메탄의 산화이량화 반응과 개질반응을 교차한 멀티채널 반응기에 대한 전산유체역학 모델링 연구

Abstract

본 연구에서는 발열반응인 메탄의 산화이량화 반응과 흡열반응인 메탄의 습식 개질 반응을 결합한 마이크로채널 기반 반응기를 다루었다. 각 반응에 대한 반응속도식 개발 후 이를 정밀한 수준의 질량, 에너지 및 모멘텀 수지식을 고려한 전산유체역학 모델링에 적용하였으며, 실험데이터와의 비교를 통하여 모델의 유효성을 검증하였다. 메탄의 슴식 개질 반응의 빠른 반응속도로 인하여 반응기 전단부의 촉매층에서 급격한 온도강하가 관찰되었으며 이의 강한 흡열은 OCM 반응 전단부의 온도증가폭을 감소시켰다. 하지만 촉매층의 중간 이후 부분은 단순히 열역학으로만 제어되었다. 따라서 SRM 반응부의 흡열구간을 확대시키기 위하여 다양한 운전 조건 및 반응기 구조의 변화에 따른 영향을 살펴보았다. 반응물 중 불활성기체인 N2 양의 증가나 전체 SV의 증가는 반응기내 선속을 증가시켰고 이는 열전달 속도를 증가시켜 OCM 촉매층의 최고온도를 감소시킬 수 있었다. 또한, SRM 촉매층 전단부에 불활성물질을 고려함으로써 SRM 촉매층의 흡열구간을 확대시킬 수 있었고, 이의 효과로 OCM 촉매층의 최고온도를 감소시킬 수 있었다. 또한, 촉매층 당 생산성을 증대시키기 위하여 OCM 촉매층이 높이를 증가시켰고 이는 발열량의 증가로 OCM 촉매층의 최고온도 더 증가하는 결과를 낳았다. 이를 제어하기 위하여 SRM 촉매층의 높이를 감소시킨 채 SRM 촉매층의 SV를 증가시킴으로써 전체 모듈의 사이즈는 유지하면서 OCM 촉매층의 온도를 효과적으로 제어할 수 있었다.