रासायनिक रिएक्टर क्या है: प्रकार, डिजाइन समीकरण और औद्योगिक अनुप्रयोग

रासायनिक रिएक्टर क्या है: प्रकार, डिज़ाइन समीकरण और औद्योगिक अनुप्रयोग

मुख्य प्रश्न का उत्तर: रासायनिक रिएक्टर क्या है? एक रासायनिक रिएक्टर एक ऐसा पात्र है जिसे नियंत्रित रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा अभिकारकों को उत्पादों में परिवर्तित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और इसके डिज़ाइन के बारे में सब कुछ तीन संतुलनों से आता है: एक मोल संतुलन जो आयतन निर्धारित करता है, एक दर नियम जो समय निर्धारित करता है, और एक ऊर्जा संतुलन जो आमतौर पर सीमा निर्धारित करता है। चार पारंपरिक विन्यास हैं बैच रिएक्टर, जहां संरचना समय के साथ बदलती है और आयतन dN/dt = rV को एकीकृत करके प्राप्त होता है; निरंतर हिलाया हुआ टैंक रिएक्टर, जहां संतुलन बीजगणितीय है, V = F(X_out - X_in) / (-r), और सामग्री आउटलेट एकाग्रता पर समान होती है; प्लग फ्लो रिएक्टर, जहां संतुलन लंबाई के साथ विभेदक होता है, dV = dF/(-r), और एकाग्रता धीरे-धीरे गिरती है; और फ्लुइडाइज्ड बेड, जिसका उपयोग तब किया जाता है जब उत्प्रेरक को प्रसारित करने की आवश्यकता होती है। चूंकि प्रतिक्रिया दरें लगभग 10°C की वृद्धि के लिए अरेनियस संबंध द्वारा दोगुनी हो जाती हैं, और चूंकि विशिष्ट एक्सोथर्म 50-250 kJ/mol जारी करते हैं जिसमें 50-300°C की एडियाबेटिक तापमान वृद्धि होती है, इसलिए गर्मी हटाना रसायन विज्ञान के बजाय सबसे अधिक बार रिएक्टर को सीमित करता है।

1. तीन संतुलन जो हर रिएक्टर को परिभाषित करते हैं

विन्यास की परवाह किए बिना, तीन समीकरण हमेशा हल किए जाते हैं, और वे बताते हैं कि रिएक्टर कैसे दिखते हैं:

