화학 반응기

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가스 스위트닝에 사용되며 AzarAb Industries Corporation이 설계 및 제작한 Hoveyzeh 가스 정제소의 대형 가스 반응기 4기 중 하나.

화학 반응기는 화학 반응이 일어나는 밀폐된 용적이다.[1][2][3][4] 화학공학에서는 일반적으로 화학 반응을 수행하는 데 사용되는 공정 용기를 뜻하는 것으로 이해되며,[5] 이는 화학 공정 해석에서 고전적인 단위조작 중 하나이다. 화학 반응기의 설계는 화학공학의 여러 측면을 다룬다. 화학공학자는 주어진 반응에 대해 순현재가치를 최대화하도록 반응기를 설계한다. 설계자는 원하는 생성물로 반응이 가장 높은 효율로 진행되도록 보장하면서, 가장 높은 수율을 얻고 구매 및 운전에 필요한 비용은 최소가 되도록 한다. 일반적인 운영비에는 에너지 투입, 에너지 제거, 원료 비용, 노동비 등이 포함된다. 에너지 변화는 가열 또는 냉각, 압력 증가를 위한 펌핑, 마찰에 의한 압력 손실 또는 교반의 형태로 나타날 수 있다.

화학 반응 공학은 화학 반응기와 그 설계를 다루는 화학공학의 한 분야로, 특히 화학 반응 속도론을 산업 시스템에 적용하는 데 중점을 둔다.

냉각 재킷이 있는 교반 탱크형 화학 반응기의 절개도

반 코일이 외부에 감겨 있는 화학 반응기

화학 반응기의 가장 일반적인 기본 유형은 탱크형(반응물이 전체 용적에서 혼합됨)과 파이프 또는 튜브형(층류 반응기 및 플러그 흐름 반응기용)이다

두 유형 모두 연속 반응기 또는 회분식 반응기로 사용할 수 있으며, 어느 쪽이든 하나 이상의 고체(시약, 촉매, 또는 불활성 물질)를 포함할 수 있지만, 시약과 생성물은 보통 유체(액체 또는 기체)이다. 연속 공정의 반응기는 일반적으로 정상상태로 운전되는 반면, 회분 공정의 반응기는 필연적으로 과도상태에서 운전된다. 반응기를 처음으로 가동하거나 정지 후 재가동하면 과도상태에 있게 되며, 주요 공정 변수는 시간에 따라 변한다.

서로 다른 화학 반응기의 가장 중요한 공정 변수를 추정하는 데 사용되는 이상화된 모델은 세 가지가 있다:

• 회분식 반응기 모델,
• 연속 교반 탱크 반응기 모델 (CSTR), 그리고
• 플러그 흐름 반응기 모델 (PFR).

현실의 많은 반응기는 이러한 기본 유형들의 조합으로 모델링할 수 있다.

주요 공정 변수는 다음과 같다:

• 체류 시간 (τ, 소문자 그리스 문자 타우)
• 부피 (V)
• 온도 (T)
• 압력 (P)
• 화학 종의 농도 (C 1, C 2, C 3, ... C n)
• 열전달 계수 (h, U)

관형 반응기는 종종 충전층일 수 있다. 이 경우 튜브 또는 채널에는 입자나 펠릿이 들어 있으며, 보통 고체 촉매이다.[6] 액상 또는 기상 반응물은 촉매층을 통해 펌핑된다.[7] 화학 반응기는 유동층일 수도 있다. 유동층 반응기를 참조하라.

반응기에서 일어나는 화학 반응은 발열성일 수도 있고, 즉 열을 방출할 수도 있으며, 흡열성일 수도 있는데, 이는 열을 흡수함을 뜻한다. 탱크형 반응기에는 내용물을 냉각하거나 가열하기 위해 용기 벽 바깥쪽에 냉각 또는 가열 재킷, 또는 냉각 또는 가열 코일(튜브)이 있을 수 있으며, 관형 반응기는 반응이 강하게 발열성이면 열교환기처럼, 반응이 강하게 흡열성이면 가열로처럼 설계될 수 있다.[8]

가장 단순한 유형의 반응기는 회분식 반응기이다. 물질을 회분식 반응기에 투입하면 반응은 시간에 따라 진행된다. 회분식 반응기는 정상상태에 도달하지 않으며, 온도, 압력, 부피의 제어가 종종 필요하다. 따라서 많은 회분식 반응기에는 센서와 물질의 입출력을 위한 포트가 있다. 회분식 반응기는 일반적으로 소규모 생산과 양조, 펄프화, 효소 생산 등 생물학적 물질이 관련된 반응에 사용된다. 회분식 반응기의 한 예는 압력 반응기이다.

CSTR (연속 교반 탱크 반응기)

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연속 교반 탱크 반응기 (CSTR) 내부 상태를 점검하는 모습. 축에 달린 임펠러(또는 교반기) 날개는 혼합을 돕는다. 이미지 하단의 배플도 혼합을 돕는다.

