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수민 궁
5 years ago
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1 수증기-메탄개질반응해석모델의비교연구 최종균 정태용 신동훈 남진현 김영규 * A comparative study for steam-methane reforming reaction analysis model Chong-gun Choi, Tae-yong Jung, Dong-hoon Shin, Jin-hyn Nam and Yong-gyu Kim Key Words: reformer( 개질기), methane-steam( 메탄- 수증기), CFD( 전산유체역학) Abstract The reformer is one of the most important chemical processes for the production of high purity hydrogen from fossil fuel. This study compares zero-dimensional model with CFD models for reaction analysis of methane-steam reformer. The zero-dimensional model is an empirical equation, however CFD model uses reactions of Arrhenius type. Because the reaction coefficients of the steam-methane catalytic reforming have not been reported before in the form of Arrhenius type, the present study aims to find the appropriate reaction coefficients. The used CFD code is Fluent 6.2 version. Several models are compared for the case of various operating temperature, mass of catalyst and steam to methane ratio. 1. 서론 현재선진국을중심으로지구온난화, 스모그 등의환경문제와화석연료의고갈문제를해결 하기위하여신에너지분야에많은연구및상용 화가진행중이다. 신에너지분야중연료전지는 수소경제에있어중요한에너지변환장치로각광 받을것으로예상되고있다. 연료전지의운용에있어필수적인수소는크게 화석연료로부터의생산, 전기분해, 생물학적수소 생산을통해얻을수있다. (1) 연료개질기는수소 의여러생산방법중화석연료를촉매반응등의 국민대기계자동차공학부 d.shin@kookmin.ac.kr * TEL : (02) FAX : (02) 한국가스안전공사 화학적방법을활용하여수소를생산하는기술로 서연료전지시스템에서핵심적인부분이다. Xu와 Froment는연료개질화학반응계수들을촉 매질량을기준으로니켈(Ni) 계열의촉매에관한수증기메탄의반응계수들을제시하였다. (2) 화석 연료의개질에관한연구는여러기관에서활발 히진행중이며상용화단계에이르고있다. 이러한상황에서개질기의실제모델은고효율, 소형화, 경량화및경제성을확보하기위한연구 가진행되고있다. (3,4) 고효율, 소형화및경제성 확보를위해개질기의형상은좀더복잡해지고 크기는작아지고있어개질기에대한해석및개 발하는데 또 CFD(Computational Fluid Dynamics) 가 사용되고있다. (5,6) 하지만 CFD를사용한논문에 서사용된모델은 Xu와 Froment가제시한계수를 사용하지만 CFD에서의해석결과가검증되지않 고사용되고있다. 이에실제모델에서의개질반 응을정확히예측하기위하여 CFD모델을 0차원 모델과비교할필요성이있다. Shin의논문에서

2 CFD 해석을위해반응계수를 Xu와 Froment가 제시한개질반응식을기준으로반응계수를유도한바있다. (5) 본연구에서는 0차원의반응모델과 CFD를이 용한반응모델을비교하여 CFD 모델에사용된 계수의타당성을검증하고자한다. 0차원모델은 실험결과로부터유도된기존의방정식을사용하 였으나 CFD 모델은 Arrhenius type의반응을이용 하였다. 두모델을이용하여온도, 촉매량, 수증 기메탄의농도비의변화에따른개질반응결과를 비교하였다. 촉매량과메탄의유량및모델의크 기는추후실험을위해제작중인개질기를기준 으로하였다 차원모델 수치해석모델 수증기메탄개질반응에는다음의 식을사용하였다. 3가지반응 위 3 가지반응의반응속도식(r i ) 은다음과같이표현된다. (2) 반응속도는 kmol/kg cata h로정의되며 P i 는전체 압에서계산된각각의분압이다. 속도상수(k i ) 는 다음과같다. 흡착평형상수 (K j j=ch 4, H 2 O, H 2,CO) 는다음과 같다. 평형상수 (K i i=1,2) 는다음과같다. 0 차원모델은위의식을사용하여메탄유량이 kmol/h 대한메탄의몰비율이 로일정하게유입되고전체유량에 20%, 30%, 40% 일때메탄 의변환율을계산하였다. 사용되는촉매의량은 kg 을사용하였다. 해석방법은위의식 (1)~(16) (1) 을사용하여 873K ~ 1173K의온도구간 을 30K 간격으로상압의조건으로해석되었다. 2.2 CFD 해석모델 해석은 Fluent 6.2 를이용하였다. CFD 모델의 크기는제작중인개질기의크기 ( 지름:57mm 길 이:200mm) 를기준하였다. 해석은 2D-axisimmetric 의형상(Fig.1) 으로했으며반응은식 (1)~(3) 을사 용하였으며 비를사용하였다. 0차원모델과같은유량조건과유입 촉매층의다공성유동은현재 보유중인 Ni계열의지름 5mm의촉매를기준으 로촉매층의효과는 CFD에서제공되는다음의 식(17) 을사용하였다. α: permeability(=2.963e-08) C : inertial resistance factor(= ) μ ρ : dynamic viscosity(ns/m : density(kg/m 3 ) 2 ) CFD 에서사용되는반응식은식(18) 과같은형태 를사용하였다. 해석방법은선행연구에서의계수 들을사용하여모델에적용후메탄의변환율을

