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1、 东南大学化学化工学院东南大学化学化工学院 药厂反应设备及车间工艺设计药厂反应设备及车间工艺设计 药厂反应设备研究的对象与任务 反应器的放大方法 反应器的分类 绪论 第一章第一章 反应器基本理论反应器基本理论 l第一节 理想反应器 l一、基本的反应器型式 1.间歇操作的搅拌釜 2.连续操作的管式反应器 3.连续操作的搅拌釜 二、连续操作反应器的流动特性返混二、连续操作反应器的流动特性返混 l（1）年龄分布与返混 不同年龄的物料粒子混在一起，形成一 定的分布，称为年龄分布。 不同年龄的物料粒子混在一起的现象称 为返混。 返混是时间概念上的混合，有返混必然 存在停留时间。 l间歇反应釜不存在返混现
2、象； l返混是操作反应器连续中特有的现象。 （2）寿命分布 在出口物料中，不同寿命的粒子混在一 起，形成一定的分布，称为寿命分布。 一般都是实验测定寿命分布。 2.返混产生的原因 （1）涡流与扰动；（2）速度分布； （3）沟流；（4）倒流；（5）短路与死 角 l3.返混对化学反应的影响 总的来说，返混会使产品的收率、质量 降低。 l返混还会使反应物的浓度降低，体现了 连续操作本身并不意味着强化生产。 l某些情况下返混可能是有利的。如自催 化反应，采用连续搅拌釜，可以使釜内 反应物浓度保持在最佳浓度下反应，需 要的反应器容积将最小。 l三、理想反应器 根据返混程度的大小，将流动情况分为： （1）
3、平推流（活塞流） 特点：不存在返混，流体通过细长管道 时，在与流动方向成垂直的截面上，各 粒子的流速完全相同。 （2）全混流 特点：返混程度最大，分布得最分散， 物料一进入反应器就立即均匀分散在整 个反应器内，且在出口同时可检测到新 加入的物料粒子。 （3）中间流 返混程度介于平推流和全混流之间，即 具有部分返混的流动型态，也称非理想 流动。 理想反应器：平推流反应器（PFR） 全混流反应器（CSTR） 间歇反应器 而实际生产中，连续操作得反应器 内都存在不同程度的返混，物料的流动 情况为中间流，为非理想反应器。 第二节第二节 等温等容过程的反应器容积等温等容过程的反应器容积 一、反应速度及其
4、表示式 l对于一般反应 aAbByYzZ 其反应速率方程式为 注：和分别为反应物A和B的反应级数，量纲 为一的量；为反应的总级数。 k是温度的函数，与浓度无关， k的单位为： 二、间歇釜式反应器 l（1）等温操作的反应时间 物料衡算： 间歇釜式反应器的基础设计式: 对于液相反应，反应前后物料体积变化 不大，可视为等容过程，则基础设计式便成 为 进一步变为： 对一级反应 对二级反应 对零级反应 三、连续管式反应器（PFR） 3.1 基础设计式 l平推流反应器的基础设计式： l称为空间时间，只有在等容过程中，它才等 于平均停留时间。 3.2 连续管式反应器容积 要点：理想管式反应器中与间歇釜中需
5、要的反应时间是相同的，可以用间歇反 应器中的试验数据进行管式反应器的设 计与放大。 四、连续釜式反应器（CSTR）全混釜 特点：物料一进入反应器器，就立即与 器内物料均匀混和，而且器内的温度、 浓度参数与出口物料的参数相同，故器 内各点的反应速度相同，且等于出口转 化率的反应速度。 l为物料在反应器内的平均停留时间（定容过 程） l对同一反应，在相同反应条件下，达到同样 的转化率，全混流反应器需要的容积要大得多 。 l对一级反应 l对二级反应 l对零级反应 l串联的釜数越多，反应时的浓度提高越 多，反应速度越快，需要的反应时间或 反应器容积就越小。 五、多釜串联反应器 几个全混釜串联起来操作。
