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문제 정의
- 본 연구에서는 열역학적으로 분해가 쉬운 프 로판을 원료로 하여 탄소계 촉매 상에서 직접 분해반응에 의한 수소생산효율을 알아보았다. 촉매종류에 따른 프로판 분해반응에 대한 촉매 작용을 확인하고자 하였다.
- 본 연구에서는 프로판의 직접분해에 의한 수 소생산을 새로운 방법으로 제시하고자 한다. 프 로판은 수소생산을 위한 원료로서 다음 같은 몇 가지 장점을 좋은 특성을 가지고 있다.
- 본 연구에서는 열역학적으로 분해가 쉬운 프 로판을 원료로 하여 탄소계 촉매 상에서 직접 분해반응에 의한 수소생산효율을 알아보았다. 촉매종류에 따른 프로판 분해반응에 대한 촉매 작용을 확인하고자 하였다. 촉매분해 이전에 우 선적으로 온도에 따른 프로판의 분해정도를 비 교하기 위하여 열분해 반응실험을 먼저 수행하였다.
제안 방법
- 프로판의 직접분해에 의한 수소 생산에서 온도 에 따른 탄소계 촉매의 활성을 조사하기 위해 온 도에 따라 프로판의 직접분해에 의해 생성되는 카본의 침적정도를 관찰하였다. Cahn balance (CAHN D-200, CAHN Instruments)를 이용하여 프 로판의 직접분해에 의해 침적되는 카본의 무게증 가율을 시간대 별로 측정하였다. 탄소계 촉매로는 0.
- GC 운반가스는 Ar 이었으며 column mat erial 은 H2, 애C2H, t, C2H6, C3H8 등이 분석가능한 Hayesep Q였다. 또한 반응성 실험은 우선 촉매를 이용하지 않은 가운데 프로판의 열적 분 해정도를 조사하기 위해 촉매 충전 없이 열분해 실험을 수행한 후에 카본블랙 및 활성탄을 이용한 촉매 분해반응을 수행하였다.
- 반응온도 조작은 촉매층에 위치한 온도를 기 준으로하여 전기로에 설치되어 있는 열전대와 온 도자동제어 기로 조절하였다 . 반응성실험은 25 ml/min의 유량으로 흐르는 프로판이 선정된 각각의 카본블랙으로 충전된 촉매층으로의 통과 전.
- 5 g의 카본블랙 을 충전하였다. 반응온도는 반응기 부분 전체를 전기로에 넣어 조절할 수 있었으며, 원하는 반응 온도까지 승온한 후 충전된 촉매층으로 반응가스 인 프로판을 통과시킴으로써 반응실험이 이루어 졌다.
- 후의 가스분석을 통한 반응물 농도 비교로 촉매 성능을 조사함으로써 이루어졌다. 반응후의 생성 물 분석은 반응기 출구부분에 연결된 TCD(thermal conductivity detecter)가 장착된 GC(gas chromatograph, DONAM DS6200)를 이용하였다. GC 운반가스는 Ar 이었으며 column mat erial 은 H2, 애C2H, t, C2H6, C3H8 등이 분석가능한 Hayesep Q였다.
- 촉매종류에 따른 프로판 분해반응에 대한 촉매 작용을 확인하고자 하였다. 촉매분해 이전에 우 선적으로 온도에 따른 프로판의 분해정도를 비 교하기 위하여 열분해 반응실험을 먼저 수행하였다. 또한 상업용으로 시판되고 있는 카본블랙 과 활성탄을 선정하여 탄소계 촉매로 이용하였다.
- 프로판의 직접분해에 의한 수소 생산에서 온도 에 따른 탄소계 촉매의 활성을 조사하기 위해 온 도에 따라 프로판의 직접분해에 의해 생성되는 카본의 침적정도를 관찰하였다. Cahn balance (CAHN D-200, CAHN Instruments)를 이용하여 프 로판의 직접분해에 의해 침적되는 카본의 무게증 가율을 시간대 별로 측정하였다.
- 반응성실험은 25 ml/min의 유량으로 흐르는 프로판이 선정된 각각의 카본블랙으로 충전된 촉매층으로의 통과 전. 후의 가스분석을 통한 반응물 농도 비교로 촉매 성능을 조사함으로써 이루어졌다. 반응후의 생성 물 분석은 반응기 출구부분에 연결된 TCD(thermal conductivity detecter)가 장착된 GC(gas chromatograph, DONAM DS6200)를 이용하였다.
