[논문]초소형 촉매 이상 분해 반응기 해석 모델 개발

이대훈; 권세진

doi:10.3795/ksme-b.2004.28.1.024

[국내논문] 초소형 촉매 이상 분해 반응기 해석 모델 개발
Development of Analysis Model for Down Scaled Two Phase Catalytic Reactor 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.28 no.1 = no.220, 2004년, pp.24 - 30

이대훈 (한국과학기술원 정보전자연구소) , 권세진 (한국과학기술원 항공우주공학)

Abstract ▼ AI-Helper

Analysis model for the two-phase catalytic reactor is presented. With the progress in development of micro thermofluidic devices, needs fur understanding of the phenomena in two phase reaction in cm scale has been arisen. To investigate thermal and reactive performance of down scaled two phase reactor simple analysis model that is a kind of lumped flow model is proposed. Analysis model presented is based on the experiment on mm scale model reactor. Target experiment is catalytic decomposition of 70wt％ hydrogen peroxide with existence of perovskite L $a_{0.8}$S $r_{0.2}$Co $O_3$ catalyst. It is composed of balance equations of mass and energy. Each phase is considered to be a species fur the simplicity. Axial diffusion and transversal distribution of properties are neglected. Two phase catalytic reaction is modeled as successive gasification of liquid lump around catalyst and reaction in gas phase. Heat transfer is modeled by model function ofNu number. Modeled Nu is expressed as Nu=N $u_{0}$ (1＋ $a_1$( $a_2$ $T^{-}$ $a_3$)exp( $a_4$ $T^{-1}$)exp( $a_{5}$ z). Transfer coefficients are determined by the comparison of experimental results. With the model, heat transfer characteristics are investigated. Also by the mass transfer coefficient, characteristics in mass transfer is investigated. With the result basic understanding on design and analysis of mm scale two-phase reactive device is obtained. Also it can be further applied to micro scale reactive device fabricated by micromachining.ing..

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문제 정의

본 연구에서는 상변화와 촉매 화학 반응을 가지는 반응기 열 및 반응 특성을 해석할 수 있는단순화된 모델을 제시하고 실험결과와의 비교를 통해 열 및 물질 전달 상관계수를 결정하는 해석을 수행하였다. 이러한 결과를 바탕으로 초소형이상 촉매 반응기의 설계와 성능 해석을 수행할수 있도록 하는 데 그 목적을 두었다.
수행하였다. 이러한 결과를 바탕으로 초소형이상 촉매 반응기의 설계와 성능 해석을 수행할수 있도록 하는 데 그 목적을 두었다.
하지만 반응기 전체에 촉매가 분포되어 있고 반응물의 반응 기내 액상 기상 분포가 정확히 예측하기가 어려운 경우에는 액상과 기상의덩어리 형태로 분포되어 있어서 반응기내 횡방향분포는 고려하지 않고 각 단면의 대표값들의 길이방향 변화를 해석하는 반응물 덩어리 개념을 적용하는 것이 용이하다. 본 연구에서 전달계수의 모델 값을 구하는 초소형 반응기 실험의 경우 반응기 내에 촉매를 덩어리 유동 모델의 개념과 같이충진하고 반응물이 흘러가면서 촉매반응에 의해상이 분리되는 현상을 관찰한 실험이다. 따라서이의 해석을 위한 모델로 사용하기 위해서는 덩어리 모델이 더 적합한 접근 방법으로 판단되었다.
기상과 액상 간의 열전달 특성에 대해 알아보았다. 평형 방정식에서 각 상간의 열전달 특성은 열손실특성과 함께 반응성에 큰 영향을 미친다.

가설 설정

2) 길이 방향의 기상의 확산은 무시한다.
3) 모델의 해석 대상은 정상 상태 반응시의 반응기 내부이 다.
5) 균일화학반응 (homogeneous reaction)은 무시한다,
7) 기상으로 존재하다가 액상이 된 생성물은 액상으로 간주한다.
8) 전달계수는 온도와 반응기 길이 방향 거리의 함수이 다.
9) 정상 상태로 반응하는 동안 벽면의 온도는 일정하게 유지된다.

