대부분의 반응은 등온으로 진행되지 않는다. 그 이유는 발열 또는 흡열이 일어나지 않는 반응이 거의 없기 때문이다. 따라서 지금부터 관점을 화학반응기의 열효과로 바꿔보도록 하자.
이때 4장에서 논의한 등온 상태에서 설계식은 여기서도 여전히 유효하다.
일단 먼저 예제를 통해 비등온 반응기의 특성을 알아보자.
Q: 다음과 같은 액상 비가역 기초반응에서 70%의 전화율을 얻는데 필요한 PFR 반응기의 부피를 계산하여라. 이제까지 만났던 문제와 다른 게 없다. 당연히 몰 수지, 속도식, 화학양론을 써야한다.     결합시 다음과 같다.  -먼저 액상이므로 부피는 온도에 의해 변하지 않는다. -그러나 속도상수 k는 온도의 함수이다. 아레니우스 식을 대입하면  위 케이스에 에너지 수지식을 적용시 다음과 같은 T-X사이 관계식이 나온다. 이는 곧 유도될 것이다.  |
8.2 에너지 수지
열역학 제 1법칙을 폐쇄계, 다음으로 개방계에 적용해보자.
먼저 폐쇄계는 물질의 이동이 없으므로 계의 에너지 변화는 열과 일의 차이와 같다.
U=Q+W와 U=Q-W의 차이:
U=Q+W : 는 외부에서 시스템으로 전달된 일 시스템이 100만큼 일할 시 W=-100
는 시스템이 외부에 수행한 일, 시스템이 100만큼 일할 시 W=100
이 두 표현의 차이는 일의 방향성에 따라 달라집니다. 어떤 책이나 교수님은 두 표현 중 하나를 사용할 수 있으니, 학습 시 사용된 표현에 맞춰 이해하는 것이 좋습니다.
이제 개방계를 살펴보자. 이때는 다음과 같다.
질량이 들어올 수 있으므로, 들어오는 애가 가지고 오는 에너지-나가는 애가 가지고 나가는 에너지
이런 텀이 추가가 된다.
이걸 정리하는 것은 화공열역학에서 공부했을 것이다.
위와 아래는 부호나 기호만 다를 뿐이지 똑같은 식이다.
즉 내부에너지의 변화는 흘러오는 플로우가 가져오는 엔탈피의 변화 + 열 + 축일로 기술할 수 있다.
이제 위의 식 8.9를 각 반응기에 적용해보자. 먼저 결과만을 보고, 다음에 이 식을 유도하는 방법에 대해 알아보도록 하자.
기호는 다음과 같다.
U=열전달이 얼마나 잘되는 지 나타내는 총괄전열계수
A=CSTR의 열교환이 일어나는 면적
a=pfr에서 단위 볼륨당(반응기 부피당) 열교환이 일어나는 면적
Cpi=i의 평균 열용량 J/mol/K
Cpc=냉매의 열용량 j/kg/K
△Hrx=반응열
△Hºrx=
Q닷: 반응기에 가해진 열
참고: 표 8.1만으로 충분할까?표 8.1은 비등온 반응기 설계에서 에너지 수지식을 요약한 것으로, 다양한 반응기에 대해 필요한 수식을 간략히 정리해 두었기 때문에 실무적인 설계나 문제 풀이에 매우 유용합니다. 하지만, 몇 가지 고려사항이 있습니다.표 8.1만으로 충분한 경우
표 8.1로 부족할 수 있는 경우
어떻게 접근하는 것이 좋을까?
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