해상환경에서 Fischer-Tropsch GTL 반응기의 CFD 모델링 및 최적구조 설계 CFD-Based Modeling and Optimal Design of Fischer-Tropsch Synthesis Reactor for the Offshore Environment원문보기
산업혁명 이후 지금까지 많은 양의 화석연료가 사용되고 있으며, 이를 바탕으로 전 세계적으로 눈부신 발전을 이룩하여 왔다. 그러나 화석연료의 사용으로 스모그, 미세먼지 및 산성비 등의 환경문제가 발생하는 등 화석연료의 한계점이 서서히 드러나고 있다. 이에 대한 보완책으로 저렴하고, 환경오염이 적다는 장점이 있는 천연가스의 사용량이 지속적으로 급증하고 있다. 근해에서 생산된 천연가스는 대부분 LNG, CNG 및 ...
산업혁명 이후 지금까지 많은 양의 화석연료가 사용되고 있으며, 이를 바탕으로 전 세계적으로 눈부신 발전을 이룩하여 왔다. 그러나 화석연료의 사용으로 스모그, 미세먼지 및 산성비 등의 환경문제가 발생하는 등 화석연료의 한계점이 서서히 드러나고 있다. 이에 대한 보완책으로 저렴하고, 환경오염이 적다는 장점이 있는 천연가스의 사용량이 지속적으로 급증하고 있다. 근해에서 생산된 천연가스는 대부분 LNG, CNG 및 파이프라인 형태로 육상으로 수송하고 있다. 그러나 전 세계적인 사용량 증가로 인한 가격의 상승과 채굴자원의 감소에 따라 과거에는 경제성 문제로 채굴하지 않았던 한계가스전(stranded gas field)이 shale gas와 더불어 주목받고 있다. 천연가스는 개질, Fischer-Tropsch Synthesis (FTS), upgrading으로 이루어진 Gas To Liquid (GTL) 공정을 통하여 액체연료(DME, 메탄올 등)로 변환되고, 이를 바탕으로 에틸렌, 프로필렌 등의 고부가가치 석유화학물질도 생산할 수 있다. 한계가스전은 육지로부터 거리가 멀어 기존의 고정식 해양플랜트로는 채산성이 맞지 않기 때문에 비고정식 설비인 부유식 생산·저장·하역설비(Floating Production, Storage and Offloading, FPSO)를 이용한 개발이 필수적이다. 그 중에서도 육상의 GTL 공정을 FPSO에 접목시킨 GTL-FPSO를 통하여 한계가스전에서 채굴한 가스를 액상의 합성연료로 전환시켜 수송하는 방법이 가장 적절한 것으로 평가된다. 이는 국내에서 유전을 개발한 것에 상응하는 효과가 있어 국가 미래 에너지원의 확보에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 GTL 공정의 핵심반응인 FTS 반응기의 상세 모델링 및 시뮬레이션을 실제 실험 데이터에 기반한 반응식을 활용하여 진행하였다. 통상 화학공정의 경제성은 반응기 운전이 좌우하는데, 특히 FPSO 해상환경에서는 한정된 공간과 한번 건설되면 공정개선이 어렵고 유지보수의 비용이 크기에 반응기의 compact화 및 정확한 모델링에 기반한 scale-up 설계가 필요하다. 기존 육상 FTS 반응에 사용되는 반응기인 고정층 반응기 및 슬러리버블 컬럼 반응기 중 해상조건의 특성인 sloshing motion의 영향을 적게 받는 고정층 반응기를 본 연구에서는 선택하였다. 또한 기상보다 액상의 생성물이 운송성이 좋기에 FTS 반응의 상용 촉매인 Co, Fe 촉매 중 사슬길이가 긴 탄화수소에 대한 선택성이 좋은 Co 촉매를 선택하였다. 반응식은 C1, C2-4, C5+의 세 범위로 구분된 반응식을 사용하였다. 먼저 촉매 속도론 실험과 동일한 크기인 직경 3/8 in, 길이 20 cm의 반응기를 구현하여 2D 시뮬레이션을 진행하였으며, 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 모델의 검증을 실시하였다. 