제안 방법

본 해석 모델의 검증이 되는 실험 결과는 A1 블록을 가공해 만든 25x10x2mm 크기의 반응기에 페롭스카이트(Perovskite) Lao.8Sro.2Co031.5g을 충진 시키고 과산화 수소의 촉매 분해 반응을 관찰한 실험으로 선정하였다.(山
실험에 사용된 LagSrmCoQ 는 La 의 일부를 Sr 으로 도핑한 구조로 LaCoO₃ 는 산소를 포함하는 산화 환원 반응에 좋은 촉매로 알려져 있다. 실험은 70wt%의 농도를 가지는 과산화 수소를 반응기 입력부에 미량 펌프를 통해 공급하고 출력부에서 나오는 액상 혹은 기상의 생성물을 측정하는 것으로 이루어졌다. 모델의 전달 계수 결정을 위해 온도 분포를 사용하는 데 이를 위한 3지점의 열전대가 반응기 입력부, 중앙, 출력부에 설치되어 촉매 반응 시의 반응기내 온도분포를 기록한다.
실험은 70wt%의 농도를 가지는 과산화 수소를 반응기 입력부에 미량 펌프를 통해 공급하고 출력부에서 나오는 액상 혹은 기상의 생성물을 측정하는 것으로 이루어졌다. 모델의 전달 계수 결정을 위해 온도 분포를 사용하는 데 이를 위한 3지점의 열전대가 반응기 입력부, 중앙, 출력부에 설치되어 촉매 반응 시의 반응기내 온도분포를 기록한다. Fig.
이상의 가정들을 토대로 기상과 액상 각각에 대한 에너지 및 질량 평 형식(balance equation)을 수립하였다. 각각의 평형 식은 아래와 같다.
기상의 질량 분율 평형 식은 기상으로 전환된 액상과 반응에 참여하여 사라진 기상과의 균형으로부터 구하였고 액상의 질량은 기상으로 변화하는 양으로 변화량을 구하였다. 촉매 내에서 일어나는 화학 반응은 아레니우스(Ahrenius)식으로 표현한다.
열 손실과 상간의 열전달은 모두 대류항의 형태로 모델링 하였다. 열전달 계수 값은 기존의 유사한 채널 형태의 반응기 실험 결과들에서 보고된 Nu 를 기반으로 각 상간의 열전달 계수 h 값을 초기값으로 설정하고 실험 결과에서 얻어진 온도분포로부터 이 값들을 보정하여 결정하였다.
모델링 하였다. 열전달 계수 값은 기존의 유사한 채널 형태의 반응기 실험 결과들에서 보고된 Nu 를 기반으로 각 상간의 열전달 계수 h 값을 초기값으로 설정하고 실험 결과에서 얻어진 온도분포로부터 이 값들을 보정하여 결정하였다. 열손실 계수는 다른 초기 온도 조건에 대한 실험결과의 비교로부터 유사한 실험에서의 벽면 열전달 계수 값에서 얻어진 열전달 계수를 조정하여 실험결과를 예측하는 보정을 통해 결정하였다.
열전달 계수 값은 기존의 유사한 채널 형태의 반응기 실험 결과들에서 보고된 Nu 를 기반으로 각 상간의 열전달 계수 h 값을 초기값으로 설정하고 실험 결과에서 얻어진 온도분포로부터 이 값들을 보정하여 결정하였다. 열손실 계수는 다른 초기 온도 조건에 대한 실험결과의 비교로부터 유사한 실험에서의 벽면 열전달 계수 값에서 얻어진 열전달 계수를 조정하여 실험결과를 예측하는 보정을 통해 결정하였다. 기본적으로 실험에서 얻어진 값은 액상의 온도를 대표하는값으로 간주하고 이에 해당하는 기상의 온도 분포를 구하였다.
열손실 계수는 다른 초기 온도 조건에 대한 실험결과의 비교로부터 유사한 실험에서의 벽면 열전달 계수 값에서 얻어진 열전달 계수를 조정하여 실험결과를 예측하는 보정을 통해 결정하였다. 기본적으로 실험에서 얻어진 값은 액상의 온도를 대표하는값으로 간주하고 이에 해당하는 기상의 온도 분포를 구하였다. 모든 식들은 강하게 연결(couple) 되어 있어서 계수 값의 조정 및 수렴은 제한된 실험결과값 부근에서만 가능하다.
8cc/min 정도의 값을 가지는 것으로 확인되었다. 이 유량범위에 대해 얻어진 실험 결과를 예측할 수 있도록 열전달 계수를 조정하여 실험 결과와 모델에 의한 한 온도 분포를 비교하였다. 실험결과로 얻어진 온도를 액상의 온도로 간주하고 액상과 기상에 대해 구해진 결과가 Fig.
액상의 과산화 수소 반응물이 반응기에 공급되었을 때 얻어지는 가능한 생성물은 액상 혹은 기상의 과산화 수소와 물, 기상의 산소이다. 본 모델을 통한 반응기 내의 물질 전달 특성에 대해 해석에서는 액상에서 기상으로 변화되는 양과 반응에 참여하는 기상의 양에 대한 반응 기내 분포를 구하였다. 반응기 초기온도 355K 반응물 유량 4.
미세한 촉매 반응기를 개발하기 위한 기초 연구단계로 mm 스케일의 이상 유동 반응기에 대한해석 모델을 제안하고 실험 결과와의 비교를 통해 검증하였다. 제안된 모델은 촉매존재하의 이상화학 반응 유동을 단순화시켜 반응기의 열 및 물질 전달 특성을 해석하는 모델로서 액상과 기상각각에 대한열 및 물질 전달 평형 방정식으로 구성된다.
제안된 모델은 촉매존재하의 이상화학 반응 유동을 단순화시켜 반응기의 열 및 물질 전달 특성을 해석하는 모델로서 액상과 기상각각에 대한열 및 물질 전달 평형 방정식으로 구성된다. 각 상을 하나의 화학종으로 간주하고 물성의 횡방향 분포를 무시하면 반응기 길이 방향의 온도와 상간의 열전달과 열 손실을 알 수 있고 액상과 기상의 반응기내분포를 예측하는 결과를 얻을 수 있다.

