Реакторы с непрерывным перемешиванием (CSTR) | Технология потока

Реакторы с непрерывным перемешиванием (CSTR)

Технология потоков для химического и биологического синтеза

Позвонить специалисту

Что такое реактор с непрерывным перемешиванием?

Реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR) представляет собой реакционный сосуд, в котором реагенты, реагенты и растворители поступают в реактор, а продукты реакции одновременно выходят из резервуара. Таким образом, резервуарный реактор считается ценным инструментом для непрерывной химической обработки.

Реакторы CSTR известны своим эффективным перемешиванием и стабильной, однородной работой в установившихся условиях. Как правило, выходной состав такой же, как и материал внутри реактора, что зависит от времени пребывания и скорости реакции.

В ситуациях, когда реакция протекает слишком медленно, когда две несмешивающиеся или вязкие жидкости требуют высокой скорости перемешивания, или когда требуется поведение потока пробки, несколько реакторов могут быть соединены вместе для создания каскада CSTR.

CSTR предполагает идеальный сценарий обратного смешивания, который является полной противоположностью реактору с пробковым потоком (PFR).

CSTR против реактора периодического действия

В целом, реакторы можно классифицировать как реакторы непрерывного действия (рис. 1), либо реакторы периодического действия (рис. 2). CSTR, как правило, меньше по размеру и обеспечивают плавное добавление реагентов и реагентов, в то время как продукт может вытекать непрерывно без перерыва.

В отличие от этого, реактор периодического действия представляет собой химический реактор, который включает в себя добавление фиксированного количества реагентов в корпус реактора, за которым следует процесс реакции до получения желаемого продукта. В отличие от реактора непрерывного действия, реагенты не добавляются непрерывно, и продукты не удаляются непрерывно. Кроме того, реакторы периодического действия не так равномерно перемешиваются, а условия температуры и давления могут меняться во время реакции.

CSTR обладают уникальной способностью работать с более высокими концентрациями реагентов, а также с более энергичными реакциями благодаря своим превосходным свойствам теплопередачи по сравнению с реакторами периодического действия. Таким образом, CSTR считается инструментом, поддерживающим химию потока.

Устройство и эксплуатация КСТР

Реакторы с непрерывным перемешиванием (КСТР) состоят из:

  • Резервуарный реактор
  • Система перемешивания для смешивания реагентов (крыльчатка или быстротекучее введение реагентов)
  • Подающие и выходные трубы для введения реагентов и удаления продуктов

CSTR чаще всего используются в промышленной обработке, в первую очередь в однородных реакциях жидкофазного потока, где требуется постоянное перемешивание. Однако они также используются в фармацевтической промышленности и для биологических процессов, таких как клеточные культуры и ферментеры.

CSTR могут использоваться как в каскадном исполнении (рис. 3), так и автономно (рис. 1).

CSTR и PFR

В чем разница между CSTR и PFR (реактор с пробковым потоком)?

CSTR (рис. 1) и PFR (рис. 4) используются в химии непрерывного потока. CSTR и PFR могут функционировать как автономные реакционные системы или объединяться для формирования непрерывного технологического процесса. Перемешивание является важнейшим аспектом CSTR, в то время как PFR спроектированы как трубчатые реакторы, в которых отдельные движущиеся пробки содержат реагенты и реагенты, действующие как реакторы мини-периодического действия. Каждая вилка в PFR имеет немного разный состав, и они смешиваются внутри, но не с ближайшей вилкой впереди или позади нее. В идеально смешанном КСТР состав продукта однороден по всему объему, в то время как в ПФР состав продукта изменяется в зависимости от его положения в трубчатом реакторе. Каждый тип реактора имеет свой набор преимуществ и недостатков по сравнению с другими.

Несмотря на то, что CSTR может производить значительное количество продукта в единицу времени и может работать в течение длительных периодов времени, он может быть не лучшим выбором для реакций с медленной кинетикой. В таких случаях реакторы периодического действия, как правило, являются предпочтительным вариантом для синтеза.

