制藥工程與設(shè)備專家講座

制藥工程與設(shè)備教材：《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：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(jì)》（第1版），蔣作良主編，中國(guó)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(jì)》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(guó)醫(yī)藥科技出版社7、《生化反應(yīng)動(dòng)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(jì)》，陳聲宗主編，化學(xué)工藝出版社9、《廠潔凈室--設(shè)計(jì)、運(yùn)行與GMP認(rèn)證》，許鐘麟主編，同濟(jì)大學(xué)出版社

蔡雄輝/2/22制藥工程與設(shè)備專家講座第1頁(yè)藥品生產(chǎn)方法：目標(biāo)藥品工藝步驟（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》為確保）制劑工程制藥工程（分子結(jié)構(gòu)、光學(xué)構(gòu)象）GMP制藥工程與設(shè)備專家講座第2頁(yè)緒論

一、制藥工程概念

制藥工程是應(yīng)用化學(xué)合成或生化反應(yīng)以及各種分離單元操作，實(shí)現(xiàn)藥品工業(yè)化生產(chǎn)工程技術(shù)，它包含化學(xué)制藥、生化制藥和中藥制藥。它探索和研究制造藥品基本原理，制藥新工藝，新設(shè)備，以及在藥品生產(chǎn)全過程中怎樣符合GMP（藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范）要求進(jìn)行研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、放大與優(yōu)化。制藥工程與設(shè)備專家講座第3頁(yè)原料藥生產(chǎn)＋制劑生產(chǎn)（廣義）原料藥生產(chǎn)（狹義）制藥工程二、制藥工程內(nèi)容

制劑生產(chǎn)藥品生產(chǎn)反應(yīng)過程分離過程化學(xué)反應(yīng)生化反應(yīng)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）穩(wěn)定性差3產(chǎn)品質(zhì)量要求高GMP制藥工程與設(shè)備專家講座第4頁(yè)數(shù)據(jù)1：

原料藥生產(chǎn)分離純化費(fèi)用占產(chǎn)品總成本百分比普通在50～70％?；瘜W(xué)合成藥分離純化成本普通是合成反應(yīng)成本費(fèi)用1～2倍，抗生素分離純化成本費(fèi)用約為發(fā)酵部分3～4倍；基因工程藥品分離純化費(fèi)用占總成本80~90%。數(shù)據(jù)2：

抗生素質(zhì)量百分含量為1～3％；酶為0.1～0.5％；單克隆抗體不超出0.0001％。制藥工程與設(shè)備專家講座第5頁(yè)第一篇反應(yīng)過程與設(shè)備

反應(yīng)器主要性：關(guān)鍵設(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(dòng)力學(xué)是反應(yīng)工程學(xué)基礎(chǔ)理論之一，主要研究化學(xué)反應(yīng)過程速率及其影響原因。它包含兩方面內(nèi)容：第一是本征動(dòng)力學(xué)（微觀動(dòng)力學(xué)）；第二是宏觀動(dòng)力學(xué)（反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)）。

反應(yīng)器性能由：傳遞特征；設(shè)計(jì)與放大；優(yōu)化與控制三個(gè)方面決定。序言制藥工程與設(shè)備專家講座第6頁(yè)反應(yīng)器相態(tài)均相非均相操作方式設(shè)備特征結(jié)構(gòu)型式溫度調(diào)整方式氣相、液相氣－固相、液－固相等釜式、管式、塔式、流化床間歇、連續(xù)、半連續(xù)等溫、變溫、絕熱反應(yīng)器分類：（外部條件）（本身特點(diǎn)））制藥工程與設(shè)備專家講座第7頁(yè)第一章反應(yīng)器基本理論

一、基本反應(yīng)器型式1.間歇操作攪拌釜

制藥工程與設(shè)備專家講座第8頁(yè)2.連續(xù)操作管式反應(yīng)器

制藥工程與設(shè)備專家講座第9頁(yè)3.連續(xù)操作攪拌釜

制藥工程與設(shè)備專家講座第10頁(yè)二、操作反應(yīng)器流動(dòng)特征——返混

1．兩個(gè)個(gè)概念停留時(shí)間：它是指反應(yīng)物從進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)刻起算到他們離開反應(yīng)器時(shí)刻為止在反應(yīng)器內(nèi)共停留了多少時(shí)間。

思索：1.停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)結(jié)果影響？平均停留時(shí)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)器停留時(shí)間特征？停留時(shí)間分布：在連續(xù)反應(yīng)器中，同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器物料粒子，有很快就從出口流出，有則經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間才從出口流出，停留時(shí)間有長(zhǎng)有短，形成一定分布，稱之為停留時(shí)間分布。

制藥工程與設(shè)備專家講座第11頁(yè)2.停留時(shí)間分布（1）年紀(jì)分布：從進(jìn)入反應(yīng)器瞬間開始計(jì)算年紀(jì)，到所考慮瞬間為止，反應(yīng)器內(nèi)物料粒子，有已經(jīng)停留了1S，有已經(jīng)停留了10S……。這些不一樣年紀(jì)物料粒子混在一起，形成了一定分布。稱之為年紀(jì)分布?！阅乘查g反應(yīng)器內(nèi)全部物料粒子為研究對(duì)象（2）壽命分布：從進(jìn)入反應(yīng)器瞬間開始計(jì)算壽命，到所考慮瞬間為止，在反應(yīng)器出口物料粒子中，有在器內(nèi)已經(jīng)停留了5S，有已經(jīng)停留了8S……。這些不一樣壽命物料粒子在出口混在一起，形成了一定分布。稱之為壽命分布。————以某瞬間反應(yīng)器出口物料粒子為研究對(duì)象制藥工程與設(shè)備專家講座第12頁(yè)（4）返混：返混是時(shí)間概念上混合，是反應(yīng)器內(nèi)不一樣停留時(shí)間物料粒子之間混合，它與停留時(shí)間分布聯(lián)絡(luò)在一起，有返混就必定存在停留時(shí)間分布；反之，如沒有停留時(shí)間分布，則不存在返混。（3）年紀(jì)分布與壽命分布存在一定聯(lián)絡(luò)，普通都是試驗(yàn)測(cè)定壽命分布。以后停留時(shí)間分布測(cè)定都是測(cè)定壽命分布。思索：返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)影響？制藥工程與設(shè)備專家講座第13頁(yè)

三、理想反應(yīng)器（依據(jù)流動(dòng)情況）依據(jù)返混程度大小，將流動(dòng)情況分為：1.平推流2.全混流3.中間流

四、反應(yīng)器特征考查方法1.物料衡算

制藥工程與設(shè)備專家講座第14頁(yè)2.熱量衡算

制藥工程與設(shè)備專家講座第15頁(yè)第二節(jié)等溫等容過程反應(yīng)器

一、反應(yīng)速度及其表示式

或通慣用于均相反應(yīng)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)定反應(yīng)機(jī)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)。對(duì)于不可逆反應(yīng)制藥工程與設(shè)備專家講座第16頁(yè)（2）

a和b值是憑試驗(yàn)取得，它既與反應(yīng)機(jī)理無(wú)直接關(guān)系，也不等于各組分計(jì)量系數(shù)，只有當(dāng)反應(yīng)方程式為基元反應(yīng)時(shí)，它才與計(jì)量系數(shù)相等。

