CFD를 활용한 고분자 합성의 Scale-up에 대한 연구

Abstract

고분자를 합성하는 다양한 중합법 중 반도체 PR용 고분자 합성 시에는 주로 free radical polymerization을 사용한다. free radical polymerization을 통해 원하는 품질의 고분자를 균일하게 합성하기 위해서는 반응에서의 온도와 농도를 control을 할 수 있어야 한다. Lab (1L scale reactor) 단계에서 free radical polymerization을 통해 고분자를 합성한 뒤, pilot (50L scale reactor) 및 plant (200L scale reactor) 단계로 scale up을 진행하는 과정에서 scale up factor를 제대로 예측하지 못함으로 인해 많은 error 가 발생한다. 이 연구에서는 lab – pilot - plant 로 scale up을 하는 과정에서 발생하는 scale up factor 중 반응기의 구조 차이로 인해 발생하는 온도 차이에 초점을 맞추어 진행하고자 한다. 반응기 간의 온도분포 및 반응기 내부 평균온도 차이를 CFD(Computational Fluid Dynamics) simulation을 통해 규명을 한 뒤, 여러 조건을 변경해가며 CFD simulation을 진행하여 각 반응기 사이 온도 분포와 반응기 내부 평균온도를 유사하게 할 수 있는 조건을 찾는 것을 목표로 연구를 수행하였다. CFD simulation 결과, 각각의 반응기 내부에서 온도분포가 다르게 형성되는 것을 확인하였으며, 이로 인해 반응기 내부 평균 온도 또한 차이가 있음을 확인하였다. 50L 반응기와 200L 반응기의 내부 설정 온도를 변경해가며 CFD simulation을 진행한 결과, base model 인 1L 반응기 내부 평균 온도와 유사해지는 온도를 찾을 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 실제 50L 반응기 scale up에 적용을 하였고, 1L 반응기의 합성결과와 유사하게 나오는 것을 확인하였다. 이번 연구를 통해 free radical polymerization scale up 진행 시 발생하는 다양한 scale up factor 중 온도를 control 하는 것만으로도 error을 줄일 수 있음을 확인하였다. 200L 반응기에 대한 검증 및 다양한 제품에서 검증을 하여 1L 반응기 결과와 동일한 결과가 나오는 것을 확인한다면, CFD simulation을 통해 scale up 진행 시 발생하는 error를 줄일 수 있을 것이라고 기대된다.