रिएक्टर का उद्देश्य क्या है? कार्य, प्रकार और औद्योगिक भूमिका

रिएक्टर का उद्देश्य क्या है?

मूल प्रश्न का उत्तरःएक रिएक्टर का उद्देश्य क्या है?एक रिएक्टर का उद्देश्य औद्योगिक पैमाने पर, सुरक्षित रूप से, बार-बार और आर्थिक रूप से वांछित रासायनिक या जैविक परिवर्तन करना है। यह चार उद्देश्यों के माध्यम से प्राप्त करता हैःएक परिभाषित दबाव और तापमान सीमा के भीतर प्रतिक्रिया को शामिल करेंरिएक्टेंट्स से संपर्क करें ताकि वे प्रतिक्रिया कर सकें; प्रतिक्रिया को अपने इष्टतम मार्ग पर रखने के लिए गर्मी जोड़ें या हटाएं; और सामग्री को सही समय के लिए रखें। रिएक्टर -80 से 1,000 डिग्री सेल्सियस तक काम करते हैं,पूर्ण वैक्यूम से 35 एमपीए तक, और एक सेकंड से 24 घंटे तक के निवास समय के साथ 60-99.9% के रूपांतरण लक्ष्यों और 80-99.5% की चयनशीलता के साथ।

1प्रत्येक रिएक्टर के पीछे चार उद्देश्य

प्रत्येक उद्देश्य विशिष्ट हार्डवेयर में अनुवाद करता है और एक विशिष्ट तरीके से रिएक्टर विफल हो सकता है। चार उद्देश्य, चार डिजाइन प्रतिक्रियाएंः

• रोकथाम:रिएक्टर को सामान्य संचालन और विश्वसनीय गड़बड़ी के पूरे दायरे में अपनी सामग्री को बनाए रखना चाहिए। इसका अर्थ है एक मान्यता प्राप्त कोड के अनुसार डिज़ाइन की गई दबाव सीमा,रसायन और तापमान के लिए चयनित सामग्री, खतरे के अनुरूप सीलिंग, और सबसे खराब विश्वसनीय भागने वाले के लिए आकार का एक आपातकालीन राहत मार्ग।,ज्वलनशील या प्रतिक्रियाशील सामग्री के माध्यम से निष्क्रिय, गैस का पता लगाने, और वेंटिलेशन।यही कारण है कि रोकथाम एक उद्देश्य है कि लागत के लिए दूर कभी नहीं व्यापार है.
• संपर्क और मिश्रण:अणु केवल तब प्रतिक्रिया कर सकते हैं जब वे मिलते हैं। मिश्रणशील तरल पदार्थों के लिए, मिश्रण उथल-पुथल पैदा करता है जो आणविक पैमाने पर प्रजातियों को एक साथ लाता है;गैस-तरल प्रणालियों जैसे हाइड्रोजन या ऑक्सीकरण के लिए, रिएक्टर को 30-250 h-1 के kLa के रूप में व्यक्त इंटरफेस क्षेत्र उत्पन्न करना और बनाए रखना चाहिए; ठोस उत्प्रेरक के