（1）式中：a和b分別是反應(yīng)對(duì)組分A和B反應(yīng)級(jí)數(shù)，這些指數(shù)代數(shù)和稱為總反應(yīng)級(jí)數(shù)，它表明反應(yīng)速率對(duì)各組分濃度敏感程度，a和b越大，則組分A和B濃度對(duì)反應(yīng)速率影響越大。制藥工程與設(shè)備專家講座第17頁(yè)（3）a和b只能在其試驗(yàn)范圍內(nèi)應(yīng)用，可為任何數(shù)，但總反應(yīng)級(jí)數(shù)在數(shù)值上極少到達(dá)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)組分濃度外其它因數(shù)相關(guān)，如溫度、壓力、催化劑及其濃度或所用溶劑等。

k0為指前因子或頻率因子；E為反應(yīng)活化能，因次為J/mol；R為通用氣體常數(shù)（R=8.314J/mol·K）。嚴(yán)格來說，頻率因子是溫度函數(shù)，它與Tn成正比，但它較之指數(shù)項(xiàng)而言，其受溫度影響不顯著，能夠近似看成與溫度無(wú)關(guān)。制藥工程與設(shè)備專家講座第18頁(yè)二、間歇釜式反應(yīng)器

1．

等溫操作反應(yīng)時(shí)間微元時(shí)間內(nèi)反應(yīng)掉組分A摩爾數(shù)＝微元時(shí)間內(nèi)組分A降低摩爾數(shù)制藥工程與設(shè)備專家講座第19頁(yè)上式即為間歇釜式反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式。對(duì)于液相反應(yīng)，反應(yīng)前后物料體積改變不大，可視為等容過程，則上式變?yōu)椋?/p>

因?yàn)槎ㄈ葸^程有以下關(guān)系

制藥工程與設(shè)備專家講座第20頁(yè)代入基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式有若反應(yīng)物原始濃度以及反應(yīng)速度與轉(zhuǎn)化率或濃度關(guān)系已知，則利用以上各式，即可求得到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間。

如，對(duì)于一級(jí)反應(yīng)有代入積分有制藥工程與設(shè)備專家講座第21頁(yè)討論從上式能夠看出只要起始濃度相同，到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間，只取決于反應(yīng)速度，而與處理量無(wú)關(guān)，所以在進(jìn)行間歇釜式反應(yīng)器放大時(shí)，只要確保放大后反應(yīng)速度與小試時(shí)相同，就能夠?qū)崿F(xiàn)高倍數(shù)放大。制藥工程與設(shè)備專家講座第22頁(yè)2.反應(yīng)器容積

設(shè)反應(yīng)時(shí)間為τ，加料、出料及清洗等輔助時(shí)間為τ‘，

則每批操作所需要時(shí)間為τ＋

τ‘假如生產(chǎn)上要求單位時(shí)間處理物料量為v則每批操作需要處理物料量

這稱為反應(yīng)器裝料容積，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(shí)際生產(chǎn)，因?yàn)閿嚢?、發(fā)生泡沫等原因，物料不能裝滿，所以間歇釜容積（VT）要比有效容積大。

此比值稱為裝料系數(shù)，制藥工程與設(shè)備專家講座第23頁(yè)三、連續(xù)管式反應(yīng)器（活塞流反應(yīng)器）——PFR

1.設(shè)計(jì)基礎(chǔ)式

在管式反應(yīng)器中，因?yàn)槲锪蠞舛取⒎磻?yīng)速度、溫度等沿管長(zhǎng)而改變。故取微元體積作物料衡算。

制藥工程與設(shè)備專家講座第24頁(yè)進(jìn)入微元體積組分A摩爾數(shù)－離開微元體積組分A摩爾數(shù)＝微元體積內(nèi)反應(yīng)掉組分A摩爾數(shù)

積分得

在定常態(tài)操作，F(xiàn)A0為常數(shù)，上式成為

制藥工程與設(shè)備專家講座第25頁(yè)若進(jìn)料得體積流量為v0，進(jìn)料濃度為CA0，則上式化為

上式即為平推流反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式。上式中τ稱為時(shí)間空時(shí)，只有在等容過程中，它才等于平均停留時(shí)間。（為何？）在等容過程中有

上式也可寫成：

制藥工程與設(shè)備專家講座第26頁(yè)2.反應(yīng)器容積

討論：等容過程，間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)管式反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)區(qū)分？為何有相同基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式？間歇釜式反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式

連續(xù)管式反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式

在等容過程中，對(duì)在相同反應(yīng)條件下（即k相同）同一反應(yīng)，到達(dá)相同轉(zhuǎn)化率，理想連續(xù)管式反應(yīng)器中需要停留時(shí)間與間歇釜中需要反應(yīng)時(shí)間是相同，所以，能夠用間歇反應(yīng)器中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大。

制藥工程與設(shè)備專家講座第27頁(yè)對(duì)于連續(xù)管式反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式或我們可用圖形表示以下制藥工程與設(shè)備專家講座第28頁(yè)四、連續(xù)釜式反應(yīng)器（CSTR）

又稱全混釜，其特點(diǎn)是物料一進(jìn)入反應(yīng)器，就馬上與釜內(nèi)物料均勻混合，而且反應(yīng)器內(nèi)溫度、濃度等參數(shù)與出口物料參數(shù)相同，故反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)速度相同，且等于出口轉(zhuǎn)化率時(shí)反應(yīng)速度。

反應(yīng)器示意圖以下：

制藥工程與設(shè)備專家講座第29頁(yè)進(jìn)入反應(yīng)器組分A摩爾數(shù)－離開反應(yīng)器組分A摩爾數(shù)＝反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)掉組分A摩爾數(shù)

對(duì)定容過程有：

代入物料衡算式制藥工程與設(shè)備專家講座第30頁(yè)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)器反應(yīng)容積比較。物料在反應(yīng)器內(nèi)平均停留時(shí)間(定容過程)，以下列圖所表示，圖中斜線部分面積為間歇反應(yīng)釜或平推流反應(yīng)器平均停留時(shí)間，全部陰影部分面積表示是全混流反應(yīng)器平均停留時(shí)間。

制藥工程與設(shè)備專家講座第31頁(yè)很顯然，用點(diǎn)表示面積為增加平均停留時(shí)間。對(duì)同一反應(yīng)，在相同條件下，到達(dá)相同轉(zhuǎn)化率，全混流反應(yīng)器所需要容積要大得多，所增加數(shù)值與增加面積成正比。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，能夠用多釜串連方法。

