568…NICE, 제20권 제5호, 2002
NRL
National Research Laboratory (국가지정연구실)연구개요
분자의 거동과 상거동은 화 학 관련 산업에 있어서 신물 질의 개발과 공장 설계 및 신 공정 개발뿐만 아니라 제품의 설계에 있어 필수적인 정보이 다. 또한 회합성 물질이 주를 이루는 생명공학, 유 전공학 분야의 연구 역시 이러한 분자들의 거동 및 상거동을 모르고서는 이루어질 수 없다. 또한 회합성 유체에 대한 정확한 정보를 바탕으로 하여 문제가 되고 있는 수질오염에 대한 대응 방법을 찾아 공장 폐수도 줄이고 필연적으로 발생되는 폐 수의 처리도 효율적으로 할 수 있다.
회합성 유체는 분자간의 특별한 상호작용이 있 어 실험이나 예측이 쉽지 않아 데이터도 부족하고 이에 대한 연구도 부족한 형편이다. 회합성 유체 에 대한 감압, 상압, 고압 및 고온 조건에서의 기-
액 상평형, 액-액 상평형 및 혼합엔탈피 측정은 거 시적 상거동에 대한 데이터를 제공하며, 이렇게 확보된 물성 및 상평형 자료는 신공정 설계와 제 품 설계에 필수적인 정보가 된다. 또한 이렇게 실 측된 자료를 바탕으로 여러 가지 종류의 상태방정 식을 적절히 활용하여 다양한 조건에서 좀더 정확 하게 예측할 수 있는 매개변수 등을 결정해 나갈 수 있다.
[그림 1]에 그 개념을 간략히 나타낸 것과 같이 열역학적 섭동이론 등을 포함한 회합유체에 대한 전산모사는 미시적 관점에서 분자의 거동을 알 수 있어 이론의 발전에 바탕이 된다. 이러한 전산모 사 기술은 현재 통계역학 분야의 발전을 주도하는 기술로서, 학문적인 면에서 통계역학을 바탕으로 하는 자연과학 분야의 이론 개발에 도움을 줄뿐만 아니라, 이론의 검증에 가장 핵심적인 수단으로 사용된다. 또한 산업적인 측면에서 이론 및 실험
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김 화 용
서울대학교 공과대학 응용화학부, [email protected]
그림 1. 열역학적 섭동이론의 개념.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 20, No. 5, 2002…569
N·R·L·소·개
결과의 상관관계식을 통해서 얻어진 결과들이 적 절한 설계자료로 이용될 수 없거나, 실험실 내의 실험으로 유용한 자료를 얻을 수 없는 상황에서 전산모사 기술을 직접 적용할 수 있다.
본 연구에서는 [그림 2]에 나타낸 것과 같은 방 법으로 회합성 유체 및 유체 혼합물의 열물리적 성질에 대한 실험과 모사를 통하여 정확한 모델을 개발하고자 한다. 그래서 회합 사슬 분자(associat- ing chain molecule) 물질에 대한 분자 수준의 형 태적, 동력학적인 거동을 이해하고, 이로부터 거시 적인 열역학적 물성들을 예측하는 분자 열역학적 인 이론과 이를 검증하는 전산모사 기술을 개발 또는 개선하고 실험을 통한 실험 데이터의 생산과 설계 물성으로의 가공 및 재생산이 최종 목표이다.
1단계 주요 연구내용
고온, 고압에서의 알코올과 알칸족과의 기액 상 평형 측정과 예측
임계온도 근방에서 펜탄-에탄올, 헥산-에탄올 계에 대해 투시창이 장착된 평형조를 사용하고 순환법을 사용하여 기액 상평형 실험을 수행하 고 다양한 상태방정식을 이용하여 임계거동과
기액 상평형을 예측하였다.
Phenol과 DPC 혼합물의 감압기액 상평형 측정 과 예측
폴리카보네이트의 축중합 공정에 필요한 Phenol과 DPC 혼합물의 감압기액 상평형 데이 터를 TPx법을 이용하여 실측하고 상태방정식 을 이용하여 예측하였다.
