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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 1 kW 급 연료전지에 사용되는 디젤 흡착 탈황 반응기의 디자인을 위한 기초 연구를 수행하였다. CFD 모델링을 통해, 탈황 촉매로 충전된 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 농도 변화를 모사하여 충전된 반응기 성능에 영향을 미치는 주요 디자인 변수의 영향을 살펴보았다.
- 따라서 본 연구에서는 1 kW 급 연료전지에 사용되는 디젤 흡착 탈황 반응기의 디자인을 위한 기초 연구를 수행하였다. CFD 모델링을 통해, 탈황 촉매로 충전된 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 농도 변화를 모사하여 충전된 반응기 성능에 영향을 미치는 주요 디자인 변수의 영향을 살펴보았다.
- 투과율은 입자의 크기, 모양, 분포 상태에 따라서 좌우되며 입자의 크기와 공극률의 정보를 하나의 파라미터로 대변하여 표현한 값이다. 따라서 본 연구에서는 투과율을 변화시키며 반응기 내부의 유동과 황 화합물 농도에 미치는 영향을 분석하였다.
- 투과율은 입자의 크기, 모양, 분포 상태에 따라서 좌우되며 입자의 크기와 공극률의 정보를 하나의 파라미터로 대변하여 표현한 값이다. 따라서 본 연구에서는 투과율을 변화시키며 반응기 내부의 유동과 황 화합물 농도에 미치는 영향을 분석하였다.
- 이 중 가장 주요한 변수는 유량에 따른 탈황 성능이다. 따라서 주어진 반응기 용량에 대해 목표치인 1 ppm 이하의 황 화합물 농도를 맞추기 위한 촉매의 탈황 성능을 예측하였다. 이를 위해 디젤 유량의 변화에 따른 반응기 내부 유속 변화 및 반응기 출구에서의 황 화합물의 농도변화를 해석하였다.
- 이 중 가장 주요한 변수는 유량에 따른 탈황 성능이다. 따라서 주어진 반응기 용량에 대해 목표치인 1 ppm 이하의 황 화합물 농도를 맞추기 위한 촉매의 탈황 성능을 예측하였다. 이를 위해 디젤 유량의 변화에 따른 반응기 내부 유속 변화 및 반응기 출구에서의 황 화합물의 농도변화를 해석하였다.
- 본 연구에서는 수치해석을 통해 연료전지용 디젤 흡착 탈황 반응기에 대한 주요 디자인 정보를 도출하는 기초 연구를 수행하였다. 반응기 디자인의 주요 인자로 디젤의 유량, 반응기의 크기, 그리고 충전된 탈황 촉매의 투과율의 영향에 대해 살펴보았다.
- 본 연구에서는 수치해석을 통해 연료전지용 디젤 흡착 탈황 반응기에 대한 주요 디자인 정보를 도출하는 기초 연구를 수행하였다. 반응기 디자인의 주요 인자로 디젤의 유량, 반응기의 크기, 그리고 충전된 탈황 촉매의 투과율의 영향에 대해 살펴보았다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 1 kW 급 연료전지에 사용되는 디젤 흡착 탈황 반응기의 디자인을 위한 기초 연구를 수행하였다. CFD 모델링을 통해, 탈황 촉매로 충전된 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 농도 변화를 모사하여 충전된 반응기 성능에 영향을 미치는 주요 디자인 변수의 영향을 살펴보았다. 이를 통해 유량, 반응기 크기, 탈황 촉매의 성능 및 투과율 등 각각의 반응기 디자인 요소에 대한 영향을 평가하여 연료전지용 디젤 탈황 반응기의 초기 디자인을 도출하였다.
- Darcy's law에 의하여 해석된 흡착 탈황 반응기 내부의 유속 정보를 활용하여 황에 대한 물질전달 방정식을 해석하여 반응기 내부에서 황 화합물의 농도를 예측하였다. 지배방정식에서 황 화합물의 확산계수(diffusivity) 값은 3 × 10-9 m2/s이다.
- Darcy's law에 의하여 해석된 흡착 탈황 반응기 내부의 유속 정보를 활용하여 황에 대한 물질전달 방정식을 해석하여 반응기 내부에서 황 화합물의 농도를 예측하였다. 지배방정식에서 황 화합물의 확산계수(diffusivity) 값은 3 × 10-9 m2/s이다.
