راکتور فرآیند جریان چیست؟ اصول، انواع و کاربردها

یک راکتور فرآیند جریان چیست؟ اصول، انواع و کاربردها

جواب دادن به سوال اصلي:یک راکتور فرآیند جریان چیست و چگونه پردازش جریان مداوم سنتز شیمیایی را در مقایسه با راکتورهای دسته ای تغییر می دهد؟یک راکتور فرآیند جریان یک ظرف جریان مستمر است که در آن واکنش ها از طریق یک کانال محدود پمپ می شوند (میکرو راکتور: ابعاد داخلی 100-1000 میکران؛ مزو راکتور: 1-10 میلی متر؛ راکتور لوله ای:10-50 میلی متر) در هنگام مخلوط کردن، انتقال گرما و واکنش در یک جریان مداوم به جای یک ظرف دسته رخ می دهد. راکتورهای جریان به بازده های فضا-زمان ۱۰-۱۰۰۰ کیلوگرم/لیتر/ساعت (۱۰-۱۰۰ برابر بیشتر از دسته) می رسند،ضریب انتقال گرما 5000-25،000 W/m2-K (5-20 برابر بهتر از دسته جاکت شده) ، و زمان اقامت با دقت از ثانیه تا 30 دقیقه کنترل می شود. مقیاس بندی از شماره گذاری (کانال های موازی) به جای مقیاس بندی حجم استفاده می کند،حفظ همان خصوصیات جرم و انتقال گرما در مقیاس تولیدکاربردها شامل سنتز API داروسازی (شیمی خطرناک: نیترات، فلورین، دیازوتیزاسیون) ، شیمی پروکسید، سنتز نانوذرات، و فوتوشیمی است.جایی که پردازش جریان ایمنی را بهبود می بخشد، انتخابی و بهره وری در حالی که کاهش زمان واکنش از ساعت به دقیقه.

1اصول اصلی فرآیند جریان و پدیده های حمل و نقل

عملکرد راکتور فرآیند جریان توسط سه اصل حمل و نقل و رژیم جریان تنظیم می شود:

• ارتقای حمل و نقل مایکروکانال و انتقال گرماکانال های میکرو راکتور (100-1000 میکرومتر) به دلیل نسبت سطح به حجم بالا (10،000-50000 m2/m3 در مقابل 100-500 برای دسته) ، ضریب انتقال گرما 5000-25,000 W / m2-K را به دست می آورند.این اجازه می دهد تا کنترل دقیق دمای (± 0.1C) برای واکنش های بسیار exothermic: نتراتیون در یک کانال 400 میکران در 5 m/s به دست می آید U = 15000 W/m2-K، از بین بردن انتشار گرما 500 kW/L (در مقابل 5 kW/L حداکثر برای یک راکتور دسته بندی شده).ارتباط عدد Nusselt برای جریان لامینری (Nu = 3).66 ثابت یا Nu = 1.86 x Re^0.33 x Pr^0.33 x (D/L) ^0.33) و برای میکروکانال های آشفته (Nu = 0.023 x Re^0.8 x Pr^0.4، Dittus-Boelter) انتقال گرما را با دقت ±15٪ پیش بینی می کند.
• کنترل زمان اقامت و تحقیق و توسعه در سیستم های جریاندر راکتورهای جریان، زمان اقامت (tau) = V_reactor / F_flow، که در آن V حجم کانال و F میزان جریان حجمی است. یک میکرو راکتور 10 میلی لیتر با جریان 1 میلی لیتر / دقیقه دارای tau = 10 دقیقه است؛ در 5 میلی لیتر / دقیقه،tau = 2 دقیقهRTD بستگی به رژیم جریان دارد: جریان لامینری (Re < 2100) یک مشخصات سرعت پارابولیک با sigma ^ 2 = tau ^ 2/8 (تویز Taylor) را تولید می کند؛ جریان آشفته (Re > 4000) RTD را محدود می کند.جریان قطعی (slug)، که در آن حباب های گاز یا بخش های مایع غیرقابل مخلوط، مناطق واکنش جداگانه ایجاد می کنند، RTD باریک (sigma ^ 2 -> 0) را با مخلوط کردن تقویت شده از طریق گردش داخلی در هر حلزون به دست می آورد.رفتار PFR (sigma ^ 2 = 0) در Pe > 50 نزدیک می شود.
• روش شماره گذاری و مقیاس بندیبرخلاف مقیاس بندی دسته (افزایش اندازه ظرف) ، مقیاس بندی راکتور جریان از شماره گذاری استفاده می کند: چندین کانال یکسان را به صورت موازی اجرا می کند.یک کانال تک 400 میکروانی که تولید 1 گرم در ساعت را به 1 کیلوگرم در ساعت با 1000 کانال موازی افزایش می دهداین امر انتقال ماسه (k_La) ، انتقال گرما (U) و RTD را در مقیاس تولید حفظ می کند و از کاهش 50-80٪ نسبت A / V در مقیاس بندی دسته اجتناب می کند.چالش یکنواخت توزیع جریان است (± 5٪ در سراسر کانال ها نیاز به طراحی دقیق انبوه دارد)، مدیریت کاهش فشار (معادله ارگون برای کانال های بسته بندی شده) ، و مدیریت حرارتی در سراسر آرایه چند کانال. شماره گذاری امکان گسترش ظرفیت ماژولار را فراهم می کند:اضافه کردن کانال ها برای مطابقت با تقاضا بدون طراحی مجدد راکتور.

