ما هي مفاعلات التدفق القابلة للتطوير؟ الترقيم، التصميم والتوسع

ما هي مفاعلات التدفق القابلة للتوسع؟ الرقمنة والتصميم والتوسع

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل التدفق القابل للتوسع وكيف يتوسع من المختبر إلى الإنتاج؟مفاعل التدفق القابل للتوسع هو مفاعل مستمر يتم الحفاظ على أدائه مع زيادة الإنتاجية ،إما عن طريق الرقمنة (إدارة العديد من القنوات أو الوحدات المتطابقة المتطابقة) أو عن طريق توسيع الأبعاد داخل نظام حيث لا تتغير الفيزياء التحكميةالكميات الحاكمة هي عدد رينولدز لنظام التدفق، و عدد دامكوهلر Da = معدل التفاعل مقسمة بمعدل النقل الحراري للخلط مقابل الحركية،ورقم بيكليت للتشتت المحوريلأن نسبة منطقة نقل الحرارة إلى الحجم تصل إلى 1000-10،000 م 2 / م 3 مقابل 5-50 م 2 / م 3 في وعاء دفعة ، يسيطر مفاعلات التدفق على الكيمياء الحرارية الخارجية للغاية التي لا تستطيع دفعة.

1لماذا يختلف حجم مفاعلات التدفق

تفشل عملية توسيع الحجم بسبب انخفاض السطح إلى الحجم وزيادة وقت الخلط مع زيادة الحجم. تتجنب مفاعلات التدفق كليهما ، ولكن فقط إذا تمت ثلاثة شروط:

• طول النقل الثابت:الميزة المميزة لمفاعل التدفق هي أن طول النقل المميز ، والقطر الهيدروليكي للقناة ، يبقى ثابتًا مع نمو الإنتاجية.مفاعل لوحة المختبر مع قنوات 1 ملم ووحدة الإنتاج مع قنوات 1 ملم لها مسافات نقل الحرارة والكتلة متطابقة، لذا فإن التفاعل الذي يقتصر على النقل في المختبر يتصرف بشكل متطابق عند 1000 مرة من الناتج. هذا هو السبب في أن العد يعمل:مع عدد القنوات المتوازية بينما يبقى كل رقم غير مقياس يصف الفيزياء ثابتالبديل، زيادة حجم القناة، يزيد من عدد رينولدز وطول نقل الحرارة ويغير الانتقائية لأي تفاعل حيث Da فوق حوالي 0.1.
• مراقبة توزيع وقت الإقامة:توزيع وقت الإقامة الضيق هو ما يسمح بتحويل عال مع انتقائية عالية، لأن كل جزيء يعاني من نفس الوقت تقريبا في درجة الحرارة.يتم قياس التشتت المحوري من خلال عدد بيكليت Pe = u·L/Dax، أو مكافئها المفاعل عدد بودينشتاين بو = u·L / دكس.في حين أن الخلاطات الثابتة أو القنوات المنظمة رفع بو فوق 100 وتدفق المقبس التقريبيبالنسبة لرد فعل من الدرجة الأولى، فإن الفرق بين بو من 10 و بو من 100 يمكن أن تغير العائد عن طريق العديد من النقاط المئوية،وبالنسبة لرد فعل متتالي من A إلى B إلى C ، فإنه يغير الحد الأقصى لانتقاء الوسط B.
• إزالة الحرارة على النطاق:الكيمياء الحرارية الخارجية هي المكان الذي يفوز فيه مفاعلات التدفق بشكل حاسم. مفاعل دفعة يزيل 100 كيلوواط من الحرارة من 5 م 3 لديه ما يقرب من 10 م 2 من مساحة السترة و U من 400-800 W / m2 · K ،مع إعطاء حد تدفق الحرارة الذي يفرض جرعة بطيئة وتخفيف كبير للمذيبيزيل مفاعل التدفق المكافئ الذي يبلغ مساحته 1000-10،000 م 2 / م 3 و U من 1000-20،000 W / m2 · K نفس الحرارة في حجم واحد إلى أمرين من الحجم الأصغر ،في تركيز أعلى 10-100 مرةهذا هو ما يسمح للرد فعل أن تعمل في نظام غير آمن ببساطة في دفعة، وهو أقوى حجة اقتصادية للتدفق.

