[반응공학]수성가스전환을 위한 멤브레인 반응기의 설계

소개글

현재 수소에너지는 기존의 화력발전에 비해 높은 효율을 가짐으로써 많은 관심을 받고 있다. 본 프로젝트에서는 membrane 반응기를 통해 수소를 얻는 방법 중의 하나인 수성가스전환 반응을 설계해 보았다. 우선, 설계를 수행하기 위하여 공학용 프로그램, polymath를 사용하였다. Membrane 반응기에서 전환율 0.8을 얻기 위하여 필요한 촉매의 질량은 318.81 kg이고, 반응물을 2배로 공급하였을 때 전환율은 0.676으로, 반응물을 2배로 공급하면 전환율이 오히려 떨어졌다. 같은 조건에서 membrane 반응기와 PBR에서의 전환율을 구한 결과, 그 값이 각각 0.8과 0.545로 얻어졌다. 따라서 같은 촉매의 질량을 이용하여 수성가스전환 반응을 수행할 경우, PBR보다 membrane 반응기에서의 효율이 더 높음을 알 수 있었다.

목차

요 약(Abstract) ⅰ

1. 서 론 1
1.1. 수성가스전환 기술동향
1.2. 수소를 이용한 연료전지 기술 동향

2. 문제해결에 사용된 방정식 10
2.1. Mole balance
2.2. Rate law
2.3. Transport out the reactor
2.4. Stochiometry
2.5. Combining and summarizing
2.6. Parameter evaluation

3. 수치해석에 사용된 프로그램 12
3.1 Polymath

4. 결과 및 분석 12
4.1. Membrane 반응기에서 촉매의 질량
4.2. 반응물의 공급량을 2배로 증가 시킬 때 전환율
4.3. PBR과 membrane 반응기의 전환율 비교

5. 결 론 19

6. 학습 성과 20

7. 참고문헌 20

본문내용

수소에너지는 궁극적으로 인류가 당면해 있는 에너지와 환경문제를 해결할 수 있는 꿈의 에너지원으로 평가되고 있다. 즉, 수소는 전기와 같이 다른 에너지원으로부터 얻어지는 2차 에너지이지만 지구상에서 존재하는 풍부한 물로부터 제조될 수 있어 자원의 제약이 없고, 연소생성물이 물밖에 없는 청정연료이다. 따라서 현재 인류가 안고 있는 화석연료의 한계인 부존자원의 고갈과 기후온난화 및 환경오염 문제를 극복할 수 있는 유일한 대안이라 할 수 있다. 그러나 수소는 자연에 독립적으로 존재하지 않고 다른 원소와 화합물 형태로만 존재하고 있기 때문에 수소를 생산하기 위해서는 추가로 에너지를 투입해야 한다.
수소를 생산하는 방법은 크게 두 부분으로 구분할 수 있는데, 화석연료로부터 생산하는 방법과 대체에너지로부터 생산하는 방법이 바로 그것이다. 장기적으로는 태양광, 풍력, 광촉매, 바이오 등과 같이 재생 가능한 무공해 대체에너지원을 사용하여 물로부터 수소를 추출하는 방법을 사용하는 것이 이상적이지만, 아직까지는 경제성이 낮기 때문에 크게 활용되지 않고 있는 실정이다. 따라서 현재는 석유, 천연가스, 석탄 등과 같은 화석연료로부터 수소를 생산하는 방법이 더 경제적이라 할 수 있다[1].
따라서 본 프로젝트는 수소를 이용한 연료전지와 수성가스전환에 대해서 알아보고 그 기술의 동향에 대해 살피며 마지막으로 수소를 얻는 방법 중의 하나인 수성가스전환 membrane 반응기 설계를 수행함으로써, 화학공학도로서의 실질적인 문제해결 능력을 키우고 반응공학에서 추구하는 학습 성과를 달성하는데 그 목적이 있다.

1.1. 수소연료전지 기술과 동향

연료전지 기술은 물의 전기분해반응의 역반응을 이용하여 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어내는 기술로서 자연에너지의 수급상의 불균형을 가장 경제적으로 보완할 수 있는 전력산업용 에너지기술이며 또한 자동차 동력원 및 휴대전원용 등 그 응용범위가 매우 넓어 향후 에너지 시장을 주도할 대표적인 기술로 평가되고 있다. 이러한 이유로 연료전지는 인류에너지 문제의 유일한 대안으로 인식되고 있는 수소에너지를 가장 효율적으로 활용할 수 있는 핵심기술인 것이다.

참고 자료

부경진 : “친환경 수소경제 구현을 위한 마스터플랜”, 에너지공학, Vol. 15, No. 2, pp.83-95(2006)
홍성안 : “ 수소 연료전지 기술현황 및 전망”, 에너지공학, Vol. 1, No. 1(2005)
김민경, 김재호, 김우현, 이시훈, “수소 수율 증가를 위한 합성가스의 수성가스 전환 반응 연구”, 한국신재생에너지학회, Vol. 5, No. 2, pp.9-14(2009)
최태호, 소원욱, 김광제, 문상진, 형기우, 조성효, “팔라듐/세라믹 막반응기를 이용한 수성가스전환반응”, 한국공업화학회, Vol. 16, No. 2, pp.282-287(2005)