五、多釜串連反應(yīng)器

制藥工程與設(shè)備專家講座第32頁(yè)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入i釜摩爾數(shù)－單位時(shí)間內(nèi)離開i釜摩爾數(shù)＝單位時(shí)間內(nèi)在i釜中反應(yīng)掉摩爾數(shù)

對(duì)于液相反應(yīng)，體積流量為常數(shù)，則有：

所以能夠利用上式結(jié)合反應(yīng)速度方程式進(jìn)行逐釜進(jìn)行計(jì)算，直到抵達(dá)要求轉(zhuǎn)化率為止。

對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，且各容積相等釜有

制藥工程與設(shè)備專家講座第33頁(yè)第三節(jié)反應(yīng)器型式及操作方式選擇選取反應(yīng)器型式及操作方式依據(jù)是：用一樣數(shù)量原料能生產(chǎn)出最多產(chǎn)品，而且反應(yīng)器容積要小。一、簡(jiǎn)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(jì)式相同間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器所需容積相同，但因?yàn)殚g歇反應(yīng)器中存在輔助時(shí)間與裝料系數(shù)，所以它需要總?cè)莘e較平推流反應(yīng)器為大。所以對(duì)于反應(yīng)時(shí)間很短，輔助時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)反應(yīng)來說，選取管式反應(yīng)器較為適合。制藥工程與設(shè)備專家講座第34頁(yè)2.間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器對(duì)于一級(jí)反應(yīng)有：間歇反應(yīng)器：全混流反應(yīng)器：

如要使全混流反應(yīng)器需要容積小于間歇式反應(yīng)器，即滿足以下條件：所以制藥工程與設(shè)備專家講座第35頁(yè)由上式能夠看出：當(dāng)輔助時(shí)間長(zhǎng)短超出某一值后，間歇反應(yīng)釜需要容積將大于連續(xù)反應(yīng)釜；對(duì)于速度很快反應(yīng)，輔助時(shí)間即使很短，間歇反應(yīng)釜需要容積也會(huì)大于連續(xù)反應(yīng)釜，所以對(duì)于反應(yīng)速度較快，輔助時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)反應(yīng)，不宜采取間歇操作。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)器所需容積即制藥工程與設(shè)備專家講座第36頁(yè)零級(jí)反應(yīng)：一級(jí)反應(yīng)：二級(jí)反應(yīng)：用圖形表示以下制藥工程與設(shè)備專家講座第37頁(yè)4.多釜串連反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，N個(gè)等容積串聯(lián)釜，可由多釜串聯(lián)設(shè)計(jì)式求得在每一釜中停留時(shí)間為：若令平推流反應(yīng)器需要容積與多釜串聯(lián)反應(yīng)器需要容積之比稱為多釜串連反應(yīng)器容器效率，則多釜串聯(lián)反應(yīng)器容積效率為：制藥工程與設(shè)備專家講座第38頁(yè)將上式繪圖以下由圖可見，N=1，即單個(gè)連續(xù)釜η最?。籒=∞,即當(dāng)釜數(shù)為無(wú)限多時(shí)，η＝1，多釜串聯(lián)總?cè)莘e就等于理想管式反應(yīng)器容積。當(dāng)釜數(shù)少時(shí)，增加釜數(shù)，η增加較大，當(dāng)釜數(shù)較多時(shí)，再增加釜數(shù)，效果越來越小。在生產(chǎn)中，釜數(shù)普通不超出4個(gè)。制藥工程與設(shè)備專家講座第39頁(yè)總而言之，對(duì)簡(jiǎn)單反應(yīng)，選擇反應(yīng)器型式標(biāo)準(zhǔn)：1.對(duì)零級(jí)反應(yīng)，選取單個(gè)連續(xù)釜和管式反應(yīng)器需要容積相同，而間歇釜因有輔助時(shí)間和裝料系數(shù)，需要容積較大。2.反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，轉(zhuǎn)化率越高，單個(gè)連續(xù)釜需要容積越大，可采取管式反應(yīng)器。如反應(yīng)熱效應(yīng)很大，為了控制溫度方便，可采取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(shí)，采取間歇反應(yīng)釜。4.氣相或液相反應(yīng)，反應(yīng)快，采取管式反應(yīng)器。5.液相反應(yīng)，反應(yīng)級(jí)數(shù)低，要求轉(zhuǎn)化率不高，或自催化反應(yīng)，可采取單個(gè)連續(xù)操作攪拌釜。制藥工程與設(shè)備專家講座第40頁(yè)二、復(fù)雜反應(yīng)1.平行反應(yīng)設(shè)A分解反應(yīng)為一平行反應(yīng)：反應(yīng)速度方程式為：則選擇率在一定反應(yīng)溫度下，k1、k2都是常數(shù)，即大，就要使大，當(dāng)（即主反應(yīng)級(jí)數(shù)較高）時(shí)，則CA大，R收率高，反之，時(shí)，則CA小，R收率高。制藥工程與設(shè)備專家講座第41頁(yè)要使CA保持較高，可采取以下方法：①采取間歇釜或管式反應(yīng)器；②采取較低單程轉(zhuǎn)化率；③用濃度較高原料。要使CA保持較低，可采取以下方法：①采取全混釜，并使轉(zhuǎn)化率高些；②用部分反應(yīng)后物料循環(huán)，以降低進(jìn)料中反應(yīng)物濃度；③加入惰性稀釋劑。當(dāng)時(shí)，＝常數(shù)，與濃度無(wú)關(guān)，所以反應(yīng)器型式不影響R收率，此時(shí)，只能靠改變反應(yīng)溫度或催化劑來提升R收率。制藥工程與設(shè)備專家講座第42頁(yè)2.連串反應(yīng)比如：若反應(yīng)速度為則選擇性當(dāng)R是目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)，要使R收率高，即大，就要設(shè)法使CA大，CR小，可采取間歇釜，管式反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器。當(dāng)S是目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)，要使S收率高，即小，就要設(shè)法使CA小，CR大，可采取單個(gè)連續(xù)釜。

制藥工程與設(shè)備專家講座第43頁(yè)3.連串—平行反應(yīng)對(duì)A來說是串聯(lián)反應(yīng)：對(duì)B來說是平行反應(yīng)：若R為目標(biāo)產(chǎn)物，則應(yīng)控制B加入速度，掌握好反應(yīng)時(shí)間，使R收率最高。制藥工程與設(shè)備專家講座第44頁(yè)三、全混釜與管式反應(yīng)器配合使用

當(dāng)反應(yīng)速度隨反應(yīng)物濃度改變出現(xiàn)最大值時(shí)，最好采取全混釜使反應(yīng)在反應(yīng)速度最大濃度下進(jìn)行，然后再用管式反應(yīng)器使反應(yīng)到達(dá)最終轉(zhuǎn)化率，這么可使反應(yīng)器需要容積最小。如自催化反應(yīng)：產(chǎn)物R起著催化作用，所以反應(yīng)速度開始伴隨反應(yīng)物濃度A下降而增大，到達(dá)最大值后，隨A濃度下降而減小，這么，就能夠先用一個(gè)全混釜使反應(yīng)在最適宜CA下進(jìn)行，再串聯(lián)一個(gè)管式反應(yīng)器，將CA降低到最終轉(zhuǎn)化率要求。制藥工程與設(shè)備專家講座第45頁(yè)第四節(jié)停留時(shí)間分布及其測(cè)定

