- Batchreaktor vs CSTR
- CSTR-design
- PFR vs CSTR
- Fordeler og ulemper
- CSTR fordeling av oppholdstid (RTD)
- Modellering og simulering av CSTRs
- PAT-integrasjon
- Industrielle applikasjoner
- Sitater og referanser
- Vanlige spørsmål
En kontinuerlig omrørt tankreaktor (CSTR) er en reaksjonsbeholder hvor reagenser, reaktanter og løsningsmidler strømmer inn i reaktoren mens reaksjonsproduktene samtidig forlater beholderen. På denne måten anses tankreaktoren å være et verdifullt verktøy for kontinuerlig kjemisk behandling.
CSTR-reaktorer er kjent for sin effektive blanding og stabile, jevne ytelse under stabile forhold. Vanligvis er utgangssammensetningen den samme som materialet inne i reaktoren, som avhenger av oppholdstid og reaksjonshastighet.
I situasjoner der en reaksjon er for langsom, når to ikke-blandbare eller viskøse væsker krever høy omrøringshastighet, eller når pluggstrømningsoppførsel er ønsket, kan flere reaktorer kobles sammen for å skape en CSTR-kaskade.
En CSTR antar et ideelt backmixing-scenario, som er det motsatte av en plug flow-reaktor (PFR).
Generelt kan reaktorer klassifiseres som enten kontinuerlige (fig. 1) eller batchreaktorer (fig. 2). CSTR-er er vanligvis mindre i størrelse og muliggjør sømløs tilsetning av reaktanter og reagenser mens produktet kan strømme ut kontinuerlig uten avbrudd.
I motsetning til dette er en batchreaktor en kjemisk reaktor som involverer tilsetning av en fast mengde reaktanter til reaktorbeholderen, etterfulgt av reaksjonsprosessen til det ønskede produkt er oppnådd. I motsetning til en kontinuerlig reaktor tilsettes ikke reaktanter kontinuerlig, og produktene fjernes ikke kontinuerlig. Videre er batchreaktorer ikke så jevnt blandet, og temperatur- og trykkforholdene kan variere under reaksjonen.
CSTR-er har den unike evnen til å håndtere høyere reaktantkonsentrasjoner, samt mer energiske reaksjoner på grunn av deres overlegne varmeoverføringsegenskaper sammenlignet med batchreaktorer. På denne måten betraktes en CSTR som et verktøy som støtter strømningskjemi.
Kontinuerlige rørte tankreaktorer (CSTR) består av:
CSTR er mest brukt i industriell prosessering, primært i homogene væskefasestrømningsreaksjoner der konstant omrøring er nødvendig. Imidlertid brukes de også i farmasøytisk industri og for biologiske prosesser, som cellekulturer og fermentorer.
CSTR kan brukes i en kaskadeapplikasjon (fig. 3) eller frittstående (figur 1).
CSTR (fig 1) og PFR (fig 4) brukes begge i kontinuerlig strømningskjemi. CSTR og PFR kan enten fungere som frittstående reaksjonssystemer eller kombineres for å inngå i en kontinuerlig strømningsprosess. Blanding er et viktig aspekt ved CSTR, mens PFR er utformet som rørformede reaktorer der individuelle bevegelige plugger inneholder reaktanter og reagenser, som fungerer som mini-batch-reaktorer. Hver plugg i en PFR har en litt annen sammensetning, og de blandes internt, men ikke med den nærliggende pluggen foran eller bak den. I en ideelt blandet CSTR er produktsammensetningen jevn gjennom hele volumet, mens i en PFR varierer produktsammensetningen avhengig av posisjonen i den rørformede reaktoren. Hver type reaktor har sitt eget sett med fordeler og ulemper sammenlignet med de andre.
Mens en CSTR kan produsere betydelige mengder produkt per tidsenhet og kan fungere i lengre perioder, er det kanskje ikke det beste valget for reaksjoner med langsom kinetikk. I slike tilfeller er batchreaktorer vanligvis det foretrukne alternativet for syntese.
