Numerical investigation on the heat and mass transfer enhanced by Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) configuration in flow chemistry

दवाओं और रसायनों के निर्माण की दुनिया में, पिछले कुछ दशकों में प्रतिक्रियाओं (reactions) को चलाने के तरीके में नाटकीय बदलाव आया है। एक बड़े, खुले पात्र (vat) में सामग्री मिलाने के बजाय, जहाँ गर्मी अनिश्चित रूप से बढ़ सकती है और सुरक्षा एक निरंतर चिंता बनी रहती है, अब वैज्ञानिक संकीर्ण, निरंतर ट्यूबों के माध्यम से तरल पदार्थों को प्रवाहित करना पसंद करते हैं। यह विधि, जिसे फ्लो केमिस्ट्री (flow chemistry) कहा जाता है, बेहतर नियंत्रण और सुरक्षा प्रदान करती है क्योंकि प्रतिक्रिया एक विशाल पूल के बजाय एक बहुत छोटे, चलते हुए प्रवाह में होती है। हालाँकि, जैसे ही इंजीनियर इन प्रक्रियाओं को प्रयोगशाला के छोटे बेंच से कारखाने के फर्श तक ले जाने का प्रयास करते हैं, वे एक कठिन बाधा का सामना करते हैं। जब वे अधिक सामग्री को संभालने के लिए ट्यूबों को चौड़ा करते हैं, तो गर्मी को नियंत्रित करने और रसायनों को समान रूप से मिलाने की क्षमता अक्सर टूट जाती है। प्रतिक्रिया बीच में बहुत गर्म हो सकती है, जिससे अवांछित उपोत्पाद (byproducts) बन सकते हैं या विस्फोट भी हो सकता है, जबकि किनारे ठंडे रह जाते हैं। चुनौती एक ऐसा रिएक्टर डिजाइन करने की है जो कुशल और सुरक्षित रहे, भले ही वह बड़ा हो जाए, बिना उस सटीक नियंत्रण को खोए जो फ्लो केमिस्ट्री को इतना मूल्यवान बनाता है।

इसे हल करने के लिए, शीआन जियाओटोंग विश्वविद्यालय और हेबेई यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का रिएक्टर विकसित किया है जो 'ट्रिप्ली पीरियडिक मिनिमल सरफेस' नामक एक जटिल, दोहराए जाने वाले ज्यामितीय आकार पर आधारित है। एक ऐसी संरचना की कल्पना करें जो स्पंज जैसी दिखती है लेकिन चिकने, निरंतर वक्रों (curves) से बनी है जो तीन आयामों में मुड़ते और घूमते हैं, जिससे आपस में जुड़े चैनलों का एक भूलभुलैया बन जाता है। इस विशिष्ट आकार को 'गायरॉइड' (gyroid) के रूप में जाना जाता है, जिसे इसलिए चुना गया क्योंकि यह उन मृत कोनों (dead corners) से बचता है जहाँ तरल फंस सकता है और यह गर्मी निकलने के लिए एक विशाल सतह क्षेत्र प्रदान करता है। टीम ने इस रिएक्टर का एक प्रोटोटाइप बनाया जिसका विशिष्ट आकार 6 मिलीमीटर था और इसकी तुलना दो पारंपरिक ट्यूब रिएक्टरों से की, जिनमें से एक का व्यास 2 मिलीमीटर और दूसरे का 4 मिलीमीटर था। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह जटिल, स्पंज जैसा डिज़ाइन बड़े पैमाने पर बढ़ने पर भी पूर्ण तापमान नियंत्रण और मिश्रण बनाए रख सकता है, जो एक कार्य जिसे मानक ट्यूब करने में संघर्ष करते हैं।

