[논문자료] 니켈 촉매 상에서 에탄으로부터 수소생산을 위한 반응기 사이징

출처: 픽사베이

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에너지원으로 주로 석탄 및 석유를 이용하여 산업이 발전해 왔으나, 최근에는 부탄, 프로판 그리고 천연가스가 가정과 산업에서 널리 사용되고 있다. 머지않아 수소를 기반으로 하는 산업사회가 이루어질 전망이므로 지금은 탄화수소이용 사회에서 수소이용 사회로 전환하는 과정에 있다고 할 수 있다.

 

세계적으로 약 48%의 수소생산이 천연가스를 원료로 사용하고 있으며, 30%가 오일, 18%가 석탄을 원료로 사용하고 있다. 천연가스로부터 수소를 생산하는 대부분의 공정에는 수증기 개질법(steam reforming), 부분산화법, 자열 개질법, 건개질법 등이 사용되고 있는데 수증기 개질법이 가장 높은 수율을 보이며, 일반적으로 700~900 ℃ 정도로 높은 온도범위에서 운전 된다.

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201311637857197

본 연구에서는 상업용 니켈 촉매를 사용한 에탄의 수증기 개질 반응기를 설계하기 위하여 에탄의 개질 반응에 적합한 반응속도식에 대한 연구를 수행하였다. 에탄을 반응물로 하여 개질반응을 수행한 결과, 거듭제곱 속도식 모델보다 표면반응에 의하여 반응속도가 결정되는 랭미어-힌쉘우드 모델이 더 적합함을 확인하였다. 수성가스 전환반응에 대한 반응식은 거듭 제곱 속도식 모델로 적절하게 나타낼 수 있었다. 에탄의 수증기 개질 반응에 대하여 랭미어-힌쉘우드 모델식을 적용하고, 수성가스 전환반응에 대한 반응식은 거듭제곱 속도식 모델을 적용하여 PRO/II시뮬레이션을 통해서 수소 생산량에 필요한 반응기의 크기를 결정할 수 있었다.

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초고온·초고압 반응기

초고온 및 초고압 상태에서 화학반응, 수열반응, 촉매반응 등을 수행할 수 있는 반응기로 열처리, 산업 가열 시스템, 화학 및 석유화학, 항공 분야 등에서 다양하게 접목되어 사용되는 반응기 중 하나입니다. 초고온·초고압을 사용하는 만큼 ASME 인증과 산업안전관리공단, 가스안전관리공사의 표준 규격에 부합하는 안전한 디자인으로 설계 및 제작되어지고 있습니다.

 

기본 작동 원리

기밀이 유지되는 Vessel에 샘플을 장입한 후 유지시간과 온도, 혼합이 이루어지도록 RPM을 설정합니다. 이때 승온과 동시에 포화수증기업이 조성되며 열수탄화 또는 바이오매스 연료가 생성되며 공정조건에 따라 배출가스(수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, C2Hn, C3Hn등 추출되는 양은 상이함)를 포집하여 분리하는 원리를 이용합니다.

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