2.4.2　化学制药反应设备

化学制药工艺中的反应过程是实现生产转化的关键，反应必须在一定的设备中完成，所以化学药品的生产有赖于工艺与设备两方面的因素。一般来讲是根据工艺的需要来设计和选取相应的反应设备，但在工业化的反应设备上得到的最佳工艺条件往往会与小试和中试的结果有所差异，所以二者之间是相互联系、相互制约的。

在实验室阶段的药物合成反应一般不考虑传递的影响，但在工业规模上的反应过程中传递过程往往成为关键的影响因素。所以工业规模的化学反应过程可以看成是具有一定反应特性的物料在具有一定传递特性的设备中进行化学转变的过程，产品收率的高低一方面取决于反应本身的特性，另一方面也取决于反应设备的特性，即传递过程特性，这其中的传递过程包括了质量、热量和动量的传递，这也就是反应工程中的“三传一反”。所以要实现化学制药过程的最佳反应结果，除了要对反应机理和过程进行深入的研究和分析外，还要对反应设备进行充分的认识和了解。

2.4.2.1　反应器的基本类型

反应器的类型多种多样，按物料的聚集状态可分为均相和非均相反应器；按结构可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等；按操作方式可分为间歇操作反应器和连续操作反应器。

如果将反应器的结构与操作方式结合起来考虑，在化学制药工业中常见的反应器包括间歇操作搅拌釜、连续操作搅拌釜和连续操作管式反应器这三种基本型式。这几种反应器内物料的流动状况具有典型性，深入研究它们对化学反应的影响，将有助于反应器的选型和对反应过程的认识和控制。

（1）间歇操作的搅拌釜　这种反应器的特点是周期性操作，物料一次加入，反应完毕后一次排出，反应器清洗彻底后再进行下一批操作。全部物料参加反应的时间是相同的。在良好的搅拌下，釜内各点的温度、浓度可以达到均匀一致。釜内反应物浓度在开始时最大，随着反应进行浓度逐渐减小，所以反应速率也随时间的推移而逐渐减小直至反应终止。由于药品的生产规模小、品种多、工艺条件复杂，而间歇操作的搅拌釜装置简单、操作方便灵活、适应性强，因而在化学制药工业中得到了广泛的应用。

（2）连续操作的管式反应器　管式反应器的特点是从反应器的一端加入反应物，从另一端引出反应产物。反应物料沿流动方向前进，反应时间是管长的函数。反应物浓度、反应速率沿流动方向逐渐降低，在出口处达到最低值。在操作达到稳定状态时，沿管长任一点的反应浓度、温度、压力等参数等都不随时间而改变，因而反应速率也不随时间而改变。

（3）连续操作的搅拌釜　这种反应器的特点是物料连续加入，产物连续流出，釜内装有搅拌器使物料剧烈搅动，反应器内各点的温度、浓度均匀一致。在稳定状态流动时，釜内反应温度、浓度都不随时间而变化，因而反应速率也保持恒定不变。

在连续操作的搅拌釜内反应物浓度与出口物料中的浓度相等，因而釜内反应物的浓度很低，反应速率很慢，要达到同样的转化率，连续操作搅拌釜需要的反应时间较其他类型反应器的要长，因而需要的反应器体积较大，这是它的主要缺点。

2.4.2.2　间歇搅拌釜式反应器

因为间歇搅拌釜式反应器的特点能更好地满足化学制药工业的要求，因此它是化学制药工业中主要采用的反应器类型。它可以用于液相的均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应，包括非均相液相、液固相、气液相、气液固相反应等。

釜式反应器的结构主要包括壳体、搅拌装置、轴封、换热装置这四大部分，如图2-8所示。

图2-8　搅拌釜式反应器结构示意图

1—搅拌器；2—壳体；3—夹套；4—搅拌轴；5—压出管；6—支座；7—人孔；8—轴封；9—传动装置

釜式反应器的壳体结构包括筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。其中筒体材质的选择非常重要，在制药工业中根据反应的特性可选择容器钢、铸铁、不锈钢等材料，还可在罐体的内壁内衬橡胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蚀材料。

釜式反应器的搅拌装置主要由搅拌轴和搅拌电机组成，搅拌轴上的叶轮随旋转轴运动将机械能施加给液体，并促使液体运动。因而它的结构型式对搅拌的效果有决定性的影响。化学制药工业中常见的搅拌器型式包括推进式搅拌器、涡轮式搅拌器、桨式搅拌器、锚式和框式搅拌器及螺带式搅拌器。其中前两者属于小直径高转速搅拌器，适用于低黏度液体的搅拌；后三者属于大直径低转速搅拌器，适用于高黏度液体的搅拌。在实际操作中应根据反应体系的特点选择合适的搅拌器型式，如均相液体的混合可采用推进式或涡轮式搅拌器，气体吸收反应可采用圆盘涡轮式搅拌器，而对结晶过程则可能需采用桨式搅拌器。另外在实际操作过程中为了消除打旋现象、保证搅拌效果，还经常在反应釜内加装导流筒和挡板等附属结构。

搅拌反应器的轴封主要有填料密封和机械密封两种，前者成本低、结构简单、使用方便，但需经常调解和更换；后者结构复杂、成本高，但密封效果好。反应釜的换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之符合工艺要求的温度条件的设备。其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式等，也可直接用火焰或电感加热。其中，夹套式和蛇管式在化学制药工业中应用最为普遍，所以一般的反应釜都带有夹套装置，可以采用蒸汽加热反应物料或冷却液体来给反应体系降温。