化工传质设备

冻干过程中决定产品*质量的一个很关键的因素是产品温度，产品温度必须维持在关键温度以下避免结构塌陷，产品塌陷会影响到：产品外观、残余水分，复水时间，产品稳定性等；产品温度可以用来指示冻干终点，包括一次干燥和二次干燥的终点，当冻干过程参数发生偏移时，产品温度的测量用于证明产品质量，避免没必要的报废，然而在冻干过程中，产品温度不能被直接控制，只能通过层板温度和腔体压力来进行调整，受整个传热传质过程中层板能量的输入（Kv），冰升华界面的冷却（dm/dt）以及干燥层阻力(Rp)的影响。如下图，Kv值是影响传热过程的一个重要因素，Rp干燥层升华阻力是影响传质过程的一个重要因素，共同决定*的升华速率及产品的温度。 今天这里主要讨论传热系数Kv及其检测方法和主要影响因素，干燥层升华阻力Rp的影响因素和检测方法将会在后续的文章中跟大家分享和讨论。在整个冻干过程中，层板（为主）及周围环境提供热量，样品中的冰吸收热量后进行升华，从而将吸收的热量带走，进行一个理想状态下的稳态的传热传质过程。如果Kv值高，样品接受的热量超出了升华需要带走的热量，并且超过了样品的关键温度，样品就会具有融化及塌陷的风险，对*的样品质量造成影响。因此了解清楚冻干过程中的Kv值，对于整个冻干工艺设计及质量控制具有十分重要的意义。冻干过程的Kv值及来源从传热的方程式： 可以导出： 冻干过程中的传热有几种方式：直接热传导(Kc)，气体传导(Kg)和热辐射(Kr)，因此这里的Kv是这三种方式的总和，即Kv = Kc + Kg + Kr直接热传导（direct conduction）Kc&bull 不受压力影响,跟容器的形状、大小、材质及有关&bull 通过直接接触进行传热&bull 通过搁板和相邻西林瓶传热 气体传导（gas conduction）Kg&bull 受压力影响&bull Pc ↑ → 通过气体传导的热 ↑热辐射 （radiation）Kr&bull 不受压力影响，跟发射率e有关：取决于材料表面特质&bull 能量通过电磁波传播&bull 在不同温度的表面间&bull 很大程度上由冻干机的构造决定传热系数Kv主要取决于西林瓶的种类，大小及腔体的压力，可以用以下方程式表示： KC 是直接传热和热辐射传热系数的总和 是层板到西林瓶底部之间的气体传热系数P是腔体压力KD 是层板和西林瓶底部之间的平均距离与模制式西林瓶相比，管制式西林瓶具有较大的KC值以及较大的气体传热系数。比较有代表性的KC和KD值见下图（Pikal et al.） Av是西林瓶的外横截面积Ap是西林瓶的内横截面积KC的单位跟Kv相同KD的单位是Torr-1Kv值测定方法Kv值受各种因素的影响，那么如何测定Kv值呢？ 根据传热传质方程式： 可得到 从Kv的方程式可以看出，只要获得dm/dt以及产品温度Tp就可以计算出Kv值。目前dm/dt 可通过重量法，MTM，TDLAS等方法获得；Tp可通过热电偶产品温度探头，MTM及TDLAS的方法获得，因此Kv值的测定方法目前主要有重量法，MTM方法，TDLAS方法等。重量方法（样品可以用水）具体方法：√ 将水灌装入西林瓶中√ 选取有代表性位置的西林瓶，称量每个西林瓶的重量并记录√ 运行冻干过程（在稳态过程持续几小时），设定层板温度Ts和腔体真空度Pc，用产品温度探头检测西林瓶底部的温度Tb√ 再对每个西林瓶进行称重，计算质量损失dm/dt√ 根据上述数据计算不同位置西林瓶的Kv值√ 计算Kv的平均值 重量方法可行但是比较繁琐，会花费很多的时间，一次实验只能得到一个压力值下的数据，可能会有人为因素带来的误差，一般检测的是单个样品的Kv值。MTM 方法（PAT工具）MTM(Manometric temperature measurement)技术是通过关闭产品腔和冷阱腔之间的隔离阀，通过压力升数据以及复杂的回归方程式，通过软件自动计算可以直接获得我们所需的Kv值。