Kontinuerlige omrørte tankreaktorer (CSTR'er)

Flowteknologi til kemiske og biologiske synteser

Ring for tilbud

Hvad er en kontinuerlig omrørt tankreaktor?

En kontinuerlig omrørt tankreaktor (CSTR) er en reaktionsbeholder, hvori reagenser, reaktanter og opløsningsmidler strømmer ind i reaktoren, mens reaktionsprodukterne samtidig forlader beholderen. På denne måde anses tankreaktoren for at være et værdifuldt værktøj til kontinuerlig kemisk behandling.

CSTR-reaktorer er kendt for deres effektive blanding og stabile, ensartede ydeevne under stationære forhold. Typisk er udgangssammensætningen den samme som materialet inde i reaktoren, hvilket afhænger af opholdstiden og reaktionshastigheden.

I situationer, hvor en reaktion er for langsom, når to ublandbare eller viskøse væsker kræver en høj omrøringshastighed, eller når der ønskes stikstrømsadfærd, kan flere reaktorer forbindes sammen for at skabe en CSTR-kaskade.

En CSTR antager et ideelt backmix-scenarie, hvilket er det nøjagtige modsatte af en plug flow-reaktor (PFR).

CSTR vs batchreaktor

Generelt kan reaktorer klassificeres som enten kontinuerlige (fig. 1) eller batchreaktorer (fig. 2). CSTR'er er typisk mindre i størrelse og muliggør problemfri tilsætning af reaktanter og reagenser, mens produktet kan strømme kontinuerligt ud uden afbrydelse.

I modsætning hertil er en batchreaktor en kemisk reaktor, der involverer tilsætning af en fast mængde reaktanter til reaktorbeholderen efterfulgt af reaktionsprocessen, indtil det ønskede produkt opnås. I modsætning til en kontinuerlig reaktor tilsættes reaktanter ikke kontinuerligt, og produkter fjernes ikke kontinuerligt. Desuden blandes batchreaktorer ikke så ensartet, og temperatur- og trykforholdene kan variere under reaktionen.

CSTR'er har den unikke evne til at håndtere højere reaktantkoncentrationer såvel som mere energiske reaktioner på grund af deres overlegne varmeoverførselsegenskaber sammenlignet med batchreaktorer. På denne måde betragtes en CSTR som et værktøj, der understøtter flowkemi.

Design og drift af CSTR'er

Kontinuerlige omrørte tankreaktorer (CSTR'er) består af:

  • En tankreaktor
  • Omrøringssystem til blanding af reaktanter (pumpehjul eller hurtigt flydende introduktion af reaktanter)
  • Foder- og udgangsrør for at introducere reaktanter og fjerne produkter

CSTR'er anvendes mest i industriel forarbejdning, primært i homogene væskefaseflowreaktioner, hvor konstant omrøring er påkrævet. De bruges dog også i medicinalindustrien og til biologiske processer, såsom cellekulturer og fermentorer.

CSTR'er kan anvendes i en kaskadeapplikation (fig. 3) eller enkeltstående (fig. 1).

CSTR og PFR

Hvad er forskellen mellem CSTR og PFR (plug flow reactor)?

CSTR'er (fig. 1) og PFR'er (fig. 4) anvendes begge i kontinuerlig strømningskemi. CSTR'er og PFR'er kan enten fungere som selvstændige reaktionssystemer eller kombineres for at indgå i en kontinuerlig strømningsproces. Blanding er et afgørende aspekt af CSTR'er, mens PFR'er er designet som rørformede reaktorer, hvor individuelle bevægelige stik indeholder reaktanter og reagenser, der fungerer som minibatchreaktorer. Hvert stik i en PFR har en lidt anden sammensætning, og de blandes internt, men ikke med det nærliggende stik foran eller bagved. I en ideelt blandet CSR er produktsammensætningen ensartet i hele volumenet, mens produktsammensætningen i en PFR varierer afhængigt af dens position i den rørformede reaktor. Hver type reaktor har sit eget sæt fordele og ulemper sammenlignet med de andre.