Plug flow-reaktorer er generelt mer plasseffektive og har høyere konverteringsfrekvenser sammenlignet med andre typer reaktorer. Imidlertid er de ikke egnet for svært eksoterme reaksjoner fordi det kan være utfordrende å kontrollere plutselige temperaturstigninger. Videre medfører PFR vanligvis høyere drifts- og vedlikeholdskostnader enn CSTR.
Se vår komplette liste over grønne og bærekraftige kjemiressurser, inkludert casestudier og industrieksempler. Dette white paperet viser hvordan informasjonen fra avansert teknologi fra METTLER TOLEDO bidrar til å støtte grønn og bærekraftig kjemi innen forskning, utvikling og produksjon av farmasøytiske, kjemiske og polymere molekyler og produkter
Residence time distribution (RTD) beskriver varigheten som en væskekomponent forblir i et system eller en reaktor. CSTR oppholdstid relaterer seg til tiden reaktantene tilbringer i reaktoren før de forlater den.
Å forstå oppholdstidsfordelingen av en CSTR er avgjørende for å designe og optimalisere reaktorer for kjemiske reaksjoner. Det hjelper med å evaluere reaktorens effektivitet og varigheten som kreves for å oppnå en fullstendig reaksjon. Avvik fra idealitet kan skyldes kanalisering av væske gjennom karet, resirkulering av væske i karet, eller tilstedeværelsen av dårlig blandede eller stasjonære regioner i karet. Som et resultat brukes en sannsynlighetsfordelingsfunksjon, RTD, til å beskrive hvor lang tid en endelig del av væsken ligger i reaktoren. Dette bidrar til å karakterisere blandings- og strømningsegenskapene i reaktoren og å sammenligne reaktorens oppførsel med ideelle modeller. For eksempel viser en kaskade av CSTR-er strammere oppholdstid og reaksjonsoppløsning ettersom antall reaktorer øker i kaskadeoppsettet.
Oppholdstidsfordelingen av en væske i et fartøy kan eksperimentelt bestemmes ved tilsetning av et ikke-reaktivt sporstoff i systeminnløpet. Konsentrasjonen av dette sporstoffet varieres av en kjent funksjon, og de generelle strømningsforholdene i fartøyet bestemmes ved å spore konsentrasjonen av sporstoffet i avløpet til fartøyet.
Grønn og bærekraftig kjemi er en voksende trend i farmasøytisk og fin kjemisk industri. Denne tilnærmingen til kjemi tar sikte på å minimere miljøpåvirkningen av kjemiske prosesser ved å redusere avfall og energiforbruk, bruke fornybare ressurser og designe prosesser som er trygge og effektive.
Ved å bruke modelleringsprogramvare kan forskere og ingeniører forutsi hvordan kjemiske reaksjoner vil oppføre seg under forskjellige forhold, optimalisere reaksjonsforholdene for å redusere avfall og energiforbruk, og designe prosesser som er sikrere og mer effektive. For eksempel kan evalueringer av batch versus strømningskjemi gjøres raskt, eller bestemme CSTRs størrelse for best ytelse. Kontinuerlige prosesser kan være mer bærekraftige enn batch, av grunner som lavere volum, mindre løsemiddelbruk og reduserte rengjøringssykluser.
Kjemisk reaksjonsmodellering og simulering er spesielt godt egnet til å støtte grønne kjemiinitiativer. Scale-up Suites avanserte modelleringsfunksjoner gjør det mulig for brukere å simulere komplekse kjemiske reaksjoner nøyaktig, inkludert flertrinnsreaksjoner og optimalisere prosessparametere som temperatur, trykk og reaktantkonsentrasjoner for å minimere avfall og maksimere utbyttet.
Scale-up Suite™ har også funksjoner som lar brukerne vurdere miljøpåvirkningen av prosessene sine, for eksempel beregning av karbonavtrykk eller energiforbruk av en gitt reaksjon. Denne informasjonen kan hjelpe brukerne med å ta informerte beslutninger om prosessdesign og identifisere muligheter for å gjøre prosessene mer bærekraftige.
