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천연가스의 수증기 개질에서 수성가스 전환용 충진층 반응기의 전산모사
Packed Bed Reactor Simulation for the Water Gas Shift Reaction in the Steam Reforming of Natural Gas 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.5, 2016년, pp.494 - 502  

이득기 (광주대학교 소방행정학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A 1-dimensional heterogeneous reactor model with the gas-solid interfacial phase gradients was developed for the simulation of the packed bed reactor where the exothermic reversible water gas shift reaction for the natural gas steam reformed gas was proceeding in adiabatic mode. Experimental results...

주제어

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문제 정의

  • 본 논문에서는 이러한 KIER의 연구보고서의 실험결과에 근거하여 reformer로부터 유출된 개질가스를 LT-WGS 반응으로 처리하는 데 있어서 단열방식의 촉매충진 관형 WGSR의 거동을 해석하고자 수치모사를 수행하였다. 이를 통해 WGSR 부피에 따른 개질가스의 최적 유입온도, 최저 CO 농도 등 주요 반응기 설계인자를 도출, 검토하고자 하였다.
  • 본 연구는 2016년도 광주대학교 대학 연구비 지원으로 수행되었으며, 한국에너지기술연구원에서의 천연가스 수증기 개질 수소 제조공급 시스템 개발 연구의 일부를 학술적 관점에서 분석하고자 한 것임
  • 본 연구에서는 내경 158.4 mm 반응기 튜브의 길이를 늘려갈 때, 달성 가능한 최저 CO 조성과 최적 유입온도를 파악하고자 하였으며, 그 모사결과는 Fig. 5에 나타낸 바와 같다. 반응기 길이의 증가에 따라 반응기 유입가스의 최적온도와 반응기 유출가스 중 CO의 최저 조성이 점차적으로 낮아지고 있음을 알 수 있다.
  • 본 논문에서는 이러한 KIER의 연구보고서의 실험결과에 근거하여 reformer로부터 유출된 개질가스를 LT-WGS 반응으로 처리하는 데 있어서 단열방식의 촉매충진 관형 WGSR의 거동을 해석하고자 수치모사를 수행하였다. 이를 통해 WGSR 부피에 따른 개질가스의 최적 유입온도, 최저 CO 농도 등 주요 반응기 설계인자를 도출, 검토하고자 하였다.

가설 설정

  • 기상과 촉매입자 표면 사이의 물질전달 및 열전달 저항이 존재한다.
  • 반응 축방향의 분산 효과는 무시한다.
  • 양쪽의 원판에서 기체가 흡착하여 촉매내부로 확산을 통해 반응이 진행된다고 가정하고 원판의 표면으로 부터 거리를 x라 하면, 표면은 x=0, 원판의 중심은 x=Lp/2=2.96 × 10-3/2m이다.
  • 위 행렬 #의 요소에 적절한 초기 값을 가정하고 Matlab optimization tool인 lsqnonlin function을 사용하여 식 (12)를 허용오차에서 만족하는 촉매에서의 기상성분 농도 Cj,s,i와 온도 Ts,i를 구하였다. 본 전산모사에서 사용된 parameter 값과 반응기 입구 조건은 Table 1 및 Table 2에 각각 나타내었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
천연가스의 수증기 개질부는 무엇으로 이루어져 있는가? 천연가스로부터 고순도 수소를 제조하기 위해 필요한 주요 단위공정은 크게 개질가스 생산을 위한 천연가스의 수증기 개질부, 개질가스로부터 수소 분리를 위한 압력변동흡착(Pressure swing adsorption, PSA) 장치로 구성된다3). 천연가스 수증기 개질부는 개질 반응기(reformer) 및 수성가스 전환 반응기(water gas shift reactor, WGSR)로 구성된다. Reformer로부터 유출된 개질가스에는 H2, H2O, CO2 및 미 반응 CH4와 함께 7~10% 정도의 CO가 들어 있다.
고순도 수소 제조를 위한 주요 단위공정은 무엇이 있는가? 작은 부지의 수소 충전소에 설치되는 이러한 고순도 수소 제조시스템은 수소생산의 고효율화, 장치 설치 공간의 최소화 및 운전조건의 최적화와 안정성이 필수적으로 확보될 수 있도록 설계되어야 한다. 천연가스로부터 고순도 수소를 제조하기 위해 필요한 주요 단위공정은 크게 개질가스 생산을 위한 천연가스의 수증기 개질부, 개질가스로부터 수소 분리를 위한 압력변동흡착(Pressure swing adsorption, PSA) 장치로 구성된다3). 천연가스 수증기 개질부는 개질 반응기(reformer) 및 수성가스 전환 반응기(water gas shift reactor, WGSR)로 구성된다.
천연가스 수증기 개질을 통해 고순도 수소로 변환, 생산하는 시스템이 현재로서 가장 유리한 이유는 무엇인가? 현재와 같은 초보적 단계에서는 충전소 현장에서 천연가스 수증기 개질을 통해 고순도 수소로 변환, 생산하는 시스템이 가장 유리한 기술로 보고되고 있다1,2). 이것은 천연가스가 기존의 도시가스 파이프라인을 통해 그 공급이 용이하기 때문이다. 작은 부지의 수소 충전소에 설치되는 이러한 고순도 수소 제조시스템은 수소생산의 고효율화, 장치 설치 공간의 최소화 및 운전조건의 최적화와 안정성이 필수적으로 확보될 수 있도록 설계되어야 한다.
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참고문헌 (9)

  1. J. Ogden, "Prospects for Building a Hydrogen Energy Infrastructure", chapter in Annual Review of Energy and the Environment, Vol. 24, 1999, p. 227. 

  2. C. E. Thomas, I. F. Kuhn, B. D. James, F. D. Lomax, and G. N. Baum, "Affordable hydrogen supply pathways for fuel cell vehicles", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 23, No. 6, 1998, p. 507. 

  3. J. J. Winebrake and B. P. Creswick, "The Future of Hydrogen Fueling Systems for Transportation: An Application of Perspective-based Scenario Analysis Using the Hierarchy Process", Technological Forecasting & Social Change, Vol. 70, No. 4, 2003, p. 359. 

  4. J. M. Zalc, and D. G. Loffler, "Fuel processing for PEM fuel cells: transport and kinetic issues of system design", Journal of Power Sources, Vol. 111, 2002, p. 58. 

  5. 윤왕래, 서동주, 주국택, 박상호, 박종호, 김종남, 서용석, 황영재, 정운호, "수소충전소용 천연가스 수증기개질 수소 제조공급 시스템 개발", 한국에너지기술연구원 과제보고서, KIER-A86404, 2009. 

  6. Y. Choi and H. G. Stenger, "Water gas shift reaction kinetics and reactor modeling for fuel cell grade hydrogen", Journal of Power Sources, Vol. 124, 2003, p. 432. 

  7. C. N. Satterfield, "Heterogeneous Catalysis in Practice", McGraw-Hill, N.Y., 1980. 

  8. M. H. Wesenberg, "Gas Heated Steam Reformer Modeling", Ph. D. Thesis, Norwegian University of Science and Technology, 2006. 

  9. C. G. Hill, Jr., "A Introduction To Chemical Engineering Kinetics & Reactor Design", John Wiley & Sons, N.Y., 1977. 

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