Mens en CSTR kan producere betydelige mængder produkt pr. Tidsenhed og kan fungere i længere perioder, er det muligvis ikke det bedste valg til reaktioner med langsom kinetik. I sådanne tilfælde er batchreaktorer typisk den foretrukne mulighed for syntese.

Plug flow-reaktorer er generelt mere pladseffektive og har højere konverteringsfrekvenser sammenlignet med andre typer reaktorer. De er dog ikke egnede til stærkt eksoterme reaktioner, fordi det kan være udfordrende at kontrollere pludselige temperaturstigninger. Desuden medfører PFR'er typisk højere drifts- og vedligeholdelsesomkostninger end CSTR'er.

Fordele ved CSTR i forhold til PFR

  • Temperaturregulering opretholdes let
  • CSTR-adfærd er velkendt, herunder i blanding (evne til at håndtere faste stoffer og opslæmninger), reaktionskalorimetri, doseringsmuligheder og kemisk kinetik
  • Billigere og lettere at konstruere end dedikerede specialflowsystemer
  • Det indre af reaktoren er tilgængeligt for procesanalytisk teknologi (PAT)
  • Flere enheder kan nemt sammenføjes til kaskadedrift eller integration i mere komplekse flowsystemer med PFR osv.

 

Ulemper ved CSTR i forhold til PFR

  • Samlet gennemstrømning pr. volumenenhed er typisk lavere end rørformede flowreaktorer
  • En stabil tilstand skal opretholdes, så systemet skal forstås godt
  • Enkelte enheder er ikke optimale til reaktioner med langsom kinetik

 

Vejledning i grøn kemi og bæredygtig teknik
Fordeling af opholdstid (FTU) i CSTR-reaktorer
CSR modellering og simulering
CSTR og procesanalytisk teknologi
Kappet reaktorstøtte

Industri applikationer

Kontinuerlig proces til sikker produktion af diazomethan

ReactIR overvåger diazoketonkoncentrationen og anvendes til RTD-bestemmelse

Forfatterne rapporterer udviklingen af en diazomethangenerator bestående af en CSTR-kaskade med intern membranseparationsteknologi. De brugte denne teknologi i en tre-trins, teleskopiseret syntese af en chiral α-chloroketon - en vigtig mellemliggende forbindelse i syntesen af HIV-proteasehæmmere. En spolereaktor blev brugt til at generere et blandet anhydrid, der blev passeret ind i CSTR-diazomethankaskaden. Teflonmembranen tillod diffusion af diazomethan ind i CSTR, hvor den reagerede med anhydridet for at danne den tilsvarende diazoketon. Diazoketonen blev derefter omdannet til α-chlorketon ved reaktion med HCI i en batchreaktor.

ReactIR-målinger blev brugt til at følge dannelsen af den mellemliggende diazoketonforbindelse (sporing 2107 cm-1 top) og også til eksperimentelt at bestemme opholdstidsfordelingen for systemet ved at spore sporstoffet. Sporstofeksperimentet, der blev overvåget af ReactIR, fastslog, at fem reaktorvolumener af den anden CSTR i kaskaden var nødvendige for at nå steady state, svarende til en 6-timers opstartstid. 

Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D., & Kappe, C. O. (2019). Design og optimering af en kontinuerlig omrørt tankreaktorkaskade til membranbaseret diazomethanproduktion: syntese af α-chlorketoner. Forskning og udvikling i organiske processer, 23(7), 1359–1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115

 

Automatiseret Suzuki-koblingssystem med intermitterende flow med tilhørende downstream-operationer

OptiMax anvendes som MSMPR-reaktionsbeholdere i kontinuerlig krystallisation

Forfatterne rapporterer udviklingen af et system til at muliggøre en fuldautomatisk intermitterende flowvæske-flydende Suzuki-kobling samt håndtere batchmetalbehandling og kontinuerlig krystallisering. Med hensyn til den kontinuerlige krystallisering blev OptiMax-reaktorer anvendt i serie som flertrins blandet suspension og blandet produktfjernelse (MSMPR) beholdere , der drev omgivelsestemperaturens antisolventkrystallisation.