- 본 연구에서는 촉매로 충전된 반응기가 사용되어 Darcy's law를 지배방정식으로 설정하였다. 디자인한 탈황 반응기에 이러한 지배방정식이 잘 적용되는지를 확인하기 위하여, 내부가 빈 상태의 반응기와 촉매로 내부가 충전된 상태의 두 반응기 내에서의 흐름을 비교하였다. 촉매로 충전되지 않아 내부가 빈 반응기는 출구와 입구 유속의 변화가 크게 없고, 유체의 내부 흐름이 직선적이며, 디젤의 유동이 반응기 내부로 퍼지지 않고 중심 부분에 유량이 집중되는 특성을 보였다.
- 본 연구에서는 촉매로 충전된 반응기가 사용되어 Darcy's law를 지배방정식으로 설정하였다. 디자인한 탈황 반응기에 이러한 지배방정식이 잘 적용되는지를 확인하기 위하여, 내부가 빈 상태의 반응기와 촉매로 내부가 충전된 상태의 두 반응기 내에서의 흐름을 비교하였다. 촉매로 충전되지 않아 내부가 빈 반응기는 출구와 입구 유속의 변화가 크게 없고, 유체의 내부 흐름이 직선적이며, 디젤의 유동이 반응기 내부로 퍼지지 않고 중심 부분에 유량이 집중되는 특성을 보였다.
- 본 연구에 사용된 수치해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics는 다중물리해석 프로그램으로 전기, 기계, 유동, 및 화학반응 등의 여러 복합적인 다중 물리 현상을 해석하는 데 활용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 COMSOL Multiphysics를 활용하여 유체유동 및 화학반응이 복합된 흡착 탈황 반응기 내부를 모사하여 반응기의 크기 및 유량 등 기본 반응기 디자인 정보를 도출하였다.
- 본 연구에 사용된 수치해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics는 다중물리해석 프로그램으로 전기, 기계, 유동, 및 화학반응 등의 여러 복합적인 다중 물리 현상을 해석하는 데 활용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 COMSOL Multiphysics를 활용하여 유체유동 및 화학반응이 복합된 흡착 탈황 반응기 내부를 모사하여 반응기의 크기 및 유량 등 기본 반응기 디자인 정보를 도출하였다.
- 반응기 디자인에서 가장 주요한 요소는 반응기의 크기 및 형상정보이다. 따라서 탈황 반응기의 지름 및 길이를 변화시키며 탈황 성능의 변화를 해석하여 반응기 디자인에 대한 기준을 확보하였다. 생산성을 10배 높이는 상황을 가정하여 기준 유량의 10배인 6 × 10-7 m3/s 유량 조건을 사용해 반응기 내부의 지름 및 길이를 변화시키며 황 화합물의 농도 분포 변화를 해석하였다.
- 먼저 반응기의 길이를 177.8 mm에서 889 mm까지 변화시켰을 때의 출구 황 화합물의 농도 변화를 해석하였다. Figure 4(a)에서 나타낸 바와 같이 출구의 황 화합물 농도는 길이가 증가함에 따라 체류 시간이 선형적으로 증가함으로 출구에서의 황 화합물의 농도가 선형적으로 감소함을 확인하였다.
- 먼저 반응기의 길이를 177.8 mm에서 889 mm까지 변화시켰을 때의 출구 황 화합물의 농도 변화를 해석하였다. Figure 4(a)에서 나타낸 바와 같이 출구의 황 화합물 농도는 길이가 증가함에 따라 체류 시간이 선형적으로 증가함으로 출구에서의 황 화합물의 농도가 선형적으로 감소함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 수치해석을 통해 연료전지용 디젤 흡착 탈황 반응기에 대한 주요 디자인 정보를 도출하는 기초 연구를 수행하였다. 반응기 디자인의 주요 인자로 디젤의 유량, 반응기의 크기, 그리고 충전된 탈황 촉매의 투과율의 영향에 대해 살펴보았다. 유량 변화에 따른 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 물질 전달 변화를 모사하여 출구에서의 황 화합물의 농도 변화를 살펴봄으로써 출구에서의 황 화합물의 기준 농도(1 ppm)를 맞추기 위한 탈황 촉매의 성능을 예측하였다.
- 유량 변화에 따른 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 물질 전달 변화를 모사하여 출구에서의 황 화합물의 농도 변화를 살펴봄으로써 출구에서의 황 화합물의 기준 농도(1 ppm)를 맞추기 위한 탈황 촉매의 성능을 예측하였다. 반응기의 길이와 지름의 변화에 따른 영향을 각각 살펴보았다. 반응기의 길이 변화에 따른 영향은 선형적 압력 강하, 체류시간의 증가 등 이론식들로 간단히 예측되는 결과에 부합하는 결과를 보였다.
