반응공학
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1. 개요[편집]
화학반응공학(Chemical Reaction Engineering)이라고도 한다. 기본적인 물질 및 에너지 수지식으로부터 출발, 화학반응기의 형태와 운전 조건에 따른 영향을 분석하고 데이터를 해석하여 반응기 모델을 설계하는데 그 목적이 있다. 화학반응을 고려하여 기계적 장치를 설계하는 학문이니만큼 화학공학의 초창기 탄생과 직결된 화학과 기계공학의 크로스오버 학문이기도 하다.
물질 및 에너지 수지식, 반응 속도론을 기반으로 기초과정에는 균일반응계에서 반응하고 반응중 온도가 변하지 않는 이상반응기의 크기를 설계하는 방법을 배운다. 그 후 심화단계로 넘어가면 복합 반응에서의 반응기 설계, 반응중 온도가 변하는 비등온 반응기의 설계 및 촉매와 반응물의 상이 다른 불균일 촉매 반응기의 설계 방법을 배운다.
화공직 공무원 (5,7급), 화공기사 출제 과목이다.
2. 주요 학습 내용[편집]
2.1. 선행 이론[편집]
1. 물질 수지 / 에너지 수지
Mass & Energy Balance. 질량 보존의 법칙과 에너지 보존의 법칙에 기반하여 반응기 전후단의 물질 / 에너지 수지식을 쓴다. 보통 물질 수지식의 경우 In - out의 형태로 쓰는데, 여기에 반응으로 생성되는 물질을 generation으로 표현, 물질 수지식을 In - out + generation으로 기술하여 반응으로 인한 물질 및 에너지 출입을 추가하여 기술한다는 점이 일반적인 수지식과의 차이점이다.
2. 화학 반응 및 화공양론
화학 반응기 설계에서 반응 속도를 결정하는데 가장 많이 쓰이는 식은 아레니우스 방정식(Arrehnius' equation)이다. 반응 메커니즘의 경우는 반응 형태, 이론 및 실험적 데이터를 근거로 다양한 방법으로 추산하곤 한다. 촉매나 래디컬 반응이 아닌 이상 가장 일반적으로 쓰이는 메커니즘은 단위 반응(elementary reaction)들의 조합식 형태이다. 또한 반응 전후의 물질 및 에너지 수지를 맞추기 위해 반응 계수의 적절한 사용을 위해 양론에 대한 이해는 필수.
3. 미적분학
반응기로 주어진 시스템의 출입을 적절히 기술하고 반응기를 수학적 모델화 하는데 있어서 매우 유용한 도구...라고 딱딱하게 말하긴 하지만, 공학 과목에서 미적분학의 중요성은 설명이 필요할까?
4. 수치해석
반응기의 설계방정식과 양론식에서 농도를 전화율이나 몰유량으로 표현하게 되는데, 반응에 관여하는 물질이 늘어나는 경우 연립 미분방정식을 풀어야 한다. 거기에 비정상상태나 비등온반응기라면 손으로는 답이 없다. MATLAB이나 Fogler 책에 포함된 Polymath를 미리 공부한다면 반응공학을 이해하는게 도움이 될 것이다.
2.2. 반응기 설계[편집]
2.3. 데이터 분석[편집]
반응에 대한 속도식을 얻기 위하여 반응속도 자료를 수집하고 해석을 해야한다. 속도자료를 얻기 위한 방법에는 보통 회분식 반응기와 미분반응기를 사용한다.[1] 회분식 반응기는 반응이 진행되는 시간에 따라 농도, 압력 또는 부피를 측정하며, 미분반응기는 정상상태조작에서 반응물의 공급조건을 변화시키면서 생성물의 농도를 측정해 데이터를 얻는다. 실험에서 얻어진 데이터를 분석하는 방법에는 미분법, 적분법, 반감기법, 초기속도법 그리고 선형-비선형 회귀분석법(최소자승법) 등이 있다. 특히 미분 및 적분법은 회분식반응기의 자료를 해석하는데 주로 쓰인다.
2.4. 반응 메커니즘[편집]
기초반응 속도법칙을 따르지 않으며 0차, 1차 및 2차 반응이 아닌 경우, 직접 반응 메커니즘을 가정하여 식을 유도한 뒤 실제 데이터와 비교하여 검토하게 된다. 대부분의 경우에 이러한 속도식을 많은 수의 기초반응들과 적어도 하나의 활성중간체[2]를 수반하는데, 이 활성중간체의 알짜생성속도를 0으로 볼 수 있다. 이 조건을 유사 정상상태 가정(PSSH)[3]이라고 한다. PSSH는 비기초속도론의 핵심이며, 효소 및 촉매반응 메커니즘에도 응용된다.
3. 교과서[편집]
H. Scott Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering / Essentials of Chemical Reaction Engineering
화학공학과에서 가장 흔하게 접할 노란색 교과서. 전세계적으로 80% 가까운 학부 반응공학 수업은 이 교과서로 이루어져 있다. 한 사람에 책이 두 권인 이유는 사실상 같은 내용을 제목만 바꿔 출간했기 때문. 다만 학부 교재를 목표로 했기에 매우 배우기 쉽게 쓰여진 책이며 수학적인 부분도 그리 어려운 수준은 아니다. 그래서 대학원 교재로 쓰는 일은 드물다. 2018년 신판이 나왔다. 초록색
Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering
반응공학을 들었다면 한번쯤 들었을 Levenspiel plot의 그 Levenspiel 맞다. 설명이 친절하고 난이도도 높지 않아 학부 수준에서도 충분히 사용할 수 있는 편. 다만 Fogler 교재의 시장 장악력에 밀려 주 교재보다는 보조교재로 많이 쓰이는 편이다.
G. F. Froment, Kenneth B. Bischoff, Juray De Wilde, Chemical Reactor Analysis and Design
기초 이론 및 왜 배우는지에 대한 설명부터 충실히 서술하곤 하는 학부 반응공학 교재와 달리 시작부터 기초 반응공학 이론들을 "너 이런 것쯤은 다 배웠지?" 하고 순식간에 넘겨버리고 시작한다! 다종다양한 반응기와 반응 조건을 학습하며, 그에 따라 요구되는 수학적 / 공학적 지식이 상당히 큰 편. 대학원 교재로 종종 채택된다.
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