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CSTR 與間歇式反應器
一般來說，反應器可以分為連續反應器（圖1）或間歇反應器（圖2）。 CSTR 的尺寸通常較小，可以無縫添加反應物和試劑，同時產物可以連續流出而不會中斷。
相比之下，間歇式反應器是一種化學反應器，它涉及向反應器容器中加入固定量的反應物，然後進行反應過程，直到獲得所需產物。與連續反應器不同，反應物不會連續添加，產物也不會連續去除。此外，間歇式反應器混合不均勻，反應過程中溫度和壓力條件可能會發生變化。
與間歇式反應器相比，CSTR 具有處理更高濃度反應物和更高能量反應的獨特能力，因為它們具有更好的傳熱性能。以這種方式，CSTR 被認為是支援 流動化學的工具。
CSTR 的設計與運行
連續攪拌罐式反應器（CSTR）包括：
- 罐式反應堆
- 用於混合反應物的攪拌系統（葉輪或快速流動的反應物引入）
- 進料和出口管道，以引入反應物並去除產物
CSTR 最常用於工業加工，主要用於需要持續攪拌的均勻液相流反應。然而，它們也用於製藥工業和生物過程，如細胞培養和發酵罐。
CSTR 可用於級聯應用（圖 3）或獨立應用（圖 1）。
CSTR 和 PFR
CSTR 和 PFR（活塞流反應器）有什麼區別？
CSTR（圖1）和PFR（圖4）都用於 連續流動化學。 CSTR 和 PFR 既可以作為獨立的反應系統使用，也可以組合成連續流動過程的一部分。混合是 CSTR 的一個關鍵方面，而 PFR 被設計為管式反應器，其中單個移動塞包含反應物和試劑，充當小批量反應器。並流器混合器中的每個插頭的成分略有不同，它們在內部混合，但不與前面或後面的附近插頭混合。在理想混合的 CSTR 中，產物成分在整個體積中是均勻的，而在 PFR 中，產物組成取決於其在管式反應器中的位置。與其他反應堆相比，每種類型的反應堆都有自己的優點和缺點。
雖然 CSTR 可以在單位時間內產生大量產物，並且可以長時間運行，但它可能不是動力學緩慢反應的最佳選擇。在這種情況下，間歇式反應器通常是合成的首選。
與其他類型的反應器相比，活塞流反應器通常更節省空間，轉化率更高。然而，它們不適合高度放熱反應，因為控制突然的溫度波動可能具有挑戰性。此外，PFR 通常比 CSTR 需要更高的運營和維護成本。
CSTR 相對於 PFR 的優勢
- 溫度控制易於維護
- CSTR 的行為是眾所周知的，包括混合（處理固體和漿料的能力）、 反應量熱法、加藥選項和 化學動力學
- 比專用的專用流量系統更便宜、更易於構建
- 反應器內部可用於 過程分析技術 （PAT）
- 可以很容易地連接多個單元進行級聯操作，或與 PFR 等整合到更複雜的流量系統中。
推進綠色化學
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優化 CSTR 性能
CSTR 停留時間分佈 （RTD）
停留時間分佈 （RTD） 描述了流體組分在系統或反應器中停留的持續時間。CSTR 停留時間與反應物在離開反應器之前在反應器中停留的時間有關。
瞭解 CSTR 的停留時間分佈對於設計和優化化學反應反應器至關重要。它有助於評估反應器的效率和實現完全反應所需的持續時間。偏離理想性可能是由於流體通過容器的通道、容器內流體的迴圈或容器中存在混合不良或靜止區域。因此，概率分佈函數 RTD 用於描述流體的任何有限部分在反應器中停留的時間量。這有助於表徵反應器中的混合和流動特性，並將反應器的行為與理想模型進行比較。例如，隨著級聯裝置中反應器數量的增加，級聯 CSTR 表現出更嚴格的停留時間和反應解析度。
流體在容器中的停留時間分佈可以通過在系統入口中加入非反應性示蹤物質來實驗確定。該示蹤劑的濃度由已知函數變化，並且通過跟蹤容器流出物中示蹤劑的濃度來確定容器中的整體流動條件。
綠色化學建模
綠色和可持續化學 是製藥和精細化工行業的增長趨勢。這種化學方法旨在通過減少浪費和能源消耗、使用可再生資源以及設計安全高效的工藝來最大限度地減少化學過程對環境的影響。
通過使用建模軟體，科學家和工程師可以預測化學反應在不同條件下的行為，優化反應條件以減少浪費和能源消耗，並設計更安全、更高效的工藝。 例如，可以快速評估 批次化學與流動化學 ，或確定 CSTR 的大小以獲得最佳性能。 連續過程可能比間歇式更可持續， 由於體積更小、溶劑使用量更少和清潔週期更短等原因。
