CSTR반응조와 PFR반응조의 성능 차이

CSTR반응조와 PFR반응조는 반응공학에서 매우 중요한 부분이다. 더불에 환경공학에서도 화학반응 등을 다루는 경우가 많아 수질관리기술사에서도 90회와 111회에서 출제되는 등 중요하게 다루고 있다. 그 중에서도 CSTR반응조와 PFR반응조를 설계하고 실제 운영이 어떻게 차이가 나는지에 대하여 숙지 해야하고 그리고 특히 CSTR반응조를 무한히 연결하면 PFR반응조에 가깝게 되는 원리를 이해해야 한다.

CSTR(Completely stirred tank reactor)반응조는 일정부피의 반응조가 완전혼합된다는 가정하에 설계되는 반응조이며 이를 이용한 물질수지식은 다음과 같다.

위와 같은 과정으로 특정 전환률을 얻기 위한 CSTR반응조의 부피를 구할 수 있다.

또한 PFR반응조의 반응특성은 다음과 같다.

PFR반응조 반응계산 및 그래프 작성 예시

PFR반응조의 특징은 반응조내 위치에 따라 유체의 농도가 다르다는 특징이 있다. 이에 따라 물질수지는 유체가 이동한 거리만큼의 부피로 환산하여 계산해야 한다. 

CSTR반응조에서 필요반응조 부피(왼쪽)과 PFR반응조에서 필요반응조 부피(오른쪽)

따라서 CSTR반응조의 필요부피를 계산할 시 위와 같은 직사각형 면적만큼의 부피가 필요함을 나타내며 PFR반응조의 반응형태를 그래프로 표현하면 다음과 같은 그래프를 얻을수 있으며 CSTR반응조보다 PFR반응조의 반응효율이 더 뛰어남을 확인할 수 있다.  

더불어 다음과 같이 하나의 CSTR반응조를 설계하기 보다 CSTR반응조를 나누어 연결하면 반응특성이 PFR반응조와 유사한 결과로 나타난다. 이로 미루어보아 CSTR반응조를 무한히 연결할 시 결국 하나의 PFR반응조를 설계한 것과 같은 효과를 낼 것이다.