Arrhenius Eqn (아레이우스 식)

 - Arrhenius 식

   : 반응 속도 상수를 결정하는 경험식 

   : 온도의 범위가 넓은 경우, 온도에 대한 보정식을 위해 T^n 을 추가하여 활용하기도 함 

   Activation energy (Ea) 와 k0 의 값을 이용하여 k를 결정하면, 

   반응에서 생성되는 중간체 및 최종 생성물의 선택도도 예측할 수 있다 

   예를 들어, 

   A --> B --> C 

   와 같은 반응이 진행된다고 할 때, 

   A의 전환율 및 B의 생성 정도를 결정하면, C의 생성 속도 및 그 양을 가늠할 수 있다. 

   대체로 화학반응 중에서 얻고자 하는 물질은 B (Ea 작음) 의 경우가 많고, 

   C (Ea 큼) 가 생성되는 것을 억제 하고자 하는 경우가 대부분이다 

   아래의 그래프는 A의 전환율에 따른, 

   B와 C의 생성 정도를 Ea 의 크기 및 T 에 대해 나타내었다  

   다만, 전환율이 높아지는 경우, 

   C의 생성 비율이 급격히 높아져, 결국 B의 선택도가 낮아지는 현상이 발생함 

   연속 반응의 경우, residence time 및 반응 온도를 설정하는데 중요한 인자가 된다 

Reaction Engineering (반응 공학)

 # 반응 공학은 무엇인가? 

   

   : Input 이 있을 때, 어떤 output 이 얼만큼 발생할 것인가를 예측하는 학문 

   : 대부분의 관계식은 경험식으로 얻어지며, 새로운 coefficient 를 도입하는 형태로 다양한 조건을 보정함 

  : 화학 반응에서는 mass balance, heat balance, reaction, residence time distribution, catalyst decay, mixing efficiency 등이 중요하게 다루어짐  

  : 기상, 액상, 고상에 대한 물질의 고유한 물리/화학적 특성에 대한 보정값도 많이 활용됨 

  : Input 과 output 의 종류 - 온도, 압력, 물질의 종류, 농도 등 화학 반응 뿐만 아니라 물리적 변화와 관련된 모든 것 

  : System은 반응기, 열교환기, mixer, 등등 물성이 변할 수 있는 여건을 만들어 주는 장치

#  예를 들어, A --> B 라는 화학 반응이 진행 된다고 할 때, 

   : A 를 넣으면, B 는 얼마나 만들어 질 것인가? 

   : 30ºC 로 A 를 넣으면, B 의 온도는 얼마나 될 것인가? 

   : A 를 넣으면 1 bar 였던 반응기는 압력이 어떻게 변할 것인가? 

 --> 이렇게 다양한 궁금증을 어떻게 해결할 것인가 / 어떤 식을 어떻게 사용해야 B 를 예측할 것인가 / 실험을 통해 얻어진 값을 어떻게 새로운 경험식으로 도출할 것인가 ..... 

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.