रासायनिक रिएक्टर क्या है? सिद्धांत, प्रकार और अनुप्रयोग

मूल प्रश्न का उत्तरःरासायनिक रिएक्टर क्या है और इसका डिजाइन कच्चे माल को रासायनिक उत्पादों में बदलने के लिए कैसे काम करता है?रासायनिक रिएक्टर एक ऐसा पात्र या प्रणाली है जिसमें रासायनिक प्रतिक्रियाएं तापमान, दबाव, मिश्रण,और कच्चे माल (रिएक्टेंट्स) को वांछित उत्पादों में परिवर्तित करने के लिए निवास समयरिएक्टर किसी भी रासायनिक प्रक्रिया का केंद्र है: इसका डिजाइन प्रतिक्रिया दर (उत्पादों के गठन की गति), रूपांतरण (खपत रिएक्टेंट का अंश),चुनिंदापन (इच्छित और अवांछित उत्पादों का अनुपात), और उपज (प्रतिक्रिया करने वाले पदार्थ की प्रति इकाई वांछित उत्पाद की मात्रा) । सभी डाउनस्ट्रीम इकाई ऑपरेशनों को अलग करना, शुद्ध करना, तैयार करना रिएक्टर आउटपुट के आसपास डिज़ाइन किया गया है।

1रासायनिक रिएक्टरों के मुख्य संचालन सिद्धांत

·** द्रव्यमान और ऊर्जा संतुलन**मूलभूत डिजाइन समीकरण द्रव्यमान और ऊर्जा के संरक्षण से व्युत्पन्न होते हैं। किसी भी रिएक्टर के लिएः इनपुट − आउटपुट + जनरेशन − खपत = संचय। स्थिर स्थिति में (निरंतर रिएक्टर),संचयन शून्य हैबैच रिएक्टरों के लिए, समय-निर्भर संचय अवधि प्रतिक्रिया प्रगति को निर्धारित करती है। ऊर्जा संतुलन में प्रतिक्रिया की गर्मी (ΔHr) को ध्यान में रखा जाना चाहिए, जो एक्सोथर्मिक हो सकती है (मुक्त गर्मी,ΔH < 0) या एंडोथर्मिक (गर्मी अवशोषित), ΔH > 0), और लक्ष्य तापमान बनाए रखने के लिए मेल खाने वाली गर्मी निकासी या आपूर्ति की आवश्यकता होती है।

·**प्रतिक्रिया गति विज्ञान और दर नियम**प्रतिक्रिया दर प्रतिक्रियाशील पदार्थों की एकाग्रता, तापमान और उत्प्रेरक गतिविधि पर निर्भर करती है, जिसे r = k × C ^ n के रूप में व्यक्त किया जाता है जहां k गति निरंतरता है (एरेनियस के बादः k = A × e ^ ((-Ea / RT)),C एकाग्रता है, और n प्रतिक्रिया क्रम है। रिएक्टर डिजाइन ऑपरेटिंग तापमान पर वांछित रूपांतरण के लिए पर्याप्त निवास समय प्रदान करना चाहिए। 90% रूपांतरण पर एक पहले क्रम की प्रतिक्रिया के लिए,आवश्यक निवास समय t = -ln है.1) /k = 2.3/k. तापमान संवेदनशीलता उच्च हैः 10°C की वृद्धि आमतौर पर दर को दोगुना करती है।

·**आदर्श रिएक्टर मॉडल**तीन आदर्श मॉडल डिजाइन के आधार के रूप में कार्य करते हैंः (1) बैच रिएक्टर की समान एकाग्रता, समय के साथ परिवर्तन; (2) सीएसटीआर की समान एकाग्रता, स्थिर स्थिति में, आउटपुट एकाग्रता के बराबर;(3) पीएफआर की एकाग्रता लंबाई के साथ भिन्न होती हैएक ही रूपांतरण के लिए, एक पीएफआर को सकारात्मक क्रम की प्रतिक्रियाओं के लिए एक सीएसटीआर की तुलना में कम मात्रा की आवश्यकता होती है क्योंकि औसत प्रतिक्रिया दर (उच्च औसत एकाग्रता द्वारा संचालित) अधिक होती है।वास्तविक रिएक्टर इन आदर्शों के विभिन्न स्तरों तक पहुंचते हैं.

2रासायनिक रिएक्टरों के प्रमुख प्रकार

·** बैच रगड़-टैंक रिएक्टर**एक बंद कंटेनर जो रिएक्टेंट से भरा हुआ है, जो आइसोथर्मल या प्रोग्राम किए गए तापमान प्रोफाइल के साथ संचालित होता है, और प्रतिक्रिया लक्ष्य रूपांतरण तक पहुँचने के बाद डिस्चार्ज किया जाता है।बहु-उत्पाद सुविधाओं के लिए अधिकतम लचीलापन. रूपांतरण बैच समय के साथ बढ़ता है; यदि साइड रिएक्शन महत्वपूर्ण हैं तो चयनशीलता कम हो सकती है। ठीक रसायनों, दवाओं और विशेष रसायनों के लिए मानक। मात्रा 50 एल से 20 तक,000 लीटर.

