रासायनिक रिएक्टर

रासायनिक रिएक्टर एक बंद आयतन होता है जिसमें रासायनिक अभिक्रिया होती है।   रासायनिक अभियांत्रिकी में, इसे सामान्यतः रासायनिक प्रतिक्रिया करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया पोत के रूप में समझा जाता है, जो रासायनिक प्रक्रिया विश्लेषण में क्लासिक इकाई संचालन में से एक है। रासायनिक रिएक्टर का डिजाइन रासायनिक अभियांत्रिकी के कई पहलुओं से संबंधित है। केमिकल अभियंता दी गई प्रतिक्रिया के शुद्ध वर्तमान मूल्य को अधिकतम करने के लिए रिएक्टर डिजाइन करते हैं। डिजाइनर यह सुनिश्चित करते हैं कि वांछित आउटपुट उत्पाद की ओर उच्चतम दक्षता के साथ प्रतिक्रिया आगे बढ़ती है, उत्पाद की उच्चतम उपज का उत्पादन करते समय कम से कम धन की खरीद और संचालन की आवश्यकता होती है। सामान्य परिचालन खर्चों में ऊर्जा इनपुट, ऊर्जा हटाने, कच्चे माल की लागत, श्रम आदि सम्मिलित हैं। ऊर्जा परिवर्तन हीटिंग या कूलिंग, दबाव बढ़ाने के लिए पंपिंग, घर्षण दबाव घटाने या आंदोलन के रूप में आ सकता है।

रासायनिक अभिक्रिया अभियांत्रिकी रासायनिक अभियांत्रिकी की वह शाखा है जो केमिकल रिएक्टर और उनके डिजाइन से संबंधित है, विशेष रूप से औद्योगिक प्रणालियों में रासायनिक बलगतिकी के अनुप्रयोग द्वारा।

सिंहावलोकन
रासायनिक रिएक्टरों के सबसे सामान्य प्रकार हैं टैंक (जहाँ अभिकारक पूरे आयतन में मिश्रित होते हैं) और पाइप या ट्यूब (लैमिनार प्रवाह रिएक्टरों और प्लग प्रवाह रिएक्टरों के लिए)

दोनों प्रकारों को निरंतर रिएक्टर या बैच रिएक्टर के रूप में उपयोग किया जा सकता है, और या तो एक या एक से अधिक ठोस (अभिकर्मक, उत्प्रेरक, या निष्क्रिय सामग्री) को समायोजित कर सकते हैं, लेकिन अभिकर्मक और उत्पाद सामान्यतः तरल पदार्थ (तरल या गैस) होते हैं। सतत प्रक्रियाओं में रिएक्टर सामान्यतः स्थिर-अवस्था में चलते हैं, जबकि बैच प्रक्रियाओं में रिएक्टर आवश्यक रूप से क्षणिक अवस्था में संचालित होते हैं। जब किसी रिएक्टर को पहली बार या शटडाउन के बाद संचालन में लाया जाता है, तो यह एक क्षणिक अवस्था में होता है, और समय के साथ प्रमुख प्रक्रिया चर बदलते हैं।

विभिन्न रासायनिक रिएक्टरों के सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रिया चर का अनुमान लगाने के लिए तीन आदर्श मॉडल का उपयोग किया जाता है:


 * बैच रिएक्टर माडल
 * निरंतर हलचल-टैंक रिएक्टर| मॉडल (सीएसटी), और
 * प्लग फ्लो रिएक्टर मॉडल (पीएफआर)।

कई वास्तविक-विश्व रिएक्टरों को इन मूल प्रकारों के संयोजन के रूप में तैयार किया जा सकता है।

प्रमुख प्रक्रिया चरों में सम्मिलित हैं:


 * निवास समय (τ, लोअर केस ग्रीक ताऊ)
 * वॉल्यूम (V)
 * तापमान (Y)
 * दबाव (P)
 * रासायनिक प्रजातियों की सांद्रता (C1, C2, C3, ... Cn)
 * ऊर्जा हस्तांतरण गुणांक (h, यu)

ट्यूबलर रिएक्टर प्रायः पैक्ड बेड हो सकता है। इस मामले में, ट्यूब या चैनल में कण या छर्रों होते हैं, जो सामान्यतः ठोस उत्प्रेरक होते हैं। तरल या गैस चरण में अभिकारकों को उत्प्रेरक बिस्तर के माध्यम से पंप किया जाता है। रासायनिक रिएक्टर एक द्रवीकृत तल भी हो सकता है; द्रवीकृत बेड रिएक्टर देखें।

