प्लग फ्लो इन रिएक्टरों की एक महत्वपूर्ण विशेषता है, इसलिए कोई भी दो अणु कम समय में रिएक्टर में प्रवेश कर सकते हैं और एक ही समय में बाहर निकल सकते हैं। रिसाव को बंद करो रिएक्टर अभिकारकों के साथ-साथ उत्पादों के विभाजन को अनुकूलित करते समय एक कुशल नियंत्रण प्रतिक्रिया समय प्रदान करता है। इसलिए, रिएक्टरों में अच्छे प्रदर्शन के लिए अच्छा प्लग प्रवाह आवश्यक है। इसलिए जो रिएक्टर प्लग फ्लो रसायन शास्त्र का उपयोग करते हैं उन्हें सामान्यतः प्लग फ्लो रिएक्टर या पीएफआर रिएक्टर कहा जाता है। प्लग फ्लो रिएक्टर या पीएफआर एक तीसरा सामान्य प्रकार का रिएक्टर है जहां पोषक तत्वों को लगातार रिएक्टर में पेश किया जाता है और पूरे रिएक्टर में 'प्लग' के रूप में स्थानांतरित किया जाता है। यह आलेख एक के सिंहावलोकन पर चर्चा करता है प्लग प्रवाह रिएक्टर , इसकी कार्यप्रणाली और इसके अनुप्रयोग।
प्लग फ्लो रिएक्टर क्या है?
प्लग फ्लो रिएक्टर या पिस्टन फ्लो रिएक्टर एक आयताकार-प्रकार का आदर्श प्रवाह रिएक्टर है जो पूरे ट्यूब में सामग्री के प्रसंस्करण के लिए निरंतर द्रव प्रवाह का उपयोग करता है। इस रिएक्टर का उपयोग एक बेलनाकार पाइप के भीतर रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चित्रित करने के लिए किया जाता है ताकि सभी रासायनिक प्रतिक्रिया संयोजनों को प्रवाह दिशा के साथ समान गति से आपूर्ति की जाएगी; कोई एकीकरण या बैकफ़्लो नहीं है.
इस रिएक्टर में एक बेलनाकार पाइप शामिल होता है जिसके हर सिरे पर अभिकारकों के साथ-साथ उत्पादों के लिए छेद होता है जिसके माध्यम से अभिकारक आपूर्ति करते हैं। इस रिएक्टर में एक समान प्रतिक्रिया बनाए रखने के लिए रिएक्टर को एक निश्चित तापमान पर पानी उपलब्ध कराया जाता है। इस रिएक्टर में एक सिरे से दूसरे सिरे तक लगातार सामग्री डालकर प्लग फ्लो उत्पन्न किया जाता है, यह लगातार सामग्रियों को हटाता है। पीएफआर में अक्सर उत्पादित सामग्री हैं; पेट्रोकेमिकल, पॉलिमर, फार्मास्यूटिकल्स, आदि। इन रिएक्टरों में तरल या गैस चरण प्रणालियों में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है।
प्लग फ्लो रिएक्टर उत्कृष्ट निवास समय नियंत्रण के साथ-साथ प्रतिक्रिया की स्थिति भी प्रदान करता है। इसलिए वे उच्च स्तर का रूपांतरण प्रदान करते हैं और उच्च गर्मी रिलीज (या) प्रतिक्रियाशील सांद्रता के प्रति संवेदनशीलता के माध्यम से प्रतिक्रियाओं के साथ संगत होते हैं। हालाँकि, रेडियल मिश्रण और केवल अक्षीय मिश्रण के बिना उनकी कुछ सीमाएँ हैं।
प्रमुख विशेषताऐं
प्लग फ्लो रिएक्टर की प्रमुख विशेषताओं में निम्नलिखित शामिल हैं।
एकदिशीय प्रवाह
पीएफआर में, अभिकारकों के साथ-साथ उत्पाद बिना बैक-मिक्सिंग के रिएक्टर की लंबाई के साथ एक ही दिशा में यात्रा करते हैं।
