反応
CSTR設計
CSTR(連続撹拌槽型反応器)は、原料を連続的に流し込みながら反応させ、反応後の液を連続的に抜き出す反応器です。
槽の中は常によく混ざっている、という前提で設計します。
このツールは、目標の転化率を達成するために必要な反応器の体積(または滞留時間)を計算します。
連続プロセスの反応槽のサイズを検討する際の基本計算です。
CSTR(連続撹拌槽型反応器)の設計の使い方と考え方
目標の転化率、反応速度定数、原料の流量・濃度を入力します。
τ=V/q0 = CA0・X/(k・CA_out^n) (CA_out=CA0(1-X)、出口濃度で速度評価)
考え方は、「槽の中は常に出口と同じ濃度である」という単純化(完全混合)を前提に、槽の中の反応速度と、原料が持ち込む量・製品が持ち出す量のつり合いから体積を決める、というものです。
CSTR（連続槽型反応器）計算ツールの概要
本ツールは、化学プラントや排水処理・バイオプロセスなどで広く用いられる連続槽型反応器（CSTR：Continuous Stirred Tank Reactor）の設計・操作条件を算出するツールです。
供給液の体積流量、原料の供給濃度、反応速度定数、目標とする反応率（転化率）などのパラメータを入力することで、必要な反応器容積や平均滞留時間を迅速に試算できます。
CSTRの基本概念と物質収支
CSTRは、原料が連続的に供給され、同時に生成物を含む反応液が同量ずつ排出される撹拌槽型の反応器です。槽内が完全混合（完全均一）状態に保たれていると仮定するため、出口の流出濃度は「槽内の濃度」と全く等しくなります。
定常状態における成分Aの物質収支（デザイン方程式）は、以下の関係で表されます。
・必要な反応器容積（V)
＝（供給流量 × 供給濃度 × 反応率）÷ 反応速度
・平均滞留時間（τ）
＝反応器容積（V）÷ 供給流量
※または（供給濃度 × 反応率）÷ 反応速度
計算に使われる主な要素
・反応器容積（V）：
反応液で満たされている槽の有効容積（L や m³）
・体積流量（v0）：
1時間あたり・1分あたりに供給される液量（L/min や m³/h）
・供給濃度（CA0）：
入口での反応物の濃度（mol/L）
・反応率（XA）：
供給された原料のうち何%が反応したか（転化率）
・反応速度（-rA）：
単位時間・単位容積あたりに反応する量。1次反応の場合は 「反応速度定数 k × 槽内濃度 CA」 となります。
反応器設計における実務上のポイント
1. PFR（管型反応器）との容積比較
CSTRは供給直後に原料が反応液全体へ瞬時に希釈されるため、槽内の反応物濃度が低く保たれます。そのため、同じ反応率（転化率）を達成しようとした場合、PFR（押し出し流れ反応器）に比べて必要な反応器容積が大きくなる傾向があります。
2. CSTRの多段化（直列接続）による効率化
高い反応率を得るために1個の大きなCSTRを設置する代わりに、小さなCSTRを複数個直列に接続（多段CSTR）することで、少ないトータル容積で高い転化率を達成でき、PFRの性能に近づけることが可能です。
3. 完全混合の維持と撹拌性能
CSTRの計算前提である「完全混合」を達成するには、槽内のショートパス（短絡流）やデッドスペース（滞留域）を防ぐ適切な撹拌翼の選定やバッフル（邪魔板）の配置が不可欠です。
