Transcript 第四章 化学制药反应器
第四章 化学制药反应器 胡世文 一、反应器的分类 1 按物料的聚集状态 2 按操作方式 3 按反应器的结构 按物料的聚集状态 均相反应器：气相（石油气裂解）、 互溶液相（醋酸和乙醇的酯化反应） 非均相反应器：气液相（乙烯和苯反应生成乙苯） 气固相、液固相 液液相、固固相 气液固三相 按操作方式 反应器 间 歇 操 作 反 应 器 连 续 操 作 反 应 器 按反应器的结构 釜式 反应器 移动床 反应器 管式 反应器 反应器 流化床 反应器 塔式 反应器 固定床 反应器 二、反应器计算的基本方程 1 2 3 动力学方程（反应速率方程） 物料衡算方程（质量守恒定律） 热量衡算方程（热量守恒与转换定律） 第二节 间歇炒作釜式反应器 搅拌 反应物A 反应物B 一定配比 间歇 反应器 辅助：加热（或冷 却）测量T、P、加 料口等 生产周期：反应时间＋清洗、拆卸、安装等辅助时间。 特点： ①剧烈的搅拌，混合完全均匀，无浓度梯度存在； ②反应器有足够的传热条件，反应器内无温度梯度； ③物料同时加入，并同时停止反应，所有物料具有相同的 反应时间。 一、釜式反应器 基本结构： ①釜体 ②换热装置 ③搅拌装置 釜体：由壳体和上、下封头组成，其高与直径之比一般在 1~3之间。在加压操作时，上、下封头多为半球形或 椭圆形；而在常压操作时，上、下封头可做为平盖， 为 了放料方便，下底也可做成锥形。 壳体结构 壳体结构包括筒体、底、 盖（或称封头）、手孔 或人孔、视镜及各种工 艺接管口等。 换热装置 搅拌装置 轴封装置 静止的搅拌釜封头和转动的搅拌轴之间设有搅拌轴 密封装置，简称轴封，以防止釜内物料泄漏。 平面形：适用于常压或压力不高时； 碟 形：应用较广。 球 形：适用于高压场合； 椭圆形：应用较广，2：1标准椭圆。 锥 形：通常指底，适用于液液、固液反应后物料需 要分层处理的场合。 换热装置 特点 优点：结构简单，加工方便，传质、传热效率高，适 应性强，操作弹性大，连续操作时温度、浓度易控制，产品 质量均一，适于多品种、小批量生产。适用范围广泛，投资 少，投产容易，可以方便地改变反应内容。 缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一 致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气 液、气液固反应等。 二、间歇操作釜式反应器的大小和数量 已知条件 每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0） VD GD 或 V0=FA0/CA0=W0/ρ 操作周期——指生产第一线一批料的全部操作时间，由反应时间 （生产时间）τ和非生产时间τ‘ 组成。 反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情定。 设备装料系数——设备中物料所占体积与设备实际容积之比，其具 体数值根据实际情况而变化。 计算方法 1、已知V0与 ，根据已有的设备容积V，求算需用设备个数n 按设计任务每天需要操作的总次数为： 每个设备每天能操作的批数为： 则需用设备个数为： n ' 24V0 24V0 VR V 24 24 t ' V0 ( ') V VR V V0 ' / n ' n’需取整数n ， n ＞ n’ 。因此实际设备总能力比设计 要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示， 则： n 100% n' 2、已知每小时处理物料体积V0与操作周期 ' 要设备的总容积为： V V ( ') nV R总 0 ，则需 求得设备总容积后，可查得系列设备标准选用决定设备的容 积V和个数n。 例4-1、4-2讲解 第三节 连续操作釜式反应器和半间 歇操作釜式反应器 一、单个连续操作釜式反应器 ①连续操作，属于稳定流动。物 料的积累项为零。 ②定常态，T、CA 、(-rA)处处均 一，不随时间而变，且与出口 处完全相同。 ③物料粒子在反应器内的停留时 间不同。 整个反应都在较低的反应物浓度下进行。 