راکتورهای جریان مداوم چیست؟ انواع، زمان اقامت و شدت فرآیند

یک راکتور جریان مداوم چیست، و کدام پیکربندی مناسب کدام شیمی است؟یک راکتور جریان مداوم یک راکتور است که به طور مداوم با واکنش دهنده تغذیه می شود و به طور مداوم با محصول تخلیه می شود،به طوری که ترکیب و دمای ثابت در هر نقطه در زمان هر چند آنها با تغییر موقعیت در امتداد مسیر جریانچهار پیکربندی غالب هستند: راکتور جریان پلاگین، که در آن عناصر مایع به عنوان حلقه های منسجم با تعداد Peclet بالاتر از 100 حرکت می کنند؛ راکتور مخزن مخلوط مداوم، که به طور کامل مخلوط شده است؛یک آبشار از 3-6 مخزن مخلوط شده که جریان پلاگین را نزدیک می کندزمان اقامت tau برابر با حجم ظرف تقسیم بر روی میزان جریان حجمی است و از ثانیه تا 8 ساعت می باشد.

1. انتخاب پیکربندی مداوم مناسب

انتخاب پیکربندی توسط عدد دامکولر و اینکه آیا واکنش نیاز به مخلوط، حذف گرما یا یک مرحله جامد دارد، هدایت می شود. چهار پیکربندی این زمینه را پوشش می دهد:

• رآکتور جریان پلاگین (PFR):یک راکتور لوله ای یا صفحه ای که در آن مخلوط محوری ناچیز است و مخلوط شعاعی کامل است، تعداد Peclet بالاتر از 100 را می دهد.چون غلظت در ورودی بالاتر است و در طول طول به صورت تک نفره کاهش می یابد، یک PFR تبدیل بالاتر از یک CSTR از همان حجم برای هر واکنش از نظم مثبت را به دست می آورد، و آن را به حداکثر رساندن انتخابی نسبت به یک واسطه در یک واکنش متوالی از A به B به C.بدهی ها کاهش فشار هستند، که با L/d^2 مقیاس می یابد، و تشکیل نقطه گرم در سرویس exothermic، که توسط تزریق مرحله ای یک واکنش دهنده یا توسط مناطق خنک کننده متعدد در طول طول مدیریت می شود.
• رآکتور مخزن مخلوط مداوم (CSTR):یک ظرف مخلوط شده که محتویات آن در ترکیب خروجی یکسان است، مطابق با یک عدد Peclet نزدیک به صفر و توزیع زمان اقامت نمایی است.ترکیب یکنواخت باعث می شود که CSTR ایده آل باشد که در آن غلظت واکنش دهنده باید کم و ثابت باشد.، به عنوان مثال در پلیمریزاسیون برای کنترل توزیع وزن مولکولی، یا در واکنش های تحت مهار بستر.همچنین انتخاب مناسب برای مواد خمیر و رسانه های چسبناک است که یک راکتور لوله ای نمی تواند اداره شودمجازات حجم است: برای یک واکنش درجه دوم در 99٪ تبدیل، یک CSTR واحد تقریبا 100 برابر حجم PFR نیاز دارد.
• "کاسکت CSTR":سه تا شش مخزن مخلوط در سری اکثر مزیت جریان پلاگ را بازیابی می کنند در حالی که توانایی دست زدن به خمیر را حفظ می کنند، واکنش ها را بین مراحل اضافه می کنند و گرما را در هر مرحله حذف می کنند.R & D توسط مدل مخازن در سری توصیف شده است، جایی که مخازن N برابر یک انحراف بی ابعاد 1/N را می دهند، بنابراین شش مخازن گسترش را به یک ششم یک مخازن واحد کاهش می دهند.هیدروژنی با اضافه کردن هیدروژن به مرحله ای، و هر فرآیند که در آن یک واکنشگر باید در چندین نقطه به جای همه در ورودی دوز شود.
• رآکتورهای بسته بندی شده و رآکتورهای رآکتورها:برای کاتالیز ناهمگن، یک بستر ثابت از ذرات کاتالیزور با قطر 1-5 میلی متر، یک موجودیت کاتالیزور بسیار بالا در هر واحد حجم بدون هیچ مرحله تصفیه ای را فراهم می کند.کار با بستر خروجی، گاز و مایع را همزمان به سمت پایین از بستر عبور می دهد و اسب کار هیدروتراکتینگ است.، هیدروژنی و اکسیداسیون در ۱ تا ۳۰ MPa. محدودیت های طراحی کاهش فشار، که توسط معادله Ergun توصیف شده است؛ کانال و جریان دیواره،با نگه داشتن نسبت قطر بستر به ذرات بالاتر از 10 و استفاده از یک توزیع کننده خوب; و حذف گرما که در یک بستر بزرگ adiabatic توسط خاموش کردن سرد شوت یا توسط بستر های متعدد با خنک سازی مدیریت می شود.

