【正文】 處的濃度和溫度計算。v (2)反應(yīng)器內(nèi)濃度均一，不隨時間而變，故可對反應(yīng)器的有效容積和任意時間間隔進行物料衡算。v 物料衡算具有如下特點： v (1)反應(yīng)器內(nèi)溫度均一，為等溫反應(yīng)器。單釜連續(xù)操作用于自催化反應(yīng)v 間歇釜式反應(yīng)器或管式反應(yīng)器進行自催化反應(yīng)時，CA要經(jīng)歷一個由大變小的過程,相應(yīng)地,rA要經(jīng)歷一個由小變大、再由大變小的過程。v 但是，當(dāng)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(shè)備投資和操作費用的增加，將超過因反應(yīng)器容積減少而節(jié)省的費用。v 采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作, 代替一臺有效容積為VR的連續(xù)釜式反應(yīng)器。v 連續(xù)釜式反應(yīng)器的操作穩(wěn)定時，釜內(nèi)物料的溫度和組成不隨時間而變化，屬于穩(wěn)態(tài)操作過程。新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達到完全混合。分批式操作的優(yōu)化分析v 分批式操作的過程中隨反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的提高，反應(yīng)速率下降，反應(yīng)效率下降，故存在什么轉(zhuǎn)化率下停止反應(yīng)最為有利的問題。而且大多數(shù)情況下（除非熱敏性的反應(yīng)物料）也不必要求等溫操作。v 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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中選取。釜式反應(yīng)器主要工藝尺寸的確定v 由工藝計算求出反應(yīng)器的單釜容積VTS后，求出反應(yīng)器直徑的計算值,按筒體規(guī)格圓整后即得反應(yīng)器直徑的設(shè)計值。解：(1) 計算反應(yīng)時間 因為是二級反應(yīng)，故(2) 計算所需反應(yīng)器的有效容積VR每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯，則每小時乙酸用量為(3) 計算所需反應(yīng)器的總?cè)莘eVTv 反應(yīng)器的臺數(shù)N及單釜容積VTS的確定v (1) 已知VTS，求N v 對于給定的處理量，每天需操作的總批數(shù)為 每天每臺反應(yīng)器可操作的批數(shù)為v 則完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器臺數(shù)為(2) 已知N，求VTSv (3) N及VTS均為未知，求N和VTSv 先假設(shè)VTS（或N），然后計算出N或（VTS）值。kmol1h1，投料摩爾比為乙酸：丁醇=1：，反應(yīng)前后物料的密度為750kgm3，乙酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分別為60、74和116。裝料系數(shù)的選擇還應(yīng)考慮攪拌器和換熱器的體積。零級反應(yīng)等溫過程，k為常數(shù)一級反應(yīng)，等溫等容過程v 二級反應(yīng)，等溫等容過程反應(yīng)器總?cè)莘e的計算v （1）有效容積v 實際操作時間=反應(yīng)時間(τ) + 輔助時間 (τ′)v 反應(yīng)體積VR是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積 （2）總?cè)莘eVT～。等容過程v 上式表明，達到一定xA所需要的τ僅與反應(yīng)物的CA0和化學(xué)rA有關(guān)，而與物料的處理量無關(guān)。v 反應(yīng)時間的計算v 攪拌良好可視為理想混合反應(yīng)器(BSTR)，物料衡算有下特點：v (1)由于反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度均一，不隨位置而變，故可對整個反應(yīng)器有效容積(反應(yīng)體積)進行物料衡算。v 間歇過程所有物料具有相同的反應(yīng)時間；v 操作靈活,適應(yīng)性強,便于控制和改變反應(yīng)條件,尤其適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長生產(chǎn)。特點及其應(yīng)用v 釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、加工方便；v 釜內(nèi)設(shè)有攪拌裝置,釜外常設(shè)傳熱夾套,傳質(zhì)和傳熱效率均較高。v 罐體內(nèi)壁可內(nèi)襯耐腐蝕材料。v 生產(chǎn)中,細(xì)長型的管式反應(yīng)器可近似看成理想置換反應(yīng)器。v 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；v 而沿流動方向，流體的濃度和溫度不斷改變。