of main Process Dimension 圖6-8 釜式反響器的主要工藝尺寸63 攪拌良好的連續(xù)釜式反響器可視為理想混合反響器，其構造與間歇釜式反響器相同。

30、釜式反響器采用連續(xù)操作時，物料連續(xù)流動，隨進隨出，且出口物料的溫度、組成與釜內(nèi)物料的溫度、組成完全相同。連續(xù)釜式反響器內(nèi)均裝有攪拌器，在強烈攪拌下，各點的濃度、溫度均勻一致。連續(xù)釜式反響器的操作到達穩(wěn)定時，釜內(nèi)物料的溫度和組成均不隨時間而變化，即屬于穩(wěn)態(tài)操作過程。 6.2.3 Process Calculation of CSTR 64 6.2.3 Process Calculation of CSTR 圖6-9 單釜連續(xù)操作和多釜串聯(lián)連續(xù)操作反響器內(nèi)的濃度變化管式反響器 65 注意：1、釜式反響器既可采用單釜連續(xù)操作，也可采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作。當采用單釜連續(xù)操作時，新鮮原料一進入反響器就立即

31、與釜內(nèi)物料完全混合，釜內(nèi)反響物的濃度與出口物料中的反響物濃度相同，整個反響都在較低的反響物濃度下進行，因而反響速度較慢，這是單釜連續(xù)操作的缺點。 6.2.3 Process Calculation of CSTR 66 2、串聯(lián)的釜數(shù)越多，各釜反響物濃度的變化就愈接近于理想管式反響器，當釜數(shù)為無窮多時，各釜反響物濃度的變化與管式反響器內(nèi)的完全相同，因而為完成相同的任務，兩者所需的有效容積相同。但是，當串聯(lián)的釜數(shù)超過某一極限后，因釜數(shù)增加而引起的設備投資和操作費用的增加，將超過因反響器容積減少而節(jié)省的費用。實踐說明，采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時，釜數(shù)一般不宜超過4臺。 6.2.3 Process Ca

32、lculation of CSTR 67 3、采用間歇釜式反響器或管式反響器進行自催化反響時，反響物濃度都要經(jīng)歷一個由大變小的過程,相應地,反響速度都要經(jīng)歷一個由小變大、再由大變小的過程。假設采用單釜連續(xù)操作,可使釜內(nèi)的反響物濃度始終維持在最大反響速度所對應的CA值,從而可大大提高反響器的生產(chǎn)能力或減小反響器的容積。 6.2.3 Process Calculation of CSTR 圖6-10 自催化反響的反響速度 68 1.Continuous Stirred single Reactor 2.Cascade of Continuous Tank Reactors 6.2.3 Proces

33、s Calculation of CSTR 69 連續(xù)釜式反響器到達穩(wěn)態(tài)操作時，其物料衡算具有如下特點： (1) 反響器內(nèi)溫度均一，不隨時間而變，為等溫反響器。故計算反響器容積時,只需進行物料衡算。 (2) 反響器內(nèi)濃度均一，不隨時間而變，故可對反響器的有效容積和任意時間間隔進行物料衡算。 (3) 物料衡算式(6-15)中的積累量為零。 (4) 反響速度可按出口處的濃度和溫度計算。 1.Continuous Stirred single Reactor 70 代入式(6-37)并化簡得 即 (6-38) 物料在反響器內(nèi)的平均停留時間即反響時間為 (6-39) 對于零級等容反響，將 代入式(6-

34、39)得 (6-40) 1.Continuous Stirred single Reactor 71 對于一級等容反響，將 代入式(6-39)得 (6-41) 對于二級等容反響，將 代入式(6-39)得 (6-42) 1.Continuous Stirred single Reactor 72 例6-2 用連續(xù)操作釜式反響器生產(chǎn)乙酸丁酯，反響條件和產(chǎn)量同例6-1，試計算所需VR。 解：因為是二級反響，由式(6-42)得 由例6-1可知： m3h-1，xAf=0.5，CA0=1.75kmolm-3，k=1.04 m3kmol-1h-1。那么 m3 1.Continuous Stirred sin

35、gle Reactor 73 采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時，各釜仍具有單釜連續(xù)操作反響器所具有的特點。此外，為簡化計算，還作如下假設： (1) 釜間不存在混合。 (2) 對于液相反響，因反響和溫度改變而引起的密度變化可忽略不計。 假設為液相反響，由假設(2)可知，單位時間內(nèi)各釜處理的物料體積相等，即Vh=V01=V02= =V0N 1.Continuous Stirred single Reactor 74 圖6-12 多釜串聯(lián)連續(xù)操作反響器的物料衡算 在第i釜中對反響物A進行物料衡算得 (6-43) 式中 FAi-1、 FAi進入和離開第i釜的反響物A的千摩爾流量，kmols-1；VRi第i釜的有

