混合和傳質

對混合過程的基本了解對於化學品開發的放大至關重要。混合是減少或消除可混溶或不混溶的相的不均勻性。目標是降低或消除溫度或濃度梯度，或確保多相的良好分散。良好的混合是可取的，原因有很多，包括副反應或副產物的形成、改善多相系統中的傳質或確保快速傳熱。混合效率受要混合的材料類型、攪拌器和反應器的設計、混合狀態以及進料管的位置和操作條件的影響。[工業混合、科學與實踐手冊。保羅，E.威利（2004）]。在攪拌罐中進行化學反應，其中試劑可能存在於多個相（液態、氣態或固體）中，需要密集的界面接觸以促進最佳的傳質。混合不當或不良可能會導致反應速率低、收率低、選擇性差或雜質濃度增加，從而顯著增加製造成本。傳質和動力學可以競爭並有助於整體反應速率。製程放大和最佳化需要量化混合對反應速率的影響。實驗室反應器必須在允許有意義的過程表徵和放大的條件下運行。

化學製程的開發和擴大通常具有挑戰性。當僅依靠攪拌速率、幾何形狀和攪拌器設計等機械測量時，小型和大型反應器之間的性能和混合是困難的。研究小型反應器製程動力學的更一致的方法是直接在實際反應系統中測量傳質係數。自動化、受控的實驗可以在 實驗室反應器系統 中並行運行，以建立傳質相關性，並提供一種快速調整氣體/液體界面面積和反應器體積的方法，達到擴大或縮小過程所需的所需條件。 

在多相系統中，相之間的傳質是放大和反應器性能的關鍵，葉輪與流體相互作用傳遞的機械動力至關重要。它影響各相的分散程度以及它們之間相應的傳質。在單液相製程中，快速反應會產生競爭性產物和副產物的形成，流體湍流的程度會影響整個化學製程的選擇性和產率。

在此類系統中，單位體積的機械功率決定了湍流水平和工藝性能。對於給定的葉輪和特定的 攪拌罐反應器 幾何形狀，可以獲得通用葉輪性能曲線。這表徵了施加到流體相的葉輪功率。

典型的功率性能曲線（雷諾數 （Re） 與功率數 （Np），如右圖所示）與反應器體積無關，因此有助於放大和系統表徵。無量綱雷諾數表示反應器流體是在層流還是湍流狀態動。它表示慣性力（葉輪對流體的力）與工藝流體固有的粘性力的比值。當黏性力占主導地位且 Re < 10 時，流體流動受流體黏度控制，流動模式為層流。當葉輪力占主導地位並且 Re > 2,000-10,000 時，流體流動與粘度無關，與密度成正比，因此是湍流。湍流狀態的確切過渡點取決於反應器的幾何形狀，以及反應器中是否存在“湍流”促進元件，例如擋板。實驗室反應器提供了測試每種流體和反應器葉輪設置的快速方法。 

在網路研討會 「混合的重要性」中，rm2 Technologies LLC 和 Air Products and Chemicals 的 Ray Machado 博士優化了自動合成反應器中快速反應的混合。使用 S₂O ^3-2 和 I₂ 在澱粉存在下的反應，他通過顯示與競爭副產物反應發生快速化學反應的位置來證明混合對試劑分佈的影響。在視頻中，黑色羽流是碘與澱粉反應的副產品。然而，一旦澱粉-碘複合物與硫代硫酸鹽溶液發生反應，它就會再次變得清晰。混合、進料速率和進料位置都會影響初級反應速率。進料管離葉輪越近，或攪拌速度越高，形成的副產品越少。相反，隨著攪拌速度的增加，副產物的量會迅速減少。

進行任何氣液反應時必須表徵的主要和最基本的速率過程是氣體向液態反應階段的傳質。放大策略是匹配從小規模到大規模體積的傳質係數 kla，而不是試圖匹配幾何形狀、攪拌速率或其他混合特性。這篇論文， 硝基苯氫化成苯胺的傳質和動力學基礎，概述了計算傳質係數的步驟，並提出了有關催化氫化攪拌研究中誤導性信息的警告。 

在網路研討會中， 混合的重要性：比較實驗室和大規模， Ray Machado 討論了混合對動力學、傳熱、熱力學、相間傳質以及混合固體或氣體優化的影響。混合會影響產量、選擇性和副產物的形成。他就如何測量和計算放大的基本參數提供建議。

製程開發和放大工作站 為科學家提供了即時研究和優化混合和傳質的能力。混合控制可以自動化和預先編程，因此可以安全地進行實驗，同時每天 24 小時記錄所有反應參數。由於安全、高精度和精確的測量和控制，所需的實驗數量大大減少，從而提高了放大效率。

利用 原位 FTIR 光譜， 化學反應動力學研究 通過實時提供反應成分 的濃度依賴性來提高對反應途徑和機制的理解。 在反應過程中，由於數據的全面性，連續數據能夠以更少的實驗計算速率定律。 原位 FTIR 光譜用於與傳統離線分析技術（例如 NMR 和 HPLC）互補的正交信息，通常提供完成反應理解的缺失部分。

• 傳熱和放大
• 混合對結晶的影響
• 化學反應動力學
• 連續攪拌罐反應器 （CSTR）