예시로 알아보는 반응공학 - 화학 공장에서는 무슨 일이?

예시로 알아보는 반응공학 - 화학 공장에서는 무슨 일이?

안녕하세요! STEMentor 블로그에는 처음 글을 써보네요:) 저는 공우 12.5기 화학생물공학부 19학번 임정욱이라고 합니다~!
오늘부터 여러분들과 함께 다룰 내용은 화학공학만의 특색 있는 과목, 반응공학입니다! 많은 관심 부탁드립니다~~

들어가며

내용을 들어가기에 앞서 제가 왜 하필 수많은 과목들 중에서 반응공학을 주제로 선택했는지 가볍게 풀면서 시작해 볼까 해요. 무엇보다도 가장 큰 이유는 반응공학이야말로 화학공학에서 무엇을 하는지 이야기해 주는 가장 대표적인 과목이라는 점입니다. 제가 처음 반응공학을 배울 때 느꼈던 부분은 '이게 화학공학자들이 하는 내용이구나’하는 신기함이었던 것 같아요. 그도 그럴것이, 제가 반응공학을 배우기 전 여태까지 배우던 내용들은 물리화학, 유기화학과 같은 화학 과목들이었습니다. 이런 과목들을 배우다가 실제 공장에서 사용하는 반응기에 대한 과목을 듣게 된 만큼 더욱 과목이 흥미로웠고, 화학공학의 매력을 발견할 수 있었던 것 같습니다. 그만큼 화학공학이 어떤 전공인지 이해하기 위해서 중요한 반응공학, 지금부터 같이 공부해보도록 하겠습니다!

반응공학이란?

앞에서도 간단하게 이야기했지만, 반응공학은 대체 뭘 배우는 과목일까요? 간단하게 정리해서, 반응공학은 화학 공장에서 어떻게 하면 가장 많은 물질을 얻을 수 있을지 화학 반응이 일어나는 기기를 설계하는 학문이라고 이야기할 수 있습니다. 그렇다면, 예시를 통해서 반응공학이 어떤 내용인지 느껴 볼까요?

 

 

여기에 하수처리장이 하나 있습니다.¹ (그림에는 하수처리장은 없고 웬 네모와 화살표밖에 없지만 적절한 그림을 찾지 못한 점 양해 부탁드립니다…ㅎㅎ)
이 하수처리장에서는 미생물을 사용해서 오염물을 산화시킨다고 합니다. 일반화학을 배우신 분들이라면 아시겠지만, 이런 화학 반응은 반응의 속도식이나 물질의 농도 조절 등에 따라 진행 양상이 천차만별로 변하게 됩니다. 여기에 더해서 엄청나게 많은 양의 물을 흘려 보내는 만큼 반응을 시키는 기기 (앞으로는 반응기라고 부르도록 할게요~) 의 모양도 중요한 역할을 합니다.

 

Marcos von Sperling, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, via Wikimedia Commons²

 

실제로 이 사진을 보면 흔히 알고 있는 하수처리장의 모습이 보입니다. 동그란 통에 큰 회전판이 달려서 내용물을 섞는 모습을 확인할 수 있는데요, 우리는 이 모양이 반응을 잘 시키기 위한 적절한 반응기의 모양일 것이라고 추측할 수 있습니다.
이렇게 ‘어떻게 하면 좋은 반응기를 만들 수 있을 지’ 고민하는 과정이 반응공학의 내용이라고 할 수 있습니다!
여러분들께서 배워 오셨던 반응 속도론, 열역학과 같은 반응에 대한 이론적 배경을 응용해서 화학 공장의 여러 부분 중에서도 중요한 반응기의 작동 원리를 파헤치는 과정을 앞으로 저와 함께 거쳐 나가게 될 텐데요, 여러분들도 기대가 되지 않으신가요? 기대가 되신다면 다음 연재글에서 또 만나 뵙길 기다리겠습니다!

연재 계획

이 연재 게시글은 제가 학습하기도 한 교재인 H. Scott Fogler 교수님께서 집필하신 "Essentials of Chemical Reaction Engineering, 2nd edition"의 순서를 따라갈 계획입니다. 추가로 필요하다면 다른 외부 자료를 참고할 수도 있다는 점을 덧붙입니다.
순서는 달라질 수 있지만, 기본적으로 아래의 순서를 따르려고 합니다.

1. 기본적인 몰 수지

2. 전화율과 반응기의 설계

3. 반응 속도와 화학양론

4. 전화율을 기반으로 한 등온 반응기 설계

5. 몰 & 몰 유량을 기반으로 한 등온 반응기 설계

연재의 흐름에 따라서 순서나 진행 빠르기, 진행 범위는 조절될 수 있음을 양해 부탁드립니다.

용어 정리

앞으로 게시글의 마지막에는 이렇게 용어 정리를 넣고, Fogler 교제 외에 추가로 사용한 자료가 있을 경우에는 주석으로 참고 자료를 남기려고 합니다. 용어가 헷갈리는 부분이 있거나 자료를 찾아보고 싶으신 분들은 이 단락과 주석을 참고해 주세요!

<사용 용어 표>

한국어 명칭	영어 명칭
반응기	reactor
속도식	rate law
몰 수지	mole balance
화학양론	stoichiometry
전화율	conversion
몰 유량	molar flow rate

오늘은 용어가 많지 않아서 진행 계획에 있는 용어를 같이 정리해 보았습니다. 앞으로는 각 게시글마다 중요한 용어 위주로 정리할 계획이니 참고해주세요.
추가로 한 가지 말씀드릴 부분이 있습니다! 비록 반응공학이라는 주제를 선정해서 연재하고 있지만, 부족한 부분이 많은 만큼 오류가 있을 수 있습니다. 읽어주시는 모든 분들의 너른 양해 부탁드리고, 만약 오류가 있다면 부담 없이 댓글로 남겨주시면 정말로 감사하겠습니다. 그럼 앞으로도 잘 부탁드립니다!

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1. 반응공학에서 많이 등장하는 이름이기도 한 Octave Levenspiel 교수님의 저서 Chemical Reaction Engineering, 3rd edition의 chapter 1 문제에서 상황을 참고하였습니다. 숫자를 통해 직접 문제를 풀어보실 분들은 확인해 주세요. ↩︎
2. Sewage treatment, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Sewage_treatment 참조 ↩︎