천연가스 수증기 개질반응에 대해서

목차

1) 수증기 개질 반응 및 수성가스 전환 반응에 대한 자료 조사
■ 수증기 개질법
■ 수증기 개질
■ 수성가스 전환 반응

2) 개질기 설계시의 설계 변수 규명 및 각 장치들의 위치 설계
■ 개질기
■ 개질기의 기본 원리 및 장치

3) 폐열보일러 설계 및 생성된 수소의 효율적 분리법
■ 폐열 보일러의 설계
■ 생성된 수소의 효율적 분리
■ 그 외 수소의 효율적 분리 방법


1. 천연가스에서 수소 제조 반응식
2. 필요한 에너지
3. 원료 및 생성물 분리 및 정제법
4. NaCl전해공정의 부산물
4. 공정에 대한 flow chart 작성


1. 연료전지란 ?
2. 연료전지의 작동원리
3. 연료전지의 제조방법

본문내용

은 상호 작용을 한다. 새롭게 개발된 방법의 다른 장점은 편리한 온도 범위라고 명명하는 0도에서 실온에 이르는 온도 조건에서 이 공정이 수행된다는 점이다. 다공성 재료를통과하는 작은 분자의 확산이 나노크기의 현상(nanoscopic phenomenon)이라고 한다. 육각형의 벌집 모양 구조에 있는 모든 기공들이 평행으로 정렬되어 각 구멍은 2-3 나노미터 폭을 이룬다. 기체 분자들은 나노미터 폭의 약 절반에 이른다.
■ 그 외 수소의 효율적 분리 방법
수소를 얻기 위해서는 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리를 수소와 산소로 하여야 한다. 현재 가장 널리 사용하는 방법은 천연가스에 포함된 메탄의 수증기 개질 법이며 다른 방법도 소개하면 다음과 같다.
-수증기 개질 법
천연가스 중의 메탄을 고온의 수증기와 함께 니켈 촉매에서 반응시키면 수소와 일산화탄소로 분해된다. 현재 전 세계에서 생산되는 연간 4천 2백만t 중 48% 차지하고 있는 상용화된 기술이나, 연료 전지발전 등 사용처에 요구되는 기술인 소형화 / 경량화에 맞추기 위해 연구 중 이다.
-전기 분해 법
물에 일정 전류를 흘리면 양극에서 산소가 음극에서 수소가 발생 된다. 고 순도의 수소를 얻을 수 있다.
-압력순환흡착공정 (PSA)
흡착제로 채워진 흡착 탑을 원료기체가 고압상태로 통과하면서 선택도가 높은 성분들을 우선 흡착시켜 제거하고 원하는 생성물인 선택도가 낮은 성분들은 흡착 탑 밖으로 배출시킨다. 그러나 이 공정은 평형 반응이 800℃정도의 고온에서 이뤄지며, 장치 자체의 복잡화 대형화와 함께 처리 공정 및 기기 수가 많아지는 것 외에 설비비도 고액이고 장치 유지 보수에도 어려움이 있다. 또한, 고 순도의 수소가 얻어지지 않아 충분한 보급이 이뤄지지 않았다. 막 분리 공정은 형재 실용화되고 있는 공정으로 대부분이 수소 투과성 금속 막인 Pd-Ag합금 막을 통해 수소의 분리 정제가 이뤄지고 있다. 그러나 pd는 고가이며 자원적으로 충분하지 않아 그 제약이 있으며 이를 대체할 물질의 개발이 요망되고 있다.
1. 천연가스에서 수소 제조 반응식
개질이란 촉매 반응을 이용하여 탄화수소 연료를 수소를 포함하는 가스로 전환하는 과정을 의미하여 이때 생산된 수소 함유 가스를 개질 가스라 부른다. 천연가스 수증기 개질 시스템의 주요 구성은 원료 천연가스내에 포함된 황성분을 제거하는 탈황 부, 수증기와 천연가스가 개질 반응에 의해 개질 가스로 전환되는 수증기 개질 부, 생산된 개질 가스의 수소 수율을 증가시키기 위한 수성가스전이 부로 구성되며 고순도 수소가 필요한 경우 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption, PSA) 공정과 같은 정제 공정이 추가된다. 천연가스 수증기 개질 과정의 주요 반응식은 아래와 같다.
