बैच रिएक्टरों का परिचय: मूल बातें और अनुप्रयोग

क्या आपने कभी सोचा है कि दवा और ईंधन जैसी चीजें बनाने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं कैसे होती हैं?

आप जानते हैं कि ये प्रतिक्रियाएँ केवल इसलिए नहीं होतीं क्योंकि आप इंजीनियरिंग के छात्र या इंजीनियर हैं।

उन्हें सटीक परिस्थितियों, अभिकारकों और उत्प्रेरकों की सावधानीपूर्वक मापी गई मात्रा और सही प्रकार के रिएक्टर की आवश्यकता होती है।

बैच रिएक्टर इसमें मदद करता है।

बैच रिएक्टर किसी भी केमिकल इंजीनियर के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है क्योंकि यह प्रतिक्रियाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को संभाल सकता है और उन प्रतिक्रियाओं की स्थितियों को बहुत सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।

इस लेख में, मैं बैच रिएक्टरों के बारे में विस्तार से जाऊँगा, उनके भागों, लाभों और उपयोगों के बारे में बात करूँगा।

चाहे आप एक अनुभवी इंजीनियर हों या अभी शुरुआत कर रहे हों, यह लेख आपको बैच रिएक्टरों को समझने के लिए आवश्यक जानकारी देगा और केमिकल इंजीनियरिंग की दुनिया में वे कितने महत्वपूर्ण हैं।

बैच रिएक्टरों का परिचय

औपचारिक परिभाषा:

एक रासायनिक रिएक्टर जिसमें अभिकारकों और उत्प्रेरक को वांछित मात्रा में पेश किया जाता है और पोत को अतिरिक्त सामग्री के वितरण के लिए बंद कर दिया जाता है।

बैच रिएक्टर लचीली मशीनें हैं जिनका उपयोग कई अलग-अलग प्रक्रिया संचालन के लिए किया जा सकता है।

बैच रिएक्टरों द्वारा किए जाने वाले कुछ सबसे सामान्य कार्य हैं:

बैच रिएक्टरों की सहायता से ठोस पदार्थों को द्रवों में घोला जा सकता है।

ठोस और विलायक को रिएक्टर में डाल दिया जाता है, और मिश्रण को तब तक हिलाया जाता है जब तक कि सभी ठोस पदार्थ घुल न जाएं।

• मिक्सिंग प्रोडक्ट्स: बैच रिएक्टर्स का उपयोग विभिन्न उत्पादों को एक साथ मिलाने के लिए किया जाता है ताकि आप जो मिश्रण चाहते हैं उसे बनाया जा सके।

यह खाद्य और पेय उद्योग में उपयोगी हो सकता है, जहां एक निश्चित उत्पाद बनाने के लिए विभिन्न सामग्रियों को मिलाया जाता है।

• रासायनिक अभिक्रियाएँ: अधिकांश रासायनिक अभिक्रियाएँ बैच रिएक्टरों में की जाती हैं।

रिएक्टर में अभिकारकों को जोड़ने के बाद, मिश्रण को निर्धारित समय के लिए प्रतिक्रिया करने के लिए छोड़ दिया जाता है।

बैच के अंत में, आइटम तब निकाले जाते हैं।

• बैच आसवन: बैच रिएक्टरों का उपयोग बैच आसवन के लिए भी किया जा सकता है, जो मिश्रण के भागों को उनके क्वथनांक के आधार पर अलग करने का एक तरीका है।

बैच रिएक्टरों के फायदे और नुकसान

बैच रिएक्टर के कई लाभ हैं, जैसे:

बैच रिएक्टर बहुमुखी हैं क्योंकि वे एक ही बर्तन में एक से अधिक काम कर सकते हैं, बिना किसी बाधा को तोड़े।

बैच रिएक्टर एक ही रिएक्टर में विभिन्न उत्पाद बना सकते हैं क्योंकि उनका उपयोग एक से अधिक चीजों के लिए किया जा सकता है।

• उच्च रूपांतरण: अभिकर्मक लंबे समय तक रिएक्टर में रह सकते हैं, जिससे उच्च रूपांतरण होता है।
• बनाने और बदलने में आसानी: बैच रिएक्टर बनाने और बदलने में काफी आसान हैं।