Реакторы с пробковым потоком, как правило, более компактны и имеют более высокую степень конверсии по сравнению с другими типами реакторов. Однако они не подходят для высокоэкзотермических реакций, потому что может быть сложно контролировать внезапные скачки температуры. Кроме того, PFR, как правило, влекут за собой более высокие эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание, чем CSTR.

Преимущества КСТР перед ПФР

  • Контроль температуры прост в обслуживании
  • Поведение CSTR хорошо изучено, в том числе при смешивании (способность работать с твердыми веществами и суспензиями), калориметрии реакции, вариантах дозирования и химической кинетике
  • Дешевле и проще в изготовлении, чем специализированные проточные системы
  • Внутренняя часть реактора доступна для процессно-аналитической технологии (PAT)
  • Несколько блоков могут быть легко объединены для каскадного управления или интеграции в более сложные проточные системы с PFR и т. д.

 

Недостатки CSTR перед PFR

  • Общая производительность на единицу объема, как правило, ниже, чем у трубчатых проточных реакторов
  • Необходимо поддерживать устойчивое состояние, поэтому система должна быть хорошо понята
  • Единичные единицы не являются оптимальными для реакций с медленной кинетикой

 

Руководство по «зеленой» химии и устойчивому развитию
Распределение времени пребывания (RTD) в реакторах CSTR
Моделирование и симуляция CSR
CSTR и процессно-аналитические технологии
Опора реактора с рубашкой

Промышленное применение

Непрерывный процесс безопасного производства диазометана

ReactIR отслеживает концентрацию диазокетонов и используется для определения РДТ

Авторы сообщают о разработке генератора диазометана, состоящего из каскада CSTR с технологией внутренней мембранной сепарации. Они использовали эту технологию в трехступенчатом телескопическом синтезе хирального α-хлоркетона – важного промежуточного соединения в синтезе ингибиторов протеазы ВИЧ. Змеевиковый реактор был использован для получения смешанного ангидрида, который был передан в каскад диазометана CSTR. Тефлоновая мембрана позволяла диффузию диазометана в CSTR, где он вступал в реакцию с ангидридом с образованием соответствующего диазокетона. Затем диазокетон превращали в α-хлоркетон реакцией с HCl в реакторе периодического действия.

Измерения ReactIR были использованы для отслеживания образования промежуточного соединения диазокетона (отслеживание пика 2107 см-1), а также для экспериментального определения распределения времени пребывания в системе путем отслеживания вещества-индикатора. Эксперимент с индикаторами, контролируемый ReactIR, показал, что для достижения устойчивого состояния требуется пять объемов реактора второго CSTR в каскаде, что соответствует 6-часовому времени запуска. 

Верник, М., Похлауэр,., Шмёльцер, К., Даллингер, Д., и Каппе, К. О. (2019). Проектирование и оптимизация каскада реактора с непрерывным перемешиванием для мембранного производства диазометана: синтез α-хлоркетонов. Исследование и разработка органических процессов, 23(7), 1359–1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115

 

Автоматизированная система сцепления Suzuki с прерывистым потоком и сопутствующими последующими операциями

OptiMax используется в качестве реакционных сосудов MSMPR при непрерывной кристаллизации

Авторы сообщают о разработке системы, позволяющей полностью автоматизировать прерывистый поток жидкость-жидкость Suzuki, а также осуществлять периодическую обработку металла и непрерывную кристаллизацию. Что касается непрерывной кристаллизации, реакторы OptiMax использовались последовательно в качестве многоступенчатых сосудов для смешанной суспензии и удаления смешанных продуктов (MSMPR), обеспечивающих кристаллизацию антирастворителей при температуре окружающей среды.

