연속교반반응기실험

목차

ABSTRACT ------------------------------------------------ Ⅰ

TABLE OF CONTENTS ------------------------------------- Ⅱ

1. INTRODUCTION ------------------------------------------ 1
1.1 실험 목적 ---------------------------------------------- 1
1.2 실험 이론 ---------------------------------------------- 1
1.2.1 반응속도식 ----------------------------------- 1
1.2.2 반응속도상수 --------------------------------- 2
1.2.3 반응속도상수의 온도 의존성 --------------------- 3
1.2.4 conversion rate ------------------------------- 4
1.2.5 residence time -------------------------------- 5
1.2.6 체류시간 분포(RTD) --------------------------- 6
1.2.7 continuous stirred tank reactor(CSTR) ------------ 9
1.2.8 Tubular reactor(PBR) ------------------------- 10
1.2.9 전도도 측정 --------------------------------- 12

2. EXPERIMENT ------------------------------------------- 14
2.1 실험 기구 --------------------------------------- 14
2.2 실험 방법 ---------------------------------------- 14
2.3 주의 사항 ---------------------------------------- 15
2.4 물리 상수 ---------------------------------------- 15

3. RESULT & DISCUSSION ---------------------------------- 16
3.1 RAW DATA ------------------------------------- 16
3.2 DISCUSSION ------------------------------------- 18