Automatiserte kjemiske reaktorer i laboratorieskala kan bidra til å konvertere fra batch- til CSTR-drift.
Prosessanalytisk teknologi er uvurderlig for å holde stabil tilstand overvåket og godt kontrollert.
Hvis du har spørsmål eller trenger hjelp med din tekniske applikasjon, er vårt team av tekniske applikasjonskonsulenter klare til å veilede deg i riktig retning.
ReactIR overvåker diazoketonkonsentrasjonen og brukes til RTD-bestemmelse
Forfatterne rapporterer utviklingen av en diazometangenerator bestående av en CSTR-kaskade med intern membranseparasjonsteknologi. De brukte denne teknologien i en tre-trinns, teleskopet syntese av en chiral α-kloroketon - en viktig mellomliggende forbindelse i syntesen av HIV-proteasehemmere. En spolereaktor ble brukt til å generere et blandet anhydrid som ble ført inn i CSTR-diazometankaskaden. Teflonmembranen tillot diffusjon av diazometan inn i CSTR hvor den reagerte med anhydridet for å danne det tilsvarende diazoketon. Diazoketonet ble deretter omdannet til α-kloroketon ved reaksjon med HCl i en batchreaktor.
ReactIR-målinger ble brukt til å følge dannelsen av den mellomliggende diazoketonforbindelsen (sporing 2107 cm-1 topp) og også for å eksperimentelt bestemme oppholdstidsfordelingen for systemet ved å spore sporstoffet. Tracer-eksperimentet overvåket av ReactIR fastslo at fem reaktorvolumer av den andre CSTR i kaskaden var nødvendig for å nå steady state, tilsvarende en 6-timers oppstartstid.
Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D., & Kappe, C. O. (2019). Design og optimalisering av en kontinuerlig rørt tankreaktorkaskade for membranbasert diazometanproduksjon: syntese av α-klorketoner. Organisk prosessforskning og utvikling, 23(7), 1359–1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115
OptiMax brukt som MSMPR-reaksjonsbeholdere ved kontinuerlig krystallisering
Forfatterne rapporterer utviklingen av et system for å muliggjøre en helautomatisk intermitterende strømningsvæske-væske-Suzuki-kobling, samt håndtere batchmetallbehandling og kontinuerlig krystallisering. Med hensyn til kontinuerlig krystallisering ble OptiMax-reaktorer brukt i serie som Multistage Mixed Suspension og Mixed Product Removal (MSMPR) fartøy som driver omgivelsestemperatur antisolventkrystallisering.
Disse MSMPR-fartøyene fungerer som CSTR-er som produserer og overfører en oppslemming som inneholder krystaller av produktet. Forfatterne rapporterer at den nominelle oppholdstiden i krystallisatorene ble beregnet av fyllvolumet til krystallisatorene dividert med den totale strømningshastigheten for innkommende strømmer. PAT, inkludert ParticleTrack med FBRM og dempet total refleksjon (ATR), ble brukt til å måle den kontinuerlige krystallisasjonen.
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 automatisert intermitterende flyt tilnærming til kontinuerlig Suzuki kobling. Organisk prosessforskning og utvikling, 20(4), 820–830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030
ReactIR og ParticleTrack gir PAT-informasjon og tilbakemelding
Forfatterne rapporterer utviklingen av et kombinert PFR-CSTR-kaskadestrømningsreaktorsystem som innlemmet inline FTIR - og FBRM-sensorer som prosessanalytisk teknologi. Dette systemet ble brukt til å undersøke flere kontinuerlige reaktive krystallisasjoner, bestemme krystallmorfologi, krystallstørrelsesfordeling, reaksjons- og krystallisasjonsutbytte og overmetningsnivåer. Residenstidsfordeling (RTD) for PFR-, CSTR-kaskaden og PFR-CSTR-kaskaden ble målt og viste at den kombinerte PFR-CSTR-kaskaden hadde en litt lengre RTD enn CSTR-kaskaden alene. For den reaktive krystalliseringen ble det oppnådd et høyere utbytte for PFR-CSTR-kaskadesystemet som et resultat av PFRs smalere RTD, noe som minimerer både uomsatt materiale og urenhetsdannelse.
