माइक्रोरिएक्टर या माइक्रो स्ट्रक्चर्ड रिएक्टर या माइक्रोचैनल रिएक्टर

माइक्रोरिएक्टर प्रौद्योगिकी का संक्षिप्त निर्देश

माइक्रोरिएक्टर तकनीक मुख्य रूप से हरित रासायनिक संश्लेषण को प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया गहनता के माध्यम से एक नई तकनीक है, विशेष रूप से रसायनों, कीटनाशकों, दवाओं, सूक्ष्म पदार्थों और नैनो-सामग्रियों जैसे सूक्ष्म रसायनों की तैयारी के लिए। माइक्रोरिएक्टर तकनीक एक सूक्ष्म रासायनिक तकनीक है जो 1990 के दशक में उभरी थी। यह मौजूदा रिएक्टर की साधारण कटौती नहीं है, बल्कि नई व्यापक प्रणालियों में से एक है जो सामग्री प्रौद्योगिकी, सूक्ष्म निर्माण प्रौद्योगिकी, सेंसर प्रौद्योगिकी और नियंत्रण प्रौद्योगिकी जैसे विभिन्न तत्वों को एकीकृत करती है। माइक्रोरिएक्टर प्रतिक्रिया, मिश्रण, पृथक्करण और अन्य कार्यों को समझने के लिए कोर के रूप में माइक्रोन-स्केल स्ट्रक्चरल चैनलों के साथ एक नए प्रकार का छोटा निरंतर प्रवाह पाइपलाइन रिएक्टर है। एक माइक्रोचैनल रिएक्टर का "माइक्रो" माइक्रोरिएक्टर डिवाइस के छोटे आकार या छोटे उत्पाद उपज का उल्लेख नहीं करता है, बल्कि इसका मतलब यह है कि फ्लुइडिक चैनल माइक्रोमीटर या मिलीमीटर स्केल पर हैं। माइक्रोरिएक्शन प्रक्रिया इन उपकरणों द्वारा निर्मित प्रतिक्रिया प्रणाली प्रक्रिया को संदर्भित करती है। माइक्रोरिएक्शन सिस्टम को माइक्रो-केमिकल सिस्टम भी कहा जाता है, जो रासायनिक प्रक्रिया के लिए एक माइक्रो-सिस्टम है। माइक्रोकेमिकल सिस्टम का डिजाइन और विकास, उपकरण की प्रसंस्करण क्षमता को कम किए बिना रासायनिक उपकरणों को छोटा करने के विचार पर आधारित है, सिस्टम में प्रवाह, मिश्रण और हस्तांतरण प्रक्रियाओं की दर और नियंत्रणीयता को मजबूत करके, पूरा होने का समय प्रतिक्रिया और पृथक्करण को छोटा किया जाता है, प्रक्रिया में सामग्री के ठहराव को कम किया जाता है, हरे, सुरक्षित और कुशल रासायनिक प्रक्रिया का एहसास करने के लिए उप-उत्पादों के निर्माण को कम किया जाता है। दवा, कीटनाशकों, ठीक रासायनिक उत्पादों और मध्यवर्ती संश्लेषण के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली रासायनिक प्रक्रिया गहनता के क्षेत्र में माइक्रोरिएक्टर प्रौद्योगिकी महत्वपूर्ण विकास दिशाओं में से एक बन गई है।

एक माइक्रोरिएक्टर या माइक्रोस्ट्रक्चर्ड रिएक्टर या माइक्रोचैनल रिएक्टर एक उपकरण है जिसमें रासायनिक प्रतिक्रियाएं 1 मिमी से नीचे विशिष्ट पार्श्व आयामों के साथ कारावास में होती हैं; इस तरह के कारावास का सबसे विशिष्ट रूप माइक्रोचैनल हैं। माइक्रोप्रोसेसर का अध्ययन माइक्रो प्रोसेस इंजीनियरिंग के क्षेत्र में किया जाता है, साथ में अन्य उपकरणों (जैसे माइक्रो हीट एक्सचेंजर्स) के साथ जिसमें भौतिक प्रक्रियाएँ होती हैं। माइक्रोरिएक्टर में माइक्रोफैब्रिकेटेड संरचनाएं शामिल होती हैं ताकि प्रवाह रसायन को माइक्रोन स्केल पर प्रदर्शित किया जा सके। माइक्रोरिएक्टर आमतौर पर एक सतत प्रवाह रिएक्टर (एक बैच रिएक्टर के साथ/के विपरीत) होता है। माइक्रोरिएक्टर पारंपरिक पैमाने के रिएक्टरों पर कई फायदे प्रदान करते हैं, जिनमें ऊर्जा दक्षता, प्रतिक्रिया की गति और उपज, सुरक्षा, विश्वसनीयता, मापनीयता, ऑन-साइट / ऑन-डिमांड उत्पादन और प्रक्रिया नियंत्रण की बहुत बेहतर डिग्री शामिल हैं।

