[논문]유동층반응기에서 촉매를 이용한 메탄 열분해

장현태; 이지윤; 차왕석

doi:10.5762/kais.2008.9.2.487

[국내논문] 유동층반응기에서 촉매를 이용한 메탄 열분해
Thermal Decompostion of Methane Using Catalyst in a Fluidized Bed Reactor 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.9 no.2, 2008년, pp.487 - 492

장현태 (한서대학교 화학공학과) , 이지윤 (한서대학교 화학공학과) , 차왕석 (군산대학교 토목환경공학부)

초록
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본 논문은 유동층반응기에서 메탄 열분해에 의한 수소 생산과 탄소 생성에 대한 연구를 수행하였다. 환경에 대한 영향을 최소화한 상태에서 one-step에 의한 메탄의 전환반응을 메탄 분해촉매활성에 영향을 미치는 인자에 대하여 연구하였다. 측정된 압력요동특성치의 해석을 통하여 유동층 열분해촉매의 유동화현상을 측정하였으며, 유동화특성에 따른 메탄열분해능을 측정하였다. 메탄의 분해능는 생성되는 수소의 농도로부터 측정하였다. 유동층의 특성인 층내 입자 이동성, U-Umf, 마모, 비산유출, 유동화가스의 효율밀도에 따른 분해효율에 미치는 영향을 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, Thermocatalytic decomposition of methane in a fluidized bed reactor (FBR) was studied. The technical approach is based on a single-step decomposition of methane over carbon catalyst in air/water vapor free environment. The factors affecting methane decompostion catalyst activity in methane decomposition reactions were examined. The fluidization phenomena in a gas-fluidized bed of catalyst was determined by the analysis of pressure fluctuation properties, and the results were confirmed with characteristics of methane decomposition. The effect of parameters on the H2 yield was examined for methane decompostion. The decompstion rate was affected by the fluidization quality such as mobility, U-Umf, carbon attrition, elutriation and effectiveness density of fluidization gas.

Keyword

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문제 정의

또한 재생공정과 반응공정의 유동층을 결합한 외부순환식 2탑 유동층의 운전도 가능하게 된다. 이러한 유동층을 이용한 공정의 유동층 특성 자료를 도출하기 위하여 금속촉매에 의한 메탄의 전화율을 철계열 및 Sic를 대상으로 연구하였다.
등 제한적이다. 따라서 제한적인 특성치를 이용하여 유동층의 거동을 해석하고 이로부터 유동층 동특성을 파악하고 조업변수를 설정하여야 하므로 유동층의 내부현상을 관측할 수 있는 방법에 대한 연구와 기존 연구 결과를 본 연구 메탄 분해반응과 금속표면에 침적된 탄소의 마찰과 마모에 의한 비산유출을 이용한 층내 반응 현상의 해석을 위하여 다음과 같은 유동층의 압력요동 특성치를 계산하여 이를 적용하고자 한다.
층내 현상의 상관관계를 규명하였다. 즉, 압력 요동의 표준편차와 평균치로부터 생성되는 탄소의 양과 증대되는 입자크기를 측정하고자 하였다.

