수명이 도래한 고에너지물질의 처리를 위해 환경오염 및 안전성, 처리용량 등을 고려해야 하며, 현재 가장 주목 받고 있는 처리방식은 소각처리공정이다. 그러나 처리대상 고에너지물질의 종류가 매우 다양하고, 특성 또한 다르기 때문에 범용적 기술개발이 힘든 실정이다. 본 연구는 상세 수학적모델링 및 동적모사를 통하여 가장 널리 사용되는 고에너지물질의 하나인 고폭약(research department explosive, RDX)을 플러그흐름반응기(plug flow reactor, PFR)에서 소각 시 반응기 내부의 물리-화학적 변화를 예측하였다. 본 연구에서 사용된 RDX반응은 263개의 상세한 기초반응식으로 이루어져 있으며 43개의 성분이 반응에 관여한다. 모사결과 반응기 내부온도를 제어하여 RDX의 민감성을 통제할 수 있었다. 반응기 내부온도를 1,200 K로 유지 할 때 RDX는 분해반응만 일어나 폭발과 같은 큰 에너지 방출을 막을 수 있었으나 공급되는 열원이 높아져 1,300 K이상 반응기 온도가 증가 시에는 3,000 K 이상의 온도상승을 수반하는 발화반응이 일어났다. 본 연구를 통하여 반응기의 운전온도변화에 따른 RDX반응 특성을 제시함으로써 효율적인 RDX소각로 공정설계 및 운전에 기초가 될 것으로 사료된다.
수명이 도래한 고에너지물질의 처리를 위해 환경오염 및 안전성, 처리용량 등을 고려해야 하며, 현재 가장 주목 받고 있는 처리방식은 소각처리공정이다. 그러나 처리대상 고에너지물질의 종류가 매우 다양하고, 특성 또한 다르기 때문에 범용적 기술개발이 힘든 실정이다. 본 연구는 상세 수학적모델링 및 동적모사를 통하여 가장 널리 사용되는 고에너지물질의 하나인 고폭약(research department explosive, RDX)을 플러그흐름반응기(plug flow reactor, PFR)에서 소각 시 반응기 내부의 물리-화학적 변화를 예측하였다. 본 연구에서 사용된 RDX반응은 263개의 상세한 기초반응식으로 이루어져 있으며 43개의 성분이 반응에 관여한다. 모사결과 반응기 내부온도를 제어하여 RDX의 민감성을 통제할 수 있었다. 반응기 내부온도를 1,200 K로 유지 할 때 RDX는 분해반응만 일어나 폭발과 같은 큰 에너지 방출을 막을 수 있었으나 공급되는 열원이 높아져 1,300 K이상 반응기 온도가 증가 시에는 3,000 K 이상의 온도상승을 수반하는 발화반응이 일어났다. 본 연구를 통하여 반응기의 운전온도변화에 따른 RDX반응 특성을 제시함으로써 효율적인 RDX소각로 공정설계 및 운전에 기초가 될 것으로 사료된다.
In the treatment of spent high energetic materials, the issues such as environmental pollution, safety as well as working capacity should be carefully considered and well examined. In this regard, incineration has been recommended as one of the most promising processes for the disposal of such explo...
In the treatment of spent high energetic materials, the issues such as environmental pollution, safety as well as working capacity should be carefully considered and well examined. In this regard, incineration has been recommended as one of the most promising processes for the disposal of such explosives. Due to the fact that high energetic materials encompass various types and their different characteristics, the technology development dealing with various materials is not an easy task. In this study, rigorous modeling and dynamic simulation was carried out to predict dynamic physico-chemical phenomena for research department explosive (RDX). Plug flow reactor was employed to describe the incinerator with 263 elementary reactions and 43 chemical species. Simulation results showed that safe operations can be achieved mainly by controlling the reactor temperature. At 1,200 K, only thermal decomposition (combustion) occurred, whereas increasing temperature to 1,300 K, caused the reaction rates to increase drastically, which led to ignition. The temperature further increased to 3,000 K which was the maximum temperature recorded for the entire process. Case studies for different operating temperatures were also executed and it was concluded that the modeling approach and simulation results will serve as a basis for the effective design and operation of RDX incinerator.
