[논문]흐름형 반응기 내에서 액체연료의 흡열반응촉매 종류에 따른 비활성화 정도에 대한 연구

이태호; 전선빈; 김성현; 정병훈; 한정식

doi:10.6108/kspe.2018.22.5.081

흐름형 반응기 내에서 액체연료의 흡열반응촉매 종류에 따른 비활성화 정도에 대한 연구
Study on the Deactivation Trends of Liquid Fuel According to the Types of Endothermic Catalyst in Flow Reactor 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.22 no.5, 2018년, pp.81 - 87

이태호 (Department of Chemical & Biological Engineering, Korea University) , 전선빈 (Department of Chemical & Biological Engineering, Korea University) , 김성현 (Department of Chemical & Biological Engineering, Korea University) , 정병훈 (The 4th R&D Institute - 5th Directorate, Agency for Defense Development) , 한정식 (The 4th R&D Institute - 5th Directorate, Agency for Defense Development)

초록
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극초음속 비행체에서는 공기와의 마찰열과 엔진열의 증가로 기체 내부의 열적 부하가 발생한다. 이는 비행체 내부 구조물의 변형을 일으키고 오작동을 발생시킬 수 있다. 흡열연료는 액체 탄화수소 연료로써 흡열반응을 통해 열을 흡수할 수 있는 연료이다. 본 연구에서는 실제 반응조건과 비슷한 고정층 흐름형 반응기에서 Exo-tetrahydrodicyclopentadiene(exo-THDCP)를 연료로 사용하여 흡열 촉매 종류에 따른 흡열 반응 시 생성물, 코크 생성량과 촉매 특성 변화 간 관계에 대한 연구를 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In hypersonic aircraft, increase of aerodynamic and engine heat lead thermal load in airframe. It could lead structural change of aircraft's component and malfunctioning. Endothermic fuels are liquid hydrocarbon fuels which absorb the heat load by undergoing endothermic reactions. In this study, we investigated the relationship between product, coke formation and catalytic properites of endothermic catalysts by using exo-tetrahydrodicyclopentadiene as a fuel in a fixed bed flow reactor similar to the actual reaction conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 두가지 유형의 상용촉매를 사용하여 흡열반응 시 생성물 및 촉매의 코크 생성량과 촉매 특성 간의 관계, 그리고 각 촉매의 비활성화의 경향에 대하여 고찰해 보았다.

제안 방법

반응이 끝나고 나오는 생성물을 1 분간 받아서 질량을 측정한다. 그리고 1 분 동안 반응기로 들어가는 연료의 질량에서 빼준 후, GC/MS로 측정한 반응 후 생성물 내 연료의 비율을 곱해주어서 최종 연료의 질량을 구한다.
두 상용 제올라이트는 NH4+ 형태(ammonium form)이므로 H+(H form)으로 바꿔주기 위해 550 ℃에서 6시간 소성과정과 금속담지 시킨 후 흡열량 측정 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 두 종류의 제올라이트 촉매를 사용하여 비활성화 정도를 측정하였다. 첫 번째 제올라이트 촉매는 Y 유형의 상용 제올라이트(CBV 300)이고 두 번째 촉매는 ZSM-5 유형의 상용 제올라이트 (CBV 2314)이다.
이후 15 분 간격으로 액상 생성물을 채취한다. 시료는 GC-MSD (Agilent 7890N/5975A MSD, HP-5ms column)로 초기 오븐온도 40 ℃에서 최종온도 320 ℃까지 10 ℃/min으로 온도를 상승시킨 후 30 분 동안 오븐온도를 유지시켜 성분을 분석한다.
525 mm 이다. 예열기 부분의 온도를 500℃로 설정하여 예열기 출구에서 연료를 400℃까지 상승시켜 준 후, 반응기 부분에서 550℃로 가열하여 촉매에 의한 연료의 분해반응 실험을 수행하였다.
흡열반응 종료 후, disk 형태의 촉매를 가루형태로 만든 다음 TGA 분석을 통하여 코크생성량을 측정한다. TGA 분석 조건은 다음과 같다.

대상 데이터

간접냉각은 흡열연료가 시스템 외부에 설치된 열교환기 내에서 분해반응을 통해 사용된 냉각제를 다시 냉각시켜 이를 이용해 시스템의 열을 흡수하는 방식이다. 본 연구에서는 흡열연료로 exo-tetrahydrodicyclopentadien(exo-THDCP)를 사용하였다. exo-THDCP에 관한 물성은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 두 종류의 제올라이트 촉매를 사용하여 비활성화 정도를 측정하였다. 첫 번째 제올라이트 촉매는 Y 유형의 상용 제올라이트(CBV 300)이고 두 번째 촉매는 ZSM-5 유형의 상용 제올라이트 (CBV 2314)이다. 두 상용 제올라이트는 NH₄⁺ 형태(ammonium form)이므로 H⁺(H form)으로 바꿔주기 위해 550 ℃에서 6시간 소성과정과 금속담지 시킨 후 흡열량 측정 실험을 진행하였다.