v 半連續(xù)或間歇操作（BSTR）時，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成、溫度等參數(shù)僅隨時間而變，與位置無關(guān)。v 生產(chǎn)中，攪拌良好的釜式反應(yīng)器可近似看成理想混合反應(yīng)器。對于流體混合，有理想混合和理想置換兩種極端情況。 v 物料的流動混合狀況影響反應(yīng)器內(nèi)的C和T分布，考慮流動混合狀況（理想反應(yīng)器，非理想流動反應(yīng)器）。熱量衡算式在微元時間dt內(nèi)對微元體積dVR進行熱量衡算得 在dt內(nèi)，dVR中因反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)變化熱為v 反應(yīng)器計算即聯(lián)立求解物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動力學(xué)方程式。氣相反應(yīng)v 如果反應(yīng)氣體可視為理想氣體，則kp和k的關(guān)系為用不同組分表示化學(xué)反應(yīng)速度，其值與相應(yīng)化學(xué)計量系數(shù)有關(guān) v 組分A、B、M、N表示的反應(yīng)速度與組分的化學(xué)計量系數(shù)，有下列關(guān)系：物料衡算式v 對單一化學(xué)反應(yīng)，列出一反應(yīng)物的物料衡算式，其余反應(yīng)物和產(chǎn)物的量都可通過化學(xué)計量關(guān)系來確定。等容過程反應(yīng)A174。v 過程△P較大，并影響到rA時，還要用動量衡算式。v 釜式、管式、塔式以及固定床反應(yīng)器等都有采用半連續(xù)方式操作的。（2）全混流釜式反應(yīng)器(CSTR)v 器內(nèi)各處濃度相同且等于出口濃度，且不隨時間而變， 連續(xù)操作具有生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、易實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)器多采用連續(xù)操作v 半連續(xù)操作v 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。v 連續(xù)操作多屬于穩(wěn)態(tài)操作，器內(nèi)任一位置上的反應(yīng)物濃度、溫度、壓力、反應(yīng)速度等參數(shù)均不隨時間而變化。S，產(chǎn)物R的濃度先隨τ的增加而增大，達一極大值后又隨τ的增加而減小。R(產(chǎn)物) ，R的濃度隨反應(yīng)時間的增加而增大；v 連串反應(yīng)A174。v 對不可逆反應(yīng)，隨著τ的增加，反應(yīng)物A的濃度將由開始時的CA0逐漸降至零。間歇釜式反應(yīng)器及其濃度變化v 間歇反應(yīng)過程是非穩(wěn)態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成隨時間而變化。按結(jié)構(gòu)分類反應(yīng)器按相態(tài)分類：v 間歇式v 半間歇式v 連續(xù)式反應(yīng)器 v v 等溫和非等溫反應(yīng)器 v v 理想流動反應(yīng)器和非理想流動反應(yīng)器v 間歇操作 v 間歇操作的特點是將原料一次加入反應(yīng)器，達到規(guī)定的反應(yīng)程度后卸出全部物料。多數(shù)情況下設(shè)計順序是雙向的，因為做出內(nèi)層設(shè)計決策的依據(jù)是不完整的，當(dāng)把較多的細(xì)節(jié)考慮至設(shè)計中時，外層會出現(xiàn)一個比較完整的設(shè)計輪廓，此時設(shè)計決策可能需要改變，因此必須返回內(nèi)層，如此反復(fù)進行。v 上循環(huán)對制藥過程設(shè)計也適用，但產(chǎn)品精制、烘干和包裝過程必須滿足GMP,故換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計同時，必須設(shè)計形成環(huán)境凈化的空調(diào)系統(tǒng)。v 反應(yīng)器使原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品；v 分離循環(huán)分離原料產(chǎn)品和副產(chǎn)品組成的混合物；v 上兩步設(shè)計決定設(shè)計過程的冷、熱負(fù)荷。第六章 制藥反應(yīng)設(shè)備 .攪拌器－固相催化反應(yīng)器v 反應(yīng)是整個生產(chǎn)工藝過程的核心，反應(yīng)器是反應(yīng)過程的核心設(shè)備。制藥工程設(shè)計從反應(yīng)器開始，Smith等人提出設(shè)計的洋蔥模型。故進而作換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計v 過程熱量回收不能滿足的冷、熱負(fù)荷決定公用工程用量，因而第四步是公用工程設(shè)計。v 設(shè)計遵循洋蔥模型，但極少有一次全過程設(shè)計即得成功的全過程設(shè)計的。v v 反應(yīng)器的類型很多，特點不一，可按不同的方式進行分類。然后進入下一個操作循環(huán)。v 器內(nèi)反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度隨時間的變化關(guān)系如圖所示。