화학 반응기

화학 반응기()는 화학 반응이 일어나는 밀폐된 용적이다. 화학공학에서는 일반적으로 화학 반응을 수행하는 데 사용되는 공정 용기로 이해되며, 이는 화학 공정 분석의 고전적인 단위 조작 중 하나이다. 화학 반응기 설계는 화학공학의 여러 측면을 다룬다. 화학공학자들은 주어진 반응에 대해 순현재가치를 최대화하도록 반응기를 설계한다. 설계자들은 반응이 원하는 출력 제품을 향해 최고의 효율성으로 진행되도록 하여, 제품의 가장 높은 수율을 생산하면서 구매 및 운영에 필요한 비용을 최소화하도록 한다. 일반적인 운영 비용에는 에너지 투입, 에너지 제거, 원재료 비용, 노동력 등이 포함된다. 에너지 변화는 가열 또는 냉각, 압력 증가를 위한 펌핑, 마찰 압력 손실 또는 교반의 형태로 발생할 수 있다. 반응공학은 화학 반응기와 그 설계, 특히 화학 반응속도론을 산업 시스템에 적용하는 것을 다루는 화학공학의 한 분야이다.

 개요 
섬네일|left|180px|냉각 재킷이 있는 교반 탱크 화학 반응기의 단면도
섬네일|left|180px|하프 코일이 감겨 있는 화학 반응기
가장 일반적인 기본 화학 반응기 유형은 탱크(반응물이 전체 부피에서 혼합됨)와 파이프 또는 튜브(층류 반응기 및 플러그 흐름 반응기용)이다.

두 가지 유형 모두 연속 반응기 또는 배치 반응기로 사용될 수 있으며, 하나 이상의 고체(시약, 촉매, 또는 불활성 물질)를 수용할 수 있지만, 시약 및 제품은 일반적으로 유체(액체 또는 기체)이다. 연속 공정의 반응기는 일반적으로 정상 상태로 작동하는 반면, 배치 생산 공정의 반응기는 필연적으로 과도 상태에서 작동된다. 반응기가 처음 가동되거나 중단 후 가동될 때, 이는 과도 상태이며 주요 공정 변수는 시간에 따라 변한다.

다양한 화학 반응기의 가장 중요한 공정 변수를 추정하는 데 사용되는 세 가지 이상화된 모델이 있다:
 회분식 반응기 모델,
 연속 교반 탱크 반응기 모델 (CSTR), 및
 플러그 흐름 반응기 모델 (PFR).

많은 실제 반응기는 이러한 기본 유형의 조합으로 모델링할 수 있다.

주요 공정 변수는 다음과 같다:
 체류 시간 (τ, 소문자 그리스 타우)
부피 (V)
온도 (T)
압력 (P)
화학종의 농도 (C1, C2, C3, ... Cn)
 열 전달 계수 (h, U)

관형 반응기는 종종 충전층일 수 있다. 이 경우 튜브 또는 채널에는 입자 또는 펠렛, 일반적으로 고체 촉매가 포함되어 있다. 액체 또는 기체 상태의 반응물은 촉매층을 통해 펌핑된다. 화학 반응기는 또한 유동층일 수 있다; 유동층 반응기를 참조하라.

반응기에서 발생하는 화학 반응은 발열, 즉 열을 방출하거나, 흡열, 즉 열을 흡수할 수 있다. 탱크 반응기는 내용물을 냉각하거나 가열하기 위해 용기 벽 외부에 냉각 또는 가열 재킷이나 냉각 또는 가열 코일(튜브)을 감을 수 있으며, 관형 반응기는 반응이 강하게 발열적인 경우 열교환기처럼 설계되거나, 반응이 강하게 흡열적인 경우 용광로처럼 설계될 수 있다.

 유형 
 회분식 반응기 

가장 간단한 유형의 반응기는 회분식 반응기이다. 물질이 회분식 반응기에 투입되고, 반응은 시간에 따라 진행된다. 회분식 반응기는 정상 상태에 도달하지 않으며, 온도, 압력 및 부피 조절이 종종 필요하다. 따라서 많은 회분식 반응기는 센서 및 물질 투입 및 배출을 위한 포트를 가지고 있다. 회분식 반응기는 일반적으로 소규모 생산 및 생물학적 물질을 포함하는 반응에 사용되며, 예를 들어 양조, 펄프 제조, 효소 생산 등이 있다. 회분식 반응기의 한 예는 압력 반응기이다.

