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निरंतर प्रवाह रिएक्टर क्या हैं? प्रकार, निवास समय और प्रक्रिया तीव्रता
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निरंतर प्रवाह रिएक्टर क्या हैं? प्रकार, निवास समय और प्रक्रिया तीव्रता
निरंतर प्रवाह रिएक्टर क्या है, और कौन सा विन्यास किस रसायन के लिए उपयुक्त है?एक निरंतर प्रवाह रिएक्टर एक रिएक्टर है जो लगातार रिएक्टेंट्स के साथ खिलाया जाता है और उत्पाद के साथ लगातार डिस्चार्ज किया जाता है,ताकि संरचना और तापमान समय में हर बिंदु पर स्थिर हैं, हालांकि वे प्रवाह पथ के साथ स्थिति के साथ भिन्न होते हैंचार संरचनाएं प्रमुख हैंः प्लग फ्लो रिएक्टर, जहां द्रव तत्व 100 से अधिक पेक्लेट संख्या के साथ सुसंगत स्लग के रूप में चलते हैं; निरंतर हलचल टैंक रिएक्टर, जो पूरी तरह से बैक-मिक्स है;3-6 हलचल टैंक का एक कैस्केड जो प्लग प्रवाह के करीब हैविभेदक उत्प्रेरक के लिए पैक-बेड या ट्रिपल-बेड रिएक्टर। निवास समय ताऊ वॉल्यूम के बराबर होता है जो वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह दर से विभाजित होता है और सेकंड से 8 घंटे तक होता है।
1सही निरंतर विन्यास का चयन करना
विन्यास का चयन डैमकोहलर संख्या और प्रतिक्रिया को मिश्रण, गर्मी हटाने, या ठोस चरण की आवश्यकता है या नहीं, इस पर निर्भर करता है। चार विन्यास क्षेत्र को कवर करते हैंः
- प्लग फ्लो रिएक्टर (पीएफआर):एक ट्यूबलर या प्लेट रिएक्टर जिसमें अक्षीय मिश्रण नगण्य है और रेडियल मिश्रण पूरा हो गया है, जिससे 100 से अधिक पेक्लेट संख्या मिलती है।क्योंकि एकाग्रता इनलेट पर सबसे अधिक है और लंबाई के साथ मोनोटोनिक रूप से गिर जाता है, एक पीएफआर सकारात्मक क्रम की किसी भी प्रतिक्रिया के लिए एक ही मात्रा के सीएसटीआर की तुलना में अधिक रूपांतरण प्राप्त करता है, और यह एक लगातार प्रतिक्रिया ए से बी से सी में एक मध्यवर्ती के प्रति चयनशीलता को अधिकतम करता है।दायित्व दबाव में गिरावट है, जो L/d^2 के साथ स्केल करता है, और एक्सोथर्मिक सेवा में हॉट स्पॉट गठन, जो एक प्रतिक्रियाशील के चरणबद्ध इंजेक्शन या लंबाई के साथ कई शीतलन क्षेत्रों द्वारा प्रबंधित किया जाता है।
- निरंतर घुमावदार टैंक रिएक्टर (CSTR):एक बैक-मिश्रित पात्र जिसकी सामग्री आउटलेट संरचना में समान है, जो शून्य के करीब एक पेक्लेट संख्या और एक घातीय निवास समय वितरण के अनुरूप है।एकरूप संरचना एक आदर्श CSTR बनाता है जहां अभिकर्मक सांद्रता कम और स्थिर रखा जाना चाहिए, उदाहरण के लिए आणविक भार वितरण को नियंत्रित करने के लिए बहुलकरण में, या सब्सट्रेट अवरोध के अधीन प्रतिक्रियाओं में।यह भी स्लरी और चिपचिपा मीडिया के लिए सही विकल्प है कि एक ट्यूबलर रिएक्टर संभाल नहीं सकतेदंड मात्रा हैः 99% रूपांतरण पर दूसरी श्रेणी की प्रतिक्रिया के लिए, एक एकल सीएसटीआर को पीएफआर की मात्रा से लगभग 100 गुना अधिक की आवश्यकता होती है।
