制药工程基础考试复习大纲

1.制药工业生产与实验室研究的不同
新药的研制，首先是在实验室完成的，从实验室研究结果到工业生产，有许多的不同，要经过一个开发过程。

主要不同之处如下：
（1）目的不同：实验室研究是为了迅速打通路线，确定可行方案。

工业生产是为了提供大量产品，获得经济效益。

（2）规模不同：实验室研究通常规模小，一般按g计算。

工业生产在市场允许下，尽可能大。

（3）总的行为：实验室研究人员层次高，工资比例较大，希望方便、省事、不算经济账。

工业生产强调实用和经济指标，元工资占生产成本比例相对较少。

（4）原料：多用试剂进行研究，一般含量在95%以上，且汪汪对杂质含量有严格要求。

工业生产使用工业原料，含量较低，杂质指标不明确，不严格。

（5）基本状态：实验室研究物料少，设备小，流速低，趋于理想状态。

工业生产处理无聊两大，设备大，流速高，非理想化。

流动性质改变对传热、传质均有影响。

对连续式反应器而言，存在“返混”（具有不同刘婷时间物料的混合），对反应速率影响较大。

（6）反应温度及热效应：实验室研究热效应小，体系热容小，易控制，往往在恒温下进行反应。

工业生产热效应大，体系热熔大，不易控制，很难达到恒温，有温度波动，温度梯度。

（7）操作方式：实验室多为间歇式反应，工业生产倾向采用连续化，提高生产能力。

（8）设备条件：化学实验室多用玻璃仪器进行，多为常压，可有无水、无氧操作等措施。

工业生产多在金属和非金属设备中进行，要考虑选材和选型。

易实现压力下反应，以改善反应状况，希望在正常条件下进行。

（9）物料：实验室很少考虑回首，利用率低，很少研究副反应，副产物。

工业生产因经济和连续以及单程转化率等原因，必须考虑物料回收、循环使用以及副产品联产等问题。

（10）三废：实验室往往只要求减少量，很少处理。

工业生产因三废量大，要考虑处理方法，达到排放标准
（11）能源：实验室很少考虑，工业要考虑能量综合利用。

首先，研究工作规模放大后，无聊流动状态非理想化等因素，对物料输送和化学反应的影响突出出来。

从有关热现象来看，实验室的仪器设备，体积小，表面基于体积比较大，热量容易通过其表面以传导或辐射的形式导出。

及时是放热反应，往往还需靠外加热来维持反映所要求的温度。

设备放大后，参加反应的物质增加，热现象讲不通。

可见，在小试时还需要加热的放热反应，到中试和工业生产时就必须采取合适的撤热手段。

如果解决不当，反映热不能及时移出，会产生绯闻，是反应时空，甚至有发生爆炸的危险。

制药化工生产过程既不是实验研究的简单在线，也不是反映的直接放大。

生物制药与化学制药的不同在于：用酶，基因等生物化学技术，代替传统的化学反应。

中药现代化问题中很重要的一项内容是：以中医药学和制剂学的要求为准则，运用现代化学工程理论、技术和设备，改造我国的重要工业，进一步提高中药制剂的质量和疗效。

第二章制药流体原料的输送和储存
绝对压强，表压和真空度
以绝对真空作为基准的压强，称为绝对压强，是流体体系的真实压强。

流体的压强可用测压仪来测量，此时测量得出的是以当地大气压强为基准的相对值，又分为两种情况：若体系的绝对压强比大气压高，必须采用“压强表”来测量，压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，称为表压。

若被测流体的绝对压强比大企业强敌，需采用“真空表”来测量，真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，称为真空度。

定态流动与非定态流动
在流动系统中，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量紧随流体的位置发生变化，不随时间的改变而变化，这种流动是一种稳定的流动状态，称为定态流动。

若流体在各截面上的有关物理量即随位置变化而变化，也随时间变化而变化，这
种流动是一种不稳定的流动状态，称为非定态流动。

流体的粘性：流体具有流动性和粘性。

粘性是流体流动时，内部存在的一种抵抗自身形变、组织流体向前远动的特性。

流体抵抗形变的性质称作粘性。

什么是牛顿粘性定律：对于一定的液体，内部摩擦力F’与两流体层的速度差du 以及两城建的接触面积A成正比，与两层之间的垂直距离dy成反比，及t=F/A=μ（du/dy）
流体的粘度：年度的物理意义是，是流体流动产生单位速度梯度的剪应力。

