反応器の選択：回分、CSTR、PFR、固定床

01 / 入門

基礎原理

回分反応器は投入、反応、排出を別々に行い、多品種生産に適します。ただし洗浄と投入時間が周期に加わります。理想CSTRは完全混合で、出口濃度は槽内濃度に等しくなります。理想PFRには軸方向混合がなく、組成は流路に沿って変化します。固定床は固体触媒を保持します。固定床は触媒配置、PFRは流動モデルを表すため、同義ではありません。

02 / 実用

計算例

液相不可逆反応A → Bを等温、一定密度、一次反応と仮定します。k = 0.20 min⁻¹、q = 2 m³/min、X = 0.80です。CSTR収支FA0X = (−rA)VとCA = CA0(1−X)から、τ = 20 min、V = 40 m³を得ます。PFR収支を積分するとτ = 8.047 min、V = 16.094 m³です。定容回分の理想反応時間も同じですが、生産周期には投入と排出が含まれます。伝熱制限はこの比較に含みません。

−rA = k CA
CSTR: τ = X / [k(1 − X)]
PFR: τ = −ln(1 − X) / k
Batch: t = −ln(1 − X) / k

モデル	時間（分）	体積（m³）
回分	8.047	—
CSTR	20	40
PFR	8.047	16.094
固定床	dFA/dW = r′A	—

03 / 上級

設計上の判断

体積より先に選択性と安全を評価します。自己触媒反応や競合反応では順位が変わる場合があります。直列CSTRは押出流に近づきます。発熱系ではエネルギー収支、冷却能力、熱暴走評価が必要です。固定床では触媒質量基準の速度、有効係数、失活、圧力損失を考慮します。dFA/dW = r′Aに体積基準速度を使わず、動力学と滞留時間分布を検証してください。