स्केलेबल फ्लो रिएक्टर क्या हैं? नंबरिंग-अप, डिज़ाइन और स्केल-अप

स्केलेबल फ्लो रिएक्टर क्या हैं?

मूल प्रश्न का उत्तरःस्केलेबल फ्लो रिएक्टर क्या है और यह प्रयोगशाला से उत्पादन तक कैसे बढ़ता है?एक स्केलेबल फ्लो रिएक्टर एक निरंतर रिएक्टर है जिसका प्रदर्शन थ्रूपुट की वृद्धि के साथ संरक्षित है,या तो संख्याकरण (पैरेलल में कई समान चैनलों या मॉड्यूल चलाने) या एक शासन के भीतर आयामों को स्केलिंग द्वारा जहां नियंत्रण भौतिकी नहीं बदलती हैशासन करने वाली मात्राएं प्रवाह व्यवस्था के लिए रेनॉल्ड्स संख्या हैं, डैमकोहलर संख्या Da = प्रतिक्रिया दर मिश्रण बनाम गतिशीलता के लिए संवहन परिवहन दर से विभाजित,और अक्षीय फैलाव के लिए पेक्लेट संख्याचूंकि थर्मल ट्रांसफर एरिया से वॉल्यूम अनुपात 1000-10,000 m2/m3 तक पहुंचता है, जबकि बैच कंटेनर में 5-50 m2/m3 है, इसलिए फ्लो रिएक्टर अत्यधिक एक्सोथर्मिक रसायन को संभालते हैं जो बैच नहीं कर सकते हैं।

1प्रवाह रिएक्टरों का पैमाना अलग क्यों होता है

बैच स्केल अप विफल हो जाता है क्योंकि सतह से मात्रा में गिरावट आती है और आकार बढ़ने के साथ मिश्रण समय बढ़ जाता है। प्रवाह रिएक्टर दोनों से बचते हैं, लेकिन केवल तीन शर्तों को बनाए रखने परः

• निरंतर परिवहन लंबाईःप्रवाह रिएक्टर का मुख्य लाभ यह है कि प्रवाह क्षमता बढ़ने के साथ ही परिवहन की विशिष्ट लंबाई, चैनल हाइड्रोलिक व्यास स्थिर रहता है।1 मिमी के चैनलों के साथ एक प्रयोगशाला प्लेट रिएक्टर और 1 मिमी के चैनलों के साथ एक उत्पादन इकाई में समान गर्मी और द्रव्यमान हस्तांतरण दूरी होती है, तो एक प्रतिक्रिया है कि लैब में परिवहन-सीमित है 1,000 गुना थ्रूपुट पर समान व्यवहार करता है।समानांतर चैनलों की संख्या के साथ थ्रूपुट स्केल जबकि भौतिकी का वर्णन करने वाली प्रत्येक आयामी संख्या स्थिर रहती हैवैकल्पिक रूप से, चैनल का आकार बढ़ाना, रेनॉल्ड्स संख्या और गर्मी हस्तांतरण लंबाई को बढ़ाता है और किसी भी प्रतिक्रिया के लिए चयनशीलता को बदलता है जहां डीए लगभग 0 से ऊपर है।1.
• निवास समय वितरण नियंत्रण:संकीर्ण निवास समय वितरण उच्च चयनात्मकता के साथ उच्च रूपांतरण की अनुमति देता है, क्योंकि प्रत्येक अणु तापमान पर लगभग एक ही समय का अनुभव करता है।अक्षीय फैलाव Peclet संख्या Pe = u·L/Dax द्वारा मापा जाता है, या उसके रिएक्टर समकक्ष बोडेनस्टीन संख्या Bo = u·L/Dax. एक सादे ट्यूब में लामिनार प्रवाह एक व्यापक पैराबोलिक RTD देता है, Bo के साथ लगभग 10 से नीचे,जबकि स्थैतिक मिक्सर या संरचित चैनलों Bo 100 से ऊपर उठा और लगभग प्लग प्रवाहप्रथम क्रम की प्रतिक्रिया के लिए, 10 के बो और 100 के बो के बीच का अंतर कई प्रतिशत अंकों तक पैदावार को स्थानांतरित कर सकता है,और एक लगातार प्रतिक्रिया के लिए A से B से C तक यह मध्यवर्ती B की अधिकतम प्राप्त करने योग्य चयनशीलता को बदलता है.
• स्केल पर गर्मी निकालनाःएक्सोथर्मिक रसायन विज्ञान वह क्षेत्र है जहां प्रवाह रिएक्टर निर्णायक रूप से जीतते हैं। एक बैच रिएक्टर जो 5 एम 3 से 100 किलोवाट की गर्मी निकालता है, उसके पास लगभग 10 एम 2 का जैकेट क्षेत्र और 400-800 डब्ल्यू / एम 2 के यू है,एक गर्मी प्रवाह सीमा दे रही है जो धीमी खुराक और बड़े विलायक पतला करने के लिए मजबूर करती हैएक समकक्ष प्रवाह रिएक्टर 1,000-10,000 m2/m3 क्षेत्रफल और 1,000-20,000 W/m2·K के U के साथ एक ही गर्मी को एक से दो परिमाण क्रम में कम मात्रा में हटा देता है,10 से 100 गुना अधिक एकाग्रता पर. यह है कि प्रतिक्रिया एक शासन है कि बस बैच में असुरक्षित है में चलाने के लिए अनुमति देता है, और यह प्रवाह के लिए सबसे मजबूत आर्थिक तर्क है.