- 본 연구에서는 Figure 2에 나타난 바와 같이 전체 탈황 공정 중 탈황이 일어나는 흡착 탈황 반응기 내의 유동 및 황 화합물의 농도 분포를 모델링 하였다. 반응기는 축 대칭의 원통형 구조로 모델링에서는 Figure 2(a)에 나타난 바와 같이 축 대칭형 2차원 영역을 수치해석 영역으로 설정하였다.
- 본 연구에서는 Figure 2에 나타난 바와 같이 전체 탈황 공정 중 탈황이 일어나는 흡착 탈황 반응기 내의 유동 및 황 화합물의 농도 분포를 모델링 하였다. 반응기는 축 대칭의 원통형 구조로 모델링에서는 Figure 2(a)에 나타난 바와 같이 축 대칭형 2차원 영역을 수치해석 영역으로 설정하였다.
- 모델링에서 격자구성을 조밀하게 하면 데이터의 세밀한 해석이 가능하지만, 무의미하게 작게 만들면 해석시간만 증가시킬 뿐 유의미한 결과를 얻을 수 없으므로 적절한 격자를 구성하는 것이 중요하다[12]. 본 흡착 탈황 반응기 모델링에서는 격자 수를 각각 5 × 102, 1 × 103, 5 × 103, 1 × 104, 1 × 105개로설정하여 해석한 결과 5 × 103개 이상의 격자에서는 출구 유속에 대한 유의미한 결과의 변화를 보이지 않아 5 × 103개의격자를 사용하여 모델링을 진행하였다.
- 지배방정식에서 황 화합물의 확산계수(diffusivity) 값은 3 × 10-9 m2/s이다. 분자 수준의 상호작용에서 실제 촉매 표면에서 황 화합물의 전달계수와 디젤 내부에서 황 화합물의 전달계수는 다를 것으로 예상하나, 반응기 디자인에서 전달계수는 실험적으로 얻은 거시적 관점에서의 평균적인 값을 사용하였다.
- 지배방정식에서 황 화합물의 확산계수(diffusivity) 값은 3 × 10-9 m2/s이다. 분자 수준의 상호작용에서 실제 촉매 표면에서 황 화합물의 전달계수와 디젤 내부에서 황 화합물의 전달계수는 다를 것으로 예상하나, 반응기 디자인에서 전달계수는 실험적으로 얻은 거시적 관점에서의 평균적인 값을 사용하였다.
- 따라서 탈황 반응기의 지름 및 길이를 변화시키며 탈황 성능의 변화를 해석하여 반응기 디자인에 대한 기준을 확보하였다. 생산성을 10배 높이는 상황을 가정하여 기준 유량의 10배인 6 × 10-7 m3/s 유량 조건을 사용해 반응기 내부의 지름 및 길이를 변화시키며 황 화합물의 농도 분포 변화를 해석하였다.
- 따라서 탈황 반응기의 지름 및 길이를 변화시키며 탈황 성능의 변화를 해석하여 반응기 디자인에 대한 기준을 확보하였다. 생산성을 10배 높이는 상황을 가정하여 기준 유량의 10배인 6 × 10-7 m3/s 유량 조건을 사용해 반응기 내부의 지름 및 길이를 변화시키며 황 화합물의 농도 분포 변화를 해석하였다.
- 반응기 디자인의 주요 인자로 디젤의 유량, 반응기의 크기, 그리고 충전된 탈황 촉매의 투과율의 영향에 대해 살펴보았다. 유량 변화에 따른 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 물질 전달 변화를 모사하여 출구에서의 황 화합물의 농도 변화를 살펴봄으로써 출구에서의 황 화합물의 기준 농도(1 ppm)를 맞추기 위한 탈황 촉매의 성능을 예측하였다. 반응기의 길이와 지름의 변화에 따른 영향을 각각 살펴보았다.
- 반응기 디자인의 주요 인자로 디젤의 유량, 반응기의 크기, 그리고 충전된 탈황 촉매의 투과율의 영향에 대해 살펴보았다. 유량 변화에 따른 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 물질 전달 변화를 모사하여 출구에서의 황 화합물의 농도 변화를 살펴봄으로써 출구에서의 황 화합물의 기준 농도(1 ppm)를 맞추기 위한 탈황 촉매의 성능을 예측하였다. 반응기의 길이와 지름의 변화에 따른 영향을 각각 살펴보았다.