一、停留時(shí)間分布數(shù)學(xué)描述

1.分布密度函數(shù)與分布函數(shù)

假如在某瞬間（τ=0）同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器N份物料，經(jīng)過時(shí)間τ后，在設(shè)備出口處開始測(cè)定，測(cè)定時(shí)間段，總共測(cè)定出物料有ΔN份，則停留時(shí)間為物料占進(jìn)料分率為：

制藥工程與設(shè)備專家講座第46頁(yè)上式為離散型停留時(shí)間分布，假如將觀察時(shí)間間隔縮短到非常小，得到將是一條連續(xù)停留時(shí)間分布曲線，以下列圖所表示。

圖中曲線下微小面積表示停留時(shí)間在τ和τ＋dτ之間物料占τ＝0時(shí)進(jìn)料分率，其中E（τ）稱為停留時(shí)間分布密度函數(shù)，

制藥工程與設(shè)備專家講座第47頁(yè)顯然有：

若停留時(shí)間從范圍內(nèi)物料占進(jìn)料中分率為F（τ）表示，則F（τ）稱為停留時(shí)間分布函數(shù)。它定義是針對(duì)出口物料中，已在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間小于τ物料在進(jìn)料中所占分率。

制藥工程與設(shè)備專家講座第48頁(yè)用圖形表示以下制藥工程與設(shè)備專家講座第49頁(yè)2.停留時(shí)間分布函數(shù)特征值

1.平均停留時(shí)間

概率中數(shù)學(xué)期望代表平均值，所以平均停留時(shí)間可用下式表示：

或平均停留時(shí)＝V有效容積/反應(yīng)器體積流量

用數(shù)學(xué)期望求得平均停留時(shí)間與用VR/v求得比較，更能代表實(shí)際情況。

制藥工程與設(shè)備專家講座第50頁(yè)2.方差

概率分布中，離差平方平均值稱為方差，它表示隨機(jī)變量取值分散程度，所以停留時(shí)間分布函數(shù)方差為：方差表示停留時(shí)間分布曲線離散程度，越大，停留時(shí)間分布越分散，返混程度越大。制藥工程與設(shè)備專家講座第51頁(yè)3.以無(wú)因次時(shí)間表示停留時(shí)間分布

為了方便起見，常采取用θ表示停留時(shí)間分布。，稱為無(wú)因次停留時(shí)間。此時(shí)有以下三種關(guān)系。①平均停留時(shí)間制藥工程與設(shè)備專家講座第52頁(yè)②分布密度函數(shù)E（θ）與分布函數(shù)F（θ）

因?yàn)橥Ａ魰r(shí)間在區(qū)間內(nèi)粒子，其無(wú)因次停留時(shí)間必在區(qū)間內(nèi)，所以有：于是可得：制藥工程與設(shè)備專家講座第53頁(yè)③方差

制藥工程與設(shè)備專家講座第54頁(yè)以后將會(huì)證實(shí)，平推流（沒有返混），全混流（返混最大），中間流（返混介于兩種理想流型之間）。所以，用評(píng)價(jià)停留時(shí)間分布離散程度要比明確，它能夠定量地描述流動(dòng)情況偏離理想流動(dòng)程度。制藥工程與設(shè)備專家講座第55頁(yè)二、停留時(shí)間分布測(cè)定

1．脈沖法測(cè)定

當(dāng)設(shè)備內(nèi)物料流動(dòng)到達(dá)定常態(tài)后，在某瞬間將示蹤劑一次注入進(jìn)料中，同時(shí)開始分析出口物料中示蹤劑濃度改變。因?yàn)樗查g注入示蹤劑量極少，其加入不會(huì)影響原來流況，所以示蹤劑停留時(shí)間分布就是物料停留時(shí)間分布。即，所以制藥工程與設(shè)備專家講座第56頁(yè)2.階躍法測(cè)定

使物料（不含示蹤劑，稱為流體1）以定常流量流過反應(yīng)器，自某瞬間（τ＝0）起，突然將其切換為含示蹤劑濃度為C0物料（稱為流體2），并保持流量不變，同時(shí)開始測(cè)定出口處示蹤劑濃度隨時(shí)間改變。作業(yè)：P45/15，17，19

制藥工程與設(shè)備專家講座第57頁(yè)第五節(jié)流動(dòng)模型與停留時(shí)間分布一、理想流動(dòng)模型停留時(shí)間分布1.平推流模型有或

,

制藥工程與設(shè)備專家講座第58頁(yè)2.全混流模型設(shè)反應(yīng)器容積為物料體積流量為到達(dá)定常流動(dòng)后，從某瞬間開始，將進(jìn)料切換為含有示蹤劑（濃度為C0）物料，在切換時(shí)間內(nèi)，對(duì)全釜作物料衡算。進(jìn)入示蹤劑量－離開示蹤劑量＝積累示蹤劑量分離變量積分得：

制藥工程與設(shè)備專家講座第59頁(yè)二、描述非理想流動(dòng)得模型多釜串聯(lián)模型用幾個(gè)等容積全混釜得串聯(lián)來模擬實(shí)際反應(yīng)器中流動(dòng)情況，即假設(shè)實(shí)際反應(yīng)器中得返混程度與N個(gè)等容積全混釜串聯(lián)時(shí)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)模型模型參數(shù)。另外，多釜串聯(lián)模型還假設(shè)N個(gè)虛擬釜總?cè)莘e等于實(shí)際反應(yīng)器容積，所以每個(gè)虛擬釜中停留時(shí)間為實(shí)際反應(yīng)器中停留時(shí)間1/N。制藥工程與設(shè)備專家講座第60頁(yè)對(duì)系統(tǒng)加入脈沖示蹤劑A后，對(duì)每個(gè)釜作示蹤劑物料衡算。最終可得出：其方差為：可見，當(dāng)N＝1時(shí)，即為全混流模型。時(shí)，即為平推流模型

當(dāng)制藥工程與設(shè)備專家講座第61頁(yè)多釜串聯(lián)模型E（θ）曲線多釜串聯(lián)模型F（θ）曲線當(dāng)實(shí)際反應(yīng)器中流動(dòng)情況偏離平推流或全混流模型不大時(shí)，可試驗(yàn)測(cè)出其停留時(shí)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)器公式計(jì)算轉(zhuǎn)化率。制藥工程與設(shè)備專家講座第62頁(yè)例：制藥工程與設(shè)備專家講座第63頁(yè)制藥工程與設(shè)備專家講座第64頁(yè)第二章攪拌釜式反應(yīng)器

