Reattori continui a serbatoio agitato (CSTR) | Tecnologia Flow

Reattori continui a serbatoio agitato (CSTR)

Tecnologia a flusso per la sintesi chimica e biologica

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Cos'è un reattore continuo serbatoio agitato?

Un reattore continuo a serbatoio agitato (CSTR) è un serbatoio di reazione in cui reagenti, reattanti e solventi flusso nel reattore mentre i prodotti della reazione fuoriescono contemporaneamente dal serbatoio. In questo modo, il reattore a serbatoio è considerato uno strumento prezioso per la lavorazione chimica continua.

I reattori CSTR sono noti per la loro miscelazione efficiente e prestazione stabile e uniforme in condizioni di stato stazionario. Tipicamente, la composizione di uscita è la stessa del materiale all'interno del reattore, che dipende dal tempo di residenza e dalla velocità di reazione.

In situazioni in cui una reazione è troppo lenta, quando due liquidi immiscibili o viscosi richiedono un'alta velocità di agitazione, o quando si desidera un comportamento di flusso a spina, è possibile collegare più reattori per creare una cascata di CSTR.

Un CSTR presuppone uno scenario di backmixing ideale, che è l'esatto opposto di un reattore plug flusso (PFR).

Confronto tra CSTR e reattore discontinuo

In generale, i reattori possono essere classificati come reattori continui (Fig. 1) o lotto (Fig. 2). I CSTR sono in genere di dimensioni inferiori e consentono l'aggiunta senza soluzione di continuità di reattanti e reagenti mentre il prodotto può fluire liberamente continuamente senza interruzioni.

In contrasto, un reattore lotto è un reattore chimico che comporta l'aggiunta di una quantità fissa di reagenti al recipiente del reattore, seguita dal processo di reazione fino ad ottenere il prodotto desiderato. A differenza di un reattore continuo, i reattanti non vengono aggiunti continuamente e i prodotti non vengono rimossi continuamente. Inoltre, i reattori lotto non sono miscelati in modo uniforme e le condizioni di temperatura e pressione possono variare durante la reazione.

I CSTR hanno la capacità unica di gestire concentrazioni di reattanti più elevate, così come pozzetto reazioni più energetiche grazie alle loro proprietà di trasferimento di calore superiori rispetto ai reattori lotto. In questo modo, un CSTR è considerato uno strumento di supporto flusso chimica.

Design e funzionamento dei reattori CSTR

I reattori continui a serbatoio agitato (CSTR) sono costituiti da:

  • Un reattore a serbatoio
  • Sistema di agitazione per miscelare i reattanti (mediante girante o inserimento dei reattanti con flusso rapido)
  • Tubazioni di alimentazione e di uscita per inserire i reattanti ed estrarre i prodotti

I CSTR sono più comunemente utilizzati nella lavorazione industriale, principalmente nelle reazioni di flusso in fase liquida omogenea in cui è richiesta un'agitazione costante. Tuttavia, sono utilizzati anche nell'industria farmaceutica e per processi biologici, come colture cellulari e fermentatori.

I reattori CSTR possono essere utilizzati in un'applicazione a cascata (Fig. 3) o standalone (Fig. 1).

CSTR e PFR

Qual è la differenza tra CSTR e PFR (reattore con presa flusso)?

CSTR (Fig. 1) e PFR (Fig. 4) sono entrambi utilizzati in chimica a flusso continuo. CSTR e PFR possono funzionare come sistemi di reazione autonomi o essere combinati per formare un processo di flusso continuo.  La miscelazione è un aspetto cruciale dei CSTR, mentre i PFR sono progettati come reattori tubolari in cui le singole spine mobili contengono reattanti e reagenti, che fungono da mini-reattori lotto. Ogni spina in un PFR ha una composizione leggermente diversa e si mescolano internamente, ma non con la spina vicina davanti o dietro di essa. In un CSTR idealmente miscelato, la composizione del prodotto è uniforme in tutto il volume, mentre in un PFR la composizione del prodotto varia a seconda della sua posizione all'interno del reattore tubolare. Ogni tipo di reattore ha i propri vantaggi e svantaggi rispetto agli altri.