2प्रैक्टिस में अंकन

संख्याकरण सिद्धांत रूप में आसान है और विस्तार में मांग करता है। चार इंजीनियरिंग समस्याएं निर्धारित करती हैं कि क्या एक समानांतर सरणी एकल चैनल की तरह प्रदर्शन करती है जिसे यह डिज़ाइन किया गया थाः

• प्रवाह का गलत वितरण:समानांतर चैनलों केवल बराबर हैं अगर प्रत्येक एक ही प्रवाह प्राप्त करता है. एक विविधता खिला N चैनलों में,वितरण हेडर के माध्यम से दबाव की गिरावट चैनलों के माध्यम से दबाव की गिरावट के सापेक्ष बड़ा होना चाहिए, आम तौर पर 10 या उससे अधिक के कारक से, अन्यथा प्रवाह इनलेट के निकटतम चैनलों का पक्ष लेता है। व्यावहारिक डिजाइनों में समान पथ लंबाई के साथ एक द्विभाज्य पेड़ मनिफोल्ड का उपयोग किया जाता है,प्रत्येक चैनल के ऊपर दबाव-पात तत्व या प्रतिबंध, या एक कैलिब्रेटेड ओरिफिस के साथ एक बड़ा पूर्ण। चैनलों के बीच लगभग ± 5% से अधिक का गलत वितरण समग्र आरटीडी को मापने योग्य रूप से बढ़ाता है और चयनात्मकता को कम करता है, इसलिए इसे मानने के बजाय मापा जाना चाहिए।
• सरणी में थर्मल एकरूपता:एक सरणी में प्रत्येक चैनल को एक ही दीवार का तापमान देखना चाहिए। व्यवहार में किनारे के चैनल अधिक गर्मी खो देते हैं और केंद्र के चैनल इसे जमा करते हैं,तो उपयोगिता सर्किट एक पर्याप्त प्रवाह के साथ एक विपरीत धारा या क्रॉस-प्रवाह व्यवस्था के रूप में डिजाइन किया गया है कि उपयोगिता तापमान वृद्धि 2-5 °C से कम है, और मॉड्यूल ज्यामिति उपयोगिता चैनलों के बीच परतों की संख्या को सीमित करती है।क्योंकि 5°C फैलाव तापमान संवेदनशील रसायन के लिए अशुद्धता प्रोफाइल बदल सकते हैं.
• ठोस पदार्थों का संभाल और धूमिल करना:संकीर्ण नहरें जो प्रवाह रिएक्टरों को अपना लाभ देती हैं, उनकी मुख्य हानि भी हैं: कोई भी अवशोषण, उत्प्रेरक ठीक, या बहुलक जमा उन्हें अवरुद्ध करता है।कम करने की रणनीतियों में स्लरी सेवा के लिए 1 मिमी से अधिक हाइड्रोलिक व्यास के चैनलों का उपयोग शामिल है, 10-50 μm इनलाइन फिल्टर अपस्ट्रीम स्थापित करना, समय-समय पर विलायक फ्लश या बैक-फ्लश चक्र जोड़ना, यांत्रिक या रासायनिक सफाई के लिए पहुंच डिजाइन करना,और कुछ मामलों में 3-10 मिमी के चैनलों के एक मेसोस्केल डिजाइन को स्वीकार करते हैं जो मजबूती के लिए कुछ गर्मी हस्तांतरण प्रदर्शन का व्यापार करते हैंएक संकीर्ण-चैनल डिजाइन के लिए प्रतिबद्ध होने से पहले ठोस के गठन के लिए स्क्रीनिंग आवश्यक है।
• नियंत्रण और विनियामक निरंतरता:निरंतर प्रसंस्करण के लिए बैच से भिन्न नियंत्रण दर्शन की आवश्यकता होती हैः एक परिभाषित सेटपॉइंट पर स्थिर-राज्य संचालन, जिसमें स्पष्ट अवस्थाओं के रूप में प्रबंधित स्टार्ट-अप और बंद संक्रमण के साथ,और एक सामग्री विचलन रणनीति ताकि एक अस्थायी के दौरान उत्पादित गैर-स्पेस सामग्री उत्पाद प्रवाह से दूर हो जाती हैआईसीएच Q13 निरंतर दवा पदार्थ निर्माण के लिए नियामक ढांचा प्रदान करता है, एक बैच की परिभाषाओं को संबोधित करता है, कैसे गड़बड़ी से निपटने के लिए, और कैसे एक नियंत्रण रणनीति स्थापित करने के लिए।वैधता के दौरान रिएक्टर के पुनर्व्यवस्थापन से बचने के साथ ही डायवर्जन लॉजिक और ट्रांजिट मैनेजमेंट प्रक्रियाओं का डिजाइन करना.

