流通プロセスリアクターとは何ですか?原理、種類、用途

流程 プロセス 原子炉 は 何 です か

根本的な質問に答えますフロープロセスの原子炉とは何か? 連続流程処理は,バッチ原子炉と比較して化学合成をどのように変化させるのか?流程プロセスの原子炉は,連続流量容器で,反応物質は狭いチャネル (マイクロ原子炉:内寸100~1000ミクロン;メソ原子炉: 1~10mm;チューブル原子炉:混合する場合は流量炉は10〜1000kg/L/h (10〜100倍以上) の時空出力を達成する.熱伝達係数 5000-25,000 W/m2-K (ジャケットバッチよりも5-20倍優れている),および居住時間が秒から30分まで正確に制御されています.スケールアップは,体積スケールアップではなく番号付け (平行チャンネル) を使用します.生産スケールで同じ質量と熱伝達特性を保持する薬剤のAPI合成 (危険化学:ナトリ化,フッ素化,ダイアゾ化),過酸化物化学,ナノ粒子の合成,光化学を含むアプリケーション.流量処理が安全性を向上させる場合反応時間を数時間から数分に短縮する.

1基本流程プロセス原理と輸送現象

流程プロセスの原子炉の性能は,輸送と流程体制の3つの原則によって支配される.

• マイクロチャネル輸送の強化と熱の移転マイクロリアクターチャネル (100-1000マイクロ) は,高容量比 (10,000-50,000 m2/m3 対 100-500 のバッチ) により5000-25,000 W/m2-K の熱伝達係数を達成する.温度を正確に制御できる (±0.1C) 高熱熱反応では,5m/sで400ミクロンチャネルでのナトリテーションでU=15,000W/m2-Kを達成し,500kW/Lの熱放出を除去する (ジャケット式バッチ原子炉では最大5kW/L).ラミナル流量 (Nu = 3) のヌッセルト数相関.66 定数またはNu = 1.86 x Re^0.33 x Pr^0.33 x (D/L) ^0.33) と渦巻くマイクロチャネル (Nu = 0.023 x Re^0.8 x Pr^0.)4,Dittus-Boelter) は,コンベクト熱伝達を ± 15% の精度で予測する.
• 流通システムにおける居住時間制御とRTD流量反応器では,居住時間 (tau) = V_反応器 / F_流量,ここでVはチャネル容量であり,Fは体積流量である.流量1ml/minで10mlマイクロ反応器にはtau = 10分があり,5ml/minで,タウ = 2分RTDは流量状態に依存する.ラミナ流量 (Re < 2100) は,シグマ^2 =タウ^2/8 (テイラー分散) のパラボリック速度プロファイルを生成する.断片 (スラグ) 流量ガスバブルや混ぜられない液体セグメントが分離された反応ゾーンを作り出す場合,各スラグ内の内部循環による強化された混合により狭いRTD (sigma^2 -> 0) を達成する.PFR 行動 (sigma^2 = 0) は Pe > 50 で接近する.
• 番号アップとスケールアウト方法バッチスケールアップ (容器のサイズを増やす) と異なり,フローリアクターのスケールアウトは番号付けを使用します.複数の同一チャンネルを並行して実行します.1g/h を生産する単一の400ミクロンチャネルは,1000の並列チャネルによって1kg/hにスケールされますこれは,生産スケールで同一の質量移転 (k_La),熱移転 (U),RTDを保ち,バッチスケールアップに固有のA/V比率の50~80%減少を回避します.課題は流量分布の均一性 (チャネル間での±5%は,慎重なマニホールド設計を必要とする),圧減管理 (パックされたチャネルのためのErgun方程式),および多チャネル配列全体での熱管理.番号付けはモジュール容量の拡張を可能にします:原子炉の再設計なしで需要に応じたチャネルを追加.

2流程プロセスの主要型

産業用流程プロセスの原子炉は,チャネル幾何学と流量構成によって分類される.