Mentre un CSTR può produrre notevoli quantità di prodotto per unità di tempo e può funzionare per lunghi periodi, potrebbe non essere la scelta migliore per le reazioni con cinetica lenta. In questi casi, i reattori lotto sono in genere l'opzione preferita per la sintesi.

I reattori Plug flusso sono generalmente più efficienti in termini di ingombro e hanno tassi di conversione più elevati rispetto ad altri tipi di reattori. Tuttavia, non sono adatti per reazioni altamente esotermiche perché può essere difficile controllare improvvisi picchi di temperatura. Inoltre, i PFR comportano in genere costi operativi e di manutenzione più elevati rispetto ai CSTR.

Vantaggi del CSTR rispetto al PFR

  • Si controlla facilmente la temperatura
  • Il comportamento del CSTR è pozzetto compreso, anche nella miscelazione (capacità di gestire solidi e impasti), nella calorimetria di reazione, nelle opzioni di dosaggio e nella cinetica chimica
  • Sono meno costosi e più semplici da costruire rispetto ai sistemi di flusso speciali dedicati
  • È possibile accedere all'interno del reattore per le tecnologie analitiche di processo (PAT)
  • È possibile unire facilmente più unità per processo a cascata o l'integrazione in sistemi di flusso più complessi con PFR, ecc.

 

Svantaggi del CSTR rispetto al PFR

  • Il "produttività" or "rendimento" per unità di volume è tipicamente inferiore rispetto a quello dei reattori tubolari flusso
  • È necessario mantenere uno stato stabile perciò il sistema deve essere pozzetto compreso
  • Le unità singole non sono ottimali per reazioni con cinetica lenta

 

Guida sulla chimica verde e l'ingegneria sostenibile
Distribuzione del tempo di permanenza (RTD) nei reattori CSTR
Modellazione e simulazione CSTR
CSTR e tecnologia analitica di processo
Supporto reattore incamiciato

Applicazioni industriali

Processo continuo per produzione sicuri del diazometano

ReactIR monitora la concentrazione di diazochetoni e serve a determinare la RTD

Gli autori report allo sviluppo di un generatore di diazometano composto da una cascata di CSTR con tecnologia di separazione a membrana interna. Hanno usato questa tecnologia in una sintesi a catena in tre fasi di un α-clorochetone chirale, un importante composto intermedio nella sintesi degli inibitori della proteasi dell'HIV. È stato utilizzato un reattore con bobina per generare un'anidride miscelata da convogliare poi nella cascata di CSTR per il diazometano. La membrana PTFE consentiva il passaggio del diazometano nel CSTR in cui la sostanza reagiva con l'anidride per formare il diazochetone corrispondente. Il diazochetone veniva quindi convertito nel α-clorochetone facendolo reagire con HCl in un reattore lotto.

I valori misurati da ReactIR sono stati utilizzati per monitorare le formatura del diazochetone intermedio (rilevando il picco a 2107 cm-1) e per determinare sperimentalmente la distribuzione del tempo di permanenza del sistema monitorando la sostanza tracciante. L'esperimento tracciante monitorato da ReactIR ha determinato che cinque volumi del secondo CSTR nella cascata dovevano raggiungere lo stato stabile, corrispondente a un tempo di avvio di 6 ore. 

Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D., & Kappe, C. O. (2019). Design e ottimizzazione di un reattore continuo serbatoio agitato Sovrapponi per la produzione di diazometano a membrana: sintesi di α-clorochetoni. Ricerca e sviluppo di processi organici, 23 (7), 1359-1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115

 

Sistema automatico per la reazione di Suzuki a flusso intermittente con i processi a valle associati

OptiMax come contenitori di reazione per MSMPR nella cristallizzazione continua

Gli autori report lo sviluppo di un sistema per consentire un accoppiamento Suzuki intermittente flusso liquido-liquido completamente automatizzato, pozzetto la maniglia lotto il trattamento dei metalli e la cristallizzazione continua. Per quanto riguarda la cristallizzazione continua, i reattori OptiMax sono stati utilizzati in serie come contenitori Multistage Mixed Suspension and Mixed Product Removal (MSMPR) che guidano la cristallizzazione con antisolvente a temperatura ambiente.

