Numerical investigation on the heat and mass transfer enhanced by Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) configuration in flow chemistry

의약품과 화학 물질을 제조하는 세계에서, 반응을 진행하는 방식은 최근 수십 년 동안 극적으로 변화했습니다. 열이 예측 불가능하게 쌓일 수 있고 안전이 끊임없이 우려되는 커다란 개방형 용기에 재료를 섞는 대신, 이제 과학자들은 좁고 연속적인 관을 통해 유체를 밀어 넣는 방식을 선호합니다. 흐름 화학(flow chemistry)이라고 알려진 이 방법은 반응이 거대한 웅덩이가 아닌 작고 움직이는 흐름 속에서 일어나기 때문에 탁월한 제어력과 안전성을 제공합니다. 그러나 엔지니어들이 이러한 공정을 실험실 작업대에서 공장 현장으로 옮기려 할 때, 그들은 완고한 벽에 부딪힙니다. 더 많은 물질을 처리하기 위해 단순히 관을 넓게 만들면, 열을 제어하고 화학 물질을 균일하게 혼합하는 능력이 종종 무너지기 때문입니다. 반응 중간 부분이 너무 뜨거워져 원치 않는 부산물이 생기거나 심지어 폭발이 일어날 수 있는 반면, 가장자리는 차갑게 유지될 수 있습니다. 과제는 흐름 화학이 가진 가치 있는 정밀한 제어력을 잃지 않으면서도, 규모가 커져도 효율적이고 안전하게 유지되는 반응기를 설계하는 것입니다.

이를 해결하기 위해 서안교통대학교와 허베이공과대학교의 연구진은 '삼중 주기적 최소 곡면(triply periodic minimal surface)'이라 불리는 복잡하고 반복적인 기하학적 형상에 기반한 새로운 유형의 반응기를 개발했습니다. 이 구조는 마치 스펀지처럼 보이지만, 3차원적으로 뒤틀리고 회전하며 서로 연결된 통로의 미로를 만드는 매끄럽고 연속적인 곡선들로 이루어져 있습니다. '자이로이드(gyroid)'라고 알려진 이 특정한 형태는 유체가 정체될 수 있는 데드 존(dead corner)을 피하고, 열이 빠져나갈 수 있는 거대한 표면적을 제공하기 위해 선택되었습니다. 연구팀은 이 반응기의 특성 크기를 6mm로 제작하여, 직경 2mm인 기존의 관형 반응기 및 4mm 직경의 관형 반응기 두 가지와 비교했습니다. 그들의 목표는 이 복잡한 스펀지 모양의 설계가 표준적인 관형 구조가 어려워하는 '규모 확대(scale-up)' 과정에서도 완벽한 온도 제어와 혼합을 유지할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

연구진은 단순히 장치를 만든 것에 그치지 않고, 유체가 어떻게 움직이고 반응하는지 관찰하기 위해 상세한 '디지털 트윈(digital twin)'을 구축했습니다. 그들은 많은 산업 제품에 사용되는 재료인 염화비닐리덴(vinylidene chloride)의 생산을 포함하는 화학 공정을 시뮬레이션했는데, 이 공정은 두 액체를 섞으면 열이 발생하는 반응을 포함합니다. 실제 실험과 함께 시뮬레이션을 실행함으로써, 연구진은 유체가 반응기 안에 머무는 시간과 온도가 얼마나 고르게 분포되는지를 측정할 수 있었습니다. 결과에 따르면, 자이로이드 반응기를 통과하는 유체는 거의 완벽한 '고체 플러그(solid plug)'처럼 행동하여, 뒤로 섞이거나 길을 잃는 현상 없이 매우 조밀하고 조직적인 선을 그리며 앞으로 나아갔습니다. 이는 모든 액체 방울이 동일한 조건을 경험하도록 보장하는, 화학 반응기에 있어 이상적인 동작입니다. 대조적으로, 더 큰 전통적인 관형 반응기는 일부 액체가 중심부를 통해 너무 빠르게 지나가고 다른 부분은 정체되는 '바이패싱(bypassing)' 현상을 보이며 불균일한 결과를 나타냈습니다.

연구진이 이 반응기들이 열을 얼마나 잘 처리할 수 있는지 테스트했을 때, 자이로이드 설계의 장점은 더욱 명확해졌습니다. 매우 강력한 에너지를 방출하는 산업 공정을 시뮬레이션하기 위해 화학 반응이 막대한 열을 방출하는 시나리오를 설정했을 때, 전통적인 관형 반응기들은 온도를 낮추는 데 어려움을 겪었습니다. 특히 더 큰 관형 반응기는 핫스팟(hot spot)이 형성되도록 방치했는데, 이는 원치 않는 부반응을 유도하여 최종 제품의 품질을 망칠 수 있습니다. 2mm 직경의 관이 전반적으로 가장 우수한 열 전달 성능을 보여주긴 했지만, 자이로이드 반응기는 그에 근접한 성과를 보였으며 특정 시나리오에서 뚜렷한 우위를 점했습니다. 즉, 부반응이 지배적인 요인이 되는 극한 조건에서 자이로이드 설계는 안정적인 온도를 유지함으로써 다른 반응기들에 비해 더 높은 '선택도(selectivity)', 즉 원하는 화학 물질을 불순물 없이 더 많이 생산하는 능력을 보여주었습니다. 이러한 부반응 억제 능력은 제약 제조에서 매우 중요한 요소입니다.

이 연구의 영향력은 단 하나의 화학 반응에만 국한되지 않습니다. 연구진은 유체 역학과 화학 반응 속도를 결합한 자신들의 컴퓨터 모델링 방식이, 장치를 실제로 제작하기 전에 성능을 예측할 수 있는 강력한 도구임을 입증했습니다. 이 접근법을 통해 엔지니어들은 컴퓨터상에서 적절한 속도와 정확도로 다양한 설계를 테스트할 수 있어, 물리적인 시제품 제작에 드는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 이 연구는 자이로이드 기반 반응기가 열 제어가 효율성만큼이나 안전의 문제인 니트로화(nitration)나 리튬화(lithiation)와 같이 현재 규모 확장이 너무 위험하거나 어려운 공정들에 '게임 체인저'가 될 수 있음을 시사합니다. 정교한 3D 프린팅 구조가 실험실 실험의 정밀함을 유지하면서도 산업 규모의 화학적 요구를 처리할 수 있음을 증명함으로써, 연구진은 연속 흐름 제조의 미래를 향한 유망한 경로를 제시했습니다.