Эти сосуды MSMPR действуют как CSTR, которые производят и передают суспензию, содержащую кристаллы продукта. Авторы сообщают, что номинальное время пребывания в кристаллизаторах рассчитывалось путем деления объема заполнения кристаллизаторов на суммарный расход поступающего сырья. При измерении непрерывной кристаллизации использовался PAT, в том числе ParticleTrack с FBRM и ослабленным полным отражением (ATR).

Коул, К.., Кэмпбелл, Б. М., Форст, М. Б., МакКлэри Гро, Дж., Хесс, М., Джонсон, М. Д., Миллер, Р. Д., Митчелл, Д., Польстер, К. С., Рейзман, Б. Дж., и Розмейер, М. (2016). Автоматизированный подход с прерывистым потоком для непрерывной муфты Suzuki. Исследования и разработки органических процессов, 20(4), 820–830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030

 

Каскад PFR-CSTR для непрерывной реактивной кристаллизации

ReactIR и ParticleTrack предоставляют информацию о PAT и обратную связь

Авторы сообщают о разработке комбинированной каскадной проточной реакторной системы PFR-CSTR, включающей в себя встроенные ИК-Фурье и FBRM датчики в качестве процессно-аналитической технологии. Эта система была использована для исследования нескольких непрерывных реакционноспособных кристаллизаций, определения морфологии кристаллов, распределения кристаллов по размерам, выхода реакций и кристаллизаций, а также уровней пересыщения. Было измерено распределение времени пребывания (RTD) для PFR, каскада CSTR и каскада PFR-CSTR, которое показало, что комбинированный каскад PFR-CSTR имеет несколько более длительный RTD, чем только каскад CSTR. Для реактивной кристаллизации был получен более высокий выход для каскадной системы PFR-CSTR в результате более узкого RTD PFR, что сводит к минимуму как образование непрореагировавшего материала, так и примесей.

Зонды ReactIR и ParticleTrack измеряли концентрацию реагента и длину кристаллической хорды в процессе реактивной кристаллизации. Концентрации реагентов в маточном растворе, измеренные с помощью ReactIR, хорошо согласовывались с результатами ВЭЖХ (ошибка прогнозирования < 0,17 %). Измерения ParticleTrack показали относительно стабильную длину хорды ~ 150 мкм. 

Ху, К., Шорс, Б. Т., Дерех, Р. А., Теста, К. Дж., Хермант,., Ву, В., Шведова, К., Рамнатх, А., Аль-Исмаили, Л. К., Су, К., говоря, Р., Борн, С. К., Такидзава, Б., О'Коннор, Т. Ф., Янг, X., Рамануджам, С., и Машия, С. (2020). Непрерывная реактивная кристаллизация АФИ в каскаде PFR-CSTR с поточными ПЭТ. Реакционная химия и инженерия, 5(10), 1950–1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j

 

 

 

 

 

Ресурсы по теме

Цитаты и ссылки

Часто задаваемые вопросы

FAQs

Что такое CSTR? Как работает CSTR?

Резервуарный реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR) представляет собой емкость, используемую для химических реакций. Он позволяет веществам, необходимым для реакции, поступать, в то время как продукты вытекают одновременно. Это делает его отличным инструментом для непрерывного производства химикатов. Реактор CSTR хорошо перемешивает вещества и стабильно работает в стационарных условиях. Как правило, смесь, которая выходит, такая же, как и то, что внутри, что зависит от того, как долго вещества находятся в контейнере и как быстро происходит реакция.

В некоторых случаях, когда реакция протекает слишком медленно или присутствуют две разные жидкости, требующие высокой скорости перемешивания, несколько CSTR могут быть соединены вместе, чтобы создать каскад. CSTR предполагает идеальное обратное смешивание, которое является противоположностью реактору с пробковым потоком (PFR).

Является ли CSTR реактором периодического действия?

