เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลที่ปรับขนาดได้คืออะไร? การเพิ่มจำนวน การออกแบบ และการขยายขนาด

หน่วยปฏิกิริยาไหลที่สามารถปรับขนาดได้ คืออะไร?

ตอบคําถามหลัก:ระบบปฏิกิริยาไหลที่สามารถปรับขนาดได้คืออะไร และมันปรับขนาดจากห้องปฏิบัติการไปยังการผลิตได้อย่างไรเครื่องปฏิกิริยาระบายขนาดใหญ่ คือ เครื่องปฏิกิริยาที่ต่อเนื่องซึ่งการทํางานของมันยังคงตามการเพิ่มอัตราการผลิตหรือด้วยการหมายเลข (ทํางานหลายช่องหรือโมดูลที่เหมือนกันในขณะเดียวกัน) หรือด้วยการปรับขนาดขนาดภายในระบบที่ฟิสิกส์การควบคุมไม่เปลี่ยนแปลงปริมาณที่กํากับคือจํานวนเรย์โนลด์สําหรับระบบการไหลไหล จํานวนดัมคอฮเลอร์ Da = อัตราการปฏิกิริยาหารด้วยอัตราการขนส่งแบบสับสนสําหรับการผสมกับไคนติกและจํานวน Peclet สําหรับการกระจายตัวในแกนเนื่องจากอัตราส่วนของพื้นที่ถ่ายทอดความร้อนต่อปริมาตรจะถึง 1,000-10,000 m2 / m3 เทียบกับ 5-50 m2 / m3 ในภาชนะชุด, ผังปฏิกิริยาไหลจัดการเคมี exothermic มากที่ชุดไม่สามารถ.

1. เหตุผลที่ปฏิกิริยาระบายขนาดต่างกัน

การปรับขนาดชุดล้มเหลวเพราะระดับพื้นที่ต่อปริมาตรลดลง และเวลาผสมเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดเพิ่มขึ้น

• ความยาวในการขนส่งที่คง:ข้อดีที่สําคัญของปฏิกิริยาไหลคือ ความยาวของการขนส่งที่ลักษณะ, กว้างไฮดรอลิกของช่องทาง, อยู่เสมอไปเมื่อการผลิตเพิ่มขึ้นระบบปฏิกิริยาแผ่นห้องทดลองที่มีช่อง 1 มิลลิเมตร และหน่วยผลิตที่มีช่อง 1 มิลลิเมตร มีระยะทางการถ่ายทอดความร้อนและมวลที่เหมือนกัน, ดังนั้นปฏิกิริยาที่จํากัดการขนส่งในห้องทดลองจะประพฤติแบบเดียวกันที่ 1,000 เท่าของความเร็วระดับการออกเสียงที่มีจํานวนช่องทางคู่ ๆ ในขณะที่จํานวนไร้มิติที่อธิบายฟิสิกส์จะคงทางเลือกอื่น ๆ การเพิ่มขนาดช่องทาง เพิ่มจํานวนเรย์โนลด์และความยาวการถ่ายทอดความร้อนและเปลี่ยนแปลงการเลือกสําหรับปฏิกิริยาใด ๆ ที่ Da อยู่เหนือประมาณ 01.
• การควบคุมการกระจายเวลาที่พักการกระจายเวลาที่พักอาศัยที่แคบคือสิ่งที่ทําให้การแปลงสูงที่มีการคัดเลือกสูง เพราะทุกโมเลกุลมีประสบการณ์ในเวลาที่เทียบเท่ากันในอุณหภูมิการกระจายตัวทางแกนถูกระบุด้วยจํานวน Peclet Pe = u·L/Dax, หรือปฏิกิริยาของมันเทียบเท่าจํานวน Bodenstein Bo = u·L / Dax การไหลผ่าน Laminar ในท่อเรียบให้ RTD ปาราบอลกว้าง ๆ กับ Bo ต่ํากว่าประมาณ 10ขณะที่เครื่องผสมสติกหรือช่องทางโครงสร้างเพิ่ม Bo มากกว่า 100 และประมาณการไหลของพล็อกสําหรับปฏิกิริยาลําดับแรก ความแตกต่างระหว่าง Bo ของ 10 และ Bo ของ 100 สามารถย้ายผลผลิตหลายปริมาณและสําหรับปฏิกิริยาที่ติดต่อกันจาก A ไป B ไป C มันเปลี่ยนความเลือกสูงสุดที่สามารถบรรลุได้ของสารกลาง B.
• การกําจัดความร้อนในขนาด:รัคคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรคอรให้ความร้อนแหล่งขั้นต่ําที่บังคับการเติมยาช้าและการละลายสารละลายขนาดใหญ่- ระบบปฏิกิริยาระบายน้ําที่เท่าเทียมกันที่มีพื้นที่ 1,000-10,000 m2/m3 และ U ของ 1,000-20,000 W/m2·K จะกําจัดความร้อนเดียวกันในปริมาณที่เล็กกว่า 1 ถึง 2 ระดับขนาดในปริมาณปริมาณ 10-100 เท่านั่นคือสิ่งที่ทําให้ปฏิกิริยาทํางานในระบบที่ไม่ปลอดภัยในชุด และมันเป็นข้อโต้แย้งทางเศรษฐกิจที่แข็งแกร่งที่สุดสําหรับการไหล

