주반응 안전특성

정의

주반응 안전특성은 주반응의 발열량과 반응속도로 폭주 가능성을 판단하는 특성이다.

반응이 빨라서 열이 쌓이면 온도가 올라가고, 온도가 오르면 다시 반응이 빨라진다.

이 악순환을 막으려면 발생하는 열을 설비의 냉각 능력이 제거할 수 있어야 한다.

열 발생과 제거의 균형

열 발생과 제거의 균형은 이 식으로 나타난다.

반응열 발생률이 냉각 제거율보다 크면, 남는 열이 계 안에 쌓인다.

열이 쌓이면 온도 상승률이 커지고, 그 온도에서 반응은 더 빨라진다.

좌변이 우변보다 크면 온도는 계속 올라간다.

온도와 반응속도

온도가 오르면 반응속도 상수 k가 지수적으로 커진다.

활성화 에너지가 클수록 온도 상승에 따른 속도 증가가 급격하다.

속도가 빨라지면 단위 시간당 발열량이 늘어나 열 축적이 커진다.

이 온도, 속도, 발열의 되먹임이 열폭주의 핵심 원리다.

단열온도상승과 열량 측정

단열온도상승은 냉각이 없다고 가정할 때 반응열이 모두 반응계 온도를 올리는 양이다.

반응열 200,000 J/mol, 농도 1 mol/L, 밀도 1 kg/L, 비열 4,000 J/(kg·K)를 대입한다.

계산하면 단열온도상승은 50K다. 이 값이 크면 냉각 실패 시 온도가 빠르게 오른다.

그래서 측정값은 이 계산을 거쳐 반응기 냉각능력과 비교해야 의미가 있다.

시험에서 헷갈리는 점

시험에서 자주 틀리는 것은 반응열과 반응속도를 섞어 쓰는 것이다.

반응열은 반응 1몰당 엔탈피 변화이고, 반응속도는 단위 시간당 발열 속도다.

반응 차수를 화학량론 계수와 같다고 쓰면 안 된다. 실험으로 정해야 한다.

온도 영향은 활성화 에너지가 큰 반응이 빨라져 발열이 가속된다고 써야 한다.

정리와 직접 풀기

주반응 안전특성은 반응열, 반응속도, 반응 차수, 단열온도상승으로 정리된다.

발열 속도가 냉각 속도를 넘으면 열이 쌓여 폭주로 이어진다. 직접 풀어 보자.

정답은 반응속도다. 반응열은 총 에너지, 반응속도는 발열 속도라고 기억한다.