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传质与反应速率

创作时间:

作者:

@小白创作中心

传质与反应速率

引用

来源

https://www.mt.com/cn/zh/home/applications/L1_AutoChem_Applications/L2_ProcessDevelopment/Mass-Transfer-and-Reaction-Rate.html

在化学反应过程中，传质与反应速率是两个至关重要的参数。本文将从混合在放大生产中的重要性、实验室混合研究、混合方式与叶轮功率、混合在快速反应中的重要性等多个维度，深入探讨传质与反应速率的相关理论与实践应用。

化学反应釜内传质

混合在放大生产中的重要性

混合过程的本质了解对于化学开发中的放大生产不可或缺。混合是为了减小或消除可混溶或不可混溶相态的不均匀性。目标是减小或消除温度或浓度梯度，或者确保多种相态的良好分散。良好的混合很有必要，原因包括：副反应或形成副产物、改进多相系统内的传质、确保快速传热等。混合效率受到混合物料的类型、搅拌器与反应釜的设计、混合方式以及进料管的位置和操作条件的影响[工业混合手册，科学与实践。 Paul, E. Wiley (2004)]。搅拌罐内的化学反应（其中试剂有可能以多相存在，例如：液相、气相或固相）需要充分的界面接触，以便于实现较佳的传质效果。混合不正确或不充分有可能导致反应速率、产量与选择性低下，或者杂质浓度升高，造成制造成本大幅提升。传质与动力学会对总体反应速率产生影响。工艺放大生产与优化需要量化混合对于反应速率的影响。必须在有助于过程表征与放大生产的条件下操作实验室反应釜。

实验室混合研究

建立实验室规模反应

化学工艺的开发与放大生产经常有很大难度。当仅仅依靠搅拌速率、几何形状与搅拌器设计等机械测量条件时，很难使小规模与大规模反应釜之间的性能与混合达到一致。研究小型反应釜内过程动态变化的更加一致方式是：直接在实际反应体系内测量传质系数。可在实验室反应釜系统内同时进行多项自动化实验，以确立传质关联性，并提供一种快速调整气体/液体界面区域与反应釜容量的方式，以建立过程放大生产或缩小生产所需的条件。

混合方式与叶轮功率

从层流到湍流

在多相系统内，相态之间的传质对于放大生产与反应釜性能非常关键，叶轮与流体相互作用传送的机械功率至关重要。它会影响不同相态的分散程度以及相态之间的相应传质。在快速反应有可能生成竞争产物与形成副产物的单一液相过程中，湍流度会对整个化学过程的选择性与产量产生影响。

在此类系统中，单位体积的机械功率可表明湍流度与工艺性能。对于特定几何形状的叶轮与搅拌罐式反应釜，可得到常见的叶轮性能曲线。这可对用于液相的叶轮功能进行表征。

典型的功率性能曲线（雷诺数 (Re) 与功率准数 (Np) 对比，如右图所示）与反应釜容量无关，因此可加速放大生产与系统表征。无因次雷诺数表示反应釜流体按照层流还是湍流方式流动。它体现的是惯性力（叶轮对流体的作用力）与工艺流体固有粘性力之间的比率。当粘性力占据主导并且 Re < 10 时，流体流速受流体粘性制约，因此流动方式为层流。当叶轮作用力占据主导并且 Re> 2,000-10,000 时，流体流速与粘性无关，并与密度成正比，因此为湍流。变为湍流方式的准确转换点取决于反应釜的几何形状，以及反应釜内是否存在促进“湍流”的因素，例如：挡板。实验室反应釜可对每一种流体与反应釜-叶轮设置进行快速测试。

混合在快速反应中的重要性

关于实验室运作的提示

在题为《混合的重要性》的网上技术交流讲座列举的一个示例中，rm2 Technologies LLC 与 Air Products and Chemicals 博士 Ray Machado 对混合进行了优化，以实现自动化合成反应釜内的快速反应。他通过淀粉内 S2O3-2与 I2的反应，展示了利用竞争副产物反应实现快速化学反应的环节，从而展现了混合对试剂分布的影响。在视频当中，黑色羽流为碘同淀粉发生反应的副产物。但是，当淀粉-垫复合物与硫代硫酸溶液发生反应后，会立即再次变清。混合、进料速率与进料位置全部会影响主反应速率。进料管距离叶轮越近，或者搅拌速度越快，则形成的副产物越少。相反，当搅拌速度加快时，副产物量迅速减少。

如何测量传质系数

进行任何气体-液体反应时必须表征的主要与较基本速率过程是将气体传质至液体反应阶段。放大生产策略是从小容量至大容量匹配传质系数，而不是努力匹配几何形状、搅拌速率或其他混合特征。《关于硝基苯与苯胺氢化作用的传质与动力学基本原理》白皮书中阐述了计算传质系数的步骤，并提供了关于催化氢化搅拌研究中出现误导信息的警告。

关于混合的实践指南

优化和放大生产

在题为《混合重要性：实验室规模与大规模之比较》网上技术交流讲座中， Ray Machado 讨论了混合对于动力学、热传递、热力学、不同相态之间传质以及混合固体或气体优化产生的影响。混合会对产量、选择性与副产物形成产生影响。他提供了关于如何为放大生产测量与计算基本参数的建议。

实验室反应釜内的混合研究

通过自动化实验室反应釜控制

工艺开发与放大生产工作站为科研人员提供了实时研究与优化混合与传质的能力。可自动控制混合和预先编程，确保可在全天 24 小时记录所有反应参数时安全进行实验。由于测量和控制安全且高度精准，因此所需的实验次数显著降低，使得放大生产变得高效。

过程开发和放大生产

应用资料库

持续处理

改进混合条件

Nalas Engineering 的 David Ford 利用反应量热和过程分析技术对氧化硝化同快速和高度放热氧化步骤发生的反应进行了研究。这种反应开始时作为一种批次过程，但是为了研究混合、产量与热传递，开发了一种将流动反应釜与两台连续流动搅拌罐式反应釜 (CSTR) 组合使用的连续过程。

文档

与混合、传质与反应速率相关的出版物

应用手册

关于硝基苯与苯胺氢化作用的传质与动力学基本原理
搅拌反应釜内的热传递
在制药与化工行业中，间歇或半间歇反应釜对于生产非常重要。从实验室到工厂的工艺放大生产具有挑战性，并且容易出现许多问题，例如：热传递、冷却能力、反应物积累、混合、传质等等。尽管可能在一定程度上使用到个人经验和实证数据，但是对化学工艺的研究涉及到诸多领域，例如：设备表征、热力学研究、混合和传质研究，...

网上技术交流讲座

混合的重要性：如何比较实验室规模和工厂规模英文版
Process objectives are critical for successful manufacturing of a product. If the mixing scale-up fails the required yield, quality, or physical prope...
Using Data-Rich Experimentation to Enable the Development of Continuous Processes
David Ford of Nalas investigated an Oxidative Nitration reaction with a fast and highly exothermic oxidation step using reaction calorimetry and Proce...
化工行业内的反应量热
本期网上技术交流讲座重点介绍混合与反应量热在化学工艺行业中的应用与重要性。提供关于放大生产基本原理的一系列行业案例研究。