• マイクロ構造炉 (チップとプレートフィン)金属,シリコン,またはセラミックプレート (例えば,コーニングAFR,フラウンホーファーIMM) で精密加工または刻印されたチャネル (100-1000マイクロン).チャネル容量は0.1-10ml,チャネル1回当たり流量1-100g/h.U = 5000-25 を達成する,000 W/m2-K と k_La = 100-10,000 /h (ガス液体) 危険な化学 (ナトリ化,フッ素化,過酸化物合成),高圧催化 (50bar H2),光化学 (チャネルの高さ=UV浸透深さ)100-1000チャンネルまで番号付けすると,kg/hからt/hの生産を達成する.
• 管状コイルフローリアクター標準型PTFEまたはステンレス鋼管 (1-10mmID,長さ10-500m) は,温度制御の浴室に巻き込まれており,10-500mlの容量,10-500g/hの流量です. シンプルな構造,低コスト (原子炉1台あたり50〜500ドル).コイル曲線は,RTDを狭め,放射線混合を強化する二次ディーン渦 (ディーン数De = Re x sqrt ((D/2R) > 20) を誘発する.ダイアゾティゼーション (2-5分滞在)0-25C),鈴木結合 (15-30分,80C),結晶化 (流入中の種子抗溶剤).
• パック式触媒流流炉固体触媒粒子 (直径0.5-3mm,空分40-60%) を詰め込んだチューブル型原子炉 (5-50mmID,長さ100-1000mm).異質性触媒:水化 (Pd/C,1-10barH2,20-80C),酸化 (Au/TiO2)圧縮はエルグンの方程式に従って:デルタ-P/L = 150 x mu x v x (1-eps) ^ 2 / (eps ^ 3 x D_p ^ 2) + 175 x rho x v^2 x (1-eps) / (eps^3 x D_p)典型的には: 100 g の触媒, 5 mL/min の流量, 20 分間の滞在時間, 0.5 MPa の圧力低下.

流程プロセスの原子炉タイプ 比較行列

よくある質問 (FAQ)

Q: マイクロ反応炉の熱伝達係数は,バッチ反応炉に比べてどんな利点がありますか?

A: マイクロリアクターチャネル (100~1000ミクロン) は,ジャケット式バッチリアクターでは300~1600W/m2-Kと比べると,総熱伝達係数 (U) は5000~25,000W/m2-Kに達する.この5~20倍の改善は,非常に高い表面積比から生じる (10濃度が高い外熱反応 (例えば,高温反応は,高温反応を抑制する.500 kW/L を放出するナトリエーション) が 25C のマイクロリアクターで同熱で実施できます.同じ反応を連発式炉で行うには,大量の冷却能力が必要であり,連発式反応の濃度はマイクロ反応器の10~20%に制限される.

Q: ナンバーアップとは何か? スケールアップとはどう違いますか?

A: 番号付け (スケールアウト) は,複数の同一の原子炉を並列に稼働させることで生産を拡大しますが,スケールアップは単一の原子炉のサイズを拡大します.番号付けは同一の質量移転を維持する (k_La)生産スケールでの熱伝達 (U) と居住時間分布 (RTD) は,各チャネルが研究室スケールでの単一チャネルと同じ条件で動作するからです.これは,バッチスケールアップに固有のA/V比率の50~80%減少をなくす課題は,多チャネル配列全体で流量分布の均一化 (± 5%は最適化された多様体設計を必要とする) と熱管理である.合計1kg/hを生産する1000チャネルに対して,流量配送ヘッダーと圧力を均衡させる孔は均質な流量を確保する.

Q: 断片流 (スラグ) とは何か? 原子炉の性能をどのように改善するのでしょうか?

A: 断片流 (テイラー流またはスラグ流とも呼ばれる) では,ガスバブルまたは混じらない液体セグメントが毛細管の連続液体流に導入されます.離散な交互のセグメントを作成する各液体スライグは,内部循環 (各スライグの前と後ろの渦) を有するミニチュア・バッチ反応器として作用し,放射混合を強化し,RTD (sigma^2 -> 0) を狭める.PFR への近付いている)液体ガスセグメント流通は100-10,000/hのk_Laを達成し,液体液体セグメント流通は2相反応 (例えば,10~100倍以上の接面面積を持つ.断片の長さは流量比とチャネル幾何学によって制御されます.

Q: 流程式反応炉ではどの反応が最適ですか?

A: 流量反応炉は, (1) 危険な化学 (窒素化,フッ素化,ダイアゾティゼーション,過酸化物合成) に有利で,小容積 (10-500 ml) が爆発リスクを軽減します.(2) 温度を正確に制御する高度な外熱反応 (U = 5000-25(3) チャンネルの高さがUV浸透深さ (100~500ミクロン) に一致する光化学 (4) 危険な中間物質 (ディアゾニウム,過酸化物,アジド) は,流れの中ですぐに消費される (蓄積しない)(5) 高圧 (Pd/C, 1-50 bar H2) で催化物体積が小さい催化物による催化水素化 (6) 連続流量炉が中間物質の隔離を代替する多段階望遠鏡合成.