Kontinuerlige rørte tankreaktorer (CSTR) | Flow Teknologi

Kontinuerlige rørte tankreaktorer (CSTR)

Strømningsteknologi for kjemiske og biologiske synteser

Ring for tilbud

Hva er en kontinuerlig rørt tankreaktor?

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).

CSTR vs batchreaktor

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.

Design og drift av CSTR

Kontinuerlige rørte tankreaktorer (CSTR) består av:

  • En tankreaktor
  • Omrøringssystem for å blande reaktanter (løpehjul eller hurtigflytende innføring av reaktanter)
  • Mate- og utgangsrør for å introdusere reaktanter og fjerne produkter

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 og PFR

Hva er forskjellen mellom CSTR og PFR (plug flow reactor)?

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.

Fordeler med CSTR fremfor PFR

  • Temperaturkontroll opprettholdes enkelt
  • CSTR-oppførsel er godt forstått, inkludert i blanding (evne til å håndtere faste stoffer og oppslemminger), reaksjonskalorimetri, doseringsalternativer og kjemisk kinetikk
  • Rimeligere og enklere å konstruere enn dedikerte spesialstrømningssystemer
  • Det indre av reaktoren er tilgjengelig for prosessanalytisk teknologi (PAT)
  • Flere enheter kan enkelt sammenføyes for kaskadedrift eller integrering i mer komplekse strømningssystemer med PFR, etc.

 

Ulemper med CSTR fremfor PFR

  • Samlet gjennomstrømning per volumenhet er vanligvis lavere enn rørformede strømningsreaktorer
  • En stabil tilstand må opprettholdes, slik at systemet må forstås godt
  • Enkeltenheter er ikke optimale for reaksjoner med langsom kinetikk

 

Grønn kjemi og bærekraftig ingeniørveiledning
Residence Time Distribution (RTD) i CSTR-reaktorer
CSTR-modellering og simulering
CSTR og prosessanalytisk teknologi
Jacketed reaktorstøtte

Industrielle applikasjoner

Kontinuerlig prosess for sikker produksjon av diazometan

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

 

Automatisert Intermittent Flow Suzuki koblingssystem med tilhørende nedstrøms operasjoner

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

 

PFR-CSTR-kaskade for kontinuerlig reaktiv krystallisering

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

 

 

 

 

 

Relaterte ressurser

Sitater og referanser

Vanlige spørsmål

FAQs

Hva er en CSTR? Hvordan fungerer en CSTR?

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).

Er en CSTR en batchreaktor?

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.

Lær mer om batch vs CSTR-reaktorer.

Hva er forskjellen mellom en CSTR-reaktor og PFR?

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.

  • PFR opererer ved å føre reaktanter gjennom et langt rør eller en kanal, hvor de blander seg og reagerer når de beveger seg gjennom reaktoren. I en PFR bør reaksjonsbetingelsene, som temperatur og trykk, styres nøyaktig langs rørets lengde. Produktstrømmen fra en PFR er kontinuerlig, og konverteringsfrekvensen til reaktanter er vanligvis høy. PFR brukes ofte til storskala, kontinuerlig produksjon av kjemikalier og petrokjemikalier.
  • CSTR er en godt blandet reaktor som kontinuerlig rører reaktanter i en tank eller et fartøy. I en CSTR er reaksjonsbetingelsene ensartede gjennom reaktoren, og reaksjonshastigheten bestemmes av strømningshastigheten til reaktanter inn i og ut av tanken. CSTR brukes ofte for homogene og heterogene reaksjoner som krever en høy grad av blanding og en relativt kort oppholdstid.

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.

Hva er fordelene med CSTR fremfor 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:

  1. God blanding: CSTR gir god blanding av reaktanter, spesielt oppslemminger, noe som bidrar til å opprettholde en jevn reaksjonshastighet og forhindre lokaliserte hot spots eller døde soner. I motsetning til dette kan PFR noen ganger føre til gradienter i temperatur, konsentrasjon eller strømningshastighet, noe som kan påvirke reaksjonseffektiviteten.
  2. Fleksibilitet: CSTR-er er svært fleksible og kan enkelt tilpasses forskjellige reaksjonsbetingelser eller volumer. For eksempel kan oppholdstiden enkelt justeres ved å endre strømningshastigheten, og reaktoren kan skaleres opp eller ned avhengig av produksjonsbehovet.
  3. Redusert reaksjonstid: CSTR kan ofte oppnå en høy konverteringsfrekvens på relativt kort oppholdstid siden reaktantene er godt blandet og reaksjonsbetingelsene er ensartede. Dette kan føre til raskere reaksjonstider og høyere produksjonshastigheter.
  4. Lavere kostnader: CSTR-er er generelt enklere og rimeligere å konstruere og betjene enn PFR-er siden de ikke krever lange, spesialiserte rør og tilhørende utstyr.

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.

Finn ut mer om CSTR kontra PFR.