制藥工程與設(shè)備專家講座第65頁(yè)第一節(jié)攪拌釜中流動(dòng)與混合一、混合效果度量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平均濃度（體積％）分別為，；，。經(jīng)過一定時(shí)間攪拌后，在容器中各處取樣分析，若混合均勻，則混合液中各處A、B濃度均分別為CA0、CB0；若混合還未均勻，則各處濃度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。

制藥工程與設(shè)備專家講座第66頁(yè)令：當(dāng)（CA<CA0時(shí)）（當(dāng)CA>CA0時(shí)）

或稱為均勻度。顯然，當(dāng)混合均勻時(shí)I＝1；不均勻時(shí)，I<1。I偏離1越遠(yuǎn)，反應(yīng)了混合越不均勻。所以，均勻度能夠表示混合狀態(tài)偏離均勻狀態(tài)程度。若同時(shí)在混合液中各處取m個(gè)樣品，分別測(cè)出CA值，求得I值，則混合液平均均勻度應(yīng)為，可用來度量全部液體混合效果。制藥工程與設(shè)備專家講座第67頁(yè)2.宏觀均勻與微觀均勻ab同一個(gè)混合狀態(tài)，其均勻度是隨取樣尺寸而變得。就上述兩種狀態(tài)，就設(shè)備尺寸來說，二者都是均勻，稱為宏觀均勻；從微團(tuán)尺度上來說，二者含有不一樣均勻度；從分子尺度上來說，二者都是不均勻。只有當(dāng)微團(tuán)消失，才能到達(dá)分子尺度上均勻，即微觀均勻。制藥工程與設(shè)備專家講座第68頁(yè)二、混合機(jī)理1.總體流動(dòng)——宏觀均勻

2.湍動(dòng)程度——微觀均勻三、提升混合效果辦法1.消除打旋現(xiàn)象（1）加設(shè)擋板全擋板條件（即使再增加附件，攪拌器功率也不會(huì)增大）即：制藥工程與設(shè)備專家講座第69頁(yè)（2）偏心安裝2.加設(shè)導(dǎo)流筒釜中設(shè)置導(dǎo)流筒，能夠嚴(yán)格地控制流動(dòng)方向，使釜內(nèi)全部物料均經(jīng)過導(dǎo)流筒內(nèi)強(qiáng)烈混和區(qū)，既提升了混和效果，又有利于消除短路和死區(qū)。四、攪拌功率與混和效果為了到達(dá)宏觀上均勻，必須有足夠強(qiáng)大總體流動(dòng)，即流量要足夠大；為了到達(dá)小尺度上均勻，必須提升總流湍動(dòng)程度，即壓頭要足夠大?？梢姡瑸榱说竭_(dá)一定混和效果，攪拌器必須提供足夠大流量V和壓頭H，即必須向攪拌器提供足夠功率P（P=ρgVH）。制藥工程與設(shè)備專家講座第70頁(yè)影響攪拌功率幾何原因有：攪拌器直徑d攪拌器葉片數(shù)、形狀以及葉片長(zhǎng)度l和寬度B容器直徑D；容器中所裝液體高度h；攪拌器距離容器底部距離h1；擋板數(shù)目及寬度b；對(duì)于特定攪拌器，通常以攪拌器直徑d為特征尺寸，而把其它幾何尺寸以無(wú)因次對(duì)比變量來表示。，

······影響攪拌功率物理原因有：液體密度ρ、粘度μ、攪拌器轉(zhuǎn)速n等。制藥工程與設(shè)備專家講座第71頁(yè)由上述可知，對(duì)安裝擋板攪拌裝置，攪拌功率P應(yīng)是ρ、μ、n、d以及······等函數(shù)，即

式中共含5個(gè)有因次物理量，依據(jù)定理（該過程無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)數(shù)目I等于變量數(shù)與基本因次數(shù)之差。此題為5－3＝2），若選定因次獨(dú)立三個(gè)物理量ρ、n、d作為初始變量，利用因次分析法可將上式化為無(wú)因次形式。式中稱為功率準(zhǔn)數(shù)K；

稱為攪拌雷諾數(shù)ReM。制藥工程與設(shè)備專家講座第72頁(yè)對(duì)于一系列幾何相同攪拌裝置，對(duì)比····變量都為一常數(shù)。上式可化間為或

其中

這么，在特定攪拌裝置上，由上式安排試驗(yàn)不難測(cè)得準(zhǔn)數(shù)K與攪拌雷諾數(shù)關(guān)系。當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入充分湍流區(qū)時(shí)，即ReM>104，K為與Re無(wú)關(guān)常數(shù)。此時(shí)攪拌功率制藥工程與設(shè)備專家講座第73頁(yè)攪拌器流量取決于面積速度乘積，即

而攪拌器在湍流區(qū)功率為

再由

可知

所以

在攪拌功率一定情況下，為一定值，則

將上述關(guān)系分別代入（1）中，得

制藥工程與設(shè)備專家講座第74頁(yè)上式表明，在等功率條件下，采取大直徑、低轉(zhuǎn)速得攪拌器，更多功率消耗于總體流動(dòng)，有利于宏觀混和；采取小直徑、高轉(zhuǎn)速攪拌器，則更多功率消耗于湍動(dòng)，有利于小尺度上混和五、混和時(shí)間依據(jù)研究，混和時(shí)間大致等于釜內(nèi)物料循環(huán)時(shí)間4倍，即式中：混和時(shí)間

秒或小時(shí)；VR裝料容積

m3；V攪拌器流量（泵送能力）m3/h或m3/s；攪拌器流量與其直徑3次方和轉(zhuǎn)速1次方成正比，即在湍流區(qū)，對(duì)一定幾何形狀槳葉，其KV值為一常數(shù)