- सीएसटीआर कैस्केड:श्रृंखला में तीन से छह हलचल टैंक प्लग-प्रवाह लाभ का अधिकांश पुनः प्राप्त करते हैं जबकि स्लरी को संभालने, चरणों के बीच अभिकर्मक जोड़ने और चरण प्रति गर्मी को हटाने की क्षमता को बनाए रखते हैं।आरटीडी का वर्णन टैंक-इन-सीरीज मॉडल द्वारा किया गया है।, जहां N बराबर टैंक 1/N का एक आयामी विचलन देते हैं, इसलिए छह टैंक एक एकल टैंक के छठे हिस्से तक फैलाव को कम करते हैं।चरणबद्ध हाइड्रोजन जोड़ के साथ हाइड्रोजन, और कोई भी प्रक्रिया जहां एक अभिकर्मक को इनलेट पर सभी के बजाय कई बिंदुओं पर खुराक दी जानी चाहिए।
- पैक-बेड और ट्रिपल-बेड रिएक्टर:विषम उत्प्रेरक के लिए, 1-5 मिमी व्यास के उत्प्रेरक कणों का एक स्थिर बिस्तर किसी भी निस्पंदन चरण के बिना प्रति इकाई आयतन बहुत अधिक उत्प्रेरक सूची देता है।ट्रिपल-बेड ऑपरेशन गैस और तरल पदार्थ को बिस्तर पर एक साथ नीचे की ओर पारित करता है और हाइड्रोट्रीटिंग का मुख्य काम है।, हाइड्रोजनीकरण और ऑक्सीकरण 1-30 एमपीए पर। डिजाइन बाधाएं दबाव में गिरावट हैं, जो एर्गन समीकरण द्वारा वर्णित हैं; नलिका और दीवार प्रवाह,बिस्तर से कण व्यास अनुपात 10 से अधिक रखने और एक अच्छा वितरक का उपयोग करके बचा जा सकता है; और गर्मी हटाने, जो एक बड़े adiabatic बिस्तर में ठंड शॉट बुझाने या इंटरकूलिंग के साथ कई बिस्तरों द्वारा प्रबंधित किया जाता है।
2प्रक्रिया तीव्रता और परिचालन अनुशासन
निरंतर प्रसंस्करण का लाभ तब होता है जब रिएक्टर को तीव्र परिस्थितियों के लिए डिज़ाइन किया जाता है और एक परिभाषित नियंत्रण रणनीति के साथ संचालित किया जाता है। चार तत्व इस अनुशासन को परिभाषित करते हैंः
- नयी प्रक्रिया खिड़की में कार्यरत:प्रक्रिया तीव्रता का अर्थ है कि एक बैच कंटेनर सुरक्षित रूप से नहीं पहुंच सकता हैः उच्च तापमान, उच्च दबाव और उच्च एकाग्रता।एक सील निरंतर रिएक्टर 100-300°C और 2-10 एमपीए पर आसानी से काम करता है क्योंकि कोई हेडस्पेस नहीं है और किसी भी क्षण में प्रतिक्रिया करने वाली सूची छोटी हैवायुमंडलीय उबलने के बिंदु से 100 डिग्री सेल्सियस ऊपर चलाने से 100 से 1000 गुना तक प्रतिक्रिया तेज हो सकती है।घंटों से सेकंड और रिएक्टर वॉल्यूम के अनुपात में निवास समय को कम करनासुरक्षा मामले में भी सुधार होता है क्योंकि खतरनाक वस्तुओं की कुल सूची में बड़े पैमाने पर कमी आती है।
- निवास समय और रूपांतरण गणितःडिजाइन गति विज्ञान से शुरू होता है। प्रथम क्रम की प्रतिक्रिया के लिए, रूपांतरण X = 1 - exp ((-k·tau), इसलिए 99% रूपांतरण के लिए 4.6 के k·tau की आवश्यकता होती है और 95% की आवश्यकता होती है 3.0एक पीएफआर में दूसरी श्रेणी की प्रतिक्रिया के लिए, k·CA0·tau = X/(1-X), इसलिए 99% को 99 का मूल्य चाहिए।ये संबंध निवास समय को प्राथमिक डिजाइन चर बनाते हैं और बताते हैं कि तापमान सबसे मजबूत थ्रूपुट लीवर क्यों है: तापमान को दोगुना करने से आवश्यक निवास समय आधा हो जाता है और एक ही मात्रा के लिए दो गुना थ्रूपुट होता है।हमेशा यह सत्यापित करें कि चयनशीलता और अशुद्धता प्रोफ़ाइल अभी भी उच्च तापमान पर बरकरार है इससे पहले कि इस का उपयोग करें.