 CSTR (연속 교반 탱크 반응기) 

섬네일|350px|right|완전혼합 반응조 (CSTR) 케이스 내부 상태 확인. 샤프트의 임펠러 (또는 교반기) 블레이드는 혼합을 돕는다. 이미지 하단의 배플 (용기 내)도 혼합에 도움을 준다.
CSTR에서는 하나 이상의 유체 시약이 일반적으로 임펠러로 교반되는 탱크 반응기에 도입되어 시약의 적절한 혼합을 보장하며, 반응기 배출액은 제거된다. 탱크 부피를 탱크를 통한 평균 부피 유량으로 나누면 공간 시간이 산출되거나, 한 반응기 부피의 유체를 처리하는 데 필요한 시간이 산출된다. 화학 반응속도론을 사용하여 반응의 예상 백분율 완료를 계산할 수 있다. CSTR의 몇 가지 중요한 측면:
정상 상태에서는 유입 질량 유량이 유출 질량 유량과 같아야 한다. 그렇지 않으면 탱크가 넘치거나 비워진다 (과도 상태). 반응기가 과도 상태에 있을 때는 차등 질량 및 에너지 균형에서 모델 방정식이 도출되어야 한다.
반응은 최종(출력) 농도와 관련된 반응 속도로 진행된다. 이는 반응기 전체에 걸쳐 농도가 균일하다고 가정하기 때문이다.
종종 여러 CSTR을 직렬로 작동하는 것이 경제적으로 유리하다. 예를 들어, 첫 번째 CSTR이 더 높은 시약 농도와 따라서 더 높은 반응 속도로 작동할 수 있도록 한다. 이러한 경우, 공정을 구현하는 데 필요한 총 자본 투자를 최소화하기 위해 반응기의 크기를 다양하게 조절할 수 있다.
 무한히 작은 CSTR이 무한히 많이 직렬로 작동하는 것은 PFR과 동일하다는 것을 입증할 수 있다.
CSTR의 거동은 종종 연속 이상적 교반 탱크 반응기(CISTR)의 거동으로 근사화되거나 모델링된다. CISTR로 수행되는 모든 계산은 완전 혼합을 가정한다. 체류 시간이 혼합 시간의 5-10배인 경우, 이 근사치는 공학적 목적에 유효하다고 간주된다. CISTR 모델은 종종 공학 계산을 단순화하는 데 사용되며 연구 반응기를 설명하는 데 사용될 수 있다. 실제로는 특히 혼합 시간이 매우 길 수 있는 산업 규모 반응기에서는 근사치에 불과하다.

루프 반응기는 물리적으로 관형 반응기와 유사하지만 CSTR처럼 작동하는 하이브리드 유형의 촉매 반응기이다. 반응 혼합물은 냉각 또는 가열을 위한 재킷으로 둘러싸인 튜브 루프에서 순환되며, 출발 물질의 연속적인 흐름과 제품의 유출이 있다.

 PFR (플러그 흐름 반응기) 
섬네일|350px|플러그 흐름 반응기 모델을 설명하는 간단한 다이어그램

PFR은 때때로 연속 관형 반응기(CTR)라고도 불리며, 하나 이상의 유체 시약이 파이프 또는 튜브를 통해 펌프된다. 화학 반응은 시약이 PFR을 통과하면서 진행된다. 이 유형의 반응기에서는 변화하는 반응 속도가 이동 거리에 따라 기울기를 생성한다; PFR 입구에서는 속도가 매우 높지만, 시약 농도가 감소하고 생성물 농도가 증가함에 따라 반응 속도가 느려진다. PFR의 몇 가지 중요한 측면:
이상적인 PFR 모델은 축 방향 혼합이 없다고 가정한다: 반응기를 통과하는 어떤 유체 요소도 "플러그 흐름"이라는 용어가 암시하듯이 그 상류 또는 하류의 유체와 섞이지 않는다.
시약은 입구 외의 반응기 내 다른 위치에서 PFR에 도입될 수 있다. 이 방법으로 더 높은 효율을 얻거나 PFR의 크기와 비용을 줄일 수 있다.
PFR은 동일한 부피의 CSTR보다 이론적 효율이 높다. 즉, 동일한 공간-시간(또는 체류 시간)이 주어지면, PFR에서는 CSTR보다 더 높은 완료율로 반응이 진행될 것이다. 이는 가역 반응에는 항상 해당되는 것은 아니다.

