파이썬으로 반응공학 뽀개기 I

소개글

"파이썬으로 반응공학 뽀개기”는 반응공학에서 사용되는 전반적인 개념 및 반응공학계산을 파이썬을 통해 설명하고 구현할 수 있도록 하고, 파이썬을 활용함에 있어 라이브러리 패키지의 활용, 프로그램의 구성, 반응공학 예제 풀이 과정 등을 상세하게 소개하는 통합 해설서가 되고자 한다. 해당 내용은 공정 중 화학반응이 수반되는 시스템의 해석 및 이해를 주요 내용으로 하기 때문에, 학부생, 대학원생, 연구개발자, 공정실무자 등이 기본 내용을 이해하고 이를 바탕으로 응용하여 실공정에 적용할 수 있을 정도의 유용서가 될 수 있도록 초점을 맞추고자 한다. 다만, 기본적인 파이썬의 구동, 화학 및 수학의 기본개념은 미리 숙지할 필요가 있을 것이다.
반응공학이라 함은 화학반응이 일어나는 시스템을 이해하고 해석하기 위해 화학적 및 수학적 계산을 활용하는 일련의 해석 과정이라 할 수 있다. 그렇기에 열역학, 유체역학, 물질전달, 열전달 등의 경험에서 얻어지는 다양한 분야의 학문을 접목하는 경우가 자주 발생하고, 경우에 따라서는 복잡하게 얽혀 있는 새로운 화학반응식을 결정할 필요도 있고, 반응기 디자인에 사용되는 경제적 개념까지 고려해야 하는 상황이 발생하기도 한다. 물론 다양한 분야를 접목하다 보면 자연스레 계산의 과정이 복잡해지고 해석상의 오류도 많이 발생하기 마련이지만, 기본적인 개념을 하나씩 발전시켜 나가다 보면, 변수의 중요도를 설정하는 능력이 자연스레 향상되어 오차 발생의 가중치를 보다 합리적으로 설정할 수 있고, 최종적으로는 실제로 매우 복잡하게 얽혀 있는 시스템을 해석 가능하고 설명 가능한 수준으로 단순화시키는 기술을 충분히 배양할 수 있을 것으로 생각된다. 이를 위해서는 필수적으로 다양한 공학 계산을 수반하게 되는데, 이 과정에서 파이썬의 활용이 두드러진다. 특히 복잡한 시스템에 활용되는 수십개의 변수를 한 곳에 모아, 변수의 가중치를 결정하고, 그 변수의 변경에 따른 새로운 결과값을 예측하고자 할 때에는 논리적으로 잘 짜여진 프로그램이 하나쯤은 필요하게 되는데, 그 역할을 파이썬이 충분히 해낼 수 있으리라 믿는다.

목차

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본문내용

반응공학에서 가장 중요하게 생각하는 것 중의 하나는 우리가 관찰하고자 하는 화학반응이 얼마나 빨리 일어나는 것인가를 관찰하고 예측하는 것이라 할 수 있다. 그 내용 속에는 핵심적으로 ‘반응 속도를 변화시키는 변수에 대한 고려를 수학적으로 어떻게 표현할 수 있을까’가 담겨 있다. 공학적 고려를 담고 있는 실제 활용에 있어서는 안전과 관련된 물리 화학적 변화들의 영향력까지도 모두 내포되어 있기는 하지만, 우선은 화학반응의 속도를 알아내야 그 일련의 과정이 시작된다.
우리가 주로 관심 대상으로 삼고 있는 화학적 반응들은 경제적 고려 대상이 되는 것들이 대부분이기 때문에, 반응의 규모 (scale)에 따라 실제로 발현되는 값들이 최종 관심대상이 된다. 그렇다고 매번 규모에 따라 실제 반응기를 제작하고 운전하여 실험 결과값을 얻어내는 것은 불가능하기 때문에, 기본적인 반응 특성을 면밀히 평가하여 큰 규모의 반응을 진행할 때 최소한의 오차로 활용하고자 하는 것이 의도하는 최종 목적이 되는 것이다. 끝도 없는 실험과 평가의 연속이지만, 그 기본은 항상 반응속도의 값을 결정하는 것에서 시작한다. 이제 그 반응 속도의 계산을 살펴보고, 간단한 예제를 파이썬으로 구현해 보자.

참고 자료

Chemical Reaction Engineering, Third Edition, Octave Levenspiel, John Wiley & Sons, 1999