- प्रारंभ, बंद और विचलनःएक निरंतर रिएक्टर स्टार्ट-अप, बंद करने और किसी भी गड़बड़ी के दौरान स्थिर स्थिति में नहीं होता है, और उन अवधि में उत्पादित सामग्री आमतौर पर स्पेक्ट्रम से बाहर होती है।एक अनुशासित डिजाइन राज्यों को स्पष्ट रूप से परिभाषित करता है, परिवर्तन का आकार देता है और स्वचालित डायवर्जन वाल्व स्थापित करता है जो तापमान, दबाव, प्रवाह,और संरचना सभी एक निश्चित अवधि के लिए अपने सिद्ध स्वीकार्य सीमाओं के भीतर हैं- डिवाइजिंग लॉजिक, जिसमें यह भी शामिल है कि इसे क्या ट्रिगर करता है और क्या इसे साफ करता है, को डिजाइन चरण में नियंत्रण विनिर्देश में लिखा जाना चाहिए और कमीशन के दौरान सत्यापित किया जाना चाहिए, बाद में नहीं जोड़ा जाना चाहिए।
- निगरानी और स्थिर स्थिति सत्यापन:निरंतर संचालन यह जानने पर निर्भर करता है कि संयंत्र वास्तव में स्थिर स्थिति में है। उपकरण को ± 2% के भीतर फ़ीड प्रवाह अनुपात की पुष्टि करनी चाहिए, रिएक्टर तापमान प्रोफ़ाइल स्थिरता,फोल्डिंग और चैनलिंग संकेतक के रूप में रिएक्टर में दबाव में गिरावट, और एनआईआर, रामन या एचपीएलसी द्वारा ऑन-लाइन संरचना जहां रसायन शास्त्र इसे उचित बनाता है।एक ब्लैक बॉक्स से एक नियंत्रित प्रक्रिया में एक निरंतर संयंत्र को परिवर्तित करता है और आईसीएच Q13 के तहत निरंतर विनिर्माण के लिए नियामकों की उम्मीद के साक्ष्य आधार प्रदान करता है.
निरंतर प्रवाह रिएक्टर विन्यास तुलना मैट्रिक्स
| विन्यास | मिश्रण की अवस्था | निवास समय बैंड | सबसे उपयुक्त रसायन |
|---|---|---|---|
| प्लग फ्लो रिएक्टर (पीएफआर) | कोई अक्षीय मिश्रण नहीं, पीई 100 से ऊपर | 1 सेकंड - 30 मिनट | तेजी से एक्सोथर्मिक, लगातार चयनशीलता |
| एकल सीएसटीआर | पूरी तरह से वापस मिश्रित, पीई लगभग 0 | 10 मिनट - 8 घंटे | पोलीमराइजेशन, स्लरीज, अवरुद्ध गतिज |
| सीएसटीआर कैस्केड (3-6) | चरणबद्ध, विचलन 1/एन | 30 मिनट - 8 घंटे | चरणबद्ध खुराक, चिपचिपा मीडिया |
| पैक / ट्रिपल बिस्तर | स्थिर उत्प्रेरक पर प्लग प्रवाह | 10 सेकंड - 2 घंटे एलएचएसवी | हाइड्रोजनीकरण, ऑक्सीकरण, हाइड्रोट्रेटिंग |
अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)
प्रश्न: बैच रिएक्टर की तुलना में निरंतर प्रवाह रिएक्टर का मुख्य लाभ क्या है?
उत्तर: तीन फायदे प्रमुख हैं। गर्मी हस्तांतरणः सतह से मात्रा अनुपात 100 से 10,000 m2/m3 बनाम 5 से 50 m2/m3 एक बैच कंटेनर में है,तो उच्च exothermic प्रतिक्रियाओं सुरक्षित रूप से उच्च एकाग्रता पर चलाया जा सकता है के बजाय पतला और धीरे-धीरे खुराकसुरक्षाः किसी भी क्षण में प्रतिक्रिया करने वाली सूची आमतौर पर कई घन मीटर के बजाय 1-10 लीटर होती है, जो नाइट्रेशन, डायज़ोटाइजेशन या फ्लोरिंग जैसे खतरनाक रसायनों को बहुत सुरक्षित बनाती है।स्थिरताएक बार स्थिर अवस्था में, प्रत्येक अणु को एक ही थर्मल और संरचनात्मक इतिहास दिखाई देता है, इसलिए बैच से बैच में परिवर्तनशीलता गायब हो जाती है और अशुद्धता प्रोफाइल पुनः प्रस्तुत किए जा सकते हैं।निरंतर संचालन के लिए अधिक उपकरण निवेश की आवश्यकता होती है और अक्सर परिवर्तन के साथ बहु उत्पाद अभियानों के लिए कम लचीला होता है.