산업적으로 관심 있는 대부분의 화학 반응에서는 반응이 100% 완료되는 것이 불가능하다. 반응물 소모에 따라 반응 속도는 시스템이 동적 평형에 도달할 때까지 감소한다(순 반응 또는 화학종 변화가 없음). 대부분의 시스템에서 평형점은 100% 완료보다 낮다. 이러한 이유로 증류와 같은 분리 공정이 화학 반응기 다음에 종종 뒤따라 남아있는 시약이나 부산물을 원하는 제품으로부터 분리한다. 이러한 시약은 하버법에서와 같이 공정 초기에 재사용될 수도 있다. 어떤 경우에는 평형에 접근하기 위해 매우 큰 반응기가 필요할 수 있으며, 화학공학자들은 부분적으로 반응된 혼합물을 분리하고 남은 반응물을 재활용하기로 선택할 수 있다.

층류 조건에서 플러그 흐름 가정은 매우 부정확하다. 튜브 중심을 통과하는 유체는 벽면의 유체보다 훨씬 빠르게 움직이기 때문이다. 연속 진동 배플 반응기 (COBR)는 유체 진동과 오리피스 배플의 조합을 통해 철저한 혼합을 달성하여 층류 조건에서 플러그 흐름을 근사화할 수 있도록 한다.

 반회분식 반응기 

반회분식 반응기는 연속 및 회분식 투입 및 배출 모두로 작동한다. 예를 들어 발효기는 매개체와 미생물 배치가 장전되어 지속적으로 이산화탄소를 생성하며, 이 이산화탄소는 지속적으로 제거되어야 한다. 유사하게, 기체와 액체를 반응시키는 것은 일반적으로 어렵다. 동일한 질량의 액체와 반응하는 데 많은 양의 기체가 필요하기 때문이다. 이 문제를 극복하기 위해, 액체 배치에 기체를 지속적으로 공급하여 거품을 일으킬 수 있다. 일반적으로 반회분식 운전에서는 하나의 화학 반응물이 반응기에 장전되고 두 번째 화학 물질이 천천히 첨가되거나(예를 들어, 부반응 방지), 또는 상 변화로 인해 생성되는 제품이 지속적으로 제거된다(예를 들어, 반응에 의해 형성된 기체, 침전되는 고체, 또는 수용액에 형성되는 소수성 제품).

 촉매 반응기 
촉매 반응기는 종종 플러그 흐름 반응기로 구현되지만, 그 분석은 더 복잡한 처리를 요구한다. 촉매 반응의 속도는 시약이 접촉하는 촉매의 양뿐만 아니라 반응물 농도에 비례한다. 고체상 촉매와 유체상 시약의 경우, 이는 노출된 표면적, 시약의 내부 확산 및 제품의 외부 확산 효율, 그리고 혼합 효율에 비례한다. 완전 혼합은 일반적으로 가정할 수 없다. 또한, 촉매 반응 경로는 종종 촉매에 화학적으로 결합된 중간체와 함께 여러 단계로 발생하며, 촉매에 대한 화학적 결합 또한 화학 반응이므로 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다. 촉매 반응은 종종 물리적 수송 효과로 인해 겉보기 반응 속도가 실제 화학 반응 속도와 다를 때 소위 위조된 반응 속도를 보인다.

촉매의 거동 또한 고려 사항이다. 특히 고온의 석유화학 공정에서는 촉매가 소결, 코킹, 피독과 같은 과정으로 인해 비활성화된다.

촉매 반응기의 일반적인 예는 자동차 배기가스의 유독 성분을 처리하는 디젤 산화 촉매장치이다. 그러나 대부분의 석유화학 반응기는 촉매 반응기이며, 황산, 암모니아, 개질 유분/BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 자일렌), 유동 접촉 분해와 같은 매우 대량의 생산 사례를 포함하여 대부분의 산업 화학 생산을 담당한다. 다양한 구성이 가능하며, 불균일 촉매 반응기를 참조하라.

 각주 

 외부 링크