制藥工程與設(shè)備專家講座第75頁(yè)第二節(jié)攪拌器選型與放大了解相關(guān)工藝過程對(duì)于攪拌器液體流型、循環(huán)量及壓頭大小等方面要求，從而定出葉輪尺寸和轉(zhuǎn)速大小合理配合。一、攪拌器型式a.螺旋槳式攪拌器特點(diǎn)：高轉(zhuǎn)速，葉端圓周速度普通為5～15m/s。適合用于粘度小于2Pa?s液體攪拌。液體作軸向和切向運(yùn)動(dòng)，需安裝擋板抑制切向圓周運(yùn)動(dòng)。這種流動(dòng)總體流動(dòng)湍動(dòng)程度不高，但循環(huán)量大，所以適合用于以宏觀混和為目標(biāo)攪拌過程，尤其適合用于要求容器上下均勻場(chǎng)所。1.高轉(zhuǎn)速攪拌器制藥工程與設(shè)備專家講座第76頁(yè)b.渦輪式攪拌器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速較高，葉端圓周速度普通為3～8m/s，適合用于粘度小于50Pa?s液體攪拌，液體作徑向和切向運(yùn)動(dòng)，并以很高速度由出口沖出，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(dòng)。必須安裝擋板抑制切向圓周運(yùn)動(dòng)。與推進(jìn)式攪拌器相比，它所造成總體流動(dòng)回路較為波折，出口絕對(duì)速度大，槳葉邊緣附近湍動(dòng)程度大。更適應(yīng)于要求小尺度均勻攪拌。制藥工程與設(shè)備專家講座第77頁(yè)特點(diǎn)：垂直安裝槳葉（平槳）可使液體沿徑向和切向運(yùn)動(dòng)，可用于簡(jiǎn)單液體混合、固體懸浮和溶解以及氣體分散。但軸向流動(dòng)范圍小，故當(dāng)釜內(nèi)液位較高時(shí)，應(yīng)在同一根軸上安裝幾個(gè)槳葉攪拌器或于螺旋攪拌器配合使用。因徑向范圍大，適合用于高粘度液體攪拌。a.槳式攪拌器2.大葉片低轉(zhuǎn)速攪拌器制藥工程與設(shè)備專家講座第78頁(yè)b.框式和錨式攪拌器特點(diǎn)：其產(chǎn)生剪切作用很小，但攪動(dòng)范圍很大，不會(huì)產(chǎn)生死區(qū)，適合用于高粘度液體攪拌。c.螺帶式攪拌器特點(diǎn)：因在攪拌時(shí)會(huì)產(chǎn)生液體軸向流動(dòng)，所以混合效果較框式和錨式為好。制藥工程與設(shè)備專家講座第79頁(yè)二、攪拌器選型低粘度均相液體混合普通攪拌器均可，推進(jìn)式循環(huán)速率大且消耗動(dòng)力少，最適用；槳式轉(zhuǎn)速低，消耗功率小，但混合效果不佳；渦輪式剪切作用強(qiáng)，但功率消耗大。2.分散（非均相液體混合）渦輪式攪拌器剪切作用和循環(huán)速率大，用于這類操作效果最好。尤其是平直比折葉和彎葉更適當(dāng)。而彎葉渦輪能夠節(jié)約動(dòng)力。制藥工程與設(shè)備專家講座第80頁(yè)3.固體懸浮4.固體溶解低粘度液體、輕易沉降——渦輪式攪拌器（開啟）固液比重差小，不易沉降——推進(jìn)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(jìn)式制藥工程與設(shè)備專家講座第81頁(yè)5.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(jìn)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；制藥工程與設(shè)備專家講座第82頁(yè)三、攪拌器放大保持?jǐn)嚢枥字Z數(shù)不變不變，即2.保持葉端圓周速度nπd不變3.保持單位體積所消耗攪拌功率P/V不變?cè)谕牧鲄^(qū)域，，則制藥工程與設(shè)備專家講座第83頁(yè)4.保持傳熱膜系數(shù)不變通用傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：對(duì)于采取相同流體和溫度幾何相同系統(tǒng)可得：注意：在保持傳熱膜系數(shù)不變情況下放大，葉端圓周速度和P/V等主要變量改變都不大，而這三者對(duì)于間歇反應(yīng)器是尤為主要。制藥工程與設(shè)備專家講座第84頁(yè)結(jié)論：至于詳細(xì)攪拌過程終究采取哪個(gè)放大準(zhǔn)則比較適當(dāng)，需經(jīng)過逐層放大試驗(yàn)來確定。在幾個(gè)（普通為3個(gè)）幾何相同大小不一樣試驗(yàn)裝置中，改變攪拌器轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，以取得一樣滿意生產(chǎn)效果，然后按上述標(biāo)準(zhǔn)判定哪個(gè)較為適用，并據(jù)此放大準(zhǔn)則外推求出大型攪拌裝置尺寸和轉(zhuǎn)速等。例見書。制藥工程與設(shè)備專家講座第85頁(yè)第三節(jié)攪拌功率一、均相液體攪拌功率設(shè)有一片槳葉經(jīng)過液體作運(yùn)動(dòng)，液體與槳葉相對(duì)速度以平均速度表示，則作用于槳葉力為：

（《化工原理》，）因?yàn)楣视锌朔肆λ韫β实扔诹Τ艘云骄俣龋杭粗扑幑こ膛c設(shè)備專家講座第86頁(yè)將攪拌功率除以稱為功率準(zhǔn)數(shù)，以NP表示（有時(shí)也用K表示）因?yàn)閯t有與流體在管道中流動(dòng)類似，應(yīng)與攪拌器型式和流體流動(dòng)相關(guān)，所以有：制藥工程與設(shè)備專家講座第87頁(yè)其中

對(duì)于一定型式攪拌器，則有此時(shí)如前節(jié)所述。依據(jù)Re大小，攪拌釜內(nèi)流動(dòng)情況分為層流、過渡流和湍流，假如用函數(shù)來表示，就可對(duì)每一個(gè)指定型式攪拌器功率曲線分段求出攪拌功率關(guān)聯(lián)式。制藥工程與設(shè)備專家講座第88頁(yè)層流區(qū)（Re<10）不一樣型式攪拌器功率曲線都成直線，且斜率相同，m=-1；同一型式幾何相同攪拌器，不論有沒有擋板，其NP～Re在同一直線上，即擋板對(duì)攪拌功率無(wú)影響。

將與結(jié)合，有2.完全湍流區(qū)（Re>104）無(wú)擋板時(shí)，因自由表面下降成漏斗狀，空氣被吸入液體中，使液體密度減小，所以攪拌功率消耗降低，NP隨Re增大而減小，其功率消耗可由功率曲線求得。制藥工程與設(shè)備專家講座第89頁(yè)有擋板時(shí)，NP與Re無(wú)關(guān)，即NP＝K有

此時(shí)K值是在情況下測(cè)得，如實(shí)際設(shè)備中則應(yīng)校正：其中

普通情況下，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。制藥工程與設(shè)備專家講座第90頁(yè)二、非均相液體攪拌功率對(duì)于非均相液體，先算出平均密度和平均粘度，再按均相液體方法來計(jì)算攪拌功率。液液相攪拌a.平均密度其中代表體積分率，下標(biāo)代表不一樣液體。b.平均粘度當(dāng)兩項(xiàng)液體粘度均較小時(shí)：制藥工程與設(shè)備專家講座第91頁(yè)2.氣液相攪拌攪拌釜中通入空氣，因?yàn)閿嚢杵髦車后w密度減小，攪拌需要功率顯著下降，其降低程度與通氣量Q（m3/min）及循環(huán)量V（m3/min）相關(guān)。因?yàn)樗詰T用通氣準(zhǔn)數(shù)來關(guān)聯(lián)通氣對(duì)攪拌功率影響。有下面3種方法：關(guān)聯(lián)式：Na<0.035Na>0.035其中，分別代表通氣與不通氣時(shí)攪拌功率。

