प्रवाह रसायन शास्त्र

प्रवाह रसायन विज्ञान में, जिसे रिएक्टर इंजीनियरिंग भी कहा जाता है, रासायनिक प्रतिक्रिया बैच उत्पादन के अतिरिक्त निरंतर बहने वाली धारा में चलती है। दूसरे शब्दों में, पंप तरल पदार्थ को रिएक्टर में ले जाते हैं, और जहां ट्यूब एक दूसरे से जुड़ते हैं, तरल पदार्थ एक दूसरे से संपर्क करते हैं। यदि यह तरल पदार्थ प्रतिक्रियाशील होते हैं, तो प्रतिक्रिया होती है। प्रवाह रसायन विज्ञान किसी दी गई पदार्थ की बड़ी मात्रा में निर्माण करते समय बड़े मापदंड पर उपयोग के लिए एक प्रकार से स्थापित तकनीक है। चूंकि, यह शब्द वर्तमान में रसायनज्ञों द्वारा प्रयोगशाला मापदंड पर इसके अनुप्रयोग के लिए गढ़ा गया है और छोटे पायलट पौधों और प्रयोगशाला-मापदंड पर निरंतर पौधों का वर्णन करता है। अधिकांशतः, माइक्रोरिएक्टर का उपयोग किया जाता है।

बैच बनाम प्रवाह में मापदंड परिभाषाओं की तुलना करना

 * प्रतिक्रिया स्तुईचिओमेटरी: बैच उत्पादन में इसे रासायनिक अभिकर्मक की सांद्रता और उनके वॉल्यूमेट्रिक अनुपात द्वारा परिभाषित किया जाता है। इस प्रकार प्रवाह में इसे अभिकर्मकों की सांद्रता और उनकी प्रवाह दर के अनुपात से परिभाषित किया जाता है।
 * निवास समय: बैच उत्पादन में यह इस तथ्य से निर्धारित होता है कि किसी पात्र को किसी दिए गए तापमान पर कितने समय तक रखा जाता है। इस प्रकार प्रवाह में वॉल्यूमेट्रिकनिवास समय वितरण रिएक्टर की मात्रा और समग्र प्रवाह दर के अनुपात द्वारा दिया जाता है, क्योंकि अधिकांशतः, प्लग फ्लो रिएक्टर का उपयोग किया जाता है।

प्रवाहित प्रतिक्रियाएँ
माइक्रोरिएक्टर या अन्य मिश्रण उपकरण में प्रवाह रसायन विज्ञान का उपयोग करके रासायनिक प्रतिक्रिया चलाने का चयन करना विभिन्न प्रकार के लाभ और हानि प्रदान करता है।

लाभ
विशिष्ट चालक उच्च उपज/चयनात्मकता, कम आवश्यक जनशक्ति, या उच्च सुरक्षा स्तर हैं।
 * प्रतिक्रिया तापमान को विलायक के क्वथनांक से ऊपर उठाया जा सकता है क्योंकि प्रयोगशाला उपकरणों का आयतन सामान्यतः छोटा होता है। सामान्यतः, गैर-संपीड़ित तरल पदार्थों का उपयोग बिना गैस की मात्रा के किया जाता है जिससे दाब के कार्य के रूप में विस्तार कारक छोटा होता है।
 * प्रवाह रसायन विज्ञान में उपयोग किए जाने वाले छोटे मापदंड पर मिश्रण को सेकंड के अन्दर प्राप्त किया जा सकता है।
 * ऊष्मा स्थानांतरण तीव्र होता है। अधिकतर, क्योंकि क्षेत्रफल और आयतन का अनुपात बड़ा है। परिणामस्वरूप, एंडोथर्मिक और एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाओं को सरलता से और निरंतर थर्मोस्टेट किया जा सकता है। तापमान प्रवणता तीव्र हो सकती है, जिससे प्रतिक्रिया समय पर कुशल नियंत्रण संभव हो सकता है।
 * सुरक्षा बढ़ा दी गई है:
 * प्रणाली के तापीय द्रव्यमान पर उपकरण का प्रभुत्व होता है जिससे तापीय वायु प्रवाह की संभावना कम हो जाती है।
 * छोटी प्रतिक्रिया मात्रा को भी सुरक्षा लाभ माना जाता है।
 * रिएक्टर स्थिर-अवस्था (रासायनिक इंजीनियरिंग) या स्थिर-अवस्था स्थितियों के अनुसार संचालित होता है।
 * प्रवाह प्रतिक्रियाओं को बैच प्रतिक्रियाओं की तुलना में बहुत कम प्रयास के साथ स्वचालित किया जा सकता है। यह अप्राप्य संचालन और प्रयोगात्मक योजना की अनुमति देता है। रिएक्टर के आउटपुट को संसूचक प्रणाली से जोड़कर, आगे बढ़ना और स्वचालित प्रणाली बनाना संभव है जो संभावित प्रतिक्रिया मापदंडों (भिन्न-भिन्न स्टोइकोमेट्री,निवास समय और तापमान) की श्रृंखला की क्रमिक रूप से जांच कर सकता है और इसलिए कम या कम के साथ प्रतिक्रिया मापदंडों का पता लगा सकता है।