MTM方法可获得升华界面的产品温度Tp，更为准确。MTM方法检测的是批量样品的平均值。具体方法在此就不详细赘述，如需具体了解可点击填写表单咨询。 TDLAS方法（PAT工具）TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)可调谐激光吸收光谱技术，在产品腔和冷阱腔的通道中安装相关的传感器对通道内水蒸气的浓度和流速进行直接监控，软件可得到实时的升华速率dm/dt数据，根据公式： 可以得到Kv值，并且可以通过一次实验得到不同压力条件下的Kv值，可用于不同规模的冻干机。TDLAS检测是批量样品的平均值，具体方法在此也不再详细赘述，如需具体了解可点击填写表单咨询。不同条件对Kv值的影响Kv 值会随着容器种类，容器大小，容器材质，冻干腔体形状，层板材质，冻干机差异，板层间距，环境条件等有所不同，同时也会随着冻干条件的改变而改变，这里着重分享几个重要的工艺条件对Kv值的影响。腔体真空度对Kv值的影响腔体中气体分子的热传导是Kv值的一部分来源，气体分子数越多，即腔体的真空数值越大，在一定程度上会增加Kv值，Pikal等人研究了3种不同类型的西林瓶，腔体压力和传热系数Kv值之间的关系，如下图，随着腔体压力的增加，Kv值呈非线性增加。（Pikal, M. J., M. L. Roy, and Saroj Shah. "Mass and heat transfer in vial freeze‐drying of pharmaceuticals: Role of the vial."Journal of pharmaceutical sciences 73.9 (1984): 1224‐1237. 层板温度和腔体压力对Kv值的影响Kuu,Wei Y等人研究了不同的层板温度，不同的真空度对Kv值的影响，实验中采用TDLAS快速检测样品的升华速率dm/dt。（Kuu, Wei Y., Steven L. Nail, and Gregory Sacha. "Rapid determination of vial heat transfer parameters using tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) in response to step‐changes in pressure set‐point during freeze‐drying." Journal of pharmaceutical sciences 98.3 (2009): 1136‐1154.）结果表明：腔体压力是影响Kv值的主要因素，层板温度对Kv值的影响较小，在低温条件下（-35℃到+5℃），中心样品的Kv ＜批次平均Kv ＜边缘样品Kv， 随着边缘Kv值的下降，边缘Kv和中心Kv的差距也逐渐缩小；然而在温度较高时（+20℃），中心Kv＞边缘Kv。控制成核对Kv值的影响有实验表明当控制成核时，可以明显降低边缘样品的Kv值，并且当层板温度较高或较低时，能明显缩小边缘Kv和中心Kv的差距，使得整批样品的Kv值更均一。另外成核控制也能够时样品内部的结构更均一，孔径较大，缩短冻干时间的同时，使得批次间样品的质量更均一。总结传热系数Kv值在冻干过程中是决定产品温度的一个关键因素，对于前期的冻干工艺设计，优化以及*的商业放大化具有重要的作用，因此采用合理的方法能够快速检测和掌控Kv值并了解其影响因素，能够确保*产品的质量，降低报废率，*限度地节约成本。