6、 对串联反应器中任一i釜作反应组分A的 物料衡算，则有： 多釜串联反应器的基础设计式： 注：下标i指釜数。 第三节 反应器型式及操作方式的选择 一、简单反应 只需用一个反应方程式和一个反应速度 方程式来描述的那些反应。 （一）间歇反应器与平推流反应器 对于反应时间很短，辅助时间相对 较长的反应来说，选用管式反应器较为 合适。 二、复杂反应 要用几个动力学方程式来描述。 1、平行反应 沿两个方向同时进行。 2、连串反应 3、连串平行反应 l三.全混釜与管式反应器的配合使用 当反应速度随反应物浓度的变化出 现最大值时，最好先用全混釜使反应在 反应速度最大的浓度下进行，然后再用 管式反应器使反应达到
7、最终转化率，这 样可使反应器需要的容积最小。 第四节 停留时间分布及其测定 实际反应器中或多或少地存在着一 定程度的返混，其返混程度介于平推流 与全混流之间，大小用停留时间分布来 描述，反应器的结构型式和大小都可导 致不同的停留时间分布。 研究和测定反应器中的停留时间分 布，可以了解反应器内的流动情况，分 析设备的结构型式与操作条件是否合适 。停留时间分布已成为连续反应器设计 和放大中必须考虑的因素之一。 一、停留时间分布的数学描述 如果在某瞬时同时进入反应器N份物料， 在设备出口处测得停留时间为 的物料有N份，则停留时间为 的物料占进料的分率为： 具有不同停留时间的物料在进料中所占 的分率各
8、不相同，此分率变化的情况称为物 料在该反应器中的停留时间分布。 l E()-曲线下的微小面积 E()d表示停留时间 在和+d之 间的物料占0时进 料的分率。 E()为停留时间分布密度函数，其 单位是 。 E()曲线下的全部面积代表所有不 同停留时间 的物料占进料分率的总和， 应恒等于1，即 若停留时间从0范围内的物料占 进料中的分率以F()表示，则 F()称为停留时间 分布函数。它的 定义时针对 出口物料中，已在反应器内 停留时间 小于的物料在进料中所占的分 率。 l停留时间分布密度函数E()和停留时间分布函 数F()之间的关系： l注意点： 讨论E()、F()函数时都是针对出口物料 而言，此
9、时物料粒子在反应器内的停留时间 指从进入反应器开始到离开为止，即粒子的寿 命，故E()、F()表示的寿命分布。 (二)停留时间分布函数的特征值 1. 平均停留时间 概率分布中的数学期望代表平均值，故 平均停留时间可用下式计算： 如果是实验测得的数据，也可以不 整理成E()的连续 函数，而直接用下式 计算： 在等时间间隔取样时，则有： 用数学期望求得的 ，与用 表示 的 比较，其结果更能代表实际情况。 2. 方差 概率分布中，离差平方的平均值称为 方差，它表示随机变量取值的分散程度。 所以，停留时间分布函数的方差为： 如果用实验数据求方差，可用下式： 当等时间间隔取样时，则有： 方差越大，停留时
10、间分布越分散， 返混程度越大。 (三）以无因次时间表示的停留时间分布 无因次停留时间常采用表示， （1）平均停留时间 （2）分布密度函数E() 与分布函数F() （3）方差 结果：平推流的 （没有返混） 全混流的 （返混最大) 中间流的 （返混介于两种理想流型之间） l二、停留时间分布的测定 测定停留时间分布常用刺激响应技 术，即在反应器入口处加入示踪剂，在 出口处测定浓度随时间的变化。 要求：示踪剂应不与物料发生反应， 不被器壁吸收，容易检测，且其加入不 能影响原来的流况。对液体，常用电解 质或染料作示踪剂，用电导值或比色测 定，对气体，常用氩、氦、氢作示踪剂 ，用热导值测定。 具体有： （
11、1）脉冲法测定E()； （2）阶跃 法测定E()； 第二章 搅拌釜式反应器 1、搅拌的作用： 可以加速物料之间的混和，提高传热与传 质速率，促进反应的进行，减少副产物的生成 等。 2、搅拌釜式反应器的结构组成： 釜体、釜盖、搅拌器、减速机及传热装置等组 成。釜盖上还设有各种接管口、温度计口、人 孔、手孔、视镜等部件。 3. 提高混和效果的措施 31 消除打旋现象 （1）加设档板； （大致为4块宽度为0.1D的挡板） （2）偏心安装。 32 加设导流筒。 通常，导流筒需将釜截面分成面积相 等的两部分，即导流筒的直径约为釜直 径的70。 4、搅拌功率和混合效果 要求： （1）流量V要足够大； （2