2. การจัดหมายเลขขึ้นในปฏิบัติ

การตั้งหมายเลขง่ายในหลักการและต้องการรายละเอียด จํานวน 4 ปัญหาทางวิศวกรรมที่กําหนดว่าเรียงคู่จะทํางานได้อย่างไร เช่นช่องเดียวที่มันถูกออกแบบจาก:

• การกระจายการไหลผิดช่องทางปานกลางจะเท่าเทียมกันได้ ถ้าแต่ละช่องรับกระแสเดียวกัน ในหลากหลายช่องทาง Nการลดความดันผ่านหัวกระจายน้ําจะต้องใหญ่เทียบกับการลดความดันผ่านช่องทาง, โดยทั่วไปด้วยตัวประกอบ 10 หรือมากกว่า, ไม่เช่นนั้นการไหล่จะโปรดเกล้าช่องทางที่ใกล้เคียงกับช่องทางเข้า. การออกแบบที่ใช้จริงใช้หลากหลายต้นไม้ biforcating กับความยาวเส้นทางเท่ากัน,อุปกรณ์ลดความดันหรือการจํากัดด้านบนของช่องทางแต่ละช่องทางการกระจายไม่ถูกมากกว่า ± 5% ระหว่างช่องทางจะขยาย R & D ทั่วไปและทําลายความคัดเลือก ดังนั้นมันต้องวัดมากกว่าการสมมุติ
• ความเท่าเทียมทางความร้อน ผ่านระบบ:ช่องทางทุกช่องทางในระบบต้องเห็นอุณหภูมิผนังเดียวกัน ในความเป็นจริงช่องทางขอบสูญเสียความร้อนมากขึ้นและช่องทางกลางสะสมมันดังนั้นวงจรอุปกรณ์บริการถูกออกแบบให้เป็นการจัดวางแบบคอนตราคอเรนต์หรือการไหลผ่านที่มีการไหลผ่านที่เพียงพอที่ความสูงของอุปกรณ์บริการอุณหภูมิต่ํากว่า 2-5 °C, และกณิตศาสตร์ของโมดูลจํากัดจํานวนชั้นระหว่างช่องทางการใช้งาน อุปกรณ์ควรรวมเทอร์โมคอปเปอร์ในขอบตัวแทนและช่องทางกลาง, ไม่ใช่เพียงจุดเดียวเพราะการกระจาย 5 °C สามารถเปลี่ยนโปรไฟล์ของสารสกปรกสําหรับเคมีที่มีความรู้สึกต่ออุณหภูมิ.
• การจัดการกับสารแข็งและการก่อผลาญ:ช่องทางแคบที่ทําให้ปฏิกิริยาไหลผ่านมีข้อดี ก็ยังเป็นความผิดชอบหลักของพวกมันด้วย: ละอองใด ๆ, คาตาลิสเตอร์ดี, หรือพอลิเมอร์ฝากบล็อกพวกมันกลยุทธ์การลดความเสียหายรวมถึงการใช้ช่องทางที่มีเส้น径 ไฮดรอลิกมากกว่า 1 มิลลิเมตรสําหรับการบริการสับ, การติดตั้งเครื่องกรองในสาย 10-50 μm บนสาย, การเพิ่มวงจรระบายสารละลายระยะสั้นหรือระบายกลับ, การออกแบบการเข้าถึงสําหรับการทําความสะอาดทางกลหรือทางเคมี,และในบางกรณียอมรับการออกแบบขนาดกลางของช่อง 3-10 มิลลิเมตรที่แลกเปลี่ยนผลการถ่ายส่งความร้อนบางส่วนเพื่อความแข็งแรงการตรวจสอบการเกิดของสารแข็งก่อนที่จะประกอบการออกแบบช่องแคบเป็นสิ่งจําเป็น
• การควบคุมและความต่อเนื่องของกฎหมายการประมวลผลแบบต่อเนื่องต้องการปรัชญาควบคุมที่แตกต่างจากชุด: การทํางานในสภาพคงที่ที่จุดตั้งที่กําหนดไว้ โดยการเปลี่ยนการเริ่มต้นและปิดการจัดการเป็นสภาวะที่ชัดเจนและกลยุทธ์การเปลี่ยนทางของวัสดุ เพื่อให้วัสดุที่ไม่ได้ถูกกําหนดในช่วงช่วงเวลาที่ผ่านมา ถูกนําออกไปจากกระแสผลิตภัณฑ์. ICH Q13 ให้กรอบกฎหมายสําหรับการผลิตสารยาเสพติดอย่างต่อเนื่อง, การแก้ไขนิยามของชุด, วิธีการจัดการกับความรบกวน, และวิธีการจัดตั้งกลยุทธ์การควบคุมการออกแบบล็อกจิกการปรับเปลี่ยนทางและขั้นตอนการจัดการระยะสั้น ในขณะเดียวกันกับตัวปฏิกิริยาหลีกเลี่ยงการปรับปรุงภายหลังระหว่างการรับรอง.

