प्रवाह रसायन शास्त्र

प्रवाह रसायन विज्ञान में, जिसे रिएक्टर इंजीनियरिंग भी कहा जाता है, एक रासायनिक प्रतिक्रिया बैच [[उत्पादन]] के बजाय लगातार बहने वाली धारा में चलती है। दूसरे शब्दों में, पंप तरल पदार्थ को एक रिएक्टर में ले जाते हैं, और जहां ट्यूब एक दूसरे से जुड़ते हैं, तरल पदार्थ एक दूसरे से संपर्क करते हैं। यदि ये तरल पदार्थ प्रतिक्रियाशील होते हैं, तो प्रतिक्रिया होती है। फ्लो केमिस्ट्री किसी दी गई सामग्री की बड़ी मात्रा में निर्माण करते समय बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित तकनीक है। हालाँकि, यह शब्द हाल ही में रसायनज्ञों द्वारा प्रयोगशाला पैमाने पर इसके अनुप्रयोग के लिए गढ़ा गया है और छोटे पायलट पौधों और प्रयोगशाला-पैमाने पर निरंतर पौधों का वर्णन करता है। अक्सर, माइक्रोरिएक्टर का उपयोग किया जाता है।

बैच बनाम फ़्लो में पैरामीटर परिभाषाओं की तुलना करना

 * रिएक्शन स्तुईचिओमेटरी: बैच उत्पादन में इसे रासायनिक अभिकर्मकों की सांद्रता और उनके बड़ा  अनुपात द्वारा परिभाषित किया जाता है। प्रवाह में इसे अभिकर्मकों की सांद्रता और उनकी प्रवाह दर के अनुपात से परिभाषित किया जाता है।
 * निवास समय: बैच उत्पादन में यह इस बात से निर्धारित होता है कि किसी बर्तन को किसी दिए गए तापमान पर कितने समय तक रखा जाता है। प्रवाह में वॉल्यूमेट्रिक निवास समय वितरण रिएक्टर की मात्रा और समग्र प्रवाह दर के अनुपात द्वारा दिया जाता है, क्योंकि अक्सर, प्लग प्रवाह रिएक्टरों का उपयोग किया जाता है।

प्रवाहित प्रतिक्रियाएँ
माइक्रोरिएक्टर या अन्य मिक्सिंग डिवाइस में फ्लो केमिस्ट्री का उपयोग करके रासायनिक प्रतिक्रिया चलाने का चयन करना कई तरह के फायदे और नुकसान 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 आमतौर पर छोटा होता है। आमतौर पर, गैर-संपीड़ित तरल पदार्थों का उपयोग बिना गैस की मात्रा के किया जाता है ताकि दबाव के कार्य के रूप में विस्तार कारक छोटा हो।
 * प्रवाह रसायन विज्ञान में उपयोग किए जाने वाले छोटे पैमाने पर मिश्रण को सेकंड के भीतर 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 आसानी से और लगातार 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:
 * सिस्टम के थर्मल द्रव्यमान पर उपकरण का प्रभुत्व होता है जिससे थर्मल रनवे की संभावना कम हो जाती है।
 * छोटी प्रतिक्रिया मात्रा को भी सुरक्षा लाभ माना जाता है। ** रिएक्टर स्थिर-अवस्था (रासायनिक इंजीनियरिंग)|स्थिर-अवस्था स्थितियों के तहत 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 एक डिटेक्टर सिस्टम से जोड़कर, आगे बढ़ना और एक स्वचालित सिस्टम बनाना संभव है जो संभावित प्रतिक्रिया मापदंडों (अलग-अलग स्टोइकोमेट्री, निवास समय और तापमान) की एक श्रृंखला की क्रमिक रूप से जांच कर सकता है और इसलिए कम या कम के साथ प्रतिक्रिया मापदंडों का पता लगा सकता है। कोई हस्तक्षेप नहीं.