36、效容積，m3。2.Cascade of Continuous Tank Reactors 75 (6-43) 將FAi-1=FA0(1-xAi-1)及FAi=FA0(1-xAi)代入上式并整理得 即 那么 (6-44) 或由式(6-43)得 (6-45) 2.Cascade of Continuous Tank Reactors 76 (6-44) (6-45) 在多釜串聯(lián)連續(xù)操作中,前一釜的出料即為后一釜的進料,因此,利用式(6-44)或(6-45),并結合反響動力學方程式進行逐釜計算,即可計算出到達規(guī)定轉化率所需的反響釜數(shù)、各釜容積和相應的轉化率。2.Cascade of Continuo

37、us Tank Reactors 77 例如，對于一級反響，將 代入式(6-45)得 那么 第一釜 第二釜 第N釜 2.Cascade of Continuous Tank Reactors 78 假設各釜等溫等容，那么 所以 類似地，對于零級反響，假設各釜等溫等容，同樣可以導出 或 2.Cascade of Continuous Tank Reactors 79 對于二級反響，假設各釜等溫等容，亦可導出 那么 由于濃度不能為負值，故棄去負根，即 2.Cascade of Continuous Tank Reactors 80 例6-3 用二釜串聯(lián)連續(xù)操作反響器生產(chǎn)乙酸丁酯，第一釜乙酸的轉化率

38、為33%，第二釜的轉化率為50%，反響條件和產(chǎn)量同例6-1，試計算各反響器所需的VR。 解：(1) 第一臺反響器 因為是二級反響，所以 由例6-1可知： m3h-1，CA0=1.75kmolm-3，k=1.04 m3kmol-1h-1。又xA1=0.33，那么 m3 2.Cascade of Continuous Tank Reactors 81 (2) 第二臺反響器 由式(6-49)得 那么 m3 2.Cascade of Continuous Tank Reactors 82 所以，采用兩釜串聯(lián)連續(xù)操作所需反響器的總有效容積為 m3 2.Cascade of Continuous Tank

39、 Reactors 83 一、管式反響器的結構、特點及應用 二、管式反響器設計根底方程式 三、液相管式反響器的工藝計算 四、氣相管式反響器的工藝計算 6.3 Process Calculation of Tubular Reactor 84 管式反響器是一種典型的連續(xù)操作反響器，由于是連續(xù)操作，因而生產(chǎn)能力較大，并容易實現(xiàn)自動控制。此外，為保證管式反響器內(nèi)具有良好的傳熱和傳質條件，一般要求反響物料在管內(nèi)作高速湍流運動。 管式反響器可用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反響。許多反響，如乙酸裂解制雙乙烯酮、鄰硝基氯苯氨化制鄰硝基苯氨、石蠟氧化制脂肪酸、已內(nèi)酰胺聚合等均可采用管式反響

40、器進行工業(yè)化生產(chǎn)。 6.3.1 Structure,Characteristic and application of TR 85 工業(yè)生產(chǎn)中，細長型的管式反響器可近似看成理想置換反響器。管式反響器常用于液相反響或氣相反響。當用于液相反響時，可忽略因反響和溫度改變而引起的密度變化，視為等容過程。 6.3.2 Fundamental Equations of TR designing 86 當用于氣相反響時，那么有兩種情況，其一是反響過程中氣體物質的總摩爾量保持不變，應按等容過程處理；其二是反響過程中氣體物質的總摩爾量要發(fā)生改變，那么應按變?nèi)葸^程處理。溫度也有類似情況，當過程的熱效應可以忽略或采

41、取適當措施使體系的溫度保持不變時，那么按等溫過程處理，否那么應視為非等溫過程。 6.3.2 Fundamental Equations of TR designing 87 管式反響器到達穩(wěn)態(tài)操作時，其物料衡算具有如下特點： (1) 物料組成、溫度和反響速度不隨時間而變化，故可對任意時間間隔進行物料衡算。 (2) 物料組成、溫度和反響速度沿流動方向而變，故應取微元管長進行物料衡算。 (3) 物料在反響器中的積累量為零。 6.3.2 Fundamental Equations of TR designing 88 6.3.2 Fundamental Equations of TR designi