In questa configurazione i contenitori per MSMPR si comportano come CSTR producendo e trasferendo un impasto che contiene il prodotto sotto forma di cristalli. Gli autori report che il tempo di permanenza nominale all'interno dei cristallizzatori è stato calcolato dividendo il volume di riempimento dei cristallizzatori per il portata totale dei flussi di alimentazione in ingresso. PAT, tra cui ParticleTrack con FBRM e riflettanza totale attenuata (ATR), è stato utilizzato in determinazione la cristallizzazione continua

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). Un approccio automatico a flusso intermittente all'accoppiamento Suzuki continuo. Ricerca e sviluppo di processi organici, 20 (4), 820-830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030

 

PFR e CSTR Sovrapponi per la cristallizzazione reattiva continua

ReactIR e ParticleTrack forniscono informazioni e feedback sulla PAT

Gli autori report lo sviluppo di un sistema di reattori flusso a cascata combinato PFR e CSTR che incorporasse sensori FTIR e FBRM in linea come tecnologie analitiche di processo. Questo sistema è stato utilizzato per studiare diverse cristallizzazioni reattive continue, determinando la morfologia dei cristalli, la distribuzione granulometrica dei cristalli, i rendimenti di reazione e cristallizzazione e i livelli di supersaturazione. Sono state misurate le distribuzioni del tempo di permanenza (RTD) per il PFR, la cascata di CSTR e la cascata PFR-CSTR e hanno dimostrato che la cascata combinata PFR-CSTR aveva una RTD leggermente superiore a quella della sola cascata di CSTR. Per la cristallizzazione reattiva, è stata ottenuta una resa maggiore per il sistema a cascata PFR-CSTR a seguito della RTD più stretta del PFR, riducendo al minimo sia il materiale non reagito che il formatura di impurità.

Le sonde ReactIR e ParticleTrack hanno misurato la concentrazione dei reattanti e la lunghezza di corda dei cristalli durante il processo di cristallizzazione reattiva. I valori delle concentrazioni dei reattanti nell'acqua madre misurati mediante ReactIR sono in accordo con i risultati dell'HPLC (errore di previsione < 017%). Le misure effettuate con ParticleTrack hanno evidenziato una lunghezza di corda relativamente stabile di ~ 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., dicendo, R., Born, S. C., Takizawa, B., O'Connor, T. F., Yang, X., Ramanujam, S., & Mascia, S. (2020). Cristallizzazione reattiva continua di un API nella cascata di PFR e CSTR con PAT in linea. Chimica e ingegneria delle reazioni, 5 (10), 1950-1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j

 

 

 

 

 

Risorse correlate

Citazioni e riferimenti

Faq

FAQs

Cos'è un CSTR? Come funziona un CSTR?

Un reattore continuo a serbatoio agitato (CSTR Continuous Stirred Tank Reactor) è un contenitore utilizzato per le reazioni chimiche. Consente alle sostanze necessarie per la reazione di flusso dentro, mentre i prodotti fluire liberamente allo stesso tempo. Questo lo rende un ottimo strumento per produrre sostanze chimiche in modo continuo. Il reattore CSTR miscela le sostanze pozzetto e funziona in modo costante in condizioni stabili. Tipicamente, la miscela che esce è la stessa di ciò che è dentro, che dipende da quanto tempo le sostanze sono nel contenitore e quanto velocemente si verifica la reazione.

In alcuni casi, quando una reazione è troppo lenta o sono presenti due liquidi diversi che richiedono un'elevata velocità di agitazione, diversi CSTR possono essere collegati insieme per creare una cascata. Un CSTR presuppone il backmixing ideale, che è l'opposto di un reattore plug flusso (PFR).

I CSTR sono reattori lotto?

No, un CSTR (Continuous Stirred serbatoio Reactor) non è un reattore lotto. La differenza principale tra un CSTR e un reattore lotto è che un CSTR è un reattore a flusso continuo in cui i reattanti vengono continuamente immessi nel reattore e i prodotti vengono rimossi continuamente, mentre in un reattore lotto, una quantità fissa di reattanti viene aggiunta al reattore e lasciata reagire fino al completamento della reazione prima che i prodotti vengano rimossi.

In un CSTR, i reattanti vengono continuamente miscelati utilizzando un agitatore o un agitatore, il che garantisce che la miscela di reazione sia omogenea e miscelata con pozzetto. 

