본 연구에서는 Water Gas Shift (WGS) 반응이 일어나는 분리막 반응기 (MR) 대상공정에 대해서 동적모사 (dynamic simulation)를 실시하고 시간과 위치에 따른 온도 및 수소 농도 변화 등을 살펴보았다. 모사 결과에 의하면 도입부에서 반경방향으로의 수소 농도, 수소 분압 및 온도차가 가장 컸으며 출구에서 가장 작았다. 또한, 수소분압의 차이가 가장 큰 도입부에서 수소의 flux가 가장 크게 나타나며 출구에서 일산화탄소의 전환률은 0.65였다.
본 연구에서는 Water Gas Shift (WGS) 반응이 일어나는 분리막 반응기 (MR) 대상공정에 대해서 동적모사 (dynamic simulation)를 실시하고 시간과 위치에 따른 온도 및 수소 농도 변화 등을 살펴보았다. 모사 결과에 의하면 도입부에서 반경방향으로의 수소 농도, 수소 분압 및 온도차가 가장 컸으며 출구에서 가장 작았다. 또한, 수소분압의 차이가 가장 큰 도입부에서 수소의 flux가 가장 크게 나타나며 출구에서 일산화탄소의 전환률은 0.65였다.
In this study, dynamic simulation of membrane reactor was performed for water gas shift reaction and temperature, hydrogen concentration, etc. were investigated as a function of time and position. Simulation results indicated that differences of hydrogen concentration, hydrogen partial pressure, and...
In this study, dynamic simulation of membrane reactor was performed for water gas shift reaction and temperature, hydrogen concentration, etc. were investigated as a function of time and position. Simulation results indicated that differences of hydrogen concentration, hydrogen partial pressure, and temperature in the radial direction, were larger in the entrance than in the exit. In addition, the hydrogen flux was the largest in the entrance, where the hydrogen partial pressure difference was the largest, and the conversion of carbon monoxide in the exit was about 0.65.
In this study, dynamic simulation of membrane reactor was performed for water gas shift reaction and temperature, hydrogen concentration, etc. were investigated as a function of time and position. Simulation results indicated that differences of hydrogen concentration, hydrogen partial pressure, and temperature in the radial direction, were larger in the entrance than in the exit. In addition, the hydrogen flux was the largest in the entrance, where the hydrogen partial pressure difference was the largest, and the conversion of carbon monoxide in the exit was about 0.65.
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문제 정의
이들은 전체 반응기의 길이와 촉매 입자의 크기의 비를 180으로 놓고 모델링을 실시하였는데, 이것은 반응기에서의 반경 방향의 분산을 제한하기 위함이었다. 또한, 이들은 민감도 조사 (sensitivity analysis)를 통하여 각 변수들이 MR의 성능에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다.
실시한 경우는 전무하다. 본 연구에서는 MR 대상 공정에 대해서 동적모사를 실시하고 시간과 위치에 따른 온도 및 농도 변화 등을 살펴보았다.
가설 설정
2) 길이방향과 반경방향에 대한 분산(dispersion)이 존재한다.
3) 반응부와 투과부 사이에 열전달이 일어나는 비등 온 공정이다.
7) Pd 막을 통해서는 수소 기체만 투과한다.
8) 반응기체와 sweeping 기체가 동일한 방향으로 움직이는 병류공정이다.
제안 방법
동적모사를 통해서 메탄을 개질한 혼합기체가 분리막 반응기(MR)을 통과할 때의 반응부와 투과 부에서 의 수소의 농도 구배 및 온도 구배 등을 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
Sweeping 기체로는 질소를 사용하였다. 모사를 위한 수치해법은 길이(axial) 방향에 대해서는 2차의 centered finite difference method-!-, 반경(radial) 방향에 대해서는 1차의 backward finite difference method를 사용하였다.
