ट्यूबलर रिएक्टर क्या है? सिद्धांत, प्रकार और अनुप्रयोग

मूल प्रश्न का उत्तरःट्यूबलर रिएक्टर क्या है, और कई औद्योगिक रासायनिक प्रक्रियाओं के लिए प्लग-फ्लो व्यवहार फायदेमंद क्यों है?एक ट्यूबलर रिएक्टर एक ट्यूब या पाइप के रूप में एक रासायनिक रिएक्टर है जिसके माध्यम से रिएक्टेंट्स न्यूनतम बैक-मिशरिंग के साथ, इनपुट से आउटलेट तक लगातार बहते हैं,ताकि द्रव लगभग एक आदर्श प्लग-फ्लो रिएक्टर (पीएफआर) के रूप में व्यवहार करता हैएक ट्यूबलर रिएक्टर में, ट्यूब की लंबाई के साथ एकाग्रता और तापमान भिन्न होते हैं, जिसमें प्रतिक्रियाशील ताजा होते हैं।वे खपत के रूप में आउटलेट की ओर घट रहे हैं, लेकिन किसी भी दिए गए क्रॉस सेक्शन पर लगभग समान रहते हैं।इस स्थानिक ढाल का अर्थ है कि प्रत्येक द्रव तत्व एक ही निवास समय और तापमान इतिहास का अनुभव करता है,एक समान उत्पाद गुणवत्ता का उत्पादन करना और सकारात्मक क्रम की प्रतिक्रियाओं के लिए प्रति इकाई मात्रा में उच्चतम संभव रूपांतरण प्राप्त करना.

1ट्यूबलर रिएक्टरों के मुख्य संचालन सिद्धांत

·**प्लग-फ्लो व्यवहार और आरटीडी**आदर्श पीएफआर में, सभी द्रव तत्वों का निवास समय समान होता है (आरटीडी एक डेल्टा फलन है) ।वास्तविक ट्यूबलर रिएक्टर इस आदर्श के करीब तब आते हैं जब लंबाई-व्यास अनुपात (एल/डी) 50 से अधिक हो और रेनॉल्ड्स संख्या (री) 10 से अधिक हो।,000 (अव्यवस्थित प्रवाह) अक्षीय फैलाव (बैक-मिक्सिंग) पेक्लेट संख्या (पीई = यूएक्सएल / डैक्स) द्वारा विशेषता हैः पीई > 100 लगभग आदर्श प्लग प्रवाह को इंगित करता है। प्लग प्रवाह से विचलन (शॉर्ट-सर्किट,मृत क्षेत्र) रूपांतरण और उत्पाद एकरूपता को कम करते हैं, और उचित इनलेट डिजाइन और फ्लो स्ट्रेटर द्वारा कम हो जाते हैं।

·**एडियाबेटिक बनाम आइसोथर्मल ऑपरेशन**एडियाबेटिक ट्यूबलर रिएक्टरों में, ट्यूब के साथ कोई गर्मी नहीं जोड़ी जाती है या हटाई जाती है, इसलिए रूपांतरण के साथ तापमान बदलता हैःएक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं के कारण तापमान बढ़ता है (एडियाबेटिक तापमान वृद्धि = ΔT = (-ΔHr × X × CA0) / (ρ × Cp)), संभावित रूप से गति में सुधार लेकिन भागने का खतरा है। एंडोथर्मिक प्रतिक्रियाओं का कारण तापमान गिर जाता है, प्रतिक्रिया को धीमा कर देता है।ट्यूब की दीवार के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण निरंतर तापमान बनाए रखता है, जिसके लिए बड़े हीट ट्रांसफर क्षेत्र वाले बहु-ट्यूब्युलर डिजाइनों की आवश्यकता होती है।

·**दबाव में गिरावट और प्रवाह वितरण**ट्यूब के माध्यम से द्रव प्रवाह घर्षण दबाव में गिरावट (ΔP = f × (L/D) × (ρ × u2/2)) पैदा करता है, जो लंबाई, वेग और असमानता के साथ बढ़ता है।एर्गुन समीकरण कण आकार के आधार पर ΔP की भविष्यवाणी करता हैअत्यधिक दबाव में गिरावट पाइप की लंबाई और थ्रूपुट को सीमित करती है, जिसके लिए रूपांतरण (लंबे पाइपों का पक्ष लेने) और दबाव में गिरावट (छोटे पाइपों का पक्ष लेने) के बीच व्यापार की आवश्यकता होती है।चौड़ी ट्यूबें)हजारों समानांतर ट्यूबों के साथ बहु-ट्यूबलर डिजाइन उच्च कुल थ्रूपुट बनाए रखते हुए प्रवाह को समान रूप से वितरित करते हैं।

2ट्यूबलर रिएक्टर के प्रमुख प्रकार

·**एडियाबेटिक ट्यूबलर रिएक्टर**एक एकल ट्यूब या कंटेनर जिसमें कोई गर्मी हस्तांतरण नहीं होता है, जो एडियाबेटिक परिस्थितियों में काम करता है। तापमान रूपांतरण के साथ लंबाई के साथ बढ़ता है (एक्सोथर्मिक) या गिरता है (एंडोथर्मिक) ।मध्यम गर्मी प्रभाव के साथ गैस चरण प्रतिक्रियाओं के लिए प्रयोग किया जाता है: अमोनिया संश्लेषण (अंतर-चरण शीतलन के साथ एडियाबेटिक बेड), सल्फ्यूरिक एसिड रूपांतरण (SO2 → SO3), और मेथनॉल संश्लेषण। फिक्स्ड-बेड उत्प्रेरक एडियाबेटिक रिएक्टरों के लिए विशिष्ट L / D अनुपात 5 ¢ 20 है।