 * मल्टीस्टेप संश्लेषण को निरंतर क्रम में व्यवस्थित किया जा सकता है। यह विशेष रूप से फायदेमंद हो सकता है यदि मध्यवर्ती यौगिक अस्थिर, विषाक्त, या हवा के प्रति संवेदनशील हों क्योंकि वे केवल क्षणिक और बहुत कम मात्रा में मौजूद रहेंगे।
 * बहती धारा की स्थिति और प्रतिक्रिया समय बिंदु एक दूसरे से सीधे संबंधित हैं। इसका मतलब यह है कि सिस्टम को इस तरह से व्यवस्थित करना संभव है कि आगे के अभिकर्मकों को वांछित सटीक समय बिंदु पर बहती प्रतिक्रिया धारा में पेश किया जा सके।
 * एक प्रवाह प्रणाली की व्यवस्था करना संभव है ताकि शुद्धिकरण प्रतिक्रिया के साथ जुड़ा हो। तीन प्राथमिक तकनीकें हैं जिनका उपयोग किया जाता है:
 * ठोस चरण सफाई ** क्रोमैटोग्राफ़िक पृथक्करण
 * तरल/तरल निष्कर्षण
 * जिन प्रतिक्रियाओं में विघटित गैसों वाले अभिकर्मक शामिल होते हैं, उन्हें आसानी से नियंत्रित किया जाता है, जबकि बैच में एक दबावयुक्त बम रिएक्टर आवश्यक होगा।
 * बहु-चरण तरल प्रतिक्रियाएं (उदाहरण के लिए चरण-स्थानांतरण उत्प्रेरक) को कई पैमाने और स्थितियों में उच्च प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता के साथ, सीधे तरीके से किया जा सकता है।
 * एक 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 बदलकर या कई रिएक्टरों को समानांतर में चलाकर, बशर्ते कि समान निवास समय प्राप्त करने के लिए प्रवाह की पुनर्गणना की जाए।

नुकसान
पश्कोवा और ग्रीनर द्वारा छोटे पैमाने पर निरंतर उत्पादन प्रक्रियाओं की स्थापना के मद्देनजर कमियों पर चर्चा की गई है।
 * सटीक निरंतर खुराक (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 पैमाने की मितव्ययता लागू नहीं हो सकती है। आमतौर पर, स्केल-अप एक समर्पित संयंत्र की ओर ले जाता है।
 * प्रतिक्रियाशील सामग्री के भंडारण के लिए सुरक्षा मुद्दे अभी भी लागू हैं।

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

रिएक्टर में अभिकर्मकों का निवास 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 तक निवास 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; कताई ट्यूब रिएक्टर; बहु-सेल प्रवाह रिएक्टर; दोलन प्रवाह रिएक्टर; माइक्रोरिएक्टर; हेक्स रिएक्टर; और 'एस्पिरेटर रिएक्टर'। एक एस्पिरेटर रिएक्टर में एक पंप एक अभिकर्मक को प्रेरित करता है, जिसके कारण अभिकारक अंदर चला जाता है। इस प्रकार के रिएक्टर को 1941 के आसपास नोबेल कंपनी द्वारा नाइट्रोग्लिसरीन के उत्पादन के लिए पेटेंट कराया गया था।

प्रवाह रिएक्टर स्केल
माइक्रोफ़्लो रिएक्टरों या माइक्रोरिएक्टरों का छोटा पैमाना उन्हें प्रक्रिया विकास प्रयोगों के लिए दूरी बदलना सकता है। यद्यपि टन पैमाने पर प्रवाह प्रक्रियाओं को संचालित करना संभव है, रासायनिक संश्लेषण दक्षता बेहतर उष्ण स्थानांतरण  और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के साथ-साथ बड़े पैमाने पर परिवहन से लाभान्वित होती है।



प्रवाह में गैसों का उपयोग
प्रयोगशाला पैमाने के प्रवाह रिएक्टर गैसों का उपयोग करने के लिए आदर्श प्रणालियाँ हैं, विशेष रूप से वे जो जहरीली हैं या अन्य खतरों से जुड़ी हैं। जिन गैस प्रतिक्रियाओं को प्रवाह के लिए सबसे सफलतापूर्वक अनुकूलित किया गया है वे हैं हाइड्रोजनीकरण और कार्बोनाइलीकरण, हालाँकि अन्य गैसों का उपयोग करके भी काम किया गया है, जैसे ईथीलीन और ओजोन। खतरनाक गैस प्रबंधन के लिए प्रवाह प्रणालियों की उपयुक्तता के कारण हैं:
 * सिस्टम एक निश्चित बिस्तर 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 सिस्टम द्वारा लगातार समाप्त हो जाती है, जिससे विषाक्त और/या ज्वलनशील गैसों से निपटने के लिए आमतौर पर आवश्यक कई विशेष सावधानियों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।
 * दबाव जोड़ने का मतलब है कि प्रतिक्रिया के दौरान गैस का कहीं अधिक अनुपात पारंपरिक रूप से समाधान में होगा
 * 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 फायदा उठाने की अनुमति देता है।