माइक्रोरिएक्टर के तकनीकी लक्षण

• बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र और अच्छा ताप हस्तांतरण------माइक्रो रिएक्टर के अंदर सूक्ष्म संरचना के कारण, इसका विशिष्ट सतह क्षेत्र बहुत बड़ा होता है, जो उत्तेजित पोत के विशिष्ट सतह क्षेत्र का सैकड़ों या हजारों गुना भी हो सकता है। इसलिए , इसमें अच्छी गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण क्षमता है। हीट एक्सचेंज गुणांक आमतौर पर कम से कम 25kW m - 2K - 1 होता है, जो सामग्रियों के तात्कालिक समान मिश्रण और कुशल ताप हस्तांतरण का एहसास कर सकता है।
• उच्च द्रव्यमान स्थानांतरण दक्षता और तेज प्रतिक्रिया गति-------माइक्रोचैनल रिएक्टर में कई माइक्रोचैनल हो सकते हैं, और माइक्रोचैनल में गैस और तरल तरल पदार्थ 10-4 से 10-6मी/सेकेंड के साथ प्रवाह पारित कर सकते हैं, तरल पदार्थों की मिश्रण प्रतिक्रिया प्रक्रिया सामग्री की तात्कालिक और समान मिश्रण प्रतिक्रिया का एहसास कर सकती है, और सामान्य रासायनिक प्रतिक्रियाओं की प्रतिक्रिया कर सकती है समय घंटों से कम हो जाता है - दसियों घंटे से सेकंड - मिनट और उच्च थ्रूपुट प्राप्त होता है।
• उपज में सुधार के लिए प्रतिक्रिया तापमान और समय का सटीक नियंत्रण-------माइक्रोरिएक्टर की उत्कृष्ट गर्मी हस्तांतरण विशेषताएं प्रतिक्रिया तापमान को एक निश्चित सीमा के भीतर सटीक रूप से नियंत्रित करने की अनुमति देती हैं, जो मध्यवर्ती उत्पादों और तापीय रूप से अस्थिर कुछ प्रतिक्रियाओं के लिए बहुत महत्वपूर्ण है ठीक रसायनों में उत्पाद। रिएक्टर माइक्रोचैनल रिएक्टर में लगातार प्रवाहित होते हैं। प्रतिक्रिया की स्थिति के तहत कच्चे माल का निवास समय ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है। एक बार इष्टतम प्रतिक्रिया समय तक पहुंचने के बाद, इसे तुरंत अगले चरण में भेज दिया जाता है या प्रतिक्रिया समाप्त कर दी जाती है, जो लंबे प्रतिक्रिया समय के कारण उत्पन्न होने वाले उप-उत्पादों को प्रभावी ढंग से समाप्त कर सकता है और उपज में सुधार कर सकता है।
• निरंतर उत्पादन के लिए कम द्रव धारण क्षमता, सुरक्षित और अधिक पर्यावरण के अनुकूल -------माइक्रोरिएक्टर के अच्छे ताप हस्तांतरण के कारण, प्रतिक्रिया तापमान अत्यधिक जमा नहीं होगा और एक निश्चित सीमा के भीतर सटीक रूप से नियंत्रित होता है, जो संभावित जोखिम को कम कर सकता है विस्फोट का। माइक्रोरिएक्टर सामान्य रूप से लगातार संचालित होते हैं, माइक्रोरिएक्टर में अभिकारकों की मात्रा बहुत कम होती है। यह अस्थिर मध्यवर्ती के बाद के प्रसंस्करण की अनुमति देता है और विशिष्ट बैच वर्कअप देरी से बचा जाता है। अस्थिर प्रतिक्रिया माध्यम का निवास समय बहुत कम है और क्षय नहीं होगा, भले ही प्रतिक्रिया मध्यवर्ती या अंतिम उत्पाद जहरीले और हानिकारक पदार्थ हों, क्योंकि प्रति यूनिट समय में उत्पादित उत्पादों की मात्रा छोटी है और निवास का समय कम है, हानिकारकता सुरक्षा दुर्घटनाओं में काफी हद तक कमी आई है। कई जोरदार एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाएं जिन्हें बैच प्रक्रिया में महसूस नहीं किया जा सकता है, लेकिन माइक्रोरिएक्टरों में महसूस किया जा सकता है, यहां तक ​​कि नाइट्रिफिकेशन जैसी प्रमुख प्रतिक्रियाओं को उच्च तापमान पर सुरक्षित रूप से किया जा सकता है।
• यद्यपि एक माइक्रोरिएक्टर केवल थोड़ी मात्रा में रसायनों को संश्लेषित कर सकता है, लेकिन औद्योगिक मात्रा तक स्केल-अप केवल माइक्रोरिएक्टरों की संख्या को गुणा करने की एक प्रक्रिया है। इसके विपरीत, बैच प्रक्रियाएँ अक्सर प्रयोगशाला में अच्छा प्रदर्शन करती हैं लेकिन बैच पायलट प्लांट स्तर पर विफल हो जाती हैं।
• माइक्रोरिएक्टर तकनीक भी बाजार में बदलाव के अनुसार सिस्टम में माइक्रो-रिएक्टर मॉड्यूल की संख्या को लचीले ढंग से बढ़ा या घटा सकती है, ताकि ऑन-साइट और बीस्पोक उत्पादन का एहसास हो सके।
• माइक्रो-प्रोसेसिंग तकनीक का उपयोग माइक्रो-मिक्सिंग, माइक्रो-रिएक्शन, माइक्रो-हीट एक्सचेंज, माइक्रो-सेपरेशन, माइक्रो-एनालिसिस और अन्य यूनिट ऑपरेशंस को इंटीग्रेट करने और माइक्रो-सेंसर, माइक्रो-वाल्व और अन्य डिवाइस को एक प्लेटफॉर्म या यहां तक ​​कि मैच करने के लिए किया जा सकता है। प्लेटफ़ॉर्माइजेशन या चिप-आधारित बहु-कार्यात्मक संचालन का एहसास करने के लिए एक नियंत्रण चिप, ताकि वास्तविक समय की निगरानी और माइक्रो-रिएक्शन सिस्टम के बुद्धिमान नियंत्रण को प्राप्त किया जा सके, प्रतिक्रिया की गति में सुधार हो, और एक ही समय में प्रतिक्रिया लागत को बचाया जा सके।

