PFR실험

소개글

PFR실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 실험
3. 계산
4. 결과 및 고찰
5. 참고문헌
6. DATA SHEET

본문내용

트 용액으로 채운 후 실험 ⑤~⑧을 반복한다.
⑬ 설정 온도 38℃에서 위 ④의 방법으로 관 내부를 에틸아세테이트 용액으로 채운다. 유량을 변경하여 ⑤~⑧을 반복한다 : 변경 유량은 R-1(AB-2펌프)과 R-2(AB-3)펌프 모두 12L/h로 설정하고 반응물 수집 간격은 15초로 한다.
※ 장치의 전원은 켠 순서의 반대로 끈다. (AB-2&3→항온조→AB-1→전원→플러그분리)
계산
① 0.01M 에틸아세테이트 용액 제조
② 0.01M NaOH 용액 제조
결과 및 고찰
① 시간에 따른 농도변화를 그래프로 그리기
② 체류시간 변화에 따른 영향
위의 두 그래프는 유속 변화에 따른 전도도 변화를 알아보기 위해 반응기의 온도를 각각 28℃, 38℃로 고정하고 유속을 6L/h, 12L/h 로 변화시켜가며 실험한 결과이다.
반응 초기 전도도는 거의 0의 근처에서 머물러 있다. 그러나 에틸아세테이트와 수산화나트륨의 격렬한 반응이 시작되면서 전도도가 급격히 올라간다.
위의 그래프 결과를 놓고 분석하면, 유속이 6L/h 일 때 보다 12L/h 일 때가 더 빨리 급격한 전도도 변화를 가져오는 것을 확인할 수 있을 것이다. 이는 유속이 빠를수록 체류시간이 짧아진다는 것으로 해석할 수 있다. 하지만 최종 반응이 평형상태에 도달한 전도도 값은 유속이 느린(6L/h) 경우가 더 높은 전도도 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 실험과정에서 발생한 개인 오차로 인해 이론과 다른 이런 현상이 발생한 것 같다.
체류시간은 반응기 부피를 부피 유속으로 나눠준 값이다. 따라서 반응기 부피가 고정일 때 부피 유속이 빨라질수록 체류시간은 짧아질 것은 당연하다. 또한 체류시간이 짧다는 것은 그만큼 반응이 빨리 진행된다는 의미로 해석된다.
③ 반응온도 변화에 따른 영향
위 그래프는 유속이 일정할 때 온도변화에 따른 전도도는 어떻게 되는가를 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면 유속이 6L/h 일 때와 12L/h 일 때, 온도가 28℃ 일 때가 38℃ 일 때보다 비슷하거나 더 빠른 시간내에 전도도가 상승하는 것을 볼 수 있다. 이론상으로 온도가 올라가면 반응속도가 빨라진다. 이러한 실험적 오차는 개인오차로 인해 이러한 오차가 발생한 것 같다. 반응속도에 영향을 미치는 인자로 농도와 온도를 들 수 있는데, 그 중 온도는 아레니우스 식에서 나타나듯이 반응속도 상수 k와 연관되어 있다.
④ 속도상수 계산
반응속도 상수 ( ) 여기에서 를 대입하여 풀게 되면
이 되어 약 10℃가 증가하였을 때 0.11%의 상승 값을 볼 수 있다
⑤ PFR(Plug Flow Reactor) 반응기의 특성
이 반응조에 유입하는 유체는 유입 순서대로 유입량만큼 유출되며, 반응조 내에서의 흐름의 상태는 혼합이 없거나 최소이다. 즉, 상하 혼합은 있으나 좌우 혼합은 무시한다. 모든 액체는 수리학적 체류시간만큼 머문다. 반응조는 폭에 비하여 길이가 매우 길다.
장점 : 유기물 제거 효율이 높아 동일한 제거효율을 얻기 위한 포기조 소요용량이 적음. 교반이 없기 때문에 상대적으로 유지관리가 쉽고 흐름반응기 중에서 반응기 부피당 전화율이 가장 높다.
단점 : 충격부하 및 부하변동에 민감함. 유입부에 BOD부하가 높아 DO가 부족하거나 불균형을 초래함. 반응기 내의 온도조절이 어려우며, 반응이 발열반응일 때는 국소고온점이 생길 수도 있다.
⑥ 고찰
이번 실험에서 가장 아쉬웠던 점은 장치의 오류이다. 전도도를 측정하는 장치가 알고 보니 배터리가 부족한 상태였고 이로 인해 실험의 전체적인 전도도 측정값도 신뢰하지 못하게 되었다. 따라서 앞에 ②,③에서 그래프를 제시하며 나타난 여러 이론과 다른 그래프의 모습들도 이로 인한 영향을 배제할 수 없다고 생각한다.
우리는 이번 실험에서 연속 이상 반응기의 모델 중 하나인 관형반응기(PFR)를 알아보았다. 우리는 두 가지 유입물질(EtAC, NaOH)을 안으로 유입시키고 두 물질이 반응함으로서 생기는 전도도 변화를 유입 유속과 온도를 변화시켜가며 실험하였다. 먼저 온도가 일정할 때 두 가지 유입물질의 유속을 변화시켜가며 전도도 변화를 관찰한 결과 유속이 빠를수록 전도도가 빠른 시간 안에 급격히 상승하여 정상상태에 도달하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 유속이 빠를수록 온도가 높을수록 반응이 더 빨리 진행되어 두 물질간의 반응이 평형이 되어 정상상태에 도달한다는 것으로 해석할 수 있을 것이다. 이는 유속은 체류시간 τ에 영향을 주고 온도는 속도상수 k에 영향을 주기 때문인 것으로 판단된다.
반응공학 수업을 통해 여러 가지 반응기에 대해 배웠었다. 기본적으로 회분식 반응기, PFTR, CSTR, 반회분식 반응기 등을 배웠다. 이 반응기들은 서로 장단점이 있기 때문에 공정과정, 생산품 조건, 경제적인 측면 등을 따져서 화학공정 설계에 적합한 반응기를 선택해야 한다고 배웠다. 관형 반응기일 경우에는 CSTR보다 반응속도가 빠르고 부피가 작아도 된다는 장점이 있지만 청소가 어렵고 고가인 면을 따졌을 때는 신중한 선택이 필요하다. 그리고 이런 중요 조건을 만족시키기 위해서는 올바른 제어가 필요할 것이고 적절하고 효과적인 반응기의 설계가 매우 중요할 것이다. 반응기를 설계하고자 할 때 가장 먼저 어떠한 반응기를 쓸 것인가를 결정하는 것이 가장 우선시 되어야 하고, 반응기가 선택되었다면, 화학반응 속도에 영향을 미치는 인자인 온도, 압력, 유속, 조성(이 들은 화학공정에서 제어되어야 할 주요 변수들이다.)들을 어떻게 조절하고 유지 시켜 반응속도를 제어할 것인가가 중요한 문제이다. 이러한 문제들을 생각해 볼 때 이번 PFR실험은 PFR반응기에서 온도와 유속을 어떻게 조절하여야 하는지를 알려주었다. 반응속도는 크게 농도와 온도에 영향을 받는다. 그래서 반응속도 식은 농도 의존항과 온도의존항의 곱으로 표현되어 진다. 이번 실험 결과자료 통해 유입농도와 배출농도 그리고 체류시간을 구하면 이들을 바탕으로 반응속도 상수 k를 구할 수 있었다.
참고문헌
2) 김학준, “화학공학개론”, p.98-102, 문운당(2000)
3) 박소진, “화학공학실험”, p.32-38, 충남대학교출판부(2010)
6. DATA SHEET

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