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[국내논문] 다공성 촉매를 고려한 단일튜브 내의 수증기-메탄 개질에 관한 수치해석 연구
Numerical Study on Steam-Methane Reaction Process in a Single Tube Considering Porous Catalyst 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.18 no.4, 2014년, pp.56 - 62  

문주현 (중앙대학교 기계공학부) ,  이성혁 (중앙대학교 기계공학부) ,  윤기봉 (중앙대학교 기계공학부) ,  김지윤 (중앙대학교 차세대 에너지안전연구소)

초록
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본 연구에서는 촉매가 들어있는 고정층 반응로의 단일 개질관에 대하여 전산 유체 해석(Fluent ver. 13.0)을 수행하여 열/유동 특성을 파악하고, 주입 가스에 따른 추출 가스의 종류를 다공성에 따라 예측하였다. 촉매 형상을 모델링하기 위하여, 개질관 내부에 있는 촉매를 모두 다공성 물질이라고 가정하고, 수정된 Eugun 식을 해석에 적용하였다. 유체의 공극률을 기준으로 0.545, 0.409, 그리고 0.403로 설정하고, 결과를 비 다공성인 경우와 비교하였다. 수치해석 결과, 개질관 벽면의 온도는 흡열반응과 주변 열전달로 인하여 개질관의 온도보다 높게 나타나며, 수소 생성량도 다소 증가했다. 촉매의 공극률이 증가 하게 될 경우, 압력 강하로 인하여 관 중심부 온도 및 수소 생성량이 현저하게 감소하는 경향을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The present study investigated numerically heat and mass transfer characteristics of a fixed bed reactor by using a computational fluid dynamics (CFD) code of Fluent (ver. 13.0). The temperature and species fraction were estimated for different porosities. For modeling of the catalyst in a fixed bed...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구의 목적은 수치 해석을 통하여 개질관에 주입조건에 따른 열/유동 분포를 파악하는 것이며, 주입 가스에 따른 추출 가스의 종류 추출량을 예측하였다. 또한 촉매 형상을 모델링하기 위하여, 개질관 내부에 있는 촉매의 형상을 모두 다공성 물질이라고 가정하고, 공극률에 따른 추출 가스의 추출량을 예측한다.
  • 본 연구는 고정층 반응로 개질기의 운전조건에 따른 열/유동을 가시화하기 위하여 수치해석을 이용하여 고정층 반응로의 단일 관의 수소 개질 성능을 파악하였으며, 다공성 물질에 따라서 상호 비교하였다. 결론은 다음과 같다.

가설 설정

  • 따라서 본 연구의 목적은 수치 해석을 통하여 개질관에 주입조건에 따른 열/유동 분포를 파악하는 것이며, 주입 가스에 따른 추출 가스의 종류 추출량을 예측하였다. 또한 촉매 형상을 모델링하기 위하여, 개질관 내부에 있는 촉매의 형상을 모두 다공성 물질이라고 가정하고, 공극률에 따른 추출 가스의 추출량을 예측한다. 하지만 여기서 다공성 물질에서의 촉매반응은 고려하지 않고 유동 및 추출량을 관찰하여, 촉매 형상으로 인한 온도 및 개질기 성능 분포를 파악하였다.
  • 따라서 촉매가 유동 및 열전달에 미치는 영향을 확인하기 위하여 기존 연구들에서 제시한 촉매 모델을 이용하였다. 촉매의 형상을 구의 형태로서 균일하다고 가정하고, 최적의 배열로 위치되어 있을 때의 압력 강하를 이론적으로 유도하였다[8]. 관의 직경 대비 촉매 구의 직경비(aspect ratio)를 D/do라고 정의하고 공극률(porosity)을 식(1)과 같이 예측하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수소 생성방법은? 최근 원자력 에너지에 대한 위험성 부각과 환경에 대한 지속적 관심이 증가함에 따라 대체 에너지와 신재생 에너지를 이용한 발전 시스템 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 대체 에너지와 신재생 에너지에 필수적인 가스 중 하나인 수소를 생성하기 위해서 수증기 개질법, 부분 산화법, 자연 개질법 등을 이용하고 있다[1-5].
수증기 개질 반응을 이용하여 안전한 수소 생산을 위해 필요한 것은? 하지만, 가동조건에 따른 열/유동을 실험적으로 측정하는 것은 가동 상황에 따라 다소 제한적일 수 있다. 따라서 수치해석적인 방법을 이용하여 다양한 조건에서 가동하는 개질로의 설계 기술을 확보하는 것이 필요하며, 이에 따른 기초 자료를 많이 확보해야 한다.
수증기 개질법의 장점은? 현재 수소를 생산하기 위한 가장 보편화된 개질법 중 하나인 수증기 개질법은 탄화수소계 연료와 수증기를 혼합하여 수소를 생산해내는 방식이며, 천연 가스를 이용할 경우 다른 개질 방법에 비해 수소 생산량이 많고, 경제성이 우수하다[6-8].
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참고문헌 (10)

  1. Dixon, A., "Wall and Particle-Shape Effects on Heat-Transfer in Packed-Beds", Chem. Eng. Comm. 71(1), 217-237, (1988) . 

  2. Mueller, G., "Numerically packing spheres in cylinders", Powder Technol., 159(2), 105-110, (2005). 

  3. Lee, S., Bae, J., Lim, S. and Park, J., "Improved configuration of supported nickel catalysts in a steam reformer for effective hydrogen production from methane", J. Power Sources. 180(1), 506-515, (2008). 

  4. Chibane, L. and Djellouli, B., "Methane steam reforming reaction behaviour in a packed bed membrane reactor", Int. J. Chem. Eng. Appl. 2(3), 147-156, (2011). 

  5. Schadel, B., Duisberg, M. and Deutschmann, O., "Steam reforming of methane, ethane, propane, butane, and natural gas over a rhodiumbased catalyst", Catalysis Today, 142(1), 42-51, (2009) 

  6. Avci, A., Trimm, D., Aksoylu, E. and Onsan, Z., "Hydrogen production by steam reforming of n-butane over supported Ni and Pt-Ni catalysts", Appl., Catalys. A., 258(2), 235-240, (2004) 

  7. Dixon, A. and Nijemeisland, M., "CFD as a design tool for fixed-bed reactors", Ind. Eng. Chem. Res., 40(23), 5246-5254, (2001). 

  8. Freund, H., Zeiser, T., Huber, F., Klemm, E., Brenner, G., Durst, F. and Emig, G., "Numerical simulations of single phase reacting flows in randomly packed fixed-bed reactors and experimental validation, Chem. Eng. Sci. 58(3), 903-910, (2003). 

  9. Lee, J., Lee, K., Yu, S., Ahn, K. and Kang, S., "Numerical analysis of steam-methane reforming reaction for hydrogen generation using catalytic combustion", Trans. of the Korean hydrogen and new energy society, 24(2), 113-120, (2013). 

  10. Xu, J., Froment, G., "Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics", AIChE J. 35(1), 88-96, (1989). 

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