In the treatment of spent high energetic materials, the issues such as environmental pollution, safety as well as working capacity should be carefully considered and well examined. In this regard, incineration has been recommended as one of the most promising processes for the disposal of such explosives. Due to the fact that high energetic materials encompass various types and their different characteristics, the technology development dealing with various materials is not an easy task. In this study, rigorous modeling and dynamic simulation was carried out to predict dynamic physico-chemical phenomena for research department explosive (RDX). Plug flow reactor was employed to describe the incinerator with 263 elementary reactions and 43 chemical species. Simulation results showed that safe operations can be achieved mainly by controlling the reactor temperature. At 1,200 K, only thermal decomposition (combustion) occurred, whereas increasing temperature to 1,300 K, caused the reaction rates to increase drastically, which led to ignition. The temperature further increased to 3,000 K which was the maximum temperature recorded for the entire process. Case studies for different operating temperatures were also executed and it was concluded that the modeling approach and simulation results will serve as a basis for the effective design and operation of RDX incinerator.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 RDX 연소반응을 통한 소각공정의 상세 모델링 및 동적모사를 수행하였다. 소각 공정에서는 RDX액화, 분해반응, 가스반응 등이 온도의 범위에 따라 동시에 일어나며 이를 해석하기 위하여 43가지 화학종과 263개의 반응이 참여하는 반응 메커니즘을 사용하였다.
플러그흐름반응기는 폐기물의 연속적인 처리를 위해 널리 사용되는 원통형소각로와 물리적 특성이 가장 흡사한 반응기이다. 본 연구에서는 RDX소각 시 일어나는 동적 특성을 예측하기 위하여 대상 공정을 1차원의 플러그흐름반응기로 채택하였으며 가스상과 고체상이 존재하는 불균질계에 대한 수학적모델링을 수행하였다.
실제 소각 공정에서의 적용을 위해 본 연구에서는 복합화약의 주 원료인 RDX를 원통형반응기를 이용하여 소각했을 때, 내부에서 일어나는 화학적, 물리적 변화를 예측하고자 한다. 이를 위해 본 연구는 플러그흐름반응기의 질량-에너지-힘수지 식을 도입하여 반응기 내부에서의 물리적 거동을 예측하였으며, 고체상의 RDX가 기체로 연소되는 화학적 변화를 모사하기 위해 불균질계(heterogeneous) 및 반응 메커니즘을 적용하였고, 263개의 자세한 기초반응들을 도입하여 총 43가지의 성분들이 참여하는 반응을 모사하였다.
제안 방법
본 장에서는 유입온도변화에 따른 반응기 온도상승을 유도하고 이에 φ 는 공극률따라 RDX반응이 어떻게 일어나는지 확인하였다.
본 연구에서는 RDX 연소반응을 통한 소각공정의 상세 모델링 및 동적모사를 수행하였다. 소각 공정에서는 RDX액화, 분해반응, 가스반응 등이 온도의 범위에 따라 동시에 일어나며 이를 해석하기 위하여 43가지 화학종과 263개의 반응이 참여하는 반응 메커니즘을 사용하였다.
이를 위해 본 연구는 플러그흐름반응기의 질량-에너지-힘수지 식을 도입하여 반응기 내부에서의 물리적 거동을 예측하였으며, 고체상의 RDX가 기체로 연소되는 화학적 변화를 모사하기 위해 불균질계(heterogeneous) 및 반응 메커니즘을 적용하였고, 263개의 자세한 기초반응들을 도입하여 총 43가지의 성분들이 참여하는 반응을 모사하였다. 이를 위해 범용 소프트웨어인 gPROMS를 사용하여 동적모사를 실시하였다.
실제 소각 공정에서의 적용을 위해 본 연구에서는 복합화약의 주 원료인 RDX를 원통형반응기를 이용하여 소각했을 때, 내부에서 일어나는 화학적, 물리적 변화를 예측하고자 한다. 이를 위해 본 연구는 플러그흐름반응기의 질량-에너지-힘수지 식을 도입하여 반응기 내부에서의 물리적 거동을 예측하였으며, 고체상의 RDX가 기체로 연소되는 화학적 변화를 모사하기 위해 불균질계(heterogeneous) 및 반응 메커니즘을 적용하였고, 263개의 자세한 기초반응들을 도입하여 총 43가지의 성분들이 참여하는 반응을 모사하였다. 이를 위해 범용 소프트웨어인 gPROMS를 사용하여 동적모사를 실시하였다.
때문에 반응기 내부의 초기조건 및 운전조건은 매우 중요하며 이를 이용하여 반응기 내부상태를 일정하게 유지시켜야 한다. 이와 같은 공정특성을 고려하여 본 연구에서는 RDX의 용융점을 유지시킬 정도의 열원(478 K)을 3 m/s로 가하여 내부온도를 유지하였다. RDX는 고정된 상태로 열원을 받아들이기 때문에 반응기 1 m 지점에 고정시켰으며 총 10 kg을 반응시켰다.
