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.
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.
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...
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 tube, catalysts were regarded as the porous material, and the empirical correlation of pressure drop based on the modified Eugun equation was used for simulation. In addition, the averaged porosities were taken as 0.545, 0.409, and 0.443 and compared with non-porous state. The predicted results showed that the temperature at the tube wall became higher than that estimated along the center line of tube, leading to higher hydrogen generation by the endothermic reaction and heat transfer. As the mean porosity increases, the hydrogen yield and the outlet temperature decreased because of the pressure drop inside the reformer tube.
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 tube, catalysts were regarded as the porous material, and the empirical correlation of pressure drop based on the modified Eugun equation was used for simulation. In addition, the averaged porosities were taken as 0.545, 0.409, and 0.443 and compared with non-porous state. The predicted results showed that the temperature at the tube wall became higher than that estimated along the center line of tube, leading to higher hydrogen generation by the endothermic reaction and heat transfer. As the mean porosity increases, the hydrogen yield and the outlet temperature decreased because of the pressure drop inside the reformer tube.
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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.
제안 방법
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.
본 연구는 이차원 시뮬레이션으로 계산하였으며, 관 좌측과 우측에서 온도가 높은 공기를 공급하고, 중간 부분의 개질 관에서 온도가 낮은 혼합가스가 주입되어 열전달과 함께 반응하는 형태로 모델링 하였다. 개질관의 두께와 외경은 Fig.
본 연구는 ICEM-CFD(Ver. 13.0)를 이용하여 해석 격자를 생성하고 (총 격자수 약 28만개) Fluent(Ver. 13.0)를 이용하여 열유동 해석을 수행하였다. 속도와 압력의 연결은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.
1과 같이 설정하였고 모두 속도입력조건으로 설정하였다. 또한, 관 벽의 열전달은 복합 열전달 조건(coupled thermal condition)을 적용하였다.
본 연구에서는 공극률에 대해서 비교하기 위하여 공극률은 직경비가 2, 5, 10 에 해당하는 α와 C2 계수들을 계산하여 수치해석에 반영하였고, 값들은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 많은 개질 반응 중 메탄-수증기를 고려하였다. 메탄-수증기 개질 반응은 전체 발생하는 11가지 반응 중 3가지 반응이 지배적으로 일어나고, 흡열반응이 지배적으로 발생한다고 알려져 있다[9-10].
대상 데이터
따라서 계산하는 총 계산하는 영역은 0.4 m×3 m의 제원을 갖고 있으며 관 재질은 Steel(AISI 347)를 사용하였고, 관벽의 열전도는 16.3 W/mK를 입력하였고, 대류열전달은 고려하지 않았다.
본 연구는 이차원 시뮬레이션으로 계산하였으며, 관 좌측과 우측에서 온도가 높은 공기를 공급하고, 중간 부분의 개질 관에서 온도가 낮은 혼합가스가 주입되어 열전달과 함께 반응하는 형태로 모델링 하였다. 개질관의 두께와 외경은 Fig. 1과 같이 설정하였다(t = 10 mm, D=125 mm and H = 3000 mm). 좌측과 우측에서 공급되는 온도는 1200 K로 설정하였다.
이론/모형
0)를 이용하여 열유동 해석을 수행하였다. 속도와 압력의 연결은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.
운전조건에 따른 개질관의 레이놀즈 수는 3.53이므로 층류 (laminar)에 대한 전산해석을 수행하였고 종(species) 해석을 위해 층류 유한률(laminar finiterate)모델을 사용하였다. 경계 조건 및 입력되는 속도는 각각 Fig.
유동의 흐름은 관 내부에 충진되어 있는 촉매에 의하여 영향을 받게 되며, 압력 저하 및 열전달 특성도 변화한다. 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].
성능/효과
촉매가 아예 없는 경우, 수소 생성은 출구부분에서 총 질량비의 40%까지 발생한다. 촉매가 있다고 가정할 경우, 아주 적은 수소 양이 각 공극률에 따라서 발생하는 것을 알 수 있으며, 촉매의 함량이 증가할 때마다 반응이 적게 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 촉매의 형상으로 인한 열전달 감소로 인한 반응 저하가 나타나게 되며, 이를 실제경우와 비교하기 위한 추가적인 시뮬레이션 연구가 필요하다.
(1) 관 중심부보다 벽면의 온도가 더 높게 나타나며, 그 차이는 입구에서 거리가 멀어질수록 줄어든다. 또한 개질 튜브 내부에서는 흡열반응이 존재하며, 수소의 발생량이 입구에서부터 점차 증가했다.
(2) 다공성이 있는 물질의 경우, 압력 및 공극률로 인하여 관 중심부 온도 및 수소 생성량이 현저하게 감소하는 경향을 보이는데, 그 이유는 압력강하로 인한 주변 열전달에 의한 것으로 사료된다.
후속연구
촉매가 있다고 가정할 경우, 아주 적은 수소 양이 각 공극률에 따라서 발생하는 것을 알 수 있으며, 촉매의 함량이 증가할 때마다 반응이 적게 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 촉매의 형상으로 인한 열전달 감소로 인한 반응 저하가 나타나게 되며, 이를 실제경우와 비교하기 위한 추가적인 시뮬레이션 연구가 필요하다.
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].
참고문헌 (10)
Dixon, A., "Wall and Particle-Shape Effects on Heat-Transfer in Packed-Beds", Chem. Eng. Comm. 71(1), 217-237, (1988) .
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).
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).
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)
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)
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).
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