ما هو مفاعل عملية التدفق؟ المبادئ والأنواع والتطبيقات

ما هو مفاعل عملية التدفق؟ المبادئ والأنواع والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل عملية التدفق، وكيف تحول معالجة التدفق المستمر التوليف الكيميائي بالمقارنة مع مفاعلات الدفعات؟مفاعل عملية التدفق هو وعاء تدفق مستمر يتم فيه ضخ المفاعلات من خلال قناة محدودة (ميكرو مفاعل: 100-1000 ميكرون البعد الداخلي؛ مفاعل وسط: 1-10 ملم؛ مفاعل أنبوبي:10-50 ملم) عند خلط، نقل الحرارة، والتفاعل تحدث في تيار مستمر بدلا من وعاء دفعة. المفاعلات التدفقية تحقيق عائدات الزمكان من 10 إلى 1000 كجم / لتر / ساعة (10-100 مرة أعلى من دفعة) ،معامل نقل الحرارة 5000-25،000 W / m2-K (أفضل من 5-20 مرة من الدفعة المكسوة) ، وأوقات الإقامة التي يتم التحكم فيها بدقة من الثواني إلى 30 دقيقة. يستخدم التوسع الرقمية (قنوات موازية) بدلاً من التوسع الحجمي ،الحفاظ على نفس خصائص الكتلة ونقل الحرارة على نطاق الإنتاجوتشمل التطبيقات تجميع API الصيدلانية (الكيمياء الخطرة: النترات، والفلورين، والديازوز) ، وكيمياء البيروكسيد، وتوليف الجسيمات النانوية، والكيمياء الضوئية،حيث تحسن معالجة التدفق السلامة، الانتقائية، والإنتاج مع تقليل وقت التفاعل من ساعات إلى دقائق.

1مبادئ العمليات الأساسية لتدفقات النقل وظواهر النقل

يتم حكم أداء مفاعل عملية التدفق بثلاثة مبادئ لنقل ونظام التدفق:

• تحسين نقل القنوات الصغيرة ونقل الحرارةتصل قنوات المفاعل الدقيق (100-1000 ميكرون) إلى معامل نقل الحرارة من 5000-25,000 واط / م2-ك بسبب نسبة السطح إلى الحجم العالية (10,000-50,000 م2 / م3 مقابل 100-500 للشرائح).هذا يتيح التحكم بدقة في درجة الحرارة (± 0.1C) لردود فعل خارجية حرارة عالية: النترة في قناة 400 ميكرون بسرعة 5 م/ث تصل إلى U = 15,000 W/m2-K، وإزالة حرارة إطلاق 500 كيلوواط/لتر (مقارنة 5 كيلوواط/لتر أقصى لمفاعل دفعة مغطاة).ارتباط عدد نسيلت للتدفق الطبقي (Nu = 3).66 ثابت أو Nu = 1.86 × Re ^ 0.33 × Pr ^ 0.33 × (D / L) ^ 0.33) وللقنوات الدقيقة المضطربة (Nu = 0.023 × Re ^ 0.8 × Pr ^ 0.4، Dittus-Boelter) يتنبأ بنقل الحرارة عن طريق الحمل الحراري بدقة ± 15٪.
• التحكم في وقت الإقامة والبحث والتطوير في أنظمة التدفقفي مفاعلات التدفق، وقت الإقامة (tau) = V_reactor / F_flow، حيث V هو حجم القناة و F هو معدل تدفق الحجم.tau = دقيقتينيعتمد RTD على نظام التدفق: التدفق المتسلسل (Re < 2100) ينتج ملفًا للسرعة البارابولية مع sigma ^ 2 = tau ^ 2/8 (تشتت تايلور) ؛ تدفق مضطرب (Re > 4000) يضيق RTD.التدفق المنقسم، حيث تخلق فقاعات الغاز أو أقسام السائل غير القابلة للخلط مناطق تفاعلية منفصلة، يحقق RTD ضيق (sigma ^ 2 -> 0) مع مزيج محسن من خلال الدورة الداخلية داخل كل قذيفة.يتم الاقتراب من سلوك PFR (sigma ^ 2 = 0) عند Pe > 50.
• منهجية الترقيم والتنسيقعلى عكس التوسع الجماعي (زيادة حجم الوعاء) ، يستخدم التوسع الجماعي لمفاعل التدفق العد: تشغيل قنوات متطابقة متعددة متطابقة.يتم تقليل قناة 400 ميكرون واحدة تنتج 1 غرام / ساعة إلى 1 كجم / ساعة بواسطة 1000 قناة موازيةهذا يحافظ على نقل الكتلة (k_La) ، ونقل الحرارة (U) ، و RTD متطابقة على نطاق الإنتاج، وتجنب انخفاض 50-80٪ في نسبة A / V المتأصلة في التوسع في المجموعة.التحدي هو توحيد توزيع التدفق (± 5 ٪ عبر القنوات يتطلب تصميم مجموعة متنوعة دقيقة)، وإدارة انخفاض الضغط (معادلة Ergun للقنوات المعبأة) ، والإدارة الحرارية عبر مجموعة القنوات المتعددة. يسمح الرقمنة بتوسيع القدرة الوحيدة:إضافة قنوات لتتناسب مع الطلب دون إعادة تصميم المفاعل.

