प्रवाह प्रक्रिया रिएक्टर क्या है? सिद्धांत, प्रकार और अनुप्रयोग

फ्लो प्रोसेस रिएक्टर क्या है? सिद्धांत, प्रकार और अनुप्रयोग

मुख्य प्रश्न का उत्तर: फ्लो प्रोसेस रिएक्टर क्या है, और बैच रिएक्टरों की तुलना में निरंतर प्रवाह प्रसंस्करण रासायनिक संश्लेषण को कैसे बदलता है? एक फ्लो प्रोसेस रिएक्टर एक निरंतर-प्रवाह पात्र है जिसमें अभिकर्मकों को एक सीमित चैनल (माइक्रोरेक्टर: 100-1000 माइक्रोन आंतरिक आयाम; मेसो-रेक्टर: 1-10 मिमी; ट्यूबलर रिएक्टर: 10-50 मिमी) के माध्यम से पंप किया जाता है जहां मिश्रण, गर्मी हस्तांतरण और प्रतिक्रिया एक बैच पात्र के बजाय एक निरंतर धारा में होती है। फ्लो रिएक्टर 10-1000 किग्रा/एल/एच (बैच से 10-100 गुना अधिक) के स्पेस-टाइम यील्ड, 5000-25,000 डब्ल्यू/एम2-के (जैकेटेड बैच से 5-20 गुना बेहतर) के हीट ट्रांसफर गुणांक और सेकंड से 30 मिनट तक सटीक रूप से नियंत्रित निवास समय प्राप्त करते हैं। स्केल-अप वॉल्यूमेट्रिक स्केल-अप के बजाय नंबरिंग-अप (समानांतर चैनल) का उपयोग करता है, जो उत्पादन पैमाने पर समान द्रव्यमान और गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं को बनाए रखता है। अनुप्रयोगों में फार्मास्युटिकल एपीआई संश्लेषण (खतरनाक रसायन विज्ञान: नाइट्रीकरण, फ्लोरीनीकरण, डायज़ोटाइज़ेशन), पेरोक्साइड रसायन विज्ञान, नैनोपार्टिकल संश्लेषण और फोटोकैमिस्ट्री शामिल हैं, जहां फ्लो प्रसंस्करण सुरक्षा, चयनात्मकता और उपज में सुधार करता है जबकि प्रतिक्रिया समय को घंटों से मिनटों तक कम करता है।

1. मुख्य फ्लो प्रोसेस सिद्धांत और परिवहन घटनाएँ

फ्लो प्रोसेस रिएक्टर प्रदर्शन तीन परिवहन और प्रवाह व्यवस्था सिद्धांतों द्वारा शासित होता है:

