회전식 소각공정은 고에너지 물질의 폐기처리를 위해 현재 상용화 되고 있는 기술로 열풍을 이용하여 대상물질을 열분해하는 공정이며 TNT, RDX 및 Composition B를 통한 열분해 공정의 사전연구가 진행되었다. 본 연구의 대상물질은 나이트로셀룰로스(nitrocellulose, NC)와 나이트로글리세린(nitroglycerine, NG)의 혼합물인 더블베이스 추진제(M8)로 선정하였다. M8 추진제의 열분해 반응은 응축상 반응(condensed phase reaction, CPR)과 기체상 반응(gas phase reactions, GPRs)로 구성되어 있다. CPR의 경우 흡열반응으로 4가지 화합물을 생성하며, GPRs의 경우 59개의 가스화합물 및 365개의 흡열·발열 반응으로 구성되어 있다. 본 연구는 gPROMS 소프트웨어를 이용하여 관형반응기의 수학적 모델링을 완성하였으며, 운전온도 및 유속 변화에 따른 케이스스터디를 진행하였다. 상대적으로 낮은 유속 및 높은 공정온도는 반응기의 내부온도(Case3: 953 K, Case6: 1300 K)를 상승 시켰으며, CO2와 H2O 몰농도 값 상승을 통해 완전연소율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구 내열형 소각로 설계, 운전조건을 도출하는데 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
회전식 소각공정은 고에너지 물질의 폐기처리를 위해 현재 상용화 되고 있는 기술로 열풍을 이용하여 대상물질을 열분해하는 공정이며 TNT, RDX 및 Composition B를 통한 열분해 공정의 사전연구가 진행되었다. 본 연구의 대상물질은 나이트로셀룰로스(nitrocellulose, NC)와 나이트로글리세린(nitroglycerine, NG)의 혼합물인 더블베이스 추진제(M8)로 선정하였다. M8 추진제의 열분해 반응은 응축상 반응(condensed phase reaction, CPR)과 기체상 반응(gas phase reactions, GPRs)로 구성되어 있다. CPR의 경우 흡열반응으로 4가지 화합물을 생성하며, GPRs의 경우 59개의 가스화합물 및 365개의 흡열·발열 반응으로 구성되어 있다. 본 연구는 gPROMS 소프트웨어를 이용하여 관형반응기의 수학적 모델링을 완성하였으며, 운전온도 및 유속 변화에 따른 케이스스터디를 진행하였다. 상대적으로 낮은 유속 및 높은 공정온도는 반응기의 내부온도(Case3: 953 K, Case6: 1300 K)를 상승 시켰으며, CO2와 H2O 몰농도 값 상승을 통해 완전연소율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구 내열형 소각로 설계, 운전조건을 도출하는데 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
The thermal decomposition of waste energetic materials such as TNT, RDX and composition B in a commercial rotary kiln has previously been carried out. As part of the demilitarization process, the thermal decomposition of homogeneous double base propellant (DB) used in M8 and consisting predominantly...
The thermal decomposition of waste energetic materials such as TNT, RDX and composition B in a commercial rotary kiln has previously been carried out. As part of the demilitarization process, the thermal decomposition of homogeneous double base propellant (DB) used in M8 and consisting predominantly of nitrocellulose and nitroglycerine is examined with respect to a number of operating conditions. A single condensed phase reaction with 4 species and 365 gas phase reactions and 59 species are considered. Simulation results show the sensitivity of the thermal decomposition of DB with temperature and velocity. At relatively low velocity with constant inlet hot air temperature, temperature in the rotary kiln was found to be highest, 953 K and 1300 K for cases 3 and 6 respectively. Illustrating that optimum operating temperature can be achieved by controlling the inlet velocity without additional cooling systems.
The thermal decomposition of waste energetic materials such as TNT, RDX and composition B in a commercial rotary kiln has previously been carried out. As part of the demilitarization process, the thermal decomposition of homogeneous double base propellant (DB) used in M8 and consisting predominantly of nitrocellulose and nitroglycerine is examined with respect to a number of operating conditions. A single condensed phase reaction with 4 species and 365 gas phase reactions and 59 species are considered. Simulation results show the sensitivity of the thermal decomposition of DB with temperature and velocity. At relatively low velocity with constant inlet hot air temperature, temperature in the rotary kiln was found to be highest, 953 K and 1300 K for cases 3 and 6 respectively. Illustrating that optimum operating temperature can be achieved by controlling the inlet velocity without additional cooling systems.
