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수소 생산용 막반응기의 해석
Analysis of a Hydrogen Generation Membrane Reactor 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.8 no.3 = no.24, 2004년, pp.16 - 23  

김형규 (한국가스공사 연구개발원) ,  서정철 (한국가스공사 연구개발원) ,  백영순 (한국가스공사 연구개발원)

초록
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현재 많은 연구가 진행되고 있는 막반응기를 이용한 수소 생산기술은 열역학적 평형의 한계(thermodynamic equilibrium limit)를 뛰어 넘는 생산성을 얻을 수 있음과 동시에 생산되는 수소를 별다른 과정이나 장치 없이 분리할 수 있다는 점에서 경제적으로 매우 기대되는 공정이다. 메탄의 개질반응에서 생성되는 합성가스에 수증기를 첨가하면 널리 알려진 수성가스전환반응이 이루어진다. 이 반응은 수소 생산 공정에 사용되는 주요 반응 중 하나이다. 본 연구에서는 새롭게 제안된 cell을 이용한 해석 기법을 통해 막반응기를 모사하여 막을 이용하지 않은 반응기의 모사 결과와 비교 분석하였으며, 막반응기의 우수성을 검증해 보았다. 막을 사용하지 않은 반응기에서 압력의 영향에 따른 반응속도의 변화는 수성가스전환반응에서 무시할 수 있을 만큼 작았다. 막반응기에서 튜브 측(tube side)의 압력은 높을수록, 쉘 측(shell side)의 압력은 낮을수록 CO의 전환율이 좋았다. 낮은 온도에서 반응의 속도가 낮았으며, 온도가 증가함에 따라 점차 증가하여 600$\pm$30K에서 최대의 CO전환율을 가졌으며 더 증가하면 열역학적 평형의 감소로 인하여 점차 감소하였다. Cell을 이용한 막반응기 모델은 미분방정식을 이용한 모델보다 간단하게 모사를 할 수 있었으며, 신뢰할만한 모사 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A membrane reactor concept, which combines the typical characteristics of chemical reaction with separation process, has been analyzed and simulated in this study. The advantages of the use of a membrane reactor include chemical equilibrium shift towards higher reactant conversion and purer product ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 한다. 또한, 제안된 모사 기법으로 모사를 수행하여막반응기 설계 및 운전에 필요한 자료를 제공하는데 그 목표가 있으며, 이를 통해 막반응기를 이용한 공정의 타당성을 판단하고자 한다.
  • 막반응기를 모사하기위해 많은 연구들이 진행되어 왔으나, 본 연구는 기존의 방법과는 다른 촉매반응과 막 투과의 두 미분방정식을 연립하지 않고 새로운 개념으로 모델링 및 해석이 가능한 방법에 대해 제안하였다. 제안된 cell을 이용한 기법은 막반응기에서 일어나는 현상을 해석할 수 있는 적당한 기법으로 확인되었다.
  • 본 연구는 수성가스전환반응을 다룰 수 있는 막반응기를 모델링하고, 실제 상황에 적합한 새로운 모델링 기법을 제안하여 막반응기 모사를 수행할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 또한, 제안된 모사 기법으로 모사를 수행하여막반응기 설계 및 운전에 필요한 자료를 제공하는데 그 목표가 있으며, 이를 통해 막반응기를 이용한 공정의 타당성을 판단하고자 한다.
  • 온도에 따른 막반응기의 CO 전환율 변화를 살펴보기 위해 유량과 압력을 고정하고 반응기 내부의 온도를 변화시켜가며 모사해 보았다. 수성가스전환반응의 열역학적 평형을 계산해보면 온도가 올라갈수록 CO의 전환율은 감소한다.

가설 설정

  • 64g을 채웠을 경우로 하였다[13]. 이때 사용된 분리막은 Pd 막으로 두께는 0.07mm일 경우로 가정하였다. 이 때 튜브 측으로 공급되는 반응물의 조성과 쉘 측으로 공급되는 sweep gas의 조성을 Table 1.
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