제안 방법

유동층 상부에는 입자간 마찰 및 입자와 반응기 기벽간의 마찰로 생성되어 배출되는 미세입자를 포집하여 마모도를 조사할 수 있게 필터를 설치하였다. 반응기 온도는 plenum과 유동층부를 관형 전기로에 위치하도록 하여 전기히터를 이용하여 조절하였으며 외부는 ceramic wool로 단열하였다. 유동화 가스이며 반응물인 메탄은 실린더에 압축된 메탄(순도 99.
9%)를 사용하고 안정된 공급을 위하여 정압기, 필터, 제습탑, 산소 제거탑을 통과한 후 MFC를 이용하여 공급하였다. 또한 농도 영향을 고찰하기 위하여 메탄과 불 활성 가스인 질소를 MFC를 사용하여 조절하였으며 완전혼합 후 유동층으로 공급하기 위해 mixing chamber를 설치 운전하였다.
압력 요동 신호 측정부는 입.력전달기, 압력전달기를 시동시키는 직류전원 공급기, AQ 전환기, 측정된 신호를 계산, 기록하는 컴퓨터 부분으로 구성되었다. 온도측정부는 유동층 각 높이에 따라 K-type 열전대를 사용하여 반응 중의 온도 변화를 측정하였다.
력전달기, 압력전달기를 시동시키는 직류전원 공급기, AQ 전환기, 측정된 신호를 계산, 기록하는 컴퓨터 부분으로 구성되었다. 온도측정부는 유동층 각 높이에 따라 K-type 열전대를 사용하여 반응 중의 온도 변화를 측정하였다. 반응기로 공급되는 CH₄ 농도와 반응 후 CH₄, H₂ 농도는 분산판 아래 plenum으로 공급되는 기체 중 일부와 층상부에서 미분 제거용 filter를 거친 가스를 G.
온도측정부는 유동층 각 높이에 따라 K-type 열전대를 사용하여 반응 중의 온도 변화를 측정하였다. 반응기로 공급되는 CH₄ 농도와 반응 후 CH₄, H₂ 농도는 분산판 아래 plenum으로 공급되는 기체 중 일부와 층상부에서 미분 제거용 filter를 거친 가스를 G.C.를 사용하여 분석하였으며 CH₄은 FID가 장착된 G.C.(Model 6890N, Aglient Co.)를 이용하여 분석하였고 任는 TCD 가 장착된 G.C.(Model 580, Gow-Mac Instrument Co.)를 이용하여 분석하였다. 두 대의 G.
실험은 석영으로 제작된 유동층에 철 계열 촉매를 충전한 후 수소와 질소를 이용하여 유동화시킨 상태에서 온도조절기를 이용하여 유동층 온도를 반응온도까지 상승시킨다. 이때 사용된 수소에 의하여 철계열 촉매의 일부 산화된 성분의 환원이 일어나고, 유동화 상태가 안정된 후 가스공급부에서 수소의 공급을 중단하고 메탄을 공급한 후 질소 공급량을 조절하여 메탄의 농도를 일정하게 유지한 상태에서유동화를 발생시킨다.
또한 층상부에 설치된 필터에서 비말동반된 탄소 입자를 포집한다. 또한 메탄의 공급과 동시에 유동층 하부에 설치된 압력전달기를 이용하여 압력요동신호를 측정하고, G.C.를 사용하여 메탄 및 수소의 농도를 측정한다.
이와 같은 압력요동의 특성치를 이용하여 메탄분해 반응유동층 거동을 층 외부에서 on-line상태로 연속적으로즉정되는 압력신호값을 계산하여 요동특성치를 구하고 층 내 현상을 해석할 수 있는 방법과 압력요동특성치 값과 층내 현상의 상관관계를 규명하였다. 즉, 압력 요동의 표준편차와 평균치로부터 생성되는 탄소의 양과 증대되는 입자크기를 측정하고자 하였다.
Pis 등'은 유동층에서 발생되는 마찰 현상을 단순하게 입자의 충돌에 의한 분쇄로 설명하였다. Abrasione 최초의 입자가 작은 입자를 생성하고 초기 입자는 최초크기보다 약간 작은 상태로 남아 있는 상태이며, fragmentation-^ 최초의 입자가 여러개의 입자로 마모되는 것으로 분류하여 설명하였다. 본 연구의 메탄분해 유동층반응기에서 메탄분해시 발생된 탄소 중 마모에 의한 비산 유출로 필터에서 포집된 탄소(가)와 유동층내 금속 촉매 입자 표면에 생성된 탄소(나)를 그림 2에 나타내었다.
유동층에서 비표면적이 매우 낮은 Fe를 이용하여 메 탄 분해 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 유동층 반응장치는 Lab scale이며, 개략도는 그림 1 와 같다. 반응기는 크게 유동층 반응기, 마모입자 포집부, 가스공급부 및 측정부로 구성되었다.
반응기는 크게 유동층 반응기, 마모입자 포집부, 가스공급부 및 측정부로 구성되었다. 유동층부는 내경 18.5 mm, 높이 0.5 이의 관형 석영 관으로 제작하였으며, 유동층부 하부에 sintered quartz로 제작된 분산판을 설치하였다. 유동층 상부에는 입자간 마찰 및 입자와 반응기 기벽간의 마찰로 생성되어 배출되는 미세입자를 포집하여 마모도를 조사할 수 있게 필터를 설치하였다.
반응기 온도는 plenum과 유동층부를 관형 전기로에 위치하도록 하여 전기히터를 이용하여 조절하였으며 외부는 ceramic wool로 단열하였다. 유동화 가스이며 반응물인 메탄은 실린더에 압축된 메탄(순도 99.9%)를 사용하고 안정된 공급을 위하여 정압기, 필터, 제습탑, 산소 제거탑을 통과한 후 MFC를 이용하여 공급하였다. 또한 농도 영향을 고찰하기 위하여 메탄과 불 활성 가스인 질소를 MFC를 사용하여 조절하였으며 완전혼합 후 유동층으로 공급하기 위해 mixing chamber를 설치 운전하였다.
메탄분해 촉매 : 본 연구에서 사용한 금속촉매는 전이 금속 계열로 Fe를 사용하였다. 사용된 Fe는 전해 철로써 순도 99.
Fe를 사용하였다. 사용된 Fe는 전해 철로써 순도 99.5%이고, 입자크기는 140/200 mesh로 평균 입경은 0.089mm이다. 가장 반응성이 우수한 Ni의 경우 sotting 현상에 의하여 메탄 분해반응 온도에서 유동층 내 sintering 현상이 발생한다.
가장 반응성이 우수한 Ni의 경우 sotting 현상에 의하여 메탄 분해반응 온도에서 유동층 내 sintering 현상이 발생한다. 따라서 sintering에 의하여 유동화 현상이 중단되므로 softing 온도가 높은 철 계열을 대상으로 실험을 수행하였다.