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

प्रवाह रसायन शास्त्र के साथ संयोजन में इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री
निरंतर फोटोकैमिस्ट्री की तरह निरंतर प्रवाह इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री अनुरूप बैच स्थितियों पर कई फायदे प्रदान करती है। फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाओं की तरह इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को 'अभिकर्मक-रहित' प्रतिक्रियाएं माना जा सकता है। एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया में प्रतिक्रिया इलेक्ट्रॉनों की संख्या से सुगम होती है जो वांछित प्रतिक्रिया पैदा करने वाले अणुओं को सक्रिय करने में सक्षम होते हैं। निरंतर इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री उपकरण बेहतर नियंत्रण और चयनात्मकता को सक्षम करने के लिए प्रतिक्रिया मीडिया में स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बेहतर नियंत्रण की अनुमति देने के लिए उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी को कम कर देता है। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रवाह-प्रणालियों में हाल के विकास ने प्रजाति-केंद्रित स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ प्रतिक्रिया-उन्मुख इलेक्ट्रोकेमिकल प्रवाह प्रणालियों के संयोजन को सक्षम किया है जो कई इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण चरणों के साथ-साथ अस्थिर मध्यवर्ती से जुड़े प्रतिक्रियाओं के पूर्ण विश्लेषण की अनुमति देता है। ये प्रणालियाँ जिन्हें स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री सिस्टम कहा जाता है, पराबैंगनी-दृश्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपी|यूवी-विज़ के साथ-साथ इलेक्ट्रोकेमिलुमिनसेंस जैसे अधिक जटिल तरीकों के उपयोग को सक्षम कर सकती हैं। इसके अलावा, इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री का उपयोग लचीलेपन की एक और डिग्री की अनुमति देता है क्योंकि उपयोगकर्ता के पास न केवल प्रवाह मापदंडों और इलेक्ट्रोकेमिकल माप की प्रकृति पर बल्कि इलेक्ट्रोड की ज्यामिति या प्रकृति (या इलेक्ट्रोड सरणी के मामले में इलेक्ट्रोड) पर भी नियंत्रण होता है।

प्रक्रिया विकास
प्रक्रिया विकास क्रमिक दृष्टिकोण से समानांतर दृष्टिकोण में बदल जाता है। बैच में केमिस्ट पहले काम करता है और उसके बाद केमिकल इंजीनियर। प्रवाह रसायन विज्ञान में यह एक समानांतर दृष्टिकोण में बदल जाता है, जहां रसायनज्ञ और रासायनिक इंजीनियर अंतःक्रियात्मक रूप से काम करते हैं। आमतौर पर लैब में एक प्लांट सेटअप होता है, जो दोनों के लिए एक उपकरण है। यह सेटअप वाणिज्यिक या गैर-व्यावसायिक हो सकता है। चिप प्रणाली  का उपयोग करके विचार सत्यापन के लिए विकास का पैमाना छोटा (एमएल/घंटा) हो सकता है और  प्रवाह मिनीप्लांट  तकनीक जैसे स्केलेबल सिस्टम के लिए कुछ लीटर प्रति घंटे की सीमा में हो सकता है। चिप सिस्टम का उपयोग मुख्य रूप से तरल-तरल अनुप्रयोग के लिए किया जाता है जबकि फ्लो मिनीप्लांट सिस्टम ठोस या चिपचिपी सामग्री से निपट सकता है।

