전산유체역학을 이용한 Fischer-Tropsch 마이크로채널 반응기 반응채널구조에 따른 열적 효과 분석 Analysis on Thermal Effects of Process Channel Geometry for Microchannel Fischer-Tropsch Reactor Using Computational Fluid Dynamics원문보기
본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 마이크로채널 내부의 Fischer-Tropsch(FT) 반응을 모사하였고, 나아가 반응채널의 너비와 높이, 냉각채널과의 거리 그리고 채널 사이 간격을 변수로 두고 채널 내부 온도에 대해 민감도 분석을 수행하였다. 마이크로채널 반응기는 채널 간의 열교환을 고려하기 위한 5개의 반응채널과 냉각채널을 대신한 냉각면으로 이루어져 있으며 채널의 높이와 너비를 포함한 변수들의 길이는 0.5 mm ~ 5.0 mm 범위에서 설정하였다. 반응물로는 $H_2$와 CO의 혼합기체($H_2/CO$ molar ratio=2)를 사용하였으며 반응기의 운전 조건은 $GHSV=10000h^{-1}$, 압력 20 bar와 온도 483 K($210^{\circ}C$)이다. 민감도 분석의 결과로 반응채널 내부의 최대 온도는 채널의 높이에 비례하며 너비에 대해서는 특정 길이 이상에서 영향을 받지 않는 것을 확인하였으며 이 중에 냉각채널과의 거리와 채널 사이 간격은 채널 내부 온도에 거의 영향을 미치지 않았다. 따라서 채널 레이아웃에서 반응채널의 높이는 짧을수록(약 2 mm 이하), 너비는 길수록(약 4 mm 이상) 열제거뿐만 아니라 생산량 측면에서 이득을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 마이크로채널 내부의 Fischer-Tropsch(FT) 반응을 모사하였고, 나아가 반응채널의 너비와 높이, 냉각채널과의 거리 그리고 채널 사이 간격을 변수로 두고 채널 내부 온도에 대해 민감도 분석을 수행하였다. 마이크로채널 반응기는 채널 간의 열교환을 고려하기 위한 5개의 반응채널과 냉각채널을 대신한 냉각면으로 이루어져 있으며 채널의 높이와 너비를 포함한 변수들의 길이는 0.5 mm ~ 5.0 mm 범위에서 설정하였다. 반응물로는 $H_2$와 CO의 혼합기체($H_2/CO$ molar ratio=2)를 사용하였으며 반응기의 운전 조건은 $GHSV=10000h^{-1}$, 압력 20 bar와 온도 483 K($210^{\circ}C$)이다. 민감도 분석의 결과로 반응채널 내부의 최대 온도는 채널의 높이에 비례하며 너비에 대해서는 특정 길이 이상에서 영향을 받지 않는 것을 확인하였으며 이 중에 냉각채널과의 거리와 채널 사이 간격은 채널 내부 온도에 거의 영향을 미치지 않았다. 따라서 채널 레이아웃에서 반응채널의 높이는 짧을수록(약 2 mm 이하), 너비는 길수록(약 4 mm 이상) 열제거뿐만 아니라 생산량 측면에서 이득을 얻을 수 있었다.
In this study, FT reaction in a microchannel was simulated using computational fluid dynamics(CFD), and sensitivity analyses conducted to see effects of channel geometry variables, namely, process channel width, height, gap between process channel and cooling channel, and gap between process channel...
In this study, FT reaction in a microchannel was simulated using computational fluid dynamics(CFD), and sensitivity analyses conducted to see effects of channel geometry variables, namely, process channel width, height, gap between process channel and cooling channel, and gap between process channels on the channel temperature profile. Microchannel reactor considered in the study is composed of five reaction channels with height and width ranging from 0.5 mm to 5.0 mm. Cooling surfaces is assumed to be in isothermal condition to account for the heat exchange between the surface and process channels. A gas mixture of $H_2$ and CO($H_2/CO$ molar ratio = 2) is used as a reactant and operating conditions are the following: GHSV(gas hourly space velocity) = $10000h^{-1}$, pressure = 20 bar, and temperature = 483 K. From the simulation study, it was confirmed that heat removal in an FT microchannel reactor is affected channel geometry variables. Of the channel geometry variables considered, channel height and width have significant effect on the channel temperature profile. However, gap between cooling surface and process channel, and gap between process channels have little effect. Maximum temperature in the reaction channel was found to be proportional to channel height, and not affected by the width over a particular channel width size. Therefore, microchannels with smaller channel height(about less than 2 mm) and bigger channel width (about more than 4 mm), can be attractive design for better heat removal and higher production.
