एजिटेशन रिएक्टर: इम्पेलर प्रकार, मिक्सिंग रेजीम और हीट ट्रांसफर डिजाइन

आंदोलन रिएक्टर: प्ररित करनेवाला प्रकार, मिश्रण व्यवस्था और गर्मी हस्तांतरण डिजाइन

मूल प्रश्न का उत्तर:एक आंदोलन रिएक्टर क्या है?एक आंदोलन रिएक्टर एक बर्तन है जिसमें केंद्रीय शाफ्ट पर लगा एक यांत्रिक रूप से संचालित प्ररित करनेवाला, पंपों या प्रतिक्रिया से प्रवाह पर निर्भर होने के बजाय, प्रतिक्रिया के दौरान सम्मिश्रण, गर्मी हस्तांतरण, गैस फैलाव या ठोस निलंबन प्राप्त करने के लिए सामग्री को मिश्रित करता है। आंदोलनकारी, खोल नहीं, मशीन का दिल है, और इसका चयन कर्तव्य का पालन करता है: कम-कतरनी मिश्रण के लिए एक पिच-ब्लेड या हाइड्रोफॉइल टरबाइन, गैस फैलाव के लिए एक रशटन टरबाइन, या चिपचिपा और गर्मी-स्थानांतरण कर्तव्य के लिए एक एंकर और हेलिकल रिबन। प्रमुख इंजीनियरिंग पैरामीटर हैं पावर नंबर, जो मोटर का आकार निर्धारित करता है, रेनॉल्ड्स नंबर, जो बताता है कि प्रवाह लैमिनर है या अशांत है, और टिप गति, जो मिश्रण की तीव्रता और सामग्री के अनुभव को कतरनी दोनों निर्धारित करती है। प्ररित करनेवाला गलत हो जाता है और प्रतिक्रिया में मिश्रण की कमी हो जाती है, स्थानीय रूप से ज़्यादा गरम हो जाता है या इसके उत्प्रेरक को कभी निलंबित नहीं किया जाता है।

1. प्ररित करनेवाला के प्रकार और प्रत्येक क्या करता है

प्ररित करनेवाला की पसंद यह तय करती है कि रिएक्टर मिश्रण करता है, गर्म करता है, फैलाता है या निलंबित करता है:

• अक्षीय-प्रवाह टर्बाइन और हाइड्रोफॉयल:पिच-ब्लेड टर्बाइन और आधुनिक हाइड्रोफॉइल इम्पेलर ज्यादातर शाफ्ट अक्ष के साथ तरल पदार्थ को धक्का देते हैं, जिससे प्रति यूनिट प्रवाह में कम कतरनी और कम शक्ति के साथ एक मजबूत थोक परिसंचरण उत्पन्न होता है, जो उन्हें सम्मिश्रण, समरूपीकरण और ठोस निलंबन के लिए डिफ़ॉल्ट बनाता है जहां लक्ष्य पूरे बैच को स्थानांतरित करना है। उनकी शक्ति संख्या कम है, लगभग 0.3-1.5, इसलिए वे बड़ी मात्रा के लिए ऊर्जा कुशल हैं, और वे ऊपर से नीचे तक एक लूप उत्पन्न करते हैं जो ठोस पदार्थों को फर्श से दूर रखता है। अधिकांश तरल-तरल मिश्रण के लिए और उत्प्रेरक को निलंबन में रखने के लिए, एक या दो स्तरों पर एक अक्षीय-प्रवाह हाइड्रोफॉइल पहली पसंद है, क्योंकि यह कम से कम शक्ति के लिए सबसे अधिक तरल पदार्थ को स्थानांतरित करता है और उच्च कतरनी से बचता है जो कतरनी-संवेदनशील उत्पादों को नुकसान पहुंचाएगा या हवा में प्रवेश करेगा।