रिएक्टर में होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएँ एक्ज़ोथिर्मिक हो सकती हैं, जिसका अर्थ है गर्मी छोड़ना, या एंडोथर्मिक, जिसका अर्थ है अवशोषित गर्मी। एक टैंक रिएक्टर में कूलिंग या हीटिंग जैकेट या कूलिंग या हीटिंग कॉइल (ट्यूब) हो सकते हैं सामग्री को ठंडा करने या गर्म करने के लिए इसकी पोत की दीवार के बाहर लपेटा जाता है, जबकि ट्यूबलर रिएक्टरों को उष्मा विनिमायक की तरह डिज़ाइन किया जा सकता है यदि प्रतिक्रिया जोरदार एक्सोथर्मिक है, या भट्टियों की तरह अगर प्रतिक्रिया दृढ़ता से एंडोथर्मिक है।

बैच रिएक्टर
रिएक्टर का सबसे सरल प्रकार बैच रिएक्टर है। सामग्री को एक बैच रिएक्टर में लोड किया जाता है, और समय के साथ प्रतिक्रिया आगे बढ़ती है। बैच रिएक्टर स्थिर अवस्था में नहीं पहुंचता है, और तापमान, दबाव और आयतन का नियंत्रण प्रायः आवश्यक होता है। कई बैच रिएक्टरों में सेंसर और सामग्री इनपुट और आउटपुट के लिए पोर्ट होते हैं। बैच रिएक्टरों का उपयोग सामान्यतः छोटे पैमाने पर उत्पादन और जैविक सामग्रियों के साथ प्रतिक्रियाओं में किया जाता है, जैसे शराब बनाने, लुगदी बनाने और एंजाइमों के उत्पादन में। बैच रिएक्टर का एक उदाहरण एक दबाव रिएक्टर है।

सीएसटीआर (निरंतर हलचल-टैंक वर्गीकरण)
सीएसटीआर में, एक या एक से अधिक द्रव अभिकर्मकों को टैंक रिएक्टर में प्रस्तुत किया जाता है, जो सामान्यतः एक प्ररित करनेवाला के साथ उभारा जाता है ताकि अभिकर्मकों के उचित मिश्रण को सुनिश्चित किया जा सके, जबकि रिएक्टर का प्रवाह हटा दिया जाता है। टैंक के आयतन को टैंक के माध्यम से औसत आयतन प्रवाह दर से विभाजित करने पर स्पेस टाइम, या तरल पदार्थ के एक रिएक्टर वॉल्यूम को संसाधित करने के लिए आवश्यक समय मिलता है। रासायनिक कैनेटीक्स का उपयोग करते हुए, प्रतिक्रिया की अपेक्षित प्रतिशत पूर्णता की गणना की जा सकती है। सीएसटीआर के कुछ महत्वपूर्ण स्वरूप:
 * स्थिर-अवस्था में, द्रव्यमान प्रवाह दर बाहर द्रव्यमान प्रवाह दर के बराबर होनी चाहिए, अन्यथा टैंक अतिप्रवाहित हो जाएगा या खाली हो जाएगा (क्षणिक अवस्था)। जबकि रिएक्टर एक क्षणिक स्थिति में है, मॉडल समीकरण अंतर द्रव्यमान और ऊर्जा संतुलन से प्राप्त किया जाना चाहिए।
 * प्रतिक्रिया अंतिम (आउटपुट) सांद्रता से जुड़ी प्रतिक्रिया दर पर आगे बढ़ती है क्योंकि पूरे रिएक्टर में सांद्रता को समरूप माना जाता है।
 * प्रायः, कई सीएसटीआर को श्रृंखला में संचालित करना आर्थिक रूप से उपयोगी होता है। यह अनुमति देता है, उदाहरण के लिए, पहला सीएसटीआर उच्च अभिकर्मक सांद्रता पर काम करता है और इसलिए उच्च प्रतिक्रिया दर। इन मामलों में, प्रक्रिया को लागू करने के लिए आवश्यक कुल पूंजी निवेश को कम करने के लिए रिएक्टरों के आकार में बदलाव किया जा सकता है।
 * यह प्रदर्शित किया जा सकता है कि श्रृंखला में परिचालित अनंत रूप से छोटे सीएसटीआर की एक अनंत संख्या एक पीएफआर के बराबर होगी।

सीएसटीआर का व्यवहार प्रायः सतत आदर्श रूप से स्टिरर्ड-टैंक रिएक्टर (सीएसटीआर) द्वारा अनुमानित या प्रतिरूपित किया जाता है। सीएसटीआर के साथ किए गए सभी परिकलन पूर्ण मिश्रण मानते हैं। यदि निवास समय मिश्रण समय का 5-10 गुना है, तो यह अनुमान अभियांत्रिकी उद्देश्यों के लिए मान्य माना जाता है। सीएसटीआर मॉडल का उपयोग प्रायः अभियांत्रिकी गणनाओं को आसान बनाने के लिए किया जाता है और अनुसंधान रिएक्टरों का वर्णन करने के लिए इसका उपयोग किया जा सकता है। व्यवहार में, इसका केवल संपर्क किया जा सकता है, विशेष रूप से औद्योगिक आकार के रिएक्टरों में जिसमें मिश्रण का समय बहुत बड़ा हो सकता है।