3月13日，国务院印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》，明确到2027年，工业、农业、教育、医疗等领域设备投资规模较2023年增长25%以上。在教育领域，明确“推动符合条件的高校、职业院校(含技工院校)更新置换先进教学及科研技术设备，提升教学科研水平。”其中强调，“严格落实学科教学装备配置标准，保质保量配置并及时更新教学仪器设备。”以下为仪器信息网整理高等职业学校化工生物技术专业仪器设备装备规范，包含气相色谱、液相色谱、分光光度计等设备，详情如下：目录表 1 实训教学场所分类、面积与主要功能表 2 基础化学实训室设备要求表 3 天平实训室表 4 有机化学实训室设备要求表 5 化工制图实训室表 6 仪表实训室表 7 电工实训室表 8 管路设备拆装实训室设备要求表 9 安全技术实训室表 10 微生物基本技能实训室设备要求表 11 无菌操作实训室设备要求表 12 微生物培养实训室设备要求表 13 菌种保藏实训室设备要求表 14 生化分离制备实训室设备要求表 15 生化分析检测实训室设备要求表 16 气相色谱实训室设备要求表 17 液相色谱实训室设备要求表 18 分光光度实训室设备要求表 19 生物工艺实训室设备要求表 20 单元操作技术实训中心（蒸发技术）设备要求表 21 单元操作技术实训中心（干燥技术）设备要求表 22 单元操作技术实训中心（流体输送技术）设备要求表 23 单元操作技术实训中心（精馏技术）设备要求表 24 单元操作技术实训中心（吸收技术）设备要求表 25 单元操作技术实训中心（膜分离技术） 设备要求表 26 单元操作技术实训中心（离子交换技术）设备要求表 27 仿真技术实训室表 28 单元操作技术实训中心（结晶技术实训室） 设备要求表 29 单元操作技术实训中心（传热技术实训室） 设备要求表 30 单元操作技术实训中心（过滤技术实训室） 设备要求表 31 单元操作技术实训中心（萃取技术实训室） 设备要求表 1 实训教学场所分类、面积与主要功能实训教学类别实训场所名称实训场所面积/m2功 能主要实训项目对应的主要课程专业基础技能实训基础化学实训室1101.玻璃仪器的清洗、读数、干燥；2.药品的称量与液体的量取；3.溶液的配制；4.酸、碱溶液的标定；5.物质含量的测定；6.固液分离；7.溶液 pH 测定；8.金属离子浓度测定无机及分析化学天平实训室301.物质直接称量法训练；2.物质减量称量法训练；3.物质增量称量法训练无机及分析化学有机化学实训室1101.物理常数的测定；2.溶液中指定组分的分离；3.有机物质的精制；4.固态物料中有机化合物的提取；5.有机化合物的制备有机化学化工制图实训室100～2001.几何体、零部件投影图绘制；2.工艺流程图的绘制；3.设备平面图的绘制化工制图仪表实训室100～2001.压力表的认识及使用；2.液位计的认识及校验；3.气动调节阀的认识及校验； 4.流量计的认识和使用；5.温度测量系统的认识和使用；6.简单控制系统的认识及投运；7.复杂控制系统的认识及投运；8.DCS 系统的认识和使用工业仪表及自动化电工实训室100～2001.万用表的认识及使用；2.基尔霍夫定律；3.荧光灯电路的连接及测量； 4.三相负载的星形连接；5.三相负载的三角形连接；6.变压器的认识；7.三相异步电动机的启动及验收；8.常用低压电器的认识及使用；9.基本继电接触控制电路的连接及应用电工基础管路设备拆装实训室100～2001.管路拆装；2.设备拆装化工单元操作技术安全技术实训室100～2001.逃生演练；2.心肺复苏术；3.创伤急救；4.劳动保护用品的使用；5.灼伤急救；6.灭火器的使用化工安全技术专业核心技能实训微生物基本技能实训室1201.显微镜使用及微生物细胞形态 观察；2.器皿包扎、灭菌及接种器具制 作；3.培养基制备；4.微生物的培养及保藏；5.菌种选育、分离；6.微生物生长参数的测定；7.