Reaktor zbiornikowy z mieszaniem ciągłym (CSTR) to naczynie reakcyjne, w którym odczynniki, substraty i rozpuszczalniki wpływają do reaktora, podczas gdy produkty reakcji jednocześnie opuszczają zbiornik. W ten sposób reaktor zbiornikowy jest uważany za cenne narzędzie do ciągłego przetwarzanie chemicznego.
Reaktory CSTR są znane z wydajnego mieszania i stabilnej, jednolitej wydajności w warunkach stanu ustalonego. Zazwyczaj skład wyjściowy jest taki sam jak materiału wewnątrz reaktora, który zależy od czasu przebywania i szybkości reakcji.
W sytuacjach, gdy reakcja przebiega zbyt wolno, gdy dwie niemieszające się lub lepkie ciecze wymagają dużej szybkości mieszania lub gdy pożądane jest zachowanie przepływu tłoka, można połączyć ze sobą wiele reaktorów, aby utworzyć kaskadę CSTR.
CSTR zakłada idealny scenariusz mieszania wstecznego, który jest dokładnym przeciwieństwem reaktora z przepływem tłokowym (PFR).
Ogólnie rzecz biorąc, reaktory można sklasyfikować jako reaktory ciągłe (rys. 1) lub Partia (rys. 2). CSTR są zazwyczaj mniejsze i umożliwiają bezproblemowe dodawanie odczynników i odczynników, podczas gdy produkt może wypływać w sposób ciągły bez zakłóceń.
Natomiast reaktor Partia jest reaktorem chemicznym, który polega na dodaniu stałej ilości reagentów do zbiornika reaktora, a następnie w procesie reakcji aż do uzyskania pożądanego produktu. W przeciwieństwie do reaktora ciągłego, reagenty nie są dodawane w sposób ciągły, a produkty nie są usuwane w sposób ciągły. Ponadto reaktory Partia nie są tak równomiernie wymieszane, a warunki temperatury i ciśnienia mogą się zmieniać podczas reakcji.
Reaktory CSTR mają wyjątkową zdolność do obsługi wyższych stężeń substratów, a także bardziej dynamicznych reakcji ze względu na ich doskonałe właściwości wymiany ciepła w porównaniu z reaktorami Partia. W ten sposób reaktor CSTR jest uważany za narzędzie wspierające chemię przepływu.
Elementy reaktorów zbiornikowych z mieszaniem ciągłym (CSTR):
Reaktory CSTR są najczęściej stosowane w przetwarzanie przemysłowych, przede wszystkim w reakcjach homogenicznych w fazie ciekłej, w których wymagane jest ciągłe mieszanie. Są jednak również stosowane w przemyśle farmaceutycznym i procesach biologicznych, takich jak hodowle komórkowe i fermentatory.
Reaktory CSTR mogą być używane w zastosowaniach kaskadowych (rys. 3) lub autonomicznych (rys. 1).
Zarówno reaktory zbiornikowe z mieszaniem ciągłym (rys. 1) jak i reaktory o przepływie tłokowym (rys. 4) są wykorzystywane do procesów chemicznych prowadzonych w przepływie ciągłym. Reaktory CSTR i PFR mogą działać jako samodzielne systemy reakcji lub zostać połączone tworząc część procesu o przepływie ciągłym. Mieszanie jest kluczowym aspektem CSTR, podczas gdy PFR są zaprojektowane jako reaktory rurowe, w których pojedyncze ruchome korki zawierają reagenty i odczynniki, działając jako reaktory mini-Partia. Każda wtyczka w PFR ma nieco inny skład i mieszają się wewnętrznie, ale nie z pobliską wtyczką przed lub za nią. W idealnie mieszanym reaktorze CSTR skład produktu jest jednolity w całej objętości, natomiast w przypadku PFR skład produktu zmienia się w zależności od jego położenia w reaktorze rurowym. Każdy z tych typów reaktorów ma swój własny zestaw zalet i wad w porównaniu z innymi.
Chociaż reaktor CSTR może wytwarzać znaczne ilości produktu na jednostkę czasu i może działać przez dłuższy czas, może nie być najlepszym wyborem w przypadku reakcji o powolnej kinetyce. W takich przypadkach reaktory Partia są zazwyczaj preferowaną opcją do syntezy.
Reaktory o przepływie tłokowym zajmują zasadniczo mniej miejsca i zapewniają większy stopień konwersji w porównaniu z innymi typami reaktorów. Nie nadają się jednak do reakcji wysoce egzotermicznych, ponieważ kontrolowanie nagłych wzrostów temperatury może być trudne. Ponadto reaktory PFR zazwyczaj wiążą się z wyższymi kosztami operacyjnymi i konserwacja niż reaktory CSTR.
