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코크 생성 억제를 위한 이산화탄소 건식 개질 반응기의 최적 설계
Optimal Design of Carbon Dioxide Dry Reformer for Suppressing Coke Formation 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.2, 2018년, pp.176 - 185  

이종원 (한국화학연구원 CO2 에너지벡터연구그룹) ,  한명완 (충남대학교 응용화학공학과) ,  김범식 (한국화학연구원 CO2 에너지벡터연구그룹)

초록
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지구 온난화가 가속화됨에 따라 온실가스 감축이 보다 중요해졌다. 이산화탄소 건식 개질은 온실가스인 $CO_2$$CH_4$를 활용하여 부가가치가 높은 물질인 CO와 $H_2$를 얻을 수 있는 유망한 온실가스 감축 기술이다. 그러나 이 반응이 일어나는 반응기의 운전 중에 심각한 코킹 문제가 발생할 수 있다. 이산화탄소 개질반응은 매우 강한 흡열반응이기 때문에 반응기 입구 근처에서 반응 온도가 많이 떨어지면서 코크 생성을 야기시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 코크 생성이 잘 일어나지 않는 온도영역에서 반응이 일어나도록 하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 새로운 촉매 배열 방법을 이용하여 반응기 전 구간이 코크 생성이 잘 일어나지 않는 온도 영역 내에서 유지되도록 하는 설계 방법을 제안하였다. 이 설계 방법은 연료 유량, 촉매 밀도, 구간 별 출구 온도를 최적화 변수로 하여 주어진 전환율에 대하여 반응기 길이를 최소화 할 수 있는 최적화 문제를 풀도록 하여 반응기를 최적화한다.

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As global warming accelerates, greenhouse gas reduction becomes more important. Carbon dioxide dry reforming is a promising green-house gas reduction technology that can obtain CO and $H_2$ which are high value-added materials by utilizing $CO_2$ and $CH_4$ which are...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 따라 이산화탄소 개질 반응이 안정적으로 유지될 수 있는 최적의 온도 범위를 800~1,000 oC로 하였다. 또한, 높은 CH4전환율을 유지할 경우 고온으로 인한 CH4 분해를 최소화할 수 있으므로 99% 이상의 CH4 전환율을 얻는 것을 설계 목표로 하였다.
  • 또한, 이 반응은 강한 흡열 반응이기 때문에 반응 때문에 반응기 온도가 급격히 감소하여 코킹이 형성되는 문제를 일으킨다. 본 연구에서는 CO2 건식 개질 반응을 적정 온도 범위(800~1,000 oC) 내에서 안정적으로 운전할 수 있도록 새로운 촉매 배열 방법(구간별 촉매 밀도를 달리한 배열, 구간별 길이를 달리한 배열)을 제안하였다. 또한, 반응기 장치 비용을 절감하기 위하여 반응기의 길이가 최소화될 수 있도록 각각의 촉매 배열 방법을 최적화하였다.
  • 본 연구에서는 반응기를 800~1,000 oC의 적정 온도 범위 및 99% 이상의 CH4 전환율 유지를 위한 촉매 충전 방법에 관한 연구를 시행하였다. 반응기 전 구간에 균일하게 촉매를 충전 하는 일반적인 반응기와 새로운 촉매 배열 방법을 사용하여 충전 한 반응기 구성도를 Fig.
  • 그러나 이 경우 촉매 반응기가 커져 장치비가 증가하는 단점이 있다. 본 연구에서는 이산화탄소 개질 반응기의 안정적인 운전을 위해 반응기전 구간이 꼭지 생성 및 카바이드 형성이 잘 일어나지 않는 온도 범위(800~1,000 oC) 내에 있도록 하는 촉매 배열 방법을 제안하였다. 또한 연료 유량, 촉매 밀도, 구간별 출구 온도를 최적화 변수로 하여 주어진 전환율에 대하여 반응기 길이를 최소화할 수 있는 최적화 문제를 풀도록 하여 반응기를 최적화하는 설계방법을 제시하였다.