प्रवाह रिएक्टर स्केलिंग रणनीतियाँ तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

प्रश्न: स्केल-अप और नंबरिंग-अप में क्या अंतर है?

A: स्केल-अप एक एकल रिएक्टर के भौतिक आकार को बढ़ाता है, जो सतह-से-मात्रा अनुपात, मिश्रण समय, और गर्मी हस्तांतरण गुणांक को बदलता है,तो प्रतिक्रिया वातावरण शिफ्ट और प्रयोगशाला परिणाम आमतौर पर ठीक से पुनः पेश नहीं करतेसंख्याकरण से अलग-अलग चैनल या मॉड्यूल अपने प्रमाणित प्रयोगशाला आयाम पर रहता है और कई समान इकाइयों को समानांतर में चलाने से थ्रूपुट बढ़ता है, इसलिए रेनॉल्ड्स, डैमकोहलर,और पेक्लेट संख्या, निवास समय, और गर्मी हस्तांतरण दूरी सभी स्थिर रहते हैं। संख्यांकन के लिए पूरे सरणी में प्रवाह वितरण और थर्मल एकरूपता को हल करने की आवश्यकता होती है,लेकिन यह बैच स्केल-अप विफलता का मौलिक कारण हटा देता हैअधिकांश वाणिज्यिक प्रवाह प्रक्रियाओं में एक संकर का उपयोग किया जाता हैः एक मामूली ज्यामितीय स्केल-आउट एक मेसोस्केल मॉड्यूल के लिए, फिर उस मॉड्यूल की संख्या।

प्रश्न: मुझे बैच रिएक्टर के बजाय प्रवाह रिएक्टर कब चुनना चाहिए?