लूप रिएक्टर एक संकर प्रकार का उत्प्रेरक रिएक्टर है जो भौतिक रूप से एक ट्यूबलर रिएक्टर जैसा दिखता है, लेकिन सीएसटीआर की तरह काम करता है। प्रतिक्रिया मिश्रण ट्यूब के एक लूप में परिचालित होता है, जो ठंडा या गर्म करने के लिए एक जैकेट से घिरा होता है, और इसमें और उत्पाद के बाहर प्रारम्भ होने वाली सामग्री का एक निरंतर प्रवाह होता है।

पीएफआर (प्लग फ्लो रिएक्टर)


पीएफआर में, जिसे कभी-कभी निरंतर ट्यूबलर रिएक्टर (सीटीआर) कहा जाता है, एक या अधिक द्रव अभिकर्मकों को एक पाइप या ट्यूब के माध्यम से पंप किया जाता है। रासायनिक प्रतिक्रिया आगे बढ़ती है क्योंकि अभिकर्मक पीएफआर के माध्यम से यात्रा करते हैं। इस प्रकार के रिएक्टर में, बदलती प्रतिक्रिया दर तय की गई दूरी के संबंध में एक ढाल बनाती है; पीएफआर के इनलेट पर दर बहुत अधिक है, लेकिन जैसे-जैसे अभिकर्मकों की सांद्रता घटती जाती है और उत्पाद की सांद्रता बढ़ती जाती है, प्रतिक्रिया दर धीमी होती जाती है। पीएफआर के कुछ महत्वपूर्ण स्वरूप:
 * आदर्शीकृत पीएफआर मॉडल कोई अक्षीय मिश्रण नहीं मानता है: रिएक्टर के माध्यम से यात्रा करने वाले तरल पदार्थ का कोई भी तत्व "प्लग फ्लो" शब्द द्वारा निहित तरल पदार्थ के ऊपर या नीचे की ओर से मिश्रण नहीं करता है।
 * रिएक्टर में इनलेट के अलावा अन्य स्थानों पर पीएफआर में अभिकर्मकों को प्रस्तुत किया जा सकता है। इस तरह, एक उच्च दक्षता प्राप्त की जा सकती है, या पीएफआर के आकार और लागत को कम किया जा सकता है।
 * एक समान आयतन के सीएसटीआर की तुलना में पीएफआर की सैद्धांतिक दक्षता अधिक होती है। यही है, ही स्पेस-टाइम (या निवास समय) दिया गया है, एक प्रतिक्रिया सीएसटी की तुलना में पीएफआर में उच्च प्रतिशत पूर्णता के लिए आगे बढ़ेगी। यह हमेशा उत्क्रमणीय प्रतिक्रियाओं के लिए सत्य नहीं होता है।

औद्योगिक अभिरूचि की अधिकांश रासायनिक अभिक्रियाओं के लिए, अभिक्रिया के लिए 100% पूर्ण होना असंभव है। प्रतिक्रिया की दर कम हो जाती है क्योंकि अभिकारकों का उपभोग उस बिंदु तक किया जाता है जहां प्रणाली गतिशील संतुलन तक पहुंच जाती है (कोई शुद्ध प्रतिक्रिया नहीं होती है, या रासायनिक प्रजातियों में परिवर्तन होता है)। अधिकांश प्रणालियों के लिए संतुलन बिंदु 100% पूर्ण से कम है। इस कारण से, एक पृथक्करण प्रक्रिया, जैसे आसवन, वांछित उत्पाद से किसी भी शेष अभिकर्मकों या उप-उत्पादों को अलग करने के लिए प्रायः रासायनिक रिएक्टर का पालन करती है। प्रक्रिया की प्रारम्भ में कभी-कभी इन अभिकर्मकों का पुन: उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि हैबर प्रक्रिया में। कुछ मामलों में, संतुलन के दृष्टिकोण के लिए बहुत बड़े रिएक्टर आवश्यक होंगे, और रासायनिक अभियंता आंशिक रूप से प्रतिक्रिया वाले मिश्रण को अलग करने और बचे हुए अभिकारकों को रीसायकल करने का विकल्प चुन सकते हैं।