42、ng 圖6-14 管式反響器的物料衡算89 那么管式反響器設計根底方程式為 (6-53) 式中 c管式反響器的空間時間，h。 6.3.2 Fundamental Equations of TR designing 90 1.Calculation of Isothermal Liquid TR 2.Calculation of Temperature-Changing Liquid TR 6.3.3 Process Calculation of Liquid TR 91 (1) 反響器容積的計算 液相反響可視為等容過程。結合等溫等容條件，應用式(6-53)即可計算出到達規(guī)定轉化率所需要的反響器

43、容積或空間時間。 對于零級反響，將 代入式(6-53)得 (6-54) 1.Process Calculation of Isothermal Liquid TR 92 對于一級反響，將 代入式(6-53)得 (6-55) 對于二級反響，將 代入式(6-53)得 (6-56) 1.Process Calculation of Isothermal Liquid TR 93 例6-4 用管式反響器生產(chǎn)乙酸丁酯，反響條件和產(chǎn)量同例6-1，試計算所需反響器的容積。 解：因為是二級反響，由式(6-56)得 由例6-1可知： m3h-1，CA0=1.75 kmolm-3，k=1.04 m3kmol-1h

44、-1，xAf=0.5。那么 m3 1.Process Calculation of Isothermal Liquid TR 94 (2) 管徑與管長的計算 計算出所需管式反響器的容積VR后，可進一步計算管徑與管長。具體步驟如下： 規(guī)定物料在管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re。如前所述,為保證管式反響器內(nèi)具有良好的傳熱和傳質條件,物料在管內(nèi)應作高速湍流運動。 1.Process Calculation of Isothermal Liquid TR 95 確定管徑d。由 及 得 (6-57) 式中 d管式反響器的內(nèi)徑，m；物料的密度，kgm3； 物料的粘度，Pas； 由式(6-57)計算出的管內(nèi)徑還需按管子

45、規(guī)格進行圓整。 1.Process Calculation of Isothermal Liquid TR 96 例6-5 在連續(xù)管式反響器中，用鄰硝基氯苯氨化生產(chǎn)鄰硝基苯胺 式中A鄰硝基氯苯，B氨水。CA、CB的單位：kmolm-3；k=1.188m3kmol-1h-1。進料量：氨水0.48m3h-1,濃度35%,B=881kgm-3;鄰硝基氯苯0.08m3h-1,濃度99%,A=1350kgm-3。A和B的分子量分別為157.6和17,反響物料為0.1510-3Pas。擬采用328mm的管子,xA=98%,試計算L。2300C1.Process Calculation of Isother

46、mal Liquid TR 97 解：(1) 計算C 代入式(6-53)得 1.Process Calculation of Isothermal Liquid TR 98 (2) 計算管長L 由式(6-58)得 m (3) 校核Re 依題意知 kgm-3 那么 故反響器內(nèi)的物料流型為湍流。1.Process Calculation of Isothermal Liquid TR 99 對于氣相反響，假設反響過程中氣體物質的總摩爾量發(fā)生改變，而體系的溫度和壓力保持不變，那么氣體的體積流量將發(fā)生改變，此時應按變?nèi)葸^程處理。 為計算反響前后體系的體積變化,可引入膨脹因子的概念,其定義為每轉化1mo

47、l反響物所引起的反響體系內(nèi)物質摩爾量的改變量。 6.3.4 Process Calculation of Vapor TR 100 例如，對于如下氣相反響 以反響物A表示的膨脹因子為 (6-70) 體系中假設含有惰性氣體，并不影響A值的大小。如上述反響體系中含u mol惰性氣體，那么 6.3.4 Process Calculation of Vapor TR 101 設一變?nèi)葸^程，總進料體積流量為V0，進料總摩爾流量為F0,其中反響物A的摩爾流量為FA0，那么進料中反響物A的摩爾分率為 當轉化率為xA時，反響體系中物料的總摩爾流量為 6.3.4 Process Calculation of V

48、apor TR 102 假設氣體可視為理想氣體，且流動壓力降可以忽略，那么相應的體積流量為 從而，CA與xA的關系為 (6-71) 6.3.4 Process Calculation of Vapor TR 103 將上式兩邊同乘RT得 (6-72) 式(6-72)給出了管式反響器內(nèi)任一截面上的分壓pA與轉化率xA之間的關系。 6.3.4 Process Calculation of Vapor TR 104 對于等容過程，A=0，代入式(6-71)得 (6-8) 對于氣相非等容過程，可將式(6-71)或(6-72)代入反響動力學方程式，再利用式(6-52)，即可求出到達規(guī)定轉化率時所需管式反