Нет, реактор с непрерывным перемешиванием не является реактором периодического действия. Основное различие между реактором периодического действия и реактором периодического действия заключается в том, что реактор непрерывного действия, в котором реагенты непрерывно подаются в реактор и продукты непрерывно удаляются, в то время как в реакторе периодического действия в реактор добавляется фиксированное количество реагентов и дается им реакция до завершения реакции, прежде чем продукты будут удалены.

В CSTR реагенты непрерывно перемешиваются с помощью мешалки или мешалки, что обеспечивает однородность и хорошее перемешивание реакционной смеси. 

CSTR часто используются в крупномасштабных промышленных процессах, где требуется непрерывная подача реагентов для удовлетворения производственных потребностей. С другой стороны, реакторы периодического действия чаще используются в лабораторных экспериментах, где для тестирования и анализа требуется меньшее количество реагентов, а также при производстве небольших объемов фармацевтических, агрохимических и специальных химикатов.

Узнайте больше о реакторах периодического действия и реакторах CSTR.

В чем разница между реактором CSTR и PFR?

PFR (Plug Flow Reactor) и CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) — это два распространенных типа химических реакторов, используемых в промышленных и лабораторных условиях. Основные различия между этими двумя реакторами заключаются в принципе их работы и их применении.

  • PFR работает, пропуская реагенты через длинную трубу или канал, где они смешиваются и вступают в реакцию при прохождении через реактор. В PFR условия реакции, такие как температура и давление, должны точно контролироваться по длине трубы. Поток продукта из PFR непрерывен, а коэффициент конверсии реагентов, как правило, высок. PFR часто используются для крупномасштабного непрерывного производства химикатов и нефтепродуктов.
  • CSTR представляет собой хорошо перемешанный реактор, который непрерывно перемешивает реагенты в резервуаре или сосуде. В CSTR условия реакции одинаковы по всему реактору, а скорость реакции определяется расходом реагентов в резервуаре и из него. CSTR обычно используются для однородных и гетерогенных реакций, требующих высокой степени перемешивания и относительно короткого времени пребывания.

В целом, выбор между PFR и CSTR зависит от конкретной проводимой реакции и желаемого производственного результата. Высококачественные лабораторные данные имеют неоценимое значение для определения характеристик реакции, а моделирование процесса может быть использовано для помощи в выборе реактора. Узнайте больше о CSTR и PFR.

Каковы преимущества CSTR по сравнению с PFR?

Какой поток лучше подходит для конкретного применения, зависит от конкретной проводимой реакции и желаемого результата. Однако, как правило, CSTR часто предпочтительнее PFR по нескольким причинам:

  1. Хорошее перемешивание: CSTR обеспечивают хорошее перемешивание реагентов, особенно суспензий, что помогает поддерживать равномерную скорость реакции и предотвращать локальные горячие точки или мертвые зоны. Напротив, PFR иногда могут приводить к градиентам температуры, концентрации или скорости потока, что может повлиять на эффективность реакции.
  2. Гибкость: CSTR обладают высокой гибкостью и могут быть легко адаптированы к различным условиям реакции или объему. Например, время пребывания можно легко регулировать, изменяя расход, а реактор можно увеличивать или уменьшать в зависимости от производственных потребностей.
  3. Сокращение времени реакции: CSTR часто могут достигать высокой скорости конверсии за относительно короткое время пребывания, поскольку реагенты хорошо перемешиваются, а условия реакции однородны. Это может привести к более быстрому реагированию и более высокой производительности.
  4. Более низкие затраты: CSTR, как правило, проще и дешевле в строительстве и эксплуатации, чем PFR, поскольку для них не требуются длинные специализированные насосно-компрессорные трубы и сопутствующее оборудование.

В целом, выбор между CSTR и PFR зависит от конкретных потребностей проводимой реакции, и оба реактора имеют свои преимущества и недостатки. Тем не менее, CSTR часто предпочитают за их гибкость, хорошее смешивание и способность достигать высоких коэффициентов конверсии за короткое время пребывания.

Узнайте больше о CSTR и PFR.