年度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显示出来，称为动力粘度，简称为粘度。

流体流动的两种不同类型（层流和湍流）
雷诺系数Re是一个无因次数群，其量纲为1（或称无量纲）
流体在直管内流动式，当Re≤2000时，流体流动类型属于层流；当Re≥4000时，流动类型属于湍流。

当2000＜Re＜4000时，流体流动类型可能改为层流，也可能为湍流，具体与外界情况有关。

雷诺准数为什么可以成为流动类型的判据？雷诺准输表示，流动流体的惯性力与粘性力之比。

湍流的层流底层：即使馆内流动时湍流，且无论湍动程度如何剧烈，但在靠近管壁处流体的速度还是等于零。

因此，关闭附近的流体仍做层流运动，这一层流流动流体薄层，称为层流底层（或层流内层）。

层流底层的存在，对流体流动、传热和传质过程产生重大影响。

层流里层的厚度岁Re增大而减小，
什么事边界层理论
在壁面附近，存在着较大速度idu的流体曾，称为流动边界层，简称为界层。

边界层的形成，把沿壁面的流动分成了两个区域，即边界层区与主流区。

在边界层区内，垂直于流动方向上存在显著的速度梯度，即使流体的年度很小，摩擦应力仍然相当大，不可忽视，因此，必须考虑流体粘度的影响。

在主流区内，速度梯度可视为零，摩擦应力可忽略不计，此时流体可视为理想流体。

当流体流过球体、圆柱体或其他几何形状物体的曲面表面时，都将发生边界层与固体表面脱离的现象，称为边界层分离。

边界层分离现象还常发生在流体所经过的管道面积突然扩大或缩小，流动方向改变处。

流体边界层分离造成流体的这一部分能量损失，称为“局部阻力损失”，简称“局部阻力”。

流体通过直观时能量损失称为直管阻力损失，通常称为“沿程阻力损失”，简称“沿程阻力”。

流体通过直管时能量损失称为直管阻力损失，通常称为“延程阻力损失”。

此外，流体通过管件及进出口时，偶遇边界层分离，存在“局部阻力”。

故管路中流体流动总能量损失为沿程阻力和局部阻力之和。

流体输送机械
用于输送液体的机械称为泵，用于输送气体的机械称为风机和压缩机。

流体输送机械按其工作原理分类为：（1）动力式（叶轮式），包括离心式、轴流式输送接卸，是借高速旋转的叶轮使流体获得能量。

（2）容积式（正位移式）：包括往复式、旋转式输送机械，他们是利用活塞或转子的挤压作用使流体升压以获得能量的。

（3）其它类型，指不属于上述两种类型的其他形式，如喷射式。

离心泵的结构简单，容易操作，便于调节和控制流量，效率较高，可提供足够的流量的和压头，某些型号的离心泵还可输送腐蚀性或含有悬浮物的液体，因此，离心泵的应用最为广泛。

离心泵由叶轮、泵壳、传动部分、连接部分和底阀等组成。

离心泵工作原理：离心泵在启动之前，需要关闭出口管道阀门，使得电机的负荷最小，并使泵壳内充满待输送的液体。

启动后，电动机的转动使得泵轴带动叶轮旋转，叶轮间的液体在离心力的作用下，沿着叶片间的通道从叶轮中心（泵进口处）甩到叶轮外围，以很高的速度流入泵壳，获得了较大的动能。

