[논문]흐름형 반응기에서 흡열 촉매반응의 흡열량 측정 방법에 대한 연구

이태호; 현동훈; 김성현; 정병훈; 한정식

흐름형 반응기에서 흡열 촉매반응의 흡열량 측정 방법에 대한 연구
Study on the Method of Measurement the Heat Sink of the Endothermic Catalytic Reaction in the Flow Reactor

이태호 (고려대학교 화공생명공학과) , 현동훈 (고려대학교 화공생명공학과) , 김성현 (고려대학교 화공생명공학과) , 정병훈 (국방과학연구소 4-5부) , 한정식 (국방과학연구소 4-5부)

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 Packed bed flow reactor에서 Exo-tetrahydrodicyclopentadiene를 연료로 사용하여 촉매의 흡열량을 측정하는 방법에 대한 연구를 진행하였다.

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 are able to absorb the heat load by undergoing endothermic reactions. In this study, we investigated the method of measuring the heat sink of catalyst by using exo-tetrahydrodicyclopentadiene as a fuel in a packed bed flow reactor similar to the actual reaction conditions.

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문제 정의

본 연구에서는 촉매에 의한 연료의 분해과정에서 생기는 흡열반응을 반응기의 전력 변화를 측정하여 흡열연료 촉매의 흡열량 측정 연구를 수행하였다. 본 연구에선 반응기 관 외부 3point 만을 측정하여 정확도는 그리 높지 않다.
흡열촉매의 성능을 알기 위해서는 반응시 흡열량을 정확히 측정하는 것이 무엇보다 중요하다. 흡열량을 측정하는 방법에는 여러 논문이 나와있으나, 본 연구에서는 반응기의 전력소모의 변화를 관찰함으로서 packed bed flow reactor에서의 흡열량을 측정하는 방법이 적용 가능한지 실험을 수행하였다.

제안 방법

제올라이트 촉매는 ZSM-5 제조방법에서 기공형성제를 섞어 기공 크기를 조절하였고 550 ℃, 6 시간 동안 소성하여 H form으로 만들어 활성을 갖게 하였다. 그 후 NH4F 처리를 통해 산점 조절, 그리고 금속담지를 통하여 활성도를 조절하여 제조하였다.
우선 반응기 내부에 촉매를 넣지 않은 상태에서 반응기의 설정 온도를 올려가면서설정 온도에서 소모되는 전력을 측정하였다. 반응기내 관 외부 세 부분의 온도를 측정하여 평균값을 구한 후 그때 측정되는 전압과 전류를 서로 곱하여 해당 온도에서의 heat loss를 구한다.
2와 같은 반응기에서 실험을 수행하였다. 예열기 부분의 온도를 500 ℃로 설정하여 예열기 출구에서 연료를 400℃까지 상승시켜 준 후, 반응기 부분에서 550℃로 가열하여 촉매에 의한 연료의 분해반응을 통한 흡열량을 측정하였다. 우선 반응기 내부에 촉매를 넣지 않은 상태에서 반응기의 설정 온도를 올려가면서설정 온도에서 소모되는 전력을 측정하였다.
예열기 부분의 온도를 500 ℃로 설정하여 예열기 출구에서 연료를 400℃까지 상승시켜 준 후, 반응기 부분에서 550℃로 가열하여 촉매에 의한 연료의 분해반응을 통한 흡열량을 측정하였다. 우선 반응기 내부에 촉매를 넣지 않은 상태에서 반응기의 설정 온도를 올려가면서설정 온도에서 소모되는 전력을 측정하였다. 반응기내 관 외부 세 부분의 온도를 측정하여 평균값을 구한 후 그때 측정되는 전압과 전류를 서로 곱하여 해당 온도에서의 heat loss를 구한다.
9750 g 정도를 채워 넣은 경우의 전력 변화를 측정한다. 이후 15분 간격으로 액상 생성물을 sampling하여 GC-MSD (Agilent7890N/5975A MSD)로 성분을 분석하여 전환율을 구한다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 흡열연료 촉매로는 제올라이트 촉매를 사용하였다. 제올라이트 촉매는 ZSM-5 제조방법에서 기공형성제를 섞어 기공 크기를 조절하였고 550 ℃, 6 시간 동안 소성하여 H form으로 만들어 활성을 갖게 하였다.

이론/모형

본 연구에서 사용된 흡열연료 촉매로는 제올라이트 촉매를 사용하였다. 제올라이트 촉매는 ZSM-5 제조방법에서 기공형성제를 섞어 기공 크기를 조절하였고 550 ℃, 6 시간 동안 소성하여 H form으로 만들어 활성을 갖게 하였다. 그 후 NH4F 처리를 통해 산점 조절, 그리고 금속담지를 통하여 활성도를 조절하여 제조하였다.

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