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문제 정의
본 연구는 M8 추진제의 열분해 공정 모사를 통한 반응기 내부의 물리적 화학적 변화를 예측 및 분석하였다. 열분해 반응모사를 위해 1개의 CPR과 365개의 GPRs으로 구성된 반응메커니즘을 활용하였으며 범용 공정모사기 gPROMS를 통해 진행하였다.
공정 모사를 위해 CPR, GPRs 및 관형반응기의 수학적 모델링을 완성하였으며 범용 고정모사기인 gPROMS 소프트웨어를 이용하였다[12-14]. 본 연구는 대상탄약의 안전한 처리를 위한 기초연구로 운전 조건에 따른 반응기 내부의 온도 및 가스화합물의 농도 변화를 예측하였으며, 각각의 조건에서 활성화되는 GPRs을 추적하여 농도 변화 및 반응기 온도 상승과의 연관성을 해석하였다.
공정 모사를 위해 CPR, GPRs 및 관형반응기의 수학적 모델링을 완성하였으며 범용 고정모사기인 gPROMS 소프트웨어를 이용하였다[12-14]. 본 연구는 대상탄약의 안전한 처리를 위한 기초연구로 운전 조건에 따른 반응기 내부의 온도 및 가스화합물의 농도 변화를 예측하였으며, 각각의 조건에서 활성화되는 GPRs을 추적하여 농도 변화 및 반응기 온도 상승과의 연관성을 해석하였다.
가설 설정
이와 같은 연쇄 작용은 반응기의 국부적 과열점을 생성할 수 있으며 M8 추진제 및 폭약의 폭굉(detonation)을 유발할 가능성이 있다. 이후 진행된 공정모사는 외부적 요인으로 인해 반응기 내부 유동장의 흐름이 원활하지 않는 상황을 가정하였으며, 열풍의 유속을 0.001 m s -1로 설정하여 진행하였다. 본 조건으로부터 총 55개의 GPRs이 활성화 되었으며, 반응기 최고온도가 관찰되는 시점(4010 s)에서의 반응기 내부 가스화합물의 몰 농도를 Figure 7에 나타내었다.
이와 같은 연쇄 작용은 반응기의 국부적 과열점을 생성할 수 있으며 M8 추진제 및 폭약의 폭굉(detonation)을 유발할 가능성이 있다. 이후 진행된 공정모사는 외부적 요인으로 인해 반응기 내부 유동장의 흐름이 원활하지 않는 상황을 가정하였으며, 열풍의 유속을 0.001 m s -1로 설정하여 진행하였다. 본 조건으로부터 총 55개의 GPRs이 활성화 되었으며, 반응기 최고온도가 관찰되는 시점(4010 s)에서의 반응기 내부 가스화합물의 몰 농도를 Figure 7에 나타내었다.
제안 방법
5 m)에 고정하였다. CPR과 GPR으로부터 생성, 소멸되는 가스화합물의 정량적 수치 및 생성된 반응열에 의한 반응기 내부 온도 변화를 예측하기 위해 3가지 모델(CPR, GPR, PFR)로 구분하여 수학적 모델링을 수행하였으며, 사용된 지배 방정식을 Equation (2)~(5)에 나타내었다.
5 m)에 고정하였다. CPR과 GPR으로부터 생성, 소멸되는 가스화합물의 정량적 수치 및 생성된 반응열에 의한 반응기 내부 온도 변화를 예측하기 위해 3가지 모델(CPR, GPR, PFR)로 구분하여 수학적 모델링을 수행하였으며, 사용된 지배 방정식을 Equation (2)~(5)에 나타내었다.
CPR은 응상에서 일어나는 흡열반응으로 1개의 반응식으로 표현되는 반면, GPRs의 경우 365개의 요소반응과 59개의 가스화합물이 참여하는 복합반응이다. 공정 모사를 위해 CPR, GPRs 및 관형반응기의 수학적 모델링을 완성하였으며 범용 고정모사기인 gPROMS 소프트웨어를 이용하였다[12-14]. 본 연구는 대상탄약의 안전한 처리를 위한 기초연구로 운전 조건에 따른 반응기 내부의 온도 및 가스화합물의 농도 변화를 예측하였으며, 각각의 조건에서 활성화되는 GPRs을 추적하여 농도 변화 및 반응기 온도 상승과의 연관성을 해석하였다.