माइक्रोरिएक्टर के लिए उपयुक्त प्रतिक्रियाओं का प्रकार

अब तक, बहुउद्देश्यीय माइक्रोरिएक्टर अभी भी सजातीय प्रतिक्रिया तक सीमित है, और कुछ हद तक, यह गैस-तरल चरण और तरल-तरल चरण प्रतिक्रिया तक ही सीमित है। आंकड़ों के अनुसार, उपज, चयनात्मकता या सुरक्षा में सुधार के लिए माइक्रोरिएक्टरों में लगभग 30 प्रतिशत ठीक रासायनिक प्रतिक्रियाएं की जा सकती हैं। माइक्रोरिएक्टर के फायदे मुख्य रूप से निम्न प्रकार की प्रतिक्रियाओं में परिलक्षित होते हैं:

• हिंसक रूप से एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाएं-------हिंसक रूप से एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं के लिए, पारंपरिक रिएक्टर प्रक्रिया आम तौर पर धीरे-धीरे ड्रॉपवाइज़ एडिशन या बैच एडिशन की विधि अपनाती है। फिर भी, अभी भी स्थानीय अति ताप होगा और एक निश्चित मात्रा में उप-उत्पादों का उत्पादन होगा। माइक्रोरिएक्टर की अच्छी गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं के कारण, प्रतिक्रिया तापमान को ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है, स्थानीय ओवरहीटिंग को समाप्त किया जा सकता है, और उत्पाद की उपज और चयनात्मकता में काफी सुधार किया जा सकता है।
• अस्थिर अभिकारकों या उत्पादों के साथ प्रतिक्रिया------कुछ अभिकारक या उत्पाद बहुत अस्थिर होते हैं और एक निवास समय के बाद उत्पादों की उपज को विघटित और कम कर देंगे। माइक्रोरिएक्टर प्रणाली एक सतत प्रवाह प्रणाली है, और प्रतिक्रिया के निवास समय को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। इसलिए, पारंपरिक रिएक्टर में अभिकारकों या उत्पादों की अस्थिरता के कारण अपघटन से बचा जा सकता है।
• अभिकारकों के अनुपात पर सख्त आवश्यकताओं के साथ तीव्र प्रतिक्रिया ------कुछ प्रतिक्रियाओं में अभिकारकों के अनुपात पर सख्त आवश्यकताएं होती हैं, और अभिकारकों में से एक की अधिकता से पार्श्व प्रतिक्रियाएं होती हैं, जैसे कि प्रतिक्रियाओं को मोनो-प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है, वहाँ होगा दो-प्रतिस्थापित और त्रिप्रतिस्थापित उत्पाद बनते हैं। माइक्रोरिएक्टर सिस्टम सजातीय मिश्रण को तुरंत प्राप्त कर सकता है, जो प्रत्येक अभिकारक की स्थानीय अधिकता की समस्या से बचा जाता है और उप-उत्पादों को कम करता है।
