制药工程基础课件

第二章 制药反应工程基础与设备
第一节 反应工程基础（背景知识）
1. 化学以及生物反应动力学 1.1.2 化学反应速率方程
a A A a B B aS S a R R
(其中的ai是A、B或S、R的计量系数)
（2-6）
依化学计量式（2-6） ，可用不同组分表示反应速率
rA dnA / Vdt
riV
（2-2）
dci dt
（2-3.1）
（2-3.2） （2-3.3）
dni Sdt dn riW i Wdt riS
第二章 制药反应工程基础与设备
第一节 反应工程基础（背景知识）
1. 化学以及生物反应动力学 1.1.1 反应速率
（2）连续过程 反应期间物料同时连续进出，稳态下物料在反应器内 没有积累，反应体系中某一微元内的温度、浓度等参数不随时间而变。 反应速率以单位反应体积中（或单位反应面积及单位质量固体或催 化剂上）某一反应组分的摩尔流量的变化来表示： dF (2-4.1) riV i dVR dF (2-4.2) riS i dS dF (2-4.3) riW i dW 式中，Fi -组分i的摩尔流量， mol/s或mol/h；VR -反应体积，m3 与间歇过程的反应时间不同，在连续过程引入空间时间（停留时间、接 触时间）概念： τ＝Fi /Q0 (2-5) Q0 –进入反应器原料混和物的体积，m3 /s
[1] 罗康碧、罗明河、李沪萍 编著 反应工程原理，北京，科学出版社，2005年版
第二章 制药反应工程基础与设备
第一节 反应工程基础（背景知识）
1. 化学以及生物反应动力学 1.1.1 反应速率 (1) 间歇过程 反应期间没有物料进出 反应速率以单位时间内单位反应体积中组分i的物质量的变化量来表示：
1.1.1 反应速率[1]
反应速率：单位时间、单位反应区中物质量的变化（反应量或产 物的生成量）。 反应量 （2-1） 反应速率 [反应时间][反应区] 反应区 反应体积：
固相、液相或催化剂的堆体积 反应表面积： 气固相催化反应中催化剂的内表面积 或非均相反应中的相界面积 反应系统的质量：固体或催化剂的质量
rS dnS / Vdt
rB dnB / Vdt rR dnR / Vdt
r rA r r B R S aA a B a R aS
化学计量方程仅表示由于反应而引起的各个参与反应的物质之间量的变化关系，方程 本身与反应的实际历程无关，同时规定各计量数之间不应含有除1以外的任何公因子。 实际反应投料比经常不是按计量式确定的！这样会改变物料的浓度，会影响反应速 度，有时会改变反应的选择性。
第二章 制药反应工程基础与设备
第一节 反应工程基础（背景知识）
1. 化学以及生物反应动力学 1.1.3 生物反应速率方程
细胞反应过程本质是复杂的酶催化反应体系。细胞如 同一微小的反应容器，原料中的反应物透过细胞周围的 细胞壁和细胞膜，进入细胞内，在酶的作用下进行催化 反应，把反应物转化为产物，接着这些产物又被释放出 来。细胞的生长过程包括下列阶段：延迟期、指数生长 期、减速期、静止期和衰亡期。每阶段都有自己的动力 学特点，尤以指数生长期和减速期最为重要。
dni riV Vdt
riV 组分i的单位体积反应速率，kmol/(m3· h) 或 mol/(L· s) V 反应体积， m3 或 L ni 组分i的瞬间量， kmol 或 mol t 反应时间，h或s 对间歇均相恒容反应有 对间歇多相反应体系，反应仅在相界面上发生，有 对间歇流固相反应体系，反应区可用单位质量固体 （催化剂）表示，有
在生物发酵过程中，细胞在利用各种底物（原料）进行自身繁殖的同时生产 各类产品。对于耗氧发酵，通常可用带有化学计量系数νi的反应方程表示：
S Si vOO2 X 0 X X P Pj CCO2
流体 流动与混合 本章理论知识涉及
非牛顿流体 的流变特性
第二章 制药反应工程基础与设备
第一节 反应工程基础（背景知识）
1.1 化学以及生物反应动力学
1.2 非牛顿流体的流变特性 1.3 流体流动与混合
第二章 制药反应工程基础与设备
第一节 反应工程基础（背景知识）
1.1 化学以及生物反应动力学
化学反应动力学研究（排除传递过程影响的）化学反应速率的快慢和反应 进行的方式，讨论反应本身的速率变化规律和反应机理。 生物反应动力学还要基于影响反应的生物量进行研究，生物量在发酵过程 中是变化的。因此，比化学反应动力学要复杂。
熟悉设备放大设计工作程 序，掌握结合生产任务和 工程工艺技术分析、开展 设备的放大设计方法。
设备放大设计
搅拌轴功率大小计算 搅拌结构选型
反应器大小的计算 设备选型
学习
反应器的功能结构 物料衡算式 热量衡算式
介绍
搅拌的功能作用与结构 基于微元分析和无因次分析 的搅拌轴功率计算式
化学以及生物 反应动力学
第二章 制药反应工程基础与设备
第一节 反应工程基础Baidu Nhomakorabea背景知识）
1. 化学以及生物反应动力学 1.1.2 化学反应速率方程
对于不可逆的基元反应，化学反应速率与浓度等参数之间的关系或浓度 等参数与时间关系-化学反应的速率方程（rate equation）可直接由质量 作用定律表示：
a A aB rA kcA cB
（2-7）
E k k0 exp RT 事实上，绝大多数反应都是非基元反应，式（2-7）可表示为：
速率常数：
b s r rA kcA cB cS cR
a
（2-8）
式（2-8）中的产物级数是负值。同时，非基元反应可分解为若干个基元反应，由 反应机理导出该反应的速率方程。 关于可逆反应、自催化反应以及平行反应、连串反应和并列反应等的反应速率方程式形 式可参见有关化学反应工程教科书或专著。 1. 朱炳辰，化学反应工程，北京，化学工业出版社，2001 2. O Levenspiel. Chemical Reaction Engineering. Third Edition. John Wiley& Sons, Inc, 化学工业出版社，2002，影印版