Zapoznaj się z pełną listą ekologicznych i zrównoważonych zasobów chemicznych w tym studiami przypadków i przykładami branżowymi. Ten przewodnik pokazuje, w jaki sposób informacje dostarczane przez zaawansowaną technologię z METTLER TOLEDO pomagają we wspieraniu ekologicznej i zrównoważonej chemii w badaniach, rozwoju i produkcji cząsteczek i produktów farmaceutycznych, chemicznych i polimerowych
Rozkład czasu przebywania (RTD) opisuje czas przebywania elementu płynnego w systemie lub reaktorze. Czas przebywania reaktora CSTR odnosi się do czasu jaki reagenty spędzają w reaktorze przed opuszczeniem reaktora.
Znajomość rozkładu czasu przebywania reaktora CSTR ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu i optymalizacji reaktorów do reakcji chemicznych. Pomaga to w ocenie sprawności reaktora i czasu trwania wymaganego do osiągnięcia pełnej reakcji. Odchylenie od idealności może wynikać z kanałowania płynu przez naczynie, recyklingu płynu w naczyniu lub obecności słabo wymieszanych lub stacjonarnych obszarów w naczyniu. W rezultacie funkcja rozkładu prawdopodobieństwa, RTD, jest używana do opisania czasu, w którym jakakolwiek skończona część płynu znajduje się w reaktorze. Umożliwia to scharakteryzowanie charakterystyki mieszania i przepływu danego reaktora oraz porównanie jego zachowania z modelami idealnymi. Na przykład kaskada reaktorów CSTR wykazuje mniejszy czas przebywania i rozdzielczość reakcji wraz ze wzrostem liczby reaktorów w kaskadzie Ustawienia.
Rozkład czasu przebywania cieczy w naczyniu można wyznaczyć doświadczalnie przez wprowadzenie niereaktywnego wskaźnika izotopowego na wlocie do systemu. Stężenie tego wskaźnika zmienia się w zależności od znanej funkcji a ogólne warunki przepływu w reaktorze wyznacza się przez śledzenie stężenia wskaźnika izotopowego w mieszaninie odprowadzanej z reaktora.
Zielona i zrównoważona chemia to rosnący trend w przemyśle farmaceutycznym i chemicznym. Takie podejście do chemii ma na celu zminimalizowanie wpływu procesów chemicznych na środowisko poprzez zmniejszenie ilości odpadów i zużycia energii, wykorzystanie zasobów odnawialnych oraz projektowanie procesów, które są bezpieczne i wydajne.
Korzystając z oprogramowanie modelowania, naukowcy i inżynierowie mogą przewidzieć, jak reakcje chemiczne będą zachowywać się w różnych warunkach, zoptymalizować warunki reakcji w celu zmniejszenia ilości odpadów i zużycia energii oraz projektować procesy, które są bezpieczniejsze i bardziej wydajne. Na przykład oceny Partia w porównaniu z chemią przepływową można przeprowadzić szybko lub określić CSTR o wielkości zapewniającej najlepszą wydajność. Procesy ciągłe mogą być bardziej zrównoważone niż Partia, Z powodów takich jak mniejsza objętość, mniejsze zużycie rozpuszczalnika i krótsze cykle czyszczenia.
Modelowanie i symulowanie reakcji chemicznych szczególnie dobrze nadają się do wspierania inicjatyw ekologicznej chemii. Zaawansowane możliwości modelowania Scale-up Suite umożliwiają użytkownikom dokładną symulację złożonych reakcji chemicznych, w tym reakcji wieloetapowych, oraz optymalizację parametrów procesu, takich jak temperatura, ciśnienie i stężenia reagentów, w celu zminimalizowania odpadów i maksymalizacji wydajności.
Scale-up Suite™ posiada również funkcje, które pozwalają użytkownikom ocenić wpływ ich procesów na środowisko, takie jak obliczanie śladu węglowego lub zużycia energii danej reakcji. Informacje te mogą pomóc użytkownikom w podejmowaniu świadomych decyzji dotyczących projektowania procesów i identyfikowaniu możliwości zwiększenia trwałości procesów.
Automatyczne reaktory chemiczne w skali laboratoryjnej mogą pomóc w przejściu z Partia na CSTR.
Technologia analizy procesów przemysłowych nieoceniona w monitorowaniu i kontroli stanu ustalonego.