制藥工程與設(shè)備專家講座第92頁(yè)b.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(jì)算式：對(duì)于密度800～1650kg/m3、粘度9*10－4～0.1Pa·S，表面張力7.35～729N/m液體，有以下就算公式：，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=3時(shí)，Kg＝0.157；當(dāng)D/d=2.5時(shí)，Kg＝0.113；當(dāng)D/d=2時(shí)，Kg＝0.101；此式適合用于渦輪攪拌器、多層攪拌器及非牛頓液體攪拌場(chǎng)所。制藥工程與設(shè)備專家講座第93頁(yè)d.準(zhǔn)數(shù)方程式：此式適合用于各種情況。3.固液相攪拌當(dāng)固體顆粒量不大時(shí)，可近似地看作是一均一懸浮狀態(tài)。取平均密度和粘度來代替原有液相密度和粘度，按均相液體攪拌進(jìn)行計(jì)算。制藥工程與設(shè)備專家講座第94頁(yè)平均密度：其中代表體積分率，下標(biāo)代表液體和固體

平均粘度：當(dāng)當(dāng)液相粘度；固體顆粒于液體體積比。制藥工程與設(shè)備專家講座第95頁(yè)三、非牛頓液體攪拌功率因牛頓液體服從牛頓粘性定律，即：

非流頓型液體，普通遵照Ostwald冪指數(shù)規(guī)律，即當(dāng)m=1，K＝當(dāng)m<1，稱為假塑性液體；大多數(shù)高聚物溶液等。當(dāng)m>1，稱為脹塑性液體；固體含量高懸浮液等為牛頓型液體制藥工程與設(shè)備專家講座第96頁(yè)按照粘度定義，對(duì)非牛頓液體仍可定義剪切應(yīng)力與剪切率比值，稱為表觀粘度，以表示：假塑性液體，表觀粘度隨剪切率增大而減?。幻浰苄砸后w，表觀粘度隨剪切率增大而增大。而攪拌器內(nèi)平均剪切率與攪拌器轉(zhuǎn)速成正比：帶入上式有：用計(jì)算得到平均表觀粘度帶入Re中，即于是就能夠利用計(jì)算牛頓液體攪拌功率關(guān)聯(lián)式來求出實(shí)際介質(zhì)中攪拌功率。制藥工程與設(shè)備專家講座第97頁(yè)第四節(jié)攪拌釜傳熱一、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)影響溫度對(duì)反應(yīng)速率影響由阿累尼烏斯經(jīng)驗(yàn)式：式中活化能E不但是反應(yīng)難易程度衡量，也是反應(yīng)速度對(duì)溫度敏感性標(biāo)志。上式取對(duì)數(shù)：如將lnk對(duì)1/T作圖則為一直線。制藥工程與設(shè)備專家講座第98頁(yè)有以下結(jié)論：a.活化能大反應(yīng)，反應(yīng)速率對(duì)溫度較敏感，活化能小反應(yīng)，不太敏感；b.對(duì)一定反應(yīng)（E值一定），低溫時(shí)反應(yīng)速度對(duì)溫度敏感，高溫時(shí)不太敏感。制藥工程與設(shè)備專家講座第99頁(yè)對(duì)于簡(jiǎn)單反應(yīng)，反應(yīng)速度是溫度、濃度函數(shù)。比如，對(duì)于簡(jiǎn)單可逆放熱反應(yīng)，在濃度不變情況下，伴隨溫度增大，反應(yīng)速率增大，而當(dāng)溫度增大到一定程度，此時(shí)逆反應(yīng)占優(yōu)，總反應(yīng)速率反而下降，故在濃度不變情況下，反應(yīng)速率對(duì)反應(yīng)溫度存在一最大值，亦即存在最正確反應(yīng)溫度。以下列圖其中任一一條曲線。假如對(duì)于濃度改變非穩(wěn)態(tài)操作，假如使?jié)舛雀淖?，使反?yīng)溫度伴隨對(duì)應(yīng)濃度最正確反應(yīng)溫度改變，則反應(yīng)速率一直處于最大狀態(tài)，則反應(yīng)容積最小。制藥工程與設(shè)備專家講座第100頁(yè)對(duì)于不可逆反應(yīng)和可逆吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速度總是伴隨溫度升高而加緊，他們最正確溫度也是工藝上所允許最高溫度。制藥工程與設(shè)備專家講座第101頁(yè)2.溫度對(duì)選擇性影響對(duì)平行反應(yīng)：若反應(yīng)速度為則選擇率：可見，當(dāng)E1>E2時(shí)，溫度升高，選擇性增大；當(dāng)E1<E2時(shí)，溫度升高，選擇性減小。所以，提升溫度有利于活化能大反應(yīng)；降低溫度，有利于活化能小反應(yīng)。制藥工程與設(shè)備專家講座第102頁(yè)二、攪拌釜傳熱裝置夾套假如是加熱介質(zhì)是水蒸氣，進(jìn)口管應(yīng)靠近夾套上端，冷凝液從底部排除；假如傳熱介質(zhì)是液體，則進(jìn)口管安排在底部。夾套高度普通應(yīng)比釜內(nèi)液面高出50～100mm，以確保充分傳熱。夾套上端開有不凝氣排出口。2.蛇管當(dāng)需要傳熱量大時(shí)，或釜體內(nèi)襯有橡膠、瓷磚等隔熱材料而不能采取夾套傳熱時(shí)，可采取蛇管傳熱。蛇管浸在物料中，熱損失小，傳熱效果好。排列密集蛇管能起到導(dǎo)流筒和擋板作用，強(qiáng)化攪拌，提升傳熱效果。但蛇管檢修麻煩，對(duì)含有固體顆粒物料和粘稠物料輕易堆積和掛料，以至于影響傳熱效果。制藥工程與設(shè)備專家講座第103頁(yè)三、攪拌釜傳熱計(jì)算釜內(nèi)物料與夾套（蛇管）內(nèi)物料之間傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算：釜側(cè)傳熱膜系數(shù)普通是將包含釜側(cè)傳熱膜系數(shù)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)成以下函數(shù)式：制藥工程與設(shè)備專家講座第104頁(yè)關(guān)聯(lián)式中為校正項(xiàng)。分別為流體在釜內(nèi)總體溫度下與壁面溫度下粘度。L為特征長(zhǎng)度

2.夾套側(cè)傳熱膜系數(shù)當(dāng)夾套內(nèi)通蒸汽時(shí)，蒸汽冷凝膜系數(shù)可取7500W/(m2·K)當(dāng)夾套內(nèi)通冷卻水時(shí)，其傳熱膜系數(shù)可用下式計(jì)算：Re<3600Re>3600制藥工程與設(shè)備專家講座第105頁(yè)3.蛇管側(cè)傳熱膜系數(shù)流體在彎管內(nèi)流動(dòng)，因?yàn)殡x心力作用，擾動(dòng)加速，使傳熱膜系數(shù)較直管內(nèi)增大?？捎孟率接?jì)算：d——蛇管管子內(nèi)徑De——蛇管圈直徑流體在直管內(nèi)傳熱膜系數(shù)流體在蛇管內(nèi)傳熱膜系數(shù)

當(dāng)Re>10000、<0.002Pa·S時(shí)

