Reaction Rate (반응 속도)

 [Reaction Rate]

key words: reaction engineering, reaction order, half-life, design equation, catalyst decay

 

반응 속도는 반응 공학의 핵심으로, 화학 공정과 관련된 모든 제반사항은 반응 속도를 선정하는 것에서부터 시작한다. 

반응 속도를 결정하는 일은 결코 쉬운 일이 아니다. 실제의 반응 속도식 안에는 매우 복잡하게 얽혀있는 physical 또는 chemical 인자들이 포함되어 있는 형태로 구성되기 때문에, 반응과 관련된 전반적인 이해가 반드시 필요하다. 물질 전달의 개념이 내포될 수도 있고, activation energy가 온도의 함수로 나타날 수도 있고, 촉매 반응의 비활성화식이 속도식에 포함 될 수도 있으며, residence time distribution의 개념이 들어갈 수도 있다.  

교과서를 통해서 배울 때에는 정형화된 형태가 있어, 그 룰을 일부 따르는 것으로 대신하나, 실제 반응기 설계를 위한 반응 속도 결정에는 매우 신중할 필요가 있다. 

일부 정형화된 형태는 아래와 같다. 

간단하게는 elementary reaction 의 형태가 될 수도 있고, 복잡하게는 powder law 를 이용한 reaction order 를 갖게 될 수도 있고, 좀 더 복잡하게는 촉매 반응 속도식을 따르는 형태가 될 수도 있다. 

A + B --> C   -rA = kCA x CB 

A + B --> C   -rA = kCA**2 x CB*1.2 

A + B --> C   -rA = kCA x CB**1/2 / (1 + k2 x CC/CB) 

그러나, 의미가 있는 반응에서는 항상 부반응이 수반되기 마련이고, 의미가 있는 물질은 대다수가 중간체이기 때문에, state function이라고 하더라도 조건에 따라 다양한 반응 공학적 한계치를 갖게 마련이다. 심지어, 실제의 반응에서는 state function을 따르지 않는 경우도 매우 흔하게 나타난다.