Jeśli masz pytania lub potrzebujesz pomocy w zakresie aplikacji technicznych, nasz zespół konsultantów ds. aplikacji technicznych gotowy do poprowadzi Cię we właściwym kierunku.
System ReactIR monitoruje stężenie diazoketonu i służy do wyznaczania RTD
W artykule opisano opracowanie generatora diazometanu składającego się z kaskady reaktorów CSTR wyposażonych w technologię wewnętrznej separacji membranowej. Wykorzystali tę technologię w trzyetapowej, teleskopowej syntezie chiralnego α-chloroketonu – ważnego związku przejściowego w syntezie inhibitorów proteazy HIV. Użyto reaktora cewka do wytworzenia wymieszanego bezwodnika przekazanego następnie do kaskady reaktorów CSTR z diazometanem. Membrana PTFE umożliwiła dyfuzję diazometanu do reaktora CSTR gdzie nastąpiła jego reakcja z bezwodnikiem z wytworzeniem odpowiedniego diazoketonu. Diazoketon następnie poddano działaniu HCl w reaktorze Partia w α-chloroketon.
Pomiary za pomocą systemu ReactIR posłużyły do prześledzenia tworzenia się przejściowego diazoketonu (śledzenie piku 2107 cm-1) oraz do doświadczalnego wyznaczenia rozkładu czasu przebywania dla systemu przez śledzenie wskaźnika izotopowego. W drodze doświadczenia ze wskaźnikiem izotopowym monitorowanego przez system ReactIR ustalono że do osiągnięcia stanu ustalonego wymaganych jest pięć objętości drugiego reaktora CSTR w kaskadzie co odpowiada 6-godzinnemu czasowi rozruchu.
Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D., & Kappe, C. O. (2019). Projektowanie i optymalizacja kaskady reaktorów zbiornikowych z mieszaniem ciągłym do produkcji diazometanu na bazie membran: synteza α-chloroketonów. Organic Process Research & Development, 23(7), 1359–1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115
Wykorzystanie systemu OptiMax jako reaktora MSMPR w ciągłej krystalizacji
Autorzy informują o opracowaniu systemu umożliwiającego w pełni zautomatyzowane sprzęganie Suzukiego z przepływem okresowym ciecz-ciecz, a także obsługę obróbki metali Partia i ciągłej krystalizacji. W odniesieniu do ciągłej krystalizacji, reaktory OptiMax zostały użyte szeregowo jako reaktory MSMPR do wielostopniowej mieszanej zawiesiny i mieszanego usuwania produktu (MSMPR) napędzające krystalizację antyrozpuszczalnikową w temperaturze otoczenia.
Te reaktory MSMPR działają jak reaktory CSTR do wytwarzania i przenoszenia zawiesiny kryształów produktu. Autorzy podają że nominalny czas przebywania w krystalizatorach obliczono dzieląc objętość napełnienia krystalizatorów przez łączną prędkość przepływu zasilania. Do pomiaru ciągłej krystalizacji wykorzystano PAT, w tym ParticleTrack z FBRM i osłabionym całkowitym odbiciem (ATR).
Cole, K. P., Campbell, B. M., Forst, M. B., McClary Groh, J., Hess, M., Johnson, MD, Miller, RD, Mitchell, D., Polster, CS, Reizman, BJ, & Rosemeyer, M. (2016). Zautomatyzowane podejście do przepływu okresowego w ciągłym sprzęganiu Suzukiego. Organic Process Research & Development, 20(4), 820–830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030
Pozyskiwanie informacji metodą analizy procesów PAT z wykorzystaniem systemów ReactIR i ParticleTrack
W artykule opisano opracowanie łączonego kaskadowego systemu reaktorów PFR-CSTR wyposażonego we wbudowane czujniki FTIR i FBRMinline oraz technologię analizy procesów. System ten wykorzystano do zbadania kilku ciągłych krystalizacji reaktywnych, określenia morfologii kryształów, rozkładu wielkości kryształów, wydajności reakcji i krystalizacji oraz poziomów przesycenia. Zmierzono rozkład czasu przebywania (RTD) dla PFR, kaskady CSTR i kaskady PFR-CSTR i wykazano, że połączona kaskada PFR-CSTR miała nieco dłuższy RTD niż kaskada samych reaktorów CSTR. W przypadku krystalizacji reaktywnej uzyskano większą wydajność dla systemu kaskadowego PFR-CSTR w wyniku węższego RTD PFR, minimalizując zarówno nieprzereagowany materiał, jak i tworzenie się zanieczyszczeń.
