- 间歇式反应器与连续搅拌罐式反应器比较
- 连续搅拌罐式反应器设计
- 活塞流反应器与连续搅拌罐式反应器比较
- 优点与缺点
- 连续搅拌罐式反应器的停留时间分布（RTD）
- 连续搅拌罐式反应器的建模与仿真
- PAT集成
- 行业应用
- 引文与参考文献
- 常见问题解答
快速链接
连续搅拌罐式反应器与间歇式反应器比较
通常，反应器可分为连续式（图1）或间歇式反应器（图2）。连续搅拌罐式反应器的尺寸通常较小，可以无缝添加反应物与试剂，同时产物可以不间断地连续流出。
相反，间歇式反应器是一种需要将固定量的反应物添加至反应器容器，然后进行反应，直至获得所需产物的化学反应器。与连续式反应器不同，反应物并非连续添加，产物也不是连续移除。此外，间歇式反应器混合不均匀，温度与压力条件有可能在反应过程中发生变化。
连续搅拌罐式反应器具有处理较高浓度反应物的独特能力，此外由于具有出色的热传递性能，因此与间歇式反应器相比，可处理更高能量的反应。因此，连续搅拌罐式反应器被视作一种对流动化学起到很好辅助作用的工具。
连续搅拌罐式反应器的设计与操作
连续搅拌罐式反应器（CSTR）由下列部分构成：
- 罐式反应器
- 用于混合反应物的搅拌系统（叶轮或者对反应物的快速流动引入）
- 用于引入反应物和排出产物的进料管与出料管
连续搅拌罐式反应器最常用于工业加工，主要用于需要持续搅拌的均相液相流动反应。不过，它们还用于制药行业与生物工艺，例如：细胞培养与发酵罐。
连续搅拌罐式反应器可在级联应用中使用（图3），也可以单独使用（图1）。
连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器
连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器的区别是什么？
连续搅拌罐式反应器（图1）与活塞流反应器（图4）均用于连续流动化学领域。连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器既可以作为独立的反应系统使用，也可以组合成为连续流动过程的一部分。混合在连续搅拌罐式反应器中起着重要作用，而活塞流反应器则是管式反应器，其中不同的活动塞中包含反应物与试剂，充当单独的微型间歇式反应器。活塞流反应器中每个活塞的构成略有不同，采用内部混合方式，但不会与位于其前方或后方的附近活塞混合。在理想混合的连续搅拌罐式反应器中，整个反应器内的产物构成是均匀的，而活塞流反应器中的产物构成随其在管式反应器中的位置而变化。与其他类型的反应器相比，每种类型的反应器都有自己的优点和缺点。
尽管连续搅拌罐式反应器每单位时间可生产大量的产物，并且可以长时间运行，但它可能不是慢速动力学反应的最佳选择。在这种情况下，间歇式反应器通常是合成的首选。
与其他类型的反应器相比，活塞流反应器通常更节省空间，并且具有更高的转化率。然而，它们不适合高度放热的反应，因为控制突然的温度波动可能具有挑战性。此外，与连续搅拌罐式反应器相比，活塞流反应器的运行与维护成本通常更高。
连续搅拌罐式反应器相对于活塞流反应器的优点
- 可以很容易地保持对温度的控制
- 连续搅拌罐式反应器的功能已为人所熟知，包括混合（处理固体与浆料的能力）、反应量热法、各种加样与化学动力学
- 与专用的专业流动系统相比，费用较少且更容易建造
- 反应器内部可用于过程分析技术（PAT）
- 多个单元可以轻松连接以进行级联操作或集成到具有 PFR 等的更复杂的流动系统中。
推动绿色化学发展
查看我们的绿色与可持续化学资源完整列表，包括案例研究与行业示例。本白皮书展示了METTLER TOLEDO先进技术提供的信息如何在制药、化学、聚合物分子与产品的研究、开发与生产方面为绿色与可持续化学提供支持
优化连续搅拌罐式反应器性能
连续搅拌罐式反应器的停留时间分布（RTD）
停留时间分布（RTD）描述了流体组分在系统或反应器中停留的持续时间。连续搅拌罐式反应器停留时间与反应物离开反应器之前在反应器内停留的时间有关。
了解连续搅拌罐式反应器的停留时间分布对于设计与优化化学反应器至关重要。它有助于评估反应器的效率以及实现完全反应所需的持续时间。造成与理想化偏差的原因包括：通过容器沟流、容器内的流体再循环以及容器内存在混合不良或静止的区域。因此，利用概率分布函数RTD描述流体的任何有限部分停留在反应器内的时间量。这有助于表征反应器内的混合与流动特性，以及将反应器的行为同理想模式相比较。例如，随着级联设置中反应器数量的增多，连续搅拌罐式反应器级联的停留时间会变短，反应分辨率会变低。
可以通过将非反应性示踪物添加至系统入口，尝试性地确定容器内流体的停留时间分布。该示踪物的浓度因已知函数发生变化，并且通过跟踪容器废液中示踪物的浓度确定容器内的整体流动条件。
通过建模实现更环保的化学
绿色和可持续化学是制药与精细化工行业的一个增长趋势。这种化学方法旨在通过减少浪费与能源消耗、使用可再生资源以及设计安全高效的过程，大幅减少化学过程对环境的影响。
科学家和工程师通过使用建模软件，可以预测化学反应在不同条件下的行为方式，优化反应条件以减少浪费和能源消耗，并且设计出更安全、更高效的过程。例如，可以快速评估间歇与流动化学，或者确定确保卓越性能所需的连续搅拌罐式反应器尺寸。连续过程可能比间歇过程更加可持续，原因包括体积小、溶剂使用量少以及清洁周期短等。
化学反应建模与仿真特别适合支持绿色化学计划。Scale-up Suite的高级建模功能可以让用户准确仿真复杂的化学反应（包括多步反应），以及优化温度、压力与反应物浓度等过程参数，从而大幅减少浪费与提高产量。
Scale-up Suite™还具有允许用户评估其过程对环境影响的功能，例如：计算特定反应的碳足迹或能耗。这些信息有助于用户做出有关过程设计的明智决策，并且发现提高其过程可持续性的机会。