대상 데이터
- 촉매분해 이전에 우 선적으로 온도에 따른 프로판의 분해정도를 비 교하기 위하여 열분해 반응실험을 먼저 수행하였다. 또한 상업용으로 시판되고 있는 카본블랙 과 활성탄을 선정하여 탄소계 촉매로 이용하였다.
- 반응물로는 99.5 %의 프로판을 사용하였다. 반응기는 재질이 석영이며 입구 내경 6 mm, 촉매 층 외경 10 mm인 U자형 반응기를 사용하였다.
- 반응기는 재질이 석영이며 입구 내경 6 mm, 촉매 층 외경 10 mm인 U자형 반응기를 사용하였다. 촉 매는 선정된 탄소계 촉매로 약 0.5 g의 카본블랙 을 충전하였다. 반응온도는 반응기 부분 전체를 전기로에 넣어 조절할 수 있었으며, 원하는 반응 온도까지 승온한 후 충전된 촉매층으로 반응가스 인 프로판을 통과시킴으로써 반응실험이 이루어 졌다.
- Cahn balance (CAHN D-200, CAHN Instruments)를 이용하여 프 로판의 직접분해에 의해 침적되는 카본의 무게증 가율을 시간대 별로 측정하였다. 탄소계 촉매로는 0.5 g의 Black Pearls 1100을 사용하였다. 반 응온도는 600℃, 650℃, 700℃ 에서 실험이 수행 되었으며, 프로판의 유량은 반응성 실험과 동일한 25 ml/min으로 하였다.
성능/효과
- 850 ℃ , 950 ℃, 1000℃ 로 반응온도가 상승함에 따라 프로판 전화율이 점점 증가하여 1000 ℃에서는 거의 100%까지 도달하였다. 850℃에서는 수소, 메탄, 에틸렌 등이 생성되었으며 그 분포가 각각 62.56%, 37.39%, 0.05 등으로 나 타났으며, 950笆에서는 에틸렌이 생성되지 않은 가운데 수소와 메탄이 각각 86.17%와 13.83%로 생성되었으며, 1000℃에서는 94.5%와 5.5%로 생 성되어 수소 수율이 급격히 증가함을 알 수 있었다.
- DCC N330이었다. 그 결과, 프로 판 촉매분해반응에서의 프로판 전화율을 열분해 에 의한 프로판 분해반응에서의 프로판 전화율을 같은 온도에서 비교해 볼 경우, 큰 차이를 보이 지는 않지만 촉매분해에 의한 프로판의 평균 전 화율이 98%로 열분해보다 높음을 알 수 있었다. 열분해 반응에서 약 95%에서 지속되는 결과와는 달리 촉매에 의한 분해는 100%까지 도달하는 현 상을 볼 수 있어 열분해에 의한 프로판의 분해보 다는 촉매에 의한 분해가 더욱 효과적임을 알 수 있다.
- 반응성 실험을 수행한 500-700 ℃의 온도영역에서 프로판 분해반응 결과, 열분 해반응보다 촉매를 사용한 분해반응에서 프로판 전화율과 수소수율이 동시에 증가할 뿐만 아니라 메탄을 비롯한 다른 탄화수소 생성물에 대한 선 택도가 감소하였음을 명확히 알 수 있다. 또한 프로판의 열분해와는 달리 촉매분해반응에서는 메탄보다 수소의 선택도가 높아져 수소의 몰비율이 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- 낮은 온도인 500 ℃ 의 열분해반응에서는 미량의 수소 만이 생성되는 반면에 BPT100를 사용한 촉매분 해반응에서는 열분해반응에서보다 수소가 더 많이 생성되었다. 반응성 실험을 수행한 500-700 ℃의 온도영역에서 프로판 분해반응 결과, 열분 해반응보다 촉매를 사용한 분해반응에서 프로판 전화율과 수소수율이 동시에 증가할 뿐만 아니라 메탄을 비롯한 다른 탄화수소 생성물에 대한 선 택도가 감소하였음을 명확히 알 수 있다. 또한 프로판의 열분해와는 달리 촉매분해반응에서는 메탄보다 수소의 선택도가 높아져 수소의 몰비율이 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- C-H 결합강도의 차이에 의해서 파라 핀계의 분해속도는 C3Hs > C2H6》CH, 의 크기순으 로 상당한 고온에서도 메탄은 여전히 생성물로 존재하게 된다. 생성되는 수소의 선택도 또한 높 아지는 것을 보아 프로판 분해는 촉매를 이용한 분해가 열분해보다 더 효과적임을 알 수 있다.
