連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器（CSTR）

      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?；旌显谶B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)點和缺點。
       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)，因為控制突然的溫度波動可能具有挑戰(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？

• 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？

• 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。