 * बहुचरणीय संश्लेषण को निरंतर क्रम में व्यवस्थित किया जा सकता है। यह विशेष रूप से लाभप्रद हो सकता है यदि मध्यवर्ती यौगिक अस्थिर, विषाक्त, या वायु के प्रति संवेदनशील हों क्योंकि वे केवल क्षणिक और बहुत कम मात्रा में उपस्थित रहते है।
 * प्रवाहित धारा की स्थिति और प्रतिक्रिया समय बिंदु दूसरे से सीधे संबंधित हैं। इसका कारण यह है कि प्रणाली को इस प्रकार से व्यवस्थित करना संभव है कि आगे के अभिकर्मकों को वांछित स्पष्ट समय बिंदु पर प्रवाहित प्रतिक्रिया धारा में प्रस्तुत किया जा सकता है।
 * प्रवाह प्रणाली की व्यवस्था करना संभव है जिससे शुद्धिकरण प्रतिक्रिया के साथ जुड़ा होता है। तीन प्राथमिक तकनीकें हैं जिनका उपयोग किया जाता है:
 * ठोस चरण अपमार्जन
 * क्रोमैटोग्राफिक पृथक्करण
 * तरल/द्रव निष्कर्षण
 * जिन प्रतिक्रियाओं में विघटित गैसों वाले अभिकर्मक सम्मिलित होते हैं, उन्हें सरलता से नियंत्रित किया जाता है, जबकि बैच में दाबयुक्त बम रिएक्टर आवश्यक होता है।
 * बहु-चरण तरल प्रतिक्रियाएं (उदाहरण के लिए चरण-स्थानांतरण उत्प्रेरक) को विभिन्न मापदंड और स्थितियों में उच्च प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता के साथ, प्रत्यक्ष विधि से किया जा सकता है।
 * सिद्ध प्रतिक्रिया का स्तर बहुत कम या बिना किसी प्रक्रिया विकास कार्य के तेजी से प्राप्त किया जा सकता है, या तो रिएक्टर की मात्रा को परिवर्तित करके या विभिन्न रिएक्टरों को समानांतर में चलाकर, परंतु समाननिवास समय प्राप्त करने के लिए प्रवाह की पुनर्गणना की जानी चाहिए।

हानि
पश्कोवा और ग्रीनर द्वारा छोटे मापदंड पर निरंतर उत्पादन प्रक्रियाओं की स्थापना के दृष्टि से कमियों पर विचार किया गया है।
 * स्पष्ट निरंतर डोजिंग (जैसे पंप), कनेक्शन आदि के लिए समर्पित उपकरण की आवश्यकता होती है।
 * स्टार्ट-अप और शट-डाउन प्रक्रियाएं स्थापित करनी होंगी।
 * उच्च क्षेत्र से आयतन अनुपात जैसे सूक्ष्म प्रभावों का स्केल-अप संभव नहीं है और मापदंड की मितव्ययता प्रयुक्त नहीं हो सकती है। सामान्यतः, स्केल-अप समर्पित संयंत्र की ओर ले जाता है।
 * प्रतिक्रियाशील पदार्थ के संग्रहण के लिए सुरक्षा उद्देश्य अभी भी प्रयुक्त हैं।