लिए इसे कणों को निलंबित रखना चाहिए और बिस्तर के माध्यम से तरल प्रवाह करना चाहिए;और चिपचिपा प्रणालियों के लिए यह भौतिक रूप से सामग्री स्थानांतरित करना चाहिए क्योंकि अशांति असंभव हैअपर्याप्त संपर्क कम रूपांतरण, हॉट स्पॉट और असंगत उत्पाद गुणवत्ता के रूप में प्रकट होता है,और यह आमतौर पर एक ही तापमान और समय पर प्रयोगशाला और संयंत्र के परिणामों की तुलना करके निदान किया जाता है.
• गर्मी प्रबंधन:प्रतिक्रिया की एंथलपी को हीट ट्रांसफर से मेल खाना चाहिए, अन्यथा तापमान वहां नहीं रहेगा जहां रसायन विज्ञान को इसकी आवश्यकता है।एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं से 50-300 kJ/mol का उत्सर्जन होता है और यदि उत्पादन की दर से गर्मी को नहीं हटाया जाता है तो यह भाग जाएगी, चूंकि प्रतिक्रिया दर लगभग हर 10 डिग्री सेल्सियस पर दोगुनी हो जाती है।और अपर्याप्त गर्मी तापमान वृद्धि के बजाय गिर रूपांतरण के रूप में प्रकट होता हैडिजाइन प्रतिक्रिया हीट ट्रांसफर क्षेत्र है, जिसे Q = U·A·LMTD के रूप में व्यक्त किया गया है, साथ ही एक नियंत्रण रणनीति और, एक्सोथर्मिक प्रणालियों के लिए, शीतलन, फ़ीड कट-ऑफ, बुझाने सहित सुरक्षा की स्वतंत्र परतें,और राहत.
• समय और निवास का समय:प्रतिक्रिया का विस्तार तापमान पर समय का एक कार्य है, इसलिए रिएक्टर को डिजाइन की गई अवधि के लिए सामग्री को पकड़ना चाहिए और आदर्श रूप से, प्रत्येक अणु को समान अवधि देना चाहिए।एक प्लग प्रवाह रिएक्टर में सभी अणुओं का अनुभव लगभग एक ही निवास समय, जो प्रति यूनिट वॉल्यूम रूपांतरण को अधिकतम करता है और एक लगातार प्रतिक्रिया में एक मध्यवर्ती की ओर चयनशीलता को अधिकतम करता है। एक एकल हलचल टैंक में निवास समय वितरण व्यापक है,जो कभी-कभी वांछनीय होता है, जैसे कि बहुलकरण में जहां समान संरचना आणविक भार वितरण को नियंत्रित करती है, लेकिन अक्सर उपज की लागत होती है। मीट्रिक अंतरिक्ष-समय उपज है, आमतौर पर 10-1,000 किलोग्राम/एम 3 · एच,और यह अंततः जहाज के आकार और पूंजी लागत को निर्धारित करता है.