लेकिन बैच रिएक्टरों में भी कुछ समस्याएँ होती हैं, जैसे:

• बैकमिक्सिंग: बैकमिक्सिंग तब होता है जब प्रतिक्रिया खत्म होने तक सामग्री को बाहर नहीं निकाला जाता है।

यह उत्प्रेरक के जीवन को छोटा करता है और बहुत अधिक अपशिष्ट बनाता है।

• सीमित मात्रा: बैच रिएक्टर एक ही बार में बहुत सारे उत्पाद बनाने का सबसे अच्छा तरीका नहीं है।
• उत्पादों की परिवर्तनशीलता: बैच रिएक्टरों द्वारा बनाए गए उत्पाद एक बैच से दूसरे बैच में भिन्न हो सकते हैं।
• बड़े पैमाने पर उत्पादन में कठिनाइयाँ: बैच रिएक्टर एक साथ बहुत सारी चीज़ें बनाने के लिए अच्छे नहीं हैं।
• चलाना महंगा: बैच रिएक्टरों को अक्सर चालू और बंद करने की आवश्यकता होती है, जिससे उन्हें चलाना महंगा हो जाता है।

बैच रिएक्टरों की डिज़ाइन सुविधाएँ

बैच रिएक्टर कुछ समान भागों से बने होते हैं, जैसे:

• रिएक्टेंट्स को इंजेक्ट करने और उत्पादों को हटाने के लिए पोर्ट्स: बैच रिएक्टरों में रिएक्टेंट्स को इंजेक्ट करने और उत्पादों को हटाने के लिए पोर्ट्स होते हैं।
• हीट एक्सचेंजर या स्टिरिंग सिस्टम: बैच रिएक्टर में हीट एक्सचेंजर या स्टिरिंग सिस्टम जोड़ा जा सकता है।
• स्थिर आयतन: बैच रिएक्टरों में आमतौर पर एक स्थिर आयतन होता है, लेकिन कुछ को इसलिए बनाया जाता है ताकि निरंतर दबाव बनाए रखने के लिए आयतन को बदला जा सके।

संक्षेप में, बैच रिएक्टर सरल कंटेनर होते हैं जिनका उपयोग प्रक्रिया उद्योगों में कई प्रकार के कार्यों के लिए किया जाता है।

वे बहुमुखी हैं, एक से अधिक चीजों के लिए उपयोग किए जा सकते हैं, उच्च रूपांतरण दर हैं, और बनाने और बदलने में आसान हैं।

लेकिन उन्हें कुछ समस्याएं भी हैं, जैसे बैकमिक्सिंग, सीमित मात्रा, विभिन्न उत्पाद, उनमें से बहुत से बनाने में कठिनाई, उत्प्रेरक के लिए एक छोटा जीवन और अपशिष्ट।

बैच रिएक्टरों का उपयोग अक्सर छोटे पैमाने की नौकरियों, नए तरीकों का परीक्षण करने और महंगे सामान बनाने के लिए किया जाता है।

वे अक्सर छोटे पैमाने पर उत्पादन के लिए और पेय के लिए किण्वन प्रक्रिया शुरू करने के लिए प्रयोगशालाओं में भी उपयोग किए जाते हैं।

अप्रत्याशितता को गले लगाना: बैच रिएक्टरों का उत्साह और जोखिम

अभी भी समझना मुश्किल है? मैं अपना दृष्टिकोण थोड़ा बदल देता हूं:

केमिस्ट, कृपया ध्यान दें! क्या आप चाहते हैं कि आपका काम और दिलचस्प हो? बार-बार हो रही समान चीजों से थक गए हैं? आपको केवल बैच रिएक्टर की आवश्यकता है।

बैच रिएक्टर अराजकता, अप्रत्याशितता और शायद थोड़ी सी उत्तेजना के लिए एकदम सही है क्योंकि आप अपनी इच्छित मात्रा में अभिकारकों और उत्प्रेरकों को जोड़ सकते हैं और फिर अधिक सामग्रियों को अंदर आने से रोकने के लिए बर्तन को बंद कर सकते हैं।