- 이를 위해 디젤 유량의 변화에 따른 반응기 내부 유속 변화 및 반응기 출구에서의 황 화합물의 농도변화를 해석하였다. 유량의 설정은 1 kW 급 디젤 탈황 반응기 디자인에 맞게 6 × 10-8 m3/s를 기본으로 하여 유량의 2배, 5배, 10배로 설정하여 해석하였다. Figure 3(a)에 나타낸 바와 같이 반응기 내부 유량 변화에 따라 유입관 내 중심 유속은 유량에 비례하여 증가하는 경향을 보였다.
- 이를 위해 디젤 유량의 변화에 따른 반응기 내부 유속 변화 및 반응기 출구에서의 황 화합물의 농도변화를 해석하였다. 유량의 설정은 1 kW 급 디젤 탈황 반응기 디자인에 맞게 6 × 10-8 m3/s를 기본으로 하여 유량의 2배, 5배, 10배로 설정하여 해석하였다. Figure 3(a)에 나타낸 바와 같이 반응기 내부 유량 변화에 따라 유입관 내 중심 유속은 유량에 비례하여 증가하는 경향을 보였다.
- 따라서 주어진 반응기 용량에 대해 목표치인 1 ppm 이하의 황 화합물 농도를 맞추기 위한 촉매의 탈황 성능을 예측하였다. 이를 위해 디젤 유량의 변화에 따른 반응기 내부 유속 변화 및 반응기 출구에서의 황 화합물의 농도변화를 해석하였다. 유량의 설정은 1 kW 급 디젤 탈황 반응기 디자인에 맞게 6 × 10-8 m3/s를 기본으로 하여 유량의 2배, 5배, 10배로 설정하여 해석하였다.
- 따라서 주어진 반응기 용량에 대해 목표치인 1 ppm 이하의 황 화합물 농도를 맞추기 위한 촉매의 탈황 성능을 예측하였다. 이를 위해 디젤 유량의 변화에 따른 반응기 내부 유속 변화 및 반응기 출구에서의 황 화합물의 농도변화를 해석하였다. 유량의 설정은 1 kW 급 디젤 탈황 반응기 디자인에 맞게 6 × 10-8 m3/s를 기본으로 하여 유량의 2배, 5배, 10배로 설정하여 해석하였다.
- CFD 모델링을 통해, 탈황 촉매로 충전된 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 농도 변화를 모사하여 충전된 반응기 성능에 영향을 미치는 주요 디자인 변수의 영향을 살펴보았다. 이를 통해 유량, 반응기 크기, 탈황 촉매의 성능 및 투과율 등 각각의 반응기 디자인 요소에 대한 영향을 평가하여 연료전지용 디젤 탈황 반응기의 초기 디자인을 도출하였다. 본 연구 결과는 연료전지뿐 아니라 일반적으로 정유사에서 생산되는 디젤유의 황 함유량을 감소시키는 저황 시스템 디자인에 활용할수 있으며 이러한 의미에서 석유화학 산업의 청정화 기술 확보에 이바지할 것으로 기대된다.
대상 데이터
- 모델링에서 격자구성을 조밀하게 하면 데이터의 세밀한 해석이 가능하지만, 무의미하게 작게 만들면 해석시간만 증가시킬 뿐 유의미한 결과를 얻을 수 없으므로 적절한 격자를 구성하는 것이 중요하다[12]. 본 흡착 탈황 반응기 모델링에서는 격자 수를 각각 5 × 102, 1 × 103, 5 × 103, 1 × 104, 1 × 105개로설정하여 해석한 결과 5 × 103개 이상의 격자에서는 출구 유속에 대한 유의미한 결과의 변화를 보이지 않아 5 × 103개의격자를 사용하여 모델링을 진행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 촉매로 충전된 반응기가 사용되어 Darcy's law를 지배방정식으로 설정하였다. 디자인한 탈황 반응기에 이러한 지배방정식이 잘 적용되는지를 확인하기 위하여, 내부가 빈 상태의 반응기와 촉매로 내부가 충전된 상태의 두 반응기 내에서의 흐름을 비교하였다.
- 본 연구에서는 촉매로 충전된 반응기가 사용되어 Darcy's law를 지배방정식으로 설정하였다. 디자인한 탈황 반응기에 이러한 지배방정식이 잘 적용되는지를 확인하기 위하여, 내부가 빈 상태의 반응기와 촉매로 내부가 충전된 상태의 두 반응기 내에서의 흐름을 비교하였다.