लामिनार प्रवाह की स्थिति के तहत, प्लग प्रवाह की धारणा अत्यधिक गलत है, क्योंकि ट्यूब के केंद्र के माध्यम से यात्रा करने वाला तरल पदार्थ दीवार पर तरल पदार्थ की तुलना में बहुत तेज गति से चलता है। निरंतर ऑसिलेटरी बफ़ल्ड रिएक्टर (सीओबीआर) द्रव दोलन और ऑरिफ़िस बफ़ल्स के संयोजन द्वारा पूरी तरह से मिश्रण प्राप्त करता है, जिससे प्लग प्रवाह को लामिना के प्रवाह की स्थिति में अनुमानित किया जा सकता है।

सेमीबैच रिएक्टर
सेमीबैच रिएक्टर निरंतर और बैच इनपुट और आउटपुट दोनों से संचालित होता है। किण्वक, उदाहरण के लिए, मध्यम और सूक्ष्म जीवों के एक बैच से भरा होता है जो लगातार कार्बन डाइऑक्साइड पैदा करता है जिसे लगातार हटाया जाना चाहिए। इसी तरह, तरल के साथ गैस की प्रतिक्रिया करना सामान्यतः मुश्किल होता है, क्योंकि तरल के समान द्रव्यमान के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए गैस की एक बड़ी मात्रा की आवश्यकता होती है। इस समस्या को दूर करने के लिए, तरल के एक बैच के माध्यम से गैस की निरंतर फ़ीड को बुलबुला बनाया जा सकता है। सामान्य तौर पर, सेमीबैच ऑपरेशन में, रासायनिक अभिकारक को रिएक्टर में लोड किया जाता है और दूसरा रसायन धीरे-धीरे जोड़ा जाता है (उदाहरण के लिए, पार्श्व प्रतिक्रियाओं को रोकने के लिए) या एक उत्पाद जो चरण परिवर्तन से उत्पन्न होता है, लगातार हटा दिया जाता है, उदाहरण के लिए प्रतिक्रिया द्वारा बनाई गई गैस, ठोस जो अवक्षेपित होता है, या हाइड्रोफोबिक उत्पाद जो जलीय घोल में बनता है।

उत्प्रेरक रिएक्टर
हालांकि उत्प्रेरक रिएक्टरों को प्रायः प्लग-फ्लो रिएक्टरों के रूप में कार्यान्वित किया जाता है, उनके विश्लेषण के लिए अधिक जटिल उपचार की आवश्यकता होती है। उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की दर अभिकर्मकों के संपर्क में उत्प्रेरक की मात्रा के साथ-साथ अभिकारकों की एकाग्रता के समानुपाती होती है। ठोस चरण उत्प्रेरक और द्रव चरण अभिकर्मकों के साथ, यह उजागर क्षेत्र के लिए आनुपातिक है, अभिकर्मकों के प्रसार की दक्षता और उत्पाद बाहर, और मिश्रण की प्रभावकारिता। सही मिश्रण सामान्यतः नहीं माना जा सकता। इसके अलावा, उत्प्रेरक प्रतिक्रिया मार्ग प्रायः मध्यवर्ती के साथ कई चरणों में होता है जो रासायनिक रूप से उत्प्रेरक के लिए बाध्य होते हैं; और चूंकि उत्प्रेरक के लिए रासायनिक बंधन भी रासायनिक प्रतिक्रिया है, यह गतिज को प्रभावित कर सकता है। उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं प्रायः तथाकथित मिथ्या कैनेटीक्स प्रदर्शित करती हैं, जब भौतिक परिवहन प्रभाव के कारण स्पष्ट काइनेटिक्स वास्तविक रासायनिक कैनेटीक्स से भिन्न होता है।

उत्प्रेरक का व्यवहार भी विचारणीय है। विशेष रूप से उच्च तापमान पेट्रोकेमिकल प्रक्रियाओं में, उत्प्रेरक सिंटरिंग, कोकिंग और विषाक्तता जैसी प्रक्रियाओं द्वारा निष्क्रिय हो जाते हैं।

उत्प्रेरक रिएक्टर का एक सामान्य उदाहरण उत्प्रेरक परिवर्तक है जो ऑटोमोबाइल निकास के विषाक्त घटकों को संसाधित करता है। हालांकि, अधिकांश पेट्रोकेमिकल रिएक्टर उत्प्रेरक होते हैं, और सल्फ्यूरिक एसिड, अमोनिया, रिफॉर्मेट/बीटीईएक्स (बेंजीन, टोल्यूनि, एथिलबेनज़ीन और ज़ाइलीन), और द्रव उत्प्रेरक क्रैकिंग सहित अत्यधिक उच्च मात्रा वाले उदाहरणों के साथ, अधिकांश औद्योगिक रासायनिक उत्पादन के लिए जिम्मेदार होते हैं। विभिन्न विन्यास संभव हैं, हेटेरोजीनस उत्प्रेरक रिएक्टर देखें।