CSTR에서는 하나 이상의 유체 시약이 탱크형 반응기에 도입되며, 보통 임펠러로 교반하여 시약이 적절히 혼합되도록 하는 동시에 반응기 유출물이 제거된다. 탱크의 용적을 탱크를 통과하는 평균 체적 유량으로 나누면 공간 시간, 즉 유체 한 반응기 용적을 처리하는 데 필요한 시간이 된다. 화학 반응 속도론을 사용하면 반응의 예상 백분율 완료도를 계산할 수 있다. CSTR의 몇 가지 중요한 측면은 다음과 같다:

• 정상상태에서는 유입 질량 유량과 유출 질량 유량이 같아야 하며, 그렇지 않으면 탱크가 넘치거나 비게 된다(과도상태). 반응기가 과도상태에 있을 때 모델 방정식은 미분 질량수지와 에너지수지로부터 유도되어야 한다.
• 농도가 반응기 전체에 걸쳐 균일하다고 가정되므로, 반응은 최종(출구) 농도에 해당하는 반응 속도로 진행된다.
• 여러 개의 CSTR을 직렬로 운전하는 것이 경제적으로 유리한 경우가 많다. 예를 들어, 첫 번째 CSTR은 더 높은 시약 농도에서, 따라서 더 높은 반응 속도로 운전될 수 있다. 이러한 경우 공정을 구현하는 데 필요한 총 자본 투자를 최소화하기 위해 반응기 크기를 달리할 수 있다.
• 직렬로 운전되는 무한히 많은 무한소 CSTR은 PFR과 동등함을 보일 수 있다.[9]

CSTR의 거동은 종종 Continuous Ideally Stirred-Tank Reactor (CISTR)의 거동으로 근사되거나 모델링된다. CISTR로 수행하는 모든 계산은 완전 혼합을 가정한다. 체류 시간이 혼합 시간의 5-10배이면 이 근사는 공학적 목적에서 유효한 것으로 간주된다. CISTR 모델은 공학 계산을 단순화하는 데 자주 사용되며 연구용 반응기를 설명하는 데도 사용할 수 있다. 실제로는 특히 혼합 시간이 매우 클 수 있는 산업 규모 반응기에서 이에 완전히 도달할 수는 없다.

루프 반응기는 물리적으로는 관형 반응기와 비슷하지만 CSTR처럼 작동하는 촉매 반응기의 하이브리드 유형이다. 반응 혼합물은 냉각 또는 가열용 재킷으로 둘러싸인 튜브 루프 안에서 순환하며, 원료는 연속적으로 유입되고 생성물은 연속적으로 유출된다.

PFR (플러그 흐름 반응기)

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플러그 흐름 반응기 모델을 보여주는 간단한 도식

PFR은 때때로 연속 관형 반응기(CTR)라고도 하며,[10] 하나 이상의 유체 시약을 파이프 또는 튜브를 통해 펌핑한다. 화학 반응은 시약이 PFR을 따라 이동하면서 진행된다. 이 유형의 반응기에서는 변화하는 반응 속도가 이동 거리와 관련된 구배를 만든다. PFR 입구에서는 속도가 매우 높지만, 시약 농도는 감소하고 생성물 농도는 증가함에 따라 반응 속도는 느려진다. PFR의 몇 가지 중요한 측면은 다음과 같다:

• 이상화된 PFR 모델은 축 방향 혼합이 없다고 가정한다. 즉, 반응기를 통과하는 어떤 유체 요소도 그 상류나 하류의 유체와 섞이지 않으며, 이는 "플러그 흐름"이라는 용어가 암시하는 바와 같다.
• 시약은 입구 외의 반응기 내부 위치에서도 PFR에 도입될 수 있다. 이 방식으로 더 높은 효율을 얻거나, PFR의 크기와 비용을 줄일 수 있다.
• PFR은 같은 용적의 CSTR보다 이론적으로 더 높은 효율을 가진다. 즉, 동일한 공간 시간(또는 체류 시간)에서 반응은 CSTR보다 PFR에서 더 높은 완료율까지 진행된다. 이는 가역 반응에서는 항상 참이 아니다.

산업적으로 중요한 대부분의 화학 반응에서는 반응이 100% 완료까지 진행되는 것이 불가능하다. 반응물의 소모에 따라 반응 속도는 감소하다가 시스템이 동적 평형(순반응이 없고 화학 종의 변화가 발생하지 않음)에 도달하는 지점에 이른다. 대부분의 시스템에서 평형점은 100% 완료보다 낮다. 이런 이유로 원하는 생성물로부터 남아 있는 시약이나 부산물을 분리하기 위해 증류와 같은 분리 공정이 화학 반응기 뒤에 오는 경우가 많다. 이러한 시약은 Haber process처럼 공정 시작 부분에서 재사용되기도 한다. 어떤 경우에는 평형에 접근하기 위해 매우 큰 반응기가 필요할 수 있으며, 화학공학자는 부분적으로 반응한 혼합물을 분리하고 남은 반응물을 재순환하는 방식을 선택할 수 있다.

