Реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR) представляет собой реакционный сосуд, в котором реагенты, реагенты и растворители поступают в реактор, а продукты реакции одновременно выходят из резервуара. Таким образом, резервуарный реактор считается ценным инструментом для непрерывной химической обработки.
Реакторы CSTR известны своим эффективным перемешиванием и стабильной, однородной работой в установившихся условиях. Как правило, выходной состав такой же, как и материал внутри реактора, что зависит от времени пребывания и скорости реакции.
В ситуациях, когда реакция протекает слишком медленно, когда две несмешивающиеся или вязкие жидкости требуют высокой скорости перемешивания, или когда требуется поведение потока пробки, несколько реакторов могут быть соединены вместе для создания каскада CSTR.
CSTR предполагает идеальный сценарий обратного смешивания, который является полной противоположностью реактору с пробковым потоком (PFR).
В целом, реакторы можно классифицировать как реакторы непрерывного действия (рис. 1), либо реакторы периодического действия (рис. 2). CSTR, как правило, меньше по размеру и обеспечивают плавное добавление реагентов и реагентов, в то время как продукт может вытекать непрерывно без перерыва.
В отличие от этого, реактор периодического действия представляет собой химический реактор, который включает в себя добавление фиксированного количества реагентов в корпус реактора, за которым следует процесс реакции до получения желаемого продукта. В отличие от реактора непрерывного действия, реагенты не добавляются непрерывно, и продукты не удаляются непрерывно. Кроме того, реакторы периодического действия не так равномерно перемешиваются, а условия температуры и давления могут меняться во время реакции.
CSTR обладают уникальной способностью работать с более высокими концентрациями реагентов, а также с более энергичными реакциями благодаря своим превосходным свойствам теплопередачи по сравнению с реакторами периодического действия. Таким образом, CSTR считается инструментом, поддерживающим химию потока.
Реакторы с непрерывным перемешиванием (КСТР) состоят из:
CSTR чаще всего используются в промышленной обработке, в первую очередь в однородных реакциях жидкофазного потока, где требуется постоянное перемешивание. Однако они также используются в фармацевтической промышленности и для биологических процессов, таких как клеточные культуры и ферментеры.
CSTR могут использоваться как в каскадном исполнении (рис. 3), так и автономно (рис. 1).
CSTR (рис. 1) и PFR (рис. 4) используются в химии непрерывного потока. CSTR и PFR могут функционировать как автономные реакционные системы или объединяться для формирования непрерывного технологического процесса. Перемешивание является важнейшим аспектом CSTR, в то время как PFR спроектированы как трубчатые реакторы, в которых отдельные движущиеся пробки содержат реагенты и реагенты, действующие как реакторы мини-периодического действия. Каждая вилка в PFR имеет немного разный состав, и они смешиваются внутри, но не с ближайшей вилкой впереди или позади нее. В идеально смешанном КСТР состав продукта однороден по всему объему, в то время как в ПФР состав продукта изменяется в зависимости от его положения в трубчатом реакторе. Каждый тип реактора имеет свой набор преимуществ и недостатков по сравнению с другими.
Несмотря на то, что CSTR может производить значительное количество продукта в единицу времени и может работать в течение длительных периодов времени, он может быть не лучшим выбором для реакций с медленной кинетикой. В таких случаях реакторы периодического действия, как правило, являются предпочтительным вариантом для синтеза.
Реакторы с пробковым потоком, как правило, более компактны и имеют более высокую степень конверсии по сравнению с другими типами реакторов. Однако они не подходят для высокоэкзотермических реакций, потому что может быть сложно контролировать внезапные скачки температуры. Кроме того, PFR, как правило, влекут за собой более высокие эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание, чем CSTR.
Ознакомьтесь с нашим полным списком ресурсов по экологически чистой и устойчивой химии, включая тематические исследования и отраслевые примеры. В этом информационном документе показано, как информация, полученная с помощью передовых технологий МЕТТЛЕР ТОЛЕДО, помогает поддерживать экологичную и устойчивую химию в исследованиях, разработках и производстве фармацевтических, химических и полимерных молекул и продуктов
Распределение времени пребывания (RTD) описывает время, в течение которого жидкий компонент остается в системе или реакторе. Время пребывания CSTR относится ко времени, которое реагенты проводят в реакторе, прежде чем они покинут его.
Понимание распределения времени пребывания CSTR имеет решающее значение при проектировании и оптимизации реакторов для химических реакций. Это помогает оценить эффективность реактора и продолжительность, необходимую для достижения полной реакции. Отклонение от идеальности может быть результатом канализации жидкости через сосуд, рециркуляции жидкости внутри сосуда или наличия плохо перемешанных или неподвижных участков в сосуде. В результате, функция распределения вероятностей, RTD, используется для описания количества времени, в течение которого любая конечная часть жидкости находится в реакторе. Это помогает охарактеризовать характеристики смешивания и потока в реакторе и сравнивать поведение реактора с идеальными моделями. Например, каскад CSTR демонстрирует более короткое время пребывания и разрешение реакции по мере увеличения количества реакторов в каскадной установке.