I reattori CSTR sono spesso utilizzati nei processi industriali di grandi sistema di pesatura in cui è necessaria una fornitura continua di reagenti per soddisfare le esigenze di produzione. I reattori discontinui, d'altra parte, sono più comunemente utilizzati negli esperimenti sistema di pesatura laboratorio, dove sono richieste piccole quantità di reattanti per test e analisi e nella produzione di prodotti farmaceutici, agrochimici e prodotti chimici speciali.

Scoprite di più sui reattori lotto e CSTR a confronto.

Qual è la differenza tra un reattore CSTR e un PFR?

PFR (Plug Flow Reactor) e CSTR (Continuous Stirred serbatoio Reactor) sono due tipi comuni di reattori chimici utilizzati in ambienti industriali e di laboratorio. Le principali differenze tra questi due reattori sono il modo in cui funzionano e le loro applicazioni.

  • Il PFR funziona facendo passare i reattanti attraverso un lungo tubo o canale, dove si mescolano e reagiscono mentre si muovono attraverso il reattore. In un PFR, le condizioni di reazione, come temperatura e pressione, devono essere controllate con precisione lungo la lunghezza del tubo. Il flusso di prodotto da un PFR è continuo e il tasso di conversione dei reattanti è tipicamente elevato. I PFR sono spesso utilizzati per la produzione continua di prodotti chimici e petrolchimici di grandi sistema di pesatura.
  • Il CSTR è un reattore misto pozzetto che agita continuamente i reattanti in un serbatoio o in un reattore. In un CSTR, le condizioni di reazione sono uniformi in tutto il reattore e la velocità di reazione è determinata dalla portata di reagenti dentro e fuori dal serbatoio. I reattori CSTR sono comunemente utilizzati per reazioni omogenee ed eterogenee che richiedono un elevato grado di miscelazione e un tempo di permanenza relativamente breve.

Nel complesso, la scelta tra un PFR e un CSTR dipende dalla reazione specifica eseguita e dal risultato di produzione desiderato. I dati di laboratorio di alta qualità sono preziosi per la caratterizzazione delle reazioni e la modellazione dei processi può essere utilizzata per aiutare la scelta del reattore. Ulteriori informazioni sul confronto tra CSTR e PFR.  

Quali sono i vantaggi del CSTR rispetto al PFR?

La scelta se il flusso continuo (CSTR) o il PFR (plug flusso) siano migliori per una particolare applicazione dipende dalla reazione specifica che viene eseguita e dall'esito desiderato. Tuttavia, in generale, i CSTR sono spesso preferiti ai PFR per diversi motivi:

  1. Buona miscelazione: i CSTR forniscono una buona miscelazione dei reagenti, in particolare impasti, che aiuta a mantenere una velocità di reazione uniforme e prevenire punti caldi localizzati o zone morte. In contrasto, i PFR possono talvolta piombo a gradienti di temperatura, concentrazione o portata, che possono influire sull'efficienza della reazione.
  2. Flessibilità: i reattori CSTR sono altamente flessibili e possono essere facilmente adattati a diverse condizioni o volumi di reazione. Ad esempio, il tempo di permanenza può essere facilmente regolato cambiando il portata e il reattore può essere scalato verso l'alto o verso il basso a seconda delle esigenze di produzione.
  3. Tempo di reazione ridotto: i reattori CSTR spesso possono ottenere un tasso di conversione elevato in un tempo di permanenza relativamente breve poiché i reagenti vengono miscelati pozzetto e le condizioni di reazione sono uniformi. Ciò può piombo a tempi di reazione più veloci e a tassi di produzione più elevati.
  4. Costi inferiori: i CSTR sono generalmente più semplici e meno costosi da costruire e gestire rispetto ai PFR poiché non richiedono tubi lunghi e specializzati e macchina associati.

Nel complesso, la scelta tra un CSTR e un PFR dipende dalle esigenze specifiche della reazione che si sta svolgendo, ed entrambi i reattori hanno i loro vantaggi e svantaggi. Tuttavia, i CSTR sono spesso favoriti per la loro flessibilità, buona miscelazione e capacità di ottenere alti tassi di conversione in un breve periodo di residenza.

Ulteriori informazioni su CSTR e PFR a confronto.