성능/효과

즉 반응전환율의 감소에 의한 탄소 생성율 저하와 이동성 증가에 따른 마 모 및 비산유출이 증가되어 나타나는 현상이다. 따라서 유동층에서 메탄 열분해는 고정층과 다르게 촉매입자 표 면에 생성된 탄소의 마모 및 비산유출에 의하여 연속적 조업이 가능하며, 유동층 외부에서 압력요동 특성치를 측 정하여 층내 상태를 모니터링하여 운전이 가능함을 알 수 있었다.
2. 유동층에서 메탄의 분해반응은 시간에 따라 변화하 는 현상을 나타내며, 이는 촉매표면의 분해 생성물 인 탄소 침적이 나타나며, 유동층 기포에 의한 입자 이동성에 의하여 침적된 탄소 마모가 발생되고, 마 모 발생된 미세입자가 비산유출되므로 인하여 촉매 의 재생이 일어난다. 이러한 현상이 평형이 되는 영 역에서 운전조건에 따른 평형전환율이 결정됨을 알 수 있었다.
3. 유동층에서 메탄 열분해는 고정층과 달리 촉매입자 표면에 생성된 탄소의 마모 및 비산유출에 의하여 연속적 조업이 가능하며, 유동층 외부에서 압력요 동 특성치를 측정하여 층내상태를 모니 터 링하여 운 전이 가능함을 알 수 있었다.
1. 유동층에서 평균 입자경 0.08 mm 전해 Fe를 이용 한 메탄의 분해는 l,000°C 이상, 공간속도 2,500hr-' 에서 98%의 전환율을 얻을 수 있었다.

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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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