v 對可逆反應(yīng)隨τ的增加而降至其平衡濃度；v 對單一反應(yīng)A174。R(產(chǎn)物)174。釜式反應(yīng)器連續(xù)操作v 反應(yīng)原料連續(xù)地輸入反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物也從反應(yīng)器連續(xù)流出。v （1）管式反應(yīng)器v 多個化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物R的濃度變化同間歇反應(yīng)器。v 器內(nèi)的物料組成既隨時間而變化,又隨位置而變化。v 反應(yīng)器計算所應(yīng)用的基本方程式:v 反應(yīng)動力學(xué)方程式v 物料衡算式v 熱量衡算式。 反應(yīng)動力學(xué)方程式v 對于均相反應(yīng)反應(yīng)速度可用單位時間、單位體積的反應(yīng)物料中某一組分摩爾數(shù)的變化量來表示，等容過程v A為反應(yīng)物，取負(fù)號。R為n級不可逆反應(yīng)，則反應(yīng)動力學(xué)方程式為式中k——反應(yīng)速度常數(shù)，kmol1nm3(n1)h1；n——反應(yīng)級數(shù)。 v 由于反應(yīng)器內(nèi)參數(shù)隨τ或空間而變，ri也隨之變化，故選取微元體積dVR和微元時間dt作為物料衡算的空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。v 等溫過程，T不隨時間和空間而改變，故僅需聯(lián)立求解物料衡算式和反應(yīng)動力學(xué)方程式。 理想反應(yīng)器v 理想反應(yīng)器是指流體的流動處于理想狀況的反應(yīng)器。理想混合反應(yīng)器v 理想混合的特征是物料達到完全混合，濃度、溫度和反應(yīng)速度處處相等。 v 連續(xù)操作（CSTR）時，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度既與位置無關(guān)，又不隨時間而變，且與出口的濃度和溫度相同。理想置換反應(yīng)器（PFR）v 理想置換的特征 在與流動方向垂直的截面上，各點的流速和流向完全相同，稱為“活塞流”或“平推流”。所有的流體質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相同。理想反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度變化v 、特點及應(yīng)用v 結(jié)構(gòu)v 由釜體、上封頭、攪拌器等部件而制成。v 為控溫，常設(shè)有夾套，內(nèi)部也可安裝蛇管。v 若攪拌良好, 可近似看成理想混合反應(yīng)器,釜內(nèi)濃度、溫度均一,化學(xué)反應(yīng)速度處處相等。v 缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定v 釜式反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，搪玻璃釜式反應(yīng)器的主要技術(shù)參數(shù)見附錄六。v (2)由于間歇操作，對反應(yīng)物A上式對等溫、非等溫、等容和變?nèi)葸^程均適用。v 若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)的裝置完全相同，就可實現(xiàn)高倍數(shù)的放大。不起泡、不沸騰的物料，～；起泡或沸騰的物料，～。 例6－1在攪拌良好的間歇釜式反應(yīng)器中，用乙酸和丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，反應(yīng)式為v 當(dāng)丁醇過量時，反應(yīng)動力學(xué)方程式為v 式中CA為乙酸濃度，kmolm3。若每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯(不考慮分離過程損失)，乙酸的轉(zhuǎn)化率為50%，試計算所需反應(yīng)器的有效容積和總?cè)莘e。常先假設(shè)幾個不同的N值求出相應(yīng)的反應(yīng)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(shè)計值。然后按H=，并檢驗裝料系數(shù)是否合適。討論：（1）間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)k增大(溫度升高）→τ減少→反應(yīng)體積減小補充：（2）復(fù)合反應(yīng)：必須用兩個以上的化學(xué)計量式方能確定反應(yīng)在反應(yīng)時的變化關(guān)系v 例題在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進行下列液相反應(yīng)v 對于液相反應(yīng)，可視為恒容系統(tǒng)由式（620)得v 代入CA0=2kmol/m3，τ=2h得：v 實際上等溫操作是很難實現(xiàn)的，只有當(dāng)反應(yīng)物料中反應(yīng)物濃度很小，反應(yīng)速率很慢且反應(yīng)熱效應(yīng)又不大的情況下才接近等溫操作。更多的情況是要求合理的溫度序列最有利于反應(yīng)的進