Table 1 Reactions and reaction coefficients model reaction E(J/kgmol) A β Fig. 1 Grid of 2D model Case 1 Case 2 Case 3 reaction 1 2.40e8 9.490e16 0 reaction 2 2.439e8 2.290e16 0 reaction 3 6.413e7 4.

2 Process diagram of reforming system 질기는증기발생용히터, 예열용히터그리고개 질반응용히터부분으로크게 다. 3부분으로볼수있 본논문에서해석대상은개질반응이일어나 는개질히터(3 번째히터) 부분을해석하였다. 모델의형상은 Fig.

3 Table 1 Reactions and reaction coefficients model reaction E(J/kgmol) A β Fig. 1 Grid of 2D model Case 1 Case 2 Case 3 reaction e e16 0 reaction e e16 0 reaction e e4 0 reaction e e14 0 reaction e e14 0 reaction e e2 0 reaction e e35-7 reaction e e14-4 reaction e e2 0 Fig. 2 Process diagram of reforming system 질기는증기발생용히터, 예열용히터그리고개 질반응용히터부분으로크게 다. 3부분으로볼수있 본논문에서해석대상은개질반응이일어나 는개질히터(3 번째히터) 부분을해석하였다. 모델의형상은 Fig.3과같고난류모델은 Standard k-εmodel, 화학반응은 Volumetric Arrhenius Laminar Finite Rate Model 을적용하였다. 실제반응기모델 에대한 CFD해석은 0차원모델과 Case 모델과의 비교를통해찾은반응계수값과조건을적용하 여해석하였다. 3. 결과및토의 확인하여 A i (pre-exponential factor) 값과 β i (temperature exponential factor) 값을수정하여 0차원모델과일 치되도록진행하였다. 유동형태는층류로성정하 였고화학반응은 Volumetric Arrhenius Laminar Finite Rate 를적용하였다. 사용한계수값들은 Table 1 에나타내었다. 2.3 Fig. 3 Shape of reformer 3D model 실제개질반응기해석 개질반응을해석하기위해설계중인평판형개 질기는 Fig.2 과같은단계를거치도록하였다. 개 3.1 0차원모델과 CFD 모델의비교 0 차원모델로부터온도, 메탄/ 수증기의유입비 율에따른메탄의변환율은 Fig.4 에나타내었다. Fig.4 에나타난경향은메탄의초기유량비가클 수록메탄의변환율은커지고온도가커짐에따 라변환율이증가하는것을볼수있다. 0차원 모델에서사용된반응계수를 응을해석한결과는 CFD에적용하여반 0차원모델의결과와비교해 보면 Table 2 와같은결과를볼수있다. Fig. 5를 보면 0차원모델과 Shin이제시한 model 1 (5) 은많 은차이를보였다. Table 2에서확인한 0차원모 델과 model 1의오차를줄이기위해 pre-exponential factor, A 와온도계수 β를수정하였다. 계수의수 정작업은메탄유입비 20% 인 0차원모델을기 준으로 1053K의메탄변환율결과값이일치하 도록진행하였다. Model 2는 A값만을수정한것 이고, Model 3는 A와β모두를수정하여최적의 결과를내도록한것이다.