नियंत्रण और निरंतरता की परवाह कौन करता है? इस तथ्य को स्वीकार करें कि बैच रिएक्टर की भविष्यवाणी करना और यह देखना कठिन है कि यह आपको कहां ले जाता है।

ठीक है, वह सिर्फ एक टीवी विज्ञापन की तरह दिखने के लिए बनाया गया मजाक था।

अब आइए स्पष्टीकरण पर वापस जाएं।

बैच रिएक्टरों के घटक

बैच रिएक्टर वे पोत होते हैं जिनका उपयोग प्रक्रिया उद्योगों में ठोस पदार्थों को घोलने, उत्पादों को मिलाने, रासायनिक प्रतिक्रियाओं को करने और बैचों में आसवन करने के लिए किया जाता है।

रिएक्टर पोत, प्रतिक्रिया माध्यम, हेडस्पेस और आंदोलनकारी चार मुख्य भाग हैं।

रिएक्टर पोत

एक बैच रिएक्टर का मुख्य भाग रिएक्टर पोत होता है, जो अक्सर स्टील, स्टेनलेस स्टील, ग्लास-लाइन्ड स्टील, ग्लास या एक विदेशी मिश्र धातु से बना होता है।

यह 1 लीटर से छोटा या 15,000 लीटर से बड़ा हो सकता है।

अधिकांश समय, तरल पदार्थ और ठोस पदार्थ रिएक्टर में शीर्ष आवरण में छेद के माध्यम से डाले जाते हैं।

ऊपर के छिद्रों से वाष्प और गैसें निकलती हैं, और नीचे के छिद्रों से तरल पदार्थ निकलते हैं।

प्रतिक्रिया माध्यम

वह वस्तु जिसमें अभिक्रिया होती है, अभिक्रिया माध्यम कहलाती है।

की जा रही प्रतिक्रिया के प्रकार के आधार पर, यह गैस चरण, तरल चरण या तरल-ठोस चरण में हो सकता है।

हेडस्पेस

हेडस्पेस माध्यम के ऊपर की खाली जगह है।

यह प्रतिक्रिया के दौरान बनने वाली गैस या वाष्प के लिए जगह देता है।

उद्वेग उत्पन्न करनेवाला मनुष्य

आंदोलनकारी को विभिन्न भागों को मिलाने और प्रतिक्रिया से गर्मी जोड़ने या निकालने की आवश्यकता होती है।

प्रतिक्रिया के प्रकार के आधार पर, इसे विभिन्न प्रकार के मिश्रण प्रदान करने के लिए अक्षीय प्रवाह प्ररित करनेवाला या रेडियल प्रवाह प्ररित करनेवाला के साथ बनाया जा सकता है।

बैच रिएक्टरों के लाभ और चुनौतियाँ

बैच रिएक्टरों के बारे में सबसे अच्छी चीजों में से एक यह है कि वे कितने लचीले हैं।

एक अकेला जहाज बिना किसी रोक-टोक को तोड़े विभिन्न कार्यों की एक श्रृंखला कर सकता है।

जहरीले पदार्थों के साथ काम करते समय यह मददगार होता है क्योंकि इससे कर्मचारियों को चोट लगने का खतरा कम होता है।

लेकिन बैच रिएक्टरों में बैकमिक्सिंग जैसी कुछ समस्याएं हैं, जो उत्पाद की गुणवत्ता को खराब कर सकती हैं क्योंकि अभिकारक बर्तन में समान रूप से नहीं फैलते हैं।

डिजाइनिंग और आकार देने वाले बैच रिएक्टर

एक निश्चित प्रतिक्रिया के लिए बैच रिएक्टर को डिजाइन और आकार देते समय कई बातों को ध्यान में रखा जाना चाहिए।

इनमें प्रतिक्रिया की कैनेटीक्स, गर्मी हस्तांतरण, द्रव्यमान स्थानांतरण, मिश्रण और चरण व्यवहार शामिल हैं।

डिजाइन को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि रिएक्टर प्रतिक्रिया को सुरक्षित और कुशलता से कर सकता है, उत्पाद के विनिर्देशों को पूरा कर सकता है और उत्पादन लागत को यथासंभव कम रख सकता है।