सतत प्रवाह रिएक्टर
सतत रिएक्टर सामान्यतः ट्यूब जैसे होते हैं और स्टेनलेस स्टील, कांच और पॉलिमर जैसी गैर-प्रतिक्रियाशील पदार्थो से निर्मित होते हैं। मिश्रण विधियों में केवल प्रसार (यदि रिएक्टर का व्यास छोटा है जैसे <1 मिमी, जैसे माइक्रोरिएक्टर में) और स्थैतिक मिश्रण सम्मिलित हैं। सतत प्रवाह रिएक्टर उष्म हस्तांतरण, समय और मिश्रण सहित प्रतिक्रिया स्थितियों पर अच्छा नियंत्रण प्रदान करते हैं।

रिएक्टर में अभिकर्मकों कानिवास समय (अर्थात प्रतिक्रिया को गर्म या ठंडा करने का समय) की गणना रिएक्टर की मात्रा और इसके माध्यम से प्रवाह दर से की जाती है:


 * $$\text{Residence time} = \frac{\text{Reactor Volume}}{\text{Flow Rate}}$$

इसलिए, लंबे समय तकनिवास समय प्राप्त करने के लिए, अभिकर्मकों को अधिक धीरे-धीरे पंप किया जा सकता है और/या बड़ी मात्रा वाले रिएक्टर का उपयोग किया जा सकता है। उत्पादन दर नैनोलीटर से लेकर लीटर प्रति मिनट तक भिन्न हो सकती है।

प्रवाह रिएक्टरों के कुछ उदाहरण स्पिनिंग डिस्क रिएक्टर हैं; इस प्रकार स्पिनिंग ट्यूब रिएक्टर; बहु-सेल प्रवाह रिएक्टर; दोलन प्रवाह रिएक्टर; माइक्रोरिएक्टर; हेक्स रिएक्टर; और 'एस्पिरेटर रिएक्टर एक एस्पिरेटर रिएक्टर में पंप अभिकर्मक को प्रेरित करता है, जिसके कारण अभिकारक अंदर चला जाता है। इस प्रकार के रिएक्टर को 1941 के निकट नोबेल कंपनी द्वारा नाइट्रोग्लिसरीन के उत्पादन के लिए पेटेंट कराया गया था।

फ्लो रिएक्टर स्केल
माइक्रोफ्लो रिएक्टरों या माइक्रोरिएक्टरों का छोटा मापदंड उन्हें प्रक्रिया विकास प्रयोगों के लिए आदर्श बना सकता है यद्यपि टन मापदंड पर प्रवाह प्रक्रियाओं को संचालित करना संभव है, रासायनिक संश्लेषण दक्षता उत्तम उष्ण स्थानांतरण और बड़े मापदंड पर स्थानांतरण के साथ-साथ बड़े मापदंड पर परिवहन से लाभान्वित होती है।



प्रवाह में गैसों का उपयोग
प्रयोगशाला मापदंड के प्रवाह रिएक्टर गैसों का उपयोग करने के लिए आदर्श प्रणालियाँ हैं, विशेष रूप से वह जो जहरीली हैं या अन्य खतरों से जुड़ी हैं। जिन गैस प्रतिक्रियाओं को प्रवाह के लिए सबसे सफलतापूर्वक अनुकूलित किया गया है वह हाइड्रोजनीकरण और कार्बोनाइलीकरण हैं चूंकि अन्य गैसों का उपयोग करके भी कार्य किया गया है, जैसे ईथीलीन और ओजोन आदि।

