یک راکتور مقیاس بزرگ چیست؟ روش، چالش ها و کاربردهای صنعتی

جواب دادن به سوال اصلي:یک راکتور مقیاس بزرگ چیست، و چه اصول مهندسی انتقال از آزمایشگاه به مقیاس تولید صنعتی را کنترل می کند؟یک راکتور مقیاس بزرگ یک ظرف طراحی شده و مورد استفاده قرار می گیرد برای انتقال یک فرآیند شیمیایی از مقیاس آزمایشگاهی (0.1-5 لیتر) از طریق مقیاس آزمایشی (10-500 لیتر) به مقیاس تولید (1,000-50,000 لیتری) در حالی که تولید محصول را حفظ می کند، انتخابی و ایمنی. چالش اساسی این است که پارامترهای کلیدی مانند نسبت قدرت به حجم (P/V، 0.2-4 kW/m3) ، سرعت نوک چرخ دوار (2-6 m/s) ، نسبت منطقه انتقال گرما به حجم (A/V،که با افزایش حجم 100 تا 10000 برابر 50 تا 80 درصد کاهش می یابد)، و زمان مخلوط کردن (با افزایش 3-10) متناسب نیست. Successful scale-up requires maintaining geometric similarity (constant D/T ratio) while ensuring kinematic similarity (constant Re) and chemical similarity (constant Damkohler number Da = k x C_A^n / omega)، با استفاده از تجزیه و تحلیل ابعاد چندپارامتر و مدل سازی راکتور تأیید شده است.

1اصول و روش های اصلی مقیاس بندی

بزرگ شدن رآکتورها بر اساس سه اصل مهندسی اساسی انجام می شود:

• شباهت هندسی، حرکتی و شیمیاییشباهت هندسی نیاز به نسبت ابعاد ثابت دارد (D / T برای قطر چرخ دنده به مخزن، C / T برای تمیز کردن، H / T برای ارتفاع مایع). شباهت حرکتی به میدان های سرعت متناسب نیاز دارد،به طور معمول با حفظ عدد ثابت رینولدز (Re = rho x N x D ^ 2 / mu) یا عدد قدرت (Np = P / rho x N ^ 3 x D ^ 5)شباهت شیمیایی نیاز به عدد ثابت دامکولر (Da = سرعت واکنش / سرعت حمل محرک) دارد ، که اطمینان حاصل می کند نسبت سرعت واکنش به سرعت مخلوط در مقیاس ها تغییر نمی کند.حفظ بهره وری و انتخاب.
• انتخاب پارامتر مقیاس بالا و معیارهای ثابتانتخاب معیار مقیاس بندی بستگی به مرحله محدود کردن نرخ دارد:P/V ثابت (قدرت در هر واحد حجم) میکرو مخلوط کردن را حفظ می کند و برای واکنش های سریع حساس به گرادیان های غلظت محلی مناسب استسرعت پای ثابت (pi x N x D) فرآیندهای حساس به برش مانند کریستالیزاسیون و کشت سلول را حفظ می کند.نسبت منطقه انتقال گرما به حجم ثابت برای واکنش های بسیار exothermic (> 5 kW/m3) حیاتی است.; زمان مخلوط ثابت (theta_m = 5.4 x D / N x (D / T) ^ 2 در رژیم آشفته) homogeneity را برای واکنش های آهسته تضمین می کند.
• تجزیه و تحلیل ابعاد و مدل سازی راکتورفرضیه باکینگهام پی حداقل مجموعه ای از گروه های بی ابعاد را که بر فرآیند حاکم هستند مشخص می کند. برای راکتورهای مخلوط، گروه های کلیدی شامل Np (شمار قدرت) ، Nq (شمار پمپ) ،Nusselt (Nu = h x D / k), Prandtl (Pr = mu x Cp / k) و Damkohler (Da). شبیه سازی های پویایی مایعات محاسباتی (CFD) با استفاده از مدل های آشفتگی k-epsilon پیش بینی های مقیاس را برای توزیع زمان مخلوط تایید می کنند.میدان های سرعت برش، و شناسایی منطقه مرده قبل از ساخت فیزیکی راکتور در مقیاس تولید.

2چالش های بزرگ توسعه و رویکردهای صنعتی

سه چالش مهم در زمینه گسترش باید در طول انتقال فناوری حل شود:

• کاهش نسبت منطقه انتقال گرما به حجمبا افزایش حجم راکتور از 1 لتر به 10،000 لتر (فاکتور مقیاس گذاری 10،000x) ، نسبت سطح به حجم (A / V، متناسب با 1 / L ^ (((1/3)) ، 78٪ کاهش می یابد.از حدود 100 m2/m3 تا 22 m2/m3این به این معنی است که یک راکتور 10،000 لیتر تنها 22٪ از ظرفیت خنک کننده در هر واحد حجم یک کوسه 1 لیتر را دارد. راه حل ها شامل کویل های خنک کننده داخلی (20-40٪ منطقه اضافه می شود) ،مبادلات گرما خارجی در یک حلقه بازگردانی پمپاژ، کار با چندین راکتور یا تغییر از کولر ژاکت به یک ژاکت گودال + پیکربندی کویل داخلی تهاجمی تر.
• زمان مخلوط و تخریب انتقال جرممقیاس های زمان مخلوط با مربع قطر ظرف در رژیم آشفته (theta_m متناسب با T ^ 2) ، به این معنی که افزایش حجم 100 برابر (توسع قطر 4.64 برابر) زمان مخلوط را 21.5 برابر افزایش می دهد.انتقال جرم گاز-سیال (k_La) کاهش می یابد زیرا سرعت گاز سطحی و قدرت چرخ دار در هر حجم کاهش می یابدبرای تخمیرات هوازی، k_La ممکن است از 200-500 / h ( آزمایشگاه) به 50-150 / h (تولید) کاهش یابد، که نیاز به چرخدارهای بزرگتر (D / T = 0.4-0.5) ، چرخدارهای متعدد یا طرح های خود محرک گاز محرک دارد.
• ایمنی حرارتی و خطر فرار در مقیاسطبقه بندی انتقادی استوسل (کلاس 1-5) خطر حرارتی را بر اساس نسبت افزایش دمای آدیاباتیک (delta-T_ad = (-delta-H_r x C_A0) / (rho x Cp)) به دمای فرآیند تعریف می کند.در مقیاس تولید، ظرفیت حذف گرما در هر واحد حجم 5 تا 10 برابر کمتر از مقیاس آزمایشگاهی است، به این معنی که همان واکنش که در یک فنجان قابل کنترل بود ممکن است به کلاس 4-5 (فرار کنترل نشده) در یک راکتور 10،000 لیتر برسد.ایمنی در مقیاس بالا نیاز به آزمایش کالری متری واکنش (RC1e) دارد، کالری متری آدیاباتیک (ARC / VSP) ، و نصب سیستم های خاموش کردن اضطراری، خنک سازی تصادف یا تزریق مهار واکنش.

ماتریس مقایسه پارامتر مقیاس بالا

سوالات متداول (FAQ)

سوال: عدد دامکوهلر چیست و چرا برای افزایش مقیاس راکتور بسیار مهم است؟

A: عدد دامکولر (Da = k x C_A ^ ((n-1)) / امگا، که در آن k ثابت سرعت واکنش است، C_A غلظت واکنش دهنده است،و امگا سرعت مخلوط کردن است) نشان دهنده نسبت سرعت واکنش به سرعت حمل کنوکتوی/خلوط کردن است.اگر Da << 1 باشد، واکنش محدود به مخلوط است؛ اگر Da >> 1 باشد، از نظر حرکتی محدود است. حفظ ثابت Da در مقیاس ها شباهت شیمیایی را تضمین می کند.به این معنی که واکنش همان محیط غلظت و دمای محلی را بدون توجه به اندازه ظرف مشاهده می کند.، حفظ بهره وری و انتخابی

س: چرا نسبت منطقه انتقال گرما به حجم در طول مقیاس کاهش می یابد و چگونه جبران می شود؟

A: برای یک راکتور استوانه ای، A / V متناسب با 1/L ^ (((1/3) است که L طول مشخصه است. افزایش حجم 100 برابر (قطر 4.64 برابر) A / V را تقریبا 53٪ کاهش می دهد و افزایش 10،000 برابر (21.5x قطر) آن را 78٪ کاهش می دهد. روش های جبران شامل اضافه کردن کویل های خنک کننده داخلی (افزایش منطقه 20-40٪) ، با استفاده از ژاکت های گودال (U = 800-1600 W / m2-K در مقابل 300-700 برای معمولی) ،نصب مبادلات حرارتی خارجی در حلقه های گردش مجدد، یا تقسیم دسته به چندین راکتور کوچک تر در عملیات آبشار.

س: طبقه بندی انتقادی استوسل برای ایمنی حرارتی در طول مقیاس بزرگ چیست؟

A: طبقه بندی Stoessel (کلاس 1-5) خطر حرارتی را بر اساس نسبت افزایش دمای adiabatic (delta-T_ad) به حداکثر دمای مجاز (MAT) طبقه بندی می کند. کلاس 1:delta-T_ad <10C (خطر پایین)کلاس 2: 10- 50C (خطر متوسط، نیاز به نظارت بر دمای) کلاس 3: 50-200C (خطر بالا، نیاز به خنک سازی اضطراری) کلاس 4: 200-400C (خطر بسیار بالا، نیاز به کنترل درجه حرارت)نیاز به خنک سازی تصادفی و/یا خاموش کردن)کلاس ۵: > ۴۰۰ درجه سانتیگراد یا گسترش ناگهانی (خطر شدید، نیاز به طراحی مجدد فرآیند دارد). اکثر واکنش های exothermic به دلیل کاهش نسبت A / V، ۱ تا ۲ کلاس بالاتر در مقیاس تولید تغییر می کنند.

س: چه افزایشی در زمان مخلوط شدن در صورت افزایش حجم 100 برابر انتظار می رود؟

A: در رژیم آشفته، زمان مخلوط تقریباً با T^2 (قطر ظرف به مربع) افزایش می یابد. برای افزایش حجم 100 برابر (نسبت قطر ~ 4.64) ، زمان مخلوط تقریباً 4.64^2 = 21 افزایش می یابد.5xبه عنوان مثال، اگر یک راکتور آزمایشگاهی 10 لیتر مخلوط کامل را در 15 ثانیه به دست آورد، یک راکتور تولید 1000 لیتر از هندسه مشابه حدود 320 ثانیه (5.3 دقیقه) نیاز دارد.این با استفاده از چند چرخدار جبران می شود، نسبت های D/T بزرگتر (0.4-0.5) ، یا قدرت ورودی بالاتر، اگرچه هر رویکرد دارای تعادل با حساسیت برش و مصرف انرژی است.