연속형 원자로
Continuous reactor |
연속형 원자로(대체로 유량 원자로라고 함)는 자재를 흐르는 흐름으로 운반한다.반응제는 원자로에 지속적으로 공급되어 연속적인 제품 흐름으로 나타난다.연속형 원자로는 식품, 화학 및 제약 산업 내의 다양한 화학 및 생물학적 과정에 사용된다.계속되는 원자로 시장에 대한 조사는 기계의 형태와 종류에 대한 엄청난 다양성을 토해낼 것이다.그러나 이러한 변화 아래에는 원자로의 성능을 결정하는 비교적 적은 수의 주요 설계 특징이 있다.연속형 원자로를 분류할 때 전체 시스템보다 이러한 설계 특징을 살펴보는 것이 더 도움이 될 수 있다.null
배치 대 연속형
원자로는 배치형 원자로와 연속형 원자로라는 두 가지 광범위한 범주로 나눌 수 있다.배치 원자로는 완전한 배치 주기의 전체 재고를 처리할 수 있을 만큼 충분히 큰 탱크를 교반한다.어떤 경우에는 하나의 화학물질이 용기에 충전되고 두 번째 화학물질이 천천히 첨가되는 반 배치 모드로 배치 원자로를 운용할 수 있다.연속형 원자로는 일반적으로 배치형 원자로보다 작으며 생산물을 흐르는 흐름으로 취급한다.연속형 원자로는 배플 또는 일련의 상호연결 단계가 있거나 없는 배관으로 설계할 수 있다.두 옵션의 장점은 다음과 같다.null
배치형 원자로의 편익
- 배치형 원자로는 매우 다재다능하며 화학 반응 외에도 다양한 단위 작업(배치 증류, 저장, 결정화, 액체-액체 추출 등)에 사용된다.
- 산업 내에는 대규모의 배치형 원자로 설치기지가 있으며 그 사용방법이 잘 확립되어 있다.
- 배치형 원자로는 슬러리와 같은 어려운 물질이나 반칙 경향이 있는 제품을 다루는 데 뛰어나다.
- 배치형 원자로는 많은 유형의 느린 반응에 효과적이고 경제적인 해결책을 나타낸다.
연속형 원자로의 이점
- 많은 화학 반응의 속도는 반응제 농도에 따라 달라진다.연속형 원자로는 일반적으로 열전달 능력이 우수하기 때문에 훨씬 더 높은 반응제 농도에 대처할 수 있다.플러그 유량 원자로는 반응제와 제품 사이의 분리가 더 크다는 추가적인 장점이 있어 더 나은 농도 프로파일을 제공한다.
- 연속형 원자로의 작은 크기는 더 높은 혼합 속도를 가능하게 한다.
- 연속형 원자로의 출력은 가동 시간을 변경하여 변경할 수 있다.이것은 제조사의 운영 유연성을 증가시킨다.
열전달 용량
원자로 내의 열전달 속도는 다음과 같은 관계에서 결정할 수 있다.
여기서:
- qx: 공정에 의해 방출되거나 흡수되는 열(W)
- U: 열교환기의 열전달계수(W/(mK2))
- A: 열 전달 영역(m2)
- Tp: 공정 온도(K)
- Tj: 재킷 온도(K)
원자로 설계 관점에서 열전달 용량은 단위 부피당 열전달 면적을 결정하기 때문에 채널 크기에 의해 많은 영향을 받는다.채널 크기는 다양한 방법으로 분류할 수 있지만, 가장 넓은 용어로 분류할 수 있는 범주는 다음과 같다.