2. 필요한 에너지
(흡열 혹은 발열반응, 발열반응이면 열 제거, 흡열반응이면 열 공급 방법)
수증기 개질반응은 흡열반응으로 다음과 같은 반응식을 따른다.
→ Δ (1)
이와 함께, 유사 반응조건 하에서 수성가스 전환반응(water gas shift
reaction)도 함께 진행되며 다음 반응식과 같이 나타낼 수 있다.
⇔ Δ (2)
위의 두 반응을 통합하여 다음 반응식을 통해 DME 단위반응 몰수
당 최대 6 mol의 수소가 얻어짐을 알 수 있다[9].
→ Δ (3)
수증기 개질반응의 평형 농도는 열역학적 관점에서 반응물의 조성비, 반응 온도, 압력 등 영향을 받음.
수증기 개질반응 조건에서 발생하는 수성가스 전환반응의 발열반응 특성에 기인하는 것으로 반응온도 증가에 따라 역반응이 우세하게 진행되기 때문.
양극에선 수소가 이온화되며 전자를 내놓는다. 이 전자는 중간의 전해질을 통해 음극으로 이동하고 그곳에서 공기와 반응해 물을 만든다. 전자가 이동하는 과정에서 우리가 얻고자 하는 전기에너지가 발생한다. 수소와 공기가 반응해 물이 생성되는 이 반응은 발열반응이어서 열과 물을 ‘덤’으로 얻을 수 있다. 우주선에선 수소연료전지를 이용해 전기에너지뿐 아니라 식수와 온수를 얻기도 한다.
3. 원료 및 생성물 분리 및 정제법
1.일반적으로, 수소(H2)는 물의 전기분해에 의해 제조하거나, 탄화수소와 물로부터 화학적 Process에 의해 제조한다. 전기분해공정의 경우, “H2O + electric energy --> H2 + 0.5 O2” 반응식에 따라 물(H2O)은 수소와 산소로 분해된다. 이때, 수소는 본 공정의 cathode에서 거의 100% 순도로써 얻어진다. 화학적 Process에서는 “CnHm + H2O --> H2 + CO + CO2 + H2O”반응식에 따라 물과 탄화수소로부터 수소가 생성된다.
2.천연가스, 메탄 및 납사 Reformer
Steam Reforming(수증기 개질법)에 의한 수소제조 원료로는 천연가스(주성분: 메탄)과 정유공장의 부산물(메탄, 프로판, 부탄등의 혼합물)에서 Heavy Naphtha에 이르기 까지 사용된다. 이러한 탄화수소를 800900℃ 전후의 고온에서 산화니켈을 촉매로 사용하여 수증기와 반응시켜서 CO, CO2, H2의 합성가스로 변환시킨다. 얻어진 합성가스를 가스분리법에 의하여 H2를 정제한다
3.메탄올 Reformer
메탄올 Reforming은 250-300℃에서 메탄올 및 Steam을 함께 수소와 이산화탄소로 분해시켜(cracking) 수소를 생산하는데 제조설비가 간단함
methanol cracking공정은 steam reforming 공정에 비해 훨씬 낮은 온도에서 운전되는데, methanol 과 steam을 구리촉매(copper catalys)하에서 250300℃ 내외의 반응기 조건에서 “CH3OH + H2O -> H2, CO2, CO + H2O” 반응으로 수소를 생산하게 됨.
4. NaCl전해공정의 부산물
식염전해로부터 부산물로 얻어지는 수소는 공업적으로 중요함. 식염전해법으로 격막법, 수은법, 이온교환법등이 있으며 NaOH, Cl2, H2를 생산하는 것이 가능하다.
4. 공정에 대한 flow chart 작성
1. 연료전지란 ?
2. 연료전지의 작동원리
3. 연료전지의 제조방법

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