प्रश्न: मुझे निवास के समय की गणना कैसे करनी है?
उत्तर: अपेक्षित तापमान पर गति स्थिरांक k और प्रतिक्रिया क्रम को मापें या प्राप्त करें, फिर डिजाइन समीकरण लागू करें। प्लग प्रवाह रिएक्टर में प्रथम क्रम की प्रतिक्रिया के लिए, X = 1 - exp ((-k·tau),तो tau = -ln(1-X) /k; k 0.005 s-1 और 99% रूपांतरण पर, tau 921 सेकंड या लगभग 15 मिनट के बराबर है। समान प्रारंभिक सांद्रता वाले दूसरे क्रम की प्रतिक्रिया के लिए, tau = X/(k·CA0·(1-X)), इसलिए k 0.001 L/mol·s पर,सीए0 2 मोल/एल, और 99% रूपांतरण, ताउ 49,500 सेकंड या लगभग 13.75 घंटे के बराबर है, यही कारण है कि धीमी दूसरी श्रेणी के रसायन विज्ञान को अक्सर ट्यूबलर रिएक्टर के बजाय एक कैस्केड या एक अलग मार्ग की आवश्यकता होती है।हमेशा गैर आदर्श प्रवाह के लिए 10-20% मार्जिन जोड़ें.
प्रश्न: डैमकोहलर संख्या क्या है और यह क्यों मायने रखती है?
A: डैमकोहलर संख्या विशेषता प्रवाह या परिवहन समय के गुणात्मक प्रतिक्रिया समय का अनुपात है, Da = tau_flow/tau_reaction। जब Da 1 से बहुत कम है,परिवहन प्रतिक्रिया के सापेक्ष तेज़ है और रिएक्टर गतिज नियंत्रित है, तो मिश्रण विवरण शायद ही परिणाम को प्रभावित करते हैं और स्केल अप सीधा है. जब Da 1 से बहुत बड़ा है,प्रतिक्रिया मिश्रण के सापेक्ष तेज़ है और परिणाम इस बात पर निर्भर करता है कि अभिकर्मकों को आणविक पैमाने पर कितनी तेजी से एक साथ लाया जाता है, जहां सूक्ष्म और मेसोस्केल प्रवाह रिएक्टर एक हलचल कंटेनर नहीं कर सकते हैं कि चयनात्मकता प्रदान करते हैं। व्यावहारिक नियमः लगभग 0 के Da से ऊपर।1, माइक्रोमिशनिंग के बारे में चिंता करना शुरू करें और एक स्थिर मिक्सर या एक छोटे चैनल रिएक्टर निर्दिष्ट करें।
प्रश्न: क्या निरंतर प्रवाह वाले रिएक्टर स्लरी और ठोस पदार्थों को संभाल सकते हैं?
उत्तर: हां, लेकिन इसके लिए डिजाइन का चयन करना होगा। निरंतर हलचल टैंक और झरने प्राकृतिक रूप से स्लरी को संभालते हैं क्योंकि वे मिश्रित पात्र हैं,और वे निरंतर संचालन में क्रिस्टलीकरण और वर्षा के लिए मानक विकल्प हैंट्यूबलर रिएक्टरों में यदि रैखिक वेग कणों के जमा होने की गति से ऊपर रहता है, आमतौर पर 0.1-0.5 m/s, तो पतले स्लरी ले जा सकते हैं।यदि चैनल का व्यास अधिकतम कण आकार से कम से कम दस गुना है, और यदि लेआउट क्षैतिज रन, तेज मोड़ और मृत क्षेत्रों से बचता है जहां ठोस इकट्ठा होते हैं।और विश्वसनीयता के बदले में एक बड़ी मात्रा स्वीकार करते हैं.