- 열분해 반응에서 약 95%에서 지속되는 결과와는 달리 촉매에 의한 분해는 100%까지 도달하는 현 상을 볼 수 있어 열분해에 의한 프로판의 분해보 다는 촉매에 의한 분해가 더욱 효과적임을 알 수 있다. 수소 수율 또한 촉매분해의 경우 중간에 수율이 낮아지는 현상을 보였으나 다시 증가하여 약 19%까지 도달하는 것으로 보아 촉매분해반응 에 의한 수소 수율 또한 열분해에 의한 수소 수 율인 약 16%보다는 높은 결과를 얻었다. 프로판 전화율과 수소 수율의 결과로부터 프로판의 열분 해에 의한 수소생산보다 촉매분해에 의한 수소 생산이 더욱 효과적임을 확인할 수가 있었다.
- 프로판 열분해 및 촉매반응 결과 반응온도가 상승함에 따라 프로판 전화율과 수소 수율이동 시에 증가함을 알 수 있었으며 특히 750 ℃에서 의 열분해 반응에서는 프로판이 거의 모두 분해 되었다. 열분해 반응보다 촉매분해 반응이 더 높은 프로판 전화율과 수소 수율을 얻을 수가 있었다. 프로판의 분해 반응에서는 원하는 생성물인 수소 및 clean carbon 이외에도 부산물로서 메 탄, 에틸렌, 에탄, 프로필렌과 같은 다양한 탄화 수소류 생성물들이 생성되었으며, 특히 에틸렌과 메탄이 상당한 부분을 차지하였다.
- 그 결과, 프로 판 촉매분해반응에서의 프로판 전화율을 열분해 에 의한 프로판 분해반응에서의 프로판 전화율을 같은 온도에서 비교해 볼 경우, 큰 차이를 보이 지는 않지만 촉매분해에 의한 프로판의 평균 전 화율이 98%로 열분해보다 높음을 알 수 있었다. 열분해 반응에서 약 95%에서 지속되는 결과와는 달리 촉매에 의한 분해는 100%까지 도달하는 현 상을 볼 수 있어 열분해에 의한 프로판의 분해보 다는 촉매에 의한 분해가 더욱 효과적임을 알 수 있다. 수소 수율 또한 촉매분해의 경우 중간에 수율이 낮아지는 현상을 보였으나 다시 증가하여 약 19%까지 도달하는 것으로 보아 촉매분해반응 에 의한 수소 수율 또한 열분해에 의한 수소 수 율인 약 16%보다는 높은 결과를 얻었다.
- 하지만 반응온도 상승에 따른 프로판 전화율의 증가율에 비해 수소 수율의 증가율은 크지 않음을 알 수 있다. 이같은 결과 로부터 온도를 상승시킴에 따라 수율도 같이 증 가하여 750℃에서는 수소의 수율이 약 16%를 나 타내어 온도가 높을수록 수소의 수율이 증가함을 알 수가 있다.
- 프로판 열분해 및 촉매반응 결과 반응온도가 상승함에 따라 프로판 전화율과 수소 수율이동 시에 증가함을 알 수 있었으며 특히 750 ℃에서 의 열분해 반응에서는 프로판이 거의 모두 분해 되었다. 열분해 반응보다 촉매분해 반응이 더 높은 프로판 전화율과 수소 수율을 얻을 수가 있었다.
- 수소 수율 또한 촉매분해의 경우 중간에 수율이 낮아지는 현상을 보였으나 다시 증가하여 약 19%까지 도달하는 것으로 보아 촉매분해반응 에 의한 수소 수율 또한 열분해에 의한 수소 수 율인 약 16%보다는 높은 결과를 얻었다. 프로판 전화율과 수소 수율의 결과로부터 프로판의 열분 해에 의한 수소생산보다 촉매분해에 의한 수소 생산이 더욱 효과적임을 확인할 수가 있었다.
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