खतरनाक गैस प्रबंधन के लिए प्रवाह प्रणालियों की उपयुक्तता के कारण हैं:
 * प्रणाली निश्चित बेड उत्प्रेरक के उपयोग की अनुमति देते हैं। कम समाधान सांद्रता के साथ संयुक्त, यह सभी यौगिकों को गैस की उपस्थिति में उत्प्रेरक में सोखने की अनुमति देता है
 * तुलनात्मक रूप से थोड़ी मात्रा में गैस प्रणाली द्वारा निरंतर समाप्त हो जाती है, जिससे विषाक्त और/या ज्वलनशील गैसों से सामना करने के लिए सामान्यतः आवश्यक विभिन्न विशेष सावधानियों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।
 * दाब जोड़ने का कारण है कि प्रतिक्रिया के समय गैस का कहीं अधिक अनुपात पारंपरिक रूप से समाधान में होता है।
 * ठोस, तरल और गैसीय चरणों का अत्यधिक उन्नत मिश्रण शोधकर्ता को समाधान से विस्थापित होने वाली गैस के बारे में चिंता किए बिना ऊंचे तापमान के गतिज लाभों का लाभ उठाने की अनुमति देता है।

प्रवाह रसायन विज्ञान के साथ संयोजन में प्रकाश रसायन
सतत प्रवाह फोटोकैमिस्ट्री बैच फोटोकैमिस्ट्री की तुलना में विभिन्न लाभ प्रदान करती है। इस प्रकार फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाएं उन फोटोन की संख्या से प्रेरित होती हैं जो वांछित प्रतिक्रिया उत्पन्न करने वाले अणुओं को सक्रिय करने में सक्षम होते हैं। माइक्रोरिएक्टर का बड़ा सतह क्षेत्र और आयतन अनुपात प्रकाश को अधिकतम करता है, और साथ ही कुशल शीतलन की अनुमति देता है, जिससे साइड उत्पाद कम हो जाता है।

प्रवाह रसायन विज्ञान के साथ संयोजन में विद्युतरसायन
निरंतर फोटोकैमिस्ट्री की प्रकार निरंतर प्रवाह विद्युतरसायन अनुरूप बैच स्थितियों पर विभिन्न लाभ प्रदान करती है। इस प्रकार फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाओं की प्रकार विद्युतरसायन को 'अभिकर्मक-रहित' प्रतिक्रियाएं माना जा सकता है। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया में प्रतिक्रिया इलेक्ट्रॉनों की संख्या से सुगम होती है जो वांछित प्रतिक्रिया उत्पन्न करने वाले अणुओं को सक्रिय करने में सक्षम होते हैं। निरंतर विद्युतरसायन उपकरण उत्तम नियंत्रण और चयनात्मकता को सक्षम करने के लिए प्रतिक्रिया मीडिया में स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या के उत्तम नियंत्रण की अनुमति देने के लिए उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोड के मध्य की दूरी को कम कर देता है। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रवाह-प्रणालियों में वर्तमान के विकास ने प्रजाति-केंद्रित स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ प्रतिक्रिया-उन्मुख इलेक्ट्रोकेमिकल प्रवाह प्रणालियों के संयोजन को सक्षम किया है जो विभिन्न इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण चरणों के साथ-साथ अस्थिर मध्यवर्ती से जुड़े प्रतिक्रियाओं के पूर्ण विश्लेषण की अनुमति देता है। यह प्रणालियाँ जिन्हें स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री प्रणाली कहा जाता है, पराबैंगनी-दृश्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपी या यूवी-विज़ के साथ-साथ इलेक्ट्रोकेमिलुमिनसेंस जैसे अधिक सम्मिश्र विधियों के उपयोग को सक्षम कर सकती हैं। इसके अतिरिक्त, विद्युतरसायन का उपयोग लचीलेपन की और डिग्री की अनुमति देता है क्योंकि उपयोगकर्ता के पास न केवल प्रवाह मापदंडों और इलेक्ट्रोकेमिकल माप की प्रकृति पर किन्तु इलेक्ट्रोड की ज्यामिति या प्रकृति (या इलेक्ट्रोड सरणी के स्थिति में इलेक्ट्रोड) पर भी नियंत्रण होता है।

