벤치규모 메탄의 혼합개질 반응기의 전산유체역학 모델링
CFD modeling of a bench-scale reactor for mixed reforming of methane
- 주제(키워드) 혼합개질 , CFD , 반응기 , 모델링
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 김석기
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035728
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 메탄의 혼합개질 반응에 대한 반응속도식을 개발하고, 배요넷 구조 혼합개질 반응기의 CFD 모델을 구축하여 운전조건이 반응 및 열 거동에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 니켈 기반 펠릿형 촉매를 이용한 lab-scale 실험 결과를 기반으로 Langmuir- Hinshelwood 형태의 kinetic model을 구성하고, 반응속도 상수와 흡착 계수를 추정하였다. 도출된 반응속도식은 실험값과 시뮬레이션 결과 비교를 통해 유효성을 검증하였다. 배요넷 구조 혼합개질 반응기에 대해 2차원 축대칭 CFD 모델을 구축하였다. 반응기 내관 및 외관의 벽면과 촉매층 및 희석제층 내부의 열 저항을 고려하여 열전달 특성을 CFD 모델에 반영하였으며, bench-scale 실험 데이터를 이용해 열전달 계수를 fitting하였다. 모델 검증 결과 CH4 전환율, CO2 전환율, H2/CO 비 및 촉매층 출구 온도의 MARR은 각각 0.84%, 7.77%, 3.70%, 3.20%로 나타나 실험값과 높은 일치도를 보였다. 검증된 CFD 모델을 활용해 GHSV, 퍼니스 온도, 촉매와 희석제 혼합 여부 및 피드 조성 변화가 혼합개질 반응에 미치는 영향을 분석하였다. GHSV의 증가는 체류시간 감소를 야기하여 촉매층 국부 최저 온도와 CH4 및 CO2 전환율을 감소시켰다. 하지만 피드 유량 증가로 인해 수소 생산량을 증가시켰다. 퍼니스 온도 상승은 촉매층으로의 열 공급 증가로 CH4 및 CO2 전환율 향상에 기여하였지만 DRM 반응속도 증가로 인해 H2/CO 감소를 야기하였다. 또한 촉매층 상부에 희석제와 촉매를 혼합하여 bulk density를 감소시키는 방식은 반응 초기 급격한 흡열을 완화하여 촉매층 온도 저하를 줄이는 효과가 있었지만 CH4 및 CO2 전환율에는 큰 영향을 미치지 않았다. 피드 내 H2O/CO2 비 변화는 SRM과 DRM 반응속도 비를 변화시켜 CH4 전환율, CO2 전환율 및 H2/CO 비에 서로 다른 영향을 끼쳤다.
more초록/요약
In this study, a kinetic model for the mixed reforming of methane was developed, and a CFD model of a bayonet-type reactor for mixed reforming was constructed to quantitatively evaluate the effects of operating conditions on the reaction and thermal behavior. A Langmuir-Hinshelwood-type kinetic model was formulated based on lab-scale experiments conducted with nickel-based pellet-type catalysts, and the reaction rate constants and adsorption coefficients were estimated. The validity of the kinetic parameters was verified by comparing the simulation results with experimental data. A two-dimensional axisymmetric CFD model of the bayonet-type reactor for mixed reforming was established. The heat transfer characteristics were reflected by considering the thermal resistances of the inner and outer reactor walls, as well as those within the catalytic and inert bed. Heat transfer coefficients were fitted based on bench-scale experimental data. Model validation demonstrated strong agreement with experiments, with mean absolute relative residuals (MARR) of 0.84%, 7.77%, 3.70%, and 3.20% for CH4 conversion, CO2 conversion, H2/CO ratio, and the temperature at the end of the catalytic bed, respectively. The validated CFD model was used to analyze the influence of GHSV, furnace temperature, catalyst-inert mixing in the upper catalytic bed, and feed composition on mixed reforming performance. Increasing GHSV reduced residence time, leading to a decrease in the local minimum temperature of the catalytic bed as well as CH4 and CO2 conversions, although hydrogen production rate increased due to the higher feed flow rate. Elevating the furnace temperature enhanced CH4 and CO2 conversions by improving heat supply to the catalytic bed, but decreased the H2/CO ratio due to increased DRM reaction rate. Mixing catalysts with inert materials in the upper catalytic bed reduced the bulk density, mitigating the sharp initial endotherm and preventing excessive temperature drops, while exerting minimal impact on CH4 and CO2 conversions. Variations in the H2O/CO2 ratio of the feed affected the relative contributions of SRM and DRM reaction rates, resulting in different trends in CH4 conversion, CO2 conversion, and the H2/CO ratio.
more목차
1. 서론 1
2. 반응속도 모델 개발 및 반응속도 상수 추정 4
가. 혼합개질 반응 메커니즘 및 반응속도식 구성 4
나. Lab-scale 실험 기반 반응속도 상수 추정 6
3. 혼합개질 반응기 모델링 9
가. Bench-scale 혼합개질 반응기 실험 구성 9
나. Bench-scale 혼합개질 반응기의 CFD 모델 구성 13
다. 열전달 parameters fitting 및 CFD 모델 검증 18
라. GHSV 변화에 따른 반응 및 열 거동 분석 23
마. 퍼니스 온도 변화에 따른 반응 및 열 거동 분석 29
바. 촉매와 희석제 혼합에 따른 반응 및 열 거동 분석 34
사. 피드 조성 변화에 따른 반응 및 열 거동 분석 39
4. 결론 47
참고문헌 49
Abstract 53
