連續攪拌槽反應器

連續攪拌槽反應器（英語：Continuous Stirred-Tank Reactor，簡稱CSTR），也可以稱作全混流反应器，vat-reactor或是backmix reactor，是化學工程中一個常見的化學反應器模型。CSTR通常是指在使用continuous agitated-tank reactor要達到指定出料條件時用來估計關鍵操作變數的模型 。該數學模型適用於所有流体：液體、氣體和漿體。 CSTR的行為通常會以連續理想攪拌槽反應器（Continuous Ideally Stirred-Tank Reactor，CISTR）建模，所有由CISTR進行的計算皆已假設其為完美攪拌（英语：perfect mixing）。在一個完美攪拌的反應器中，出料的組成會與反應器內的組成一致，而組成與滯留時間及反應速率有關。以工程方面來說，一般會假設滯留時間是攪拌時間的5－10倍。CISTR模型通常用於簡化工程計算並可用於描述及研究反應器。然而實際上，反應只能接近而無法達到完美狀態，特別是在具工業規模的反應器中。 假設反應為理想情況（完美攪拌），則在體積為 V {\displaystyle V} 的反應器內物料 i {\displaystyle i} （莫耳數為 N i {\displaystyle N_{i}} ）的總質量平衡可表示成： [ accumulation ] = [ in ] − [ out ] + [ generation ] {\displaystyle [{\text{accumulation}}]=[{\text{in}}]-[{\text{out}}]+[{\text{generation}}]} （累積量＝進料－出料＋生成） d N i d t = F i o − F i + V ν i r i {\displaystyle {\frac {dN_{i}}{dt}}=F_{io}-F_{i}+V\nu _{i}r_{i}} 其中， F i o {\displaystyle F_{io}} 是物料 i {\displaystyle i} 的進料莫爾流率， F i {\displaystyle F_{i}} 是出料莫爾流率， ν i {\displaystyle \nu _{i}} 為化学计量数。反應速率 r {\displaystyle r} ，通常與反應物濃度以及速率常数（ k {\displaystyle k} ）有關。速率常數一般可以由阿伦尼乌斯方程求得。一般來說，溫度升高時，反應速率也會隨之提升。滯留時間（英语：Residence time） τ {\displaystyle \tau } 是指試劑在槽內所耗費的平均時間。 假設： 固定密度（適用於大部分液體、莫耳數不會產生淨變化或是沒有劇烈溫度變化的氣體） 等温过程（ k {\displaystyle k} 為常數） 穩態（英语：steady-state (chemical engineering)）（ G A = r A V {\displaystyle G_{A}=r_{A}V} ） 基元反應、不可逆化学反应（ v a = − 1 {\displaystyle v_{a}=-1} ） 速率方程（ r = k C A {\displaystyle r=kC_{A}} ) A → p r o d u c t {\displaystyle A\rightarrow product} N A = C A V {\displaystyle N_{A}=C_{A}V} （ C A {\displaystyle C_{A}} 為物料 A {\displaystyle A} 的濃度， V {\displaystyle V} 為反應器體積， N A {\displaystyle N_{A}} 為物料 A {\displaystyle A} 的莫爾數） C A = C A o 1 + k τ {\displaystyle C_{A}={\frac {C_{Ao}}{1+k\tau }}} 上式中的變數、出口濃度和停留時間的值是主要的設計準則。 如果要建立一個非等溫或是單一反應的系統時，則必須要考慮額外的控制變數。如果系統被認為處於不穩定狀態，那麼就必須求解微分方程或是耦合微分方程組。 CSTR是一類具有多重穩態、極限循環和混沌等複雜行為的系統。 CSTR通常應用於廢水處理過程中。CSTR可以促進稀釋速率，使它們能抵抗鹼性或酸性的揮發性脂肪酸廢棄物。與其他類型的反應器相比，CSTR的效率較低，因為它們需要更大的反應器體積以達到與其他反應器模型（如塞流反應器（英语：Plug_flow_reactor_model））相同的反應速率。 層流反應器（英语：Laminar flow reactor） 微反應器（英语：Microreactor） 連續振動阻隔反應器（英语：Oscillatory baffled reactor） 塞流反應器（英语：Plug flow reactor model） Chemical reactors often have significant heat effects, so it is important to be able to add or remove heat from them. In a CSTR (continuous stirred tank reactor) the heat is added or removed by virtue of the temperature difference between a jacket fluid and the reactor fluid. Often, the heat transfer fluid is pumped through agitation nozzle that circulates the fluid through the jacket at a high velocity. The reactant conversion in a chemical reactor is a function of a residence time or its inverse, the space velocity. For a CSTR, the product concentration can be controlled by manipulating the feed flow rate, which changes the residence time for a constant chemical reactor. Occasionally the term "continuous" is misinterpreted as a modifier for "stirred", as in 'continuously stirred'. This misinterpretation is especially prevalent in the civil engineering literature. As explained in the article,"continuous" means 'continuous-flow' — and hence these devices are sometimes called, in full, continuous-flow stirred-tank reactors (CFSTR's). Schmidt, Lanny D. The Engineering of Chemical Reactions. New York: Oxford University Press. 1998. ISBN 0-19-510588-5.