Disse MSMPR-fartøjer fungerer som CSTR'er, der producerer og overfører en gylle, der indeholder krystaller af produktet. Forfatterne rapporterer, at den nominelle opholdstid i krystallisatorerne blev beregnet af krystallisatorernes påfyldningsvolumen divideret med den samlede strømningshastighed for indgående feeds. PAT, herunder ParticleTrack med FBRM og svækket total reflektans (ATR), blev anvendt til måling af den kontinuerlige krystallisering

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). En automatiseret intermitterende flowtilgang til kontinuerlig Suzuki-kobling. Forskning og udvikling i organiske processer, 20(4), 820–830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030

 

PFR-CSTR-kaskade til kontinuerlig reaktiv krystallisation

ReactIR og ParticleTrack giver PAT-information og feedback

Forfatterne rapporterer udviklingen af et kombineret PFR-CSTR-kaskadeflowreaktorsystem, der inkorporerede inline FTIR - og FBRM-sensorer som procesanalytisk teknologi. Dette system blev brugt til at undersøge flere kontinuerlige reaktive krystalliseringer, bestemmelse af krystalmorfologi, krystalstørrelsesfordeling, reaktions- og krystallisationsudbytter og overmætningsniveauer. Opholdstidsfordelingen (RTD) for PFR-, CSTR-kaskade- og PFR-CSTR-kaskaden blev målt og viste, at den kombinerede PFR-CSTR-kaskade havde en lidt længere RTD end CSTR-kaskaden alene. Til den reaktive krystallisation blev der opnået et højere udbytte for PFR-CSTR-kaskadesystemet som et resultat af PFR's smallere RTD, hvilket minimerede både ureageret materiale og urenhedsdannelse.

ReactIR - og ParticleTrack-sonder målte reaktantkoncentrationen og krystalakkordlængden under den reaktive krystallisationsproces. Reaktantkoncentrationerne i moderlud målt ved ReactIR var i god overensstemmelse med HPLC-resultaterne (forudsigelsesfejl < 0,17 %). ParticleTrack-målinger afslørede en relativt stabil akkordlængde på ~ 150 μm. 

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., siger, R., Born, S. C., Takizawa, B., O'Connor, T. F., Yang, X., Ramanujam, S., & Mascia, S. (2020). Kontinuerlig reaktiv krystallisation af en API i PFR-CSTR-kaskade med in-line PAT'er. Reaktionskemi og teknik, 5(10), 1950–1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j

 

 

 

 

 

Relaterede ressourcer

Citater og referencer

Ofte stillede spørgsmål

FAQs

Hvad er en CSTR? Hvordan fungerer en CSTR?

En kontinuerlig omrørt tankreaktor (CSTR) er en beholder, der anvendes til kemiske reaktioner. Det tillader de stoffer, der er nødvendige for reaktionen, at strømme ind, mens produkterne strømmer ud på samme tid. Dette gør det til et fantastisk værktøj til kontinuerlig fremstilling af kemikalier. CSTR-reaktoren blander stofferne godt og fungerer konsekvent under stabile forhold. Typisk er blandingen, der kommer ud, den samme som hvad der er indeni, hvilket afhænger af, hvor længe stofferne er i beholderen, og hvor hurtigt reaktionen opstår.

I visse tilfælde, når en reaktion er for langsom, eller to forskellige væsker er til stede, der kræver en høj omrøringshastighed, kan flere CSTR'er forbindes sammen for at skabe en kaskade. En CSTR antager ideel backmixing, hvilket er det modsatte af en plug flow-reaktor (PFR).

Er en CSTR en batchreaktor?

Nej, en CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) er ikke en batchreaktor. Hovedforskellen mellem en CSTR og en batchreaktor er, at en CSTR er en kontinuerlig strømningsreaktor, hvor reaktanter kontinuerligt føres ind i reaktoren, og produkter fjernes kontinuerligt, mens der i en batchreaktor tilsættes en fast mængde reaktanter til reaktoren og får lov til at reagere, indtil reaktionen er afsluttet, før produkterne fjernes.