物料衡算 进入有效体积 离开有效体积 有效体积内参加 0 的反应物量 的反应物量 反应的反应物量 进入反应器反应物量-离开反应器反应物量-反应器内转化 掉反应物量＝0 FA0 FA0 (1 x Af ) (r A ) V R 0 FA0 FA0 (1 x Af ) (r A )V R 0 物料在反应釜内的 平均停留时间为: V R F A0 xA ( rA ) xA F A0 VR ( rA ) xA C A0 V0 V0 ( rA ) 反应器体积计算式： VR v0 c A0 xA (rA ) 对于一级反应： (rA ) kc A kc A0 (1 x Af ) V R v 0 v 0 c A0 x Af (rA ) v 0 c A0 x Af kc A0 (1 x Af ) v0 对于等容二级反应： (rA ) kc A k c A0 (1 x Af ) 2 V R v 0 v 0 c A0 例4-4讲解 x Af (rA ) v 0 c A0 x Af x Af k (1 x Af ) 2 x Af v0 2 2 kc A0 (1 x Af ) 2 kc A0 (1 x Af ) 二、半间歇操作的几种形式 1.半间歇操作的特点 (1).与间歇操作一样，是一个非稳态过程 (2).与间歇操作不同之处：反应混合液的体积随时间而变化。 A的流入量 qn A0 qVcA0 反应量 -rAV 浓度cA 体积V A的流出量 q n A q v cA 2.半间歇反应器的操作方法 (1)将两种或两种以上的反应物、或其中的一些组分一次性 放入反应器中，然后将某一种反应物连续加入反应器。 特点：可控制加入成分在反应器中的浓度，便于控制反 应速率 (2)将反应物料一次性加入反应器，在反应过程中将某个产 物连续取出。 特点：可以使反应产物维持在低浓度水平（利于可逆反 应向生成产物的正方向进行；防止分泌产物对微生物生 长的抑制作用） 第四节 釜式反应器的搅拌器 一、概述 均匀液相的混合 液液分散 搅拌 目的 气液相分散 固液相分散 固体溶解 强化传热 物料分散良好、迅速 物料混合充分、没有死角 搅拌 要求 给热系数足够大，保证传热效果良好 固液相分散 通过搅拌作用使传质速率达到合适的数值 二、常用搅拌器的形式及性能特征 （a）浆式搅拌器； （b）框式搅拌器； （c）锚式搅拌器； （d）旋桨式搅拌器； （e）涡轮式搅拌器； （f）螺带式搅拌器 均属于低速搅拌器， 具有结构简单，制造 方便 浆式搅拌器 桨叶总长可取为 釜体内径的1/3 ~ 2/3，不宜过 长，转速可达 20~80r/min 框式搅拌器 框的宽度可取釜内 径的0.9~0.98倍，可 以防止物料附在釜壁 上。转速较低，一般 都小于100r/min。 锚式搅拌器 锚式搅拌器转动时几 乎触及釜体的内壁， 可及时刮除壁面沉积 物，有利于传热。此 种搅拌器适用于粘稠 物料的搅拌，转速可 为15~80r/min。 旋桨式搅拌器 转速为400~500r/min：粘度 ≥0.5Pa·S液体，转速<400r/min; 粘性液体以及含有悬浮物或可 形成泡沫的液体，转速应在 150～400r/min之间。 旋桨式搅拌器结构简单、制 造方便、可在较小的功率消耗 下得到高速旋转的优点，但在 搅拌粘度达0.4Pa·S以上的液体 时，搅拌效率不高。 涡轮式搅拌器 涡轮搅拌器由一个或数个装在直轴上的 涡轮所构成。其操作形式类似于离心泵 的叶轮，当涡轮旋转时，液体经由中心 沿轴被吸入，在离心力作用下，沿叶轮 间通道，由中心甩向涡轮边缘，并沿切 线方向以高速甩出，而造成剧烈的搅拌。 适用于大量液体的连续搅拌操作，除稠 厚的浆糊状物料外，几乎可应用于任何 情况。 缺点:生产成本较高。 螺带式搅拌器 三、搅拌器的选型 根据物料的性质、物料混合程度以及能耗等因素选择适宜 的搅拌器。 低粘性均相液体混合，可选用任何形式的搅拌器； 非均相液体分散混合，选用旋桨式、涡轮式搅拌器为好； 有固体悬浮物存在，固液密度差较大时，选用涡轮式搅拌 器；固液密度差较小时，选用桨式搅拌器； 粘稠性很大的液体混合，选用锚式搅拌器 需要更大搅拌强度或需使被搅拌液体作上、下翻腾运动的 情况，可在反应器内再装设横向或竖向挡板及导向筒等。 第五节 搅拌釜式反应器的传热 一、夹套式换热器 结构简单，但传热面积小，传热效率低。为提高传热 效率，可在釜内安装搅拌器.蛇管。广泛用于反应过程的加 热、冷却。 二、蛇管换热器 沉浸在盛有被加热或被冷却介质容器中，两种流 体分别在管内、外进行换热。 优点：结构简单、造价低廉、操作敏感性较小， 管子可承担较大的流体介质压力。常用于高压 流体的冷却，以及反应器的元件。 缺点：管外流体流速小，传热系数小，传热效 率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。 三、常用的加热剂和冷却剂 1.常用加热剂 高压饱和水蒸气 辐射加热 高压汽水混合物 加热剂 电阻加热法 电阻夹布加热 电加热法 感应电流加热 插入式加热 烟道气加热 短路电流加热 有机热载体 2.常用冷却剂 冷却水 冷却剂 空气 低温冷却剂