化學反應建模和模擬 特別適合支援綠色化學計劃。Scale-up Suite 的高級建模功能使用戶能夠準確類比複雜的化學反應，包括多步反應，並優化溫度、壓力和反應物濃度等工藝參數，以最大限度地減少浪費並最大限度地提高產量。
Scale-up Suite™ 還具有允許用戶評估其工藝對環境影響的功能，例如計算給定反應的碳足跡或能耗。這些資訊可以幫助使用者在流程設計方面做出明智的決策，並確定使其流程更具可持續性的機會。
CSTR 和過程分析技術 （PAT）
自動化實驗室規模 的化學反應器 有助於從間歇式操作轉換為 CSTR 操作。
- EasyMax等 並聯合成反應器具有多個控制良好的獨立反應器，可以單獨使用，也可以作為CSTR一起使用
- 合成反應器 和 反應器控制系統 可以作為單個 CSTR 系統運行，也可以與由同一台 PC 控制的其他反應器耦合
- 對於 結晶 或多相反應，可以使用壓差來轉移漿料
過程分析技術對於保持穩態監測和良好控制非常寶貴。
- 傅里葉變換紅外光譜 和 拉曼光譜 可實時測量關鍵反應物質。
- 例如，在 連續結晶中， 傅里葉變換紅外光譜儀 可以 測量和呈現一種或多種關鍵溶質的穩態濃度。
- 拉曼光譜儀 測量和監測晶體形態隨時間的變化
- ParticleTrack 使用 聚焦光束反射率測量 （FBRM） 來監測關鍵結晶參數，包括 粒度分佈 和弦長
- pH 和 O₂ 探頭 可根據需要持續監測 CSTR 中的條件
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行業應用
安全生產重氮甲烷的連續工藝
ReactIR 監測二唑酮濃度並用於 RTD 測定
作者報告了由CSTR級聯和內部膜分離技術組成的重氮甲烷發生器的開發。他們將這項技術用於手性α-氯酮的三步望遠鏡合成 - 這是合成HIV蛋白酶抑製劑的重要中間化合物。使用盤管反應器生成混合酸酐，該酸酐被傳遞到CSTR重氮甲烷級聯中。聚四氟乙烯膜允許重氮甲烷擴散到CSTR中，在那裡它與酸酐反應形成相應的重氮酮。然後通過在間歇反應器中與HCl反應將重氮酮轉化為α-氯酮。
ReactIR 測量用於跟蹤中間重氮酮化合物的形成（跟蹤 2107 cm-1 峰），並通過跟蹤示蹤物質通過實驗確定系統的停留時間分佈。ReactIR 監測的示蹤劑實驗確定，級聯中第二個 CSTR 需要五個反應器體積才能達到穩定狀態，相當於 6 小時的啟動時間。
Wernik，M.，Poechlauer，P.，Schmoelzer，C.，Dallinger，D.和Kappe，CO（2019）。用於膜基重氮甲烷生產的連續攪拌罐式反應器級聯的設計與優化：α-氯酮的合成。有機過程研究與開發，23（7），1359–1368。https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115
自動間歇流鈴木耦合系統與相關的下游操作
OptiMax 在連續結晶中用作 MSMPR 反應容器
作者報告了一種系統的開發，該系統可實現全自動間歇流動液液-液鈴木聯軸器，以及處理間歇金屬處理和 連續結晶。在 連續結晶方面，OptiMax反應器串聯用作 多級混合懸浮和混合產物去除（MSMPR）容器， 驅動環境溫度抗溶劑結晶。
這些 MSMPR 容器充當 CSTR，用於生產和轉移含有產品晶體的漿料。作者報告說，結晶器中的標稱停留時間是通過結晶器的填充體積除以進料的總流速來計算的。PAT包括 帶有FBRM 和 衰減全反射率（ATR）的ParticleTrack，用於測量 連續結晶。
科爾，KP，坎貝爾，BM，福斯特，MB，麥克拉裡格羅，J.，赫斯，M.，詹森，MD，米勒，RD，米切爾，D.，波爾斯特，CS，Reizman，BJ和Rosemeyer，M.（2016）。一種用於連續鈴木聯軸器的自動間歇流動方法。有機過程研究與開發，20（4），820–830。https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030
用於連續反應結晶的 PFR-CSTR 級聯
ReactIR 和 ParticleTrack 提供 PAT 資訊和反饋
作者報告了 PFR-CSTR 組合式複疊流反應器系統的開發，該系統將 在線 FTIR 和 FBRM 感測器作為過程分析技術。該系統用於研究幾種連續反應結晶，確定晶體形貌、晶體尺寸分佈、反應和結晶產率以及過飽和水準。測量了PFR、CSTR級聯和PFR-CSTR級聯的停留時間分佈（RTD），結果表明，PFR-CSTR級聯組合的RTD略長於單獨使用CSTR級聯的RTD。對於反應結晶，由於 PFR 的 RTD 更窄，PFR-CSTR 級聯系統獲得了更高的產率，最大限度地減少了未反應材料和雜質的形成。