2انواع اصلی راکتورهای فرآیند جریان

راکتورهای فرآیند جریان صنعتی بر اساس هندسه کانال و پیکربندی جریان طبقه بندی می شوند:

• رآکتور میکروسروکتوری (چیپ و پلیت فن)کانال های ماشینکاری شده دقیق یا حک شده (100-1000 میکرو) در صفحات فلزی، سیلیکونی یا سرامیکی (به عنوان مثال، Corning AFR، Fraunhofer IMM). حجم کانال 0.1-10 میلی لیتر، خروجی 1-100 گرم / ساعت در هر کانال.به U = 5000-25 می رسد،000 W/m2-K و k_La = 100-10,000 /h (گاز مایع). برای شیمی خطرناک (نیترات، فلورین، سنتز پروکسید) ، کاتالیز با فشار بالا (50 بار H2) استفاده می شود.و فوتا کیمیا (بالای کانال = عمق نفوذ UV)شماره گذاری تا 100-1000 کانال به تولید kg/h تا t/h می رسد.
• راکتور جریان لوله ای لوله ایلوله های استاندارد PTFE یا فولاد ضد زنگ (1-10 میلی متر ID، طول 10-500 متر) در یک حمام با دمای کنترل شده پیچیده شده اند. حجم 10-500 میلی لیتر، خروجی 10-500 گرم در ساعت. ساخت ساده،هزینه پایین (50-500 دلار در هر راکتور)منحنی شدن کویل موجب گرداب های ثانویه دین می شود (شمار دین De = Re x sqrt ((D / 2R) > 20) که RTD را محدود می کند و مخلوط شدن شعاعی را افزایش می دهد. برای: واکنش های گریگنارد و اورگانولیتیوم استفاده می شود،دیازوتیزاسیون (2-5 دقیقه اقامت)، 0-25C) ، جفت سوزوکی (15-30 دقیقه، 80C) ، و کریستالیزه شدن (ضدذوب کننده بذری در جریان).
• رآکتور جریان کاتالیزمی بسته بندی شدهیک راکتور لوله ای (5-50 میلی متر ID، طول 100-1000 میلی متر) با ذرات کاتالیزور جامد (0.5-3 میلی متر قطر، 40-60٪ کسری خالی) بسته بندی شده است. کاتالیز متضاد: هیدروژنی (Pd / C، 1-10 bar H2 ، 20-80C)اکسیداسیون (Au/TiO2)، و بیوکاتالیز آنزیمی (آنزیم های بی حرکت، 25-37C). کاهش فشار بر اساس معادله ارگون انجام می شود: دلتا-P / L = 150 x mu x v x (1-eps) ^ 2 / (eps ^ 3 x D_p ^ 2) + 1.75 x rho x v^2 x (1-eps) / (eps^3 x D_p).معمولا: کاتالیزور 100 گرم، جریان 5 میلی لیتر / دقیقه، زمان اقامت 20 دقیقه، کاهش فشار 0.5 MPa

انواع راکتورهای فرآیند جریان ماتریس مقایسه

سوالات متداول (FAQ)