• मोल संतुलन: मोल संतुलन एक संरक्षण कथन है: जो प्रवेश करता है, माइनस जो निकलता है, माइनस जो प्रतिक्रिया करके दूर हो जाता है, माइनस जो जमा होता है। एक बैच रिएक्टर के लिए यह dN_A/dt = r_A x V देता है, इसलिए आवश्यक समय प्रारंभिक से अंतिम रूपांतरण तक dN_A/(r_A x V) का समाकलन है। स्थिर अवस्था में एक निरंतर हिलाया हुआ टैंक रिएक्टर के लिए कोई संचय नहीं होता है, इसलिए संतुलन बीजगणितीय है, V = F_A0 x X / (-r_A), आउटलेट एकाग्रता पर मूल्यांकन किया जाता है क्योंकि पूरा टैंक उस एकाग्रता पर बैठता है। एक प्लग फ्लो रिएक्टर के लिए संतुलन एक विभेदक स्लाइस पर लिखा जाता है, dV = dF_A/(-r_A), और लंबाई के साथ एकीकृत किया जाता है। व्यावहारिक परिणाम अच्छी तरह से जाना जाता है: किसी भी सकारात्मक-क्रम प्रतिक्रिया के लिए प्लग फ्लो रिएक्टर को समान रूपांतरण के लिए CSTR की तुलना में कम आयतन की आवश्यकता होती है, आमतौर पर दो से दस के कारक से, क्योंकि CSTR तुरंत पूरे सामग्री को सबसे कम, सबसे धीमी एकाग्रता तक पतला कर देता है।
• दर नियम और तापमान निर्भरता: दर अभिव्यक्ति संतुलन को एक संख्या में परिवर्तित करती है, और यह लगभग हमेशा अरेनियस रूप में होती है, k = A x exp(-Ea/RT), जिसमें सक्रियण ऊर्जाएं आमतौर पर 40-120 kJ/mol होती हैं। इसका मतलब है कि दर लगभग 10°C तापमान वृद्धि के लिए दोगुनी हो जाती है, और रिएक्टर तापमान नियंत्रण के प्रति अत्यंत संवेदनशील हो जाता है। इसका मतलब यह भी है कि गलत तापमान पर डिज़ाइन किया गया रिएक्टर आकार में एक परिमाण से बाहर हो सकता है। एकाग्रता निर्भरता भी उतनी ही महत्वपूर्ण है: एक प्रथम-क्रम प्रतिक्रिया अभिकारक की खपत के साथ तेजी से धीमी हो जाती है, इसलिए रूपांतरण के अंतिम कुछ प्रतिशत अनुपातहीन रूप से लंबा समय लेते हैं, यही कारण है कि कई प्रक्रियाएं 90-98% पर रुक जाती हैं और पूर्ण रूपांतरण का पीछा करने के बजाय पुनर्चक्रण करती हैं। जहां दो प्रतिक्रियाएं प्रतिस्पर्धा करती हैं, चयनात्मकता उनकी दरों के अनुपात पर निर्भर करती है, और चूंकि दोनों में आमतौर पर अलग-अलग सक्रियण ऊर्जाएं होती हैं, इसलिए तापमान उत्पाद स्लेट को चलाने के लिए प्राथमिक उपकरण बन जाता है।
• ऊर्जा संतुलन और गर्मी हटाना: गैर-शून्य प्रतिक्रिया गर्मी वाली प्रतिक्रिया चलाने वाले हर रिएक्टर को गर्मी को हटाना या आपूर्ति करना पड़ता है, और संतुलन पीढ़ी की दर बनाम जैकेट, कॉइल, रिफ्लक्स या बाहरी लूप के माध्यम से हटाने की दर के रूप में लिखा जाता है। पीढ़ी आयतन के साथ बढ़ती है, जबकि हटाना सतह क्षेत्र के साथ बढ़ता है, इसलिए रिएक्टर के बड़े होने पर समस्या बिगड़ जाती है; यह क्लासिक स्केल-अप विफलता है, जहां 1 लीटर फ्लास्क में आसानी से नियंत्रित होने वाली प्रतिक्रिया 5 एम3 बर्तन में भाग जाती है। आयामहीन डैम्कोहलर संख्या, विशेषता प्रवाह या मिश्रण समय का प्रतिक्रिया समय से अनुपात, डिजाइनर को बताता है कि कौन सा शासन लागू होता है: लगभग 0.01 से नीचे प्रतिक्रिया काइनेटिक रूप से नियंत्रित होती है, लगभग 100 से ऊपर यह मिश्रण या द्रव्यमान हस्तांतरण सीमित होती है। जहां एक एक्सोथर्म महत्वपूर्ण है, डिजाइन में एक स्वतंत्र उच्च-तापमान ट्रिप, एक स्वतंत्र उपयोगिता के साथ आपातकालीन शीतलन, और DIERS पद्धति द्वारा आकार की राहत शामिल होनी चाहिए।
• निवास समय वितरण और वास्तविक रिएक्टर: कोई भी वास्तविक रिएक्टर पूरी तरह से प्लग फ्लो या पूरी तरह से मिश्रित नहीं होता है। निवास समय वितरण, एक ट्रेसर इंजेक्ट करके और आउटलेट एकाग्रता की निगरानी करके मापा जाता है, प्रस्थान को मापता है: एक CSTR माध्य के रूप में चौड़ा फैलाव के साथ एक घातीय क्षय देता है, एक प्लग फ्लो रिएक्टर एक संकीर्ण पल्स देता है, और एक वास्तविक बर्तन बीच में स्थित होता है और टैंक-इन-सीरीज़ मॉडल द्वारा प्रभावी टैंकों की संख्या के साथ, या पेकलेट संख्या के साथ एक फैलाव मॉडल द्वारा मॉडल किया जाता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि निवास समय फैलाव सीधे बहुलकीकरण में उत्पाद वितरण को चौड़ा करता है, श्रृंखला प्रतिक्रियाओं में कुछ अणुओं को अधिक प्रतिक्रिया करता है, और प्रभावी रूपांतरण को कम करता है। सामान्य सुधार बाईपास और भंवर को दबाने के लिए बैफल्स हैं, ट्यूबलर रिएक्टरों के लिए लगभग 3 से ऊपर लंबाई-से-व्यास अनुपात, और, हिलाए गए टैंकों के लिए, श्रृंखला में तीन से छह जहाजों का एक झरना, जो हिलाए गए टैंक के मिश्रण और गर्मी हस्तांतरण के साथ प्लग फ्लो लाभ का अधिकांश हिस्सा देता है।

2. चार रिएक्टर विन्यास और कैसे चुनें

विन्यास उत्पादन दर, गर्मी भार, उत्प्रेरक जीवन और उत्पाद स्लेट से आता है:

• बैच रिएक्टर: बैच रिएक्टर सबसे लचीला और ठीक रसायन, फार्मास्यूटिकल्स, रेजिन, कोटिंग्स और विशेष उत्पादों में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अभिकारकों को चार्ज किया जाता है, प्रतिक्रिया को तापमान और जोड़ प्रोफ़ाइल के माध्यम से चलाया जाता है, और सामग्री को डिस्चार्ज किया जाता है। इसकी ताकत लचीलापन है: एक ही बर्तन कई उत्पाद बनाता है, बैचों के बीच नुस्खा को समायोजित किया जा सकता है, और लंबा निवास समय धीमी प्रतिक्रियाओं के लिए उपयुक्त है। इसकी कमजोरियां चार्जिंग, हीटिंग, कूलिंग, सफाई और डिस्चार्ज के लिए गैर-उत्पादक समय हैं, जो चक्र का 30-60% उपभोग कर सकते हैं, बैच-से-बैच परिवर्तनशीलता, और गर्मी हटाने में कठिनाई, क्योंकि पूरा गर्मी भार थोड़े समय में जारी होता है। सेमी-बैच ऑपरेशन, जहां एक अभिकारक को समय के साथ खिलाया जाता है, गर्मी की समस्या का मानक उत्तर है और चयनात्मकता और, बहुलकीकरण में, आणविक भार पर नियंत्रण भी देता है।
• निरंतर हिलाया हुआ टैंक रिएक्टर: एक CSTR को लगातार खिलाया और डिस्चार्ज किया जाता है, अच्छी तरह से मिश्रित होता है ताकि सामग्री आउटलेट संरचना पर समान हो, और स्थिर अवस्था में संचालित होता है। यह सुसंगत उत्पाद देता है, नियंत्रित करना आसान है, स्लरी और चिपचिपे पदार्थों को अच्छी तरह से संभालता है, और तरल-चरण प्रतिक्रियाओं के लिए प्राकृतिक विकल्प है जिन्हें अच्छे मिश्रण की आवश्यकता होती है या जिन्हें एक निश्चित एकाग्रता पर रखा जाना चाहिए, जैसा कि कई बहुलकीकरण और किण्वन में होता है। दंड आयतन है: क्योंकि पूरा टैंक आउटलेट एकाग्रता पर बैठता है, प्रतिक्रिया हर जगह अपनी सबसे धीमी गति से चलती है, इसलिए एक CSTR को समान कार्य के लिए प्लग फ्लो रिएक्टर के आयतन का दो से दस गुना अधिक की आवश्यकता होती है। यही कारण है कि उच्च रूपांतरण की आवश्यकता वाली प्रक्रियाएं श्रृंखला में CSTRs का एक झरना उपयोग करती हैं, आमतौर पर तीन से छह, जो प्लग फ्लो लाभ का बहुत कुछ ठीक करता है जबकि मिश्रण और गर्मी हस्तांतरण लाभों को बनाए रखता है।
• प्लग फ्लो और ट्यूबलर रिएक्टर: एक प्लग फ्लो रिएक्टर में, सामग्री बिना किसी अक्षीय मिश्रण के पतली स्लाइस की एक श्रृंखला के रूप में चलती है, इसलिए एकाग्रता और रूपांतरण लंबाई के साथ भिन्न होते हैं और औसत प्रतिक्रिया दर CSTR की तुलना में अधिक होती है। ट्यूबलर रिएक्टर उच्चतम मात्रा उत्पादकता, उच्च सतह-से-आयतन अनुपात के कारण प्रति इकाई आयतन उत्कृष्ट गर्मी हस्तांतरण, और एक संकीर्ण निवास समय वितरण देते हैं जो उत्पाद वितरण को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक है। वे उच्च तापमान गैस-चरण प्रतिक्रियाओं जैसे भाप क्रैकिंग 750-870°C पर, तेज एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं के लिए जहां एक छोटा व्यास गर्मी प्रवाह को प्रबंधनीय रखता है, और उन प्रतिक्रियाओं के लिए मानक हैं जहां बैक-मिक्सिंग चयनात्मकता को नष्ट कर देगा। सीमाएं पैक किए गए ट्यूबों के लिए उच्च दबाव ड्रॉप,fouling और ठोस पदार्थों के साथ कठिनाई, और यह तथ्य है कि एक रनवे को कहीं भी फैलाने के लिए नहीं है, यही कारण है कि ट्यूबलर रिएक्टरों को सावधानीपूर्वक उपकरण और अक्सर एक वितरित तापमान प्रोफ़ाइल की आवश्यकता होती है।
• फ्लुइडाइज्ड, पैक्ड और विशेष बेड: जहां एक ठोस उत्प्रेरक शामिल होता है, संपर्क मोड को उत्प्रेरक जीवन और गर्मी भार द्वारा चुना जाता है। एक पैक्ड या फिक्स्ड बेड सरल है और प्लग फ्लो व्यवहार देता है, लेकिन गर्मी हटाना खराब है और शटडाउन के बिना बिस्तर को नहीं बदला जा सकता है, इसलिए यह एक से पांच साल के उत्प्रेरक जीवन के साथ स्वच्छ फ़ीड के लिए उपयुक्त है। एक फ्लुइडाइज्ड बेड ऊपर की ओर बहने वाली गैस में उत्प्रेरक को निलंबित करता है, उत्कृष्ट तापमान एकरूपता और उत्प्रेरक को लगातार प्रसारित करने की क्षमता देता है, जो आवश्यक है जब यह सेकंड में निष्क्रिय हो जाता है, जैसा कि 500-540°C पर फ्लुइड कैटेलिटिक क्रैकिंग में होता है; दंड घर्षण है, साइक्लोन की मांग करने वाला एंट्रेनमेंट, और बैक-मिक्सिंग। एक इबुलेटेड बेड तरल ऊपर की ओर बहने के साथ उत्प्रेरक का विस्तार करता है और ऑन-लाइन प्रतिस्थापन की अनुमति देता है, जो अवशेष हाइड्रोकन्वर्जन को संभव बनाता है। एक स्लरी या बबल कॉलम उत्कृष्ट गर्मी हटाने के लिए तरल में महीन उत्प्रेरक को निलंबित करता है, और फिशर-ट्रॉप्स और हाइड्रोजनीकरण सेवा में उपयोग किया जाता है।