2الرقمنة في الممارسة

الرقمنة سهلة من حيث المبدأ ومطالبة بالتفاصيل. تحدد أربع مشاكل هندسية ما إذا كان المصفوفة الموازية تعمل مثل القناة الواحدة التي تم تصميمها منها:

• سوء توزيع التدفق:القنوات الموازية تعتبر متساوية فقط إذا كان كل منها يتلقى نفس التدفقيجب أن يكون انخفاض الضغط عبر رأس التوزيع كبيرًا مقارنة بانخفاض الضغط عبر القنوات، عادة بمعدل 10 أو أكثر ، وإلا فإن التدفق يفضل القنوات القريبة من المدخل. تستخدم التصاميم العملية مجموعة متنوعة من الأشجار المتنوعة مع أطوال مساوية للمسار ،عنصر انخفاض الضغط أو تقييد أعلى كل قناة، أو مجلسا كبيرا مع فتحة معايرة. سوء التوزيع فوق حوالي ± 5٪ بين القنوات يوسع بشكل قابل للقياس إجمالي RTD ويقوض الانتقائية ، لذلك يجب قياسها بدلا من افتراضها.
• التوحيد الحراري عبر المجموعة:كل قناة في صف يجب أن تظهر نفس درجة حرارة الجدار. في الممارسة العملية قنوات الحافة تفقد المزيد من الحرارة والقنوات الوسطى تجمعها،لذلك تم تصميم الدائرة المنزلية كترتيب مضاد للتيار أو التدفق المتقاطع مع تدفق كاف أن ارتفاع درجة حرارة المنزلية أقل من 2-5 °C، والهندسة الوحدة يحد من عدد الطبقات بين قنوات المرافق. يجب أن تشمل الأجهزة الحرارية على الحافة والقنوات الوسطى تمثيلية، وليس مجرد نقطة واحدة،لأن انتشار 5 درجات مئوية يمكن أن يغير ملامح الشوائب للكيمياء الحساسة لدرجة الحرارة.
• التعامل مع المواد الصلبة والتلوث:القنوات الضيقة التي تمنح مفاعلات التدفق ميزتها هي أيضًا مسؤوليتها الرئيسية: أي هطول أو غرامة محفز أو رصيد بوليمر يمنعها.وتشمل استراتيجيات التخفيف استخدام قنوات تزيد قطرها الهيدروليكي عن 1 ملم لخدمة السائل، تثبيت مرشحات 10-50 ميكروميتر في الخط أعلاه ، إضافة دورات التنظيف الدوري للمذيب أو دورات التنظيف العكسي ، تصميم الوصول للتنظيف الميكانيكي أو الكيميائي ،و في بعض الحالات تقبل تصميم متوسط الحجم من قنوات 3-10 ملم التي تتداول بعض أداء نقل الحرارة من أجل القوةفالتفحص لتشكيل الصلبات قبل الالتزام بتصميم قناة ضيقة أمر ضروري.
• المراقبة والاستمرارية التنظيمية:تتطلب المعالجة المستمرة فلسفة التحكم مختلفة عن الدفعة: التشغيل في الحالة الثابتة عند نقطة ضبط محددة ، مع التحكم في انتقالات البدء والإيقاف كحالات صريحة ،واستراتيجية تحويل المواد بحيث يتم توجيه المواد غير المحددة المنتجة خلال فترة انتقالية بعيدا عن تيار المنتجاتيوفر ICH Q13 الإطار التنظيمي لتصنيع المواد المخدرة المستمر، معالجة تعريفات الدفعة، وكيفية التعامل مع الاضطرابات، وكيفية إنشاء استراتيجية مكافحة.تصميم منطق التحويل وإجراءات الإدارة العابرة في نفس الوقت الذي يتجنب فيه المفاعل إعادة التجهيز أثناء التحقق من صحة.