• खतरनाक रासायनिक प्रतिक्रियाएँ और उच्च तापमान और उच्च दबाव प्रतिक्रियाएँ------कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाएँ जो आसानी से नियंत्रण से बाहर हो जाती हैं, एक बार नियंत्रण से बाहर हो जाने पर, प्रतिक्रिया तापमान और दबाव में तेजी से वृद्धि होगी, अभिकारक विस्फोट भी कर देंगे। क्योंकि प्रतिक्रिया गर्मी को जल्दी से निर्यात किया जा सकता है, और माइक्रोरिएक्टर एक निरंतर प्रवाह प्रतिक्रिया है, ऑनलाइन रसायनों की मात्रा बहुत कम है, इसलिए माइक्रोरिएक्टर में प्रतिक्रिया की सुरक्षा की गारंटी है।

बेशक, सभी प्रतिक्रियाएँ माइक्रोरिएक्टर सिस्टम के लिए उपयुक्त नहीं हैं, जैसे कि बहुत धीमी तरल-ठोस प्रतिक्रियाएँ, एक्सोथर्मिक और एंडोथर्मिक घटनाओं के बिना प्रतिक्रियाएँ और पारंपरिक प्रक्रियाएँ पहले से ही उच्च चयनात्मकता और उपज प्रतिक्रियाएँ हैं।

माइक्रोरिएक्टरों के अनुप्रयोग नुकसान

• हालांकि कणों को संभालने के लिए रिएक्टर बनाए गए हैं, माइक्रोरिएक्टर आमतौर पर पार्टिकुलेट को अच्छी तरह से सहन नहीं करते हैं, अक्सर क्लॉगिंग होती है। कई शोधकर्ताओं द्वारा क्लोजिंग की पहचान माइक्रोरिएक्टरों के लिए सबसे बड़ी बाधा के रूप में की गई है [8] बैच रिएक्टरों के लिए एक फायदेमंद विकल्प के रूप में व्यापक रूप से स्वीकार किया जा रहा है।
• मैकेनिकल पम्पिंग एक स्पंदित प्रवाह उत्पन्न कर सकता है जो हानिकारक हो सकता है। कम स्पंदन वाले पंपों के विकास के लिए बहुत काम किया गया है। एक सतत प्रवाह समाधान इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह (ईओएफ) है।
• माइक्रोरिएक्टरों में जंग एक बड़ा मुद्दा लगाती है क्योंकि क्षेत्रफल से आयतन का अनुपात अधिक होता है। पारंपरिक जहाजों में कुछ माइक्रोन की गिरावट पर किसी का ध्यान नहीं जा सकता है। जैसा कि चैनलों के विशिष्ट आंतरिक आयाम परिमाण के समान क्रम में हैं, विशेषताओं में महत्वपूर्ण रूप से परिवर्तन किया जा सकता है।
• हालांकि माइक्रोरिएक्टर सिस्टम माइक्रोरिएक्टरों की संख्या को गुणा करके औद्योगिक मात्रा में स्केल-अप कर सकता है और लागत को कम कर सकता है, लेकिन माइक्रोरिएक्शन सिस्टम की प्रसंस्करण क्षमता भी बहुत सीमित है। जब माइक्रोरिएक्टरों की संख्या बहुत बढ़ जाती है, तो माइक्रोरिएक्शन मॉनिटरिंग और कंट्रोल सिस्टम की जटिलता भी बहुत बढ़ जाती है, और वास्तविक उत्पादन के लिए निवेश और संचालन लागत भी बहुत बढ़ जाती है।

अनुप्रयोग

सामान्य प्रश्न

 

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