रासायनिक रिएक्टर विन्यास तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

Q: CSTR और प्लग फ्लो रिएक्टर के बीच क्या अंतर है?

A: मिश्रण। एक निरंतर हिलाया हुआ टैंक रिएक्टर पूरी तरह से मिश्रित होता है, इसलिए इसकी सामग्री समान होती है और हर जगह सबसे कम अभिकारक एकाग्रता, आउटलेट एकाग्रता पर बैठती है। एक प्लग फ्लो रिएक्टर में कोई अक्षीय मिश्रण नहीं होता है, इसलिए अभिकारक एकाग्रता इनलेट पर उच्च शुरू होती है और लंबाई के साथ गिरती है। किसी भी सकारात्मक-क्रम प्रतिक्रिया के लिए यह प्लग फ्लो रिएक्टर को औसतन तेज बनाता है और इसलिए छोटा होता है: समान रूपांतरण प्राप्त करने के लिए आमतौर पर CSTR की तुलना में दो से दस गुना कम आयतन की आवश्यकता होती है, उच्च रूपांतरण और उच्च प्रतिक्रिया क्रम पर अंतर बढ़ता है। व्यवहार में इंजीनियर अक्सर श्रृंखला में तीन से छह CSTRs का एक झरना उपयोग करते हैं, जो उत्कृष्ट मिश्रण, गर्मी हस्तांतरण और हिलाए गए टैंक की स्लरी हैंडलिंग को बनाए रखते हुए प्लग फ्लो का अनुमान लगाता है। दूसरा अंतर परिचालन है: एक CSTR को नियंत्रित करना आसान है और स्थिर अवस्था को अच्छी तरह से बनाए रखता है, जबकि एक ट्यूबलर रिएक्टर में उच्च दबाव ड्रॉप होता है और यह fouling और runaway के प्रति अधिक संवेदनशील होता है।

Q: रासायनिक रिएक्टर में तापमान नियंत्रण इतना महत्वपूर्ण क्यों है?