대상 데이터

있는 물질이다. 실험에 사용된 LagSrmCoQ 는 La 의 일부를 Sr 으로 도핑한 구조로 LaCoO₃ 는 산소를 포함하는 산화 환원 반응에 좋은 촉매로 알려져 있다. 실험은 70wt%의 농도를 가지는 과산화 수소를 반응기 입력부에 미량 펌프를 통해 공급하고 출력부에서 나오는 액상 혹은 기상의 생성물을 측정하는 것으로 이루어졌다.
이용해서 해를 구한다. 25mm의 반응기 길이는 100개의 격자로 나뉘어져서 계산이 수행되었다.

이론/모형

변화량을 구하였다. 촉매 내에서 일어나는 화학 반응은 아레니우스(Ahrenius)식으로 표현한다.
얻어진 방정식 계는 4차의 Runge-Kutta 알고리즘을 이용해서 해를 구한다. 25mm의 반응기 길이는 100개의 격자로 나뉘어져서 계산이 수행되었다.
한다. 이러한 상황을 고려해서 본 모델에서는 개선된 Nu 모델을 제시하였다. 제안된 Nu 모델은 아래식 ⑼와 같다.

성능/효과

4) 액상의 물성값은 물, 기상의 물성 값은 수증기의 값으로 대치하였다.
과산화 수소를 0.15cc/min에서 19.2cc/m血n 까지유량을 변화 시키면서 수행한 실험에서 반응기내온도분포가 정상상태로 간주될 수 있는 유량 영역은 초기 온도 305K일 때 0.6cc/min 에서 4.8cc/min 정도의 값을 가지는 것으로 확인되었다. 이 유량범위에 대해 얻어진 실험 결과를 예측할 수 있도록 열전달 계수를 조정하여 실험 결과와 모델에 의한 한 온도 분포를 비교하였다.
본 모델에서는 촉매반응을 액상의 기상으로의 변화와 연속된 기상의 화학 반응으로 모델링 하였는데 의Fig. 6 의 결과를 통해 액상에서 기상으로의 변화는 반응기 전체에 걸쳐 비교적 균일하게 발생하지만 기상이 된 반응물의 화학반응은 반응기 전반부에 집중되어져 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 반응기의 열 특성에서 반응기 후반 부의 열 손실이 상대적 큰 원인을 알 수 있다.
유량 조건 변화에 따른 액상에서 기상으로의 전달량의 차이와 반응률의 변화를 보여준다. 전반적으로 정상 상태가 유지되는 범위에서 유량의 증가는 반응기 내 고온 영역의 확장 및 반응률의 증가를 만들어 내는 것으로 확인되었다
제안된 모델은 촉매존재하의 이상화학 반응 유동을 단순화시켜 반응기의 열 및 물질 전달 특성을 해석하는 모델로서 액상과 기상각각에 대한열 및 물질 전달 평형 방정식으로 구성된다. 각 상을 하나의 화학종으로 간주하고 물성의 횡방향 분포를 무시하면 반응기 길이 방향의 온도와 상간의 열전달과 열 손실을 알 수 있고 액상과 기상의 반응기내분포를 예측하는 결과를 얻을 수 있다. 이러한 결과를 통해 추후 마이크로 머시닝을 통해 mm 스케일 혹은 그 이하의 크기를 가지는 화학반응기 및 열유체 장치 제작 시 설계및 성능 해석을 위한 도구로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

각 상을 하나의 화학종으로 간주하고 물성의 횡방향 분포를 무시하면 반응기 길이 방향의 온도와 상간의 열전달과 열 손실을 알 수 있고 액상과 기상의 반응기내분포를 예측하는 결과를 얻을 수 있다. 이러한 결과를 통해 추후 마이크로 머시닝을 통해 mm 스케일 혹은 그 이하의 크기를 가지는 화학반응기 및 열유체 장치 제작 시 설계및 성능 해석을 위한 도구로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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