अधिकांश समय, एक बैच रिएक्टर के आकार का पता लगाने का अर्थ है रिएक्टरों को एक निश्चित तरीके से परिवर्तित करने के लिए आवश्यक रिएक्टर की मात्रा का पता लगाना और पर्याप्त मिश्रण और गर्मी हस्तांतरण की अनुमति देना।

रिएक्टर से सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए, डिजाइन और आकार देने की प्रक्रिया में प्रयोग, सिमुलेशन और मॉडल शामिल हो सकते हैं।

एक बैच रिएक्टर में, रूपांतरण के एक निश्चित स्तर तक पहुँचने में लगने वाला समय इस बात पर निर्भर करता है कि प्रतिक्रिया कितनी तेजी से हो रही है और आप कितना रूपांतरण चाहते हैं।

इसलिए, एक निश्चित प्रतिक्रिया के लिए सही बैच रिएक्टर वॉल्यूम का पता लगाने के लिए, आपको प्रतिक्रिया की गति, अभिकारकों की प्रारंभिक सांद्रता, आपके इच्छित रूपांतरण का स्तर और रिएक्टर के समय की मात्रा जैसी चीजों के बारे में सोचना होगा। चल रहा होगा।

प्रतिक्रिया दर स्थिरांक और स्टोइकोमेट्रिक गुणांक जैसे मापदंडों की गणना करके बैच रिएक्टर के लिए सही आकार का पता लगाने के लिए इस जानकारी का उपयोग किया जा सकता है।

CSTRs और PFRs के विपरीत, जो समय के साथ बड़ी मात्रा में अभिकारकों को लगातार संसाधित कर सकते हैं, बैच रिएक्टर केवल एक निश्चित संख्या में अभिकारकों को एक साथ संभाल सकते हैं।

इसलिए, एक बैच रिएक्टर निरंतर प्रवाह रिएक्टर के रूप में प्रति दिन प्रजातियों की समान मात्रा को संभालने में सक्षम नहीं हो सकता है।

लेकिन बैच रिएक्टर अभी भी छोटे पैमाने के संचालन के लिए उपयोगी हैं, नई प्रक्रियाओं का परीक्षण कर रहे हैं जो अभी तक पूरी तरह से विकसित नहीं हुए हैं, और महंगे उत्पाद बना रहे हैं।

संक्षेप में, बैच रिएक्टरों में कई महत्वपूर्ण भाग होते हैं, जैसे रिएक्टर पोत, प्रतिक्रिया माध्यम, हेडस्पेस और आंदोलनकारी।

उनके लचीले होने और एक से अधिक चीजों के लिए उपयोग करने में सक्षम होने जैसे लाभ हैं, लेकिन उन्हें बैकमिक्सिंग जैसी समस्याएं भी हैं।

एक निश्चित प्रतिक्रिया के लिए एक बैच रिएक्टर को डिजाइन और आकार देने के लिए, आपको रिएक्शन कैनेटीक्स, हीट ट्रांसफर, मास ट्रांसफर, मिक्सिंग और फेज बिहेवियर जैसी चीजों के बारे में सोचना होगा।

बैच रिएक्टरों में गणना

तिल संतुलन समीकरण और श्रृंखला प्रतिक्रिया

एक श्रृंखला प्रतिक्रिया वाले बैच रिएक्टर के लिए, हमें यह पता लगाने के लिए तिल संतुलन समीकरण का उपयोग करने की आवश्यकता है कि रिएक्टर में कितना पदार्थ है।

तिल संतुलन समीकरण का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया जाता है कि रिएक्टर में प्रत्येक तिल की मात्रा कितनी तेजी से बदल रही है।

बैच रिएक्टर के लिए तिल संतुलन समीकरण है:

डीएन_आई/डीटी = आर_आई * वी

जहां N_i प्रजातियों के मोल्स की संख्या है, t समय है, r_i प्रजातियों के लिए प्रतिक्रिया की दर है, और V रिएक्टर का आयतन है।