प्रक्रिया विकास
प्रक्रिया विकास क्रमिक दृष्टिकोण से समानांतर दृष्टिकोण में परिवर्तित हो जाता है। बैच में केमिस्ट पहले कार्य करता है और उसके पश्चात केमिकल इंजीनियर कार्य करता है। इस प्रकार प्रवाह रसायन विज्ञान में यह समानांतर दृष्टिकोण में परिवर्तित हो जाता है, जहां रसायनज्ञ और रासायनिक इंजीनियर अंतःक्रियात्मक रूप से कार्य करते हैं। सामान्यतः लैब में प्लांट सेटअप होता है, जो दोनों के लिए उपकरण है। यह सेटअप वाणिज्यिक या गैर-व्यावसायिक हो सकता है। चिप प्रणाली का उपयोग करके विचार सत्यापन के लिए विकास का मापदंड छोटा (एमएल/घंटा) हो सकता है और फ्लो मिनीप्लांट तकनीक जैसे स्केलेबल प्रणाली के लिए कुछ लीटर प्रति घंटे की सीमा में हो सकता है। चिप प्रणाली का उपयोग मुख्य रूप से तरल-तरल अनुप्रयोग के लिए किया जाता है जबकि प्रवाह मिनीप्लांट प्रणाली ठोस या श्यान पदार्थ से समाप्त हो सकता है।

माइक्रोवेव रिएक्टरों का मापदंड
माइक्रोवेव रिएक्टरों का उपयोग अधिकांशतः छोटे मापदंड के बैच रसायन विज्ञान के लिए किया जाता है। चूंकि, माइक्रोवेव में तापमान और दाब की चरम सीमा के कारण इन प्रतिक्रियाओं को पश्चात के विकास के लिए पारंपरिक गैर-माइक्रोवेव उपकरण में स्थानांतरित करना अधिकांशतः कठिन होता है, जिससे स्केलिंग अध्ययन में कठिनाई होती है। उपयुक्त उच्च तापमान क्षमता और दाब नियंत्रण वाला प्रवाह रिएक्टर माइक्रोवेव रिएक्टर में निर्मित स्थितियों की सीधे और स्पष्ट नकल कर सकता है। यह प्रतिक्रिया समय बढ़ाकर बड़ी मात्रा के संश्लेषण को सरल बनाता है।

विनिर्माण मापदंड समाधान
प्रवाह प्रणालियों को टन प्रति घंटे के मापदंड पर बढ़ाया जा सकता है। प्लांट को नया स्वरूप (किसी वर्तमान संयंत्र के लिए बैच जारी रखे), यूनिट ऑपरेशन (केवल प्रतिक्रिया चरण का आदान-प्रदान) और मॉड्यूलर बहुउद्देश्यीय ( निरंतर संयंत्र को मॉड्यूलर इकाइयों में काटना) प्रवाह प्रक्रियाओं के लिए विशिष्ट प्राप्ति समाधान हैं।

प्रवाह के अन्य उपयोग
ठोस चरण रसायन विज्ञान जैसी अधिक परिष्कृत तकनीकों का उपयोग करके प्रयोगों को प्रवाह में चलाना संभव है। ठोस चरण अभिकर्मक, उत्प्रेरक या स्केवेंजर्स का उपयोग समाधान (रसायन विज्ञान) में किया जा सकता है और कांच के स्तंभों के माध्यम से पंप किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, ठोस चरण रसायन विज्ञान का उपयोग करके अल्कलॉइड प्राकृतिक उत्पाद ऑक्सोमेरिटिडाइन का संश्लेषण का उपयोग किया जाता है।

सतत प्रवाह प्रक्रिया के रूप में पोलीमराइजेशन में रुचि बढ़ रही है। उदाहरण के लिए, प्रतिवर्ती जोड़-विखंडन श्रृंखला स्थानांतरण पोलीमराइजेशन या प्रतिवर्ती जोड़-विखंडन श्रृंखला स्थानांतरण या राफ्ट पोलीमराइजेशन  नैनोकणों की नियंत्रित पीढ़ी के लिए सतत प्रवाह तकनीकों का भी उपयोग किया गया है। इस प्रकार माइक्रोरिएक्टरों का बहुत तेजी से मिश्रण और उत्कृष्ट तापमान नियंत्रण नैनोकणों के सुसंगत और संकीर्ण कण आकार वितरण देने में सक्षम हैं।