2कैसे उद्देश्य रिएक्टर डिजाइन को आकार देता है

चूंकि उद्देश्य स्थिर है, इसलिए रिएक्टरों के बीच अंतर पूरी तरह से इस बारे में है कि किसी दिए गए रसायन के लिए किस उद्देश्य को पूरा करना सबसे कठिन है। चार पैटर्न अधिकांश विविधता की व्याख्या करते हैंः

• जब गर्मी हटाने का प्रभाव अधिक होता है:तेजी से एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाएं जैसे नाइट्रेशन, पॉलीमराइजेशन और ऑक्सीकरण से एक रिएक्टर उत्पन्न होता है जिसे वॉल्यूम के बजाय हीट ट्रांसफर के आसपास डिजाइन किया गया हैः उच्च सतह-से-वॉल्यूम अनुपात,एक आधा-पाइप या डंपल जैकेट प्लस आंतरिक कॉइल्स या एक बाहरी परिसंचरण लूप, और अक्सर निरंतर संचालन ताकि गर्मी पीक के बजाय लगातार हटा दी जाए। यही कारण है कि 1,000-10,000 m2/m3 के सतह-से-मात्रा अनुपात वाले निरंतर प्रवाह रिएक्टर,एक बैच के लिए 5-50 के मुकाबले, सुरक्षित रूप से रसायन चला सकते हैं जो एक हलचल टैंक में असुरक्षित होगा, और वे खतरनाक प्रतिक्रियाओं के लिए तेजी से क्यों निर्दिष्ट हैं।
• जब चुनिंदापन हावी हो:जहां वांछित मध्यवर्ती पदार्थ B A और C के बीच स्थित है, वहां निवास समय और मिश्रण को ठीक से नियंत्रित करने के लिए रिएक्टर का चयन किया जाता है।एक प्लग प्रवाह रिएक्टर या एक संकीर्ण निवास समय वितरण के साथ एक माइक्रो रिएक्टर अधिकतम Bएक एकल हलचल टैंक, जो बैकमिक्स, मध्यवर्ती के लिए कम चयनशीलता देता है। इसी तरह, जहां दो अभिकर्मक तेजी से और धीमी गति से प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं,रिएक्टर नियंत्रित जोड़ और माइक्रोमिशनिंग के लिए डिज़ाइन किया गया है, सीमित करने वाले अभिकर्मक को उच्च कतरनी वाले क्षेत्र में खिलाता है ताकि यह स्थानीय एकाग्रता बनाने से पहले खपत हो सके। यहां रिएक्टर एक कंटेनर के समान ही एक चयनशीलता उपकरण है।
• जब रोकथाम और बांझपन हावी हो:फार्मास्युटिकल, जैव प्रौद्योगिकी और खाद्य अनुप्रयोगों में, रिएक्टर का सबसे कठिन काम वह सब कुछ बाहर निकालना है जो वहां नहीं होना चाहिए।Ra 0 पर इलेक्ट्रोपोलिश्ड सतहें.4 μm या उससे कम, मृत पैर L/D 2 से कम, 121°C पर वाष्प 15 से अधिक Fo के साथ, और डायफ्राम वाल्व। जैव-नियंत्रण में तर्क उलटा है लेकिन सिद्धांत समान हैःरिएक्टर को जीव को अंदर रखना चाहिए, सील ट्रांसफर, HEPA फ़िल्टरिंग और डिस्चार्ज से पहले सत्यापित निष्क्रियता का उपयोग करके।
• जब उत्पादन की लागत हावी होती हैःकमोडिटी रसायनों के लिए, रिएक्टर का उद्देश्य प्रति टन लागत के रूप में व्यक्त किया जाता है, इसलिए डिजाइन अंतरिक्ष-समय उपज, ऊर्जा एकीकरण, उत्प्रेरक जीवन और स्ट्रीम समय को अनुकूलित करता है।फ़ीड और उत्पाद के बीच गर्मी एकीकरण, उच्च दबाव संचालन संतुलन को स्थानांतरित करने के लिए, और बंद होने के बीच वर्षों के अभियान सभी इसका परिणाम हैं।एक रिफाइनरी में एक द्रव उत्प्रेरक क्रैकर और 200 लीटर का कांच से ढके बैच रिएक्टर का एक ही उद्देश्य है, लेकिन इन अक्षों में से प्रत्येक पर विपरीत स्थिति, और प्रत्येक अपने संदर्भ के लिए सही है।

रिएक्टर उद्देश्य, डिजाइन प्रतिक्रिया और विफलता मोड

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

प्रश्न: एक रिएक्टर और एक दबाव पोत में क्या अंतर है?

उत्तर: प्रत्येक रिएक्टर एक दबाव कंटेनर है, लेकिन हर दबाव कंटेनर एक रिएक्टर नहीं है। एक दबाव कंटेनर एक भंडारण टैंक,एक अलगावकर्ता, एक हीट एक्सचेंजर शेल, या एक हवा रिसीवर। एक रिएक्टर एक दबाव कंटेनर है जिसका उद्देश्य एक रासायनिक या जैविक परिवर्तन होने के लिए शामिल है जो मिश्रण के लिए आवश्यकताओं को जोड़ता है,गर्मी हस्तांतरण, निवास समय नियंत्रण, और प्रतिक्रिया सुरक्षा जो एक भंडारण पोत में नहीं है। कोड शब्दों में दोनों ASME VIII डिवीजन 1 या समकक्ष के लिए निर्मित हैं,लेकिन एक रिएक्टर के अतिरिक्त हलचल की आवश्यकता होती है, एक गर्मी हस्तांतरण सतह, प्रतिक्रिया का पालन करने के लिए उपकरण, और एक साधारण आग के मामले के बजाय एक भगोड़ा परिदृश्य के आधार पर राहत आकार।

प्रश्न: अधिक उत्पादन के लिए रिएक्टरों को बड़ा क्यों नहीं किया जा सकता?