In this study, FT reaction in a microchannel was simulated using computational fluid dynamics(CFD), and sensitivity analyses conducted to see effects of channel geometry variables, namely, process channel width, height, gap between process channel and cooling channel, and gap between process channels on the channel temperature profile. Microchannel reactor considered in the study is composed of five reaction channels with height and width ranging from 0.5 mm to 5.0 mm. Cooling surfaces is assumed to be in isothermal condition to account for the heat exchange between the surface and process channels. A gas mixture of $H_2$ and CO($H_2/CO$ molar ratio = 2) is used as a reactant and operating conditions are the following: GHSV(gas hourly space velocity) = $10000h^{-1}$, pressure = 20 bar, and temperature = 483 K. From the simulation study, it was confirmed that heat removal in an FT microchannel reactor is affected channel geometry variables. Of the channel geometry variables considered, channel height and width have significant effect on the channel temperature profile. However, gap between cooling surface and process channel, and gap between process channels have little effect. Maximum temperature in the reaction channel was found to be proportional to channel height, and not affected by the width over a particular channel width size. Therefore, microchannels with smaller channel height(about less than 2 mm) and bigger channel width (about more than 4 mm), can be attractive design for better heat removal and higher production.
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문제 정의
본 연구에서는 반응속도식을 기반으로 반응이 일어나는 마이크로채널의 구조가 열제거에 어떤 영향을 미치는지를 CFD을 이용하여 분석하였다. 발열반응을 간단한 함수로 모사할 때와 달리 반응속도식을 기반으로 모사할 때 반응기 내부 물질들의 속도 분포를 3D로 파악할 수 있으며 이로 인한 국소 물질들의 체류시간 차이 및 온도상승으로 인한 발열가속화 등을 고려할 수 있다.
가설 설정
마이크로 반응기 모델은 다른 채널에게 받는 영향을 고려하기 위하여반응채널 5개를일렬로 배열하고 가운데 반응 채널의 결과값을 측정하였다. 또한 반응 채널과 관련된 변수에 대한 분석을 하기 위해서 냉각채널을 등온상태의 냉각면으로 가정하였으며 냉각면의 온도는 채널내부의 온도를 일정하게 유지해주기 위하여 반응 채널로 들어가는 합성가스의 온도와 동일하게 하였다.
반응기에 합성가스가 유입되면서 일어나는 반응과 열 전달을 동시에 계산하기 위해서 유체 영역과 고체 영역에서의 질량, 운동량, 에너지 보존식이 필요하다. 이때 반응은 유체 영역에서만 일어나며 유체는 비압축성이며 이상적인 상태를 가진다고 가정한다. 모델링에 사용된 질량, 운동량, 에너지 보존식은 Table 3에 있으며 유체의 운동량보존식은 확산과 대류현상을 포함한 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다.
제안 방법
그러므로 현실을 더 잘 반영할 수 있으며 미세구조의 변화에 따른 영향을 파악하기에 적합하다. FT 반응이 일어나는 반응기에서반응 채널의 높이(H), 너비(W), 반응 채널 간의 거리(S) 및 반응 채널과 냉각면과의 거리(L)를 변화시켜서 이러한 변수들이 반응기 내부의 온도와 반응기 성능에 미치는영향을 분석하였다. 아울러, 반응기 설계시 우선적으로 고려해야 할 변수를 제시하였다.