कम और अधिक घनत्व के बीच में एक घुले हुए पदार्थ का जमाव
इस रिएक्टर में अभिकारक सांद्रता और उत्पाद रिएक्टर की लंबाई के साथ बदलते हैं, हालांकि यह प्रवाह के लंबवत किसी भी खंड के अनुरूप होता है।
निवास समय
निवास समय एक अलग अभिकारक मात्रा जो पीएफआर के भीतर खर्च की जाती है उसे निवास समय कहा जाता है और यह सभी मात्राओं के लिए स्थिर है।
प्लग फ्लो रिएक्टर कार्य सिद्धांत
प्लग फ्लो रिएक्टर ठीक रसायनों का उत्पादन करने के लिए अल्कोहल और अन्य कार्बनिक यौगिकों को ऑक्सीकरण करके काम करता है; रंगद्रव्य और रंजक। इस रिएक्टर में तरल पदार्थ एक पाइप या ट्यूब में निरंतर और समान तरीके से चलते हैं। अभिकारक पूरे रिएक्टर में प्रवाहित होने के लिए रिएक्टर के एक छोर से प्रवेश करते हैं और दूसरे छोर पर मौजूद रहते हैं।
इस रिएक्टर में प्लग प्रवाह प्रकृति यह सुनिश्चित करती है कि रासायनिक अभिकारक पीएफआर के माध्यम से समान स्थितियों के संपर्क में आते हैं और प्रत्येक अभिकारक निवासी का समय समान होता है। इसलिए, प्लग फ्लो रिएक्टर उन मुख्य प्रतिक्रियाओं के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प है जिनके लिए निवासी समय, तापमान और दबाव के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
प्लग फ्लो रिएक्टर आरेख
प्लग फ्लो रिएक्टर का डिज़ाइन कुछ प्रकार की केशिका के साथ किया जा सकता है जो एक छोटी ट्यूब (या) एक प्लेट में तय किया गया चैनल है। यह एक सतत रिएक्टर सेट है जिसमें रिएक्टरों के इनलेट और रिएक्टर सामग्री के आउटलेट के साथ रिएक्टर ऑपरेशन के दौरान लगातार काम किया जाता है।
एक प्लग फ्लो रिएक्टर (पीएफआर) में एक आंदोलनकारी नहीं होता है जिसमें एक बेलनाकार आकार होता है जो द्रव को न्यूनतम मात्रा में बैक मिक्सिंग के साथ विकसित करने की अनुमति देता है, परिणामस्वरूप, रिएक्टर में जाने वाले सभी द्रव कणों का निवास समय समान होता है . इस रिएक्टर को निश्चित रूप से पतली तरल स्लाइस की एक श्रृंखला के रूप में माना जा सकता है, जिसमें एक छोटा बैच रिएक्टर शामिल होता है, जो पिस्टन की तरह रिएक्टर के भीतर आगे बढ़ने के लिए स्लाइस में पूरी तरह से उत्तेजित होता है।
रिएक्टर के भीतर द्रव स्लाइस में से एक के लिए सामान्य द्रव्यमान संतुलन के समीकरण को निम्नलिखित के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:
इनलेट = आउटलेट + खपत + संचय
उपरोक्त अभिव्यक्ति के प्रत्येक घटक की इकाइयाँ मोल/सेकंड जैसी सामग्री रन दर हैं।
प्लग प्रवाह रिएक्टर समीकरण व्युत्पत्ति
प्लग-फ्लो रिएक्टर एक आदर्श रिएक्टर है जहां एक विशेष खंड के सभी कणों का वेग और गति दिशा समान होती है। प्लग फ्लो रिएक्टर (पीएफआर) में कोई बैकफ्लो या मिश्रण नहीं होता है, इस प्रकार इनलेट साइड से आउटलेट तक प्लग जैसे तरल पदार्थ का प्रवाह नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।