·** निरंतर हलचल टैंक रिएक्टर (CSTR) **लगातार खिलाया गया रिएक्टेंट और उत्पाद निकाले गए, जिसमें निकासी धारा के बराबर समान एकाग्रता और तापमान पर कंटेनर की सामग्री होती है। स्थिर अवस्था में,रूपांतरण निवास समय (τ = V/F) द्वारा निर्धारित किया जाता है. श्रृंखला में कई सीएसटीआर प्लग-फ्लो व्यवहार को लगभग करते हैं जबकि बैक-मिश्रित संचालन के मिश्रण लाभों को बनाए रखते हैं। बहुलकरण, तटस्थता और निरंतर क्रिस्टलीकरण के लिए मानक।

·** ट्यूबलर / प्लग-फ्लो रिएक्टर (पीएफआर) **एक लंबा ट्यूबलर पोत जहां एकाग्रता और तापमान लंबाई के साथ भिन्न होते हैं लेकिन किसी भी क्रॉस-सेक्शन पर समान होते हैं। सकारात्मक-क्रम प्रतिक्रियाओं के लिए प्रति इकाई आयतन उच्चतम रूपांतरण प्राप्त करता है।एडिआबेटिक (एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं के लिए रूपांतरण के साथ तापमान बढ़ता है) या गर्मी विनिमय (तापमान नियंत्रण के लिए बहु-ट्यूब्युलर डिजाइन) के साथ हो सकता हैगैस चरण उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं, बहुलकरण और पेट्रोकेमिकल प्रसंस्करण के लिए मानक।

रासायनिक रिएक्टर प्रकार तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

बैच रिएक्टर और निरंतर रिएक्टर में क्या अंतर है?

एक बैच रिएक्टर में, रिएक्टेंट को शुरू में चार्ज किया जाता है और प्रत्येक चक्र के अंत में उत्पादों को छुट्टी दी जाती है; समय के साथ एकाग्रता में परिवर्तन होता है। एक निरंतर रिएक्टर (CSTR या PFR) में,अभिकर्मकों को लगातार खिलाया जाता है और उत्पादों को लगातार निकाला जाता हैस्थिर स्थिति में, समय के साथ स्थितियां अपरिवर्तनीय होती हैं। बैच रिएक्टर अधिकतम लचीलापन प्रदान करते हैं और छोटी मात्रा या बहु-उत्पाद प्रक्रियाओं के लिए पसंदीदा हैं;निरंतर रिएक्टर प्रति यूनिट वॉल्यूम अधिक थ्रूपुट प्रदान करते हैं और बड़ी मात्रा में एकल उत्पाद प्रक्रियाओं के लिए पसंदीदा हैं.

एक ही मात्रा के लिए एक पीएफआर एक सीएसटीआर की तुलना में अधिक रूपांतरण क्यों प्राप्त करता है?

पीएफआर में, प्रतिक्रिया ट्यूब की लंबाई के साथ होती है, जिसमें इनलेट में सबसे अधिक रिएक्टेंट एकाग्रता होती है और आउटलेट की ओर एकाग्रता घटती है।औसत प्रतिक्रिया दर (सकारात्मक क्रम की प्रतिक्रियाओं के लिए एकाग्रता के अनुपात में) एक सीएसटीआर की तुलना में अधिक है, जहां पूरा रिएक्टर कम आउटपुट एकाग्रता पर काम करता है। इसका अर्थ है कि पीएफआर कम मात्रा के साथ एक ही रूपांतरण प्राप्त करता है, या एक ही मात्रा के साथ उच्च रूपांतरण।प्रतिक्रिया क्रम और लक्ष्य रूपांतरण के साथ लाभ बढ़ता है.

तापमान और प्रतिक्रिया दर के बीच संबंध क्या है?

एरेनियस समीकरण (k = A × e^(-Ea/RT)) से पता चलता है कि दर स्थिर k तापमान के साथ घातीय रूप से बढ़ता है। 80 kJ/mol की एक विशिष्ट सक्रियण ऊर्जा के लिए,25°C के आसपास 10°C की वृद्धि लगभग प्रतिक्रिया दर को दोगुना कर देती हैइस संवेदनशीलता का अर्थ है कि तापमान नियंत्रण महत्वपूर्ण हैः एक एक्सोथर्मिक रिएक्टर में 5°C गर्म बिंदु 30~50% स्थानीय दर में वृद्धि का कारण बन सकता है,यदि गर्मी हटाने के लिए अपर्याप्त है, तो भागने की स्थिति का कारण बनता है.

नई प्रक्रिया के लिए रिएक्टर प्रकार के चयन को कौन से कारक निर्धारित करते हैं?

प्रमुख कारकों में निम्नलिखित शामिल हैंः (1) प्रतिक्रिया गतिजता ✓ तेज प्रतिक्रियाओं को निरंतरता का लाभ मिलता है; धीमी प्रतिक्रियाओं को व्यावहारिक निवास समय के लिए बैच की आवश्यकता हो सकती है;(2) उत्पादन की मात्रा~बड़ी मात्राएँ दक्षता के लिए निरंतर अनुकूल हैं(3) उत्पाद मिश्रण ✓ बहु-उत्पाद सुविधाएं लचीलेपन के लिए बैच को प्राथमिकता देती हैं; (4) चरण प्रणाली ✓ गैस-चरण प्रतिक्रियाओं में आम तौर पर ट्यूबलर रिएक्टरों का उपयोग किया जाता है; तरल चरण में हलचल टैंक का उपयोग किया जा सकता है;(5) गर्मी प्रभावों के लिए अत्यधिक एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं के लिए कुशल गर्मी हस्तांतरण की आवश्यकता होती है (माइक्रो रिएक्टर), बहु-ट्यूबलर, द्रवित बिस्तर); (6) सुरक्षा~कम स्टॉक के साथ निरंतर प्रवाह खतरनाक रसायन के लिए सुरक्षित है।