Распределение времени пребывания жидкости в сосуде может быть экспериментально определено путем добавления нереакционноспособного индикаторного вещества на вход в систему. Концентрация этого индикатора изменяется в зависимости от известной функции, а общие условия течения в сосуде определяются путем отслеживания концентрации индикатора в сточных водах резервуара.
«Зеленая» и устойчивая химия — это растущая тенденция в фармацевтической и тонкой химической промышленности. Этот подход к химии направлен на минимизацию воздействия химических процессов на окружающую среду за счет сокращения отходов и потребления энергии, использования возобновляемых ресурсов и разработки безопасных и эффективных процессов.
Используя программное обеспечение для моделирования, ученые и инженеры могут предсказывать, как химические реакции будут протекать в различных условиях, оптимизировать условия реакции, чтобы сократить отходы и потребление энергии, а также разрабатывать более безопасные и эффективные процессы. Например, можно быстро провести оценку периодического и поточного химического состава или определить размер CSTR для достижения наилучшей производительности. Непрерывные процессы могут быть более устойчивыми, чем периодические, по таким причинам, как меньший объем, меньшее использование растворителя и сокращение циклов очистки.
Моделирование химических реакций и имитационное моделирование особенно хорошо подходят для поддержки инициатив в области «зеленой» химии. Расширенные возможности моделирования Scale-up Suite позволяют пользователям точно моделировать сложные химические реакции, включая многоступенчатые реакции, и оптимизировать параметры процесса, такие как температура, давление и концентрация реагентов, чтобы свести к минимуму отходы и максимизировать выход продукции.
Scale-up Suite™ также имеет функции, которые позволяют пользователям оценивать воздействие своих процессов на окружающую среду, например, рассчитывать углеродный след или энергопотребление данной реакции. Эта информация может помочь пользователям принимать обоснованные решения о проектировании процессов и выявлять возможности для повышения их устойчивости.
Автоматизированные химические реакторы лабораторного масштаба могут помочь перейти от периодического к CSTR-режиму.
Процессно-аналитическая технология имеет неоценимое значение для обеспечения контроля и контроля в установившемся состоянии.
Если у вас есть вопросы или вам нужна помощь с вашим техническим приложением, наша команда консультантов по техническому применению готова направить вас в правильном направлении.
ReactIR отслеживает концентрацию диазокетонов и используется для определения РДТ
Авторы сообщают о разработке генератора диазометана, состоящего из каскада CSTR с технологией внутренней мембранной сепарации. Они использовали эту технологию в трехступенчатом телескопическом синтезе хирального α-хлоркетона – важного промежуточного соединения в синтезе ингибиторов протеазы ВИЧ. Змеевиковый реактор был использован для получения смешанного ангидрида, который был передан в каскад диазометана CSTR. Тефлоновая мембрана позволяла диффузию диазометана в CSTR, где он вступал в реакцию с ангидридом с образованием соответствующего диазокетона. Затем диазокетон превращали в α-хлоркетон реакцией с HCl в реакторе периодического действия.
Измерения ReactIR были использованы для отслеживания образования промежуточного соединения диазокетона (отслеживание пика 2107 см-1), а также для экспериментального определения распределения времени пребывания в системе путем отслеживания вещества-индикатора. Эксперимент с индикаторами, контролируемый ReactIR, показал, что для достижения устойчивого состояния требуется пять объемов реактора второго CSTR в каскаде, что соответствует 6-часовому времени запуска.
Верник, М., Похлауэр,., Шмёльцер, К., Даллингер, Д., и Каппе, К. О. (2019). Проектирование и оптимизация каскада реактора с непрерывным перемешиванием для мембранного производства диазометана: синтез α-хлоркетонов. Исследование и разработка органических процессов, 23(7), 1359–1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115
OptiMax используется в качестве реакционных сосудов MSMPR при непрерывной кристаллизации
Авторы сообщают о разработке системы, позволяющей полностью автоматизировать прерывистый поток жидкость-жидкость Suzuki, а также осуществлять периодическую обработку металла и непрерывную кристаллизацию. Что касается непрерывной кристаллизации, реакторы OptiMax использовались последовательно в качестве многоступенчатых сосудов для смешанной суспензии и удаления смешанных продуктов (MSMPR), обеспечивающих кристаллизацию антирастворителей при температуре окружающей среды.
Эти сосуды MSMPR действуют как CSTR, которые производят и передают суспензию, содержащую кристаллы продукта. Авторы сообщают, что номинальное время пребывания в кристаллизаторах рассчитывалось путем деления объема заполнения кристаллизаторов на суммарный расход поступающего сырья. При измерении непрерывной кристаллизации использовался PAT, в том числе ParticleTrack с FBRM и ослабленным полным отражением (ATR).
