Development and Validation of CFD Analysis Model for Steam/Methane Reforming Process based on Catalyst Effectiveness Correlations A. Jeong1 , S.M. Beak2,

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1 Development and Validation of CFD Analysis Model for Steam/Methane Reforming Process based on Catalyst Effectiveness Correlations A. Jeong1 , S.M. Beak2, J. H. Nam3*, C.J. Kim1 1School of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul National University, KOREA 2R & D Center, Samsung Display, KOREA 3School of Mechanical Engineering, Daegu University, KOREA Research Objectives 소형 수증기/메탄 개질기 운전조건에서 와시코트 촉매층의 유효도 상관식 개발 p = 1~3 bar, T = 600~800C, S/C Ratio = 2~4, Lcat = 20~80 m 촉매 유효도 상관식을 기반으로 수증기/메탄 개질기를 해석할 수 있는 효율적인 CFD 해석모델을 ANSYS/Fluent 상에서 (UDF 활용) 개발 워시코트 촉매층을 가진 마이크로 채널 개질기의 상세 및 유효도기반 해석모델 비교 상세 해석모델(기본 모델): 50 m 두께 와시코트 층에 두께방향 50개 격자 배치 유효도기반 해석모델 (유효도 모델): 와시코트 층에 1개 격자 배치 연구목적 Jeong et al., 2018, Int. J. Hydrogen Energy Results 해석모델의 검증 기본 모델과 유효도 모델의 유동방향 온도분포 비교: 매우 잘 일치함을 확인 기본 모델과 유효도 모델의 유동방향 두께평균 반응률분포 비교: 입구 근처에서 반응률 차이가 있지만 전체적으로 잘 일치 Model Configuration Murphy et al., 2013, Int. J. Hydrogen Energy 마이크로 채널 개질기 기본 모델과 유효도 모델의 유동방향 몰분율분포 비교 (II=0.5 설정): 비교적 잘 일치함을 확인 II 설정값에 따른 기본 모델과 유효도 모델의 유동방향 몰분율분포 비교: II=1.0으로 설정 하는 것이 더 정확함 확인 수증기/메탄 개질가스가 통과하는 채널벽면 에 와시코트 촉매층을 형성, 개질반응 유도 고온가스가 흐르는 별도의 마이크로 채널을 형성, 개질반응에 필요한 반응열을 공급 해석모델 Fig. 1 마이크로 채널 수증기/메탄 개질기 유동 채널(절반 높이 0.75 mm) 및 다공성 와시코트층(두께 50 m)을 포함하는 마이크로 채널 개질기 내부의 2차원 해석 (대칭 고려 절반만 해석) 채널 길이 10 cm 및 고체 기판(두께 0.2 mm)을 통한 열전도도 고려 압력 1 bar 및 수증기/메탄비 3의 운전조건에서 기본 모델 및 유효도 모델 결과 비교  해석모델 검증 - CPU Time 비교 @ 기본 운전조건 (2000 iteration) CH4 + H2 + H2O+ CO+ CO2 기본 모델 대비 유효도 모델의 계산시간 1/5로 감소 기본 모델 465.5 sec 유효도 모델 92.8 sec Fig. 2 마이크로 채널 개질기 2차원 해석 모델  유효도 모델의 유동방향 온도분포 Channel Washcoat Substrate Reforming Reaction Model 개질반응 Reaction I: Steam Reforming (SR)  유효도 모델의 유동방향 몰분율분포 Reaction II: Water-Gas Shift (WGS)  Mole fraction of CH4  Mole fraction of H2O  Mole fraction of H2 Channel Washcoat Reaction III: Reverse Methanation (RM) 반응속도식: Xu & Froment (1989) 모델 SR Xu & Froment, 1989, AIChE J. WGS RM  파라미터 연구 Ni/MgAl2O3 촉매  입구온도 Tin  입구속도 uin  대류열전달계수 h 촉매유효도 촉매내 물질전달 저항으로 인해 촉매 반응표면이 효율적으로 사용되는지 척도 촉매 반응표면이 벌크 가스조건 노출될 때 반응률 대 실제 반응율의 비 (01) Ni/MgAl2O3 와시코트 촉매에 대한 1~3 bar, 600~800C, S/C 2~4 Jeong et al., 2018, Int. J. Hydrogen Energy SR RM WGS CO, CO2 농도가 낮아 WGS가 전체 개질반응에 미치는 영향 작음  WGS 유효도 상수로 처리 해석조건 촉매물성: Ni/MgAl2O3 (두께 L=50 m의 와시코트층) 유효밀도 cat=2350 kg/m3, 공극률 =0.5, 굴곡도 =4, 유동투과율 K=1 m2 공극크기 dpore=25 nm, 반응표면적 Acat=2.2107 m2/m3 운전조건: 소용량, 저압기준 Contact information * Corresponding author. (J.H. Nam). Conclusion ANSYS/Fluent를 해석 플랫폼으로 하여 촉매유효도 상관식을 이용 마이크로 채널형 개질기를 효율적으로 해석할 수 있는 CFD 해석모델을 개발함 적은 격자수를 도입한 유효도 모델과 상세 기본 모델의 비교를 통해 개발된 해석모델 의 정확성 및 효율성을 검증함 파라미터 연구를 통해 입구 온도, 유동 속도 및 대류열전달 계수의 영향을 평가함 Pressure, pt,∞ 1 bar S/C Ratio, SC 3 Inlet & Heating Temperature, Tin & T∞ 700, 750, 800C WGS Effectiveness Factor, II 0.5, 1.0 Inlet Gas velocity, uin 1, 2, 3, 4, 5 m/s Convection heat transfer coefficient, h 100, 200, 300 W/m2K