• गैस और तीव्र मिश्रण के लिए रशटन और रेडियल टर्बाइन:रशटन टरबाइन एक फ्लैट-ब्लेड डिस्क रोटर है जो तरल पदार्थ को रेडियल रूप से फेंकता है, जिससे दो जोरदार क्षैतिज लूप बनते हैं और, महत्वपूर्ण रूप से, नीचे से निकलने पर एक उत्कृष्ट गैस-फैलाव क्षमता होती है, यही कारण है कि यह हाइड्रोजनीकरण और किण्वन पर हावी होता है जहां गैस को छोटे बुलबुले में काटा जाना चाहिए। इसकी शक्ति संख्या अधिक है, लगभग 4-6, इसलिए यह समान प्रवाह के लिए अधिक शक्ति खींचता है, और यह अधिक कतरनी उत्पन्न करता है, जो गैस-तरल द्रव्यमान स्थानांतरण के लिए उपयुक्त है लेकिन नाजुक कोशिकाओं या बूंदों को नुकसान पहुंचा सकता है। हाइड्रोजनीकरण रिएक्टर में रशटन, या एक आधुनिक घुमावदार-ब्लेड रेडियल प्ररित करनेवाला, को गैस-तरल इंटरफेसियल क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए एक स्पार्गर के साथ जोड़ा जाता है, क्योंकि प्रतिक्रिया की दर अक्सर इस बात से निर्धारित होती है कि गैस कितनी अच्छी तरह फैली हुई है, न कि केवल रसायन विज्ञान द्वारा।
• विस्कोस ड्यूटी के लिए एंकर और हेलिकल रिबन:जैसे-जैसे चिपचिपाहट कुछ हजार सेंटीपोइज़ से ऊपर बढ़ती है, अशांत प्ररित करनेवाला अधिकार खो देते हैं क्योंकि तरल पदार्थ अब ब्लेड के माध्यम से स्वतंत्र रूप से प्रवाहित नहीं होता है, और प्रवाह लामिनायर हो जाता है, रेनॉल्ड्स संख्या 10 से नीचे है। यहां एक एंकर आंदोलनकारी, एक विस्तृत क्लोज-क्लीयरेंस प्ररित करनेवाला जो दीवार को खुरचता है, या एक पेचदार रिबन जो तरल पदार्थ को दीवार के साथ ऊपर की ओर और केंद्र के नीचे पेंच करता है, पूरे द्रव्यमान को स्थानांतरित करने के लिए और, गंभीर रूप से, गर्म होने पर तरल पदार्थ को नवीनीकृत करने के लिए उपयोग किया जाता है। या ठंडी दीवार. हेलिकल रिबन पॉलिमर, पेस्ट और उच्च-ठोस स्लरीज़ के लिए मानक है क्योंकि गर्मी हस्तांतरण, थोक गति नहीं, सीमित कदम है, और केवल दीवार-स्क्रैपिंग प्ररित करनेवाला उच्च दीवार-साइड गुणांक को बनाए रखता है। ये इम्पेलर धीरे-धीरे चलते हैं लेकिन उच्च टॉर्क खींचते हैं, इसलिए ड्राइव को गति के बजाय टॉर्क के लिए तैयार किया जाता है।