A: क्योंकि प्रतिक्रिया दर तापमान के साथ लगभग घातीय रूप से बढ़ती है। 40-120 kJ/mol की विशिष्ट सक्रियण ऊर्जा के साथ, दर लगभग 10°C की वृद्धि के लिए दोगुनी हो जाती है। एक एक्सोथर्मिक प्रतिक्रिया में यह एक सकारात्मक प्रतिक्रिया लूप बनाता है: प्रतिक्रिया गर्मी जारी करती है, तापमान बढ़ता है, दर बढ़ती है, और अधिक गर्मी जारी होती है। यदि गर्मी हटाने की प्रणाली हर बिंदु पर तालमेल नहीं बिठा सकती है, तो बैच एक रनवे में तेज हो जाता है, जो विलायक को उबाल सकता है, बर्तन की सीमा से परे दबाव बढ़ा सकता है, और उत्पाद या अभिकारकों को विघटित कर सकता है। इसी तरह, खराब नियंत्रण कई प्रक्रियाओं में सुरक्षा के बजाय गुणवत्ता की कीमत चुकाता है: जहां दो प्रतिस्पर्धी प्रतिक्रियाओं में अलग-अलग सक्रियण ऊर्जाएं होती हैं, तापमान चयनात्मकता निर्धारित करता है, और जहां एक बहुलकीकरण चल रहा होता है, तापमान आणविक भार निर्धारित करता है। यही कारण है कि रिएक्टरों में कई स्वतंत्र तापमान सेंसर होते हैं, एक इंटरलॉक जो फ़ीड को रोकता है और उच्च तापमान पर पूर्ण शीतलन लागू करता है, और DIERS पद्धति द्वारा आकार की राहत क्षमता होती है।

Q: मुझे बैच और निरंतर संचालन के बीच कैसे चुनना चाहिए?

A: चार कारक इसे तय करते हैं। आयतन: निरंतर को प्रति वर्ष लगभग 5,000-10,000 टन से ऊपर एक एकल उत्पाद के लिए पसंद किया जाता है, उससे नीचे एक निरंतर संयंत्र की पूंजी और नियंत्रण जटिलता को उचित ठहराना मुश्किल है। उत्पाद स्लेट: यदि संयंत्र कई ग्रेड या उत्पाद बनाता है, तो बैच लचीलेपन पर जीतता है, क्योंकि एक निरंतर ट्रेन हर ग्रेड परिवर्तन पर ऑफ-स्पेसिफिकेशन संक्रमण सामग्री का उत्पादन करती है। प्रतिक्रिया विशेषताएँ: बहुत तेज या बहुत एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं को छोटे-आयतन रिएक्टर में लगातार नियंत्रित करना आसान होता है, जबकि लंबी निवास समय वाली धीमी प्रतिक्रियाएं बैच बर्तन में सस्ती होती हैं। और गुणवत्ता स्थिरता: एक बार लाइन आउट होने के बाद निरंतर एक स्थिर उत्पाद देता है, लेकिन बैच प्रत्येक लॉट को समायोजित और ट्रैक करने की अनुमति देता है, जो विनियमित उद्योगों में मायने रखता है। कई संयंत्र एक हाइब्रिड चलाते हैं: निरंतर प्रतिक्रिया बैच फिनिशिंग के साथ, या बैच प्रतिक्रिया एक निरंतर पृथक्करण ट्रेन को खिलाती है।

Q: रासायनिक रिएक्टर को किन सुरक्षा प्रणालियों की आवश्यकता होती है?

A: सुरक्षा स्तरित है। अंतर्निहित सुरक्षा पहले: अर्ध-बैच फ़ीड चुनें ताकि बिना प्रतिक्रिया वाले इन्वेंट्री छोटे हों, अभिकारकों को पतला करें, और एक विलायक चुनें जिसका क्वथनांक अधिकतम तापमान को कैप करता है। मूल प्रक्रिया नियंत्रण अगला: तापमान, दबाव और फ़ीड प्रवाह स्वचालित रूप से अलार्म के साथ नियंत्रित होते हैं। उपकरण सुरक्षा: एक स्वतंत्र उच्च-उच्च तापमान और उच्च-उच्च दबाव ट्रिप जो फ़ीड को बंद कर देता है, पूर्ण शीतलन लागू करता है और, यदि डिज़ाइन किया गया है, तो एक प्रतिक्रिया अवरोधक इंजेक्ट करता है या बैच को क्वेंच टैंक में डंप करता है। यांत्रिक सुरक्षा: API 520 द्वारा आकार का एक राहत उपकरण, जिसमें राहत भार DIERS पद्धति द्वारा विशिष्ट रनवे मामले के लिए निर्धारित किया जाता है, क्योंकि प्रतिक्रियाशील प्रणालियां गैसीय, वाष्प या हाइब्रिड हो सकती हैं, और सही उत्तर आवश्यक क्षेत्र को काफी बदल देता है। अंत में, एक डाउनस्ट्रीम रोकथाम प्रणाली: एक नॉक-आउट ड्रम, स्क्रबर या डंप टैंक जो राहत सामग्री को सुरक्षित रूप से स्वीकार कर सकता है बजाय इसे वायुमंडल में छोड़ने के।