- Batchreaktor vs CSTR
- CSTR-design
- PFR vs CSTR
- Fordele og ulemper
- CSTR Fordeling af opholdstid (RTD)
- Modellering og simulering af CSTR'er
- PAT-integration
- Industri applikationer
- Citater og referencer
- Ofte stillede spørgsmål
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).
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.
Kontinuerlige omrørte tankreaktorer (CSTR'er) består af:
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'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.
Se vores fulde liste over grønne og bæredygtige kemiressourcer, herunder casestudier og brancheeksempler. Dette white paper viser, hvordan oplysningerne fra avanceret teknologi fra METTLER TOLEDO hjælper med at understøtte grøn og bæredygtig kemi i forskning, udvikling og produktion af farmaceutiske, kemiske og polymere molekyler og produkter
Fordeling af opholdstid (RTD) beskriver den varighed, som en væskekomponent forbliver i et system eller en reaktor. CSTR-opholdstid vedrører den tid, som reaktanter bruger i reaktoren, før de forlader den.
Forståelse af opholdstidsfordelingen af en CSTR er afgørende for design og optimering af reaktorer til kemiske reaktioner. Det hjælper med at evaluere reaktorens effektivitet og den varighed, der kræves for at opnå en komplet reaktion. Afvigelse fra idealitet kan skyldes kanalisering af væske gennem beholderen, genbrug af væske i beholderen eller tilstedeværelsen af dårligt blandede eller stationære områder i beholderen. Som et resultat anvendes en sandsynlighedsfordelingsfunktion, RTD, til at beskrive den tid, som en endelig del af væsken befinder sig i reaktoren. Dette hjælper med at karakterisere blandings- og strømningsegenskaberne i reaktoren og sammenligne reaktorens opførsel med ideelle modeller. For eksempel udviser en kaskade af CSTR'er strammere opholdstid og reaktionsopløsning, da antallet af reaktorer stiger i kaskadeopsætningen.
Opholdstidsfordelingen af en væske i en beholder kan bestemmes eksperimentelt ved tilsætning af et ikke-reaktivt sporstof i systemindløbet. Koncentrationen af dette sporstof varieres af en kendt funktion, og de samlede strømningsforhold i beholderen bestemmes ved at spore koncentrationen af sporstoffet i beholderens spildevand.
Grøn og bæredygtig kemi er en voksende tendens i den farmaceutiske og finkemiske industri. Denne tilgang til kemi sigter mod at minimere miljøpåvirkningen af kemiske processer ved at reducere affald og energiforbrug, bruge vedvarende ressourcer og designe processer, der er sikre og effektive.
Ved hjælp af modelleringssoftware kan forskere og ingeniører forudsige, hvordan kemiske reaktioner vil opføre sig under forskellige forhold, optimere reaktionsbetingelser for at reducere affald og energiforbrug og designe processer, der er sikrere og mere effektive. For eksempel kan evalueringer af batch versus flowkemi foretages hurtigt eller bestemme CSTR'er størrelse for bedste ydeevne. Kontinuerlige processer kan være mere bæredygtige end batch, af årsager som lavere volumen, mindre brug af opløsningsmidler og reducerede rengøringscyklusser.
Kemisk reaktionsmodellering og simulering er særligt velegnet til at understøtte grønne kemiinitiativer. Scale-up Suites avancerede modelleringsfunktioner giver brugerne mulighed for nøjagtigt at simulere komplekse kemiske reaktioner, herunder flertrinsreaktioner og optimere procesparametre såsom temperatur, tryk og reaktantkoncentrationer for at minimere spild og maksimere udbyttet.
Scale-up Suite™ har også funktioner, der giver brugerne mulighed for at vurdere miljøpåvirkningen af deres processer, såsom beregning af kulstoffodaftrykket eller energiforbruget for en given reaktion. Disse oplysninger kan hjælpe brugerne med at træffe informerede beslutninger om procesdesign og identificere muligheder for at gøre deres processer mere bæredygtige.
Automatiserede kemiske reaktorer i laboratorieskala kan hjælpe med at konvertere fra batch- til CSTR-drift.
Procesanalytisk teknologi er uvurderlig for at holde steady state overvåget og godt kontrolleret.
Hvis du har spørgsmål eller brug for hjælp til din tekniske anvendelse, står vores team af tekniske applikationskonsulenter klar til at guide dig i den rigtige retning.
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
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
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