रासायनिक रिएक्टर क्या होते हैं? रासायनिक रिएक्टरों के प्रकार

2024 लेखक: Howard Calhoun | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-02 13:55

रासायनिक प्रतिक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जो अभिकारकों के परिवर्तन की ओर ले जाती है। यह उन परिवर्तनों की विशेषता है जिनके परिणामस्वरूप एक या अधिक उत्पाद मूल से भिन्न होते हैं। रासायनिक प्रतिक्रियाएं एक अलग प्रकृति की होती हैं। यह अभिकर्मकों के प्रकार, प्राप्त पदार्थ, संश्लेषण की स्थिति और समय, अपघटन, विस्थापन, आइसोमेराइजेशन, एसिड-बेस, रेडॉक्स, कार्बनिक प्रक्रियाओं आदि पर निर्भर करता है।

रासायनिक रिएक्टर अंतिम उत्पाद का उत्पादन करने के लिए प्रतिक्रिया करने के लिए डिज़ाइन किए गए कंटेनर हैं। उनका डिज़ाइन विभिन्न कारकों पर निर्भर करता है और उन्हें सबसे अधिक लागत प्रभावी तरीके से अधिकतम उत्पादन प्रदान करना चाहिए।

दृश्य

रासायनिक रिएक्टरों के तीन मुख्य बुनियादी मॉडल हैं:

• आवधिक।
• निरंतर हलचल (सीपीएम)।
• प्लंजर फ्लो रिएक्टर (पीएफआर)।

रासायनिक प्रक्रिया की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए इन बुनियादी मॉडलों को संशोधित किया जा सकता है।

बैच रिएक्टर

इस प्रकार की रासायनिक इकाइयों का उपयोग बैच प्रक्रियाओं में कम उत्पादन मात्रा, लंबी प्रतिक्रिया समय या जहां बेहतर चयनात्मकता हासिल की जाती है, जैसा कि कुछ पोलीमराइजेशन प्रक्रियाओं में किया जाता है।

इसके लिए, उदाहरण के लिए, स्टेनलेस स्टील के कंटेनरों का उपयोग किया जाता है, जिनमें से सामग्री को आंतरिक काम करने वाले ब्लेड, गैस के बुलबुले या पंप का उपयोग करके मिलाया जाता है। हीट एक्सचेंज जैकेट, सिंचाई कूलर या हीट एक्सचेंजर के माध्यम से पंपिंग का उपयोग करके तापमान नियंत्रण किया जाता है।

बैच रिएक्टर वर्तमान में रासायनिक और खाद्य प्रसंस्करण उद्योगों में उपयोग किए जाते हैं। उनका स्वचालन और अनुकूलन कठिनाइयाँ पैदा करता है, क्योंकि निरंतर और असतत प्रक्रियाओं को जोड़ना आवश्यक है।

अर्ध-बैच रासायनिक रिएक्टर निरंतर और बैच संचालन को मिलाते हैं। एक बायोरिएक्टर, उदाहरण के लिए, समय-समय पर लोड किया जाता है और लगातार कार्बन डाइऑक्साइड का उत्सर्जन करता है, जिसे लगातार हटाया जाना चाहिए। इसी तरह, क्लोरीनीकरण प्रतिक्रिया में, जब क्लोरीन गैस अभिकारकों में से एक होती है, यदि इसे लगातार नहीं डाला जाता है, तो इसका अधिकांश भाग वाष्पित हो जाएगा।

बड़े पैमाने पर उत्पादन सुनिश्चित करने के लिए, निरंतर रासायनिक रिएक्टर या आंदोलनकारी या निरंतर प्रवाह के साथ धातु टैंक मुख्य रूप से उपयोग किए जाते हैं।

लगातार हलचल रिएक्टर

तरल अभिकर्मकों को स्टेनलेस स्टील के टैंकों में डाला जाता है। उचित अंतःक्रिया सुनिश्चित करने के लिए, उन्हें कार्यशील ब्लेडों द्वारा मिश्रित किया जाता है। इस प्रकार, मेंइस प्रकार के रिएक्टरों में, अभिकारकों को पहले टैंक (ऊर्ध्वाधर, स्टील) में लगातार खिलाया जाता है, फिर वे प्रत्येक टैंक में अच्छी तरह से मिश्रित होने पर, बाद वाले में प्रवेश करते हैं। हालांकि मिश्रण की संरचना प्रत्येक व्यक्तिगत टैंक में सजातीय है, पूरे सिस्टम में एकाग्रता टैंक से टैंक में भिन्न होती है।