- 반응기 디자인에서 주요변수로 설정한 것은 탈황 반응기 내부로 들어가는 디젤의 유량, 반응기의 지름 및 길이, 그리고 탈황 반응기 내부에 충전된 촉매의 크기 및 공극률이다. 일반적으로 유체에 대한 지배방정식은 Navier-Stokes 방정식을 사용하게 되나 본 연구에서는 다공성 매질을 통과하는 유체의 거동을 모사할 수 있는 Darcy's law를 이용하였다. Darcy's law는 Navier-Stokes 방정식을 기본으로 하여 모래에서의 물의 흐름에 대한 실험으로부터 경험적으로 유도된 식으로 다공성 매질, 예를 들어 모래나, 입자로 된 촉매들이 가득 차있는 내부를 지나가는 유체의 흐름을 해석할 때 유용한 식이며 다음과 같이 주어진다.
- 반응기 디자인에서 주요변수로 설정한 것은 탈황 반응기 내부로 들어가는 디젤의 유량, 반응기의 지름 및 길이, 그리고 탈황 반응기 내부에 충전된 촉매의 크기 및 공극률이다. 일반적으로 유체에 대한 지배방정식은 Navier-Stokes 방정식을 사용하게 되나 본 연구에서는 다공성 매질을 통과하는 유체의 거동을 모사할 수 있는 Darcy's law를 이용하였다. Darcy's law는 Navier-Stokes 방정식을 기본으로 하여 모래에서의 물의 흐름에 대한 실험으로부터 경험적으로 유도된 식으로 다공성 매질, 예를 들어 모래나, 입자로 된 촉매들이 가득 차있는 내부를 지나가는 유체의 흐름을 해석할 때 유용한 식이며 다음과 같이 주어진다.
성능/효과
- 유량의 설정은 1 kW 급 디젤 탈황 반응기 디자인에 맞게 6 × 10-8 m3/s를 기본으로 하여 유량의 2배, 5배, 10배로 설정하여 해석하였다. Figure 3(a)에 나타낸 바와 같이 반응기 내부 유량 변화에 따라 유입관 내 중심 유속은 유량에 비례하여 증가하는 경향을 보였다. 하지만 반응기 내부의 중심 유속은 이와는 다른 분포를 보였다.
- 7 Pa로 단순하게 계산된 Darcy's law의 압력 손실 계산 값과(174 Pa) 다소 차이는 있으나 이는 입구 관과 반응기의 지름 차이에 따른 변화에 기인한 것으로 보인다. 따라서 지배방정식으로 설정한 Darcy's law가 수치해석 모델에 잘 적용됨을 확인할 수 있었다. 또한, 반응기 수치해석 모델링을 통한 유속 및 압력 손실 예측 데이터는 실제 탈황 프로세스 설계 시 필요한 펌프의 용량 등을 결정하는데 Darcy's law를 이용한 단순 예측 결과보다 정확도 및 정밀도가 높은 디자인 정보로 활용할 수 있을 것이다.
- 7 Pa로 단순하게 계산된 Darcy's law의 압력 손실 계산 값과(174 Pa) 다소 차이는 있으나 이는 입구 관과 반응기의 지름 차이에 따른 변화에 기인한 것으로 보인다. 따라서 지배방정식으로 설정한 Darcy's law가 수치해석 모델에 잘 적용됨을 확인할 수 있었다. 또한, 반응기 수치해석 모델링을 통한 유속 및 압력 손실 예측 데이터는 실제 탈황 프로세스 설계 시 필요한 펌프의 용량 등을 결정하는데 Darcy's law를 이용한 단순 예측 결과보다 정확도 및 정밀도가 높은 디자인 정보로 활용할 수 있을 것이다.
- 이로부터 향후 반응기를 상세 설계할 때 사용되는 촉매의 투과율 정보가 반응기의 성능을 예측하면서 중요한 요소임을 확인할 수 있었다. 따라서 촉매의 탈황 성능과 함께 투과율 정보를 확보하는 것이 더욱 정확한 반응기 성능을 예측하고 디자인하는 데 필요함을 확인하였다.
- 이로부터 향후 반응기를 상세 설계할 때 사용되는 촉매의 투과율 정보가 반응기의 성능을 예측하면서 중요한 요소임을 확인할 수 있었다. 따라서 촉매의 탈황 성능과 함께 투과율 정보를 확보하는 것이 더욱 정확한 반응기 성능을 예측하고 디자인하는 데 필요함을 확인하였다.