连续搅拌罐式反应器与过程分析技术（PAT）
自动化实验室规模化学反应器可以很快速地从间歇式变为连续搅拌罐式反应器运行方式。
- EasyMax等平行合成反应器包含多个控制良好的独立式反应器，既可以单独使用，也可以与连续搅拌罐式反应器组合使用。
- 合成反应器与反应器控制系统可以作为单独的连续搅拌罐式反应器系统运行，也可以与由同一台电脑控制的其他反应器配套使用
- 对于结晶或多相反应，可利用压差输送浆料
过程分析技术对于保持稳态的监测与良好控制具有很大作用。
- FTIR光谱与拉曼光谱可以实时测量关键反应组分。
- 例如：在连续结晶中，FTIR光谱仪可以测量和呈现一种或多种关键溶质的稳态浓度。
- ReactRaman光谱仪测量与监测晶态随时间的变化
- ParticleTrack利用聚焦光束反射测量（FBRM）监测关键结晶参数，包括粒度分布与弦长
- pH与氧探头根据需要持续监测连续搅拌罐式反应器内的条件
是否在应用方面需要帮助？
我们的专家随时可以提供帮助
如果您对技术应用有任何疑问或需要帮助，我们的技术应用顾问团队随时准备为您提供正确的指导。
行业应用
Continuous Process for Safe Production of Diazomethane
ReactIR monitors the Diazoketone concentration and is used for RTD determination
作者介绍了利用内部膜分离技术开发由连续搅拌罐式反应器级联组成的重氮甲烷发生器的开发过程。他们分三步使用了这项技术，即：对手性α-氯酮（合成HIV蛋白酶抑制剂的一种重要中间体化合物）的伸缩合成。使用盘管反应器生成混合酸酐，将其送入连续搅拌罐式反应器重氮甲烷级联。特氟龙膜允许重氮甲烷扩散到连续搅拌罐式反应器中，并在其中与酸酐发生反应，从而形成相应的重氮酮。然后通过在间歇式反应器中与HCl发生反应，将重氮酮转化为α-氯酮。
ReactIR测量用于跟踪中间体重氮酮化合物的形成（跟踪2107 cm-1峰），还用于通过跟踪示踪物尝试性确定系统的停留时间分布。由ReactIR监测的示踪物实验确定，需要五台级联中第二台连续搅拌罐式反应器这样容积的反应器才能达到稳态，对应于6个小时的启动时间。
Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D., & Kappe, C. O. (2019). and Optimization of a Continuous Stirred Tank Reactor Cascade for Membrane-Based Diazomethane Production: Synthesis of α-Chloroketones. Organic Process Research & Development, 23(7), 1359–1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115
Automated Intermittent Flow Suzuki Coupling System with Associated Downstream Operations
OptiMax used as MSMPR reaction vessels in continuous crystallization
作者介绍了一种系统的开发过程，从而实现全自动间歇流动液-液Suzuki偶联，以及处理批量金属处理和连续结晶。对于连续结晶，OptiMax反应器作为多级混合悬浮与混合产物去除（MSMPR）容器串联使用，从而推动环境温度反溶剂结晶。
这些MSMPR容器充当连续搅拌罐式反应器，产生和输送含有产物晶体的浆液。作者报告说，结晶器中的标称停留时间是通过将结晶器的灌装量除以进料的总流速计算所得。在测量连续结晶的过程中采用了PAT（包括Particle Track与FBRM和衰减全反射（ATR）相结合）。
Cole, K. P., Campbell, B. M., Forst, M. B., McClary Groh, J., Hess, M., Johnson, M. D., Miller, R. D., Mitchell, D., Polster, C. S., Reizman, B. J., & Rosemeyer, M. (2016). An Automated Intermittent Flow Approach to Continuous Suzuki Coupling. Organic Process Research & Development, 20(4), 820–830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030
PFR-CSTR Cascade for Continuous Reactive Crystallization
ReactIR and ParticleTrack provide PAT information and feedback
作者介绍了组合式PFR-CSTR级联流动反应器系统的开发过程，该系统利用在线FTIR与FBRM传感器作为过程分析技术。该系统用于研究多种连续反应结晶，确定晶体形态、结晶粒度分布、反应和结晶产率以及过饱和度。对PFR、CSTR级联以及PFR-CSTR级联的停留时间分布（RTD）进行了测量，结果表明组合式PFR-CSTR级联的RTD比单独连续搅拌罐式反应器级联的RTD稍长。对于反应结晶，由于PFR的RTD较窄，因此PFR-CSTR级联系统的产率较高，从而最大限度地减少了未发生反应的材料与杂质的形成。