성능/효과

(a)는 BET 표면적, (b)는 미세기공의 부피, 그리고 (c)는 중기공의 부피이다. BET 분석 결과에서 CBV-300의 경우에는 반응시간 15 분 후 Table 2에 명시된 반응 전 기공특성 값보다 큰 폭으로 감소했음을 확인할 수 있다. 그리고 반응시간 15 분, 40 분 그리고 75 분에서 비표면적, 미세기공, 중기공 부피의 변화가 그리 크지 않음을 보아 반응 초기에 코크에 의해 촉매 표면에 급속히 코크가 형성되었음을 유추할 수 있다.
BET 분석 결과에서 CBV-300의 경우에는 반응시간 15 분 후 Table 2에 명시된 반응 전 기공특성 값보다 큰 폭으로 감소했음을 확인할 수 있다. 그리고 반응시간 15 분, 40 분 그리고 75 분에서 비표면적, 미세기공, 중기공 부피의 변화가 그리 크지 않음을 보아 반응 초기에 코크에 의해 촉매 표면에 급속히 코크가 형성되었음을 유추할 수 있다.
8에 나타나 있다. 두 제올라이트 촉매에서 동일하게 반응시간이 길어질수록 코크 생성량이 증가하는 것을 확인하였다.
6은 CBV-300과 CBV-2314 촉매를 사용했을 때와 촉매를 넣지 않고 흡열 분해 반응 시 전환율의 그래프이다. 촉매를 사용했을 때는 확실히 촉매를 넣지 않았을 때보다 전환율이 월등하게 높게 나온 것을 확인할 수 있다. CBV-300과 CBV-2314의 전환율을 비교해 보면 초기 전환율에 있어서 CBV-2314의 값이 훨씬 높은 값을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공냉각식 냉각법의 단점은 무엇인가?	초음속비행체의 열 관리를 위한 냉각기술로는 공기를 이용한 공냉각식 냉각법과 액체 메탄이나 액체 수소와 같은 극저온 연료 사용법이 있다. 그러나 공냉각식 냉각법은 극초음속 비행에서 공기와의 마찰열을 더 증가시키고, 극저온 연료는 낮은 밀도로 인하여 저장을 위한 거대한 기계장치가 필요하고, 비용이나 안전 등의 문제가 있다[1]. 따라서 최근에는 열부하 증가로 인한 극초음속 비행체를 냉각시키기 위한 방법으로 탄화수소형 흡열연료가 대안으로 주목받고 있다.
	엔진의 열을 냉각시킬 수 있는 냉각시스템의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	초음속 비행체나 발사체는 초음속 비행 속도 때문에 공기와의 마찰과 엔진에서 발생하는 열이 극심하다. 이에 발생되는 열로 인해 비행체의 온도가 상승하게 되는데, 발생한 열은 엔진의 구조 변화와 기능 저하를 일으킬 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 엔진의 열을 냉각시킬 수 있는 냉각시스템의 개발이 중요하다.
	초음속비행체의 열 관리를 위한 냉각기술에는 무엇이 있는가?	초음속비행체의 열 관리를 위한 냉각기술로는 공기를 이용한 공냉각식 냉각법과 액체 메탄이나 액체 수소와 같은 극저온 연료 사용법이 있다. 그러나 공냉각식 냉각법은 극초음속 비행에서 공기와의 마찰열을 더 증가시키고, 극저온 연료는 낮은 밀도로 인하여 저장을 위한 거대한 기계장치가 필요하고, 비용이나 안전 등의 문제가 있다[1].

참고문헌 (7)

D.R. Sobel, and L.J. Spadaccini, “Hydrocarbon Fuel Cooling Technologies for Advanced Propulsion,” Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 119, No. 2, pp. 344-351, 1997.

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Hyeon, D.H., Kim, J.Y., Chun, B.H., Kim, S.H., Jeong, B.H. and Han, J.S., “Improvement of Heat of Reaction of Jet Fuel Using Pore Structure Controlled Zeolite Catalyst,” Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 18, No. 5, pp. 95-100, 2014.

원문보기 상세보기
J.A. Moulijn, A.E van Diepen, and F. Kapteijin., “Catalyst Deactivation: is it Predictable? What to do?,” Applied Catalysis A: General, Vol. 212, No. 30, pp. 3-16, 2001.

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Petley, D., Jones, S. and Dziedzic, W., "Analysis of Cooling Systems for Hyersonic Aircraft," 3rd international Aerospace Planes Conference, Orlando, F.L., U.S.A., AIAA 91-5063, December 1991.
Z. Wang, Y.s. Guo, and R.S. Lin, "Pyrolysis of Hydrocarbon Fuel ZH-100 Under Different Pressures," Journal of Analytic and Applied Pyrolysis, Vol. 85, Issues 1-2, pp. 534-538, 2009.

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J. Qin, S. Zhang, W. Bao, W. Zhou, and D. Yu., “Thermal Management Method of Fuel in Advanced Aeroengines,” Energy, Vol. 49, No. 1, pp. 459-468, 2012.
S. Chen and G. Manos, "Study of Coke and Coke Precursors During Catalytic Cracking of n-Hexane and 1-Hexene over Ultrastable Y Zeolite," Catalyst Letters, Vol. 96, Issue 3-4, pp. 195-200, 2004.

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