- 이는 유속의 분포를 더욱 자세히 살펴보면 재확인할 수 있는 내용으로 투과율이 커짐에 따라 유동이 중심에 집중되어 나타나는 효과이다. 이로부터 향후 반응기를 상세 설계할 때 사용되는 촉매의 투과율 정보가 반응기의 성능을 예측하면서 중요한 요소임을 확인할 수 있었다. 따라서 촉매의 탈황 성능과 함께 투과율 정보를 확보하는 것이 더욱 정확한 반응기 성능을 예측하고 디자인하는 데 필요함을 확인하였다.
- 3 ppm이다. 즉, 228.6 mm 지름의 반응기 출구에서 황 화합물의 농도인 3.93 ppm은 약 2,286 mm 길이의 반응기 출구에서의 황 화합물 농도와 같은 값으로 반응기의 길이증가가 부피증가보다 본 형상에서는 더 높은 효율을 보임을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 Figure 4(c)에서 나타낸 바와 같이 반응기의 입구와 반응기의 지름 차이가 입구효과를 증가시켜, 반응기 내부 전체로 흐름이 퍼지지 않고 반응기 내부에서 흐름이 생기지 않는 부분, 즉 데드존이 생겨 실제 반응기 부피의 감소 효과를 나타내었기 때문으로 판단된다.
- 즉, 228.6 mm 지름의 반응기 출구에서 황화합물의 농도인 3.93 ppme 약 2, 286 mm 길이의 반응기 출구에서의 황화합물 농도와 같은 값으로 반응기의 길이 증가가 부피 증가보다 본 형상에서는 더 높은 효율을 보임을 확인할 수 있다.
- 디자인한 탈황 반응기에 이러한 지배방정식이 잘 적용되는지를 확인하기 위하여, 내부가 빈 상태의 반응기와 촉매로 내부가 충전된 상태의 두 반응기 내에서의 흐름을 비교하였다. 촉매로 충전되지 않아 내부가 빈 반응기는 출구와 입구 유속의 변화가 크게 없고, 유체의 내부 흐름이 직선적이며, 디젤의 유동이 반응기 내부로 퍼지지 않고 중심 부분에 유량이 집중되는 특성을 보였다. 이와 달리 촉매로 충전된 반응기 내부 유속의 분포는 Figure 2(c)에서 나타낸 것과 같이 내부에 충전된 촉매를 따라서 내부 유체의 흐름이 반응기 전체로 퍼지면서 압력 및 유속저하가 생김을 확인할 수 있다.
- 특히 출입구에 연결된 관과의 지름 차이가 작을수록 입구 효과가 줄어들어 반응기 중심과 반응기 벽면의 유동 차이가 없으나, 지름 차이가 클수록 반응기 벽면과의 유동에 차이가 생겼으며 이러한 유동의 차이는 반응기 내부 반응에 영향을 미쳐 출구에서의 황 화합물 농도에 큰 영향을 미쳤다. 충전된 탈황 촉매의 투과율은 내부 유동의 변화를 유도하여 출구에서의 황화합물 농도에 상당한 영향을 미쳤으며 향후 상세 디자인 시 촉매의 투과율에 따른 효과를 반드시 고려해야 함을 알 수 있었다.
- 하지만 반응기의 지름 변화는 길이의 변화보다 복잡하고 다양하게 반응기 성능에 영향을 미쳤다. 특히 출입구에 연결된 관과의 지름 차이가 작을수록 입구 효과가 줄어들어 반응기 중심과 반응기 벽면의 유동 차이가 없으나, 지름 차이가 클수록 반응기 벽면과의 유동에 차이가 생겼으며 이러한 유동의 차이는 반응기 내부 반응에 영향을 미쳐 출구에서의 황 화합물 농도에 큰 영향을 미쳤다. 충전된 탈황 촉매의 투과율은 내부 유동의 변화를 유도하여 출구에서의 황화합물 농도에 상당한 영향을 미쳤으며 향후 상세 디자인 시 촉매의 투과율에 따른 효과를 반드시 고려해야 함을 알 수 있었다.