그리고 반응기의 크기를 1 in 직경, 150cm 길이로 증가시킨 후 열적불안정성에 따른 반응의 폭주를 막기 위하여 관형 열교환기의 shell-side 형태의 냉각자켓을 설계하여 온도제어를 진행하였다. 또한, 실제 공정에 설치될 관 개수 1만개 수준의 다관형 반응기 설계에 있어 다관의 3D 배치에 따른 차이 규명을 위해 병렬배치 2D 5-tube 및 정육각형의 꼭지점 및 중앙에 관을 배치한 3D 7-tube 시스템의 모델링 및 시뮬레이션을 진행하였으며, 반응기내 관 사이의 간격변화에 따른 영향(전환율의 변화 등)을 확인하기 위한 시뮬레이션도 진행하였다. 실험 동일 크기의 반응기 시뮬레이션 결과, 실제 실험보다는 전환율이 2배정도로 다소 높게 형성되었으나 전체적인 생성물의 분포는 실제 실험과 유사성을 보였다. 이후 반응기 크기 증가, 냉각자켓 적용 및 다관으로 배치할 경우의 냉각 유체의 유속 및 온도의 최적화를 통해 0.003 m/s 및 230 ℃의 조건을 도출하였다. 다관형 반응기의 경우 관 사이의 간격을 변화시킨 경우, 관 사이 거리가 증가할수록 전환율이 선형에 가깝게 높아지는 경향을 보였다. 이를 바탕으로 해상조건에서 FTS 반응기를 설계를 위한 scale-up이 가능한 CFD기반의 모델을 완성하였고, 반응기를 실제 조건과 동일한 크기로 scale-up하기 위한 설계 가이드라인을 제시하였다. 향후 10,000개 이상의 관으로 이루어진 실규모 반응기 시뮬레이션으로의 확장 및 sloshing motion 모델의 추가를 통하여, 공정개발 및 설계 단계에서 lab, bench, pilot 및 실제 공정 크기로 scale-up하며 개발해가는 전과정에서 적은 실험만으로도 시행착오를 감소시키는데 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한 시뮬레이션 결과의 확실성에 바탕한 설계 margin 부여의 최소화와 더불어 compact하고 최적화된 반응기 설계 지원이 가능하다. 아울러 개발된 동적모델을 이용하여 반응기의 start-up, shut-down 시뮬레이션 및 운전성 평가도 가능할 것으로 예상된다.
산업혁명 이후 지금까지 많은 양의 화석연료가 사용되고 있으며, 이를 바탕으로 전 세계적으로 눈부신 발전을 이룩하여 왔다. 그러나 화석연료의 사용으로 스모그, 미세먼지 및 산성비 등의 환경문제가 발생하는 등 화석연료의 한계점이 서서히 드러나고 있다. 이에 대한 보완책으로 저렴하고, 환경오염이 적다는 장점이 있는 천연가스의 사용량이 지속적으로 급증하고 있다. 근해에서 생산된 천연가스는 대부분 LNG, CNG 및 파이프라인 형태로 육상으로 수송하고 있다. 그러나 전 세계적인 사용량 증가로 인한 가격의 상승과 채굴자원의 감소에 따라 과거에는 경제성 문제로 채굴하지 않았던 한계가스전(stranded gas field)이 shale gas와 더불어 주목받고 있다. 천연가스는 개질, Fischer-Tropsch Synthesis (FTS), upgrading으로 이루어진 Gas To Liquid (GTL) 공정을 통하여 액체연료(DME, 메탄올 등)로 변환되고, 이를 바탕으로 에틸렌, 프로필렌 등의 고부가가치 석유화학물질도 생산할 수 있다. 한계가스전은 육지로부터 거리가 멀어 기존의 고정식 해양플랜트로는 채산성이 맞지 않기 때문에 비고정식 설비인 부유식 생산·저장·하역설비(Floating Production, Storage and Offloading, FPSO)를 이용한 개발이 필수적이다. 그 중에서도 육상의 GTL 공정을 FPSO에 접목시킨 GTL-FPSO를 통하여 한계가스전에서 채굴한 가스를 액상의 합성연료로 전환시켜 수송하는 방법이 가장 적절한 것으로 평가된다. 이는 국내에서 유전을 개발한 것에 상응하는 효과가 있어 국가 미래 에너지원의 확보에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 GTL 공정의 핵심반응인 FTS 반응기의 상세 모델링 및 시뮬레이션을 실제 실험 데이터에 기반한 반응식을 활용하여 진행하였다. 