WGS 반응을 위하여 고온에서 사용되는 상용촉매인 Fe 촉매가 사용되었으며, 반응에 의해 생성된 수소는 Pd 막을 통해서 투과부로 이동하게 된다. 이 공정에서는 반응 부에서 생성된 수소가 분리막을 통해서 사라짐에 따라 반응 평형이 수소를 더 생산하는 쪽으로 움직이게 되며, 이에 따라 일산화탄소의 전환율이 증가하게 된다.
이론/모형
Sweeping 기체로는 질소를 사용하였다. 모사를 위한 수치해법은 길이(axial) 방향에 대해서는 2차의 centered finite difference method-!-, 반경(radial) 방향에 대해서는 1차의 backward finite difference method를 사용하였다. 동적 모사를 위해 사용된 수학적 모델은 Table 4와 Table 5에 나타내었다.
4) 수소의 투과는 Sivert's law를 따른다.
성능/효과
1) 도입부에서 반경방향으로의 수소 농도, 수소 분압 및 온도차가 가장 컸으며 출구에서 가장 작았다.
1) 온도, 농도 등 공정 변수는 길이와 반경의 위치에 의존하는 2차원 공간의 함수이다.
2) 본 연구에 사용한 실험 조건에서 일산화탄소의 전환률은 약 0.65였다.
3) 수소 분압의 차이가 가장 큰 도입부에서 수소의 flux가 가장 크게 나타나며 출구에서 flux가 가장 적게 나타났다.
5) 수소의 투과계수는 온도의 함수이다.
6) 압력과 농도는 이상기체 방정식을 따른다.
동적모사의 초기 조건으로 투과 부에 질소만 충전된 경우를 고려하였으며 시간이 0 일 때 수소의 농도는 0이 된다. 수소의 농도는 시간과 공간의 함수이며 시간이 흐를수록, 위치가 도입부로부터 멀어질수록 증가함을 알 수 있다. 시간이 약 15초 흐른 후에는 수소의 농도가 5.
참고문헌 (13)
W. H. Chen and J. G. Jheng, "Characterization of water gas shift reaction in association with carbon sequestration", J. Power Sources, 172, 368 (2007).
J. H. Tong, L. L. Su, K. Haraya, and H. Suda, "Thin Pd membrane on alpha-Al2O3 hollow fiber substrate without any interlayer by electroless plating combined with embedding Pd catalyst in polymer template", J. Membr. Sci., 310, 93 (2008).
A. Naidja, C. R. Krishna, T. Butcher, and D. Mahajan, "Cool flame partial oxidation and its role in combustion and reforming of fuels for fuel cell systems", Prog. Energy. Combust., 29, 155 (2003).
M. D. Falco, L. D. Paola, and L. Marrelli, "Heat transfer and hydrogen permeability in modeling industrial membrane reactors for methane steam reforming", Int. J. Hydrogen Energy, 32, 2902 (2007).
S. I. Jeon, J. H. Park, S. J. Lee, and S. H. Choi, "Fabrication and stability of V/YSZ cermet membrane for hydrogen separation", Membrane Journal, 20, 62 (2010).
S. J. Lee, S. I. Jeon, and J. H. Park, "Fabrication and stability of Pd coated Ta/YSZ cermet membrane for hydrogen separation", Membrane Journal, 20, 69 (2010).
A. Caravella, G. Barbieri, and E. Drioli, "Modelling and simulation of hydrogen permeation through supported Pd-alloy membranes with a multicomponent approach", Chem. Eng. Sci., 63, 2149 (2008).
A. Brunetti, A. Caravella, G. Barbieri, and E. Drioli, "Simulation study of water gas shift reaction in a membrane reactor", J. Membr. Sci., 306, 329 (2007).
G. Chiappetta, G. Clarizia, and E. Drioli, "Theoretical analysis of the effect of catalyst mass distribution and operation parameters on the performance of a Pd-based membrane reactor for water-gas shift reaction", Chem. Eng. J., 136, 373 (2008).
S. Hara, K. Haraya, G. Barbieri, and E. Drioli, "Reaction rate profiles in long palladium membrane reactors for methane steam reforming", Desalination, 233, 359 (2008).
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