게시판 > 질답게시판 > CSTR과 PFR의 차이

스테파노 Stefano

14-06-16 12:27

(0) 반응기의 형태 차이는 교과서나 참고서적을 보면 알 수 있을 것이므로 생략하고..

(1) "PDR이 CSTR보다 전환율이 높다"는 말의 배경에는 "같은 생산량"과 "같은 반응기 크기"라는 조건이 생략되어 있습니다. 따러서 질문에서와 같이 <항상 전환율이 높지는 않을 것..>이 되는 경우는 이런 조건을 달리하면 맞는 말이 될 수도 있습니다.

그러므로..
1) CSTR 반응기 크기를 더 늘이면 PFR반응기보다 전환율을 더 높을 수 있고
2) 같은 반응기 크기라도 CSTR의 투입량을 PFR의 투입량보다 줄이면 전환율이 PFR보다 크게 할 수 있다는 이야기가 됩니다.

(2) 그 이유는 PFR반응기를 미분부피로 쪼갰을 때 반응기 미분부피의 입출구의 반응속도에 의해 반응기의 크기가 정해져 전체 부피가 정해지기 때문에 (-/rj)와 전환율의 관계식을 그래프로그렸을 때 곡선의 하부 면적만을 적분한 면적이 반응기 크기로 계산되지만 CSTR의 경우에는 반응기위치에 관계없이 반응전환이 일어난 배출될때의 (-1/rj)값과 출구의 전환율X의 곱으로 반응기 크기로 계산되기 때문입니다.

대부분의 반응공학서적에서 이를 설명하고 있는데 혹시 이해되지 않는 부분이 있다면 추가질문 바랍니다.

(3) 반응기 이용공정 - CSTR vs. PFR
CSTR는 제작이 쉽고 반응온도조절이 용이하며 다양한 품종의 생산에 적당하기 때문에 주로 소용량의 정밀화학공정에 많이 사용합니다. 특히 반응물이 투입되어 활성화과정(이를 Induction Period라고 함)이 필요한 반응에 적합합니다. 이미 반응이 진행되고 있는 물질은 이미 이 과정을 거친 반응물이 이미 들어있기 때문에 초기투입물질은 이 기간이 추가로 필요하지 않기 때문이지요. 반응은 액상반응에만 적용할 수 있고 반응기 출구에는 미반응 물질과 촉매들이 남아있기 때문에 분리과정이 필요합니다.

PFR은 반응 후 반응물 잔량이 낮고 반응온도조절이 비교적 용이한 공정에 많이 사용합니다. 고정층 촉매를 사용한 기상 혹은 액상반응에 사용되기 때문에 촉매분리가 필요하지 않고 반응기 후단 분리공정에 미반응 물질이나 부생물질만을 분리합니다. 촉매를 사용하지 않는 고온 열분해반응(주로 흡열반응) 등에 주로 사용합니다.

(4) Gibbs - Equilibrium - Stoicheometric
이들 반응기는 실제 반응기 형태를 구분하는것이 아니라 반응기 공정모사시 반응전환기준을 무엇으로 하느냐로 구분하는 것입니다.

Gibbs 반응기는 반응조건(온도, 압력)에서 반응물질과 생성물질들을 지정해두고 이들 각 성분들의 Gibbs의 Free Energy가 0이되도록 하는 반응물질들과 생성물질들의 분포(농도)를 계산해 내도록 하는 반응기 입니다. 이를 계산할 수 있으려면 각 성분들의 Free Energy를 모두 알아야 하는데 상용 Simulator Library로 보통 내장되어 있습니다.

Equilibrium 반응기는 각 생성물들간의 반응 평형상수를 혹은 전환율을 지정해 두고 생성물들의 분포를 계산해 내도록 하는 반응기 입니다.

Stoicheometric 반응기는 Reaction Mechanism을 미리 써두고 각 반응의 전환율을 미리 지정하여 생성물 분포를 계산해 내는 반응기 입니다. 전환율을 미리 지정하는 경우 Equilibrium Reactor나 Stoicheometric 반응기 계산결과는 같습니다.