FT 발열반응이 일어나는 마이크로채널 반응기의 반응 채널의 구조에 영향을 미칠 수 있는 변수인 채널의 높이(H), 너비(W), 채널간의 간격(S), 채널과 냉각면(L)과의 간격이 채널 내부의 최대온도에 어떤 영향을 미치는지 CFD를 이용하여 민감도 분석을 수행하였다. 온도에 영향을 많이 미치는 변수를 확인하기 위한 첫 번째 민감도 분석에서는 H, W에 비해서 S, L이 채널 내부의 온도에 미치는 영향이 매우 작은 것을 알 수 있었다.
다음으로 반응 채널의 H와 W를 0.5~5 mm 사이에서 변화시키면서 반응 채널 내부에서 가장 높은 온도를 측정하였다. 여기서 얻은 결과로부터는 반응 채널의 H와 W가 반응 채널 내부의 열제거에 미치는 영향의 차이와 경향성을 알 수 있다.
마이크로 반응기 모델은 다른 채널에게 받는 영향을 고려하기 위하여반응채널 5개를일렬로 배열하고 가운데 반응 채널의 결과값을 측정하였다. 또한 반응 채널과 관련된 변수에 대한 분석을 하기 위해서 냉각채널을 등온상태의 냉각면으로 가정하였으며 냉각면의 온도는 채널내부의 온도를 일정하게 유지해주기 위하여 반응 채널로 들어가는 합성가스의 온도와 동일하게 하였다.
반응채널의 H와 W에 따른 반응채널 내부의 최대온도 변화를 분석하기 위해서 0.5 mm에서 5 mm 사이에 H와 W의 길이를 분포시킨 후에 각각의 경우에 대하여 모사를 하였다. Fig.
본 연구에서는 민감도 분석을 할 때 가장 간단한 구조를 기본 모델로 하고 변수들의길이를 늘려가면서 모사를 하였는데 이때 사용한 기본 모델의 재질은 stainless steel(ρsteel=8,030 kg/m3 , Cp,steel=502.48 J/kg·K, ksteel=16.27 W/m·K)이며 크기는 가로 11 mm, 세로 3 mm, 길이 20 mm이며 반응 채널의 높이(H), 너비(W), 채널간 거리(S)과 채널과 냉각면 사이 간격(L)을 모두 1 mm로 하였다(Fig. 1).
우선 위에서 언급한 기본 모델에서 변수들인 반응 채널의 높이 (H), 너비(W), 반응 채널 간의 거리(S) 및 반응 채널과 냉각면과의 거리(L)에서 3개의 변수를 1 mm로 고정하고 한 개의 변수를 1 mm부터 5 mm까지 0.5 mm씩늘리면서 그때의 반응채널에서의 가장 높은 온도를 측정한다. 이것을 4개의변수에 대해서 반복함으로써 반응채널에서 어떤 변수가 반응기 내부의 열제거에 큰 영향을 미치는지 알 수 있다.
위 분석에서 얻은 결과로부터 열제거가 잘되는 마이크로반응기의 반응채널의설계 방법을 제안할 수 있다. 반응채널 사이의 간격과 반응채널과 냉각채널 사이의 거리는 열제거에 거의 영향을 미치지 않으므로 반응기의 구조강도 및 distributor의 분산능력을 고려하여 너비(W)를 최대한 길게 설계하며 높이(H)는 짧게 설계하는 것이 열제거와 생산량 측면에 있어서 효율적이다.
이론/모형
이때 반응은 유체 영역에서만 일어나며 유체는 비압축성이며 이상적인 상태를 가진다고 가정한다. 모델링에 사용된 질량, 운동량, 에너지 보존식은 Table 3에 있으며 유체의 운동량보존식은 확산과 대류현상을 포함한 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 여기서 중력가속도와 반응 채널에서 일어나는 마찰의 효과는 무시하였다.
본 연구에서는 마이크로채널 반응기에서의 FT 반응을 모사하기 때문에 반응속도식으로 마이크로채널 개발 업체인 미국의 Velocys®에서 FT 반응에 사용한 촉매의 실험값으로부터 도출한 식(Table 1, 2)을 이용하였다[21].