माइक्रोवेव प्रतिक्रियाओं का पैमाना
माइक्रोवेव रिएक्टरों का उपयोग अक्सर छोटे पैमाने के बैच रसायन विज्ञान के लिए किया जाता है। हालाँकि, माइक्रोवेव में तापमान और दबाव की चरम सीमा के कारण इन प्रतिक्रियाओं को बाद के विकास के लिए पारंपरिक गैर-माइक्रोवेव उपकरण में स्थानांतरित करना अक्सर मुश्किल होता है, जिससे स्केलिंग अध्ययन में कठिनाई होती है। उपयुक्त उच्च तापमान क्षमता और दबाव नियंत्रण वाला एक प्रवाह रिएक्टर माइक्रोवेव रिएक्टर में निर्मित स्थितियों की सीधे और सटीक नकल कर सकता है। यह प्रतिक्रिया समय बढ़ाकर बड़ी मात्रा के संश्लेषण को आसान बनाता है।

विनिर्माण पैमाने समाधान
प्रवाह प्रणालियों को टन प्रति घंटे के पैमाने पर बढ़ाया जा सकता है। प्लांट को नया स्वरूप (बैच से जारी) किसी मौजूदा संयंत्र के लिए), यूनिट ऑपरेशन (केवल एक प्रतिक्रिया चरण का आदान-प्रदान) और मॉड्यूलर बहुउद्देश्यीय (एक 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 अभिकर्मकों, 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। सतत प्रवाह प्रक्रिया के रूप में पोलीमराइजेशन में रुचि बढ़ रही है। उदाहरण के लिए, प्रतिवर्ती जोड़-विखंडन श्रृंखला स्थानांतरण पोलीमराइजेशन|प्रतिवर्ती जोड़-विखंडन श्रृंखला स्थानांतरण या RAFT पोलीमराइजेशन। नैनोकणों की नियंत्रित पीढ़ी के लिए सतत प्रवाह तकनीकों का भी उपयोग किया गया है। माइक्रोरिएक्टरों का बहुत तेजी से मिश्रण और उत्कृष्ट तापमान नियंत्रण नैनोकणों के सुसंगत और संकीर्ण कण आकार वितरण देने में सक्षम हैं।

खंडित प्रवाह रसायन शास्त्र
जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है, निरंतर प्रवाह प्रणालियों में प्रयोग चलाना मुश्किल है, खासकर जब कोई नई रासायनिक प्रतिक्रियाएं विकसित कर रहा हो, जिसके लिए कई घटकों की स्क्रीनिंग, अलग-अलग स्टोइकोमेट्री, तापमान और निवास समय की आवश्यकता होती है। सतत प्रवाह में, प्रयोग क्रमिक रूप से किए जाते हैं, जिसका अर्थ है कि एक प्रयोगात्मक स्थिति का परीक्षण किया जा सकता है। प्रायोगिक थ्रूपुट अत्यधिक परिवर्तनशील है और आमतौर पर स्थिर अवस्था (रसायन विज्ञान) प्राप्त करने के लिए पांच गुना निवास 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। अक्सर, विश्लेषण के समय पर विचार करने की आवश्यकता होती है।

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

खंडित प्रवाह रसायन विज्ञान के प्राथमिक लाभों में से एक प्रयोगों को क्रमिक/समानांतर तरीके से चलाने की क्षमता है जहां समान निवास समय और तापमान साझा करने वाले प्रयोगों को बार-बार बनाया और इंजेक्ट किया जा सकता है। इसके अलावा, प्रत्येक प्रयोग का आयतन प्रवाह ट्यूब के आयतन से स्वतंत्र होता है जिससे प्रति प्रयोग महत्वपूर्ण मात्रा में अभिकारक की बचत होती है। प्रतिक्रिया स्क्रीनिंग और पुस्तकालयों का प्रदर्शन करते समय, खंड संरचना आम तौर पर पदार्थ की संरचना से भिन्न होती है। प्रतिक्रिया अनुकूलन करते समय, खंड स्टोइकोमेट्री द्वारा भिन्न होते हैं।

खंडित 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 खंडों का पता लगाया जाता है और बाद में विश्लेषणात्मक एलसीएमएस के लिए पतला किया जाता है या सीधे प्रारंभिक एलसीएमएस के लिए इंजेक्ट किया जाता है।

यह भी देखें

 * रासायनिक प्रतिक्रिया
 * microfluidics
 * माइक्रोरिएक्टर
 * कार्बनिक रसायन विज्ञान
 * प्लग फ्लो 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]