에틸렌 생산을 위한 설비는 나프타 기반의 NCC(naphtha cracking center) 설비와 에탄(C2H6) 기반의 ECC(ethane cracking center)로 나눠진다. 나프타 기반의 NCC 설비는 목적생성물인 에틸렌(C2H4) ...
에틸렌 생산을 위한 설비는 나프타 기반의 NCC(naphtha cracking center) 설비와 에탄(C2H6) 기반의 ECC(ethane cracking center)로 나눠진다. 나프타 기반의 NCC 설비는 목적생성물인 에틸렌(C2H4) 선택도가 낮은 반면 고부가가치의 부산물(아세틸렌, 프로필렌 등) 생산량이 많고 반대로 에탄 기반의 ECC 설비는 에틸렌 선택도가 높은 반면 부산물 생산량이 적다고 알려져 있다. 중국의 석유화학산업의 시작으로 인해 에틸렌 공급과잉 현상과 더불어 고부가가치 부산물이 각광을 받고 있는 요즘, 에틸렌 선택도에 장점이 있는 ECC 기반의 설비가 과거와 달리 큰 타격을 입고 있다. 본 문제를 해결하기 위하여 에탄 기반의 ECC 설비에서 고부가가치 부산물 생산을 증가시키는 것이 가능한지 대한 연구를 진행하고자 한다. 따라서 본 연구의 목적은 에탄 열분해 상황에서 부산물 생성에 영향을 미치는 인자를 찾아내고, 인자 변화에 따른 부산물 생성 메커니즘 규명 그리고 부산물 생성에 관한 데이터 자료화이다. 본 연구는 길이 1.2 m, 지름 0.02 m의 pilot plant scale의 관형 반응기를 대상으로, 관내 유동 현상 및 열전달 현상과 함께 에탄 열분해 과정에 대해 CFD를 이용한 수치해석적 접근을 시도하였다. 사실적인 해석을 위하여 다양한 물리현상(난류유동, 복사열전달, 흡열반응)이 모사되었으며, 고온영역에서의 물성치 변화 등도 고려되었다. 뿐만 아니라 해석의 타당성을 확보하기 위하여 격자 의존성 테스트 및 실험결과와 비교 작업도 진행되었다. 문헌을 통해 부산물 생성에 영향을 미칠 수 있다고 알려진 내벽 온도를 인자로 결정하였으며, 내벽 온도 변화에 따른 부산물 생성 메커니즘을 확인하였다. 결과로는 반응이 끝나기 전 까지 반응기 내 완전발달유동이 형성되지 않음을 알 수 있었고 내벽 온도가 상승할수록 축 방향 속도 구배가 커짐을 확인하였다. 축 방향 화학종 분포 그래프를 통해 화학종 분포에 극점이 존재함을 확인하였다. 극점의 위치는 에탄-에틸렌 평형점과 관련이 있음을 확인하였고 극점의 크기는 내벽 온도에 관계가 있음을 확인하였다. 부산물 극점의 크기가 곧 생산량과 동일함으로 크기 변화의 메커니즘을 규명하기 위하여 전환율-몰농도 그래프를 활용하였으며 그에 따라 반응에 참여하는 화학종을 결합과 해리 그룹으로 구분 지을 수 있음 또한 확인하였다. 나아가 결합 그룹에서 전환율-몰농도 그래프 상에 교점이 존재함이 확인되었고 내벽 온도별 주어진 전환율에서 몰농도가 다를 수 있음을 확인하였다. 결국 유동장의 형태와 내벽 온도에 따라 부산물 생성이 달라질 수 있음을 확인하였고 반응물, 반응속도, 온도, 난류운동에너지 등 다양한 유동장 내 필드값(field value)를 이용해 원인을 규명하였다. 결론은 다음과 같다. 높은 내벽 온도에서 급격한 열분해는 초기에 에틸렌을 풍부하게 하여 부산물인 프로필렌 또한 초기에 풍부하게 할 수 있다. 반면 낮은 내벽 온도에서는 초기 프로필렌 양은 적을 수 있으나 유동장 내 비교적 큰 난류운동에너지에 의해 반경방향으로 넓게 반응속도가 분포함을 알 수 있으며 그에 따라 부산물 생성에 가속구간이 존재함을 알 수 있다. 따라서 부산물 생성에 있어서 직접적인 영향은 유동장 내 큰 난류 운동 에너지(혼합)일 것으로 예측되며 부산물 생성에 가속구간을 만들어내는 역할을 할 수 있음을 확인하였다.