微生物鉴别与检测工业微生物及育种技术无菌操作实训室70微生物培养实训室30菌种保藏实训室16生化分离制备实训室1101.生物大分子物质的提取；2.生物大分子物质、氨基酸的分离；3.质粒的制备生物化学单元操作技术实训中心8001.溶液的精馏；2.流体输送操作；3.物料干燥；4.气体吸收；5.离子交换法制备产品；6.物料的蒸发浓缩；7.物料过滤分离；8.物料的膜分离浓缩生化分离技术化工单元操作技术生化工艺实训室1101.无菌空气制备；2.实罐、空罐灭菌；3.接种及种子培养；4.发酵产品的生产发酵生产技术专业综合实训仿真操作实训室110典型产品或生产单元过程等的仿 真操作专业综合实训等生化分析实训室1101.酶活性、等电点、旋光度等参数 的测定；2.凯氏定氮仪测定蛋白质氮含量；3.折光仪测定可溶性固形物含量；4.电位滴定法、酸碱滴定法测定生 物制品中某种组分的含量生物分析、生物化学分光光度实训室301.可见分光光度法测定物质含量； 2.紫外分光光度法测定物质含量生物分析气相色谱实训室40气相色谱法测定物质含量生物分析液相色谱实训室30液相色谱法测定物质含量生物分析专业拓展技能实训单元操作技术 实训中心(传热 技术实训室)40冷空气加热，测对流传热系数化工单元操作技术单元操作技术 实训中心(结晶技术实训室)401.产物的冷却结晶；2.产物的真空蒸发结晶生化分离技术单元操作技术 实训中心(萃取技术实训室)40料液萃取， 测传质单元高度生化分离技术单元操作技术 实训中心(过滤技术实训室)40物料的板框过滤，测过滤常数及滤 饼压缩性指数化工单元操作技术表 2 基础化学实训室设备要求序号设备名称主要功能和技术要求单位数量执行标准或质量要求备注1实验台主要功能：实验操作平台。技术要求：1.台面材质耐腐蚀、耐酸碱要 求；上带试剂架，两端带水池， 带电源插座；2.台面可承重大于 300 kg/m2， 可调脚；3.水龙头、水槽为实验室专用 产品；4.带洗眼喷淋头；5. 中央实验台的尺寸一般为 长×宽×高=7200mm×1500mm× 800mm套4GB/T 21747—2008可根据实训室结 构确定中央实验台的 尺寸，但应保障至少 20 组学生（每组2 人） 使用，每套实验台 2 组学生使用时，台面 尺 寸 长 ×宽 不少 于 2400mm×1500mm； 另外实训室应设置 必要边台， 边台的 尺寸一般为宽×高= 750mm×800mm，长 度结合使用空间进 行确定2通风橱主要功能：使用有毒有害易挥发物质时 的专门空间。技术要求：1.外壳：表面耐腐蚀性强；2.内壳：采用耐酸碱、有机溶 剂之实训室专用抗蚀材质；设有 可拆卸维修孔， 便于维修电路、 水路、气路；3. 日光灯： 日光灯隐藏于面板 上， 不与通风柜内气流接触，易 更换；4.窗口：采用安全玻璃。5.调整脚：防震、防潮、耐腐 蚀；6.导流板：采用耐酸碱、有机 溶剂之实训室专用抗蚀材质， 通 风效率高， 以不低于操作表面风 速 0.5 m/s 的速度将空气排出；7.工艺说明：所有水、电、气 路要求安全、适用套1JB/T 6412— 1999根据实训室大小 确定通风橱长度3托盘天平主要功能：称量试样。技术要求：1.量程 0～200g；2.精度 0.1g架20GB/T 4168—19924称量瓶主要功能：差减法称量固体试样。技术要求：40mm×25mm只80JY/T 0453—20115烧杯主要功能：称量、溶解试样。技术要求：50mL、100mL、250mL、500mL只各80GB/T 15724—20086试管主要功能：盛装液体试样。技术要求：18mm×180mm支160GB/T 21298—20077试管架主要功能：存放试管。技术要求：12 孔台208干燥器主要功能：存放干燥试样。技术要求：400mm台4GB/T 15723—19959酸、碱滴 定管主要功能：滴加和计量液体试样。