س: مزیت ضریب انتقال گرما میکرو راکتور نسبت به راکتورهای دسته ای چیست؟

ج: کانال های میکرو راکتور (100-1000 میکروم) حاصل کوفیفیسیون انتقال گرما کلی (U) 5000-25,000 W/m2-K در مقایسه با 300-1600 W/m2-K برای راکتورهای دسته بندی شده است.این بهبود 5 تا 20 برابر ناشی از نسبت بسیار بالا سطح به حجم است (10در واقع، واکنش های بسیار exothermic (به عنوان مثال، واکنش های بسیار exothermic) ، به عنوان مثال، واکنش های بسیار exothermic (به عنوان مثال، واکنش های بسیار exothermic) ، واکنش های بسیار exothermic (به عنوان مثال، واکنش های بسیار exothermic) ، واکنش های بسیار exothermic (به عنوان مثال، واکنش های بسیار exothermic) ، واکنش های بسیار exothermic (به عنوان مثال، واکنش های بسیار exothermic) ، واکنش های بسیار exothermic (به عنوان مثال، واکنش های بسیار exothermic) ، واکنش های بسیار exothermic (به عنوان مثال، واکنش های exothermic) ، واکنش های بسیار exothermic (به عنوان مثال، واکنش های بسیار exothermic) ، واکنش های exothermic (به عنوان مثال، واکنش های exothermic) ، واکنش های exothermic (به عنوان مثال، واکنش های exothermic) ، واکنش های exothermic (به عنوان مثال، واکنش های exothermic) ، واکنش های exothermic (به عنوان مثال، واکنش های exothermic) ، واکنش های exothermic (به عنوان مثال، واکنش های exothermic) ، واکنش های exothermic (به عنوان مثال، واکنش هاینتراتیشن آزاد 500 kW/L) می تواند به صورت ایزوترم در یک ریاکتور کوچک در 25C انجام شود.، در حالی که واکنش مشابه در یک راکتور دسته ای نیاز به ظرفیت خنک کننده عظیم یا فرار حرارتی دارد و غلظت واکنش دسته ای را به 10-20٪ از میکرو راکتور محدود می کند.

سوال: شماره گذاری چیست و چگونه از مقیاس بندی متفاوت است؟

ج: شماره گذاری (اسکیل کردن) تولید را با اجرای چندین کانال راکتور یکسان به صورت موازی افزایش می دهد، در حالی که مقیاس بندی اندازه یک راکتور را افزایش می دهد.شماره گذاری انتقال جرم یکسان را حفظ می کند (k_La)، انتقال گرما (U) و توزیع زمان اقامت (RTD) در مقیاس تولید، زیرا هر کانال در شرایط مشابه با یک کانال در مقیاس آزمایشگاه کار می کند.این کاهش 50-80٪ در نسبت A / V ذاتی در اندازه گیری دسته را از بین می بردچالش یکنواخت توزیع جریان است (± 5٪ نیاز به طراحی بهینه شده انبوه) و مدیریت حرارتی در سراسر آرایه چند کانال است.سرشارهای توزیع جریان و سوراخ های مساوی فشار جریان یکسانی را تضمین می کنند.

س: جریان قطعی (slug) چیست و چگونه عملکرد راکتور را بهبود می بخشد؟

ج: در جریان قطعی (همچنین جریان تیلور یا جریان حلزون نامیده می شود) ، حباب های گاز یا بخش های مایع غیرقابل مخلوط در یک جریان مایع مداوم در یک کانال موی وارد می شوند.ایجاد قطعات متناوب جداهر حلزون مایع به عنوان یک راکتور دسته کوچک با گردش داخلی عمل می کند که مخلوط رادیال را افزایش می دهد و RTD را محدود می کند (sigma ^ 2 -> 0,رفتار نزدیک شدن به PFR)جریان قطعی گاز-سیال k_La را 100-10,000 /h (در مقابل 1-100 برای دسته) به دست می آورد، در حالی که جریان قطعی مایع-سیال واکنش های دو فازی را امکان پذیر می کند (به عنوان مثال،کاتالیز انتقال فاز) با 10 تا 100 برابر بیشتر از منطقه رابططول بخش توسط نسبت جریان و هندسه کانال کنترل می شود.

س: کدام نوع واکنش ها برای راکتورهای جریان مناسب تر هستند؟

ج: راکتورهای جریان برای: (1) مواد شیمیایی خطرناک (نیترات، فلور، دیازوت، سنتز پروکسید) که حجم کوچک نگه داشتن (10-500 میلی لیتر) خطر انفجار را کاهش می دهد، مفید است.(2) واکنش های بسیار exothermic که نیاز به کنترل دقیق دمای (U = 5000-25،000 W/m2-K) ؛ (3) فوتوشیمی که در آن ارتفاع کانال با عمق نفوذ UV مطابقت دارد (100-500 میکران) ؛ (4) واکنش با واسطه های خطرناک (دیازونیوم، پروکسید،azide) که بلافاصله در جریان مصرف می شوند (بدون انباشت)(5) هیدروژنی کاتالیستی در فشار بالا (Pd/C، 1-50 bar H2) با حجم کاتالیزور کوچک؛ (6) سنتز تلسکوپی چند مرحله ای که در آن راکتورهای جریان دنباله ای محل جداسازی واسطه ها را می گیرند.