• माइक्रोचैनल परिवहन वृद्धि और गर्मी हस्तांतरण माइक्रोरेक्टर चैनल (100-1000 माइक्रोन) उच्च सतह-से-आयतन अनुपात (10,000-50,000 एम2/एम3 बनाम बैच के लिए 100-500) के कारण 5000-25,000 डब्ल्यू/एम2-के के हीट ट्रांसफर गुणांक प्राप्त करते हैं। यह अत्यधिक ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाओं के लिए सटीक तापमान नियंत्रण (±0.1C) को सक्षम बनाता है: 5 एम/एस पर 400 माइक्रोन चैनल में एक नाइट्रीकरण यू = 15,000 डब्ल्यू/एम2-के प्राप्त करता है, जो 500 किलोवाट/एल (बनाम जैकेटेड बैच रिएक्टर के लिए अधिकतम 5 किलोवाट/एल) की गर्मी रिलीज को हटाता है। लैमिनार प्रवाह के लिए नुसेल्ट संख्या सहसंबंध (नु = 3.66 स्थिरांक या नु = 1.86 x रे^0.33 x प्र^0.33 x (डी/एल)^0.33) और अशांत माइक्रोचैनलों के लिए (नु = 0.023 x रे^0.8 x प्र^0.4, डिट्टस-बोल्टर) ±15% की सटीकता के साथ संवहनी गर्मी हस्तांतरण की भविष्यवाणी करता है।
• फ्लो सिस्टम में निवास समय नियंत्रण और आरटीडी फ्लो रिएक्टरों में, निवास समय (टाऊ) = वी_रिएक्टर / एफ_फ्लो, जहां वी चैनल की मात्रा है और एफ वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह दर है। 1 मिली/मिनट प्रवाह पर 10 एमएल माइक्रोरेक्टर में टाऊ = 10 मिनट है; 5 मिली/मिनट पर, टाऊ = 2 मिनट है। आरटीडी प्रवाह व्यवस्था पर निर्भर करता है: लैमिनार प्रवाह (रे 4000) आरटीडी को संकरा करता है। खंडित (स्लग) प्रवाह, जहां गैस बुलबुले या अमिश्रणीय तरल खंड अलग-अलग प्रतिक्रिया क्षेत्र बनाते हैं, प्रत्येक स्लग के भीतर आंतरिक परिसंचरण के माध्यम से बढ़ी हुई मिश्रण के साथ संकीर्ण आरटीडी (सिग्मा^2 -> 0) प्राप्त करता है। पीएफआर व्यवहार (सिग्मा^2 = 0) पे > 50 पर पहुंच जाता है।
• नंबरिंग-अप और स्केल-आउट पद्धति बैच स्केल-अप (बर्तन का आकार बढ़ाना) के विपरीत, फ्लो रिएक्टर स्केल-आउट नंबरिंग-अप का उपयोग करता है: समानांतर में कई समान चैनलों को चलाना। 1 ग्राम/घंटा उत्पादन करने वाला एक एकल 400 माइक्रोन चैनल 1000 समानांतर चैनलों द्वारा 1 किग्रा/घंटा तक स्केल किया जाता है। यह उत्पादन पैमाने पर समान द्रव्यमान हस्तांतरण (के_ला), गर्मी हस्तांतरण (यू), और आरटीडी को बनाए रखता है, बैच स्केल-अप में निहित ए/वी अनुपात में 50-80% की गिरावट से बचता है। चुनौती प्रवाह वितरण एकरूपता (चैनलों में ±5% के लिए सावधानीपूर्वक मैनिफोल्ड डिजाइन की आवश्यकता होती है), दबाव ड्रॉप प्रबंधन (पैक किए गए चैनलों के लिए एरगुन समीकरण), और मल्टी-चैनल सरणी में थर्मल प्रबंधन है। नंबरिंग-अप मॉड्यूलर क्षमता विस्तार को सक्षम बनाता है: रिएक्टर पुन: डिजाइन के बिना मांग से मेल खाने के लिए चैनल जोड़ें।

2. फ्लो प्रोसेस रिएक्टरों के प्रमुख प्रकार

औद्योगिक फ्लो प्रोसेस रिएक्टरों को चैनल ज्यामिति और प्रवाह विन्यास द्वारा वर्गीकृत किया जाता है:

• माइक्रोस्ट्रक्चर्ड रिएक्टर (चिप और प्लेट-फिन) धातु, सिलिकॉन या सिरेमिक प्लेटों (जैसे, कॉर्निंग एएफआर, फ्राउनहोफर आईएमएम) में सटीक-मशीन या नक़्क़ाशीदार चैनल (100-1000 माइक्रोन)। चैनल की मात्रा 0.1-10 एमएल, प्रति चैनल 1-100 ग्राम/घंटा की थ्रूपुट। यू = 5000-25,000 डब्ल्यू/एम2-के और के_ला = 100-10,000 /घंटा (गैस-तरल) प्राप्त करता है। खतरनाक रसायन विज्ञान (नाइट्रीकरण, फ्लोरीनीकरण, पेरोक्साइड संश्लेषण), उच्च दबाव कटैलिसीस (50 बार एच2), और फोटोकैमिस्ट्री (चैनल ऊंचाई = यूवी प्रवेश गहराई, 100-500 माइक्रोन) के लिए उपयोग किया जाता है। किग्रा/घंटा से टी/घंटा उत्पादन प्राप्त करने के लिए 100-1000 चैनलों तक नंबरिंग-अप।
• ट्यूबलर कॉइल फ्लो रिएक्टर मानक पीटीएफई या स्टेनलेस स्टील टयूबिंग (1-10 मिमी आईडी, 10-500 मीटर लंबाई) एक तापमान-नियंत्रित स्नान में कुंडलित। 10-500 एमएल की मात्रा, 10-500 ग्राम/घंटा की थ्रूपुट। सरल निर्माण, कम लागत (50-500 अमरीकी डालर प्रति रिएक्टर)। कॉइल वक्रता द्वितीयक डीन भंवर (डीन संख्या डी = रे x sqrt(डी/2आर) > 20) प्रेरित करती है जो आरटीडी को संकरा करती है और रेडियल मिश्रण को बढ़ाती है। के लिए उपयोग किया जाता है: ग्रिग्नार्ड और ऑर्गेनोलिथियम प्रतिक्रियाएं, डायज़ोटाइज़ेशन (2-5 मिनट निवास, 0-25C), सुजुकी कपलिंग (15-30 मिनट, 80C), और क्रिस्टलीकरण (प्रवाह में बीजयुक्त एंटीसॉल्वेंट)।
• पैक्ड-बेड कैटेलिटिक फ्लो रिएक्टर एक ट्यूबलर रिएक्टर (5-50 मिमी आईडी, 100-1000 मिमी लंबाई) ठोस उत्प्रेरक कणों (0.5-3 मिमी व्यास, 40-60% रिक्ति अंश) से भरा हुआ है। विषम कटैलिसीस: हाइड्रोजनीकरण (पीडी/सी, 1-10 बार एच2, 20-80C), ऑक्सीकरण (औ/टीओ2), और एंजाइमेटिक बायोकैटलिसिस (स्थिर एंजाइम, 25-37C)। दबाव ड्रॉप एरगुन समीकरण का पालन करता है: डेल्टा-पी/एल = 150 x म्यू x वी x (1-एप्स)^2 / (एप्स^3 x डी_पी^2) + 1.75 x रो x वी^2 x (1-एप्स) / (एप्स^3 x डी_पी)। विशिष्ट: 100 ग्राम उत्प्रेरक, 5 मिली/मिनट प्रवाह, 20 मिनट निवास समय, 0.5 एमपीए दबाव ड्रॉप।

फ्लो प्रोसेस रिएक्टर प्रकार तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (एफएक्यू)

प्र: बैच रिएक्टरों पर माइक्रोरेक्टर हीट ट्रांसफर गुणांक का क्या लाभ है?

उ: माइक्रोरेक्टर चैनल (100-1000 माइक्रोन) 5000-25,000 डब्ल्यू/एम2-के के समग्र हीट ट्रांसफर गुणांक (यू) प्राप्त करते हैं, जबकि जैकेटेड बैच रिएक्टरों के लिए 300-1600 डब्ल्यू/एम2-के की तुलना में। यह 5-20 गुना सुधार अत्यंत उच्च सतह-से-आयतन अनुपात (बैच के लिए 10,000-50,000 एम2/एम3 बनाम 100-500 एम2/एम3) और पतली चैनल दीवारों से उत्पन्न होता है। व्यावहारिक परिणाम यह है कि अत्यधिक ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाएं (जैसे, 500 किलोवाट/एल जारी करने वाला नाइट्रीकरण) एक माइक्रोरेक्टर में 25C पर आइसोथर्मली रूप से संचालित की जा सकती हैं, जबकि बैच रिएक्टर में समान प्रतिक्रिया के लिए बड़े पैमाने पर शीतलन क्षमता की आवश्यकता होगी या थर्मल रनवे का सामना करना पड़ेगा, जिससे बैच प्रतिक्रिया एकाग्रता माइक्रोरेक्टर के 10-20% तक सीमित हो जाएगी।

प्र: नंबरिंग-अप क्या है और यह स्केल-अप से कैसे भिन्न है?