液体进入涡形通道后，由于我姓通道后的截面积逐渐扩大，速度逐渐降低，流体获得的动能大部分将转变为静压能。

正常工作后，如果蹦出口处安装有压力表，可以显示系统压强增大，并逐渐达到稳定的额定值。

此时，逐渐打开出口管道的阀门，液体就以较高的压力从亚出口进入出口管路。

与此同时，随着叶轮中心液体甩出以后，吸入口处就形成负压区，外界大气压力迫使液体经过底阀和吸入管道进入泵体内，充填该控件。

因此，只要叶轮正常旋转不停，液体就会源源不断地吸入、排出，
实现液体输送。

课件，离心泵是将电极驱动下轴承带动叶轮高速旋转的机械能转变流体的静压能的机械。

离心泵的气缚现象：离心泵在启动时，泵壳内存在空气，泵壳内的流体受到的离心力小，流体无法压出，吸入口也不能形成负压区，待输送液体不能吸入泵内，无法进行流体输送。

这种现象的原因是泵壳内存在空气，故叫离心泵的气缚现象。

为防止离心泵的气缚现象，启动离心泵前，必须将泵体内注满待输送液体。

离心泵的气蚀现象：离心泵，因为局部真空而使液体冲击叶轮表面，在压力大，频率高的液体质点连续打击下，叶轮表面迅速损坏，这种现象叫做离心泵的气蚀。

离心泵的安装高度问题：离心泵的最大安装高度，指离心泵的泵轴中心线距离储槽液面水平面的最大垂直距离。

第三章传热
热量传递的三种方式：热传导、对流传热和热辐射是热量传递的三种机理。

热传导：热传导又叫导热，如果物体内部或连个紧密接触的物体之间存在温度差，通过微观粒子的热运动发生能量传递即热传导。

对流：对流是对流传热的简称，对流仅发生在流体中。

特征是除了分子的随即扩散引起的能量交换外，还有流体整体宏观运动引起的能量交换，因此热量传递过程较热传导激烈。

自然对流是由于冷热流体的密度不同，从而形成重者下沉、轻者上浮的对流传热现象。

强制对流是通过泵和风机等机械做功，迫使流体在管道中形成湍流流动时进行的传热。

热辐射：在物体温度高于400℃时，物体将发出热辐射。

其热能不依靠任何介质而以电磁波的形式在空间传播，电磁波遇到另一物体时又会被该物体全部或部分吸收而变为热能。

工业传热过程的三种基本方式：直接接触式传热（是通过令热流体直接接触进行的传热）。

，蓄热式传热（是一种间歇式操作，需要一个热量较大的蓄热室，室内填充耐火砖等填料，其传热程序是先将热流体通入蓄热室将填充物加热升温，然后通过切换阀门，停止通入热流体，该通冷流体，使冷流体被高温的蓄热室加热。

蓄热室温度温度下降到一定程度后，停止同入冷流体，改换通热流体，进入下一
循环，如此反复，达到冷热流体之间的热交换，这种传热方式只适用于气体，且不能达到洁净要求。

间壁式传热（冷热流体被一种金属材料的壁隔开，只进行热量交换，不进行物质交换）
为了将冷流体加热或热流体冷却，必须使用另一种流体来供给或取走热量，此流体称为“载热体”。

载热体分为加热剂和冷却剂
加热剂：
常用的加热剂有：（1）热水：热水是在40-100℃场合经常使用的热源。

（2）饱和水蒸气：饱和水蒸气适用于100-180℃，其温度与压强一一对应，易于控制，使用方便，还可以充分利用其冷凝相变进行传热，速度快，潜热大于显热，热能交换量大，效率高，加热剂需要量小。

（3）烟道气：烟道气温度可达700℃以上，可将物料加热到较高的温度。

缺点是气体的传热速率满，而且温度不易控制。

（4）高温载热体：矿物油适用于180-250℃时使用，有机导热油（联苯，二苯醚等混合物）适用于255-380℃。

（5）熔融金属或熔盐：适用于140-530℃
常用的冷却剂：
（1）水（水可将物料冷却到环境温度）。

（2）空气（空气传热速率慢，最大极限也可将物料冷却到环境温度）。

（3）冷冻盐水：冷冻盐水可将物料冷却到零下十几度至几十度。

工业冷冻盐水的循环使用需要通过称为“冰机”
的制冷机械实现盐水本身的降温。

“冰机”内部工作戒指为液氨，其常压沸点为-33℃。

液氨吸收热量气话，通过压缩重新液化而循环使用。

傅立叶定律：在单位时间内，通过垂直于热流方向的等温面上所传导的热量与传热面积和温度梯度成正比，这就是傅立叶定律。

第三节对流传热
传热边界层理论
传热边界层与流体的边界层是又缺别的。

流体流动的边界层是客观存在的，传热边界层是一个想象的概念。

传热边界层理论的关键是：将流体流动的层流底层的温度梯度、过渡层的温度梯度，甚至湍流主体实际存在的微小温度梯度全部集中，
形成厚度为QT的传热边界称，从而不再考虑其他区域的传热。

对流传热系数：对流传热系数α简称传热系数，亦称传热膜系数。

传热系数表示，当流体与传热壁面的温度差为1K时，单位时间内通过单位传热面积上所传递的热量。

α=Q/(A▷T)
影响传热系数的主要因素：
（1）流体的状态：流体是气体还是液体以及在传热的过程中是否存在蒸汽冷凝、液体沸腾等想变情况，α相变＞α无相变。

（2）流体的物理性质：主要有密度ρ、粘度μ、导热系数λ、比定压热容（比热容）cp等参数的具体值。

（3）流体的流动状况：流体的流速和流动状态时曾留还是湍流；α湍＞α层（4）流体的对流状况：是自然对流还是强制对流，α强＞α自
（5）传热表面的特征：包括集几何因素（传热面是管、板、管束等具体形状）、尺寸因素（管径和管长等）、排列方式（管束有正四方形和三角型排列）、位置因素（垂直放置、水平放置等），均对传热系数值影响。