통상 화학공정의 경제성은 반응기 운전이 좌우하는데, 특히 FPSO 해상환경에서는 한정된 공간과 한번 건설되면 공정개선이 어렵고 유지보수의 비용이 크기에 반응기의 compact화 및 정확한 모델링에 기반한 scale-up 설계가 필요하다. 기존 육상 FTS 반응에 사용되는 반응기인 고정층 반응기 및 슬러리 버블 컬럼 반응기 중 해상조건의 특성인 sloshing motion의 영향을 적게 받는 고정층 반응기를 본 연구에서는 선택하였다. 또한 기상보다 액상의 생성물이 운송성이 좋기에 FTS 반응의 상용 촉매인 Co, Fe 촉매 중 사슬길이가 긴 탄화수소에 대한 선택성이 좋은 Co 촉매를 선택하였다. 반응식은 C1, C2-4, C5+의 세 범위로 구분된 반응식을 사용하였다. 먼저 촉매 속도론 실험과 동일한 크기인 직경 3/8 in, 길이 20 cm의 반응기를 구현하여 2D 시뮬레이션을 진행하였으며, 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 모델의 검증을 실시하였다. 그리고 반응기의 크기를 1 in 직경, 150cm 길이로 증가시킨 후 열적불안정성에 따른 반응의 폭주를 막기 위하여 관형 열교환기의 shell-side 형태의 냉각자켓을 설계하여 온도제어를 진행하였다. 또한, 실제 공정에 설치될 관 개수 1만개 수준의 다관형 반응기 설계에 있어 다관의 3D 배치에 따른 차이 규명을 위해 병렬배치 2D 5-tube 및 정육각형의 꼭지점 및 중앙에 관을 배치한 3D 7-tube 시스템의 모델링 및 시뮬레이션을 진행하였으며, 반응기내 관 사이의 간격변화에 따른 영향(전환율의 변화 등)을 확인하기 위한 시뮬레이션도 진행하였다. 실험 동일 크기의 반응기 시뮬레이션 결과, 실제 실험보다는 전환율이 2배정도로 다소 높게 형성되었으나 전체적인 생성물의 분포는 실제 실험과 유사성을 보였다. 이후 반응기 크기 증가, 냉각자켓 적용 및 다관으로 배치할 경우의 냉각 유체의 유속 및 온도의 최적화를 통해 0.003 m/s 및 230 ℃의 조건을 도출하였다. 다관형 반응기의 경우 관 사이의 간격을 변화시킨 경우, 관 사이 거리가 증가할수록 전환율이 선형에 가깝게 높아지는 경향을 보였다. 이를 바탕으로 해상조건에서 FTS 반응기를 설계를 위한 scale-up이 가능한 CFD기반의 모델을 완성하였고, 반응기를 실제 조건과 동일한 크기로 scale-up하기 위한 설계 가이드라인을 제시하였다. 향후 10,000개 이상의 관으로 이루어진 실규모 반응기 시뮬레이션으로의 확장 및 sloshing motion 모델의 추가를 통하여, 공정개발 및 설계 단계에서 lab, bench, pilot 및 실제 공정 크기로 scale-up하며 개발해가는 전과정에서 적은 실험만으로도 시행착오를 감소시키는데 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한 시뮬레이션 결과의 확실성에 바탕한 설계 margin 부여의 최소화와 더불어 compact하고 최적화된 반응기 설계 지원이 가능하다. 아울러 개발된 동적모델을 이용하여 반응기의 start-up, shut-down 시뮬레이션 및 운전성 평가도 가능할 것으로 예상된다.
After the industrial revolution, world has remarkable growth using fossil fuels. However, fossil fuel has many of problems such as smog, fine dust and acid rain so limitaion of fossil fuels is slowly revealed. As a complement to this problem, amount of natural gas usage has been steadily increased. ...