I en CSR blandes reaktanterne kontinuerligt ved hjælp af en omrører eller omrører, som sikrer, at reaktionsblandingen er homogen og godt blandet. 

CSTR'er bruges ofte i store industrielle processer, hvor der kræves en kontinuerlig forsyning af reaktanter for at imødekomme produktionskravene. Batchreaktorer anvendes derimod mere almindeligt i laboratorieforsøg, hvor der kræves mindre mængder reaktanter til test og analyse og til fremstilling af lægemidler i mindre mængder, agrokemikalier og specialkemikalier.

Lær mere om batch vs CSTR reaktorer.

Hvad er forskellen mellem en CSTR-reaktor og PFR?

PFR (Plug Flow Reactor) og CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) er to almindelige typer kemiske reaktorer, der anvendes i industrielle og laboratorieindstillinger. De vigtigste forskelle mellem disse to reaktorer er den måde, de fungerer på, og deres anvendelser.

  • PFR fungerer ved at føre reaktanter gennem et langt rør eller kanal, hvor de blandes og reagerer, når de bevæger sig gennem reaktoren. I en PFR skal reaktionsbetingelserne, såsom temperatur og tryk, styres præcist langs rørets længde. Produktstrømmen fra en PFR er kontinuerlig, og konverteringsfrekvensen for reaktanter er typisk høj. PFR'er bruges ofte til storstilet, kontinuerlig produktion af kemikalier og petrokemikalier.
  • CSTR er en godt blandet reaktor, der kontinuerligt omrører reaktanter i en tank eller beholder. I en CSR er reaktionsbetingelserne ensartede i hele reaktoren, og reaktionshastigheden bestemmes af strømningshastigheden af reaktanter ind og ud af tanken. CSTR'er anvendes almindeligvis til homogene og heterogene reaktioner, der kræver en høj grad af blanding og en relativt kort opholdstid.

Samlet set afhænger valget mellem en PFR og CSTR af den specifikke reaktion, der udføres, og det ønskede produktionsresultat. Laboratoriedata af høj kvalitet er uvurderlige til reaktionskarakterisering, og procesmodellering kan bruges til at hjælpe reaktorvalg. Lær mere om CSTR vs PFR.

Hvad er fordelene ved CSTR i forhold til PFR?

Hvorvidt kontinuerlig strømning (CSTR) eller PFR (plug flow) er bedre til en bestemt applikation, afhænger af den specifikke reaktion, der udføres, og det ønskede resultat. Generelt foretrækkes CSTR'er imidlertid ofte frem for PFR'er af flere årsager:

  1. God blanding: CSTR'er giver god blanding af reaktanter, især opslæmninger, hvilket hjælper med at opretholde en ensartet reaktionshastighed og forhindre lokaliserede hot spots eller døde zoner. I modsætning hertil kan PFR'er undertiden føre til gradienter i temperatur, koncentration eller strømningshastighed, hvilket kan påvirke reaktionseffektiviteten.
  2. Fleksibilitet: CSTR'er er meget fleksible og kan let tilpasses forskellige reaktionsbetingelser eller volumener. For eksempel kan opholdstiden let justeres ved at ændre strømningshastigheden, og reaktoren kan skaleres op eller ned afhængigt af produktionsbehovet.
  3. Reduceret reaktionstid: CSTR'er kan ofte opnå en høj konverteringsfrekvens på en relativt kort opholdstid, da reaktanterne er godt blandede, og reaktionsbetingelserne er ensartede. Dette kan føre til hurtigere reaktionstider og højere produktionshastigheder.
  4. Lavere omkostninger: CSTR'er er generelt enklere og billigere at konstruere og betjene end PFR'er, da de ikke kræver lange, specialiserede slanger og tilhørende udstyr.

Samlet set afhænger valget mellem en CSTR og en PFR af de specifikke behov for den reaktion, der udføres, og begge reaktorer har deres fordele og ulemper. CSTR'er foretrækkes dog ofte for deres fleksibilitet, gode blanding og evne til at opnå høje konverteringsfrekvenser på kort opholdstid.

Lær mere om CSTR vs PFR.