连续搅拌罐式反应器（CSTR）

      什么是连续搅拌罐式反应器？

       连续搅拌罐式反应器（CSTR）是一种反应容器，其中试剂、反应物以及溶剂流入反应器，同时反应产物则流出容器。因此，罐式反应器被认为是对连续化学加工非常有价值的工具。

       连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）是化工生产中进行各种物理变化和化学反应广泛使用的设备，在反应装置中占有重要地位。在塑料、化纤、合成橡胶三大合成材料生产中，CSTR 的数量约占合成生产反应器总量的 90%以上。此外，在制药、油漆、燃料、农药等行业中，也大量使用。由于在实际生产过程中的广泛应用和重要性，CSTR 的自动控制一直受到控制领域专业技术人员的关注。

       连续搅拌罐式反应器以有效混合，并且可以在稳态条件下性能一致而著称。通常输出成分与反应器内的材料相同，这与停留时间和反应速率有关。

       在反应速度过慢的情况下，当两种不混溶或粘性液体需要高搅拌速率时，或者当需要活塞流动行为时，可以将多个反应器连接在一起以形成连续搅拌罐式反应器级联。

       连续搅拌罐式反应器采用理想的返混方案，这与活塞流反应器（PFR）相反。

      连续搅拌罐式反应器与间歇式反应器比较

       通常，反应器可分为连续式（图1）或间歇式反应器（图2）。连续搅拌罐式反应器的尺寸通常较小，可以无缝添加反应物与试剂，同时产物可以不间断地连续流出。

       相反，间歇式反应器是一种需要将固定量的反应物添加至反应器容器，然后进行反应，直至获得所需产物的化学反应器。与连续式反应器不同，反应物并非连续添加，产物也不是连续移除。此外，间歇式反应器混合不均匀，温度与压力条件有可能在反应过程中发生变化。

       连续搅拌罐式反应器具有处理较高浓度反应物的能力，此外由于具有出色的热传递性能，因此与间歇式反应器相比，可处理更高能量的反应。因此，连续搅拌罐式反应器被视作一种对流动化学起到很好辅助作用的工具。

    连续搅拌罐式反应器的设计与操作

       连续搅拌罐式反应器（CSTR）由下列部分构成：

•  罐式反应器；

•  用于混合反应物的搅拌系统（叶轮或者对反应物的快速流动引入）；

•  用于引入反应物和排出产物的进料管与出料管；

      连续搅拌罐式反应器常用于工业加工，主要用于需要持续搅拌的均相液相流动反应。不过，它们还用于制药行业与生物工艺，例如：细胞培养与发酵罐。

      连续搅拌罐式反应器可在级联应用中使用（图3），也可以单独使用（图1）。

       连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器

       连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器的区别是什么？
       连续搅拌罐式反应器（图1）与活塞流反应器（图4）均用于连续流动化学领域。连续搅拌罐式反应器与活塞流反应器既可以作为独立的反应系统使用，也可以组合成为连续流动过程的一部分。混合在连续搅拌罐式反应器中起着重要作用，而活塞流反应器则是管式反应器，其中不同的活动塞中包含反应物与试剂，充当单独的微型间歇式反应器。活塞流反应器中每个活塞的构成略有不同，采用内部混合方式，但不会与位于其前方或后方的附近活塞混合。在理想混合的连续搅拌罐式反应器中，整个反应器内的产物构成是均匀的，而活塞流反应器中的产物构成随其在管式反应器中的位置而变化。与其他类型的反应器相比，每种类型的反应器都有自己的优点和缺点。
       尽管连续搅拌罐式反应器每单位时间可生产大量的产物，并且可以长时间运行，但它可能不是慢速动力学反应的top选择。在这种情况下，间歇式反应器通常是合成的top选择。
与其他类型的反应器相比，活塞流反应器通常更节省空间，并且具有更高的转化率。然而，它们不适合高度放热的反应，因为控制突然的温度波动可能具有挑战性。此外，与连续搅拌罐式反应器相比，活塞流反应器的运行与维护成本通常更高。

      连续搅拌罐式反应器相对于活塞流反应器的优点？

• 可以很容易地保持对温度的控制；

• 连续搅拌罐式反应器的功能已为人所熟知，包括混合（处理固体与浆料的能力）、反应量热法、各种加样与化学动力学

• 与专用的专业流动系统相比，费用较少且更容易建造；

• 反应器内部可用于过程分析技术（PAT）；

• 多个单元可以轻松连接以进行级联操作或集成到具有 PFR 等的更复杂的流动系统中；

      连续搅拌罐式反应器相对于活塞流反应器的缺点？

• 单位体积的总通量通常小于管式流动反应器

• 由于需要保持稳定状态，因此需要很好地了解系统

• 单个单元不适用于慢动力学反应

      优化连续搅拌罐式反应器性能

      连续搅拌罐式反应器的停留时间分布（RTD）

       停留时间分布（RTD）描述了流体组分在系统或反应器中停留的持续时间。连续搅拌罐式反应器停留时间与反应物离开反应器之前在反应器内停留的时间有关。
       了解连续搅拌罐式反应器的停留时间分布对于设计与优化化学反应器至关重要。它有助于评估反应器的效率以及实现反应所需的持续时间。造成与理想化偏差的原因包括：通过容器沟流、容器内的流体再循环以及容器内存在混合不良或静止的区域。因此，利用概率分布函数RTD描述流体的任何有限部分停留在反应器内的时间量。这有助于表征反应器内的混合与流动特性，以及将反应器的行为同理想模式相比较。例如，随着级联设置中反应器数量的增多，连续搅拌罐式反应器级联的停留时间会变短，反应分辨率会变低。可以通过将非反应性示踪物添加至系统入口，尝试性地确定容器内流体的停留时间分布。该示踪物的浓度因已知函数发生变化，并且通过跟踪容器废液中示踪物的浓度确定容器内的整体流动条件。