استراتيجيات مقياس مفاعل التدفق مصفوفة المقارنة

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هو الفرق بين التوسع والرقم؟

الجواب: زيادة الحجم يزيد من الحجم الفعلي لمفاعل واحد، مما يغير نسبة السطح إلى الحجم، وقت الخلط، ومعامل نقل الحرارة،لذا فإن بيئة التفاعل تتغير ونتائج المختبر عادة لا تعيد إنتاجها بالضبطيحافظ الرقم على القناة الفردية أو الوحدة في أبعادها المختبرية المثبتة ويزيد من الناتج من خلال تشغيل العديد من الوحدات المتطابقة بالتوازي ، لذلك رينولدز ، دامكوهلر ،و أرقام بيكليت، وقت الإقامة، ومسافات نقل الحرارة كلها تبقى ثابتة. الرقم يتطلب حل توزيع التدفق والتكافل الحراري عبر المصفوفة،لكن هذا يزيل السبب الأساسي لفشل التوسعمعظم عمليات التدفق التجارية تستخدم هجين: التوسع الهندسي المتواضع إلى وحدة متوسطية الحجم ، ثم ترقيم تلك الوحدة.

س: متى يجب أن أختار مفاعل التدفق بدلاً من مفاعل الشرائح؟

الجواب: التدفق هو الخيار الأفضل عندما يتم تطبيق أحد الشروط الخمسة. التفاعل سريع وحرارة خارجية عالية، مع ارتفاع درجة الحرارة الاضافة فوق حوالي 50 درجة مئوية،حيث يزيل التدفق الحرارة بشكل أكثر فعاليةتتضمن الكيمياء وسطاء خطيرين أو غير مستقرين مثل أملاح الديازونيوم أو الأزيدات أو البيروكسيدات ، حيث يجعل المخزون الصغير لمفاعل التدفق العملية أكثر أمانًا بطبيعتها.تعتمد الانتقائية على وقت الإقامة الدقيق أو التخفيف السريع لرد فعل متتابعتتطلب الكيمياء ظروف كيميائية ضوئية أو كهروكيميائية أو درجة حرارة عالية وضغط مرتفع فوق نقطة غلي الجو. أو نقل الكتلة من الغاز إلى السائل يحد من السرعة،كما هو الحال في الهيدروجين أو الأوزونوليزوعلى العكس من ذلك، تظل المجموعة أفضل للاستجابات البطيئة جداً فوق حوالي ساعة من وقت الإقامة، والسماد الثقيل، ونباتات متعددة المنتجات التي تتطلب تغييرات متكررة.

س: كيف تتعامل مع المواد الصلبة والتلوث في مفاعل التدفق المتوسع؟

ج: ابدأ بتفحص هباء وتشكيل البوليمر في الشعيرات الدموية المختبرية قبل الالتزام بالقنوات الضيقة وقياس وقت التحفيز للتلوث في ظل ظروف العملية.إذا كانت المواد الصلبة لا مفر منها، اختار قطرات هيدروليكية للقناة أعلى من 1 ملم ، ويفضل أن تكون 3-10 ملم في تصميم لوحة أو أنبوب متوسط الحجم ، وقبول معامل نقل الحرارة المنخفض. إضافة 10-50 ميكرومتر تصفية في الخط أعلى التيار ،تجنب الزوايا الحادة والتوسع المفاجئ حيث تتراكم الجسيمات، والحفاظ على الحد الأدنى من السرعة الخطية فوق حوالي 0.1 م / ثانية للحفاظ على الجسيمات في تعليق.وتصميم الوحدة بحيث يمكن تفكيك منطقة توزيع المدخل على الأقل لتنظيفها أو استبدالها كأداة استهلاكية.

س: كيف يتم حساب و زيادة معدل النفاذ لمفاعل التدفق؟

الجواب: الناتج هو نتاج معدل التدفق الحجمي وتركيز المنتج ، مع تحديد التدفق الحجمي من خلال وقت الإقامة وحجم القناة الإجمالي: Q = V_total مقسمة على tau.لرد فعل من الدرجة الأولى يتطلب تحويل 99٪مع حجم القناة 100 مل، يعطي هذا معدل تدفق 0.78 لتر / ساعة.زيادة الإنتاجية تعني زيادة الحجم الإجمالي عن طريق إضافة قنوات موازية، زيادة التركيز، أو زيادة درجة الحرارة لزيادة k. زيادة درجة الحرارة عادة ما تكون الرافعة الأكثر فعالية: زيادة 20 درجة مئوية غالبا ما تضاعف أو أربع مرات k،خفض وقت الإقامة وزيادة الإنتاج بنسبة، شريطة أن تظل الانتقائية وتكوين الشوائب مقبولة.