影响对流传热的音速甚多，而且产生综合影响，特别是流体在传热过程中发生相变时，影响更加复杂。

间壁换热器的换热问题
间壁换热器分为逆流操作和并流操作两种基本流程。

如果将冷热流体从换热器的异端引入，他们在换热器中逆向流动，称为逆流；如果将冷热流体从换热器的同端引入，他们在换热器中同时流动，称为并流。

一般以大写T表示热流体温度，小写t表示冷流体温度，以下标1表示进口、小标2表示出口。

逆流操作，不仅同一流体的温度T1＞T2，t2＞t1，而且制药流程足够长，冷流体的出口温度t2可能高于热流体的出口温度T2。

并流操作，同一流体的温度T1＞T2，t2＞t1，但冷流体的出口温度t2不可能高于热流体的出口温度T2，热流体的出口温度T2也不可能低于冷流体的出口温度t2。

强化间壁传热的有关措施
根据间壁传热总传热速率方程积分方式、可以通过三方面措施来强化间壁传热1.增大平均温差▷tm：（1）提高加热介质温度，降低冷却介质温度，均可增大平
均温度差；（2）对于完全相同的四个温度数据，采用不同流程，通过计算可以证明，逆流方式的平均温差大于并流方式，也就是说，逆流操作传热推动力较大，一般应优先采用逆流流程，强化传热。

2.提高K值：（1）总传热系数K的导数为间壁传热的总惹猪，总热阻为各分热
阻的加和，间壁材料产生的热阻较小，实际计算中往往忽略。

而1mm污垢的热阻相当于40mm厚钢板的热阻。

因此，务必要防止污垢生成，尽量减小污垢热阻，强化传热。

（2）贱婢两侧传热系数α笑的流体的给热具有较大热阻，形成实际传热过程的控制侧。

提高流速，特别是使流体呈湍流，有利于传热系数的提高，从而提高K值，强化传热。

（3）减小管径，加大管壁粗糙度、破坏层流底层，可提高流体的α，强化总传热。

（4）使用发生相变的介质可提高流体的α，强化总传热。

一种称为热管的新型传热装置，就是利于工作介质的汽化和冷凝循环过程，达到高效传热。

3.提高A值强化贱婢：对设备单位面积而言，换热器往往通过结构改进，来增
大传热面积A，强化转热。

第二节精馏及其基本原理
蒸馏和精馏是利用液体混合物中各组分挥发性的不同，将液体混合物中各组分分离到某种程度的单元操作。

目的是提纯或回收有用组分。

在任何温度下，液相中无知的分子可以从液相进入气象，该种特性称为挥发性。

各种液体的挥发性存在差异，这种差异可以用物质的饱和蒸气压或非典类衡量。

蒸馏和精馏的分离原理均是根据混合物各组分挥发性的不同，通过部分汽化及部分冷凝并充分接触传、传质，使易挥发组分在气相增浓；难挥发组分在液相增浓，从而使混合物得到一定程度的分离。

蒸馏指将液体一次汽化，再冷凝，实现分离、提纯的操作方法，即简单蒸馏或类似方法的总称。

精馏是在同一个设备中，通过回流技术，实现液相进行多次部分
汽化，气相进行多次部分冷凝，以较好地分离液体混合物的操作。

回流：精馏实现的关键是引入了回流，回流提供了未达到平衡的气、液两相来源，是传质的必要条件。

没有回流，塔内部分汽化和部分冷凝就不能发生，精馏操作无法进行。

塔板提供了混合物体系气液分离器的场所。

如果气液两相在塔板上有足够长的时间充分接触进行传热传质，离开塔板上升的气相组成yn和离开塔板下降的液体组成xn，可以达到气液平衡关系，这样的塔板称为理论塔板，其分离效果达到最佳。

理论塔板是不存在的，仅是一种理想情况。

理论塔板数代表了分离任务的难易程度，只取决于物系的相平衡以及塔内气液两相的摩尔流量，与物系的其他性质，两相接触的传质、传热情况及塔板的结构形式等复杂因素无关。

连续精馏装置由精馏塔、塔顶冷凝器、塔底再沸器（往往放在塔内）组成。

精馏塔
塔类设备及其分类
按气液亮相接触方式，精馏塔分为连续式和分级接触式两大类。

各自按内部结构又继续分类，连续接触时精馏塔主要有：填料塔、湍球塔等；分级接触式精馏塔，又称板式塔，主要有筛板塔，泡罩塔，浮阀塔，浮舌塔等。

恒摩尔气流和恒摩尔液流：精馏段上每层踏板上升蒸气的摩尔流量都相等，提馏段内也是如此；但是精馏段和提馏段的气流的摩尔流量之间都可能相等，也可能不等，这取决于进料状态。