2تشديد روند و نظم عملياتي

پردازش مستمر مزایای خود را زمانی به دست می آورد که راکتور برای شرایط شدید طراحی شده و با یک استراتژی کنترل تعریف شده کار می کند.

• کار در پنجره فرآیند جدید:تشدید فرآیند به معنای اجرا در شرایطی است که یک ظرف دسته به طور ایمن نمی تواند به آن برسد: دمای بالاتر، فشار بالاتر و غلظت بالاتر.یک راکتور پیوسته مهر و موم به راحتی در 100-300 ° C و 2-10 MPa کار می کند زیرا هیچ فضای سر وجود ندارد و موجودیت واکنش در هر لحظه کوچک است، اغلب 1-10 L به جای 5000 L. اجرا 100 ° C بالاتر از نقطه جوش جو می تواند واکنش را 100 تا 1000 برابر تسریع کند،کاهش زمان اقامت از ساعت به ثانیه و حجم راکتور متناسبدر عین حال وضعیت ایمنی بهبود می یابد، زیرا کل موجودی مواد خطرناک به مراتب کاهش می یابد.
• زمان اقامت و ریاضیات تبدیل:طراحی از حرکتی آغاز می شود. برای یک واکنش درجه یک، تبدیل X = 1 - exp ((-k·tau) ، بنابراین 99٪ تبدیل نیاز به k·tau 4.6 و 95٪ نیاز به 3.0برای یک واکنش درجه دوم در PFR، k·CA0·tau = X/(1-X) ، بنابراین 99٪ به مقدار 99 نیاز دارد.این روابط زمان اقامت را متغیر اصلی طراحی می کنند و توضیح می دهند که چرا دمای قوی ترین اهرم خروجی است: افزایش دما به دو برابر k زمان اقامت مورد نیاز را به نصف کاهش می دهد و تولید را برای همان حجم دو برابر می کند.همیشه بررسی کنید که مشخصات انتخابی و ناخالصی هنوز در دمای بالاتر قبل از بهره برداری از این.
• راه اندازی، خاموش کردن و منحرف کردن:یک راکتور مستمر در هنگام راه اندازی، خاموش کردن و هر گونه اختلال در حالت ثابت نیست و مواد تولید شده در این دوره ها معمولا غیر از مشخصات است.یک طرح انضباطی به وضوح ایالت ها را تعریف می کند، اندازه گذار انتقال و نصب دریچه های تغییر مسیر خودکار که مسیر مواد به یک گیرنده رد تا دمای، فشار، جریان،و ترکیب همه در محدوده قابل قبول ثابت شده برای یک دوره تعریف شده استمنطق تغییر مسیر، از جمله آنچه آن را تحریک می کند و آنچه آن را پاک می کند، باید در مرحله طراحی در مشخصات کنترل نوشته شود و در طول راه اندازی تأیید شود، نه بعد از آن اضافه شود.
• نظارت و بررسی حالت ثابت:عملکرد مستمر بستگی به دانستن این دارد که نیروگاه واقعا در حالت ثابت است. ابزار باید نسبت جریان تغذیه را در ± 2٪، ثبات مشخصات دمای راکتور،کاهش فشار در سراسر راکتور به عنوان شاخص آلودگی و کانال سازیکنترل فرآیند آماری بر روی این متغیرها، با محدودیت های عمل تعریف شده،تبدیل یک کارخانه مستمر از یک جعبه سیاه به یک فرآیند کنترل شده و فراهم می کند شواهد پایه تنظیم کنندگان انتظار برای تولید مستمر تحت ICH Q13.