2أنواع رئيسية من مفاعلات عملية التدفق

يتم تصنيف مفاعلات عملية التدفق الصناعية حسب هندسة القناة وتكوين التدفق:

• المفاعل المجهز (الشريحة والصفحة)قنوات معالجة بدقة أو محفورة (100-1000 ميكرون) في ألواح معدنية أو سيليكونية أو سيراميكية (مثل Corning AFR ، Fraunhofer IMM). أحجام القناة من 0.1-10 مل ، مع قدر من 1-100 غرام / ساعة لكل قناة.يحقق U = 5000-25،000 W/m2-K و k_La = 100-10,000 /h (غاز-سائل) ، تستخدم في الكيمياء الخطرة (النترات، الفلور، توليف بيروكسيد) ، تحفيز الضغط العالي (50 بار H2) ،والكيمياء الضوئية (ارتفاع القناة = عمق اختراق الأشعة فوق البنفسجية، 100-500 ميكرون). الرقمية تصل إلى 100-1000 قناة يحقق إنتاج كغ / ساعة إلى طن / ساعة.
• مفاعل تدفق الملفات الأنبوبيةأنابيب PTFE أو الفولاذ المقاوم للصدأ (1-10 ملم ID ، طول 10-500 م) ملفوفة في حمام يخضع لسيطرة درجة الحرارة. حجم 10-500 مل ، معدل تسليم 10-500 غرام / ساعة.تكلفة منخفضة (50-500 دولار أمريكي لكل مفاعل). يؤدي انحناء الملف إلى حدوث دوامات دين الثانوية (عدد دين De = Re x sqrt ((D / 2R) > 20) التي تضيق RTD وتعزز الخلط الشعاعي. تستخدم في: تفاعلات غرينارد والليثيوم العضوي ،الديازوتيزة (2-5 دقائق من الإقامة)، 0-25C) ، وربط سوزوكي (15-30 دقيقة، 80C) ، والبلور (مضاد البذور في التدفق).
• مفاعل التدفق الكاتاليسي المعبأمفاعل أنبوبي (5-50 ملم ID ، طول 100-1000 ملم) معبأ بجسيمات محفز صلبة (0.5-3 ملم قطر ، 40-60٪ كسر فارغ) ، تحفيز غير متجانس: هيدروجين (Pd / C ، 1-10 بار H2 ، 20-80C) ،الأكسدة (Au/TiO2)، والحفازات الحيوية الحفازية (الأنزيمات غير المتحركة ، 25-37C). يلي انخفاض الضغط معادلة إيرغون: دلتا-P / L = 150 x mu x v x (1-eps) ^ 2 / (eps ^ 3 x D_p ^ 2) + 1.75 x rho x v^2 x (1-eps) / (eps^3 x D_p)نموذجي: 100 غرام من المحفز، 5 مل / دقيقة تدفق، 20 دقيقة وقت الإقامة، 0.5 MPa انخفاض في الضغط.

