연속 반응기 종합 레포트

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목차

1. 서론

2. 이론
2-1. 반응 속도식의 정의
2-2. Mole balance를 이용한 반응 속도식의 유도
2-3. 반응속도상수
2-4. GC에 의한 농도분석

3. 실험장치 및 방법 소개
3-1. 작동 순서
3-2. 실험방법
3-3. 시약조사

4. 결과 및 토론
4.1. A에 관한 토론
4-1-1. 전환율을 증가시키기 위한 아이디어 (온도)
4-1-2. 반응속도상수를 증가시키기 위한 아이디어
(입자크기)
4-1-3. 반응속도상수를 증가시키기 위한 아이디어
(압력)
4-1-4. 반응기의 크기와 유속을 변화시킬 수 없을 때 전환율을 증가시키기 위한 아이디어1
4-1-5. 반응기의 크기와 유속을 변화시킬 수 없을 때 전환율을 증가시키기 위한 아이디어2
4-1-6. 반응기의 크기와 유속을 변화시킬 수 없을 때 전환율을 증가시키기 위한 아이디어3
4.2. 제시안의 문제점 및 해결방안
4.3. 토의


참고문헌

본문내용

기(PFR)의 온도 조절을 통해 전환율을 증가시킨다. 플러그흐름반응기(PFR)는 원통형의 관으로 이루어져 있으며, CSTR과 마찬가지로 일반적으로 정상상태에서 운전된다. 관형반응기는 주로 기상반응에 사용된다. 관형반응기에서 반응물은 반응기의 길이에 따라 흐르면서 연속적으로 소모된다. 관형반응기의 모델화에서 농도는 반응기의 축 방향에 따라 연속적으로 변한다고 가정한다. PFR은 상대적으로 운동 부분이 없어 유지 관리가 쉽고 흐름반응기 중에서 반응기 부당 전화율이 가장 높다는 장점이 있고, 반응기 내의 온도 조절이 어려우며, 반응이 발열반응일 때는 국소고온점(hot spot)이 생길 수도 있다는 단점도 있다. 전환율 및 반응속도 상수를 증가시키기 위한 가능한 아이디어 중 온도 의존성에 대한 실험에서 우리는 온도를 각각 600℃, 800℃, 1000℃로 지정해서 전환율 상승도에 대해 알아보았다. 첫 번째는 600℃에서 앞서 실험했던 전환율 값인 0.442를 가지고 각각 T1, T2, X1을 알 때 X2를 구하고 온도가 증가함에 따라 전환율도 증가함을 알 수 있다. 거의 모든 표면 반응 속도는 확산속도에 비하여 온도가 증가함에 따라 빨리 증가되기 때문에, 온도를 증가시키면 반응은 물질전달 율속이 되는 정도만큼만 증가된다. 이이론을 우리가 실험을 통해 입증하는 것이다. 첫 번째 사례로 T1=600℃, T2=800℃, X1=0.442로 두고 X2를 구했다. 구하는 과정에서 두 반응기의 길이가 같다고 가정하고 두 온도에 대해 비례식을 세웠다. 몰 유입속도는 변화가 없다고 보고 입자직경도 같다고 본다. 대부분 기체일 때, 점도는 온도에 따라 증가한다. 이런 식의 여러 가지과정을 거쳐서 전화율이 얼마나 증가하는지 확인했다. 첫 번째 사례에서는 X2=0.4705가 나왔고 그에 따른 전환율은 11.48% 만큼 증가했다. 두 번째 사례에서 T1=800℃, T2=1200℃, X1=0.4705로 두고 X2를 구했다. 중간 과정은 모두 첫 번째 사례와 동일하게 했다. 그래서 얻은 X2=0.4947이고 그에 따라 전환율은 5.15% 증가한 것으로 나타났다. 이 실험을 통해 두 사례가 모두 온도가 200℃씩 증가했지만 전환율의 증가는 약간 다르게 나타나고, 그래도 역시 온도가 증가함에 따라 전환율도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 연속교반탱크반응기(CSTR) 는 강한 교반이 요구될 때 사용되는데 CSTR은 단독으로 사용되거나, 여러개의 CSTR이 연결된 것 중의 일부분으로서 사용될 수도 있다. CSTR은 비교적 온도 조절이 용이하나 반응기 부피당 반응물의 전환율은 흐름반응기들 중에서 가장 작다는 단점이 있다. 따라서 높은 전화율을 얻기 위해서는 대단히 큰 반응기가 필요하게 된다.그래서 효율과 전환율을 높이기 위해서 몇가지 설계를 해보았는데 먼저 첫 번째방법은 똑같은부피에 교반장치를 최대한 많이 다는 것이다. 나선형으로 된 교반장치를 다관으로 반응기내에 설치하게되면 교반기가 돌아가면서 반응물이 매우 잘섞이게 된다.