2. मिश्रण व्यवस्था, स्केल-अप और हीट ट्रांसफर

रिएक्टर को शासन और गर्मी के आधार पर डिज़ाइन किया गया है, अकेले प्ररित करनेवाला के अनुसार नहीं:

• लामिना, संक्रमणकालीन और अशांत प्रवाह:रेनॉल्ड्स संख्या, जड़त्व और चिपचिपी ताकतों का अनुपात, शासन को बताता है: लगभग 10 से नीचे प्रवाह लामिना है और चिपचिपा बल हावी है, 10 से 10,000 संक्रमणकालीन है, और 10,000 से ऊपर प्रवाह अशांत है और जड़ता हावी है। शासन प्ररित करनेवाला और स्केल-अप नियम दोनों को तय करता है: अशांत सम्मिश्रण में, स्केल-अप को अक्सर निरंतर टिप गति या प्रति वॉल्यूम स्थिर शक्ति पर रखा जाता है, जबकि लामिना चिपचिपा कर्तव्य में इसे निरंतर दीवार कतरनी या प्रति वॉल्यूम निरंतर टॉर्क पर रखा जाता है। मिश्रण का समय अशांत प्रवाह में मिनटों से घटकर लामिना प्रवाह में बहुत अधिक हो जाता है, इसलिए एक रिएक्टर जो प्रयोगशाला में 2 मिनट में मिश्रित होता है, यदि व्यवस्था को गलत तरीके से पढ़ा गया तो पैमाने पर 20 मिनट लग सकते हैं। रेनॉल्ड्स संख्या इसलिए किसी भी आंदोलन डिजाइन में गणना की जाने वाली पहली संख्या है, क्योंकि यह हर दूसरे विकल्प को निर्धारित करती है।
• जैकेट और कॉइल के माध्यम से हीट ट्रांसफर:अधिकांश उत्तेजित रिएक्टर एक जैकेट या आधे-पाइप कॉइल के माध्यम से गर्मी जोड़ते हैं या हटाते हैं, और आंदोलनकारी के काम में दीवार पर तरल पदार्थ को नवीनीकृत करना शामिल है ताकि गर्मी-स्थानांतरण गुणांक उच्च बना रहे, आमतौर पर चिपचिपाहट और गति के आधार पर 200-1500 डब्ल्यू प्रति वर्ग मीटर केल्विन। चिपचिपी सेवा में दीवार फिल्म प्रतिरोध पर हावी हो जाती है, यही कारण है कि एक एंकर या हेलिकल रिबन का उपयोग किया जाता है, यह दीवार को साफ करता रहता है। अशांत कम-चिपचिपापन सेवा में गुणांक को बनाए रखने के लिए एक साधारण टरबाइन पर्याप्त है। जैकेट 0.1-10 एमपीए ताप या शीतलन माध्यम को संभालता है, और बहुत ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाओं के लिए एक बाहरी लूप या आंतरिक कुंडल इसे पूरक करता है। एक सामान्य स्केल-अप विफलता प्रयोगशाला पैमाने पर गर्मी हस्तांतरण को डिजाइन करना है, जहां सतह-से-आयतन अनुपात अधिक है, और पूर्ण पैमाने पर रिएक्टर को ढूंढना गर्मी को दूर नहीं कर सकता है, क्योंकि हटाने के पैमाने क्षेत्र के साथ होते हैं जबकि उत्पादन मात्रा के साथ पैमाने पर होता है।
• ठोस निलंबन, गैस फैलाव और कतरनी सीमाएँ:दो कर्तव्य कई आंदोलन रिएक्टरों को परिभाषित करते हैं। ठोस निलंबन, उत्प्रेरक या भराव को फर्श से दूर रखने के लिए, पर्याप्त शक्ति की आवश्यकता होती है, आमतौर पर 10-40 W/m3, और एक अक्षीय प्रवाह पैटर्न; प्ररित करनेवाला आकार का होता है इसलिए कण के जमने का वेग दीवार के पास ऊपर की ओर प्रवाह से दूर हो जाता है। गैस फैलाव के लिए एक रेडियल प्ररित करनेवाला और एक स्पार्गर की आवश्यकता होती है, जिसकी टिप गति बुलबुले को तोड़ने के लिए पर्याप्त होती है लेकिन उस गति से कम होती है जो बर्तन से तरल को बाहर निकालती है या सतह पर हवा को प्रवेश करती है। कतरनी वह बाधा है जो दोनों को बांधती है: बहुत अधिक कतरनी कोशिकाओं को नुकसान पहुंचाती है, इमल्शन को तोड़ देती है या कणों को घिस देती है, बहुत कम कतरनी खराब संपर्क छोड़ती है। इसलिए आंदोलन रिएक्टर को कर्तव्य के सीमित पैरामीटर, निलंबन शक्ति, गैस फैलाव, गर्मी-स्थानांतरण गुणांक या मिश्रण समय द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है, और प्ररित करनेवाला, गति और मोटर को कतरनी सीमा से अधिक के बिना इसे पूरा करने के लिए चुना जाता है।

आंदोलन रिएक्टर प्ररित करनेवाला तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

प्रश्न: रशटन टरबाइन और हाइड्रोफॉइल इम्पेलर के बीच क्या अंतर है?

उत्तर: वे विपरीत मिश्रण आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। रशटन टरबाइन एक फ्लैट-ब्लेड रेडियल प्ररित करनेवाला है जो तरल पदार्थ को बग़ल में फेंकता है, जोरदार क्षैतिज लूप और उत्कृष्ट गैस फैलाव बनाता है, जिसकी उच्च शक्ति संख्या लगभग 4-6 है, इसलिए यह अधिक शक्ति खींचता है और अधिक कतरनी उत्पन्न करता है; यह हाइड्रोजनीकरण और किण्वन के लिए विकल्प है जहां गैस को बारीक बुलबुले में काटा जाना चाहिए। एक हाइड्रोफॉइल या पिच-ब्लेड प्ररित करनेवाला तरल पदार्थ को अक्षीय रूप से धकेलता है, कम कतरनी और कम शक्ति पर मजबूत थोक परिसंचरण देता है, लगभग 0.3-1.5, जो इसे मिश्रण और ठोस निलंबन के लिए डिफ़ॉल्ट बनाता है जहां लक्ष्य पूरे बैच को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करना है। संक्षेप में, जब गैस फैलाव या तीव्र मिश्रण सबसे अधिक मायने रखता है तो रशटन चुनें, और जब कुशल कम-कतरनी मिश्रण या निलंबन प्राथमिकता हो तो हाइड्रोफॉइल चुनें।

प्रश्न: चिपचिपाहट आंदोलनकारी की पसंद को कैसे बदल देती है?