산업용 배치형 원자로 : 1~10m23(원자로 용량에 따라 다름)
실험실 배치 원자로 : 10~100 m2/m3 (원자로 용량에 따라 다름)
연속형 원자로(미소외) : 100 - 5,0002 m/m3 (채널 크기에 따라 다름)
마이크로 원자로 : 5,000 ~ 50,000 m2/m3 (채널 크기에 따라 다름)
직경이 작은 채널은 높은 열전달 용량의 장점을 가지고 있다.그러나 이에 비해 유량은 낮고, 압력 강하는 높으며, 차단 경향은 증가한다.많은 경우, 마이크로 원자로의 물리적 구조와 제작 기술은 청소와 차단 해제를 매우 어렵게 만든다.null
온도조절
온도 조절은 화학 원자로의 주요 기능 중 하나이다.온도 조절이 잘 안되면 수율과 제품 품질에 심각한 영향을 미칠 수 있다.또한 원자로 내에서 끓거나 얼게 되어 원자로가 완전히 작동을 멈추게 할 수 있다.극단적인 경우 온도 조절이 잘못되면 장비에 파괴적이고 잠재적으로 위험할 수 있는 과도한 압력이 발생할 수 있다.null
난방 또는 냉방 유속이 높은 1단계 시스템
배치형 원자로에서는 열교환 표면(qx)에 의해 추가되거나 제거된 열이 공정 물질(qp)에 의해 발생되거나 흡수되는 열과 같을 때 양호한 온도 제어가 달성된다.관이나 판으로 구성된 유량 원자로의 경우 qx = qp 관계를 만족하면 원자로 내의 서로 다른 지점에서 프로세스 열 방출/흡수 속도가 달라지기 때문에 양호한 온도 제어를 제공하지 못한다.배출구 온도를 제어한다고 원자로 내의 고온/저온 지점이 방지되는 것은 아니다.발열성 또는 내열성 활동에 의해 발생하는 고온 또는 저온성 지점은 온도 센서(T)를 고온/저온성 지점이 존재하는 지점까지 이동시켜 제거할 수 있다.그러나 이는 온도 센서 다운스트림 과열을 초래하거나 지나치게 냉각시킨다.null
고온/저온 지점은 원자로를 온도제어를 위한 단일 단계로 취급할 때 발생한다.
고온/저온 지점은 온도 센서를 움직이면 제거할 수 있다.그러나 이로 인해 온도 센서 다운스트림의 과냉각 또는 과열이 발생한다.null
많은 다른 유형의 판이나 튜브 원자로는 제품 온도의 단순한 피드백 컨트롤을 사용한다.사용자의 관점에서, 이 접근방식은 고온/저온 지점의 영향이 안전, 품질 또는 수율을 손상시키지 않는 공정에만 적합하다.null
난방 또는 냉방 유속이 낮은 단일 단계 시스템
마이크로 원자로는 튜브나 플레이트가 될 수 있으며, 작은 직경의 유로의 주요 특징(일반적으로 <1 mm 미만)을 갖는다.마이크로 원자로의 중요성은 단위 부피당 열전달 면적(A)이 매우 크다는 것이다.열전달 영역이 크다는 것은 낮은 Tp – Tj 값으로 qx의 높은 값을 얻을 수 있다는 것을 의미한다.Tp – Tj의 낮은 값은 발생할 수 있는 과냉각 범위를 제한한다.따라서 제품 온도는 열전달액(또는 제품)의 온도를 조절하여 제어할 수 있다.null
제품 및 열전달 유체의 온도 차이가 제한되어 과열/과잉이 방지된다.null
공정 온도 제어를 위한 피드백 신호는 제품 온도 또는 열 전달 유체 온도일 수 있다.열전달 액의 온도를 조절하는 것이 종종 더 실용적이다.null
마이크로 원자로는 효율적인 열전달 장치지만 좁은 채널은 높은 압력 강하, 유량 제한, 차단 경향 등을 초래할 수 있다.그것들은 또한 종종 청소와 해체를 어렵거나 불가능하게 만드는 방식으로 만들어진다.null
난방 또는 냉방 유속이 높은 다세대 시스템
연속 원자로 내의 상태는 제품이 유로를 따라 통과할 때 변화한다.이상적인 원자로에서는 이러한 변화에 대처하기 위해 유량 채널 설계를 최적화한다.실제로 이는 원자로를 일련의 단계로 분해함으로써 달성된다.각 단계 내에서 이상적인 열 전달 조건은 표면 대 체적 비율 또는 냉각/난방 플럭스를 변화시킴으로써 달성될 수 있다.따라서 공정 열 출력이 매우 높은 단계에서는 극한의 열 전달 유체 온도를 사용하거나 표면 대 체적 비율(또는 둘 다)이 높다.이 문제를 일련의 단계로 다루면 다른 곳에서 과열되거나 지나치게 냉각되지 않고 고온/저온 지점에서 냉난방/난방 상태를 사용할 수 있다.이것의 의미는 더 큰 흐름 채널을 사용할 수 있다는 것이다.더 큰 흐름 채널은 더 높은 속도, 더 낮은 압력 강하, 그리고 감소된 차단 경향을 허용하기 때문에 일반적으로 바람직하다.null
믹싱
혼합은 연속형 원자로의 또 다른 중요한 분류 특징이다.좋은 혼합은 열과 질량 전달의 효율을 향상시킨다.null
원자로를 통과하는 궤적으로 볼 때 연속형 원자로의 이상적인 유량은 플러그 흐름이다(이는 원자로 내에서 균일한 체류 시간을 제공하기 때문이다).그러나 혼합은 유체의 방사상 이동뿐만 아니라 축방향 이동을 생성하기 때문에 양호한 혼합과 플러그 흐름 사이에 충돌의 척도가 있다.튜브형 원자로(정적 혼합 포함 또는 미포함)에서는 플러그 흐름을 심각하게 손상시키지 않고 적절한 혼합을 달성할 수 있다.이러한 이유로 이러한 유형의 원자로를 플러그 유량 원자로라고 부르기도 한다.null
연속형 원자로는 다음과 같이 혼합 메커니즘의 관점에서 분류할 수 있다.