एक टैंक (निवास समय) में अभिकर्मक की असतत मात्रा खर्च करने की औसत मात्रा की गणना टैंक की मात्रा को इसके माध्यम से औसत वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह दर से विभाजित करके की जा सकती है। रासायनिक गतिकी का उपयोग करके प्रतिक्रिया की अपेक्षित प्रतिशत पूर्णता की गणना की जाती है।

टैंक स्टेनलेस स्टील या मिश्र धातुओं से बने होते हैं, साथ ही तामचीनी कोटिंग के साथ।

एनपीएम के कुछ महत्वपूर्ण पहलू

सभी गणना सही मिश्रण पर आधारित हैं। प्रतिक्रिया अंतिम एकाग्रता से संबंधित दर से आगे बढ़ती है। संतुलन पर, प्रवाह दर प्रवाह दर के बराबर होनी चाहिए, अन्यथा टैंक अतिप्रवाह या खाली हो जाएगा।

कई धारावाहिक या समानांतर एचपीएम के साथ काम करना अक्सर लागत प्रभावी होता है। पांच या छह इकाइयों के कैस्केड में इकट्ठे स्टेनलेस स्टील के टैंक प्लग फ्लो रिएक्टर की तरह व्यवहार कर सकते हैं। यह पहली इकाई को उच्च प्रतिक्रियाशील एकाग्रता और इसलिए तेज प्रतिक्रिया दर पर संचालित करने की अनुमति देता है। इसके अलावा, विभिन्न कंटेनरों में होने वाली प्रक्रियाओं के बजाय एचपीएम के कई चरणों को एक ऊर्ध्वाधर स्टील टैंक में रखा जा सकता है।

क्षैतिज संस्करण में, बहु-मंच इकाई को विभिन्न ऊंचाइयों के ऊर्ध्वाधर विभाजन द्वारा खंडित किया जाता है जिसके माध्यम से मिश्रण कैस्केड में बहता है।

जब अभिकारक खराब मिश्रित होते हैं या घनत्व में महत्वपूर्ण रूप से भिन्न होते हैं, तो एक ऊर्ध्वाधर मल्टी-स्टेज रिएक्टर (लाइन या स्टेनलेस स्टील) का उपयोग काउंटरकुरेंट मोड में किया जाता है। यह प्रतिवर्ती प्रतिक्रियाओं को अंजाम देने के लिए प्रभावी है।

छोटा छद्म-तरल परत पूरी तरह मिश्रित है। एक बड़े वाणिज्यिक द्रवीकृत बेड रिएक्टर का तापमान काफी हद तक एक समान होता है, लेकिन मिश्रणीय और विस्थापित धाराओं और उनके बीच संक्रमण अवस्थाओं का मिश्रण होता है।

प्लग-फ्लो रासायनिक रिएक्टर

RPP एक रिएक्टर (स्टेनलेस) है जिसमें एक या अधिक तरल अभिकारकों को पाइप या पाइप के माध्यम से पंप किया जाता है। उन्हें ट्यूबलर प्रवाह भी कहा जाता है। इसमें कई पाइप या ट्यूब हो सकते हैं। अभिकर्मक लगातार एक छोर से प्रवेश करते हैं और उत्पाद दूसरे से बाहर निकलते हैं। मिश्रण के गुजरने पर रासायनिक प्रक्रियाएं होती हैं।

आरपीपी में, प्रतिक्रिया दर ढाल है: इनपुट पर यह बहुत अधिक है, लेकिन अभिकर्मकों की एकाग्रता में कमी और आउटपुट उत्पादों की सामग्री में वृद्धि के साथ, इसकी दर धीमी हो जाती है। आमतौर पर गतिशील संतुलन की स्थिति तक पहुँच जाता है।

क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर दोनों रिएक्टर अभिविन्यास सामान्य हैं।

जब गर्मी हस्तांतरण की आवश्यकता होती है, तो अलग-अलग ट्यूबों को जैकेट किया जाता है या एक शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर का उपयोग किया जाता है। बाद के मामले में, रसायन हो सकते हैंखोल और ट्यूब दोनों में।