가설 설정

  • 1 이상의 CO2/CH4 비가 요구된다. 본 연구에서 800~ 1,000 oC 온도 범위 내에서 반응 온도를 유지하는 것을 목표로 하고 있으므로 평균 반응 온도는 약 900 oC로 가정하고 99%의 CH4전환율을 얻기 위하여 반응물 비(CO2 /CH4)를 1.2로 하였다.
  • 튜브의 지름은 0.1 m이며 튜브 개수는 800개로 하였고 모든 튜브는 같은 크기를 가지며 반응 중 같은 거동을 보인다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이산화탄소 개질 반응이란 무엇인가? 온실가스 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 이산화탄소의 포집 및 재활용 기술은 온실가스인 이산 화탄소를 포집할 뿐만 아니라 유용한 물질로 재활용할 수 있다는 점에서 많은 관심을 끌고 있다[1]. 이산화탄소 개질 반응(Carbondioxide Dry Reforming) (1)은 1:1 몰비의 CO2와 CH4 가 반응하여 2:2 몰비의 CO와 H2를 생성하는 반응으로 온실가스를 반응물로 이용한다는 장점과 메탄올, DME 등을 제조하는데 있어 중간 공정으로 활용될 수 있는 이점들로 인하여 많은 연구가 진행되고 있다[2-4].
이산화탄소 개질 반응의 이점은 무엇인가? 온실가스 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 이산화탄소의 포집 및 재활용 기술은 온실가스인 이산 화탄소를 포집할 뿐만 아니라 유용한 물질로 재활용할 수 있다는 점에서 많은 관심을 끌고 있다[1]. 이산화탄소 개질 반응(Carbondioxide Dry Reforming) (1)은 1:1 몰비의 CO2와 CH4 가 반응하여 2:2 몰비의 CO와 H2를 생성하는 반응으로 온실가스를 반응물로 이용한다는 장점과 메탄올, DME 등을 제조하는데 있어 중간 공정으로 활용될 수 있는 이점들로 인하여 많은 연구가 진행되고 있다[2-4].
안정된 이산화탄소 개질 반응기 운전을 위해 온도 조절이 중요한 이유는 무엇인가? 그럼에도 불구하고 반응물이 많은 반응기 입구 근처에서 급격한 온도 하락이 일어날 수 있다. 이 때 800 oC 이하로 온도가 하락하는 경우 부다 반응의 반응 평형 전환율이 급격하게 증가하면서 코크가 생성되어 촉매가 비활성화 될 수 있다[9]. 또한 반응 온도가 1,000 oC 이상이 되는 경우에는 카바이드가 형성되어 촉매 활성에 문제가 발생할 수 있으며 재질 선정에 있어서도 큰 비용이 발생할 수 있다[10]. 이 때문에 안정된 이산화탄소 개질 반응기 운전을 위해서는 코크 생성 및 카바이드 형성이 이 잘 일어나지 않는 온도 범위 내에서의 운전이 필요하다.
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참고문헌 (16)

  1. Markewitz, P., Kuckshinrichs, W., Leitner, W., Linssen, J., Zapp, P., Bongartz, R. and Muller, T. E., "Worldwide Innovations in the Development of Carbon Capture Technologies and the Utilization of $CO_2$ ," Energy & Environmental Science, 5(6), 7281-7305 (2012). 

  2. Pakhare, D. and Spivey, J., "A Review of Dry ( $CO_2$ ) Reforming of Methane over Noble Metal Catalysts," Chem. SoC. Rev., 43(22), 7813-7837(2014). 

  3. Luyben, W. L., "Design and Control of the Dry Methane Reforming Process," Ind. Eng. Chem. Res., 53, 14423-14439(2014). 

  4. Kim, J. M., Ryu, J. H., Lee, I. B. and Lee, J. S., "Recycle of Carbon Dioxide Using Dry Reforming of Methane," Korean Chem. Eng. Res., 47, 267-274(2009). 

  5. Edwards, J. H. and Maitra, A. M., "The Chemistry of Methane Reforming with Carbon Dioxide and Its Current and Potential Applications," Fuel Process. Technol., 42(2-3), 269-289(1995). 

  6. Mun, G. I., Kim, C. H., Choe, J. S., Lee, S. H., Kim, Y. G. and Lee, J. S., "Carbon Dioxide Reforming of Methane over Nickel Based Catalysts I. Comparison with Steam Reforming," Korean Chem. Eng. Res., 35(6), 883-883(1997). 

  7. Chubb, T. A., "Characteristics of $CO_2-CH_4$ Reforming Methanation Cycle Relevant to the Solchem ThermoChemical Power System," Solar Energy., 24(4), 341-345(1980). 

  8. Moon, K.-I., "Carbon Dioxide Reforming of Methane over Nickel based Catalyst, Department of Chemical Engineering," Pohang University of Science and Technology, Pohang, 111 (1996). 

  9. Gadalla, A. M. and Bower, B., "The Role of Catalyst Support on the Activity of Nickel for Reforming Methane with $CO_2$ ," Chem. Eng. Sci., 43(11), 3049-3062(1988). 

  10. Wang, S., Lu, G. Q. and Millar, G. J., "Carbon Dioxide Reforming of Methane to Produce Synthesis Gas over Metal-supported Catalysts: State of the Art," Energy Fuels, 10(4), 896-904(1996). 

  11. Hwang, S. and Smith, R., "Heterogeneous Catalytic Reactor Design with Optimum Temperature Profile I: Application of Catalyst Dilution and Side-stream Distribution," Chem. Eng. Sci., 59(20), 4229- 4243(2004). 

  12. Lee, S., Bae, J., Lim, S. and Park, J., "Improved Configuration of Supported Nickel Catalysts in a Steam Reformer for Effective Hydrogen Production from Methane," J. Power Sources, 180(1), 506-515(2008). 

  13. Luyben, W. L., "Catalyst Dilution to Improve Dynamic Controllability of Cooled Tubular Reactors," Comput. Chem. Eng., 37, 184-190(2012). 

  14. Nikoo, M. K. and Amin, N. A. S., "Thermodynamic Analysis of Carbon Dioxide Reforming of Methane in view of Solid Carbon Formation," Fuel Process. Technol., 92(3), 678-691(2011). 

  15. Benguerba, Y., Dehimi, L., Virginie, M., Dumas, C. and Ernst, B., "Modelling of Methane Dry Reforming over $Ni/Al_2O_3$ Catalyst in a Fixed-bed Catalytic Reactor," Reac Kinet Mech Cat, 114(1), 109-119(2015). 

  16. Richardson, J. T. and Paripatyadar, S. A., "Carbon Dioxide Reforming of Methane with Supported Rhodium," Appl. Catal., 61(1), 293-309(1990). 

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