जब भी हम जानना चाहते हैं कि श्रृंखला प्रतिक्रिया के दौरान बैच रिएक्टर में प्रत्येक प्रजाति कितनी है, तो हम इस समीकरण का उपयोग कर सकते हैं।

गर्म प्रक्रिया के लिए एक बैच सैपोनिफिकेशन रिएक्टर को आकार देना

सैपोनिफिकेशन एक रासायनिक प्रक्रिया है जो वसा और लाइ को साबुन में बदल देती है।

सैपोनिफिकेशन की गर्म प्रक्रिया के लिए बैच रिएक्टर का उपयोग किया जाता है।

गर्म प्रक्रिया के लिए बैच सैपोनिफिकेशन रिएक्टर का आकार इस बात पर निर्भर करेगा कि कितना साबुन बनाने की जरूरत है और किस तरह का साबुन बनाया जा रहा है।

रिएक्टर के आकार के अलावा, रिएक्टर की सतह का क्षेत्र भी बदल सकता है कि प्रतिक्रिया कितनी तेजी से होती है।

यदि आप बफल्स वाले या उच्च अभिमुखता अनुपात वाले रिएक्टर का उपयोग करते हैं, तो आप सतह क्षेत्र को बड़ा बना सकते हैं।

गर्म सैपोनिफिकेशन प्रक्रिया के लिए, रिएक्टर का तापमान 70 डिग्री सेल्सियस और 85 डिग्री सेल्सियस के बीच रखा जाना चाहिए।

प्रतिक्रिया में कितना समय लगता है यह इस बात पर निर्भर करता है कि आप कितना साबुन बनाना चाहते हैं।

इसमें कई घंटों से लेकर कई दिनों तक का समय लग सकता है।

सैपोनिफिकेशन के कैनेटीक्स का अध्ययन करने के लिए एक बैच रिएक्टर का उपयोग किया जा सकता है।

चुंबकीय सरगर्मी और एक ग्लास जैकेट के साथ एक बैच रिएक्टर का उपयोग करके, छात्र विभिन्न तापमानों पर दूसरे क्रम की प्रतिक्रिया के दर स्थिरांक का पता लगा सकते हैं।

पैक्ड-बेड ट्यूबलर रिएक्टर में प्रतिक्रिया रूपांतरण का पता लगाने के लिए सैपोनिफिकेशन रिएक्शन का भी उपयोग किया जा सकता है।

बैच रिएक्टरों में परीक्षण और अनुकूलन

ठोस पदार्थों के साथ बैच रिएक्टर परीक्षण करना

एक ठोस के साथ बैच रिएक्टर परीक्षण करते समय, ठोस और तरल अभिकारकों को आमतौर पर एक आंदोलनकारी के साथ एक बर्तन में मिलाया जाता है।

मिश्रण को एक निश्चित समय के लिए प्रतिक्रिया करने के लिए छोड़ दिया जाता है।

उसके बाद, ठोस को आमतौर पर निस्पंदन या सेंट्रीफ्यूगेशन द्वारा तरल से अलग किया जाता है।

फिर, यह पता लगाने के लिए कि प्रतिक्रिया कितनी दूर चली गई, तरल चरण में रुचि की प्रजातियों की एकाग्रता को मापा जाता है।

एक ठोस के साथ एक बैच रिएक्टर परीक्षण की योजना बनाते समय, आपको ठोस के कणों के आकार, अभिकारकों की प्रारंभिक सांद्रता, और आपके इच्छित रूपांतरण के स्तर के बारे में भी सोचना चाहिए।

संशोधित प्रयोगशाला बैच रिएक्टर परीक्षण

प्रयोगशाला में एक बैच रिएक्टर में सक्रिय कीचड़ में वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों के बायोडिग्रेडेशन का परीक्षण किया गया है।

गैस चरण में नमूना लेने के लिए ठोस-चरण माइक्रोएक्सट्रैक्शन (एसपीएमई) फाइबर को शामिल करने के लिए परीक्षण को बदल दिया गया है।

इससे ड्राफ्ट ट्यूब की आवश्यकता समाप्त हो जाती है और ठोस पदार्थों के साथ इसका उपयोग करना आसान हो जाता है।