उत्तर: पांच शर्तों में से एक के लागू होने पर प्रवाह बेहतर विकल्प है। प्रतिक्रिया तेज और अत्यधिक एक्सोथर्मिक है, जिसमें लगभग 50 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के एडियाबेटिक तापमान की वृद्धि होती है,जहां प्रवाह गर्मी को अधिक प्रभावी ढंग से हटा देता हैरसायन विज्ञान में खतरनाक या अस्थिर मध्यवर्ती पदार्थों जैसे डायज़ोनियम नमक, अज़िड या पेरोक्साइड शामिल होते हैं, जहां एक प्रवाह रिएक्टर की छोटी सूची प्रक्रिया को स्वाभाविक रूप से सुरक्षित बनाती है।चयनात्मकता सटीक निवास समय या एक लगातार प्रतिक्रिया के तेजी से बुझने पर निर्भर करती हैरसायन विज्ञान के लिए प्रकाश रसायन, विद्युत रसायन या वायुमंडलीय उबलने के बिंदु से ऊपर उच्च तापमान और उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। या गैस-तरल द्रव्यमान हस्तांतरण दर को सीमित करता है,जैसे हाइड्रोजनीकरण या ओजोनोलिसिस मेंइसके विपरीत, लगभग एक घंटे के निवास समय से अधिक बहुत धीमी प्रतिक्रियाओं, भारी स्लरी और बहु-उत्पाद पौधों के लिए बार-बार परिवर्तन की आवश्यकता होती है।

प्रश्न: आप स्केलेबल फ्लो रिएक्टर में ठोस पदार्थों और गंदगी से कैसे निपटते हैं?

उत्तरः संकीर्ण नहरों में जाने से पहले एक प्रयोगशाला केशिका में वर्षा और बहुलक गठन के लिए स्क्रीनिंग से शुरू करें और प्रक्रिया की स्थिति में फफूंदी के लिए प्रेरण समय को मापें।यदि ठोस पदार्थ अपरिहार्य हैं, 1 मिमी से अधिक चैनल हाइड्रोलिक व्यास चुनें, आदर्श रूप से 3-10 मिमी मेसोस्केल प्लेट या ट्यूब डिजाइन में और कम गर्मी हस्तांतरण गुणांक को स्वीकार करें। 10-50 μm इनलाइन फिल्टरेशन अपस्ट्रीम जोड़ें,तेज कोनों और अचानक विस्तार से बचें जहां कण जमा हो जाते हैं, और कणों को निलंबित रखने के लिए लगभग 0.1 m/s से ऊपर एक न्यूनतम रैखिक गति बनाए रखें।और मॉड्यूल को इस तरह से डिजाइन करें कि कम से कम इनलेट वितरण क्षेत्र को सफाई के लिए अलग किया जा सके या एक उपभोग्य वस्तु के रूप में प्रतिस्थापित किया जा सके.

प्रश्न: प्रवाह रिएक्टर के लिए थ्रूपुट की गणना और वृद्धि कैसे की जाती है?

A: थ्रूपुट वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह दर और उत्पाद एकाग्रता का गुणनफल है, जिसमें वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह निवास समय और कुल चैनल वॉल्यूम द्वारा निर्धारित किया गया हैः Q = V_total tau से विभाजित।99% रूपांतरण की आवश्यकता वाली प्रथम श्रेणी की प्रतिक्रिया के लिए, tau लगभग 4.6 को गति स्थिरांक से विभाजित करने के बराबर है, इसलिए 0.01 s-1 के k के साथ प्रतिक्रिया के लिए लगभग 460 सेकंड की आवश्यकता होती है। 100 mL के चैनल वॉल्यूम के साथ, यह 0.78 L/h की प्रवाह दर देता है।थ्रूपुट बढ़ाने का अर्थ है समानांतर चैनलों को जोड़कर कुल वॉल्यूम में वृद्धि करना, एकाग्रता बढ़ाने या तापमान बढ़ाने के लिए तापमान बढ़ाने के लिए आमतौर पर सबसे प्रभावी लीवर हैः 20°C की वृद्धि अक्सर दोगुनी या चौगुनी k,निवास समय को कम करना और आनुपातिक रूप से थ्रूपुट बढ़ाना, बशर्ते चयनशीलता और अशुद्धता निर्माण स्वीकार्य रहे।