यह रिएक्टर द्रव्यमान संतुलन के साथ-साथ द्रव की भिन्न मात्रा के भीतर ताप संतुलन के आधार पर बनाया जाता है। यदि हम कल्पना करते हैं कि प्रक्रिया इज़ोटेर्मल है, तो द्रव्यमान संतुलन पर ही विचार किया जाता है।
यदि हम स्थिर-अवस्था स्थितियों की कल्पना करते हैं तो प्रतिक्रियाशील सांद्रता अंततः भिन्न नहीं होती है। यह पीएफआर के संचालन की एक विशिष्ट विधि है। पीएफआर के लिए गणितीय समीकरण को बस इस प्रकार लिखा जा सकता है;
यूडीसीआई/डीएक्स = स्रोत
Ci(0) = Ci(f)
0≤ x ≤ एल
जहां 'Ci' अभिकारक है, 'i' सांद्रता है, 'u' द्रव का वेग है, 'νi' स्टोइकोमेट्रिक गुणांक है, 'r' प्रतिक्रिया दर है और 'x' रिएक्टर के भीतर की स्थिति है। 'Caf' रिएक्टर इनलेट पर अभिकारक A सांद्रता है और 'L' रिएक्टर की लंबाई है। द्रव 'u' का वेग Fv (m3/s) वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह दर और रिएक्टर S (m^2) के क्रॉस-सेक्शन क्षेत्र के आधार पर मापा जाता है:
यू=एफवी/एस
एक आदर्श पीएफआर में, सभी तरल कण ठीक उसी समय के लिए रिएक्टर में रहे हैं जिसे औसत निवास कहा जाता है, जिसे इस प्रकार मापा जाता है;
टी =एल/यू
निवास समय डेटा का उपयोग आम तौर पर रासायनिक रिएक्टर इंजीनियरिंग में परिवर्तन और निकास सांद्रता की भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है।
प्रथम-क्रम अपरिवर्तनीय प्रतिक्रिया
आइए एक सरल अपघटन प्रतिक्रिया पर विचार करें:
ए–>बी
जब भी प्रतिक्रिया अपरिवर्तनीय और प्रथम कोटि की होती है, तो हमारे पास होता है:
udCa/dx = -kCa
जहाँ 'k' एक गतिज स्थिरांक है। आम तौर पर, गतिज स्थिरांक मुख्य रूप से तापमान पर निर्भर करता है। आम तौर पर, इस संबंध का वर्णन करने के लिए अरहेनियस समीकरण का उपयोग किया जा सकता है। यहां, हम इज़ोटेर्माल स्थितियों को मानते हैं, इसलिए इस निर्भरता का उपयोग नहीं करेंगे।
प्रथम-क्रम अपरिवर्तनीय प्रतिक्रियाओं के मॉडल को तार्किक रूप से हल किया जा सकता है। तो समाधान इस प्रकार है;
Ca = Cafexp(-x*k/u)
दूसरे क्रम की अपरिवर्तनीय प्रतिक्रिया
दूसरे क्रम की अपरिवर्तनीय प्रतिक्रिया उदाहरण हमें नीचे दिए गए का उपयोग करने देता है:
2ए -> बी
एक बार जब प्रतिक्रिया अपरिवर्तनीय और दूसरे क्रम की हो जाती है, तो हमारे पास:
udCa/dx = -2k*(Ca)^2
प्लग फ्लो रिएक्टर विशेषताएँ
प्लग फ्लो रिएक्टर की विशेषताओं में निम्नलिखित शामिल हैं।
- प्लग-फ्लो रिएक्टर में अभिकारक पूरे रिएक्टर में निरंतर प्रवाह में बहते हैं, जिसमें बहुत कम या कोई मिश्रण नहीं होता है।
- पीएफआर में प्रतिक्रिया तब होती है जब अभिकारक रिएक्टर की लंबाई के साथ चलते हैं।