उत्तरः क्योंकि दो प्रमुख गुण अनुकूल नहीं स्केल करते हैं. सतह-से-मात्रा अनुपात मोटे तौर पर रैखिक आयाम के विपरीत के रूप में गिर जाता है, तो एक पोत 1,000 गुना बड़ा है प्रति इकाई आयतन हीट ट्रांसफर क्षेत्र का केवल लगभग एक सौवां हिस्सा है, जो गर्मी हटाने को धीरे-धीरे कठिन बनाता है और यही कारण है कि प्रयोगशाला पैमाने पर काम करने वाली कई एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाएं संयंत्र पैमाने पर खतरनाक हैं। मिश्रण का समय भी बढ़ जाता है,तो एकाग्रता और तापमान ग्रेडिएंट है कि एक छोटे से पोत में नगण्य हैं महत्वपूर्ण हो जाते हैंइन कारणों से स्केल-अप अपने आप में एक अनुशासन है, और इसके बजाय निरंतर प्रवाह रिएक्टरों में नंबरिंग-अप का उपयोग क्यों किया जाता है।

प्रश्न: एक रिएक्टर के लिए रूपांतरण, उपज और चयनशीलता का क्या अर्थ है?

उत्तर: तीन अलग-अलग उपाय हैं जिन्हें अक्सर भ्रमित किया जाता है। रूपांतरण सीमित रिएक्टेंट का अंश है जिसने प्रतिक्रिया की है, आमतौर पर औद्योगिक अभ्यास में 60-99.9%।उपज वस्तुतः प्राप्त वांछित उत्पाद की मात्रा है, आमतौर पर फ़ीड से सैद्धांतिक अधिकतम के प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है। चयनशीलता प्रतिक्रियाशील सामग्री का अंश है जो उप-उत्पादों के बजाय वांछित उत्पाद में चला गया।एक रिएक्टर उच्च रूपांतरण और कम उपज दिखा सकता है यदि अधिकांश सामग्री एक अवांछित उप-उत्पाद में चली गईरिएक्टर डिजाइन विकल्प, विशेष रूप से निवास समय वितरण और मिश्रण,वे रूपांतरण से कहीं अधिक चयनात्मकता को प्रभावित.

प्रश्न: रिएक्टर के संचालन में सबसे महत्वपूर्ण सुरक्षा विचार क्या है?

उत्तर: विशिष्ट प्रतिक्रिया के थर्मल व्यवहार को समझना और यह सुनिश्चित करना कि गर्मी को हटाने से हमेशा गर्मी का उत्पादन अधिक हो जाता है। अधिकांश गंभीर रिएक्टर दुर्घटनाओं में एक भागने वाला शामिल होता हैःगर्मी उत्पादन हटाने से अधिक है, तापमान बढ़ता है, दर में तेजी आती है, और दबाव पोत के रेटिंग से परे बढ़ता है। रोकथाम के लिए प्रतिक्रिया की गर्मी को जानना आवश्यक है, एडियाबेटिक तापमान वृद्धि,और adiabatic परिस्थितियों में अधिकतम दर के लिए समय, सभी अनुमानित के बजाय प्रतिक्रिया कैलोरिमेट्री द्वारा मापा जाता है। शमन के लिए स्वतंत्र परतों की आवश्यकता होती हैः पर्याप्त शीतलन क्षमता, उच्च तापमान पर फ़ीड कट-ऑफ या हलचल की हानि,एक बुझाने या डंप प्रणाली, और सिस्टम के वास्तविक वेंटिलेशन व्यवहार के लिए DIERS पद्धति द्वारा आकारित आपातकालीन राहत।