其定性溫度為進(jìn)出口溫度算術(shù)平均值。制藥工程與設(shè)備專家講座第106頁(yè)當(dāng)粘度較大，且Re>10000、Pr=0.5~100時(shí)

當(dāng)管內(nèi)走冷卻介質(zhì)，可取管內(nèi)走加熱介質(zhì)，可取四.非牛頓液體傳熱膜系數(shù)攪拌介質(zhì)為非牛頓液體時(shí)，計(jì)算傳熱膜系數(shù)關(guān)鍵在于確定被攪拌液體平均表觀粘度?？捎捎?jì)算表觀粘度。然后按計(jì)算牛頓液體相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。制藥工程與設(shè)備專家講座第107頁(yè)第五節(jié)間歇反應(yīng)釜工藝計(jì)算一、反應(yīng)釜物料衡算收率＝選擇性×轉(zhuǎn)化率制藥工程與設(shè)備專家講座第108頁(yè)二、反應(yīng)釜容積與個(gè)數(shù)確實(shí)定給定VT，求n天天需要操作批數(shù)為：而天天每個(gè)反應(yīng)釜可操作批數(shù)為：所以，生產(chǎn)過程中需用反應(yīng)釜個(gè)數(shù)為：通常由上式計(jì)算nP不為整數(shù)，須圓整成整數(shù)，這么反應(yīng)釜生產(chǎn)能力較設(shè)計(jì)要求提升了，其提升程度稱為生產(chǎn)能力后備系數(shù)，以表示，即，后備系數(shù)通常在1.1～1.15為適當(dāng)。制藥工程與設(shè)備專家講座第109頁(yè)2.給定n，求VT如先確定反應(yīng)釜個(gè)數(shù)，則由下式：取1.1～1.15。三、反應(yīng)釜直徑與高度確實(shí)定普通攪拌反應(yīng)釜高度與直徑之比H/D＝1.2左右。釜蓋與釜底采取橢圓形封頭。封頭容積，不包含直邊高度容積在內(nèi)。則有：制藥工程與設(shè)備專家講座第110頁(yè)四、設(shè)備之間平衡通常要求不一樣批號(hào)物料不相混，這么就應(yīng)使各道工序天天操作批數(shù)相同，即為一常數(shù)。制藥工程與設(shè)備專家講座第111頁(yè)第六節(jié)連續(xù)反應(yīng)釜熱穩(wěn)定性一、全混釜熱量平衡在連續(xù)操作反應(yīng)釜內(nèi)，溫度均一且不隨時(shí)間改變，所以，能夠?qū)φ麄€(gè)反應(yīng)釜作單位時(shí)間內(nèi)熱量衡算。即：反應(yīng)放熱速率曲線為了簡(jiǎn)單起見，下面討論一級(jí)不可逆反應(yīng)放熱速率曲線。由全混釜物料衡算式：和速率方程：

代入上式有制藥工程與設(shè)備專家講座第112頁(yè)

代入Qr有2.除熱速率曲線所以，除熱速率與反應(yīng)溫度成直線關(guān)系，隨參數(shù)值不一樣，直線有不一樣斜率和截距。而放熱曲線為S形曲線，二者交點(diǎn)橫坐標(biāo)為穩(wěn)態(tài)操作溫度。伴隨參數(shù)不一樣，反應(yīng)器可有多個(gè)穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)。以下列圖所表示。制藥工程與設(shè)備專家講座第113頁(yè)制藥工程與設(shè)備專家講座第114頁(yè)制藥工程與設(shè)備專家講座第115頁(yè)第三章其它型式反應(yīng)器第一節(jié)管式反應(yīng)器一、管式反應(yīng)器特點(diǎn)、型式和應(yīng)用特點(diǎn)：普通用于連續(xù)操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，單位容積生產(chǎn)能力高，傳熱面積大，耐高壓，易于控制管理。應(yīng)用范圍：普通應(yīng)用于均相反應(yīng)——?dú)庀嗪鸵合唷Ｐ褪剑?.水平或垂直管式反應(yīng)器2.盤管式反應(yīng)器3.U型管式反應(yīng)器制藥工程與設(shè)備專家講座第116頁(yè)二、變溫等容過程管式反應(yīng)器計(jì)算1.等溫等容過程管式反應(yīng)器計(jì)算制藥工程與設(shè)備專家講座第117頁(yè)等溫等容過程反應(yīng)器設(shè)計(jì)，需要聯(lián)解動(dòng)力學(xué)方程式和物料衡算式，而非等溫反應(yīng)，因?yàn)閯?dòng)力學(xué)方程式中反應(yīng)速率伴隨溫度改變而改變，反應(yīng)器內(nèi)溫度改變、與外界熱量交換，需經(jīng)過熱量衡算才能確定。所以設(shè)計(jì)非等溫過程反應(yīng)器，需聯(lián)解動(dòng)力學(xué)方程、物料衡算式和熱量衡算式。

制藥工程與設(shè)備專家講座第118頁(yè)2.變溫等容過程管式反應(yīng)器計(jì)算對(duì)微元體積dV建立熱量衡算，可得：制藥工程與設(shè)備專家講座第119頁(yè)反應(yīng)物經(jīng)過微元體積后熱量改變?yōu)椋簩⑸鲜龈魇酱霟崃亢馑闶接校褐扑幑こ膛c設(shè)備專家講座第120頁(yè)此即平推流管式反應(yīng)器熱量衡算普通式。對(duì)于等溫過程dT=0，有對(duì)于絕熱過程現(xiàn)討論絕熱過程管式反應(yīng)器容積計(jì)算方法。假設(shè)在反應(yīng)器中，過程轉(zhuǎn)化率從改變到，對(duì)應(yīng)于物料溫度從假如忽略反應(yīng)過程中物料摩爾數(shù)改變，則上式積分右邊有：

改變到T，制藥工程與設(shè)備專家講座第121頁(yè)令則有稱為絕熱溫升系數(shù)，其物理意義是當(dāng)物料總進(jìn)料摩爾流量為1時(shí)，反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化后使物料溫度升高度數(shù)。制藥工程與設(shè)備專家講座第122頁(yè)假如知道關(guān)系，結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程和物料衡算式，便可求出到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需管式反應(yīng)器容積。三、等溫變?nèi)葸^程管式反應(yīng)器計(jì)算對(duì)于變?nèi)葸^程，普通總壓改變不大，故能夠視為定壓過程①膨脹因子對(duì)于反應(yīng)：（均為氣相）當(dāng)τ＝0時(shí)nA0nB000當(dāng)τ＝τ時(shí)nAnBnRnS故τ＝0時(shí)反應(yīng)前物系總摩爾數(shù)為制藥工程與設(shè)備專家講座第123頁(yè)而τ＝τ時(shí)反應(yīng)前物系總摩爾數(shù)為若令則則稱為膨脹因子，其物理意義是當(dāng)改變1mol組分A時(shí)，引發(fā)物系摩爾總數(shù)增加或降低值。制藥工程與設(shè)備專家講座第124頁(yè)②等