- रिएक्टर की लंबाई के साथ अभिकारकों की सांद्रता बदलती है और प्रवेश पर प्रतिक्रिया की दर आम तौर पर अधिक होती है।
- इन रिएक्टरों का उपयोग अक्सर उन प्रतिक्रियाओं के लिए किया जाता है जहां अधिक मात्रा में परिवर्तन आवश्यक होता है और जहां प्रतिक्रिया की गति अवशोषण परिवर्तनों के प्रति प्रतिक्रियाशील नहीं होती है।
- पीएफआर के भीतर निवास का समय सामान्यतः कम होता है।
- बायोफिल्म वायु-तरल इंटरफ़ेस के करीब बनता है जो मौखिक गुहा, गीली चट्टान की सतहों और शॉवर पर्दे जैसे वातावरण का अनुकरण करता है।
- इस प्रकार का रिएक्टर कम कतरनी में एक सुसंगत बायोफिल्म उत्पन्न करता है जिसका उपयोग माइक्रोबाइसाइड प्रभावशीलता की जांच के लिए स्थिर ग्लास कूपन रिएक्टर की तरह किया जा सकता है।
- इस रिएक्टर की बायोफिल्म का व्यवहार्य प्लेट गणना, मोटाई का निर्धारण और प्रकाश माइक्रोस्कोपी जैसे विभिन्न तरीकों से आसानी से विश्लेषण किया जाता है।
- पीएफआर में अभिकारकों का लगातार उपभोग किया जाता है क्योंकि वे रिएक्टर की लंबाई से नीचे प्रवाहित होते हैं।
एक सामान्य पीएफआर किसी ठोस सामग्री के माध्यम से पैक की गई ट्यूब हो सकती है।
फायदे और नुकसान
प्लग फ्लो रिएक्टर के फायदे निम्नलिखित को शामिल कीजिए।
- सीएसटीआर पर पीएफआर का लाभ यह है कि इस रिएक्टर में समान स्थान-समय और रूपांतरण स्तर के लिए कम मात्रा होती है।
- रिएक्टर को कम जगह की आवश्यकता होती है और समान रिएक्टर वॉल्यूम के लिए सीएसटीआर की तुलना में पीएफआर के भीतर रूपांतरण की मात्रा अधिक होती है।
- गैस-चरण उत्प्रेरक कैनेटीक्स प्रक्रिया को तय करने के लिए इस रिएक्टर का अक्सर उपयोग किया जाता है।
- ये रिएक्टर प्रतिक्रियाओं को संभालने में बहुत प्रभावी हैं और सीएसटीआर (कंटीन्यूअस स्टिररेड-टैंक रिएक्टर) की तुलना में प्रत्येक रिएक्टर वॉल्यूम के लिए उच्च रूपांतरण दर के भीतर 'विशिष्ट' प्रतिक्रियाओं के एक बड़े समूह के लिए प्रभाव डालते हैं।
- रिएक्टर त्वरित प्रतिक्रियाओं के लिए बहुत उपयुक्त हैं
- टैंक रिएक्टरों की तुलना में पीएफआर में हीट ट्रांसफर को काफी बेहतर तरीके से प्रबंधित किया जा सकता है जो अत्यधिक एक्सोथर्मिक सिस्टम के लिए उत्कृष्ट फिट होता है
- प्लग प्रवाह चरित्र और बैक-मिक्सिंग न होने के कारण, सभी अभिकारकों की ओर से एक सुसंगत निवास समय होता है, जिससे उत्पाद की विश्वसनीय गुणवत्ता प्राप्त होती है, विशेष रूप से जहां बड़े निवास समय के कारण संदूषण का निर्माण और जलन होती है, और भी बहुत कुछ।
- प्लग फ्लो रिएक्टर का रखरखाव आसान है क्योंकि इसमें कोई गतिशील तत्व नहीं हैं।
- ये यांत्रिक रूप से सरल हैं।
- प्रत्येक रिएक्टर वॉल्यूम के लिए इसकी रूपांतरण दर अधिक है।
- उत्पाद की गुणवत्ता नहीं बदली है.