4. CONCLUSION -------------------------------------------- 25

5. REFERENCE --------------------------------------------- 27

본문내용

유량의 탱크1 관계식
탱크의 부피 V= 1650ml 이며 이때 시상수는 다음과 같다.
즉, 유량이 늘어나면서 시상수는 줄어 듬을 알 수 있다. 그래프를 해석할 때 유량이 큰 것은 기울기가 크기 때문에 농도가 일정한 구간까지 빨리 도달하게 되고 이로써 시상수가 짧다고 해석할 수 있다. 하지만 t=0 의 곡선의 기울기로 정의했을 때의 시상수는 실험적으로 유량에 비례하는 것으로 나왔다. 이는 분단위의 실험에 의한 오차로 생각 할 수 있다.
④ 실험4 - 용액을 교반하지 않았을 때의 3개의 탱크의 변화와 응답속도측정
Table. 5 [실험4 Raw Data]
Flow rate From tanks = 100mL/LPM
Time
WITH STIRRING(교반)
WITHOUT STIRRING(무교반)
CONDUCTIVITY(mho)
CONDUCTIVITY(mho)
min
Tank1
Tank2
Tank3
Tank1
Tank2
Tank3
0
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
2
0.23
0.06
0.03
0.19
0.09
0.04
4
0.49
0.18
0.07
0.36
0.20
0.10
교반기 조작을 할 경우
[Figure.14] 실험4-교반기 조작할 때 Matlab 데이터입력(좌)와 그래프(우)
교반기 조작을 하지 않을 경우
[Figure.15] 실험4-교반기 조작하지 않을 때 Matlab 데이터입력(좌)와 그래프(우)
교반을 할 때와 하지 않을 때의 차이는 그래프에서 알 수 있듯이 기울기의 차이다. 즉, 기울기는 CA를 의미하고 교반을 할 때가 시간이 지나면서 탱크 2와 3의 기울기가 교반을 하지 않을 때의 기울기보다 크므로 물질 전달이 잘 이루어 지고 있다는 것을 의미한다. 다른 말로 잘 섞인다는 의미다.
CSTR 반응기를 설계할 때 Well mixing을 전제로 설계를 하게 된다. 그 의미는 다음과 같은 몰 수지식에서의 복잡함을 피하기 위함이기도 하지만 빠르게 전달되어 반응이 잘 되게 하고 최대의 수율을 결정하기 위한 중요한 가정임을 알 수 있다.
4. CONCLUSION
이 실험은 3개의 직렬로 연결된 탱크에 주입방법을 달리하여 3개 탱크의 농도변화의 응답속도를 측정하고 시간에 따른 전도도변화 그래프로부터 3개의 직렬로 연결 되었을 때 어느 한 변화에 따른 농도변화를 알아보는 것이 목적이였다.
우선 이 실험을 하기에 앞서 이 실험은 화학반응이 아닌 이온화에 의한 전도도를 측정함으로써 물질의 흐름, 각 탱크의 농도 변화를 알아보는 것이다. 실험에서 변수를 4개를 정하여 실험을 했는데 첫 번째 실험은 일정한 A탱크의 100ml/LPM 유량과 B탱크의 일정한 유량 100ml/LPM을 흘려보냄으로서 이론치와 비교해보고 3가지의 변수에 앞서 기준 그래프를 도출하기 위함이였다.
[Figure.7]을 보면 시간에 따라서 기울기가 증가하다가 일정 시간대에 점점 기울기가 줄어들어 일정해지는 것을 알 수 있다. 각 탱크별로 우선 처음으로 max치를 올라가는 탱크는 1번 탱크이다. 처음에 다른 물질이 들어간 만큼 첫 번째 탱크의 부피에 따라 농도가 일정해질 때까지 급속도로 농도가 증가하다가 점점 일정해지고 직렬로 연결된 다음 탱크 또한 일정해질 때까지 증가하다가 감소하며 3번 탱크도 앞 탱크와 같이 농도가 일정해질 때까지 증가하다가 점점 감소할 것이다. 결국 세 탱크의 농도는 일정해질 것이다.
다음 실험은 B용기 용액을 100ml/LPM 4분간만 주입했을 때의 농도 변화이다. [Figure.8]을 보면 알 수 있듯이 B용기의 용액을 주입하는 4분간 탱크1의 농도는 증가하며 4분을 분기점으로 점점 농도가 감소하였다. 다른 탱크들은 시간내에서는 감소하는 형태는 아니였지만 시간이 많이 지나면 1번 탱크와 같이 농도가 점점 줄어들어 결국 1번 탱크와 같은 초기 탱크 농도로 돌아올 것이다.
세 번째 실험은 B용기 용액만을 100ml/LPM, 200ml/LPM, 300ml/LPM 으로 점점 유량을 달리했을 때의 농도변화를 측정하는 것이다. [Figure.12]를 보면 유량이 클수록 그래프의 초기 기울기는 큰 것을 알 수 있었다. 초기 기울기(t=0)는 시상수인 T로 정의할 수 있는데 이는 부피유량과 이론적으로는 반비례한다. [Figure.12]에선 초기의 기울기 크기가 유량에 비례하는 것처럼 보인다. 그래프를 해석할 때 유량이 큰 것은 기울기가 크기 때문에 농도가 일정한 구간까지 빨리 도달하게 되고 이로써 시상수가 짧다고 해석할 수 있다. 하지만 t=0 의 곡선의 기울기로 정의했을 때의 시상수는 실험적으로 유량에 비례하게 나왔다.
네 번째 실험은 A와 B의 유량을 일정하게 하고 교반의 유무에 따라 농도변화를 관찰 하는 것이였다. [Figure.14]과 [Figure.15]를 비교해보면 교반을 한 실험이 교반을 하지 않은 실험치보다 기울기가 높게 나왔다. 이것은 시상수가 교반할 때가 교반하지 않았을 때보다 작게 나온다는 것인데 다르게 해석하면 교반을 하는 것은 물질의 이동에 있어서 효율적이며 반응측면에서 해석했을 때는 수율을 높이는데 중요한 역할을 하는 것이 교반이라는 것을 알 수 있었다.
한 예로 CSTR 반응기를 설계할 때 Well mixing이라는 가정을 한 상태에서 부피대비 최대 수율을 얻기 위해 유도식을 세운다. 이는 단순히 계산을 편하게 하려는게 아니라 교반에 의해 수율의 높고 낮음을 결정할 수 있는 중요한 요인이기 때문에 Well mixing을 가정하는 단적인 예라고 할 수 있다.
즉, 교반의 유무는 물질이동과 수율, 반응기 부피를 결정하는데 중요한 역할을 하는 것이다.
반응공학을 배우면서 실제로 반응기를 설계하기 위해 필요한 유량, 교반에 대해서 알아보았다. 비록 반응이 일어나는 실험이 아니였지만 물질 이동이 얼마나 중요한가를 깨닫게 해주는 중요한 실험인 것 같다.
5. REFERENCE
1. 화학반응공학/ Octave Levenspiel, 2000/ (주)사이텍 미디어/ p.350~378
2. 물리화학/ 탐구당/ 안우선저/ p.500~506
3. 반응 공학/ 장현태외 3인 공역/ 동화기술/ p.47~63
4. 반응공학/ 대영사/ 설수덕/ p.217~228

키워드

연속,   교반,   반응기