확산에 의한 혼합
확산 혼합은 제품 내 농도 또는 온도 구배에 의존한다.이 접근방식은 채널 두께가 매우 작고 전도에 의해 열전달 표면으로 열이 전달될 수 있는 마이크로 원자로에서 흔히 볼 수 있다.더 큰 채널과 일부 유형의 반응 혼합물(특히 불활성 유체)에서는 확산에 의한 혼합은 실용적이지 않다.null
간단한 튜브는 원자로로 사용될 수 있다.소형 보어 시스템은 일반적으로 확산에 의한 혼합에 의존한다.
제품 이송 펌프와 혼합
연속형 원자로에서는 제품을 원자로를 통해 연속적으로 펌핑한다.이 펌프는 또한 혼합을 촉진하는 데 사용될 수 있다.유체 속도가 충분히 높으면 난류 유량 조건이 존재한다(혼합을 촉진한다).이 접근방식의 단점은 높은 압력강하와 높은 최소유속도를 가진 긴 원자로로 이어진다는 것이다.반응이 느리거나 제품의 점도가 높은 경우 특히 그렇다.이 문제는 정적 혼합기를 사용하면 줄일 수 있다.정적 혼합기는 혼합을 촉진하기 위해 사용되는 흐름 채널에서 배플이다.그들은 격동의 조건과 상관없이 일할 수 있다.정적 혼합기는 효과적일 수 있지만 비교적 긴 유로가 필요하며 상대적으로 높은 압력 강하를 발생시킨다.진동 배플링 원자로는 프로세스 흐름의 방향이 순환되는 정적 혼합기의 특수 형태다.이를 통해 원자로를 통과하는 낮은 순유량과 정전기 혼합이 가능하다.이는 원자로를 비교적 짧게 유지할 수 있는 장점이 있다.null
정적 혼합기는 난류 조건과의 혼합을 허용한다.
진동 배란형 원자로는 흐름 방향의 정적 혼합과 순환의 조합을 사용한다.null
기계적 조정기와 혼합
일부 연속형 원자로는 (제품 이송펌프가 아닌) 혼합을 위해 기계적 동요를 사용한다.이는 원자로 설계에 복잡성을 가중시키지만, 다용성과 성능 면에서 상당한 이점을 제공한다.독립적 동요가 있으면 제품 처리량이나 점도와 상관없이 효율적인 혼합을 유지할 수 있다.긴 유로가 필요 없고 고압력 강하도 필요 없다.null
기계적 아지터(Agitator)와 관련된 바람직하지 않은 한 가지 특징은 그들이 생성하는 강한 축 혼합이다.이 문제는 원자로를 소형 플러그 유로에 의해 분리된 일련의 혼합 단계로 분해함으로써 관리할 수 있다.null
이러한 유형의 연속형 원자로 중 가장 친숙한 형태는 연속 교반형 탱크 원자로(CSR)이다.이것은 본질적으로 연속적인 흐름에서 사용되는 배치형 원자로다.단일 단계 CSR의 단점은 시동 및 정지 시 제품이 상대적으로 낭비될 수 있다는 점이다.반응물질은 또한 제품이 풍부한 혼합물에 첨가된다.일부 공정의 경우, 이것은 품질과 수율에 영향을 미칠 수 있다.이러한 문제는 다단계 CSR을 사용하여 관리된다.대규모로 재래식 배치 원자로를 CSR 단계에 사용할 수 있다.null