- त्वरित प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए उत्कृष्ट।
- रिएक्टर वॉल्यूम का उपयोग बहुत कुशलता से किया जाता है।
- विशाल क्षमता वाली प्रक्रियाओं के लिए उत्कृष्ट।
- कम दबाव गिरता है।
- कोई बैक-मिक्सिंग नहीं है
- प्रत्यक्ष मापनीयता
- निवास का कुशल समय नियंत्रण, तापमान नियंत्रण, कुशल मिश्रण, बैच-टू-बैच भिन्नता सीमित है, आदि।
प्लग फ्लो रिएक्टर के नुकसान निम्नलिखित को शामिल कीजिए।
- पीएफआर में, तापमान प्रोफाइल की विस्तृत श्रृंखला के कारण एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया प्रदर्शन को नियंत्रित करना कठिन होता है।
- पीएफआर के लिए, रखरखाव और परिचालन व्यय सीएसटी की तुलना में महंगा है।
- रिएक्टर के लिए तापमान नियंत्रण कठिन है।
- जब भी ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाओं के लिए उपयोग किया जाता है तो रिएक्टर में हॉट स्पॉट उत्पन्न हो जाते हैं।
- संरचना और तापमान भिन्नता के कारण इसे नियंत्रित करना कठिन है।
- पीएफआर को उनके जटिल डिजाइन और संयोजन के कारण डिजाइन और रखरखाव करना महंगा है।
- पीएफआर आमतौर पर सटीक प्रतिक्रियाओं के लिए डिज़ाइन किए गए हैं और फीडस्टॉक्स या प्रतिक्रिया स्थितियों में परिवर्तन को समायोजित करने में सक्षम नहीं हो सकते हैं।
- इनके संकीर्ण और लंबे डिज़ाइन के कारण इन्हें बनाए रखना और साफ करना मुश्किल है।
- पीएफआर में अभिकारक असमान रूप से प्रवाहित हो सकते हैं जिससे हॉट स्पॉट या अपूर्ण प्रतिक्रियाएँ होती हैं।
- यह ध्यान रखना बहुत महत्वपूर्ण है कि प्लग फ्लो रिएक्टर सभी अनुप्रयोगों में फिट नहीं हो सकते। इसलिए किसी अनुप्रयोग के लिए किस प्रकार का रिएक्टर उपयुक्त है, यह तय करने के लिए किसी को निवास समय, कैनेटीक्स, चयनात्मकता मुद्दों आदि का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करना चाहिए।
अनुप्रयोग
प्लग-फ्लो रिएक्टरों के अनुप्रयोगों में निम्नलिखित शामिल हैं।
- पीएफआर का उपयोग आमतौर पर उर्वरक, बड़े पैमाने पर रसायन, पेट्रोकेमिकल और फार्मास्युटिकल उत्पादन में किया जाता है।
- इन रिएक्टरों का उपयोग पॉलीप्रोपाइलीन और पॉलीइथाइलीन उत्पादन जैसी पॉलीमराइज़ेशन प्रक्रियाओं में किया जाता है।
- प्लग फ्लो रिएक्टर तरल-ठोस और गैस-ठोस प्रतिक्रिया प्रणालियों के लिए उपयुक्त हैं।
- ये विषमांगी या सजातीय प्रतिक्रियाओं के लिए उपयुक्त हैं जैसे; तेल एवं वसा हाइड्रोजनीकरण.
- पीएफआर का उपयोग अल्कोहल और अन्य कार्बनिक यौगिकों को ऑक्सीकरण करने और रंगद्रव्य और रंगों जैसे अच्छे रसायनों को उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।
इस प्रकार, यह है प्लग फ्लो रिएक्टर का अवलोकन , कार्य, फायदे, नुकसान और अनुप्रयोग। एक अच्छे प्रवाह रिएक्टर का डिज़ाइन और चयन अभी भी एक कला है और वर्षों का ज्ञान आपको चयन करने में सुधार करता है। कभी-कभी, प्लग फ्लो रिएक्टर को सीटीआर (सतत ट्यूबलर रिएक्टर) के रूप में भी जाना जाता है। एक आदर्श रूप में, प्रतिक्रिया संयोजन के आकार को कुछ प्लग से बना मापा जा सकता है और प्रत्येक प्लग में एक समान एकाग्रता होती है। इस पीएफआर का अनुमान है कि कोई अक्षीय मिश्रण नहीं है इसलिए रिएक्टर में कोई बैक मिक्सिंग नहीं है। यहां आपके लिए एक प्रश्न है कि रिएक्टर क्या है?