ماتریس مقایسه پیکربندی راکتور جریان مداوم

سوالات متداول (FAQ)

س: مزیت اصلی یک راکتور جریان مداوم نسبت به یک راکتور دسته چیست؟

A: سه مزیت غالب است. انتقال گرما: نسبت سطح به حجم 100 تا 10،000 m2 / m3 در مقابل 5 تا 50 m2 / m3 در یک ظرف دسته،بنابراین واکنش های بسیار exothermic می تواند به طور ایمن در غلظت بالا به جای رقیق و به آرامی دوز اجرا شودایمنی: موجودیت واکنش در هر لحظه به طور معمول 1-10 لیتر است نه چند متر مکعب، که باعث می شود مواد شیمیایی خطرناک مانند نیترات، دیازوت یا فلورین بسیار ایمن تر باشد.سازگاریدر حالت ثابت، هر مولکولی تاریخچه حرارتی و ترکیبی مشابه را مشاهده می کند، بنابراین تغییرات دسته به دسته از بین می رود و پروفایل های ناخالصی قابل تکرار هستند. در برابر این،عملکرد مداوم نیاز به سرمایه گذاری بیشتر در ابزار دارد و برای کمپین های چند محصول با تغییر مکرر انعطاف پذیرتر است.

س: چگونه زمان اقامت مورد نیازم را محاسبه کنم؟

A: ثابت سرعت k و ترتیب واکنش را در دمای مورد نظر اندازه گیری یا بدست آورید، سپس معادله طراحی را اعمال کنید.بنابراین tau = -ln (((1-X) /kدر k از 0.005 s-1 و 99٪ تبدیل، tau برابر با 921 ثانیه یا تقریبا 15 دقیقه است. برای یک واکنش درجه دوم با غلظت های اولیه برابر، tau = X/(k·CA0·(1-X) ، بنابراین در k از 0.001 L/mol·s،CA0 2 mol/L، و تبدیل 99٪، tau برابر با 49،500 ثانیه یا حدود 13.75 ساعت است، به همین دلیل است که شیمی آهسته درجه دوم اغلب به یک آبشار یا یک مسیر متفاوت به جای یک راکتور لوله ای نیاز دارد.همیشه 10-20٪ حاشیه برای جریان غیر ایده آل اضافه کنید.

سوال: شماره دامکولر چیست و چرا اهمیت دارد؟

A: عدد دامکولر نسبت جریان مشخص یا زمان انتقال به زمان واکنش مشخص است، Da = tau_flow/tau_reaction. هنگامی که Da بسیار کمتر از 1 باشد،انتقال نسبت به واکنش سریع است و راکتور از نظر حرکتی کنترل می شود.، بنابراین مخلوط کردن جزئیات به سختی بر نتیجه تاثیر می گذارد و مقیاس بندی ساده است. هنگامی که Da بسیار بیشتر از 1 است،واکنش نسبت به مخلوط شدن سریع است و نتیجه بستگی به این دارد که واکنشگرها چقدر سریع در مقیاس مولکولی با هم جمع می شوند.، که در آن راکتورهای جریان میکرو و موازاسکیل انتخاباتی را ارائه می دهند که یک ظرف مخلوط نمی تواند. قاعده عملی: بالاتر از Da تقریباً 0.1، شروع به نگرانی در مورد میکرومیکس کردن و مشخص کردن یک مخلوط کننده استاتیک یا یک راکتور کانال کوچک.

س: آیا راکتورهای جریان مداوم می توانند خمیر و مواد جامد را اداره کنند؟

ج: بله، اما طراحی باید برای آن انتخاب شود. مخازن مخلوط و آبشارها به طور طبیعی خمیر را مدیریت می کنند، زیرا آنها ظرف های مخلوط هستند.و آنها انتخاب استاندارد برای کریستالیزه شدن و بارش در عملیات مستمر هستندرآکتورهای لوله ای می توانند خمیر رقیق را حمل کنند اگر سرعت خطی بالاتر از سرعت قطعات قرار گرفتن، به طور معمول 0.1-0.5 m/s باشد.اگر قطر کانال حداقل ده برابر حداکثر اندازه ذرات باشدبرای سیستم های بسیار کثیف، به جای آن از راکتورهای نوسان پذیر یا مخازن مخلوط مداوم استفاده کنید.و حجم بیشتری را در ازای قابلیت اطمینان قبول می کنند.