층류 조건에서는 튜브 중심을 지나는 유체가 벽면의 유체보다 훨씬 빠르게 이동하기 때문에 플러그 흐름 가정은 매우 부정확하다. 연속 진동 배플 반응기 (COBR)는 유체 진동과 오리피스 배플의 조합으로 철저한 혼합을 달성하여, 층류 조건에서도 플러그 흐름을 근사할 수 있게 한다.

반회분식 반응기는 연속 및 회분식 입출력을 모두 사용하여 운전된다. 예를 들어 발효조는 배지와 미생물의 배치를 투입받고, 이들은 이산화탄소를 지속적으로 생성하므로 이를 연속적으로 제거해야 한다. 마찬가지로 기체와 액체를 반응시키는 일은 보통 어렵다. 같은 질량의 액체와 반응시키려면 많은 부피의 기체가 필요하기 때문이다. 이를 극복하기 위해 액체 배치를 통해 기체를 연속적으로 기포 형태로 통과시킬 수 있다. 일반적으로 반회분식 운전에서는 한 화학 반응물을 반응기에 투입하고 두 번째 화학물질을 천천히 추가하거나(예를 들어 부반응을 방지하기 위해), 또는 상변화의 결과로 생기는 생성물을 연속적으로 제거한다. 예를 들면 반응으로 형성된 기체, 석출되는 고체, 또는 수용액에서 형성되는 소수성 생성물이 있다.

촉매 반응기는 종종 플러그 흐름 반응기로 구현되지만, 그 해석에는 더 복잡한 취급이 필요하다. 촉매 반응의 속도는 반응물이 접촉하는 촉매의 양과 반응물 농도에 비례한다. 고체상 촉매와 유체상 반응물의 경우 이는 노출 면적, 반응물의 내부 확산과 생성물의 외부 확산 효율, 그리고 혼합 효율에 비례한다. 완전 혼합은 보통 가정할 수 없다. 또한 촉매 반응 경로는 종종 촉매에 화학적으로 결합된 중간체를 포함하는 다단계로 일어나며, 촉매에 대한 화학적 결합 또한 화학 반응이므로 속도론에 영향을 미칠 수 있다. 촉매 반응은 물리적 수송 효과로 인해 겉보기 속도론이 실제 화학 속도론과 달라지는 이른바 _위조된 속도론_을 보이는 경우가 많다.

촉매의 거동 또한 고려 사항이다. 특히 고온 석유화학 공정에서는 소결, 코킹, 피독과 같은 과정에 의해 촉매가 비활성화된다.

촉매 반응기의 일반적인 예는 자동차 배기가스의 유독 성분을 처리하는 촉매 변환기이다. 그러나 대부분의 석유화학 반응기는 촉매 반응기이며, 매우 큰 생산량의 예로 황산, 암모니아, reformate/BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene and xylene), 그리고 유동 촉매 분해를 포함하여 산업 화학 생산의 대부분을 담당한다. 다양한 구성 방식이 가능하며, 불균일계 촉매 반응기를 참조하라.

1. **^**Pereira, Carmo J.; Leib, Tiberiu M. (2008). "Section 19, Reactors". Perry's Chemical Engineer's Handbook (8th ed.). New York: McGraw-Hill. p.4. ISBN9780071542265. OCLC191805887.
2. **^**Prud'homme, Roger (2010-07-15). Flows of Reactive Fluids. Springer Science+Business Media. p.109. ISBN9780817646592.
3. **^**Schmidt, Lanny D. (1998). The Engineering of Chemical Reactions. New York: Oxford University Press. ISBN0195105885.
4. ^Levenspiel, Octave (January 1993). The Chemical Reactor Omnibook. Oregon St Univ Bookstores. ISBN0882461605.
5. **^**Suresh, S.; Sundaramoorthy, S. (2014-12-18). Green Chemical Engineering: An Introduction to Catalysis, Kinetics, and Chemical Processes. CRC Press. p.67. ISBN9781466558854.
6. **^**Jakobsen, Hugo A. (2014-04-02). Chemical Reactor Modeling: Multiphase Reactive Flows. Springer Science+Business Media. p.1057. ISBN9783319050928.
7. **^**Foley, Alexandra (2014-08-15). "What Is a Packed Bed Reactor?". COMSOL Multiphysics©. Archived from the original on 2016-10-20. Retrieved 2016-10-19.
8. **^**Peacock, D. G.; Richardson, J. F. (2012-12-02). Chemical Engineering, Volume 3: Chemical and Biochemical Reactors and Process Control. Elsevier. p.8. ISBN978-0080571546.
9. **^**Ravi, R.; Vinu, R.; Gummadi, S. N. (2017-09-26). Coulson and Richardson's Chemical Engineering: Volume 3A: Chemical and Biochemical Reactors and Reaction Engineering. Butterworth-Heinemann. p.80. ISBN9780081012239.
10. ^"Plug Flow Reactor|Vapourtec Ltd". Vapourtec. Archived from the original on 2016-10-20. Retrieved 2016-10-19.