무차원수를 이용한 자열 메탄올 수증기 개질기 최적 설계

Abstract

본 연구에서는 무차원수인 Da수(Damkohler number)를 이용한 이론적인 자열 메탄올 개질기 설계 방법을 제시하였다. 먼저 반응 깁스에너지를 계산하여 S/C ratio의 변화가 있을 때 SMR(Steam methanol reforming)이 아닌 WGS(Water gas shift)에 의해서 평형조성 변화가 발생한다는 것을 확인하였고 반응물과 평형조성의 엔탈피 차이를 이용하여 반응 전후의 온도를 유지시키기 위한 O2/C ratio와 S/C ratio의 범위를 도출하였다. 또한 SMR반응에 대해서 Da수 계산식을 유도하였으며 원하는 개질률을 얻기 위해 만족해야하는 Da수를 계산하여 이에 상응하는 촉매층 부피, 온도, 유량과 같은 설계변수들을 결정하였다.

이렇게 설계한 값들을 검증하기 위해서 CFD해석을 이용하였다. 촉매층 유동 모델링의 경우 단일 매질 Plug flow를 가정하였으며 개질반응의 Kinetics를 UDF(User defined function)을 통해 적용하였다. 단위 모델에 대해서 CFD해석을 통해 도출한 결과를 Da수 모델의 예측값과 비교 검증하였고 해석결과가 잘 일치하는 것을 확인하였다.

실제 반응기 설계에 있어서 촉매층 내 온도편차가 큰 경우 Da수 모델을 적용하기 어렵다. 때문에 유동방향으로 Pe수(Peclet number)가 작은 Radial flow reactor에 개질기를 적용하여 설계하였고, 유동방향으로 열전도에 의한 열확산이 우세하도록 하여 온도 편차를 줄일 수 있었다. CFD해석결과, Da수 모델과 경향성이 일치하는 것을 확인하였다.

각각의 설계변수에 따른 성능변화를 실험적으로 확인하여 얻은 데이터들은 형상이 바뀌거나 운전조건이 다른 경우 적용하기 어렵다. 본 연구는 개질기 설계에 있어서 이러한 한계점을 극복할 수 있는데 도움이 될 것으로 보인다.