- 하지만 반응기의 지름 변화는 길이의 변화보다 복잡하고 다양하게 반응기 성능에 영향을 미쳤다. 특히 출입구에 연결된 관과의 지름 차이가 작을수록 입구 효과가 줄어들어 반응기 중심과 반응기 벽면의 유동 차이가 없으나, 지름 차이가 클수록 반응기 벽면과의 유동에 차이가 생겼으며 이러한 유동의 차이는 반응기 내부 반응에 영향을 미쳐 출구에서의 황 화합물 농도에 큰 영향을 미쳤다. 충전된 탈황 촉매의 투과율은 내부 유동의 변화를 유도하여 출구에서의 황화합물 농도에 상당한 영향을 미쳤으며 향후 상세 디자인 시 촉매의 투과율에 따른 효과를 반드시 고려해야 함을 알 수 있었다.
후속연구
- 그러나 실제 반응기 설계에서는 황 화합물이 촉매에 흡착됨에 따라 탈황 성능이 감소할 것으로 예상한다. 따라서 흡착저하에 따른 촉매 성능에 관련된 연구 및 흡착되어 성능이 저하된 반응기의 재생프로세스에 관한 연구가 추가로 수행되어야 할 것으로 보인다. Figure 3(b)에는 이 최소 탈황 성능을 가진 촉매를 사용했을 때 수치모델로 예측된 황 화합물의 농도 분포가 나타나 있다.
- 그러나 실제 반응기 설계에서는 황 화합물이 촉매에 흡착됨에 따라 탈황 성능이 감소할 것으로 예상한다. 따라서 흡착저하에 따른 촉매 성능에 관련된 연구 및 흡착되어 성능이 저하된 반응기의 재생프로세스에 관한 연구가 추가로 수행되어야 할 것으로 보인다. Figure 3(b)에는 이 최소 탈황 성능을 가진 촉매를 사용했을 때 수치모델로 예측된 황 화합물의 농도 분포가 나타나 있다.
- 따라서 지배방정식으로 설정한 Darcy's law가 수치해석 모델에 잘 적용됨을 확인할 수 있었다. 또한, 반응기 수치해석 모델링을 통한 유속 및 압력 손실 예측 데이터는 실제 탈황 프로세스 설계 시 필요한 펌프의 용량 등을 결정하는데 Darcy's law를 이용한 단순 예측 결과보다 정확도 및 정밀도가 높은 디자인 정보로 활용할 수 있을 것이다.
- 따라서 지배방정식으로 설정한 Darcy's law가 수치해석 모델에 잘 적용됨을 확인할 수 있었다. 또한, 반응기 수치해석 모델링을 통한 유속 및 압력 손실 예측 데이터는 실제 탈황 프로세스 설계 시 필요한 펌프의 용량 등을 결정하는데 Darcy's law를 이용한 단순 예측 결과보다 정확도 및 정밀도가 높은 디자인 정보로 활용할 수 있을 것이다.
- 본 연구 결과로부터 디자인된 흡착 탈황 반응기는 선박 연료전지용 디젤의 탈황기술에 이용될 수 있으며, 기존 연료전지의 크기를 효과적으로 감소시키고 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 향후 탈착 반응 등을 추가로 고려함으로써 열 순환식 흡착(Thermal Swing Adsorption) 기술을[13] 활용하여 연속적으로 흡착-재생을 반복하는 전체적인 탈황 프로세스 개발에 이용될 것이다. 이러한 연료 정제 시스템의 개발은 국내의 화공장치, 조선, 철강, 건설, 전자 IT 산업 등을 포함하는 국내 세계 일류 산업 인프라와 연계시켜 원자재 및 공정의 국산화를 통해 최종 제품의 기술 완성도와 경제성을 향상해 수입품 대체 및 수출 산업으로의 육성을 가능하게 할 것이다.
- 본 연구 결과로부터 디자인된 흡착 탈황 반응기는 선박 연료전지용 디젤의 탈황기술에 이용될 수 있으며, 기존 연료전지의 크기를 효과적으로 감소시키고 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 향후 탈착 반응 등을 추가로 고려함으로써 열 순환식 흡착(Thermal Swing Adsorption) 기술을[13] 활용하여 연속적으로 흡착-재생을 반복하는 전체적인 탈황 프로세스 개발에 이용될 것이다. 이러한 연료 정제 시스템의 개발은 국내의 화공장치, 조선, 철강, 건설, 전자 IT 산업 등을 포함하는 국내 세계 일류 산업 인프라와 연계시켜 원자재 및 공정의 국산화를 통해 최종 제품의 기술 완성도와 경제성을 향상해 수입품 대체 및 수출 산업으로의 육성을 가능하게 할 것이다.