กลยุทธ์การปรับขนาดของปฏิกิริยาไหลมาตรฐานการเปรียบเทียบ

คําถามที่พบบ่อย (FAQ)

คําถาม: ความแตกต่างระหว่างการปรับขนาดและการนับตัวคืออะไร?

A: การปรับขนาดเพิ่มขนาดของตัวประกอบไฟฟ้าตัวเดียว ซึ่งเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนพื้นที่ต่อปริมาณดังนั้นสภาพแวดล้อมปฏิกิริยาจะเปลี่ยนแปลง และผลการทดลองมักจะไม่แสดงให้เห็นได้อย่างถูกต้องการตั้งหมายเลขรักษาช่องทางหรือโมดูลแต่ละตัวในมิติที่พิสูจน์ได้ในห้องปฏิบัติการ และเพิ่มความสามารถในการทํางานโดยการทํางานหลายหน่วยที่เหมือนกันในขณะเดียวกันและเลข Peclet, เวลาที่อยู่อาศัย, และระยะทางการถ่ายทอดความร้อนทั้งหมดคงที่ การนับต้องแก้ไขการกระจายกระแสและความเหมือนกันของความร้อนทั่ว arrayแต่มันกําจัดเหตุผลพื้นฐานที่ทําให้การปรับขนาดชุดล้มเหลว. กระบวนการกระแสการค้าส่วนใหญ่ใช้ไฮบริด: การปรับขนาดทางกณิตศาสตร์ที่ต่ําต้อยไปยังโมดูลเมโซสเกล, จากนั้นนับตัวโมดูลนั้น

Q: เมื่อไหร่ผมควรเลือกปฏิกิริยาไหลเวียนแทนปฏิกิริยาชุด?