49、響器的容積。 (6-52) 6.3.4 Process Calculation of Vapor TR 105 例6-6在管式反響器中進行2,5-二氫呋喃的氣相裂解反響,反響動力學方程式為 式中CA為2,5-二氫呋喃的濃度，kmolm-3。反響在恒溫恒壓下進行,反響動力學常數(shù)k=3h-1,A=1;2,5-二氫呋喃的進料體積流量為0.3m3h-1,其中含2,5-二氫呋喃80%(體積比),其余為惰性氣體。假設要求2,5-二氫呋喃的轉化率為75%,試計算所需反響器的容積。 6.3.4 Process Calculation of Vapor TR 106 解：將式(6-71)代入 得 代入式(6-5

50、2)得 6.3.4 Process Calculation of Vapor TR 107 反響器型式和操作方式選擇是反響器設計的重要內(nèi)容。對于特定的化學反響和給定的生產(chǎn)任務，設計人員應結合反響特點和操作方式，從生產(chǎn)能力、反響選擇性等方面，對不同型式的反響器進行認真的分析和比較，以確定適宜的反響器型式和操作方式。 6.4.1 Simple Reaction 6.4.2 Complex Reaction 6.4 Types Selection and Operation 108 簡單反響是指可用一個反響方程式和一個反響動力學方程式來描述的那些反響。由于不存在副反響,產(chǎn)物分布明確,因此,對于簡單反

51、響,反響器性能的比較可簡單歸結為生產(chǎn)能力的比較。 生產(chǎn)能力是指單位時間、單位容積反響器所獲得的產(chǎn)物量,其值越大,反響器的生產(chǎn)能力就越大。換言之，為了獲得相同的產(chǎn)物量，所需反響器的容積越小，生產(chǎn)能力就越大。可見，反響器生產(chǎn)能力的比較也就是所需反響器容積的比較。6.4.1 Simple Reaction 109 1.間歇釜式反響器和管式反響器比較 2.間歇釜式反響器和連續(xù)釜式反響器比較 3.連續(xù)釜式反響器和管式反響器比較 4.多釜串聯(lián)反響器和管式反響器比較6.4.1 Simple Reaction 表6-1 反響器有效容積的比較反應器類型有效容積/m3有效容積比管式反應器0.681.00兩釜串聯(lián)連

52、續(xù)反應器0.961.41單釜連續(xù)反應器1.351.99間歇釜式反應器1.291.90注：乙酸轉化率50%，乙酸丁酯產(chǎn)量3000kgd-1。111 對于等溫等容過程，同一反響在相同條件下，到達相同轉化率時，在間歇釜式反響器中所需的反響時間與在管式反響器中所需的空間時間相同。換言之，如果忽略間歇釜式反響器的輔助操作時間，兩種反響器所需的容積相同，亦即生產(chǎn)能力相同。當然，假設考慮間歇釜式反響器的輔助操作時間，那么所需間歇釜的實際容積要大一些，即間歇釜的生產(chǎn)能力較小。 1.Batch Tank Reactor and Tubular Reactor 112 兩種反響器容積的定量比較，可用容積效率來描述

53、。對于間歇釜式反響器與管式反響器而言，容積效率的定義為 (6-73) 式中 容積效率； (VR)P管式反響器的容積，m3； (VR)I間歇釜式反響器的有效容積，m3。 顯然,對于間歇釜式反響器和管式反響器而言,假設忽略間歇釜式反響器的輔助操作時間,=1。 1.Batch Tank Reactor and Tubular Reactor 113 現(xiàn)以一級反響為例。對于間歇釜式反響器，由式(6-26)和(6-28)得 對于連續(xù)釜式反響器，由式(6-41)得 式中(VR)c連續(xù)釜式反響器的有效容積,m3。那么 (6-74) 2.Batch Tank Reactor and Continuous Ta

54、nk Reactor 114 當=1時,兩種反響器所需的有效容積相同。此時間歇釜式反響器的輔助操作時間滿足以下關系 即 (6-75) 2.Batch Tank Reactor and Continuous Tank Reactor 115 例6-7 某一級反響的反響速度常數(shù)k為40h-1，規(guī)定的轉化率xAf為95%，試分別按以下條件比較采用間歇釜式反響器和單釜連續(xù)操作反響器所需有效容積的大小。(1) 忽略間歇釜式反響器的輔助操作時間；(2) 每批輔助操作時間為0.4h；(3) 每批輔助操作時間為1h。 2.Batch Tank Reactor and Continuous Tank React