·**मल्टी-ट्यूबलर हीट-एक्सचेंज रिएक्टर**उत्प्रेरक से भरे छोटे व्यास (2050 मिमी) के हजारों ट्यूबों को एक खोल में बंद किया जाता है जिसके माध्यम से एक गर्मी हस्तांतरण द्रव (उबलता पानी, पिघला हुआ नमक या थर्मल तेल) परिसंचारी होता है।छोटे ट्यूब व्यास उच्च सतह क्षेत्र-से-मात्रा अनुपात (500 ¢2) प्रदान करता है,000 m2/m3), जो अत्यधिक एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं के आइसोथर्मल संचालन को सक्षम करता हैः एथिलीन ऑक्साइड संश्लेषण (ΔH = -105 kJ/mol), phthalic anhydride, maleic anhydride।कुल गर्मी हस्तांतरण क्षेत्रफल 110,000 वर्ग मीटर।

·**जेकेट ट्यूबलर रिएक्टर (पाइपलाइन रिएक्टर) **एक एकल ट्यूब या एक बाहरी हीटिंग/कूलिंग जैकेट के साथ ट्यूबों की श्रृंखला। मध्यम गर्मी प्रभाव के साथ तरल चरण प्रतिक्रियाओं के लिए प्रयोग किया जाता हैः निरंतर बहुलकरण (LDPE ट्यूबलर रिएक्टर 2,000 ̊3,500 बार)इनलाइन स्टेटिक मिक्सर रेडियल मिक्सिंग और हीट ट्रांसफर को बढ़ाते हैं। विशिष्ट व्यास 50~300 मिमी, लंबाई 10~1,000 मीटर (अक्सर घुमावदार या सर्पेंटिन),और निवास समय 1 ¢ 60 मिनट का.

ट्यूबलर रिएक्टर प्रकार तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

ट्यूब्युलर रिएक्टर और सीएसटीआर में क्या अंतर है?

एक ट्यूबलर रिएक्टर (पीएफआर) में न्यूनतम बैक-मिशरिंग होती हैः द्रव प्रवाह एक स्थानिक एकाग्रता ढाल (इनलेट पर उच्चतम, आउटलेट पर सबसे कम) के साथ इनलेट से आउटलेट तक बहता है।एक सीएसटीआर (निरंतर हलचल टैंक रिएक्टर) पूरी तरह से वापस मिश्रित है: पूरे पात्र में एक समान एकाग्रता होती है, जो आउटस्ट्रीम के बराबर होती है।एक पीएफआर प्रति इकाई आयतन उच्च रूपांतरण प्राप्त करता है क्योंकि औसत प्रतिक्रिया दर (उच्च औसत एकाग्रता द्वारा संचालित) अधिक हैजब गहन मिश्रण (गैस-तरल प्रतिक्रियाएं, निलंबन) की आवश्यकता होती है तो सीएसटीआर को प्राथमिकता दी जाती है; उच्च रूपांतरण या संकीर्ण निवास समय वितरण के लिए पीएफआर को प्राथमिकता दी जाती है।

एकल बड़े ट्यूबों के मुकाबले बहु-ट्यूबलर रिएक्टरों का क्या लाभ है?

मल्टी-ट्यूबलर रिएक्टरों में एक बड़ी ट्यूब के बजाय हजारों छोटे व्यास के ट्यूबों (2050 मिमी) का उपयोग किया जाता है। इससे बहुत अधिक सतह क्षेत्रफल-से-मात्रा अनुपात (5002,000 m2/m3 बनाम 20100 m2/m3) प्राप्त होता है।ट्यूब की दीवारों के माध्यम से कुशल गर्मी हटाने से अत्यधिक exothermic प्रतिक्रियाओं के आइसोथर्मल संचालन को सक्षमइसके लिए अधिक पूंजीगत लागत (हजारों ट्यूब, जटिल ट्यूब शीट) और प्रति यूनिट थ्रूपुट दबाव में अधिक गिरावट है।

ट्यूबलर रिएक्टर में निवास समय की गणना कैसे की जाती है?

एक खाली (गैर-पैक किए गए) ट्यूबलर रिएक्टर के लिए, निवास समय τ = V / Q, जहां V रिएक्टर की मात्रा है और Q वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह दर है। एक पैक-बेड उत्प्रेरक रिएक्टर के लिए, τ = V_empty / Q (खाली मात्रा) ।गैस चरण की स्थिति में घनत्व में महत्वपूर्ण परिवर्तन के साथ (तापमान/दबाव परिवर्तन या गैस के मोल परिवर्तन के कारण), स्थानीय वेग ट्यूब के साथ भिन्न होता है, और डिजाइन समीकरण के एकीकरण से बदलती आयतन प्रवाह दर का पता चलता है।

एडियाबेटिक तापमान वृद्धि क्या है और यह महत्वपूर्ण क्यों है?

एडियाबेटिक तापमान वृद्धि ΔT = (-ΔHr × X × CA0) / (ρ × Cp) है,तापमान परिवर्तन को दर्शाता है जब आरंभिक एकाग्रता CA0 पर अभिकर्मक का एक अंश X घनत्व ρ और गर्मी क्षमता Cp के साथ द्रव में प्रतिक्रिया की गर्मी ΔHr के साथ प्रतिक्रिया करता हैएथिलीन ऑक्साइड संश्लेषण (ΔH = -105 kJ/mol, CA0 = 2 mol/L, ρ = 1.5 kg/m3, Cp = 1.0 kJ/kg·K) के लिए, 10% रूपांतरण ΔT = 700 °C प्राप्त करता है।इसलिए इस प्रतिक्रिया के लिए बहु-ट्यूब्युलर हीट-एक्सचेंज रिएक्टरों की आवश्यकता है.