(0) 반응기의 형태 차이는 교과서나 참고서적을 보면 알 수 있을 것이므로 생략하고..

(1) "PDR이 CSTR보다 전환율이 높다"는 말의 배경에는 "같은 생산량"과 "같은  반응기 크기"라는 조건이 생략되어 있습니다.  따러서 질문에서와 같이  <항상 전환율이 높지는 않을 것..>이 되는 경우는  이런 조건을 달리하면 맞는 말이 될 수도 있습니다.

그러므로..
1) CSTR 반응기 크기를 더 늘이면 PFR반응기보다 전환율을 더 높을 수 있고
2) 같은 반응기 크기라도 CSTR의 투입량을 PFR의 투입량보다 줄이면 전환율이 PFR보다 크게 할 수 있다는 이야기가 됩니다.

(2) 그 이유는 PFR반응기를 미분부피로 쪼갰을 때 반응기 미분부피의 입출구의 반응속도에 의해 반응기의 크기가 정해져 전체 부피가 정해지기 때문에  (-/rj)와 전환율의 관계식을 그래프로그렸을 때 곡선의 하부 면적만을 적분한 면적이 반응기 크기로 계산되지만 CSTR의 경우에는 반응기위치에 관계없이 반응전환이 일어난 배출될때의 (-1/rj)값과 출구의 전환율X의 곱으로 반응기 크기로 계산되기 때문입니다.

대부분의 반응공학서적에서 이를 설명하고 있는데 혹시 이해되지 않는 부분이 있다면 추가질문 바랍니다.

(3) 반응기 이용공정 - CSTR vs. PFR   
CSTR는 제작이 쉽고 반응온도조절이 용이하며 다양한 품종의 생산에 적당하기 때문에 주로 소용량의 정밀화학공정에 많이 사용합니다.  특히 반응물이 투입되어 활성화과정(이를 Induction Period라고 함)이 필요한 반응에 적합합니다.  이미 반응이 진행되고 있는 물질은 이미 이 과정을 거친 반응물이 이미 들어있기 때문에 초기투입물질은 이 기간이 추가로 필요하지 않기 때문이지요. 반응은 액상반응에만 적용할 수 있고 반응기 출구에는 미반응 물질과 촉매들이 남아있기 때문에 분리과정이 필요합니다.

PFR은 반응 후 반응물 잔량이 낮고 반응온도조절이 비교적 용이한 공정에 많이 사용합니다.  고정층 촉매를 사용한 기상 혹은 액상반응에 사용되기 때문에 촉매분리가 필요하지 않고 반응기 후단 분리공정에 미반응 물질이나 부생물질만을 분리합니다. 촉매를 사용하지 않는 고온 열분해반응(주로 흡열반응) 등에 주로 사용합니다.

(4) Gibbs - Equilibrium - Stoicheometric
이들 반응기는 실제 반응기 형태를 구분하는것이 아니라 반응기 공정모사시 반응전환기준을 무엇으로 하느냐로 구분하는 것입니다.

Gibbs 반응기는 반응조건(온도, 압력)에서 반응물질과 생성물질들을 지정해두고 이들 각 성분들의 Gibbs의 Free Energy가 0이되도록 하는 반응물질들과 생성물질들의 분포(농도)를 계산해 내도록 하는 반응기 입니다.  이를 계산할 수 있으려면 각 성분들의 Free Energy를 모두 알아야 하는데 상용 Simulator Library로 보통 내장되어 있습니다.

Equilibrium 반응기는 각 생성물들간의 반응 평형상수를 혹은 전환율을 지정해 두고 생성물들의 분포를 계산해 내도록 하는 반응기 입니다.

Stoicheometric 반응기는 Reaction Mechanism을 미리 써두고 각 반응의 전환율을 미리 지정하여 생성물 분포를 계산해 내는 반응기 입니다.  전환율을 미리 지정하는 경우 Equilibrium Reactor나 Stoicheometric 반응기 계산결과는 같습니다.