실험실 규모 반응을 공장 규모로 키우면 왜 예상과 다른 결과가 나오나요?

Question

화학공정을 스케일업할 때 실험실에서 성공한 반응이 대규모 공정에서는 다르게 나타나는 경우가 많다고 들었는데, 규모가 커지면 왜 이런 예측 불가능한 변화가 생기는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요, 가을단풍구경가고싶다님. 이중철 전문가입니다.

질문하신 내용은 단골 질문 주제이기도 한데요.

먼저, 실험실 규모의 반응을 공장 규모로 스케일업할 때 예상과 다른 결과가 나오는 이유는, 반응기의 크기가 커질수록 부피 대비 표면적의 비율이 급격히 줄어들어 열전달과 물질전달의 효율이 떨어지고 균일한 혼합이 어려워져 국소적인 온도와 농도 불균일이 발생하기 때문이랍니다. 이러한 연유들로 순수학문적인 지식 외, 공학적인 전문지식이 병행하여 필요한 이유이기도 하답니다.

■ 부피 대비 표면적 감소에 따른 열전달의 한계

반응기의 크기를 기하학적으로 키우면 반응물이 담기는 부피는 길이의 세제곱에 비례하여 급격히 증가하지만, 열을 외부로 방출하거나 공급하는 표면적은 길이의 제곱으로만 늘어난답니다. 작은 실험실 비커는 표면적이 넓어 반응열을 즉각 제어할 수 있지만, 수천 리터 규모의 대형 반응기는 단위 부피당 냉각 면적이 턱없이 부족해지는데요. 특히 발열 반응의 경우 반응기 중심부의 열이 제때 빠져나가지 못해 국소적으로 온도가 치솟는 열점(Hot spot)이 생기며, 이로 인해 부반응이 촉진되어 불순물이 늘어나거나 심하면 폭발 위험까지 초래된답니다.

■ 유체역학적 혼합 지연과 농도 불균일의 발생

실험실 플라스크에서는 작은 자석 젓개로 몇 초 만에 용액 전체를 완벽하게 균일한 상태로 섞을 수 있습니다. 반면에, 거대한 산업용 반응기에서는 강력한 임펠러를 돌리더라도 날개 근처는 강한 난류가 생기는 반면, 벽면이나 구석에는 액체가 거의 흐르지 않는 정체 구역이 필연적으로 발생하거든요. 이로 인해 원료를 투입했을 때 분자 수준까지 균일하게 섞이는 데 걸리는 혼합 시간이 반응 속도보다 훨씬 길어지게 됩니다. 국소적으로 반응물 농도가 짙은 구역에서는 원치 않는 연쇄 반응이 일어나 생산물의 수율과 순도가 실험실에서의 기대되었던 수치보다 크게 떨어지는 것이랍니다.

정리하자면,

화학공정 스케일업 시 예상과 다른 결과가 나타나는 이유는 부피 증가율을 표면적 증가율이 따라가지 못해 생기는 열전달 효율 저하와, 대형 유체 흐름의 한계로 인한 혼합 지연 및 국소 불균일 때문이므로 무작정 크기를 키우기보다 파일럿 단계를 거쳐 열 및 물질전달 무차원수를 엄밀히 맞추는 공학적 검증이 필수적이랍니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

실험실 사이즈에서 성공하더라도 이것을 대량생산을 하는 공장 규모로 키우게 되면 예상과 다른 결과가 나오는 경우가 많은데 이것은 물리적으로 부피와 표면적의 증가 때문입니다.

표면적은 제곱으로 증가하고 부피는 세제곱으로 증가하기 때문에 이를 제공지수의 법칙이라고 합니다. 이러한 물리적으로 대형화 됨에 따라 실험실에서 통제가 가능했고 완벽하게 결과가 만들어지던 열전달, 물질전달, 교반과 같은 균형이 무너지면서 생성물에서 슈율 저하, 부반응과 같은 예상치 못한 문제가 발생하는 것 입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)