Коул, К.., Кэмпбелл, Б. М., Форст, М. Б., МакКлэри Гро, Дж., Хесс, М., Джонсон, М. Д., Миллер, Р. Д., Митчелл, Д., Польстер, К. С., Рейзман, Б. Дж., и Розмейер, М. (2016). Автоматизированный подход с прерывистым потоком для непрерывной муфты Suzuki. Исследования и разработки органических процессов, 20(4), 820–830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030
ReactIR и ParticleTrack предоставляют информацию о PAT и обратную связь
Авторы сообщают о разработке комбинированной каскадной проточной реакторной системы PFR-CSTR, включающей в себя встроенные ИК-Фурье и FBRM датчики в качестве процессно-аналитической технологии. Эта система была использована для исследования нескольких непрерывных реакционноспособных кристаллизаций, определения морфологии кристаллов, распределения кристаллов по размерам, выхода реакций и кристаллизаций, а также уровней пересыщения. Было измерено распределение времени пребывания (RTD) для PFR, каскада CSTR и каскада PFR-CSTR, которое показало, что комбинированный каскад PFR-CSTR имеет несколько более длительный RTD, чем только каскад CSTR. Для реактивной кристаллизации был получен более высокий выход для каскадной системы PFR-CSTR в результате более узкого RTD PFR, что сводит к минимуму как образование непрореагировавшего материала, так и примесей.
Зонды ReactIR и ParticleTrack измеряли концентрацию реагента и длину кристаллической хорды в процессе реактивной кристаллизации. Концентрации реагентов в маточном растворе, измеренные с помощью ReactIR, хорошо согласовывались с результатами ВЭЖХ (ошибка прогнозирования < 0,17 %). Измерения ParticleTrack показали относительно стабильную длину хорды ~ 150 мкм.
Ху, К., Шорс, Б. Т., Дерех, Р. А., Теста, К. Дж., Хермант,., Ву, В., Шведова, К., Рамнатх, А., Аль-Исмаили, Л. К., Су, К., говоря, Р., Борн, С. К., Такидзава, Б., О'Коннор, Т. Ф., Янг, X., Рамануджам, С., и Машия, С. (2020). Непрерывная реактивная кристаллизация АФИ в каскаде PFR-CSTR с поточными ПЭТ. Реакционная химия и инженерия, 5(10), 1950–1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j
Резервуарный реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR) представляет собой емкость, используемую для химических реакций. Он позволяет веществам, необходимым для реакции, поступать, в то время как продукты вытекают одновременно. Это делает его отличным инструментом для непрерывного производства химикатов. Реактор CSTR хорошо перемешивает вещества и стабильно работает в стационарных условиях. Как правило, смесь, которая выходит, такая же, как и то, что внутри, что зависит от того, как долго вещества находятся в контейнере и как быстро происходит реакция.
В некоторых случаях, когда реакция протекает слишком медленно или присутствуют две разные жидкости, требующие высокой скорости перемешивания, несколько CSTR могут быть соединены вместе, чтобы создать каскад. CSTR предполагает идеальное обратное смешивание, которое является противоположностью реактору с пробковым потоком (PFR).
Нет, реактор с непрерывным перемешиванием не является реактором периодического действия. Основное различие между реактором периодического действия и реактором периодического действия заключается в том, что реактор непрерывного действия, в котором реагенты непрерывно подаются в реактор и продукты непрерывно удаляются, в то время как в реакторе периодического действия в реактор добавляется фиксированное количество реагентов и дается им реакция до завершения реакции, прежде чем продукты будут удалены.
В CSTR реагенты непрерывно перемешиваются с помощью мешалки или мешалки, что обеспечивает однородность и хорошее перемешивание реакционной смеси.
CSTR часто используются в крупномасштабных промышленных процессах, где требуется непрерывная подача реагентов для удовлетворения производственных потребностей. С другой стороны, реакторы периодического действия чаще используются в лабораторных экспериментах, где для тестирования и анализа требуется меньшее количество реагентов, а также при производстве небольших объемов фармацевтических, агрохимических и специальных химикатов.
Узнайте больше о реакторах периодического действия и реакторах CSTR.
PFR (Plug Flow Reactor) и CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) — это два распространенных типа химических реакторов, используемых в промышленных и лабораторных условиях. Основные различия между этими двумя реакторами заключаются в принципе их работы и их применении.
В целом, выбор между PFR и CSTR зависит от конкретной проводимой реакции и желаемого производственного результата. Высококачественные лабораторные данные имеют неоценимое значение для определения характеристик реакции, а моделирование процесса может быть использовано для помощи в выборе реактора. Узнайте больше о CSTR и PFR.
Какой поток лучше подходит для конкретного применения, зависит от конкретной проводимой реакции и желаемого результата. Однако, как правило, CSTR часто предпочтительнее PFR по нескольким причинам:
В целом, выбор между CSTR и PFR зависит от конкретных потребностей проводимой реакции, и оба реактора имеют свои преимущества и недостатки. Тем не менее, CSTR часто предпочитают за их гибкость, хорошее смешивание и способность достигать высоких коэффициентов конверсии за короткое время пребывания.
