메탄 증기 개질(Methane Steam Reforming, MSR)공정에서 메탄의 전환율을 증가시키기 위하여 막 반응기를 사용하는 실험 결과가 보고되었고 이 반응에서 여러 공정 변수의 영향을 검토하는 모사 연구가 수행된 바 있지만, 대부분의 막 반응기 모사 연구에서는 등온을 가정하였다. 충전층 촉매 반응의 경우, 충전층 내부 유동의 복잡성으로 인하여 온도에 의한 영향이 매우 크게 작용할 수 있으므로 등온을 가정한 단순한 모델을 통해서는 정확한 모사 결과를 도출할 수 없었다. 특히, 막 반응기의 경우, 반응 속도뿐만 아니라 수소 제거량 또한 온도의 영향을 받으므로 정확한 열전달 모델을 확립할 필요가 있다. 본 연구에서는 충전층 벽면의 경계에 작용하는 열전달 저항을 고려하여 열전달 모델을 설정하였으며 이를 MSR반응에 적용하여 모사를 실시하였다. 또한 충진된 반응기의 축방향으로 일어나는 압력 강하식을 모델에 적용하여 결과를 도출하였으며 이 결과를 동일 조건 실험과 다른 문헌의 모사 결과와 비교하였다. 연구 결과, 일반적인 충전층과 막 반응기 모두에서 개선된 예측값을 얻을 수 있었으며 실험결과와 더 잘 맞는 것으로 나타났다. 이 결과를 이용하여 H₂O/CH₄비, 운반 가스 유량 그리고 입자 직경 등의 공정변수가 전환율에 미치는 영향을 검토하였다. 운반 가스의 유량이 클 때와 같은 특정 반응 조건하에서는 실험결과를 정확히 예측할 수 없었으며 침투영역으로의 열전달도 고려해야함을 알 수 있었다.

Abstract-Methane Steam Reforming(MSR) is a catalytic process in which methane is reacted with a water gas to produce hydrogen and carbon dioxide gases. Many experimental and simulation studies have been assumed to be an isothermal condition using a packed-bed inert membrane reactor(PBIMR). However, the flow fields of inside the reactor are complex and the temperature gradient also occurs because of the catalyst particles packed in the reactor. This study suggests a new model considering heat transfer at the reactor wall and pressure drop inside the reactor. The model applies to the MSR reaction using PBIMR. Results are compared with the published experimental and simulation data. The simulation results suggested in the study shows better agreement than the simple model with constant temperature assumption, for both cases of conventional packed-bed reactor and PBIMR. In addition, the effects of H₂O/CH₄, flow rate of sweep gas and particle diameter of catalyst on the methane conversion are investigated. A consideration of heat transfer at the wall of permeation side is remained for further study.

Methane Steam Reforming Packed-Bed Inert Membrane Reactor Simulation Heat Transfer Pressure Drop

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