在反应结晶过程中，ReactIR与ParticleTrack探头对反应物的浓度以及晶体弦长进行了测量。由ReactIR测量的母液中的反应物浓度与HPLC结果非常一致（预测误差<0.17 %）。ParticleTrack测量显示了约150 µm的相对稳定弦长。
Hu, C., Shores, B. T., Derech, R. A., Testa, C. J., Hermant, P., Wu, W., Shvedova, K., Ramnath, A., Al Ismaili, L. Q., Su, Q., Sayin, R., Born, S. C., Takizawa, B., O’Connor, T. F., Yang, X., Ramanujam, S., & Mascia, S. (2020). Continuous reactive crystallization of an API in PFR-CSTR cascade with in-line PATs. Reaction Chemistry & Engineering, 5(10), 1950–1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j
引文与参考文献
期刊出版物中的连续搅拌罐式反应器
- Glace, M., Wu, W., Kraus, H., Acevedo, D., Roper, T. D., & Mohammad, A. (2023). Development of a continuous synthesis process for carbamazepine using validated in-line Raman spectroscopy and kinetic modelling for disturbance simulation.Reaction Chemistry and Engineering. https://doi.org/10.1039/d2re00476c
- Copelli, S., Petrucci, N. B., Florit, F., & Barozzi, M. (2022). Increasing Safety by Shifting Semi-Batch Polymerizations into Semi-Continuous Production.DOAJ (DOAJ: Directory of Open Access Journals). https://doi.org/10.3303/cet2290101
- Muir, R., G, B. J., Pearsall, A., Jorgensen, M. J., Sims, B., Yonoski, K., Mehta, N., & Salan, J. S. (2021). Development of a Safe Continuous Process to Sodium Nitrotetrazolate via Solid Phase “Catch and Release.”Organic Process Research & Development, 25(8), 1882–1888. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00129
- Talicska, C. N., O’Connell, E. C., Ward, H. W., Diaz, A., Hardink, M., Foley, D. P., Connolly, D., Girard, K. P., & Ljubicic, T. (2022). Process analytical technology (PAT): applications to flow processes for active pharmaceutical ingredient (API) development.Reaction Chemistry and Engineering, 7(6), 1419–1428. https://doi.org/10.1039/d2re00004k
- Ahmed, B., Brown, C., McGlone, T., Bowering, D., Sefcik, J., & Florence, A. J. (2019). Engineering of acetaminophen particle attributes using a wet milling crystallisation platform.International Journal of Pharmaceutics, 554, 201–211. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2018.10.073
- Copelli, S., Barozzi, M., Petrucci, N., & Moreno, V. C. (2019). Modeling and process optimization of a full-scale emulsion polymerization reactor.Chemical Engineering Journal, 358, 1410–1420. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.10.055