공정 운전 조건에 따른 반응기 내부의 물리적 화학적 변화 및 추진제의 폭굉 현상을 유발할 수 있는 과열점 생성을 예측하기 위해 케이스스터디를 진행하였으며, 운전온도 변화에 따른 CPR와 GPRs의 반응속도 변화 및 주요 GPRs을 분석하였다. Table 2는 case study에 적용된 운전조건으로 운전온도와 유입되는 열원의 유속을 변수로 선정하여 진행하였다.
Case3과 Case6은 반응기의 공기 유입이 원활하지 않은 상황을 가정한 운전 조건으로 반응기의 온도가 약 953 K, 1300 K까지 상승하였으며 총 55개의 GPRs 이 활성화된 것으로 나타났다. 본 공정모사를 통해 M8 추진제의 열분해 반응 메커니즘 및 수학적 모델링을 완성하였으며, 공정 운전 조건에 따른 반응기 내부의 화학적 변화를 예측하였다. 또한, 운전 조건에 따른 GPRs의 활성화 및 반응기 내부 온도를 추적함으로써 과열점의 생성 조건을 확인할 수 있었다.
본 연구는 M8 추진제의 열분해 공정 모사를 통한 반응기 내부의 물리적 화학적 변화를 예측 및 분석하였다. 열분해 반응모사를 위해 1개의 CPR과 365개의 GPRs으로 구성된 반응메커니즘을 활용하였으며 범용 공정모사기 gPROMS를 통해 진행하였다. 반응초기 CPR의 흡열반응으로 M8 추진제 주변의 온도가 낮아지는 경향을 보였으나 변화 값이 매우 미미했으며, 흡열반응과 발열반응으로 구성된 GPRs의 운전조건 변화에 따라 활성도의 차이를 보였다.
본 연구는 M8 추진제의 열분해 공정 모사를 통한 반응기 내부의 물리적 화학적 변화를 예측 및 분석하였다. 열분해 반응모사를 위해 1개의 CPR과 365개의 GPRs으로 구성된 반응메커니즘을 활용하였으며 범용 공정모사기 gPROMS를 통해 진행하였다. 반응초기 CPR의 흡열반응으로 M8 추진제 주변의 온도가 낮아지는 경향을 보였으나 변화 값이 매우 미미했으며, 흡열반응과 발열반응으로 구성된 GPRs의 운전조건 변화에 따라 활성도의 차이를 보였다.
대상 데이터
본 연구에 적용된 고에너지 물질은 나이트로셀룰로스(nitrocellulose, NC: 52%)와 나이트로글리세린(nitroglycerine, NG:43%)이 혼합된 M8 추진제로 박격포의 추진장약으로 사용된다[6,7]. 두 단일물질 모두 연료(C/H, C/H/O)와 산화제(NO2) 를 한 분자에 모두 포함하고 있는 고에너지 화합물로 액상의 NG와 면직물 형태인 NC를 혼합·젤라틴화하여 고체형 추진 제로 사용된다[8,9].
본 연구에 적용된 고에너지 물질은 나이트로셀룰로스(nitrocellulose, NC: 52%)와 나이트로글리세린(nitroglycerine, NG:43%)이 혼합된 M8 추진제로 박격포의 추진장약으로 사용된다[6,7]. 두 단일물질 모두 연료(C/H, C/H/O)와 산화제(NO2) 를 한 분자에 모두 포함하고 있는 고에너지 화합물로 액상의 NG와 면직물 형태인 NC를 혼합·젤라틴화하여 고체형 추진 제로 사용된다[8,9].
본 연구의 대상 공정은 회전식 소각로로 실제 공정 크기<지름(1 m) × 길이(6 m)>와 동일한 관형반응기를 적용하였으며, 3 kg의 M8 추진제의 위치를 반응기 앞 단 (0.5 m)에 고정하였다. CPR과 GPR으로부터 생성, 소멸되는 가스화합물의 정량적 수치 및 생성된 반응열에 의한 반응기 내부 온도 변화를 예측하기 위해 3가지 모델(CPR, GPR, PFR)로 구분하여 수학적 모델링을 수행하였으며, 사용된 지배 방정식을 Equation (2)~(5)에 나타내었다.