技术要求：25mL 、50mL支各40GB/T 12805—201110滴定台架主要功能：固定滴定管。技术要求：153mm×198 mm台4011pH 计主要功能：测量 pH 值。技术要求：1.温度测量范围：0～60℃ 2.mV 精度：1mV ， pH 精度 ： 0.01pH ； 3.mV 测 量 范 围：-1999 ~ +1999mV ， pH 测量范围：0.00~ 14.00台4GB/T 11165—200512移液管主要功能：定量移取液体。技术要求：25 mL 、50 mL支各40ISO 648—200813移液管架主要功能：存放移液管。技术要求：10 孔个2014刻度吸管主要功能：定量移取液体。技术要求：1mL 、2mL、5mL、10mL支各80ISO 835—200715调温电炉主要功能：加热。技术要求：1000W台20JB/T 8307— 199516量筒主要功能：定量移取液体。技术要求：25mL 、50mL、100mL只各80GB/T 12804—201117容量瓶主要功能：定量配制溶液。技术要求：100mL、250mL只各80GB/T 12806—201118锥形瓶主要功能：盛放液体用于滴定分析。 技术要求：100mL、250mL只各120GB/T 15724—200819碘量瓶主要功能：盛放液体用于碘量分析。 技术要求：100mL、250mL只各8020试剂瓶主要功能：盛放液体。技术要求：250mL 、500mL 无色和棕色个各40GB/T 11414—200721滴瓶主要功能：盛装实验时需按滴数加入的 液体。技术要求：30 mL 无色和棕色个各40ISO 11418-1 —200522洗瓶主要功能：盛装蒸馏水用于洗涤。技术要求：500mL个4023研钵主要功能：研磨固体。技术要求：9cm套4024比色管主要功能：液体显色对比。技术要求：50mL 、25mL支各8025漏斗主要功能：过滤。技术要求：φ9cm 长颈、短径支各40GB/T 28211—201126下口瓶主要功能：盛装溶液。技术要求：10000mL、20000mL个各 227玻璃仪器 烘干器主要功能：烘干玻璃仪器。技术要求：1.调温范围：40～120℃ 2.调温精度：±2℃ 3.适用数量：30 孔台4ISO 13130—2011表 3 天平实训室序号设备名称主要功能和技术要求单位套2GB/T 21747—2008可根据实训室结 构确定中央实验台 的具体尺寸，但应保 障至少 20 组学生 （每组 2 人）使用， 每组的桌面尺寸长× 宽不少于 1000mm× 600mm2电子分析 天平主要功能：精确称量试样。技术要求：1.量程：0～220 g；2.可读性： 0.0001g；3.重复性： 0.0001g；4.线性误差：0.0002g5酒精灯主要功能：加热。技术要求：250mL台40JY/T 0424—2011

硝化反应是一类极其重要的化学反应，很多医药、农药、染料行业重要的中间体都是硝化物，他们都是不可替代的有机原料。但近年来由于安全事件的频繁发生，大众“谈硝色变”。就在上周结束的第四届石油和化工安全管理高层论坛中，多位专家就硝化行业的安全风险、硝化工艺的安全性、涉硝企业的安全水平提升，开展了探讨。与会专家一致认为硝化工艺虽然属于危险工艺，但是只要管控得当，也可以实现安全生产。加强反应传质传热、减少反应量以及全流程的连续化自动化管理成为实现硝化本质安全生产的共识。连续流化学工艺因为传质传热效率高、应用范围广、自动化程度高等优势成为目前硝化工艺研究的热点。本文是欧盟委员会联合研究中心的Dimitris Kyprianou等人发表在Molecules上的一篇全自动流动化学进行克级2, 4-二硝基甲苯（DNT）硝化为2, 4, 6-三硝基甲苯（TNT）的安全反应工艺研究成果。