55、or 116 解:(1)將k=40h-1,xAf=0.95,=0代入式(6-74)得 (2) 將k=40h-1,xAf=0.95,=0.4h代入式(6-74)得 (3) 將k=40h-1,xAf=0.95,=1h代入式(6-74)得 2.Batch Tank Reactor and Continuous Tank Reactor 117 對于零級反響，由式(6-40)和(6-54)得 (6-76) 可見，對于零級反響，由于化學反響速度與濃度無關，所以反響器容積的大小與物料的流動型式無關。 對于一級反響，由式(6-41)和(6-55)得 (6-77) 3.Continuous Tank Reac

56、tor and Tubular Reactor 118 對于二級反響，由式(6-42)和(6-56)得 (6-78) 分別由式(6-76)(6-78)作出不同反響級數(shù)時容積效率與轉化率之間的關系曲線，如圖6-17所示。 3.Continuous Tank Reactor and Tubular Reactor 119 可見,(1)零級反響的=1,且與xA無關。即到達規(guī)定xA時，連續(xù)釜式反響器所需的VR與管式反響器的相同。(2) xA一定時,n越高,就越小,即連續(xù)釜式反響器所需的VR比管式反響器的大得越多。(3)除零級反響外,其它各級反響的1,且當反響級數(shù)一定時,xA越高,就越小,即連續(xù)釜式反響

57、器所需的VR比管式反響器的大得越多。 圖6-17 連續(xù)釜式反響器與管式反響器的 3.Continuous Tank Reactor and Tubular Reactor 120 仍以一級反響為例。設有N個等溫等容釜串聯(lián)，那么由式 得 所以，物料在整個反響器中的停留時間為 (6-79) 4.Cascade of Reactor and Tubular Reactor 121 結合式(6-55)得 (6-80) 由式(6-80)可作出不同釜數(shù)時容積效率與轉化率之間的關系曲線，如圖6-18所示。4.Cascade of Reactor and Tubular Reactor 圖6-18 多釜串聯(lián)反

58、響器與管式 反響器的容積效率表6-1 反響器有效容積的比較反應器類型有效容積/m3有效容積比管式反應器0.681.00兩釜串聯(lián)連續(xù)反應器0.961.41單釜連續(xù)反應器1.351.99間歇釜式反應器1.291.90 注：乙酸轉化率50%，乙酸丁酯產(chǎn)量3000kgd-1。124 (1) 對于零級反響，單臺連續(xù)釜式反響器所需的有效容積與管式反響器的相同。但因釜式反響器存在裝料系數(shù)，故實際容積有所增大。而間歇釜式反響器既存在裝料系數(shù)，又存在輔助操作時間，故所需的容積較大。(2) 反響級數(shù)越高或轉化率越高，單臺連續(xù)釜式反響器所需的有效容積就越大，此時可采用管式反響器。 Principles of cho

59、osing Reactor for Simple Reaction125 (3) 對于熱效應很大的反響，從有利于傳熱的角度，宜采用管式反響器。但為了控溫的方便，亦可采用間歇釜式反響器或多釜串聯(lián)反響器。(4) 采用多釜串聯(lián)反響器時，容積效率隨釜數(shù)的增加而增大，但增大的速度漸趨緩慢。因此,串聯(lián)的釜數(shù)一般不超過4。 Principles of choosing Reactor for Simple Reaction126 (5) 對于反響速度較慢，且要求的轉化率較高的液相反響，宜采用間歇釜式反響器。(6) 對于反響速度較快的氣相或液相反響，宜采用管式反響器。(7) 對于反響級數(shù)較低，且要求的轉化率不

60、高的液相反響以及自催化反響，宜采用單臺連續(xù)釜式反響器。 Principles of choosing Reactor for Simple Reaction127 復雜反響要用多個化學反響方程式和多個反響動力學方程式來描述。在復雜反響的產(chǎn)物中，既有目標產(chǎn)物，又有副產(chǎn)物。副產(chǎn)物的多少，直接影響著原材料的消耗、別離方案的選擇以及別離設備的大小。因此，在選擇反響器型式和操作方法時，首要考慮的是反響選擇性。 (1)Parallel Reaction (2)Sequential Reactoion 6.4.2 Complex Reaction 128 先來討論一種最簡單的平行反響。 (目標產(chǎn)物) 主反響