- Glace, A. M., Cohen, B. J., Dixon, D. D., Beutner, G. L., Vanyo, D., Akpinar, F., Rosso, V. W., Fraunhoffer, K. J., DelMonte, A. J., Santana, E., Wilbert, C., Gallo, F., & Bartels, W. (2020b). Safe Scale-up of an Oxygen-Releasing Cleavage of Evans Oxazolidinone with Hydrogen Peroxide.Organic Process Research & Development, 24(2), 172–182. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00462
- Hu, C., Shores, B. T., Derech, R. A., Testa, C. J., Hermant, P., Wu, W., Shvedova, K., Ramnath, A., Ismaili, L. Q. A., Su, Q., Sayin, R., Born, S. C., Takizawa, B., O’Connor, T. G., Yang, X., Ramanujam, S., & Mascia, S. (2020). Continuous reactive crystallization of an API in PFR-CSTR cascade with in-line PATs.Reaction Chemistry and Engineering, 5(10), 1950–1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j
- Feng, R., Ramchandani, S., Salih, N. M., Lim, X. Y., Tan, S., Lee, L. S., Teoh, S. S., Sharratt, P. N., & Boodhoo, K. (2019). Process Intensification Strategies and Sustainability Analysis for Amidation Processing in the Pharmaceutical Industry.Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(11), 4656–4666. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b04063
- Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D., & Kappe, C. O. (2019). and Optimization of a Continuous Stirred Tank Reactor Cascade for Membrane-Based Diazomethane Production: Synthesis of α-Chloroketones.Organic Process Research & Development, 23(7), 1359–1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115
- Agnew, L. R., McGlone, T., Wheatcroft, H. P., Robertson, A., Parsons, A. R., & Wilson, C. C. (2017). Continuous Crystallization of Paracetamol (Acetaminophen) Form II: Selective Access to a Metastable Solid Form.Crystal Growth & Design, 17(5), 2418–2427. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.6b01831
- Guinand, C. I., Dabros, M., Meyer, T., & Stoessel, F. (2017). Reactor dynamics investigation based on calorimetric data.Canadian Journal of Chemical Engineering. https://doi.org/10.1002/cjce.22700
- Yang, X., Acevedo, D., Mohammad, A., Pavurala, N., Wu, H., Brayton, A. L., Shaw, R., Goldman, M. J., He, F., Li, S., Fisher, R. N., O’Connor, T. G., & Cruz, C. N. (2017). Risk Considerations on Developing a Continuous Crystallization System for Carbamazepine.Organic Process Research & Development, 21(7), 1021–1033. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.7b00130