본 연구의 대상 공정은 회전식 소각로로 실제 공정 크기<지름(1 m) × 길이(6 m)>와 동일한 관형반응기를 적용하였으며, 3 kg의 M8 추진제의 위치를 반응기 앞 단 (0.5 m)에 고정하였다. CPR과 GPR으로부터 생성, 소멸되는 가스화합물의 정량적 수치 및 생성된 반응열에 의한 반응기 내부 온도 변화를 예측하기 위해 3가지 모델(CPR, GPR, PFR)로 구분하여 수학적 모델링을 수행하였으며, 사용된 지배 방정식을 Equation (2)~(5)에 나타내었다.
성능/효과
Case1의 운전조건에서 GPRs의 반응속도가 매우 낮았으며 온도변화가 나타나지 않은 반면, Case4의 경우 증가된 공정온도에 의한 반응속도 상승으로 반응기의 온도를 약 703 K까지 상승하였고 활성화된 GPRs의 종류 또한 14개에서 21개로 증가하였다. Case3과 Case6은 반응기의 공기 유입이 원활하지 않은 상황을 가정한 운전 조건으로 반응기의 온도가 약 953 K, 1300 K까지 상승하였으며 총 55개의 GPRs 이 활성화된 것으로 나타났다. 본 공정모사를 통해 M8 추진제의 열분해 반응 메커니즘 및 수학적 모델링을 완성하였으며, 공정 운전 조건에 따른 반응기 내부의 화학적 변화를 예측하였다.
본 공정모사를 통해 M8 추진제의 열분해 반응 메커니즘 및 수학적 모델링을 완성하였으며, 공정 운전 조건에 따른 반응기 내부의 화학적 변화를 예측하였다. 또한, 운전 조건에 따른 GPRs의 활성화 및 반응기 내부 온도를 추적함으로써 과열점의 생성 조건을 확인할 수 있었다. 본 연구 내열형 소각로 설계 및 운전조건을 도출하는데 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
본 공정모사를 통해 M8 추진제의 열분해 반응 메커니즘 및 수학적 모델링을 완성하였으며, 공정 운전 조건에 따른 반응기 내부의 화학적 변화를 예측하였다. 또한, 운전 조건에 따른 GPRs의 활성화 및 반응기 내부 온도를 추적함으로써 과열점의 생성 조건을 확인할 수 있었다. 본 연구 내열형 소각로 설계 및 운전조건을 도출하는데 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
반응기 내부의 높은 온도 및 낮은 유속은 CPR으로부터 생성된 가스화합물의 완전연소를 유도하며, 이 결과 CO2와 H2O 의 몰 농도가 이전 case 대비 매우 높으며 내부 온도 또한 최고 온도임을 확인할 수 있다. 최종적으로 Case6의 CO2, H2O의 몰 농도가 0.
반응기 내부의 높은 온도 및 낮은 유속은 CPR으로부터 생성된 가스화합물의 완전연소를 유도하며, 이 결과 CO2와 H2O 의 몰 농도가 이전 case 대비 매우 높으며 내부 온도 또한 최고 온도임을 확인할 수 있다. 최종적으로 Case6의 CO2, H2O의 몰 농도가 0.
열분해 반응모사를 위해 1개의 CPR과 365개의 GPRs으로 구성된 반응메커니즘을 활용하였으며 범용 공정모사기 gPROMS를 통해 진행하였다. 반응초기 CPR의 흡열반응으로 M8 추진제 주변의 온도가 낮아지는 경향을 보였으나 변화 값이 매우 미미했으며, 흡열반응과 발열반응으로 구성된 GPRs의 운전조건 변화에 따라 활성도의 차이를 보였다. Case1의 운전조건에서 GPRs의 반응속도가 매우 낮았으며 온도변화가 나타나지 않은 반면, Case4의 경우 증가된 공정온도에 의한 반응속도 상승으로 반응기의 온도를 약 703 K까지 상승하였고 활성화된 GPRs의 종류 또한 14개에서 21개로 증가하였다.