Sondy ReactIR i ParticleTrack umożliwiały pomiar stężenia substratów i długości cięciwy kryształów w procesie krystalizacji z reakcją. Stężenia substratów w roztworze macierzystym były zgodne z wynikami chromatografii HPLC (błąd prognozy < 017%). Pomiary ParticleTrack ujawniły stosunkowo stabilną długość cięciwy wynoszącą ~150 μm.
Hu, C., Shores, BT, Derech, R. A., Testa, CJ , Hermant, P., Wu, W., Shvedova, K., Ramnath, A., Al Ismaili, L. Q., Su, Q., mówiąc, R., Born, S. C., Takizawa, B., O'Connor, T. F., Yang, X., Ramanujam, S., & Mascia, S. (2020). Ciągła reaktywna krystalizacja składnik czynny leku w kaskadzie PFR-CSTR z PAT in-linia produktów. Reaction Chemistry & Engineering, 5(10), 1950–1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j
Reaktor zbiornikowy z mieszaniem ciągłym (CSTR) to pojemnik stosowany do reakcji chemicznych. Pozwala na przepływ substancji potrzebnych do reakcji, podczas gdy produkty wypływają w tym samym czasie. To sprawia, że jest to doskonałe narzędzie do ciągłego wytwarzania chemikaliów. Reaktor CSTR dobrze miesza substancje i działa stale w stabilnych warunkach. Zazwyczaj mieszanina, która wychodzi, jest taka sama jak w środku, co zależy od tego, jak długo substancje znajdują się w pojemnik i jak szybko zachodzi reakcja.
W niektórych przypadkach, gdy reakcja jest zbyt wolna lub obecne są dwie różne ciecze wymagające dużej szybkości mieszania, można połączyć kilka reaktorów CSTR w celu utworzenia kaskady. CSTR zakłada idealne mieszanie wsteczne, które jest przeciwieństwem reaktora z przepływem tłokowym (PFR).
Nie, reaktor zbiornikowy z mieszaniem ciągłym (CSTR) nie jest reaktorem Partia. Główna różnica między reaktorem CSTR a reaktorem Partia polega na tym, że CSTR jest reaktorem o przepływie ciągłym, w którym reagenty są stale wprowadzane do reaktora, a produkty są stale usuwane, podczas gdy w reaktorze Partia do reaktora dodaje się stałą ilość reagentów i pozwala im reagować do momentu zakończenia reakcji przed usunięciem produktów.
W reaktorze CSTR substancje reagujące są stale mieszane za pomocą mieszadła lub mieszadła, co zapewnia jednorodność i dobre wymieszanie mieszaniny reakcyjnej.
Reaktory CSTR są często stosowane w procesach przemysłowych na dużą skalę w których do zaspokojenia wymagań produkcyjnych wymagane są ciągłe dostawy reagentów. Z drugiej strony reaktory wsadowe są częściej stosowane w eksperymentach laboratoryjnych, gdzie mniejsze ilości reagentów są wymagane do testowania i analizy oraz do produkcji mniejszych ilości farmaceutyków, agrochemikaliów i specjalistycznych chemikaliów.
Dowiedz się więcej o reaktorach Partia kontra reaktory CSTR.
PFR (reaktor z przepływem tłokowym) i reaktor zbiornikowy z mieszaniem ciągłym (CSTR) to dwa typowe typy reaktorów chemicznych stosowanych w warunkach przemysłowych i laboratoryjnych. Główne różnice między tymi dwoma reaktorami to sposób działania i zastosowanie.
Ogólnie rzecz biorąc, wybór między PFR a CSTR zależy od konkretnej przeprowadzanej reakcji i pożądanego wyniku produkcji. Wysokiej jakości dane laboratoryjne są nieocenione do charakteryzowania reakcji, a modelowanie procesów może być wykorzystane do pomocy w wyborze reaktora. Dowiedz się więcej o CSTR vs PFR.
Lepszy przepływ ciągły (CSTR) czy PFR (przepływ tłokowy) jest lepszy w konkretnym zastosowaniu zależy od konkretnej reakcji i pożądanego wyniku. Ogólnie rzecz biorąc, reaktory CSTR są jednak często preferowane w stosunku do reaktorów PFR z kilku powodów:
Ogólnie rzecz biorąc, wybór między CSTR a PFR zależy od specyficznych potrzeb przeprowadzanej reakcji, a oba reaktory mają swoje zalety i wady. Jednak reaktory CSTR są często preferowane ze względu na ich elastyczność, dobre mieszanie i zdolność do osiągania wysokich współczynników konwersji w krótkim czasie pobytu.
Dowiedz się więcej na temat komunikacji reaktorów CSTR z PFR.