शोधकर्ताओं ने केवल उपकरण ही नहीं बनाया; उन्होंने इसके भीतर तरल पदार्थ कैसे चलते हैं और प्रतिक्रिया करते हैं, इसे देखने के लिए इसका एक विस्तृत 'डिजिटल ट्विन' भी बनाया। उन्होंने विनाइलिडीन क्लोराइड के उत्पादन से जुड़ी एक रासायनिक प्रक्रिया का अनुकरण (simulate) किया, जिसमें दो तरल पदार्थों को मिलाना शामिल है जो गर्मी छोड़ते हुए प्रतिक्रिया करते हैं। वास्तविक दुनिया के प्रयोगों के साथ इन सिमुलेशन को चलाकर, वे यह माप सके कि तरल रिएक्टर में कितनी देर तक रहा और तापमान कितनी समान रूप से वितरित हुआ। परिणामों ने दिखाया कि गायरॉइड रिएक्टर के माध्यम से बहने वाला तरल लगभग एक ठोस प्लग (plug) की तरह व्यवहार करता है, जो पीछे की ओर बहुत कम मिश्रण या डेड ज़ोन में खोए बिना, एक कड़े, संगठित क्रम में आगे बढ़ता है। यह एक रासायनिक रिएक्टर के लिए आदर्श व्यवहार है, जो यह सुनिश्चित करता है कि तरल की हर बूंद समान परिस्थितियों का अनुभव करे। इसके विपरीत, बड़े पारंपरिक ट्यूब में तरल बाईपासिंग (bypassing) के संकेत मिले, जहाँ कुछ तरल केंद्र से बहुत तेज़ी से निकल गया जबकि अन्य हिस्से रुक गए, जिससे असंगत परिणाम मिले।

जब टीम ने यह परीक्षण किया कि ये रिएक्टर गर्मी को कितनी अच्छी तरह संभाल सकते हैं, तो गायरॉइड डिज़ाइन के लाभ और भी स्पष्ट हो गए। एक ऐसी स्थिति में जहाँ रासायनिक प्रतिक्रिया भारी मात्रा में गर्मी छोड़ती है—जो एक अत्यधिक ऊर्जावान औद्योगिक प्रक्रिया का अनुकरण करती है—पारंपरिक ट्यूब तापमान को कम रखने के लिए संघर्ष करते हैं। विशेष रूप से बड़े ट्यूब ने हॉट स्पॉट्स (hot spots) बनने दिए, जो अवांछित पार्श्व प्रतिक्रियाओं (side reactions) को बढ़ावा देकर अंतिम उत्पाद की गुणवत्ता को खराब कर सकते हैं। जबकि 2-मिलीमीटर ट्यूब ने वास्तव में सबसे अच्छा समग्र ताप हस्तांतरण प्रदर्शन दिखाया, गायरॉइड रिएक्टर दूसरे स्थान पर रहा और एक विशिष्ट परिदृश्य में स्पष्ट लाभ दिखाया: जब पार्श्व प्रतिक्रियाएं प्रमुख कारक बन गईं। इन चरम स्थितियों के तहत, गायरॉइड डिज़ाइन की स्थिर तापमान बनाए रखने की क्षमता ने थोड़ी उच्च चयनात्मकता (selectivity) प्रदर्शित की, जिसका अर्थ है कि इसने अन्य रिएक्टरों की तुलना में कम अशुद्धियों के साथ वांछित रसायन का उत्पादन किया। अवांछित पार्श्व प्रतिक्रियाओं को दबाने की यह क्षमता फार्मास्युटिकल निर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रिया तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि उनका कंप्यूटर मॉडलिंग तरीका, जो फ्लूइड डायनेमिक्स को रासायनिक प्रतिक्रिया दरों के साथ जोड़ता है, यह भविष्यवाणी करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है कि एक रिएक्टर वास्तव में बनने से पहले कैसा प्रदर्शन करेगा। यह दृष्टिकोण इंजीनियरों को कंप्यूटर पर विभिन्न डिजाइनों का अलग-अलग गति और सटीकता के साथ परीक्षण करने की अनुमति देता है, जिससे भौतिक प्रोटोटाइप पर समय और पैसा बचता है। अध्ययन बताता है कि गायरॉइड-आधारित रिएक्टर उन प्रक्रियाओं के लिए गेम-चेंजर हो सकता है जो वर्तमान में बहुत खतरनाक या स्केल अप करने में कठिन हैं, जैसे कि नाइट्रेशन (nitration) या लिथिएशन (lithiation), जहाँ गर्मी का नियंत्रण दक्षता के साथ-साथ सुरक्षा का भी मामला है। यह सिद्ध करके कि यह जटिल, 3D-प्रिंटेड संरचना प्रयोगशाला के प्रयोग की सटीकता बनाए रखते हुए औद्योगिक-स्तर की केमिस्ट्री की मांगों को संभाल सकती है, शोधकर्ताओं ने निरंतर फ्लो मैन्युफैक्चरिंग के भविष्य के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान किया है।