- 이를 통해 유량, 반응기 크기, 탈황 촉매의 성능 및 투과율 등 각각의 반응기 디자인 요소에 대한 영향을 평가하여 연료전지용 디젤 탈황 반응기의 초기 디자인을 도출하였다. 본 연구 결과는 연료전지뿐 아니라 일반적으로 정유사에서 생산되는 디젤유의 황 함유량을 감소시키는 저황 시스템 디자인에 활용할수 있으며 이러한 의미에서 석유화학 산업의 청정화 기술 확보에 이바지할 것으로 기대된다.
- 이를 통해 유량, 반응기 크기, 탈황 촉매의 성능 및 투과율 등 각각의 반응기 디자인 요소에 대한 영향을 평가하여 연료전지용 디젤 탈황 반응기의 초기 디자인을 도출하였다. 본 연구 결과는 연료전지뿐 아니라 일반적으로 정유사에서 생산되는 디젤유의 황 함유량을 감소시키는 저황 시스템 디자인에 활용할수 있으며 이러한 의미에서 석유화학 산업의 청정화 기술 확보에 이바지할 것으로 기대된다.
- 본 연구 결과로부터 디자인된 흡착 탈황 반응기는 선박 연료전지용 디젤의 탈황기술에 이용될 수 있으며, 기존 연료전지의 크기를 효과적으로 감소시키고 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 향후 탈착 반응 등을 추가로 고려함으로써 열 순환식 흡착(Thermal Swing Adsorption) 기술을[13] 활용하여 연속적으로 흡착-재생을 반복하는 전체적인 탈황 프로세스 개발에 이용될 것이다.
- 본 연구 결과로부터 디자인된 흡착 탈황 반응기는 선박 연료전지용 디젤의 탈황기술에 이용될 수 있으며, 기존 연료전지의 크기를 효과적으로 감소시키고 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 향후 탈착 반응 등을 추가로 고려함으로써 열 순환식 흡착(Thermal Swing Adsorption) 기술을[13] 활용하여 연속적으로 흡착-재생을 반복하는 전체적인 탈황 프로세스 개발에 이용될 것이다.
- 따라서 이러한 상호작용을 해석하기 위해 수치해석 프로그램을 이용한 해석이 필수적이다[6-9]. 본 연구에 사용된 수치해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics는 다중물리해석 프로그램으로 전기, 기계, 유동, 및 화학반응 등의 여러 복합적인 다중 물리 현상을 해석하는 데 활용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 COMSOL Multiphysics를 활용하여 유체유동 및 화학반응이 복합된 흡착 탈황 반응기 내부를 모사하여 반응기의 크기 및 유량 등 기본 반응기 디자인 정보를 도출하였다.
- 따라서 이러한 상호작용을 해석하기 위해 수치해석 프로그램을 이용한 해석이 필수적이다[6-9]. 본 연구에 사용된 수치해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics는 다중물리해석 프로그램으로 전기, 기계, 유동, 및 화학반응 등의 여러 복합적인 다중 물리 현상을 해석하는 데 활용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 COMSOL Multiphysics를 활용하여 유체유동 및 화학반응이 복합된 흡착 탈황 반응기 내부를 모사하여 반응기의 크기 및 유량 등 기본 반응기 디자인 정보를 도출하였다.
- 또한, 향후 탈착 반응 등을 추가로 고려함으로써 열 순환식 흡착(Thermal Swing Adsorption) 기술을[13] 활용하여 연속적으로 흡착-재생을 반복하는 전체적인 탈황 프로세스 개발에 이용될 것이다. 이러한 연료 정제 시스템의 개발은 국내의 화공장치, 조선, 철강, 건설, 전자 IT 산업 등을 포함하는 국내 세계 일류 산업 인프라와 연계시켜 원자재 및 공정의 국산화를 통해 최종 제품의 기술 완성도와 경제성을 향상해 수입품 대체 및 수출 산업으로의 육성을 가능하게 할 것이다.
- 또한, 향후 탈착 반응 등을 추가로 고려함으로써 열 순환식 흡착(Thermal Swing Adsorption) 기술을[13] 활용하여 연속적으로 흡착-재생을 반복하는 전체적인 탈황 프로세스 개발에 이용될 것이다. 이러한 연료 정제 시스템의 개발은 국내의 화공장치, 조선, 철강, 건설, 전자 IT 산업 등을 포함하는 국내 세계 일류 산업 인프라와 연계시켜 원자재 및 공정의 국산화를 통해 최종 제품의 기술 완성도와 경제성을 향상해 수입품 대체 및 수출 산업으로의 육성을 가능하게 할 것이다.
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