ReactIR - og ParticleTrack-sonder målte reaktantkonsentrasjonen og krystallakkordlengden under den reaktive krystallisasjonsprosessen. Reaktantkonsentrasjonene i moderluten målt med ReactIR stemte godt overens med HPLC-resultatene (prediksjonsfeil < 0,17 %). ParticleTrack-målinger viste en relativt stabil akkordlengde 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., saying, R., Born, S. C., Takizawa, B., O'Connor, T. F., Yang, X., Ramanujam, S., & Mascia, S. (2020). Kontinuerlig reaktiv krystallisering av en API i PFR-CSTR-kaskade med inline-PAT-er. Reaksjonskjemi og ingeniørfag, 5(10), 1950–1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j
En kontinuerlig omrørt tankreaktor (CSTR) er en beholder som brukes til kjemiske reaksjoner. Det tillater stoffene som trengs for reaksjonen å strømme inn, mens produktene strømmer ut samtidig. Dette gjør det til et flott verktøy for å lage kjemikalier kontinuerlig. CSTR-reaktoren blander stoffene godt og fungerer konsekvent under stabile forhold. Vanligvis er blandingen som kommer ut den samme som det som er inni, noe som avhenger av hvor lenge stoffene er i beholderen og hvor raskt reaksjonen oppstår.
I visse tilfeller, når en reaksjon er for langsom eller to forskjellige væsker er tilstede som krever høy agitasjonshastighet, kan flere CSTR-er kobles sammen for å skape en kaskade. En CSTR forutsetter ideell tilbakeblanding, som er det motsatte av en plug flow-reaktor (PFR).
Nei, en CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) er ikke en batchreaktor. Hovedforskjellen mellom en CSTR og en batchreaktor er at en CSTR er en kontinuerlig strømningsreaktor hvor reaktanter kontinuerlig mates inn i reaktoren og produktene fjernes kontinuerlig, mens i en batchreaktor tilsettes en fast mengde reaktanter til reaktoren og får lov til å reagere til reaksjonen er fullført før produktene fjernes.
I en CSTR blandes reaktantene kontinuerlig ved hjelp av en omrører eller omrører, som sikrer at reaksjonsblandingen er homogen og godt blandet.
CSTR brukes ofte i store industrielle prosesser der en kontinuerlig tilførsel av reaktanter er nødvendig for å møte produksjonskravene. Batchreaktorer, derimot, brukes mer vanlig i laboratorieskala eksperimenter, hvor mindre mengder reaktanter kreves for testing og analyse og i produksjon av mindre volum legemidler, landbrukskjemikalier og spesialkjemikalier.
PFR (Plug Flow Reactor) og CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) er to vanlige typer kjemiske reaktorer som brukes i industrielle og laboratorieinnstillinger. De viktigste forskjellene mellom disse to reaktorene er måten de opererer på og deres applikasjoner.
Samlet sett avhenger valget mellom en PFR og CSTR av den spesifikke reaksjonen som utføres og ønsket produksjonsresultat. Laboratoriedata av høy kvalitet er uvurderlige for reaksjonskarakterisering, og prosessmodellering kan brukes til å hjelpe reaktorvalg. Finn ut mer om CSTR kontra PFR.
Hvorvidt kontinuerlig strømning (CSTR) eller PFR (plug flow) er bedre for en bestemt applikasjon, avhenger av den spesifikke reaksjonen som utføres og ønsket resultat. Generelt foretrekkes imidlertid CSTR-er ofte fremfor PFR-er av flere grunner:
Samlet sett avhenger valget mellom en CSTR og en PFR av de spesifikke behovene til reaksjonen som utføres, og begge reaktorene har sine fordeler og ulemper. CSTR-er favoriseres imidlertid ofte for sin fleksibilitet, gode blanding og evne til å oppnå høye konverteringsfrekvenser på kort oppholdstid.