M8 추진제의 온도가 407 K에 도달하는 시점(point A; 3150 s, point B; 2380 s)부터 CPR이 활성화되는 것을 생성물의 몰농도 증가를 통해 확인할 수 있으며, Figure 3의 질량변화가 관찰되는 시점과 일치한다. 즉 높은 공정온도 조건에서 추진제의 온도상승 및 CPR의 기점이 가속화 되는 것을 확인할 수 있다. CPR로부터 생성된 가스화합물은 GPRs의 반응물로 소비되며, 단위 시간 및 단위 공간에서의 몰 농도 값이 GPRs의 반응속도를 결정하는 주요 요인이 된다는 것을 다음 연구 결과를 통해 확인할 수 있다.
O 의 몰 농도가 이전 case 대비 매우 높으며 내부 온도 또한 최고 온도임을 확인할 수 있다. 최종적으로 Case6의 CO2, H2O의 몰 농도가 0.28, 0.19으로 나타났으며, 이와 같은 결과는 Yang의 균질 추진제의 연구 결과와 매우 유사한 것을 확인하였다[11].
O 의 몰 농도가 이전 case 대비 매우 높으며 내부 온도 또한 최고 온도임을 확인할 수 있다. 최종적으로 Case6의 CO2, H2O의 몰 농도가 0.28, 0.19으로 나타났으며, 이와 같은 결과는 Yang의 균질 추진제의 연구 결과와 매우 유사한 것을 확인하였다[11].
후속연구
또한, 운전 조건에 따른 GPRs의 활성화 및 반응기 내부 온도를 추적함으로써 과열점의 생성 조건을 확인할 수 있었다. 본 연구 내열형 소각로 설계 및 운전조건을 도출하는데 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌 (14)
Lee, J. C., Park, B. S., and Go, B. N., "Analysis of Current Techniques and Operation of Ammunition," Defense & Technol., 364, 34-42 (2001).
Kwon, D. E., Choi, M. G., and Lee, S. G., "A Study on the Ppolicy of South-north Ammunition Demilitarization of Unification Korea" Asia-pacific J. Multimedia Services Converg. Art, Humanities, and Sociol., 6(5), 421-434 (2016).
Jang, G. H., Beak, B. H., and Seo, N. S., "Development plan of Demilitarization for Waste Ammunition by High-temperature Plasma Technology," Defense & Technol., 400, 112-121 (2012).
"Analysis of Current Techniques and Operation of Commercial Rotary Kilns in Demilitarization of Propellants and Explosives," Agency for Defense Development (2013).
Kim, H, S., "Basic Technologies for the Development of High Explosives," Korea Chem. Eng. Res., 44(5), 435-443 (2006).
DeFrank, J. J., Guelta, M. A., and Haley, M. V., "Treatment of M1 and M8 Hydrolysates with Hd/Tetrytol Adapted Immobilized Cell Bioreactors," Report (2002).
"Analysis Of Engineering Design Studies for Demilitarization of Assembled Chemical Weapons at Pueblo Chemical Depot," Board on Army Science and Technology National Research Council, Washington DC (2001).
Akhavan, J., "The Chemistry of Explosive," 2nd ed., Royal Military College of Science, Cambridge (2004).
Kuo, K. K., and Acharya, R., "Applications of Turbulent and Multiphase Combustion," 1st ed., John Wiley & Sons, INC., New Jersey (2012).
Miller, M. S., and Anderson, W. R., "Cyclops, a Breakthrough Code to Predict Solid Propellant Burning Rate," Army Research Laboratory, Report No. ARL-TR-2910 (2003).
Roh, T. S., Tseng, I. S., and Yang, V., "Effects of Acoustic Oscillation on Flame Dynamics of Homogeneous Propellants in Rocket Motors," J. Propul. Power., 11(4), 640-650 (1995).
Kim, S. H., Nyande, B. W., Kim, H. S., Park. J. S., Lee W. J., and Min, O., "Numerical Analysis of Thermal Decomposition for RDX, TNT, and Composition B," J. Hazard. Mater., 305(5), 120-130 (2016).
Kim, S. H., Yeom, G. H., Il, M., Chae, J. S., Kim, H. S., and Min, O., "An Analysis of Dynamic Characteristics of RDX Combustion Using Rigorous Modeling," Clean Technol., 20(4), 398-405 (2014).
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