에틸렌 생산을 위한 설비는 나프타 기반의 NCC(naphtha cracking center) 설비와 에탄(C2H6) 기반의 ECC(ethane cracking center)로 나눠진다. 나프타 기반의 NCC 설비는 목적생성물인 에틸렌(C2H4) 선택도가 낮은 반면 고부가가치의 부산물(아세틸렌, 프로필렌 등) 생산량이 많고 반대로 에탄 기반의 ECC 설비는 에틸렌 선택도가 높은 반면 부산물 생산량이 적다고 알려져 있다. 중국의 석유화학산업의 시작으로 인해 에틸렌 공급과잉 현상과 더불어 고부가가치 부산물이 각광을 받고 있는 요즘, 에틸렌 선택도에 장점이 있는 ECC 기반의 설비가 과거와 달리 큰 타격을 입고 있다. 본 문제를 해결하기 위하여 에탄 기반의 ECC 설비에서 고부가가치 부산물 생산을 증가시키는 것이 가능한지 대한 연구를 진행하고자 한다. 따라서 본 연구의 목적은 에탄 열분해 상황에서 부산물 생성에 영향을 미치는 인자를 찾아내고, 인자 변화에 따른 부산물 생성 메커니즘 규명 그리고 부산물 생성에 관한 데이터 자료화이다. 본 연구는 길이 1.2 m, 지름 0.02 m의 pilot plant scale의 관형 반응기를 대상으로, 관내 유동 현상 및 열전달 현상과 함께 에탄 열분해 과정에 대해 CFD를 이용한 수치해석적 접근을 시도하였다. 사실적인 해석을 위하여 다양한 물리현상(난류유동, 복사열전달, 흡열반응)이 모사되었으며, 고온영역에서의 물성치 변화 등도 고려되었다. 뿐만 아니라 해석의 타당성을 확보하기 위하여 격자 의존성 테스트 및 실험결과와 비교 작업도 진행되었다. 문헌을 통해 부산물 생성에 영향을 미칠 수 있다고 알려진 내벽 온도를 인자로 결정하였으며, 내벽 온도 변화에 따른 부산물 생성 메커니즘을 확인하였다. 결과로는 반응이 끝나기 전 까지 반응기 내 완전발달유동이 형성되지 않음을 알 수 있었고 내벽 온도가 상승할수록 축 방향 속도 구배가 커짐을 확인하였다. 축 방향 화학종 분포 그래프를 통해 화학종 분포에 극점이 존재함을 확인하였다. 극점의 위치는 에탄-에틸렌 평형점과 관련이 있음을 확인하였고 극점의 크기는 내벽 온도에 관계가 있음을 확인하였다. 부산물 극점의 크기가 곧 생산량과 동일함으로 크기 변화의 메커니즘을 규명하기 위하여 전환율-몰농도 그래프를 활용하였으며 그에 따라 반응에 참여하는 화학종을 결합과 해리 그룹으로 구분 지을 수 있음 또한 확인하였다. 나아가 결합 그룹에서 전환율-몰농도 그래프 상에 교점이 존재함이 확인되었고 내벽 온도별 주어진 전환율에서 몰농도가 다를 수 있음을 확인하였다. 결국 유동장의 형태와 내벽 온도에 따라 부산물 생성이 달라질 수 있음을 확인하였고 반응물, 반응속도, 온도, 난류운동에너지 등 다양한 유동장 내 필드값(field value)를 이용해 원인을 규명하였다. 결론은 다음과 같다. 높은 내벽 온도에서 급격한 열분해는 초기에 에틸렌을 풍부하게 하여 부산물인 프로필렌 또한 초기에 풍부하게 할 수 있다. 반면 낮은 내벽 온도에서는 초기 프로필렌 양은 적을 수 있으나 유동장 내 비교적 큰 난류운동에너지에 의해 반경방향으로 넓게 반응속도가 분포함을 알 수 있으며 그에 따라 부산물 생성에 가속구간이 존재함을 알 수 있다. 따라서 부산물 생성에 있어서 직접적인 영향은 유동장 내 큰 난류 운동 에너지(혼합)일 것으로 예측되며 부산물 생성에 가속구간을 만들어내는 역할을 할 수 있음을 확인하였다.
Recently, natural gas prise is down and value of by-products , especially propylene, increase, ECC has some trouble to operate consistently. To overcome this situation in an aspect of ECC, It is suggested by increasing valuable by-products with some loss of ethylene. To find a possibility of this ar...
Recently, natural gas prise is down and value of by-products , especially propylene, increase, ECC has some trouble to operate consistently. To overcome this situation in an aspect of ECC, It is suggested by increasing valuable by-products with some loss of ethylene. To find a possibility of this argument, 2-dimensional computational fluid dynamics considering a variety of physics such as convective and radiative heat transfer and thermal cracking of ethane are carried out. The reactor is modeled as an isothermal tube, whose length is 1.2 m and radius is 0.01 m, respectively. At first, using conversion concept, we can divide participating species into two group; collision and dissociation group, Then verifying that we can just control species included in collision group. In conclusion, if we want to make a valuable by-products increase, keep the inner wall temperature low and change further long distance tubular reactor for turbulent kinetic energy to be accumulated in flow field.
Recently, natural gas prise is down and value of by-products , especially propylene, increase, ECC has some trouble to operate consistently. To overcome this situation in an aspect of ECC, It is suggested by increasing valuable by-products with some loss of ethylene. To find a possibility of this argument, 2-dimensional computational fluid dynamics considering a variety of physics such as convective and radiative heat transfer and thermal cracking of ethane are carried out. The reactor is modeled as an isothermal tube, whose length is 1.2 m and radius is 0.01 m, respectively. At first, using conversion concept, we can divide participating species into two group; collision and dissociation group, Then verifying that we can just control species included in collision group. In conclusion, if we want to make a valuable by-products increase, keep the inner wall temperature low and change further long distance tubular reactor for turbulent kinetic energy to be accumulated in flow field.
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