उ: नंबरिंग-अप (स्केल-आउट) समानांतर में कई समान रिएक्टर चैनलों को चलाकर उत्पादन को स्केल करता है, जबकि स्केल-अप एक एकल रिएक्टर के आकार को बढ़ाता है। नंबरिंग-अप उत्पादन पैमाने पर समान द्रव्यमान हस्तांतरण (के_ला), गर्मी हस्तांतरण (यू), और निवास समय वितरण (आरटीडी) को बनाए रखता है, क्योंकि प्रत्येक चैनल प्रयोगशाला-पैमाने के एकल चैनल के समान परिस्थितियों में संचालित होता है। यह बैच स्केल-अप में निहित ए/वी अनुपात में 50-80% की गिरावट को समाप्त करता है। चुनौती प्रवाह वितरण एकरूपता (±5% के लिए अनुकूलित मैनिफोल्ड डिजाइन की आवश्यकता होती है) और मल्टी-चैनल सरणी में थर्मल प्रबंधन है। 1 किग्रा/घंटा कुल उत्पादन करने वाले 1000 चैनलों के लिए, प्रवाह वितरण हेडर और दबाव-समान करने वाले छिद्र समान प्रवाह सुनिश्चित करते हैं।

प्र: खंडित (स्लग) प्रवाह क्या है और यह रिएक्टर प्रदर्शन को कैसे बेहतर बनाता है?

उ: खंडित प्रवाह (जिसे टेलर प्रवाह या स्लग प्रवाह भी कहा जाता है) में, गैस बुलबुले या अमिश्रणीय तरल खंड एक केशिका चैनल में एक निरंतर तरल धारा में पेश किए जाते हैं, जिससे अलग-अलग वैकल्पिक खंड बनते हैं। प्रत्येक तरल स्लग आंतरिक परिसंचरण (प्रत्येक स्लग के सामने और पीछे भंवर) के साथ एक लघु बैच रिएक्टर के रूप में कार्य करता है जो रेडियल मिश्रण को बढ़ाता है और आरटीडी को संकरा करता है (सिग्मा^2 -> 0, पीएफआर व्यवहार के करीब)। गैस-तरल खंडित प्रवाह 100-10,000 /घंटा (बनाम बैच के लिए 1-100) के के_ला प्राप्त करता है, जबकि तरल-तरल खंडित प्रवाह बैच की तुलना में 10-100 गुना अधिक इंटरफेशियल क्षेत्र के साथ द्वि-चरणीय प्रतिक्रियाओं (जैसे, चरण-स्थानांतरण कटैलिसीस) को सक्षम बनाता है। खंड की लंबाई प्रवाह दर अनुपात और चैनल ज्यामिति द्वारा नियंत्रित होती है।

प्र: किस प्रकार की प्रतिक्रियाएं फ्लो प्रोसेस रिएक्टरों के लिए सबसे उपयुक्त हैं?

उ: फ्लो रिएक्टर इन के लिए फायदेमंद हैं: (1) खतरनाक रसायन विज्ञान (नाइट्रीकरण, फ्लोरीनीकरण, डायज़ोटाइज़ेशन, पेरोक्साइड संश्लेषण) जहां छोटी होल्डअप मात्रा (10-500 एमएल) विस्फोट जोखिम को कम करती है; (2) अत्यधिक ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाएं जिन्हें सटीक तापमान नियंत्रण की आवश्यकता होती है (यू = 5000-25,000 डब्ल्यू/एम2-के); (3) फोटोकैमिस्ट्री जहां चैनल की ऊंचाई यूवी प्रवेश गहराई (100-500 माइक्रोन) से मेल खाती है; (4) खतरनाक मध्यवर्ती (डायज़ोनियम, पेरोक्साइड, एज़ाइड) के साथ प्रतिक्रियाएं जो प्रवाह में तुरंत उपभोग हो जाती हैं (कोई संचय नहीं); (5) छोटे उत्प्रेरक मात्रा के साथ उच्च दबाव (पीडी/सी, 1-50 बार एच2) पर उत्प्रेरक हाइड्रोजनीकरण; (6) बहु-चरणीय टेलीस्कोपिक संश्लेषण जहां क्रमिक फ्लो रिएक्टर मध्यवर्ती के अलगाव को प्रतिस्थापित करते हैं।