12、）提高总流的湍动程度，即压头H要足够大； 注意点： （1）搅拌釜内单位体积液体的功率消耗是判断 搅拌过程进行得好坏得重要判据。 （2）在向搅拌器提供足够功率时，存在一个能 量合理利用问题。 l结论： （1）在等功率条件下，采用大直径、低转 速的搅拌器，更多的功率消耗于总体流 动，有利于宏观混和； （2）采用小直径、高转速的搅拌器，则更 多的功率消耗于湍动，有利于小尺度上 的混和； 因此，为达到功率消耗少，而混和效果 好，必须根据混和的要求，正确地选择 搅拌器的直径与转速。 l5、混和时间 混和时间定义为在分子尺度上达到均 匀所需的时间。 根据研究：混和时间大致等于物料循 环时间的4倍，即 式中
13、 混和时间 s或h 装料容积 V搅拌器的流量（泵送能力） l搅拌器的流量与其直径的3次方和转速的 1次方成正比，即 l注意： 在湍流区，对一定几何形状的桨叶， 其 值为一常数。 在高粘度液体的混和与搅动中，混和 时间主要决定于搅拌器的转速。 l试验结果表明： （1） 螺带式搅拌器对于既要求混和良好 又要求传热良好的设备来说，是最理想 的搅拌装置； （2） 锚式搅拌器用于高粘度液体的混和 效果不好，其主要作用只是刮薄附着在 釜内壁上的物料层，以提高传热速率。 第二节 搅拌器的选型与放大 一、搅拌器的型式 （一）高转速搅拌器 特点：直径小、转速高，对粘度不大的液体很 有效。 1.螺旋桨式搅拌器（推
14、进式搅拌器）； 叶端圆周速度一般为515m/s，适用于粘 度小于2Pa s液体的搅拌。 2.涡轮式搅拌器； 叶端圆周速度一般为38m/s，适用于粘度 小于50Pa s液体的搅拌。 更适用于要求小尺度均匀的搅拌过程。 （二）大叶片低转速搅拌器 1.桨式搅拌器； 径向搅动范围大，可用于较高粘度液 体的搅拌。 2.框式和锚式搅拌器； 所产生剪切作用很小，搅动范围很大 ，不会产生死区，适用于高粘度液体的 搅拌。 3.螺带式搅拌器； 在旋转时会产生液体的轴向流动，混 和效果较框式和锚式为好。 l二、搅拌器的选型 依据： 生产过程的操作类别和控制因素。 附:搅拌器选型表（P.55） 1.低粘度均相液体的混
15、和 （1）如混和时间无严格要求，一般的搅拌 器皆可使用； （2）推进式的循环速率大且消耗动力少， 最合用； （3）桨式转速低，消耗功率小，但混和效 果不佳； （4）涡轮式的剪切作用强，但对于这种混 和过程无大必要，而其动力消耗大，显 得不合理。 2.分散（非均相液相的混和） （1）涡轮式搅拌器的剪切作用和循环速率 大，用于此类操作效果最好，特别是平 直叶的剪切作用比弯叶的大，则更为合 适； （2）在分散粘度较大的液体时，可采用弯 叶涡轮，以节省动力。 3.固体悬浮 （1）低粘度液体中悬浮可沉降的固体颗粒 时，应选用涡轮式搅拌器； （2）如固液比重差小，不易沉降时，可用 推进式； （3）对固液比
16、在50以上或液体粘度高而 固体不易沉降的，可用桨式或锚式搅拌 器。 4.固体溶解 （1）要求搅拌器兼有剪切作用和循环速率 ，所以涡轮式最合适； （2）推进式的循环速率大，但剪切作用小 ，用于小容量的溶解过程比较合理； （3）桨式需借助挡板提高循环能力，一般 用于容易悬浮起来的溶解操作中。 5.气体吸收 （1）最适宜型式为各种圆盘涡轮搅拌器； 因其剪切作用强，且圆盘下可存住一些 气体，使气体的分散更平稳； （2）推进式和开启涡轮的效果不好，桨式 不适用。 6.传热 （1）传热量小时可采用夹套釜加桨式搅拌 器； （2）中等传热量时可用夹套釜加桨式搅拌 器并加挡板（Re3000）； （3）传热量很大时可用蛇管传热，采用推 进式或涡轮式搅拌器，并加挡板。 7.高粘度操作 （1）液体粘度在0.11Pa s时可用锚式（ 无中间横梁
