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1[7급 국가직 반응공학] 24년 1회차
등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 순수한 A를 반응물로 A→k1R→k2S\mathrm{A}\xrightarrow{k_1}\mathrm{R}\xrightarrow{k_2}\mathrm{S} 연속반응을 진행한다. 각 단계의 반응이 모두 비가역 액상 1차 반응일 때, R의 농도를 최대로 얻기 위한 공간시간은? (단, k1≠k2k_1\neq k_2이다)
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1k1k2\dfrac{1}{\sqrt{k_1k_2}}
2
k1k2\sqrt{k_1k_2}
3
ln⁡(k2k1)k2−k1\dfrac{\ln(\dfrac{k_2}{k_1})}{k_2-k_1}
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k2−k1ln⁡(k2k1)\dfrac{k_2-k_1}{\ln(\dfrac{k_2}{k_1})}
해설

R 농도를 최대로 하는 CSTR 공간시간은 τopt=1k1k2\tau_{\mathrm{opt}}=\dfrac{1}{\sqrt{k_1k_2}}이다.

CSTR 물질수지: CA=CA01+k1τC_{\mathrm{A}}=\dfrac{C_{\mathrm{A0}}}{1+k_1\tau}, CR=k1τCA0(1+k1τ)(1+k2τ)C_{\mathrm{R}}=\dfrac{k_1\tau C_{\mathrm{A0}}}{(1+k_1\tau)(1+k_2\tau)}
dCRdτ=0\dfrac{dC_{\mathrm{R}}}{d\tau}=0 에서 1−k1k2τ2=01-k_1k_2\tau^2=0

  • k1k2\sqrt{k_1k_2}는 차원이 시간의 역수라 공간시간이 될 수 없다.
  • ln⁡(k2/k1)/(k2−k1)\ln(k_2/k_1)/(k_2-k_1)는 PFR(회분식)에서 R이 최대가 되는 시간이다.
  • (k2−k1)/ln⁡(k2/k1)(k_2-k_1)/\ln(k_2/k_1)는 PFR 최적 시간의 역수로 역시 속도상수 차원이다.

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