반응공학 - 반응기의 크기 비교

1. 단일반응기의 크기 비교

1) 회분 반응기(Batch reactor)

ε = 0 에 대해서 회분반응기와 플러그 흐름반응기(PFR)는 같은 시간동안 반응하며, 작업에 필요한 반응기의 크기도 동일하다.

 

 

 

2) 혼합흐름반응기(CSTR)과 플러그흐름반응기(PFR)의 비교

 

n > 0 일때, CSTR의 크기(Vm) > PFR의 크기(Vp)

 

 

 - n > 0 일때, 혼합흐름반응기(CSTR)의 크기는 항상 플러그흐름반응기(PFR)의 크기보다 크다. 이 부피비는 반응차수(n)이 증가할수록 커진다.

 

 - 전화율이 클수록 부피비가 급격히 증가하므로 전화율이 높을 때에는 흐름 유형이 매우 중요해진다.

 

 

 

 

 

2. 다중반응계

1) 연속흐름반응기(PFR)

① 직렬연결

 

총 부피 = V1 + V2 + V3 + ... + Nn

 

직렬로 연결된 N개의 PFR은 부피가 V인 한개의 PFR과 같다. (동일한 전화율을 가짐)

 

 

 

② 병렬연결

 

 - 직렬, 직렬-병렬로 연결된 플러그흐름반응기(PFR)에 대하여 유체가 동일한 조성으로 만나도록 공급물을 분배시키는 경우에 전체계를 각각의 총 부피와 같은 부피를 가진 한개의 플러그흐름반응기로 취급할 수 있다.

 

 - 병렬로 연결된 반응기들은 각각의 평행한 흐름에서 τ 가 동일해야 한다.

 

 

 

 

2) 혼합흐름반응기(CSTR)

① 직렬연결

 - 혼합흐름에서는 순간적으로 농도가 아주 낮게 떨어진다. 그러므로 n > 0인 비가역 n차 반응과 같이 반응물의 농도가 증가함에 따라 반응속도가 증가하는 반응에 대해서는 플러그흐름반응기가 혼합흐름반응기보다 더 효율적이다. (PFR에서는 반응물의 농도가 계를 통과하면서 점차 감소)

 

 -  N개의 동일한 크기의 CSTR을 직렬연결하면 반응기의 수가 증가할수록 플러그흐름반응기에 근접한다.

 

 

② 주어진 전화율에 대한 최상의 계 찾기

주어진 전화율을 달성하기 위해서는 직렬로 연결된 두개의 혼합흐름반응기의 크기를 최소화 해야 한다.

 

반응 차수	반응기
1차 반응	동일한 크기의 반응기를 사용
n > 1인 반응	작은 반응기 → 큰 반응기 순서로 사용
n < 1인 반응	큰 반응기 → 작은 반응기 순서로 사용

 

 

 

 

3. 이상 반응기 세트의 최적 배열

 - 반응속도-농도곡선이 단조증가하는 반응(n > 0 인 n차 반응)에 대해서는 반응기들을 직렬로 연결해야 한다.

 

 - 반응속도-농도곡선이 오목(n > 1)하면 반응물의 농도를 가능한 크게, 볼록(n < 1)하면 가능한 작게 배열한다.

 

n > 1 : PFR → 작은 CSTR → 큰 CSTR 순서로 배열

n < 1 : 큰 CSTR → 작은 CSTR → PFR 순서로 배열