- Cole, K. D., Campbell, B. A., Forst, M. B., Groh, J. M., Hess, M., Johnson, M. H., Miller, R. A., Mitchell, D. L., Polster, C. S., Reizman, B. J., & Rosemeyer, M. (2016). An Automated Intermittent Flow Approach to Continuous Suzuki Coupling.Organic Process Research & Development, 20(4), 820–830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030
- Yang, Y., Song, L., & Nagy, Z. K. (2015). Automated Direct Nucleation Control in Continuous Mixed Suspension Mixed Product Removal Cooling Crystallization.Crystal Growth & Design, 15(12), 5839–5848. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.5b01219
- Rudniak, L., Machniewski, P., Milewska, A., & Molga, E. (2004). CFD modelling of stirred tank chemical reactors: homogeneous and heterogeneous reaction systems.Chemical Engineering Science, 59(22–23), 5233–5239. https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.09.014
FAQs
FAQs
什么是连续搅拌罐式反应器？连续搅拌罐式反应器的工作原理是什么？
连续搅拌罐式反应器（CSTR）是用于化学反应的容器。它允许反应所需的物质流入，同时产物流出。因此它成为了连续制造化学品的理想工具。连续搅拌罐式反应器将物质充分混合，并在稳定的条件下持续工作。通常，流出的混合物与内部的混合物相同，这取决于物质在容器中的停留时间以及反应发生的速度。
在某些情况下，当反应速度过慢或存在两种需要高搅拌速率的不同液体时，可以将多个连续搅拌罐式反应器连接在一起以形成级联。连续搅拌罐式反应器采用理想的返混，这与活塞流反应器（PFR）完全相反。
连续搅拌罐式反应器是否为间歇式反应器？
否。连续搅拌罐式反应器不是间歇式反应器。连续搅拌罐式反应器与间歇式反应器之间的主要区别在于，连续搅拌罐式反应器是一种连续流动反应器，其中将反应物不间断地引入反应器以及将产物持续排出，而在间歇式反应器中，向反应器内添加固定量的反应物，并且允许反应直至反应完成，然后排出产物。
在连续搅拌罐式反应器中，使用搅拌器连续混合反应物，以确保反应混合物均匀且充分混合。
连续搅拌罐式反应器通常用于需要连续供应反应物以满足生产需求的大规模工业过程。而间歇式反应器更常用于需要较少量的反应物进行测试与分析的实验室规模实验，还用于生产较小体积的药品、农用化学品与专用化学品。
连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器的区别是什么？
活塞流反应器与连续搅拌罐式反应器是工业与实验室环境中使用的两种常见的化学反应器。这两种反应器之间的主要区别在于其操作方式与应用。
- 活塞流反应器的运行方式是让反应物通过一个长管或通道，并在其通过反应器的同时混合与发生反应。在活塞流反应器中，应沿着管的长度精确控制反应条件，例如：温度与压力。来自活塞流反应器的产物流是连续的，并且反应物的转化率通常很高。活塞流反应器通常用于化学品与石化产品的大规模连续生产。
- 连续搅拌罐式反应器是一种充分混合的反应器，可连续搅拌料罐或容器中的反应物。在连续搅拌罐式反应器中，整个反应器内的反应条件是一致的，反应速率由进出料罐的反应物流速决定。连续搅拌罐式反应器通常用于需要高度混合和相对较短停留时间的均质与非均质反应。
总体而言，选择活塞流反应器还是连续搅拌罐式反应器取决于所进行的具体反应和所需的生产结果。高质量的实验室数据对于反应表征非常宝贵，过程建模可用于帮助选择反应器。了解关于连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器比较的更多信息。
连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器相比的优点是什么？
连续流动（CSTR）或PFR（活塞流）是否更适合特定应用取决于所进行的具体反应与所需结果。但是，一般来说，连续搅拌罐式反应器通常优于活塞流反应器，原因如下：
- 充分混合：连续搅拌罐式反应器可以充分混合反应物（尤其是浆料），这有助于保持一致的反应速率，同时可防止出现局部热点或死区。相反，活塞流反应器有时会产生温度、浓度或流速梯度，从而影响反应效率。
- 灵活性：连续搅拌罐式反应器具有高度灵活性，可轻松适应不同的反应条件或反应量。例如：可以通过改变流速轻松调节停留时间，还可以根据生产需求放大或缩小反应器。
- 缩短反应时间：连续搅拌罐式反应器通常可以在相对较短的停留时间内实现高转化率，因为反应物充分混合且反应条件一致。这可以缩短反应时间以及提高生产率。
- 成本较低：与活塞流反应器相比，连续搅拌罐式反应器的建造与运行通常更简单且成本较低，因为它们不需要长而专业的管道与相关设备。
总体而言，在连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器之间进行选择取决于所进行反应的具体需求，这两种反应器有着各自的优缺点。但是连续搅拌罐式反应器通常因其灵活性、良好的混合性以及能够在较短的停留时间内实现高转化率而受到青睐。