同样，在精馏段内每层塔板下降的液体的摩尔流量都想等，提馏段也是如此。

但是，精馏段和提馏段的液流的摩尔流量之间可能相等，也可能不等，取决于进料状态。

进料热状况：进料的热状况影响到精馏塔内气液的流量，从而与操作线方程密切相关。

进料热状况包括以下五种情况：（1）温度低于泡点的冷液体进料；（2）温度等于泡点的饱和液体进料，又称为泡点进料；（3）温度介于泡点与露点之间的
气液混合物进料；（4）温度等于露点的饱和蒸汽进料，又称露点进料；（5）温度高于露点的过热蒸汽进料。

以泡点进料最为常见。

回流比的影响及其选择
回流是保证精馏塔稳定操作的必要条件。

是净流过程中不可缺的重要参数，精馏操作线的斜率和截距与回流比有关。

适宜回流比的确定：精馏的经济核算有设备费用和才做费用，设备费用主要取决于设备的大小（如塔高和塔径等），操作费用主要取决于载热蒸汽和冷却水的消耗量。

通常取最适宜回流比为（1.2-2.0）Rmin。

回流比太低，设备费用增加，总费用增加，回流比太高，操作费用增加，总费用增加。

精馏塔内实际塔板与理论塔板的差异程度用塔板效率来表示，踏板效率表示方法有总板效率ET和单板效率EM。

总板效率ET：总板效率又称全塔效率，是达到同样分离效果，所需的理论塔板数NT与实际塔板数NP直逼。

单板效率：单板效率又称为默弗里板效率，指通过一层塔板后，气液相的组成变化的实际值与理论值之比。

精馏塔不正常工作的几种状态
（1）吹干：液相负荷过小时，塔板上不能形成均匀的液层，称为吹干。

（2）漏液：气相负荷过小时，气速过小，气体的动压头小，不足以抵消塔板上液层的重力，部分液体将不经过降液管，而是从蒸汽通道直接漏下，称为漏液。

（3）气泡夹带：液相负荷过大时，液体在塔板停留时间果断，大量上升的气泡被液体卷进下层塔板，这种现象称为气泡夹带。

（4）泛液：塔内液体不能及时往下流动而在板上积累，气相空间变小，大量液体随气体上升的现象称为液泛。

液泛开始发生，是填料塔的操作极限。

开始发生液泛时的气速，称为泛点气速uf，uf与精馏塔结构、物料性质等因素有关。

液液萃取：在融智A和溶剂B组成的体系中，加入与B不完全混溶的萃取剂S，
形成液液两相，利用A在两液相中溶解度的差异而进行分离的操作称为液液萃取，简称萃取。

仅加入萃取剂的本身并没有实现分离，而只是将难于分离的混合物转变成易于分离的混合物，还要通过精馏或蒸馏等操作，才能完成分离，得到纯产品A，并回收萃取剂S。

液液萃取与精馏的比较：
萃取和精馏都是根据物质在相变过程中某些物理化学性质的差异来进行的分离操作。

在通过液液萃取或精馏均可以容易地实现分离的情况下，萃取不如精馏经济，主要原因是：
（1）萃取设备比精馏复杂，设备费用高。

（2）萃取需要回收萃取剂，而且萃取剂会有一定的小号，故萃取工艺的操作费用也高。

在特殊情况下液液萃取比精馏具有优势：
（1）某些体系采取精馏很难分离，而采取液液萃取可能易分离。

（2）液液萃取更适合处理高沸点、高凝固点、热敏感物料。

（3）在原料浓度低，需蒸馏大量原溶剂的情况下，采取液液萃取比较合适。

萃取剂S的选择原则：
（1）萃取剂选择性好，对A溶解度大，对B溶解度小
（2）S和B的比重差别大，表面张力适中，易分层。

（3）S粘度小，易处理，蒸汽压低，易回收。

（4）热稳定性好，无毒，无腐蚀，经济。

液固萃取：又称浸取，抽提，是利用溶剂使固体物料中可溶性物质溶解于其中，而实现分离的一种操作。

膜分离：膜分离是以具有选择性透过功能的膜为分离介质，在膜两侧施加某种传质推动力，使原料液中的某种祖坟选择性优先通过摸，从而实现分离、提取浓缩的分离操作。

膜分离的优点：。