대상 데이터
가스반응을 묘사하기 위해서는 상세한 요소반응이 필요하다. 반응에 참가하는 성분들은 총 43가지(O, O2, H, H2, OH, H2O, HO2, N, N2, N2O, HNO, NH2, NO, NO2, N2H, NH, HCN, NCO, CN, C2N2, HCO, CO, CO2, HOCN, HNCO, HNO2, CH2O, HCNO, CNO, NH3, H2CN, RDX, H2CNNO2, RDXRO, RDXR, H2CNNO, H2CNO, H2CNH, H2O2, NO3, HNO3, HNC, and NCN)이며 관련된 요소반응은 263개이다. 반응속도상수 kj는 모두 아레니우스식(arrhenius eqaution)(7)으로 표현되며, 개별적 요소반응식, 빈도인자(frequency factor, A) 및 활성화 에너지(activation energy, E) 값은 Ermolin and Zarko[7] 결과를 사용하였다.
입구에서 열원온도를 678 K까지 상승 시 반응기 내부의 온도는 1,300 K 이상 증가하였으며, 반응기 끝단에서부터 발화반응이 일어나 급격한 에너지를 방출하였다. 주요 생성물은 CO, CO2, H2O, H2, H, O, OH, N2였으며, 이때 최대 온도는 3,020 K를 보였다. 이는 발화반응에 대한 LIAU et al.
이론/모형
동적모사를 위한 수치 해석 방법으로 편미분 방정식을 시간에 대한 상미분방정식으로 변환하는 선방법(method of lines, MOL)을 사용하였으며, 이 때 전체의 흐름에 대해서는 후방차분법(backward finite difference)이, 압력변화의 계산을 위해서 전방차분법(forward finite difference)이 각각 사용되었다. 본 모사는 CH2O, CO2, H2O 등 비극성 혼합기체에 대한 거동을 다루고 있으며, 이에 대한 열역학적 물성치는 탄화수소 계열의 비극성 가스에 대해 가장 효과적으로 보고되고 있는 펭-로빈슨 상태방정식을[12] 이용하여 계산하였다.
반응에 참가하는 성분들은 총 43가지(O, O2, H, H2, OH, H2O, HO2, N, N2, N2O, HNO, NH2, NO, NO2, N2H, NH, HCN, NCO, CN, C2N2, HCO, CO, CO2, HOCN, HNCO, HNO2, CH2O, HCNO, CNO, NH3, H2CN, RDX, H2CNNO2, RDXRO, RDXR, H2CNNO, H2CNO, H2CNH, H2O2, NO3, HNO3, HNC, and NCN)이며 관련된 요소반응은 263개이다. 반응속도상수 kj는 모두 아레니우스식(arrhenius eqaution)(7)으로 표현되며, 개별적 요소반응식, 빈도인자(frequency factor, A) 및 활성화 에너지(activation energy, E) 값은 Ermolin and Zarko[7] 결과를 사용하였다.
동적모사를 위한 수치 해석 방법으로 편미분 방정식을 시간에 대한 상미분방정식으로 변환하는 선방법(method of lines, MOL)을 사용하였으며, 이 때 전체의 흐름에 대해서는 후방차분법(backward finite difference)이, 압력변화의 계산을 위해서 전방차분법(forward finite difference)이 각각 사용되었다. 본 모사는 CH2O, CO2, H2O 등 비극성 혼합기체에 대한 거동을 다루고 있으며, 이에 대한 열역학적 물성치는 탄화수소 계열의 비극성 가스에 대해 가장 효과적으로 보고되고 있는 펭-로빈슨 상태방정식을[12] 이용하여 계산하였다.
성능/효과
89 s 지점에서 급격한 반응에 의해 CH2O N2O가 모두 소멸되었고, CO, H2O가 급격히 생성되었으며, 이 후 H2, O, H가 추가적으로 생성되었다. 성분들은 0.04 s에 짧은 시간에 따라 급격히 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, 발화반응의 주요인이 된 성분은 CH2O와 N2O라는 것을 알 수 있었다.
후속연구
결국, 반응기 운전온도를 통제하면 RDX의 민감한 반응을 억제할 수 있기 때문에 통제방법의 선택에 따라 소각공정 및 운전방법이 결정될 것으로 판단되며 이를 이용한 효율적인 공정개발이 가능할 것으로 사료된다.
또한 고에너지물질의 특성상 소각처리 시 연소 운전조건을 유지하지 못하면 폭발로 이어져 공정의 안전성을 장담할 수 없다[3]. 이에 각 처리 물질마다 소각로 내부에서 일어나는 변화를 예측하는 연구는 필수적이라 판단되며, 화약성분 중 가장 민감한 RDX의 소각공정 예측은 보편적 화약소각공정 개발에 첫 단계라 될 것이라 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
RDX이란?