TNT2，4，6-三硝基甲苯（TNT）是世界上第一种能满足生产和军事要求的高爆炸性炸药，它首次合成于19世纪60年代，在之后直至今日依然被用为许多爆炸混合物的主要成分。二硝基甲苯（DNT）异构体2, 4-DNT和2,6-DNT经硝化后可得到高纯度TNT。(图1)传统的合成方法：生产军用级TNT需要高浓度硝酸（96%）和发烟硫酸（三氧化硫含量高达60%）来实现高于98%的转化率。但高浓度硝酸与发烟硫酸的处理、混合都有高的安全风险。采用传统釜式反应，混合滴加强酸反应，传质传热效率受到设备限制，容易导致“飞温”爆炸。实验设计与讨论流动化学实验：首先针对具有安全风险的反应物混酸做了优化：尝试应用98%H2SO4代替发烟硫酸。实验结果表明在流动化学工艺条件下普通硝化混合物（HNO3 65%，H2SO4 98%）进行2, 4-DNT流动硝化是可行的；同时研究者在产品出口中加入氯仿，这样即可以避免沉淀，预防堵塞现象，可以抑制氧化副反应，又有利于目标产物的提取；然后研究者对反应物料摩尔比、反应温度、停留时间等关键参数根据设计的实验条件和转化率进行实验,实验数据及评估过程选用DOE 软件（MODDE）。实验结果如图所示如表1所示，七个实验得到了高纯度的TNT（通过HPLC-DAD测定的99.0%）。为了更好地评估所研究参数对转化率的影响，并确定通过HPLC-DAD测定的高转化率（99%）的反应条件范围，从MODDE软件获得等高线图。图2显示了反应温度、反应物摩尔以及停留时间正交后对转化率的影响。通过实验及实验数据分析作者得到流动化学工艺最佳反应条件：HNO3 65%：H2SO4 98%=3:1（Wt），130oC，20 min.实验结果与分析将流动化学工艺最佳反应条件和传统釜式工艺的TNT产物进行外观及HPLC色谱结果对比，如下：由上图可以清晰地看到，流动化学产物样品为白色，而釜式反应样品由于杂质具有黄色。反应结果与讨论该研究实验证明了使用流动化学方法将2，4-DNT硝化为2,4,6-TNT的可行性。流动化学方法的主要优点为：更加安全：使用更安全的试剂（98％的H2SO4、65％的HNO3代替发烟硫酸和发烟HNO3。高效的传质传热性能，可以安全地施加高温，而釜式实验则由于失控反应的高风险而无法高温应用。反应效率提升：连续流工艺在较短的反应时间（20-30分钟）完成2,4-DNT到TNT的高转化率（ 99％）反应，效率大大提升。实验方法论应用：通过实验设计方法研究并优化了关键参数（如HNO3：DNT摩尔比，停留时间和工艺温度）的影响。参考文献：Dimitris Kyprianou, Michael Berglund, Giovanni Emma, Grzegorz Rarat, David Anderson, GabrielDiaconu, Vassiliki Exarchou"Synthesis of 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) Using Flow Chemistry"DOI:10.3390/molecules25163586 扩展如何实现硝化反应的工业化本质安全生产已经成为迫切需要解决的问题。微通道连续流技术已经被验证可以原位上解决反应传质和传热，极大降低风险，成为越来越多企业硝化工艺改造的选择。康宁微通道连续流技术已经成功应用于万吨级通量的硝化反应；近阶段在硝化领域康宁做了多方面的努力：一方面，在各级应急管理厅和行业专家指导下，康宁和设计院、化学反应风险评价机构紧密合作，帮助现有硝化生产企业进行连续流微通道工艺的技术改造。另一方面，针对一些超大年产能的硝化生产项目需求，康宁利用G5单台年通量万吨级的处理能力，进行一硝和二硝连续化工艺系统设计，整体项目投资得到大幅度降低。如果你对微反应技术感兴趣，或有工艺需要咨询、开发和改造，请联系康宁吧！