After the industrial revolution, world has remarkable growth using fossil fuels. However, fossil fuel has many of problems such as smog, fine dust and acid rain so limitaion of fossil fuels is slowly revealed. As a complement to this problem, amount of natural gas usage has been steadily increased. Natural gas is transported to LNG, CNG, pipeline form from the near offshore. However, price of natural gas is continuously increase because natural gas consumption is sharply increase in the world. So, Development of stranded gas well that was neglected because of low economics is main issue with shale gas. Liquid fuel (DME, methanol) and high value-added petrochemical product such as ethylene and propylene are produced from natural gas using GTL process that consist of reforming, Fischer-Tropsch Synthesis (FTS), upgrading step. Stranded gas well has low economics using fixed offshore plant because it located far from the onshore. So development using floating production, storage and offloading (FPSO) that non-fixed offshore plant is essential. Especially, GTL-FPSO that combined GTL process and FPSO is an appropriate way to transform natural gas to synthetic fuels and transport them to onshore. It can give effect corresponding oil field development so it is expected to be able to contribute to securing the future energy source of the country. In this study, Detailed modeling and simulation of FTS reactor are performed using COMSOL Multiphysics that computational fluid dynamics program based on kinetics from the experimental data. Economics of chemical process depends on the reactor typically. Especially, Compact design and accurate modeling is needed to apply in FPSO environment because space is limited and difficult to modify and maintenance. To simulate FTS reactor, fixed bed reactor is used because slurry bubble column reactor is more influenced than fixed bed reactor from offshore environment especially sloshing motion. To increase high chain-length hydrocarbon production, in addition, cobalt catalyst is selected because liquid product better than gas product to transport. Reaction formula is separated into 3 parts such as C1, C2-4, C5+. First of all, simulation is performed in same condition (3/8 in diameter and 20 cm length) with catalyst kinetic experiment. Result verification also performed between experiment and simulation. Then, reactor is scaled-up (1 in diameter and 150 cm length) to increase product and shell side is set-up to control temperature for prevent reactor runaway. In addition, 2D parallel 5-tube and 3D hexagonal 7-tube arrangement simulation are performed the effect check to identify differences between 2D and 3D. Finally, simulation based on changing tube pitch is performed to verify influence such as conversion. As a result, simulation result shows higher conversion about twice than experiment but product distribution is similar. Also, optimal cooling temperature (230 ℃) and flow rate (0.003 m/s) is calculated in scaled-up reactor and shell and tube reactor. In addition, higher CO conversion is received when tube pitch is increase. Based on this result, FTS reactor is designed in offshore condition and modeling guideline is proposed for scale-up reactor in actual size. In future research, trial and error step is reduced for process scale-up in lab, bench, pilot and real plant size through applying sloshing motion and expanding reactor to the real plant size that consist of more than 10000 tubes. In addition, It makes compact and optimal design of reactor with less design margin. Also, start-up, shut-down simulation and operation evaluation are performed using dynamic model.
After the industrial revolution, world has remarkable growth using fossil fuels. However, fossil fuel has many of problems such as smog, fine dust and acid rain so limitaion of fossil fuels is slowly revealed. As a complement to this problem, amount of natural gas usage has been steadily increased. Natural gas is transported to LNG, CNG, pipeline form from the near offshore. However, price of natural gas is continuously increase because natural gas consumption is sharply increase in the world. So, Development of stranded gas well that was neglected because of low economics is main issue with shale gas. Liquid fuel (DME, methanol) and high value-added petrochemical product such as ethylene and propylene are produced from natural gas using GTL process that consist of reforming, Fischer-Tropsch Synthesis (FTS), upgrading step. Stranded gas well has low economics using fixed offshore plant because it located far from the onshore. So development using floating production, storage and offloading (FPSO) that non-fixed offshore plant is essential. Especially, GTL-FPSO that combined GTL process and FPSO is an appropriate way to transform natural gas to synthetic fuels and transport them to onshore. It can give effect corresponding oil field development so it is expected to be able to contribute to securing the future energy source of the country. In this study, Detailed modeling and simulation of FTS reactor are performed using COMSOL Multiphysics that computational fluid dynamics program based on kinetics from the experimental data. Economics of chemical process depends on the reactor typically. Especially, Compact design and accurate modeling is needed to apply in FPSO environment because space is limited and difficult to modify and maintenance. To simulate FTS reactor, fixed bed reactor is used because slurry bubble column reactor is more influenced than fixed bed reactor from offshore environment especially sloshing motion. To increase high chain-length hydrocarbon production, in addition, cobalt catalyst is selected because liquid product better than gas product to transport. Reaction formula is separated into 3 parts such as C1, C2-4, C5+. First of all, simulation is performed in same condition (3/8 in diameter and 20 cm length) with catalyst kinetic experiment. Result verification also performed between experiment and simulation. Then, reactor is scaled-up (1 in diameter and 150 cm length) to increase product and shell side is set-up to control temperature for prevent reactor runaway. In addition, 2D parallel 5-tube and 3D hexagonal 7-tube arrangement simulation are performed the effect check to identify differences between 2D and 3D. Finally, simulation based on changing tube pitch is performed to verify influence such as conversion. As a result, simulation result shows higher conversion about twice than experiment but product distribution is similar. Also, optimal cooling temperature (230 ℃) and flow rate (0.003 m/s) is calculated in scaled-up reactor and shell and tube reactor. In addition, higher CO conversion is received when tube pitch is increase. Based on this result, FTS reactor is designed in offshore condition and modeling guideline is proposed for scale-up reactor in actual size. In future research, trial and error step is reduced for process scale-up in lab, bench, pilot and real plant size through applying sloshing motion and expanding reactor to the real plant size that consist of more than 10000 tubes. In addition, It makes compact and optimal design of reactor with less design margin. Also, start-up, shut-down simulation and operation evaluation are performed using dynamic model.
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