RDX는 사이클릭나이트라민(cyclic nitramine)계의 고에너지물질로서 급격한 화학반응을 통하여 생성된 고온, 고압의 기체와 이에 수반하는 에너지를 이용하여 화약 및 탄약, 추진제 제조 등 각종 산업 및 무기체계 계발에 이용되는 주요한 물질이다. 또한, 해당물질은 고에너지물질 중에서도 매우 민감한 특성(외부자극에 쉽게 반응하는 특성)을 가지고 있어, 성능이 뛰어나지만 그에 상응하는 위험성도 가지는 물질이기 때문에 해당물질의 정확한 제어방법을 위한 연구는 활발히 진행되고 있다.
폐기공정에서 소각처리공정의 장점은?
폐기공정에서 소각처리공정은 설계가 간단하고, 운전비용이 낮으며, 후처리 공정을 통해 친환경적으로 고에너지물질의 폐기처리가 가능하다. 그러나 처리대상의 종류가 다양하고 그 특성 또한 매우 다르기 때문에 범용적인 처리 기술이 존재하지 않고 운전시 안전성을 확보할 수 없는 실정이다.
RDX에 대해 다양한 분야에서 연구대상이 되고 있는 이유는?
RDX는 사이클릭나이트라민(cyclic nitramine)계의 고에너지물질로서 급격한 화학반응을 통하여 생성된 고온, 고압의 기체와 이에 수반하는 에너지를 이용하여 화약 및 탄약, 추진제 제조 등 각종 산업 및 무기체계 계발에 이용되는 주요한 물질이다. 또한, 해당물질은 고에너지물질 중에서도 매우 민감한 특성(외부자극에 쉽게 반응하는 특성)을 가지고 있어, 성능이 뛰어나지만 그에 상응하는 위험성도 가지는 물질이기 때문에 해당물질의 정확한 제어방법을 위한 연구는 활발히 진행되고 있다. 이러한 RDX에 대한 연구기술 분야는 설계 및 합성으로부터 시작하여, 제조연구[1], 이를 이용한 복합화약 공정개발, 반응 전후의 물리적-화학적 현상에 대한 실험, 무기체계 및 산업 적용성 연구, 성능 및 안전도 평가, 수명이 지났거나 용도 폐기된 물질의 친환경적 처리방법 등 해당 물질의 생성에서부터 최종 처리까지의 다양한 분야가 연구대상이 되고 있다.
참고문헌 (12)
Kim, C.-K., Lee, B.-C., Lee, Y.-W., and Kim, H.-S., "Recrystallization of RDX High Energy Material Using N,N-Dimethylformamide Solvent and Supercritical $CO_2$ Antisolvent, " Clean Technol., 15(4), 233-238 (2009).
Kim, H.-S., "Basic Technologies for the Development of High Explosives, " Korean Chem. Eng. Res., 44(5), 435-443 (2006).
Park, J.-S., "A study on the Detonation Behavior of Insensitive Explosive by Experiments and Computational Simulations," Ph.D. Dissertation, KAIST, 2011.
Beckstead, M. W., "Modeling of Combustion and Ignition of Solid-propellant Ingredients," Prog. Energy Combust. Sci., 33, 497-551 (2007).
Liau, Y.-C., Kim, E. S., and Yang, V., "A Comprehensive Analysis of Laser-Induced Ignition of RDX Monopropellant, " Combust. Flame., 126(3), 1680-1698 (2001).
Yang, R., Thakre, P., Liau, Y.-C., and Yang, V., "Formation of Dark Zone and Its Temperature Plateau in Solid-propellant Flames: A Review, " Combust. Flame., 145, 38-58 (2006).
Ermolin, N. E., and Zarko, V. E., "Investigation of the Properties of a Kinetic Mechanism Describing the Chemical Structure of RDX Flames. I. Role of Individual Reactions and Species," Combus. Explos. Shock., 37(2), 123-147 (2001).
Ermolin, N. E., and Zarko, V. E., "Investigation of the Properties of a Kinetic Mechanism Describing the Chemical Structure of RDX Flames. II. Construction of a Reduced Kinetic Scheme," Combus. Explos. Shock., 37(2), 247-254 (2001).
Anderson, W. R., and Conner, C. B., "Comparison of Gas-phase Mechanisms Applied to RDX Combustion Model," Proc. Combus. Inst., 32, 2123-2130 (2009).
Babushok, V. I., Delucia Jr, F. C., Dagdigian, P. J., Gottfiried, J. L., Munson, C. A., Nusca, M. J., and Miziolek, A. W., "Kinetic Modeling Study of the Laser-induced Plasma Plume of Cyclotrimethylenetrinitramine (RDX), " Spectrochim. Acta, Part B., 62, 1321-1328 (2007).
Chakraborty, D., Muller, R. P., Dasgupta, S., and Goddard, W. A., "A Detailed Model for the Decomposition of Nitramines: RDX and HMX, " J. Comput. Aided Mater. Des., 8, 203-212 (2001).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.