화학반응 시뮬레이션 프로세스 개발을 통한 천연가스/수증기 개질기의 설계 최적화에 관한 연구
- Alternative Title
- A Study on the Design Optimization of Natural Gas/Steam Reformer through the Development of Chemical Reaction Simulation Process
- Abstract
- 산업화가 진행됨에 따라서 다양한 환경오염 현상이 나타나고 있으며, 그 중 공기 오염은 화석 연료의 사용으로 인해서 피할 수 없는 문제가 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 다양한 신재생 에너지를 통하여 친환경적인 발전 방식이 소개되고 있다.
수소의 경우, 지열, 태양광, 석유, 천연가스등 다양한 곳으로부터 전기분해, 개질법등 여러 가지 방법으로 생산할 수가 있으며, 수소저장합금, 수소저장탱크, 액화 수소 저장 탱크등 다양한 형태로 저장이 가능하며, 전기전자, 반도체, 수송용 연료등 여러 산업군에 사용할 수 있다.
이러한 다양한 수소 생산방법중 수증기 개질법은 가장 오래된 기술 중 하나이며, 가장 널리 사용되고 있는 방법이다.
수증기 개질기는 크게 원통형과 평판형으로 나눌 수 있으며, 많은 연구자들에 의하여 연구가 이루어졌다. 하지만 많은 수의 연구가 화학 반응 및 화학 반응 성능 개선과 관련이 되어 있다.
수증기 개질기의 작동이 중지되는 것은 화학반응기에 사용되는 촉매의 성능 저하로 인해서 작동이 중지 될 수 도 있지만, 수증기 개질기의 열적 불균형으로 인한 열응력의 집중으로 파괴되는 현상 때문에 작동이 중지되는 현상도 많이 일어난다. 이러한 열적 불균형일 일어나는 이유는 수증기 개질기의 반응은 강력한 흡열 반응으로서, 이로 인해서 발생하는 구조물의 큰 온도 차이가 수증기 개질기 내에서 발생하고, 이로 인한 열응력 집중 현상으로 개질기가 파괴되는 현상이 나타난다.
본 연구에서는 기존에 많이 이루어진 상세 화학반응에 대한 연구 및 개질 성능 개선과 더불어 수증기 개질기의 고질적 문제인 열적 불균형으로 인한 열응력의 집중으로 발생하는 수증기 개질기의 파괴를 개선하기 위한 연구이다. 상세 화학반응을 이용하여 수증기 개질기의 화학반응 성능을 분석하고, 평판형 수증기의 Heat flux를 고려한 열전달 시뮬레이션 및 최적화 설계 기법을 적용해서 평판형 수증기 개질기의 형상 개선 전과 개선 후의 화학 반응 성능을 분석하여 관련된 연구를 진행하였다.
본 연구에 적용된 일련의 시뮬레이션 절차는 수증기 개질기 뿐만 아니라 다른 화학반응기의 설계 및 개발에도 충분히 적용할 수 있으리라 생각된다.
- Issued Date
- 2019
- Awarded Date
- 2019. 2
- Type
- Dissertation
- Publisher
- 부경대학교
- Alternative Author(s)
- Sang-Seok Lee
- Affiliation
- 부경대학교 대학원
- Department
- 대학원 기계공학과
- Advisor
- 이도형
- Table Of Contents
- 목 차
List of figures and tables iv
Abstract ix
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 기존 연구 현황 3
1.3 연구 목적 8
제 2 장 이 론 10
2.1 촉매의 화학반응과 특성 10
2.1.1 촉매의 정의 10
2.1.2 촉매의 분류 14
2.1.3 공간속도 및 성능 15
2.2 수치해석 16
2.2.1 지배방정식 16
2.2.2 난류 모델 20
2.2.3 화학 반응 모델 22
2.2.4 표면반응 계산 모델 29
2.2.4.1 연산자 분할 알고리즘 32
2.3 최적화 알고리즘 32
제 3 장 화학반응 시뮬레이션 프로세스 개발 35
3.1 대상 수증기 개질기 소개 35
3.1.1 수증기 개질기 시뮬레이션 절차 38
3.2 화학반응 시뮬레이션 41
3.2.1 상세 화학반응 모델 41
3.2.2 최적 화학반응 모델 47
3.2.3 결론 52
제 4 장 평판형 수증기 개질기의 실험 54
4.1 실험장치 및 방법 54
4.1.1 실험 장치 54
4.1.2 실험 방법 56
4.2 실험 조건 58
4.3 실험 결과 및 고찰 59
4.3.1 연소기 공급 열량에 따른 생성가스의 성분 분포 61
4.3.2 S/C 비에 따른 생성 가스의 성분 분포 66
제 5 장 평판형 수증기 개질기의 시뮬레이션 70
5.1 Heat flux를 고려한 시뮬레이션 70
5.1.1 경계조건 70
5.1.2 시뮬레이션 결과 74
5.2 최적 화학반응 모델을 적용한 시뮬레이션 77
5.2.1 경계조건 77
5.2.1 시뮬레이션 결과 78
제 6 장 설계 최적화 시뮬레이션 83
6.1 Heat flux를 고려한 설계 최적화 83
6.2 설계 최적화 결과 86
6.3 최적 화학반응 모델 적용 94
6.3.1 기존 수증기 개질기 적용 94
6.3.2 설계 최적화 모델에 적용 97
6.3.3 결과 비교 99
제 7 장 연속 운전시 촉매 손상율에 따른 성능 검토 104
7.1 경계조건 104
7.2 시뮬레이션 106
7.3 결과/성능 검토 112
제 8 장 결론 114
참고문헌 119
Appendix-1 118
Appendix-2 125
Appendix-3 129
Appendix-4 133
감사의 말씀 143
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