制药设备与工艺设计

ΔH=0 T0C 50%H2SO4
• ΔH1 ΔH2 • • • ΔHs 250C 95%H2SO4 + 250C H2O
ΔH3
250C 50%H2SO4
• ΔH1=W95% Cp95%（25-60）；
• ΔH2= WH2O CpH2O（25-5）；
• ΔH3=W50% Cp50%（25-T）
• ΔHs= MSO3×1000（ΔHs050%-ΔHs095%）
求反应器容积，若采用两锅则每个容 积多少？若采用6m3，则需几个反应锅？
•
Vc ( r a ) V= 24m
VR= V0 × τ总/ φ =7.47 圆整到 8m3 VR’= VR/2=7.47/2=3.87 圆整到 4m3
已知：τ总=7h V0 =0.83 m3/h φ =0.75 m=1
• N---------电子转移数 • 当较复杂的化合物使用上式须经经验校 正： • -ΔHC=109.07×N+Σ（KiΔi） • Ki----------分子中校正对象的次数 • Δi---------校正对象的校正值 • 对分子结构复杂的化合物卡拉兹法计算 误差较大，可另选其他方法计算。
化学反应热计算例题
• 应用已知数据，应用已学过求燃烧热方法，计算1500Kg甲苯下 列液相反应热效应。 • • • + H2SO4 --------------+ H 2O • • so3H •
ΔfH,m硫酸 = -812.8 kJ/mol ΔcH,m,碳 = -393.13 kJ/mol ΔfH m,甲基苯磺酸 = -486.05 kJ/mol ΔcHm,氢气 = -285.58 kJ/mol ΔR-Ar = -14.7 kJ/mol • 以上数据吸热为正放热为负，且假定反应在查表温度下进行
釜式反应器
解（1）确定达到要求的转化率所需反应时间 反应速率表达式为
τ=
代入数据得 τ＝1000 s
釜式反应器
• （2）计算反应器体积 • 假定日工作时间为24小时。有
Vc ( r a ) 14 1000 30 ( ) 0.45 • V= 24m 24 3600 60
• V=VR/φ=0.45/0.75=0.6m3 • （3）连续操作反应器体积
ΔHf
• • •
ΔHC,互换以苯为例
ΔHC0
C6H6 + 15O
ΔHf0
6CO2+ 3H2O
ΣΔHf
• 6C+6H+15O • ΔHf0 =ΣΔHf - ΔHC0
• 其中ΣΔHf=6 ΔHf0 （CO2）+3ΔHf0(H2O)
电子移位数法估算燃烧热（卡拉 兹法Khrasch）
• 有机化合物的燃烧过程，可看作是碳原子和氢原 子上的电子转移到氧原子上去的结果。因为燃烧 的最终产物碳，变成二氧化碳，氢，变成水。故 燃烧热与电子转移数有关。经测试，每转移一个 电子所释能量为109.07kJ,则液体简单有机化合物 在常压200C的燃烧热为： -ΔHC=109.07×N •
• m2000l= α/ β=18.87圆整到19台 • 由物料衡算得m2000l×V2000l= m5000l×V5000l • m5000l=7.548 圆整到8台 • s=(8-7.54)/7.54=6.1%
• 邻硝基氯苯氨化、还原制邻苯二氨。已知 每小时出料0.83m3，操作周期7h，装料系 数0.75。
釜式反应器
• 例6－1 在间歇搅拌釜式反应器中进行如下 分解反应：A→B＋C, 已知在328 K时 k=0.00231s-1，反应物A的初始浓度为 l.24kmol· m-3，要求A的转化率达到 90％。 又每批操作的辅助时间30 min, A的日处理 量为14m3，装料系数为 0.75，试求反应器 的体积。如果连续操作体积多少？
• 解：（1）求稀释水量WH2O 、溶质mol数 • W50%×0.5=200×0.95 • W H2O =200[(0.95/0.5)-1] (kg) • MSO3源自文库200×0.95/98 (kmol) • (2)根据盖斯定律，假想一个虚拟循环
•
600C 95%H2SO4 + 50 CH2O •

CAo CAf kCAf

X Af k (1 X Af )
=0.9/0.00231×0.1
=3896 s
Vr Vo =（14/24）×（3896/3600）=0.63 m3
V=Vr/φ=0.63/0.75=0.842 m3
釜式反应器
• 作每日物料衡算：
Vc= V× φ × m × 则反应器体积V= 反应器台数 m=
• 总体积V总 = V0 × τ总=0.83×7=5.81 m3 • m φ VR= V总； • m= V总/ φ VR=5.81/（0.75×6）=1.29 • 圆整到2台
• •
化学反应热 根据盖斯定律，物质进行化学反应其 热效应与路径无关，只与起始和终了 状态有关。如果已知标准状态与反应 有关各种物质的生成热ΔHf,则标准状 态化学反应热ΔHr298K为：
例题
• 应用已知数据，应用已学过求燃烧热方法，计算反应 热效应。 • 萘在催化条件下氧化制苯酐。萘的处理量为1500kg/h。 求：需移走的反应热。（假设萘在标准温度下反应） • ΔfH m,苯酐 = -402.2 kJ/mol • ΔcH m,苯酐=-3314 kJ/mol • ΔcHm,氢气 = -285.58 kJ/mol • ΔcHm,碳 = -395.3 kJ/mol • ΔR-Ar = -14.7 kJ/mol • 以上数据除ΔR-Ar外，吸热为正放热为负。
• 例题：600C95% H2SO4 200kg,用50C水稀 释到浓度为50%，列出求稀释酸终点温度T 的计算式。系统隔热良好。 • 查得 H2SO4 95% Cp95%=1.53 kJ/kg0C • -ΔHs095%=100.49 kJ/molSO3 • H2SO4 50% Cp50%=2.53 kJ/kg0C • -ΔHs050%=149.37 kJ/molSO3 • H 2O Cp H2O =4.18 kJ/kg0C • 假定在计算范围内各Cp变化不大，近似 常数
24 r a
Vc ( r a ) 24m
Vc ( r a ) 24V
• ΔHr298K =Σ（nΔHf298）i- Σ （mΔHf298）j
• i-------------指各产物 • j-------------指各反应物 • n-------------参加反应化学方程式各产物的计 量系数 • m-------------参加反应化学方程式各反应物的计量 系数
• 如果已知标准状态与反应有关各种物质的燃烧 热ΔHC,则标准状态化学反应热ΔHr298K又可改 为： • ΔHr298K =Σ（mΔHC298）J-Σ（nΔHC298）i
• 如果在标准状态化学反应热ΔHr298K已知的 情况下，欲求一定温度下的化学反应热 ΔHrT可按基尔霍夫公式求取：
• T • ΔHrT=ΔHr298K+∫ΔnCpdT • 298
习题及解答
反应器部分
• 某厂西维因合成车间，采用2000升反应锅， 每批可得西维因125公斤。设计任务每日生 产西维因3333公斤。已知反应周期进料1h， 冷却2h，吸收及酯化9h，水洗及合成4h， 出料0.5h，每批间隔0.5h，求若采用5000 升反应锅需几台？后备系数多少？
• 解：根据题意一台反应器每批125Kg,总处 理批数α=3333/125=26.664 • 24小时轮作批次β=24/17=1.4118
• ΔH1+ΔH2+ΔHs=ΔH3+ΔH
• T=25-[W95% Cp95%（25-60）+ WH2O CpH2O （25-5）+MSO3×1000（ΔHs050%ΔHs095%）]/ W50% Cp50%
•
最后解得 T=119.060C