أنواع مفاعلات عملية التدفق مصفوفة المقارنة

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هي ميزة معامل نقل الحرارة في المفاعلات الصغيرة على المفاعلات الجماعية؟

ج: قنوات المفاعل الدقيق (100-1000 ميكرون) تحقق معامل نقل الحرارة العام (U) من 5000-25,000 W / m2-K ، مقارنة بـ 300-1600 W / m2-K للمفاعلات المجموعة.هذا التحسن 5-20x ينشأ عن نسبة السطح إلى الحجم العالية للغاية (10ونتيجة عملية هي أن التفاعلات الحرارية الخارجية عالية (مثلالنتراتية التي تطلق 500 كيلوواط / لتر) يمكن إجراؤها بحرارة معادلة في مفاعل صغير عند 25C، في حين أن نفس التفاعل في مفاعل دفعة يتطلب قدرة تبريد هائلة أو مواجهة الهروب الحراري، والحد من تركيز التفاعل دفعة إلى 10-20٪ من المفاعل الصغير.

س: ما هو الرقمنة و كيف تختلف عن التوسع؟

ج: يزيد الرقم (التوسع) من حجم الإنتاج عن طريق تشغيل العديد من قنوات المفاعل المتطابقة بالتوازي ، في حين أن التوسع يزيد من حجم مفاعل واحد.يحتفظ الرقمنة بنقل كتلة متطابق (k_La)، نقل الحرارة (U) ، وتوزيع وقت الإقامة (RTD) على نطاق الإنتاج، لأن كل قناة تعمل في نفس الظروف مثل القناة الواحدة على نطاق المختبر.هذا يزيل 50-80٪ انخفاض في نسبة A / V المتأصلة في الحزمةالتحدي هو توحيد توزيع التدفق (± 5 ٪ يتطلب تصميم مجموعة متنوعة محسنة) وإدارة الحرارة عبر مجموعة القنوات المتعددة.توزيع التدفق الرؤوس ومنافذ الموازنة الضغط ضمان تدفق موحد.

س: ما هو التدفق المقطوع (السلج) وكيف يحسن من أداء المفاعل؟

ج: في التدفق المقطوع (وتسمى أيضًا تدفق تايلور أو تدفق القشرة) ، يتم إدخال فقاعات الغاز أو أقسام السائل غير القابلة للخلط في تيار سائل مستمر في قناة الشعيرات الدموية ،إنشاء شرائح متناوبة منفصلةكل قذيفة سائلة تعمل كمفاعل شرائح مصغر مع الدورة الداخلية (الدوامات في الجبهة والخلف من كل قذيفة) التي تعزز الخلط الشعاعي وتضيق RTD (سيغما ^ 2 -> 0،سلوك PFR)يصل التدفق المجزأ للغاز السائل إلى k_La من 100-10,000 / h (مقارنة مع 1-100 للشرائح) ، في حين أن التدفق المجزأ للسائل السائل يسمح بتفاعلات ثنائية المراحل (على سبيل المثال،تحفيز نقل المراحل) مع مساحة واجهة 10-100 مرة أكبر من الدفعةيتم التحكم في طول القطاع من خلال نسب معدل التدفق والهندسة القناة.

س: ما هي أنواع التفاعلات الأنسب لمفاعلات عملية التدفق؟

ج: مفاعلات التدفق مفيدة ل: (1) الكيمياء الخطرة (النيترات، الفلور، الديازو، توليف البيروكسيد) حيث يقلل حجم الاحتفاظ الصغير (10-500 مل) من خطر الانفجار.(2) تفاعلات خارجية حرارة عالية تتطلب تحكم دقيق في درجة الحرارة (U = 5000-25،000 W/m2-K) ؛ (3) الكيمياء الضوئية حيث يطابق ارتفاع القناة عمق اختراق الأشعة فوق البنفسجية (100-500 ميكرون) ؛ (4) التفاعلات مع الوسطاء الخطرة (ديازونيوم، بيروكسيد،الأزيد) التي يتم استهلاكها مباشرة في التدفق (لا تراكم)؛ (5) الهيدروجين الكاتاليستيكي في ضغط عال (Pd/C، 1-50 بار H2) مع حجم كاتاليست صغير؛ (6) التوليف التلسكوبي متعدد الخطوات حيث يستبدل مفاعلات التدفق التسلسلي عزل المواد الوسيطة.