이상 반응 발생 요인

이상 반응이란

이상 반응은 의도한 반응 조건에서 벗어나 발열과 압력이 비정상으로 오르는 현상이다.

반응열이 빠져나가지 못해 쌓이면 반응이 스스로 빨라진다. 한번 시작되면 멈추기 어렵다.

핵심 키워드는 열폭주, 반응 축적, 냉각 상실이다.

발생 요인을 알아야 설계, 운전, 비상대응을 하나로 연결할 수 있다.

열 수지

반응열 발생 속도는 단위 시간에 반응기 안에서 생기는 열량이다.

제거 속도는 냉각 재킷, 코일, 환류 등으로 빠져나가는 열량이다.

두 값의 차이가 열이 쌓이는지를 정한다. 발생이 제거보다 크면 열이 축적된다.

계산 예제

가상의 회분식 반응기로 계산해 보자. 발생률은 12kW, 제거 능력은 9kW다.

축적률은 발생에서 제거를 뺀 값이다. 12에서 9를 빼면 3kW다.

kW는 kJ/s이므로 1분 동안 쌓이는 열은 3에 60을 곱해 180kJ이다.

냉각 여유가 음수이므로 온도가 계속 오르는 상태로 판단한다.

양의 피드백

열이 쌓이면 온도가 오르고, 온도가 오르면 반응속도가 빨라진다.

반응이 빨라지면 발열이 늘고, 늘어난 열이 다시 온도를 올린다.

이처럼 발열이 다시 발열을 부르는 양의 피드백이 열폭주의 본질이다.

반응속도는 아레니우스 관계로 온도에 따라 지수적으로 변한다.

발생 요인 다섯 범주

이상 반응의 원인은 물질, 운전, 냉각, 설비, 관리의 다섯 범주로 나눈다.

물질 요인은 반응물 과량 투입과 촉매·개시제 과다다.

운전 요인은 투입 순서와 속도 오류, 교반 불량이다.

냉각 요인은 냉각수 공급 중단이다. 설비 요인은 계측 오지시와 벤트 막힘이다.

관리 요인은 절차서 미흡과 경보 우회다. 원인을 나눠야 대책이 맞춰진다.

경로와 대책

발생 원인은 열 축적에서 시작해 온도 상승, 압력 상승, 폭주로 이어진다.

보호계층이 이 경로의 중간에서 차단하면 진행이 멈춘다.

대책은 원인과 1대1로 맞춘다. 냉각 상실에는 원료 투입 자동 차단을 쓴다.

과압에는 압력방출장치를 짝짓는다. 원인과 진행 경로를 함께 쓰는 것이 핵심이다.