ReactIR 和 ParticleTrack 探頭在反應結晶過程中測量反應物濃度和晶弦長度。ReactIR測得的母液中反應物濃度與HPLC結果吻合良好（預測誤差<0.17%）。ParticleTrack的測量結果顯示，弦長相對穩定，為~150 μm。
胡，C.，肖爾斯，BT，德里克，RA，泰斯塔，CJ，赫爾曼特，P.，吳，W.，什維多娃，K.，拉姆納特，A.，伊斯瑪儀，L.Q.，蘇，Q.，說，R.，博恩，SC，泷澤，B.，奧康納，TF，楊，X.，拉馬努賈姆，S.和馬西亞，S.（2020）。使用在線 PAT 在 PFR-CSTR 級聯中對 API 進行連續反應結晶。反應化學與工程，5（10），1950-1962。https://doi.org/10.1039/d0re00216j
相關資源
引文和參考文獻
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常見問題
FAQs
什麼是 CSTR？CSTR 如何工作？
連續攪拌罐式反應器（CSTR）是用於化學反應的容器。它允許反應所需的物質流入，同時產物流出。這使它成為連續製造化學品的絕佳工具。CSTR反應器可以很好地混合物質，並在穩定的條件下始終如一地工作。通常，出來的混合物與裡面的混合物相同，這取決於物質在容器中的停留時間以及反應發生的速度。
在某些情況下，當反應太慢或存在兩種不同的液體需要高攪拌速率時，可以將多個 CSTR 連接在一起以形成級聯反應。CSTR 假設理想的回混，這與活塞流反應器 （PFR） 相反。
CSTR 是間歇式反應器嗎？
不，CSTR（連續攪拌罐式反應器）不是間歇式反應器。CSTR 和間歇式反應器之間的主要區別在於，CSTR 是一種連續流反應器，其中反應物不斷送入反應器並連續去除產物，而在間歇式反應器中，將固定量的反應物添加到反應器中並允許反應直到反應完成，然後再去除產物。
在 CSTR 中，使用攪拌器或攪拌器連續混合反應物，以確保反應混合物均勻且混合良好。
CSTR 通常用於需要持續供應反應物以滿足生產需求的大規模工業過程。另一方面，間歇式反應器更常用於實驗室規模的實驗，其中需要少量的反應物進行測試和分析，以及生產小體積的藥品、農用化學品和特種化學品。
CSTR 反應器和 PFR 有什麼區別？
PFR（活塞流反應器）和 CSTR（連續攪拌罐式反應器）是工業和實驗室環境中使用的兩種常見化學反應器類型。這兩個反應堆之間的主要區別在於它們的運行方式和應用。
- PFR 通過長管或通道使反應物通過長管或通道來工作，它們在通過反應器時混合和反應。在 PFR 中，應沿管的長度精確控制反應條件，例如溫度和壓力。並流式混合動力槍的產物流是連續的，反應物的轉化率通常很高。並流蓄熱器通常用於化學品和石化產品的大規模、連續生產。
- CSTR 是一種混合良好的反應器，可連續攪拌罐或容器中的反應物。在CSTR中，整個反應器的反應條件是均勻的，反應速率由反應物進出罐的流速決定。CSTR通常用於需要高度混合和相對較短停留時間的均相和非均相反應。
總體而言，PFR 和 CSTR 之間的選擇取決於所進行的特定反應和所需的生產結果。 高品質的實驗室數據對於反應表徵非常寶貴，過程建模可用於幫助選擇反應器。 瞭解有關 CSTR 與 PFR 的更多資訊。
與 PFR 相比，CSTR 有哪些優勢？
連續流 （CSTR） 或 PFR（活塞流）是否更適合特定應用取決於所進行的特定反應和所需的結果。但是，一般來說，CSTR 通常比 PFR 更受歡迎，原因如下：
- 良好的混合性：CSTR提供了反應物的良好混合，尤其是漿料，這有助於保持均勻的反應速率並防止局部熱點或死區。相反，PFR有時會導致溫度、濃度或流速的梯度，從而影響反應效率。
- 靈活性：CSTR具有高度的靈活性，可以很容易地適應不同的反應條件或體積。例如，可以通過改變流速輕鬆調整停留時間，並且可以根據生產需要擴大或縮小反應器。
- 縮短反應時間：由於反應物混合良好且反應條件均勻，CSTR通常可以在相對較短的停留時間內實現高轉化率。這可以導致更快的反應時間和更高的生產率。
- 成本更低：CSTR 通常比 PFR 更簡單、建造和操作成本更低，因為它們不需要長而專用的管道和相關設備。
總體而言，CSTR 和 PFR 之間的選擇取決於所進行反應的具體需求，兩種反應器都有其優點和缺點。然而，CSTR 通常因其靈活性、良好的混合性以及在短停留時間內實現高轉化率的能力而受到青睞。