ตอบ: การไหลเวียนเป็นทางเลือกที่ดีกว่าเมื่อมีเงื่อนไข 5 ประการใดหนึ่งซึ่งการไหลผ่านจะกําจัดความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากผสมสารเคมีที่มีสารกลางอันตรายหรือไม่มั่นคง เช่น เกลือ diazonium, azides, หรือ peroxides โดยที่คลังของปฏิกิริยาไหลน้อยทําให้กระบวนการปลอดภัยมากขึ้นการเลือกเฉพาะขึ้นอยู่กับเวลาที่อยู่อย่างแม่นยํา หรือการดับเร็วของปฏิกิริยาติดต่อกัน.เคมีต้องการ photochemical, electrochemical, หรืออุณหภูมิสูงและความดันสูง สภาพเหนือจุดเดือดของชั้นบรรยากาศ หรือการถ่ายทอดน้ําหนักก๊าซ-เหลวจํากัดอัตราเช่นในการไฮโดรเจน หรือโอโซนอลิสในทางตรงกันข้าม, batch ยังคงดีกว่าสําหรับปฏิกิริยาที่ช้ามากมากกว่าเวลาพักประมาณหนึ่งชั่วโมง, slurries หนัก, และพืชหลายผลิตภัณฑ์ที่ต้องการการเปลี่ยนบ่อย.

ถาม: คุณจัดการกับสารแข็งและสารสกปรกได้อย่างไร ในปฏิกิริยาระบายขนาดใหญ่?

ตอบ: เริ่มด้วยการกรองสําหรับการตกฝนและการสร้างพอลิเมอร์ในหลอดประสาทห้องปฏิบัติการ ก่อนที่จะประกอบกับช่องทางแคบ และวัดเวลาการนํามาสําหรับการสกปรกภายใต้สภาพกระบวนการหากของแข็งเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้, เลือกกระแสไฮดรอลิกกว้างมากกว่า 1 มิลลิเมตร, ที่ดีที่สุด 3-10 มิลลิเมตรในแผ่นเมโซสเกลหรือการออกแบบท่อและยอมรับปริมาณการถ่ายส่งความร้อนที่ลดลงหลีกเลี่ยงมุมคมและการขยายตัวอย่างฉับพลันที่อนุภาคลงตัว, และรักษาความเร็วเชิงเส้นขั้นต่ําสูงกว่าประมาณ 0.1 m/s เพื่อให้อนุภาคระงับและออกแบบโมดูลเพื่อให้อย่างน้อยโซนการกระจายทางเข้าสามารถแยกแยกเพื่อทําความสะอาดหรือเปลี่ยนเป็นสินค้าที่ใช้ได้.

ถาม: การคํานวณและเพิ่มความสามารถในการทํางานของปฏิกิริยาไหลกระแสได้อย่างไร?

A: การออกกําลังคือผลผลของอัตราการไหลของขนาดและปริมาณของผลิตภัณฑ์, โดยการไหลของขนาดที่กําหนดโดยเวลาที่อยู่และปริมาณช่องทั้งหมด: Q = V_total หารด้วย tau.สําหรับปฏิกิริยาลําดับแรกที่ต้องการการแปลง 99%, tau เท่ากับประมาณ 4.6 หารด้วยสม่ําเสมออัตรา, ดังนั้นปฏิกิริยาที่มี k ของ 0.01 s-1 ต้องใช้เวลาประมาณ 460 วินาที. ด้วยปริมาณช่อง 100 mL, ซึ่งให้อัตราการไหลของ 0.78 L / h.การเพิ่มอัตราการผลิต หมายถึงการเพิ่มปริมาณทั้งหมด โดยการเพิ่มช่องทางคู่เคียงการเพิ่มอุณหภูมิมักจะเป็นเลเวอร์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด: การเพิ่มอุณหภูมิ 20 °C มักจะเพิ่มเป็นสองเท่าหรือสี่เท่า kการลดเวลาการพักและการเพิ่มผลิตตามสัดส่วน, ยกเงื่อนไขการเลือกและการสร้างสารสกัดยังคงเป็นที่ยอมรับได้