連續攪拌罐式反應器（CSTR）

      什么是連續攪拌罐式反應器？

       連續攪拌罐式反應器（CSTR）是一種反應容器，其中試劑、反應物以及溶劑流入反應器，同時反應產物則流出容器。因此，罐式反應器被認為是對連續化學加工非常有價值的工具。

       連續攪拌釜式反應器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）是化工生產中進行各種物理變化和化學反應廣泛使用的設備，在反應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中，CSTR 的數量約占合成生產反應器總量的 90%以上。此外，在制藥、油漆、燃料、農藥等行業中，也大量使用。由于在實際生產過程中的廣泛應用和重要性，CSTR 的自動控制一直受到控制領域專業技術人員的關注。

       連續攪拌罐式反應器以有效混合，并且可以在穩態條件下性能一致而著稱。通常輸出成分與反應器內的材料相同，這與停留時間和反應速率有關。

       在反應速度過慢的情況下，當兩種不混溶或粘性液體需要高攪拌速率時，或者當需要活塞流動行為時，可以將多個反應器連接在一起以形成連續攪拌罐式反應器級聯。

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

      連續攪拌罐式反應器與間歇式反應器比較

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

       相反，間歇式反應器是一種需要將固定量的反應物添加至反應器容器，然后進行反應，直至獲得所需產物的化學反應器。與連續式反應器不同，反應物并非連續添加，產物也不是連續移除。此外，間歇式反應器混合不均勻，溫度與壓力條件有可能在反應過程中發生變化。

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

    連續攪拌罐式反應器的設計與操作

       連續攪拌罐式反應器（CSTR）由下列部分構成：

•  罐式反應器；

•  用于混合反應物的攪拌系統（葉輪或者對反應物的快速流動引入）；

•  用于引入反應物和排出產物的進料管與出料管；

      連續攪拌罐式反應器常用于工業加工，主要用于需要持續攪拌的均相液相流動反應。不過，它們還用于制藥行業與生物工藝，例如：細胞培養與發酵罐。

      連續攪拌罐式反應器可在級聯應用中使用（圖3），也可以單獨使用（圖1）。

       連續攪拌罐式反應器與活塞流反應器

       連續攪拌罐式反應器與活塞流反應器的區別是什么？
       連續攪拌罐式反應器（圖1）與活塞流反應器（圖4）均用于連續流動化學領域。連續攪拌罐式反應器與活塞流反應器既可以作為獨立的反應系統使用，也可以組合成為連續流動過程的一部分。混合在連續攪拌罐式反應器中起著重要作用，而活塞流反應器則是管式反應器，其中不同的活動塞中包含反應物與試劑，充當單獨的微型間歇式反應器。活塞流反應器中每個活塞的構成略有不同，采用內部混合方式，但不會與位于其前方或后方的附近活塞混合。在理想混合的連續攪拌罐式反應器中，整個反應器內的產物構成是均勻的，而活塞流反應器中的產物構成隨其在管式反應器中的位置而變化。與其他類型的反應器相比，每種類型的反應器都有自己的優點和缺點。
       盡管連續攪拌罐式反應器每單位時間可生產大量的產物，并且可以長時間運行，但它可能不是慢速動力學反應的top選擇。在這種情況下，間歇式反應器通常是合成的top選擇。
與其他類型的反應器相比，活塞流反應器通常更節省空間，并且具有更高的轉化率。然而，它們不適合高度放熱的反應，因為控制突然的溫度波動可能具有挑戰性。此外，與連續攪拌罐式反應器相比，活塞流反應器的運行與維護成本通常更高。

      連續攪拌罐式反應器相對于活塞流反應器的優點？

• 可以很容易地保持對溫度的控制；

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

• 與專用的專業流動系統相比，費用較少且更容易建造；

• 反應器內部可用于過程分析技術（PAT）；

• 多個單元可以輕松連接以進行級聯操作或集成到具有 PFR 等的更復雜的流動系統中；

      連續攪拌罐式反應器相對于活塞流反應器的缺點？

• 單位體積的總通量通常小于管式流動反應器

• 由于需要保持穩定狀態，因此需要很好地了解系統

• 單個單元不適用于慢動力學反應

      優化連續攪拌罐式反應器性能

      連續攪拌罐式反應器的停留時間分布（RTD）

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