नोज़ल या स्नान के साथ बड़े व्यास के धातु के कंटेनर आरपीपी के समान होते हैं और व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। कुछ विन्यास अक्षीय और रेडियल प्रवाह का उपयोग करते हैं, अंतर्निहित हीट एक्सचेंजर्स के साथ कई गोले, क्षैतिज या ऊर्ध्वाधर रिएक्टर स्थिति, और इसी तरह।

विषम प्रतिक्रियाओं में इंटरफेसियल संपर्क को बेहतर बनाने के लिए अभिकर्मक पोत को उत्प्रेरक या निष्क्रिय ठोस से भरा जा सकता है।

आरपीपी में यह महत्वपूर्ण है कि गणना लंबवत या क्षैतिज मिश्रण को ध्यान में नहीं रखती है - यह "प्लग फ्लो" शब्द का अर्थ है। अभिकर्मकों को न केवल इनलेट के माध्यम से रिएक्टर में पेश किया जा सकता है। इस प्रकार, आरपीपी की उच्च दक्षता प्राप्त करना या इसके आकार और लागत को कम करना संभव है। RPP का प्रदर्शन आमतौर पर समान मात्रा के HPP से अधिक होता है। पिस्टन रिएक्टरों में आयतन और समय के समान मूल्यों के साथ, प्रतिक्रिया में मिश्रण इकाइयों की तुलना में पूर्णता का प्रतिशत अधिक होगा।

गतिशील संतुलन

अधिकांश रासायनिक प्रक्रियाओं के लिए 100 प्रतिशत पूर्णता प्राप्त करना असंभव है। इस सूचक की वृद्धि के साथ उनकी गति कम हो जाती है जब तक कि सिस्टम गतिशील संतुलन तक नहीं पहुंच जाता (जब कुल प्रतिक्रिया या संरचना में परिवर्तन नहीं होता है)। अधिकांश प्रणालियों के लिए संतुलन बिंदु 100% प्रक्रिया पूर्ण होने से कम है। इस कारण से, एक पृथक्करण प्रक्रिया को अंजाम देना आवश्यक है, जैसे कि आसवन, शेष अभिकारकों या उप-उत्पादों को अलग करने के लिएलक्ष्य। इन अभिकर्मकों को कभी-कभी एक प्रक्रिया की शुरुआत में पुन: उपयोग किया जा सकता है जैसे कि हैबर प्रक्रिया।

पीएफए का आवेदन

पिस्टन फ्लो रिएक्टरों का उपयोग यौगिकों के रासायनिक परिवर्तन को करने के लिए किया जाता है क्योंकि वे बड़े पैमाने पर, तीव्र, सजातीय या विषम प्रतिक्रियाओं, निरंतर उत्पादन और उच्च ताप उत्पन्न करने वाली प्रक्रियाओं के लिए एक ट्यूब जैसी प्रणाली के माध्यम से चलते हैं।

एक आदर्श आरपीपी का एक निश्चित निवास समय होता है, अर्थात समय t पर प्रवेश करने वाला कोई भी तरल (पिस्टन) इसे t + समय पर छोड़ देगा, जहां स्थापना में निवास का समय है।

इस प्रकार के रासायनिक रिएक्टरों में लंबे समय तक उच्च प्रदर्शन होता है, साथ ही उत्कृष्ट गर्मी हस्तांतरण भी होता है। आरपीपी के नुकसान प्रक्रिया तापमान को नियंत्रित करने में कठिनाई है, जिससे अवांछित तापमान में उतार-चढ़ाव हो सकता है, और उनकी उच्च लागत हो सकती है।

उत्प्रेरक रिएक्टर

हालांकि इस प्रकार की इकाइयों को अक्सर आरपीपी के रूप में लागू किया जाता है, लेकिन उन्हें अधिक जटिल रखरखाव की आवश्यकता होती है। उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की दर रसायनों के संपर्क में उत्प्रेरक की मात्रा के समानुपाती होती है। एक ठोस उत्प्रेरक और तरल अभिकारकों के मामले में, प्रक्रियाओं की दर उपलब्ध क्षेत्र, रसायनों के इनपुट और उत्पादों की वापसी के समानुपाती होती है और अशांत मिश्रण की उपस्थिति पर निर्भर करती है।

एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया वास्तव में अक्सर बहु-चरणीय होती है। न सिर्फ़प्रारंभिक अभिकारक उत्प्रेरक के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। कुछ मध्यवर्ती उत्पाद भी इसके साथ प्रतिक्रिया करते हैं।

उत्प्रेरक का व्यवहार भी इस प्रक्रिया के कैनेटीक्स में महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से उच्च तापमान पेट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं में, क्योंकि वे सिंटरिंग, कोकिंग और इसी तरह की प्रक्रियाओं द्वारा निष्क्रिय हो जाते हैं।

नई तकनीकों को लागू करना

RPP का उपयोग बायोमास रूपांतरण के लिए किया जाता है। प्रयोगों में उच्च दाब रिएक्टरों का उपयोग किया जाता है। उनमें दबाव 35 एमपीए तक पहुंच सकता है। कई आकारों के उपयोग से निवास का समय 0.5 से 600 s तक भिन्न हो सकता है। 300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान को प्राप्त करने के लिए, विद्युत रूप से गर्म रिएक्टरों का उपयोग किया जाता है। बायोमास की आपूर्ति एचपीएलसी पंपों द्वारा की जाती है।

आरपीपी एरोसोल नैनोपार्टिकल्स

इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के लिए उच्च-मिश्र धातु मिश्र और मोटी-फिल्म कंडक्टर सहित विभिन्न उद्देश्यों के लिए नैनोसाइज्ड कणों के संश्लेषण और अनुप्रयोग में काफी रुचि है। अन्य अनुप्रयोगों में चुंबकीय संवेदनशीलता माप, दूर अवरक्त संचरण, और परमाणु चुंबकीय अनुनाद शामिल हैं। इन प्रणालियों के लिए नियंत्रित आकार के कणों का उत्पादन करना आवश्यक है। इनका व्यास आमतौर पर 10 से 500 एनएम की सीमा में होता है।

उनके आकार, आकार और उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र के कारण, इन कणों का उपयोग कॉस्मेटिक रंगद्रव्य, झिल्ली, उत्प्रेरक, सिरेमिक, उत्प्रेरक और फोटोकैटलिटिक रिएक्टरों के उत्पादन के लिए किया जा सकता है। नैनोकणों के लिए अनुप्रयोग उदाहरणों में शामिल हैं SnO₂ सेंसर के लिएकार्बन मोनोऑक्साइड, TiO₂ प्रकाश गाइड के लिए, SiO_{2 कोलाइडल सिलिकॉन डाइऑक्साइड और ऑप्टिकल फाइबर के लिए, टायरों में कार्बन फिलर्स के लिए C, रिकॉर्डिंग सामग्री के लिए Fe, बैटरी के लिए नी और, कुछ हद तक, पैलेडियम, मैग्नीशियम और बिस्मथ। इन सभी सामग्रियों को एरोसोल रिएक्टरों में संश्लेषित किया जाता है। चिकित्सा में, नैनोकणों का उपयोग घाव के संक्रमण को रोकने और इलाज के लिए, कृत्रिम अस्थि प्रत्यारोपण में और मस्तिष्क इमेजिंग के लिए किया जाता है।}

उत्पादन उदाहरण

एल्यूमीनियम कणों को प्राप्त करने के लिए, धातु वाष्प से संतृप्त एक आर्गन प्रवाह को आरपीपी में 18 मिमी के व्यास और 1600 डिग्री सेल्सियस के तापमान से 0.5 मीटर की लंबाई के साथ 1000 डिग्री सेल्सियस/सेकेंड की दर से ठंडा किया जाता है।. जैसे ही गैस रिएक्टर से होकर गुजरती है, एल्युमिनियम कणों का न्यूक्लियेशन और विकास होता है। प्रवाह दर 2 डीएम3/मिनट है और दबाव 1 एटीएम (1013 पा) है। जैसे ही यह चलता है, गैस ठंडा हो जाती है और सुपरसैचुरेटेड हो जाती है, जो अणुओं के टकराव और वाष्पीकरण के परिणामस्वरूप कणों के न्यूक्लियेशन की ओर ले जाती है, जब तक कि कण एक महत्वपूर्ण आकार तक नहीं पहुंच जाता। जैसे ही वे सुपरसैचुरेटेड गैस से गुजरते हैं, एल्युमीनियम के अणु कणों पर संघनित हो जाते हैं, जिससे उनका आकार बढ़ जाता है।