4 Fig. 4 Methane conversion ratio by 0-D model depending on the temperature and methane ratio Fig. 6 Simulation results for methane 30% Fig. 5 Simulation results for methane 20% Table 2 Results of 0-D and CFD models model 0-D Model methane 1 conversion ratio(%) Model 2 Model 3 methane ratio(%) 873K 1023K 1173K Fig. 5의결과를보면 Model 2는다소오차를 보이나 Model 3 는거의일치함을알수있다. 한 편, Fig. 6와 Fig. 7은메탄유입비율이각각 30% 와 40% 인경우를보여주는데메탄유입비율이높 아질수록오차가증가하는것을알수있다. 이 오차는 Arrhenius 반응에관계하는화학종의농도 계수와관련이있으므로추후에보완해야할필 요가있다. 3.2 Fig. 7 Simulation results for methane 40% 실제개질기모델에서의결과 상용화를목표로개발되는개질기는 3차원유 동형태를보이며, 기존의 0차원모델과는다르게 온도분포, 유동장, 화학종및농도의분포가균일 하지않기때문에단순한 0차원모델로해석하는 것은오차를발생시킬가능성이높다. Fig. 8은 원통형개질기내부유선을보여준다. 중앙의유 입관을통해바닥으로유입된가스는외통부를

4. 결론 Fig. 8 Path line in reformer 본연구에서는연료개질반응의 0차원모델과 CFD 모델의비교및그에따른계수의검증을하 였다. 연구의결과 0차원모델의계수를 CFD모 델에그대로적용하는것은큰오류를갖는것을 확인하였다. 한편반응계수를추가로수정하여 CFD 모델에적용한경우근접한결과를얻을수 있었다.

CFD 해 후기 본연구는한국가스안전공사 " 가정용연료전지 시스템성능평가연구" 의일부분으로수행되었 으며이에감사드립니다. 참고문헌 비교적균일한형태로상승하며, 출구의위치에 따라양쪽으로갈라져서배출되는것을알수있 다. Fig.

5 4. 결론 Fig. 8 Path line in reformer 본연구에서는연료개질반응의 0차원모델과 CFD 모델의비교및그에따른계수의검증을하 였다. 연구의결과 0차원모델의계수를 CFD모 델에그대로적용하는것은큰오류를갖는것을 확인하였다. 한편반응계수를추가로수정하여 CFD 모델에적용한경우근접한결과를얻을수 있었다. 이에수정한실제개질기 CFD모델에적 용시켜본결과 0차원모델의메탄변환율 31.3% 보다낮은 30.5%( 입구: 0.2, 출구:0.139) 의변환율 을나타내었다. 그차이는계수를수정하지않고 사용한 model 1의 95.78% 보다는정확해진것을 알수있다. 추후연구에서는계수를좀더명확 히수정을하고실제실험값을이용하여 석에맞는반응모델을도출하고자한다. CFD 해 후기 본연구는한국가스안전공사 " 가정용연료전지 시스템성능평가연구" 의일부분으로수행되었 으며이에감사드립니다. 참고문헌 비교적균일한형태로상승하며, 출구의위치에 따라양쪽으로갈라져서배출되는것을알수있 다. Fig. 9의온도분포는외벽면의온도를 1023K 으로설정하였지만내부는반응엔탈피및유입 가스의낮은온도(673K) 등에의해온도분포가 넓은범위에서발생하는것을알수있다. 이러 한위치별온도의편차는위치별반응에차이를 발생하게되고, Fig. 10에나타난메탄의농도분 포에서그결과를확인할수있다. 이러한이유 로 3차원모델의메탄변환율은 30.5% 로나타났 는데, 이는 0차원모델의 31.3% 보다낮은값을 보여준다. Fig. 9 Temperature (K) Fig. 10 Mole fraction of CH 4 for reformer (1)H. D. Choi, M. K. Lee, S. Park, 2005, "Long-term and Short-term Scenarios Analysis for Hydrogen Techno-Economic Regime", Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society Vol. 16, No 3, pp (2) J. Xu, G.F.Froment, 1989, "Methane steam reforming, methanation and water gas shift. I, Intrinsic kinetics", AIChE J. Vol.35, pp (3)Y. H. Yu, M.H. Sosna, 2001, "Modeling for Industrial Heat Exchanger Type Steam Reforming", Korean J. Chem. Eng. Vol.18 No. 1, pp (4)S. M. Hwang, O. J. Kwon, J. J. Kim, 2006, "Method of catalyst coating in micro-reactors for methanol steam reforming", Applied Catalysis A: General 316, pp (5)D. H. Shin, H. G. Seo, H. C. Lim, S. D. Lee, 2006, "Computational Fluid Dynamics Analysis of Plate Type Reformer for MCFC",Trans. of Korean

6 Hydrogen and New Energy Society Vol. 17, No 4, pp (6)A. L. Y. Tonkovich, B. Yang, S. T. Perry, S. P. Fitzgerald, Y. Wang, 2007, "From seconds to milliseconds to microseconds through tailored micro channel reactor design of a steam methane reformer", Catalysis Today Vol. 120, pp 21-29

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words