विघटित प्रवाह रसायन विज्ञान
जैसा कि ऊपर विचार किया गया है, इस प्रकार निरंतर प्रवाह प्रणालियों में प्रयोग चलाना कठिन है, अधिकांशतः जब कोई नई रासायनिक प्रतिक्रियाएं विकसित कर रहा होता है, जिसके लिए विभिन्न घटकों की स्क्रीनिंग, भिन्न-भिन्न स्टोइकोमेट्री, तापमान औरनिवास समय की आवश्यकता होती है। सतत प्रवाह में, प्रयोग क्रमिक रूप से किए जाते हैं, जिसका अर्थ है कि प्रयोगात्मक स्थिति का परीक्षण किया जा सकता है। इस प्रकार प्रायोगिक थ्रूपुट अत्यधिक परिवर्तनशील है और सामान्यतः स्थिर अवस्था (रसायन विज्ञान) प्राप्त करने के लिए पांच गुनानिवास समय की आवश्यकता होती है। तापमान भिन्नता के लिए रिएक्टर के तापीय द्रव्यमान के साथ-साथ तरल स्नान जैसे परिधीय उपकरणों पर विचार करने की आवश्यकता है। अधिकांशतः, विश्लेषण के समय पर विचार करने की आवश्यकता होती है।

विघटित प्रवाह दृष्टिकोण है जो उस गति में सुधार करता है जिसमें प्रवाह रसायन विज्ञान में स्क्रीनिंग, अनुकूलन और लाइब्रेरी का संचालन किया जा सकता है। विघटित प्रवाह प्लग फ्लो रिएक्टर मॉडल दृष्टिकोण का उपयोग करता है जहां विशिष्ट वॉल्यूमेट्रिक प्रयोगात्मक मिश्रण बनाए जाते हैं और फिर उच्च दाब प्रवाह रिएक्टर में इंजेक्ट किया जाता है। विघटित के अग्रणी और पीछे के सिरों पर अमिश्रणीय विलायक का उपयोग करके विघटित के प्रसार (प्रतिक्रिया मिश्रण) को कम किया जाता है।

विघटित प्रवाह रसायन विज्ञान के प्राथमिक लाभों में से प्रयोगों को क्रमिक/समानांतर विधि से चलाने की क्षमता है जहां समाननिवास समय और तापमान साझा करने वाले प्रयोगों को निरंतर बनाया और इंजेक्ट किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, प्रत्येक प्रयोग का आयतन फ्लो ट्यूब के आयतन से स्वतंत्र होता है जिससे प्रति प्रयोग महत्वपूर्ण मात्रा में अभिकारक की बचत होती है। इस प्रकार प्रतिक्रिया स्क्रीनिंग और लाइब्रेरी का प्रदर्शन करते समय, विघटित संरचना सामान्यतः पदार्थ की संरचना से भिन्न होती है। प्रतिक्रिया अनुकूलन करते समय, विघटित स्टोइकोमेट्री द्वारा भिन्न होते हैं।

विघटित प्रवाह का उपयोग ऑनलाइन एलसीएमएस के साथ भी किया जाता है, विश्लेषणात्मक और प्रारंभिक दोनों जहां यूवी का उपयोग करके रिएक्टर से बाहर निकलने पर विघटनों का पता लगाया जाता है और इसके पश्चात में विश्लेषणात्मक एलसीएमएस के लिए पतला किया जाता है या सीधे प्रारंभिक एलसीएमएस के लिए इंजेक्ट किया जाता है।

यह भी देखें

 * रासायनिक प्रतिक्रिया
 * माइक्रोफ्लुइडिक्स
 * माइक्रोरिएक्टर
 * कार्बनिक रसायन विज्ञान
 * प्लग प्रवाह रिएक्टर

बाहरी संबंध

 * ReelReactor Continuous Chemical and Biological Reactor
 * Continuous flow multi-step organic synthesis - a Chemical Science Mini Review by Damien Webb and Timothy F. Jamison discussing the current state of the art and highlighting recent progress and current challenges facing the emerging area of continuous flow techniques for multi-step synthesis. Published by the Royal Society of Chemistry
 * Continuous flow reactors: a perspective Review by Paul Watts and Charlotte Wiles. Published by the Royal Society of Chemistry
 * Flow Chemistry: Continuous Synthesis and Purification of Pharmaceuticals and Fine Chemicals Short Course offered at MIT by Professors Timothy Jamison and Klavs Jensen]