방향족 추출 공정을 위한 액액 상평형 측정과 공정 전산모사
Sulfolane-alkane 및 NFM-alkane 계에 대한 액-액 상평형 데이터를 실측하였고 이를 통해 NFM 추출증류공정을 전산 모사하였다.
Calorimeter를 이용한 Excess molar enthalpy 의 측정
등온 마이크로 칼로리메타의 흐름 혼합셀(flow mixing cell)을 이용하여 aromatic hydrocarbon- NFM 계에 대한 excess molar enthalpy를 실 측하고 이를 Redlich-Kister equation을 이용하 여 예측하였다.
Real Liquids Model Liquids
Test of Models Test of Theories Make Models
Experiments Computer simulations Approximate Theories
Experimental Results
Exact Results for Models
Theoretical Predictions
compare compare
그림 2. 실험데이터와 상평형 모델들과의 관계.
570…NICE, 제20권 제5호, 2002
N·R·L·소·개
격자 상태방정식을 이용한 물과 탄화수소 혼합 물의 임계영역에서의 상거동 연구
MF-NLF 상태방정식을 이용하여 물과 탄화수 소 혼합물의 복잡한 임계궤적을 계산하여 정량 적으로 상관할 수 있음을 보였다.
회합성 사슬 유체에 대한 상태방정식 개발 Wertheim의 다중밀도 Ornstein-Zernike 적분 방정식이론과 Percus-Yevick 근사를 이용하여 강체구 이량체의 상관함수를 closed form으로 해석학적으로 구하였고 Barker-Henderson 섭 동이론을 이용, 사각우물 유체에 대한 해석학적 상태방정식을 제시하였다. 이는 여러 variable well width에서 전산모사 결과와 비교되었고 TPT 이론과도 비교하였다.
불화수소에 관한 상태방정식 개발 및 불화수소 혼합물의 상평형 계산
불화수소와 새로운 대체냉매(HFC, HCFC) 혼 합물에 대한 이성분계 상평형을 실측하고 Lencka와 Anderko의 불화수소 상태방정식의 단점을 보완하여 상태방정식을 개발하였다.
연구개발결과의 활용계획
본 연구에서는 1단계 연구를 통해 회합성 유체
의 상평형 데이터를 측정할 수 있는 장치들을 설 계 제작하고 목표한 계에 대한 실측을 하여 관련 저널에 발표하였다. 그리고 산업계와 긴밀한 산학 협동을 통해 관련 자료를 제공하였으며 회합성 유 체에 대한 적용을 목표로 NPT, NVT 및 GEMC 등 전산모사와 이를 이용한 상태방정식 개발 및 검증연구와 관련된 기본적인 이론을 정립하고 발 전시켜 나가고 있어 2단계 연구를 통해 학문적으 로는 관련 분야에서 선도적인 연구를 수행하고 산 업체에는 실제 현장에서 필요한 회합성 유체에 대 한 상평형 자료와 예측 방법을 제공하여 국내 설 계 기술의 발전과 현장 조업의 최적화를 위한 기 본적이면서도 필수적인 자료로 활용하도록 하여 기술의 자립화를 돕고 해외로 지출되는 로열티를 감소시켜 국가 경쟁력 향상에 이바지하고자 한다.
본 연구를 통하여 얻어진 회합성 물질의 열역학 적인 거동에 관한 정확한 이론의 개발은 기초 과학 의 측면에서 발전에 기여할 뿐만 아니라, 화학공학 에서의 분리 공정 등과 관련된 응용 분야에서 정밀 한 설계 기술의 확보, 회합성 고분자, 고분자 전해 질의 상평형, 콜로이드 물질의 열역학적 거동의 이 해 및 단백질의 분리 기술 개발 등과 같은 분야에 도 적용하여 응용 범위를 점차 넓혀 갈 것으로 기 대된다.
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