성능/효과
온도에 영향을 많이 미치는 변수를 확인하기 위한 첫 번째 민감도 분석에서는 H, W에 비해서 S, L이 채널 내부의 온도에 미치는 영향이 매우 작은 것을 알 수 있었다. H와 W에 대해서만 시행한 두 번째 민감도 분석에서는 H, W 두 변수 중에서 H가 W보다 채널 내부의 온도에 큰 영향을 미치며 채널 내부의 온도는 H의 길이에 대해서는 비례하여 증가하는 경향이 있으며 W에 대해서는 길이가 짧을 때는 채널 내부의 온도가 증가하다가 특정한 길이를 넘어가는 순간부터 채널 내부의 온도에 영향을 거의 미치지 않는다는 것을 확인하였다.
3에서 채널 H가 최대온도에 미치는 영향이 W가 미치는 영향보다 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 오류가 나지 않은 영역에서 W가 증가할 때는 온도가 거의 변하지 않는 것을 확인할 수 있는 반면에 H가 증가할 때는 온도가 점점 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 반응기에서 W가 길고 H가 짧을 때 효율적으로 열제거를 하면서 채널의 크기를 넓혀서 생산량을 늘릴 수 있다는 것을 의미한다.
FT 발열반응이 일어나는 마이크로채널 반응기의 반응 채널의 구조에 영향을 미칠 수 있는 변수인 채널의 높이(H), 너비(W), 채널간의 간격(S), 채널과 냉각면(L)과의 간격이 채널 내부의 최대온도에 어떤 영향을 미치는지 CFD를 이용하여 민감도 분석을 수행하였다. 온도에 영향을 많이 미치는 변수를 확인하기 위한 첫 번째 민감도 분석에서는 H, W에 비해서 S, L이 채널 내부의 온도에 미치는 영향이 매우 작은 것을 알 수 있었다. H와 W에 대해서만 시행한 두 번째 민감도 분석에서는 H, W 두 변수 중에서 H가 W보다 채널 내부의 온도에 큰 영향을 미치며 채널 내부의 온도는 H의 길이에 대해서는 비례하여 증가하는 경향이 있으며 W에 대해서는 길이가 짧을 때는 채널 내부의 온도가 증가하다가 특정한 길이를 넘어가는 순간부터 채널 내부의 온도에 영향을 거의 미치지 않는다는 것을 확인하였다.
채널의 H와 W 중에 한 개만 길어질 때 보다 동시에 길어질 때 채널 내부의 최대온도의 증가속도가 빨라지는 경향을 보였다. 반응 채널에서 발생한 열은 주변의 전도도가 높은 구조물(stainless steel)을 통하여 빠져나가는데 채널의 H와 W가 동시에 커지면 반응채널 중심부에서 인접한 구조물까지의 거리가 멀어지므로 열을 제거하기가 어려워진다.
후속연구
본 연구에서 얻은 분석을 통해서 얻은 결과들을 FT 반응뿐만 아니라 열제거가 필수적인 다른 발열반응 혹은 열을 공급해주어야 하는 흡열반응과 관련된 마이크로 채널 반응기의 설계에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FT 합성반응은 누구로부터 개척되었는가?
일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 혼합기체의 중합반응으로부터 긴 사슬의파라핀탄화수소를생성하기위한 FT 합성반응은 1920년대와 1930년대에 Fransz Fischer와 Hanz Tropsch로부터 개척되었다[5]. FT.
FT. 합성 반응은 무엇인가?
FT. 합성 반응은 촉매를 사용하여 수소와 일산화탄소로 이루어진 합성가스로부터 액체 연료를 생산하는 반응으로 이 반응을 대표하는 화학식은 다음과 같다.
FT 반응은 보통 어느 온도에서 일어나는가?
FT 반응에는 일반적으로 철 촉매와 코발트 촉매를 사용하는데 이 중 코발트 촉매를 사용할 때는 철 촉매를 사용할 때보다 낮은 온도에서 반응을 시킨다. 이때 반응은 보통 473 K와 523 K 사이 온도에서 일어난다[8,10]. 또한 FT 반응으로 인하여 발생하는 열을 제거하는 것도 중요한데 기존의 FT 반응기로 사용되는 고정층 반응기나 슬러리 반응기는 부피가 크기 때문에 반응기 중심부에서 발생하는 열제거 등의 문제로 인하여 생산성에 한계가 있다.
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