반회분식 반응기 (semi-batch reactor)
쉽게 풀면
회분식은 모든 원료를 한꺼번에 넣고 문을 닫는 방식이고, 연속식은 원료와 생성물이 계속 드나드는 방식입니다. 반회분식은 그 중간으로, 한쪽 원료만 먼저 채운 뒤 나머지를 조금씩 흘려 넣습니다. 이렇게 하면 반응이 한꺼번에 몰리지 않아 열이 천천히 나오고, 넣는 속도로 반응 속도를 직접 조절할 수 있습니다.
왜 중요한가
발열이 심한 반응이나 부반응이 잘 일어나는 반응에서는 반응물 하나의 농도를 낮게 유지하는 것이 안전성과 선택도 모두에 유리한데, 반회분식이 바로 그 조건을 만들어 줍니다. 정밀화학·의약품 제조와 발효 공정에서 널리 쓰이며, 폭주반응 위험을 설계 단계에서 낮추는 대표적 수단으로도 꼽힙니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
투입 속도가 곧 발열 속도를 결정한다는 이 방식의 핵심 이점입니다.
생물공정에서 유가식 배양으로 불리는 같은 원리의 적용 사례입니다.
조금 더 깊게 보면
반회분식 반응기의 물질수지에는 반응항뿐 아니라 시간에 따라 변하는 유입항과 부피 증가항이 함께 들어가므로, 농도는 반응 소모와 부피 희석의 경쟁으로 결정됩니다. 투입 속도를 조절하면 반응 속도를 직접 제어할 수 있어, 열제거 능력 안에서 반응을 진행시키는 이른바 투입 제어 운전이 가능합니다. 안전 설계에서는 냉각이 실패했을 때 반응기에 남아 있는 미반응물이 한꺼번에 반응할 경우의 온도 상승을 따로 평가하며, 이 값을 낮게 유지하는 것이 반회분식의 주요 목적 중 하나입니다.
주의할 점
반회분식은 반응기 구조가 아니라 운전 방식의 구분이므로, 같은 교반조를 회분식으로도 반회분식으로도 쓸 수 있다는 점을 혼동하면 안 됩니다. 회분식이 처음에 모든 원료가 들어 있어 초기 농도가 가장 높다면, 반회분식은 투입 중인 성분의 농도를 계속 낮게 유지한다는 점에서 발열과 선택도 거동이 전혀 달라집니다.