ए: चिपचिपाहट रेनॉल्ड्स संख्या और इसलिए प्ररित करनेवाला के माध्यम से प्रवाह शासन निर्धारित करती है। कुछ हज़ार सेंटीपोइज़ के नीचे प्रवाह अशांत होता है और मानक टर्बाइन काम करते हैं; जैसे-जैसे चिपचिपाहट 10,000 सीपी और उससे आगे बढ़ती है, प्रवाह लैमिनायर हो जाता है, रेनॉल्ड्स संख्या 10 से नीचे हो जाती है, और अक्षीय टर्बाइन अधिकार खो देते हैं क्योंकि तरल पदार्थ अब ब्लेड से आगे नहीं बहता है। इस व्यवस्था के लिए एक लंगर या, बेहतर, एक पेचदार रिबन का उपयोग किया जाता है, क्योंकि यह गर्म दीवार को खुरचता है और पूरे द्रव्यमान को स्थानांतरित करता है, गर्मी हस्तांतरण को बनाए रखता है जो अन्यथा ढह जाएगा। हेलिकल रिबन पॉलिमर और उच्च-ठोस स्लरीज़ के लिए मानक है क्योंकि दीवार गर्मी हस्तांतरण, थोक गति नहीं, सीमित है। तो चिपचिपाहट सिर्फ आकार नहीं बदलती है, यह प्ररित करनेवाला परिवार को बदल देती है, और इसे गलत तरीके से पढ़ने से खराब मिश्रण और अपर्याप्त हीटिंग दोनों होता है।

प्रश्न: आंदोलन रिएक्टर को स्केल करते समय गर्मी हस्तांतरण विफल क्यों हो जाता है?

उ: क्योंकि ऊष्मा उत्पादन मात्रा के साथ बढ़ता है जबकि ऊष्मा निष्कासन सतह क्षेत्र के साथ बढ़ता है, और जैसे-जैसे बर्तन बढ़ता है अनुपात बिगड़ता जाता है। प्रयोगशाला पैमाने पर सतह-से-आयतन अनुपात अधिक होता है, इसलिए एक जैकेट प्रतिक्रिया गर्मी को आसानी से हटा देता है; पूर्ण पैमाने पर समान रसायन शास्त्र दीवार क्षेत्र की प्रति इकाई कहीं अधिक गर्मी उत्पन्न करता है, और यदि आंदोलनकारी दीवार पर तरल पदार्थ को नवीनीकृत नहीं कर सकता है, तो गुणांक और गिर जाता है। क्लासिक विफलता एक छोटे जहाज से गर्मी हस्तांतरण को डिजाइन करना और उत्पादन रिएक्टर को ज़्यादा गरम करना या भाग जाना है। फिक्स में चिपचिपाहट और गति के आधार पर गर्मी-स्थानांतरण गुणांक, 200-1500 W/m2K के लिए आंदोलनकारी को निर्दिष्ट करना है, अक्सर चिपचिपी ड्यूटी के लिए एक दीवार-स्क्रैपिंग प्ररित करनेवाला का उपयोग करना या एक कुंडल या बाहरी लूप जोड़ना, और केवल टिप गति के बजाय दीवार कतरनी या पावर प्रति वॉल्यूम पर स्केल करना है।

प्रश्न: ठोस निलंबन के लिए एक आंदोलन रिएक्टर को कैसे निर्दिष्ट किया जाता है?

ए: ठोस को फर्श से दूर रखने और समान रूप से वितरित करने के लिए आवश्यक शक्ति द्वारा, आमतौर पर 10-40 डब्ल्यू प्रति घन मीटर निलंबन, एक अक्षीय-प्रवाह प्ररित करनेवाला के साथ संयुक्त होता है जो कण निपटान वेग का प्रतिकार करने के लिए दीवार के पास ऊपर की ओर प्रवाह बनाता है। प्ररित करनेवाला व्यास, गति और स्तरों की संख्या को इसलिए चुना जाता है ताकि हाल ही में निलंबित स्थिति, जहां कोई भी कण एक पल से अधिक समय तक तल पर न रहे, केवल डिजाइन पर ही नहीं, बल्कि ऑपरेटिंग रेंज में भी पूरा हो। घने या मोटे ठोस पदार्थों के लिए ऑफ-बॉटम क्लीयरेंस और पंपिंग दिशा उतनी ही मायने रखती है जितनी शक्ति। इसलिए रिएक्टर को पहले निलंबन मानदंड पर आकार दिया जाता है, फिर मिश्रण, गर्मी हस्तांतरण और किसी भी गैस फैलाव के लिए जांच की जाती है, क्योंकि एक आंदोलनकारी जो अच्छी तरह से मिश्रण करता है लेकिन उत्प्रेरक को व्यवस्थित करने देता है वह एक विषम उत्प्रेरित प्रतिक्रिया के लिए बेकार है।