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連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器(CSTR)

更新時間:2025-04-29      點(diǎn)擊次數(shù):397

      什么是連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器

       連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器(CSTR)是一種反應(yīng)容器,其中試劑、反應(yīng)物以及溶劑流入反應(yīng)器,同時反應(yīng)產(chǎn)物則流出容器。因此,罐式反應(yīng)器被認(rèn)為是對連續(xù)化學(xué)加工非常有價值的工具。

       連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)是化工生產(chǎn)中進(jìn)行各種物理變化和化學(xué)反應(yīng)廣泛使用的設(shè)備,在反應(yīng)裝置中占有重要地位。在塑料、化纖、合成橡膠三大合成材料生產(chǎn)中,CSTR 的數(shù)量約占合成生產(chǎn)反應(yīng)器總量的 90%以上。此外,在制藥、油漆、燃料、農(nóng)藥等行業(yè)中,也大量使用。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中的廣泛應(yīng)用和重要性,CSTR 的自動控制一直受到控制領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的關(guān)注。

       連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器以有效混合,并且可以在穩(wěn)態(tài)條件下性能一致而著稱。通常輸出成分與反應(yīng)器內(nèi)的材料相同,這與停留時間和反應(yīng)速率有關(guān)。

       在反應(yīng)速度過慢的情況下,當(dāng)兩種不混溶或粘性液體需要高攪拌速率時,或者當(dāng)需要活塞流動行為時,可以將多個反應(yīng)器連接在一起以形成連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器級聯(lián)。

       連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器采用理想的返混方案,這與活塞流反應(yīng)器(PFR)相反。

      連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器與間歇式反應(yīng)器比較

       通常,反應(yīng)器可分為連續(xù)式(圖1)或間歇式反應(yīng)器(圖2)。連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器的尺寸通常較小,可以無縫添加反應(yīng)物與試劑,同時產(chǎn)物可以不間斷地連續(xù)流出。

       相反,間歇式反應(yīng)器是一種需要將固定量的反應(yīng)物添加至反應(yīng)器容器,然后進(jìn)行反應(yīng),直至獲得所需產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)器。與連續(xù)式反應(yīng)器不同,反應(yīng)物并非連續(xù)添加,產(chǎn)物也不是連續(xù)移除。此外,間歇式反應(yīng)器混合不均勻,溫度與壓力條件有可能在反應(yīng)過程中發(fā)生變化。

       連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器具有處理較高濃度反應(yīng)物的能力,此外由于具有出色的熱傳遞性能,因此與間歇式反應(yīng)器相比,可處理更高能量的反應(yīng)。因此,連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器被視作一種對流動化學(xué)起到很好輔助作用的工具。

    連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器的設(shè)計與操作

       連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器(CSTR)由下列部分構(gòu)成:

  •  罐式反應(yīng)器;

  •  用于混合反應(yīng)物的攪拌系統(tǒng)(葉輪或者對反應(yīng)物的快速流動引入);

  •  用于引入反應(yīng)物和排出產(chǎn)物的進(jìn)料管與出料管;

      連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器常用于工業(yè)加工,主要用于需要持續(xù)攪拌的均相液相流動反應(yīng)。不過,它們還用于制藥行業(yè)與生物工藝,例如:細(xì)胞培養(yǎng)與發(fā)酵罐。

      連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器可在級聯(lián)應(yīng)用中使用(圖3),也可以單獨(dú)使用(圖1)。


       連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器與活塞流反應(yīng)器


       連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器與活塞流反應(yīng)器的區(qū)別是什么?
       連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器(圖1)與活塞流反應(yīng)器(圖4)均用于連續(xù)流動化學(xué)領(lǐng)域。連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器與活塞流反應(yīng)器既可以作為獨(dú)立的反應(yīng)系統(tǒng)使用,也可以組合成為連續(xù)流動過程的一部分。混合在連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器中起著重要作用,而活塞流反應(yīng)器則是管式反應(yīng)器,其中不同的活動塞中包含反應(yīng)物與試劑,充當(dāng)單獨(dú)的微型間歇式反應(yīng)器。活塞流反應(yīng)器中每個活塞的構(gòu)成略有不同,采用內(nèi)部混合方式,但不會與位于其前方或后方的附近活塞混合。在理想混合的連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器中,整個反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)物構(gòu)成是均勻的,而活塞流反應(yīng)器中的產(chǎn)物構(gòu)成隨其在管式反應(yīng)器中的位置而變化。與其他類型的反應(yīng)器相比,每種類型的反應(yīng)器都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
       盡管連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器每單位時間可生產(chǎn)大量的產(chǎn)物,并且可以長時間運(yùn)行,但它可能不是慢速動力學(xué)反應(yīng)的top選擇。在這種情況下,間歇式反應(yīng)器通常是合成的top選擇。
與其他類型的反應(yīng)器相比,活塞流反應(yīng)器通常更節(jié)省空間,并且具有更高的轉(zhuǎn)化率。然而,它們不適合高度放熱的反應(yīng),因?yàn)榭刂仆蝗坏臏囟炔▌涌赡芫哂刑魬?zhàn)性。此外,與連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器相比,活塞流反應(yīng)器的運(yùn)行與維護(hù)成本通常更高。


      連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器相對于活塞流反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)?

  • 可以很容易地保持對溫度的控制;

  • 連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器的功能已為人所熟知,包括混合(處理固體與漿料的能力)、反應(yīng)量熱法、各種加樣與化學(xué)動力學(xué)

  • 與專用的專業(yè)流動系統(tǒng)相比,費(fèi)用較少且更容易建造;

  • 反應(yīng)器內(nèi)部可用于過程分析技術(shù)(PAT);

  • 多個單元可以輕松連接以進(jìn)行級聯(lián)操作或集成到具有 PFR 等的更復(fù)雜的流動系統(tǒng)中;


      連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器相對于活塞流反應(yīng)器的缺點(diǎn)?

  • 單位體積的總通量通常小于管式流動反應(yīng)器

  • 由于需要保持穩(wěn)定狀態(tài),因此需要很好地了解系統(tǒng)

  • 單個單元不適用于慢動力學(xué)反應(yīng)

      優(yōu)化連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器性能

      連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器的停留時間分布(RTD)

       停留時間分布(RTD)描述了流體組分在系統(tǒng)或反應(yīng)器中停留的持續(xù)時間。連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器停留時間與反應(yīng)物離開反應(yīng)器之前在反應(yīng)器內(nèi)停留的時間有關(guān)。
       了解連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器的停留時間分布對于設(shè)計與優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)器至關(guān)重要。它有助于評估反應(yīng)器的效率以及實(shí)現(xiàn)反應(yīng)所需的持續(xù)時間。造成與理想化偏差的原因包括:通過容器溝流、容器內(nèi)的流體再循環(huán)以及容器內(nèi)存在混合不良或靜止的區(qū)域。因此,利用概率分布函數(shù)RTD描述流體的任何有限部分停留在反應(yīng)器內(nèi)的時間量。這有助于表征反應(yīng)器內(nèi)的混合與流動特性,以及將反應(yīng)器的行為同理想模式相比較。例如,隨著級聯(lián)設(shè)置中反應(yīng)器數(shù)量的增多,連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器級聯(lián)的停留時間會變短,反應(yīng)分辨率會變低。可以通過將非反應(yīng)性示蹤物添加至系統(tǒng)入口,嘗試性地確定容器內(nèi)流體的停留時間分布。該示蹤物的濃度因已知函數(shù)發(fā)生變化,并且通過跟蹤容器廢液中示蹤物的濃度確定容器內(nèi)的整體流動條件。

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