플러그흐름반응기(PFR)는 긴 관 형태의 반응기로 내부의 흐름의 축에 대한 변화가 가장 이상적이라고 생각되는 반응기인데 장점은 상대적으로 유지 관리가 쉽고(운동부분이 없음) 흐름반응기 중에서 반응기 부당 전환율이 가장 높다는 것이다. 하지만 단점으로 반응기 내의 온도 조절이 어려우며, 반응이 발열반응일 때는 국소고온점(hot spot)이 생길 수도 있다는 것이다. PRF중에 고정층(충전층)반응기(Fixed Bed Reactor)는 고체 촉매 입자들이 충전된 하나의 관형 반응기이다. 이러한 불균일 반응계는 주로 기상 반응을 촉진시키는데 사용한다. 기-액 반응에서도 사용된다. 이반응기의 장점은 대부분의 반응에 대해 촉매반응기의 촉매 무게당 전환율이 높다는 것이다. 단점으로는 온도 조절의 어려움을 가지고 있으며, 게다가 촉매를 교체하는 것이 일반적으로 어렵다는 것이다. 이를 보안하기위해 또다른 설계를 해보았다. 위가 뚤린 수직반응기를 설계하였는데 보통 PFR은 촉매가 연속적으로 충진되어있지만 이반응기는 칸칸히 이산적으로 있기 때문에 다사용후 어느부분만 따로 교환이 가능하다. 산업공정에서 널리 사용되는 반응기의 한 형태는 연속적으로 운전되는 교반탱크로써 보통 정상상태에서 조업되며, 통상 완전 혼합으로 운전된다. 이러한 특성으로 인해 연속교반탱크반응기는 일반적으로 용기 전체를 통하여 농도, 온도 또는 반응속도의 공간적 변화가 없는 것으로 모델화 한다. 온도 및 농도가 반응 용기 내 어느 곳에서나 같기 때문에 배출점에서의 온도와 농도는 탱크내의 값과 같다. 따라서 배출흐름의 온도와 농도는 반응기 내의 값과 같은 것으로 모델화된다. 혼합이 매우 비이상적으로 일어나는 계들에서는 완전혼합모델은 부적합하기 때문에 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해서는 체류시간에 의존해야 한다. 이처럼 수율을 높이기 위해서 온도, 부피, 유속을 변화시켜 할 수 있지만, 반응기의 부피와 유속을 변화 시키지 않고, 수율을 높이기 위해 기존의 반응기와 다르게 설계해 보았다. 먼저, 일반적으로 사용해 왔던 연속반응기(CSTR)는 하나의 교반장치만 있었다. 우리는 이 교반장치에 하나의 프로펠러가 아닌 세 개의 프로펠러를 설치하여 교반시키도록 하였다. 이 프로펠러에는 촉매를 담아 촉매가 빠져나가지 않도록 sieve로 고정해 주었는데, 프로펠러들은 모두 같은 방향으로 회전하는 것이 아니라, 서로 다른 방향으로 회전하게 하여 잘 교반 되도록 하였다. 이 교반장치는 교반의 역할 뿐만 아니라 촉매와의 접촉도 잘 되도록 설계 하였다.
연속교반탱크반응기와 회분반응기 이외에 산업체에서 널리 사용되는 반응기의 또 다른 형식은 관형반응기이다. 이는 원통형의 관으로 이루어져 있으며, 일반적으로 연속교반탱크반응기과 마찬가지로 정상상태에서 운전된다.
참고문헌
1)Chemical Reaction Engnieering, Octave Levenspiel. 2003. wiley
2)분석화학 (전정판)”, 최규원, 박영사, 1985.
3)화학반응공학 ,김상환 외 1인 공역, 사이텍 미디어, 2000
4)화학공정제어 ,유민수 외 3인 공역, 희중당, 1986

키워드

연속반응기,   반응속도상수,   반응속도식,   촉매,   전환율,   Tubular reactor,   CSTR