सीक्वेंसिंग बैच रिएक्टर (SBR) सिस्टम

सीक्वेंसिंग बैच रिएक्टर (SBR) एक सक्रिय कीचड़ प्रणाली है जो अपशिष्ट जल को भरकर और फिर निकाल कर उसका उपचार करती है।

इस प्रणाली में अपशिष्ट जल को एकल बैच रिएक्टर में डाला जाता है।

सिस्टम से सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए एक निर्धारित क्रम में दो या अधिक बैच रिएक्टरों का उपयोग किया जाता है।

एसबीआर प्रणाली का उपयोग शहरों और कारखानों दोनों से अपशिष्ट जल के उपचार के लिए किया गया है।

सामग्री संतुलन समीकरण

भौतिक संतुलन समीकरण का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया जा सकता है कि रासायनिक प्रतिक्रिया होने पर बैच रिएक्टरों में क्या हो रहा है।

उदाहरण के लिए, समीकरण d dt ∫V cj dV = Q0cj0 - Q1cj1 + ∫V। आरजे डीवी का उपयोग अच्छी तरह से उत्तेजित बैच रिएक्टरों के लिए किया जा सकता है क्योंकि रिएक्टर के भीतर अच्छे मिश्रण के कारण इंटीग्रल का मूल्यांकन करना आसान होता है।

अर्ध-बैच रिएक्टर

अर्ध-बैच रिएक्टरों में बैच रिएक्टरों और हलचल-टैंक रिएक्टरों दोनों की विशेषताएं होती हैं जो हर समय (सीएसटीआरएस) चलती हैं।

CSTRs की तरह, जब प्रतिक्रिया चल रही होती है, तब वे फ़ीड जोड़ सकते हैं, लेकिन वे शुरुआत में बैच रिएक्टरों की तरह अभिकारक से भरे होते हैं।

अधिकांश समय, अर्ध-बैच रिएक्टरों का उपयोग तब किया जाता है जब एक प्रतिक्रिया को धीरे-धीरे एक अभिकर्मक जोड़ने की आवश्यकता होती है या जब बैच रिएक्टर में प्रतिक्रिया बहुत गर्म होती है।

बैच रिएक्टर अवलोकन

युक्ति: यदि आपको इसकी आवश्यकता हो तो कैप्शन बटन चालू करें। यदि आप बोली जाने वाली भाषा से परिचित नहीं हैं, तो सेटिंग बटन में "स्वचालित अनुवाद" चुनें। अनुवाद के लिए आपकी पसंदीदा भाषा उपलब्ध होने से पहले आपको वीडियो की भाषा पर क्लिक करने की आवश्यकता हो सकती है।

बक्सों का इस्तेमाल करें

निष्कर्ष

अंत में, कई अलग-अलग क्षेत्रों में रासायनिक इंजीनियरों के लिए बैच रिएक्टर एक महत्वपूर्ण उपकरण है।

यह आपको प्रतिक्रिया की स्थितियों को बहुत सटीक रूप से नियंत्रित करने देता है, जो सुसंगत, उच्च गुणवत्ता वाले उत्पाद बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

लेकिन भले ही बैच रिएक्टर प्रौद्योगिकी का एक बड़ा टुकड़ा है, यह एक इलाज नहीं है।

इसका उपयोग हर तरह की प्रतिक्रिया के लिए नहीं किया जा सकता क्योंकि इसमें कुछ खामियां हैं।

इंजीनियरों के रूप में, यह हमारा काम है कि हम नए विचारों के साथ आते रहें और नई तकनीकों को आजमाते रहें जो हमें इन समस्याओं को हल करने में मदद कर सकें और जटिल रासायनिक उत्पादों को बनाना आसान बना सकें।

हम अपने और इस ग्रह के लिए एक बेहतर भविष्य बना सकते हैं यदि हम जितना संभव है उसकी सीमाओं को आगे बढ़ाते हैं।

तो आइए बेहतर, अधिक कुशल और अधिक दीर्घकालिक समाधान खोजने के लिए नई चीजों को देखते और आजमाते रहें।

लिंक और संदर्भ

तिल संतुलन:

https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf

प्रक्रिया इंजीनियरिंग में रिएक्टर:

https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering