촉매 유효도 상관식을 이용한 모노리스형 수증기 메탄 개질기의 CFD 해석 모델

Abstract

최근 많은 문헌에서 수증기 메탄 개질(Steam methane reforming)을 이용하여 수소를 생산하는 연료전지 응용 분야와 같은 소용량(small scale) 개질기 시스템에 대한 많은 수치적 연구들이 수행되고 있다. 개질기 성능의 정확한 예측을 위해 상당히 많은 수의 격자계를 필요로 한다. 또한 화학 반응을 포함하는 개질 공정을 고려한 CFD 해석은 정확한 계산을 위해 더 많은 수의 격자가 불가피하며, 이에 따라서 계산 비용(computational cost)을 필요로 하게 된다. 본 연구에서는 유효도 촉매 상관식을 이용하여 계산 영역의 격자 수를 줄이고 계산 비용을 줄이는 효율적인 CFD 모델을 제안하였다. 해석 모델은 니켈(Ni) 와시코트 층이 코팅된 사각 채널 형상의 모노리스형 수증기 메탄 개질기에 대해서 해석을 수행하였고, 개질기의 성능을 실험값과 비교하여 검증하였다. 개질기 내에서 발생하는 열전달, 유체 유동 및 화학반응이 고려된 복잡한 계산은 상용 툴인 ANSYS FLUENT를 사용하여 적절한 운전 조건에서 수행되었다. 1 bar 압력, 873-1073K의 온도 및 SC 3의 범위에서 각 변수의 영향을 조사하기 위해 운전 조건을 변화시키며 수행되었다. 개발된 3차원 해석 모델의 타당성을 입증하기 위해 기존의 실험치를 사용하여 모델의 예측치와 비교 검증하였다. 또한 상세 모델과 촉매 유효도 모델의 계산 시간을 비교하여 모델의 효율성 또한 확인하였다.

In recent years, many studies have focused on the development of small-scale methane reformer systems suitable for fuel cell applications. An accurate prediction of the reforming process is essential for designing the reformer systems and determining their optimal operation policies. In this regard, computational fluid dynamics (CFD) provides a proper tool to obtain the detailed information needed for such design and optimization tasks. However, CFD simulations with realistic reformer geometries require significant computational costs because large numbers of grid points are inevitable to accurately consider the reforming process in thin reaction zones. In this study, we propose an efficient CFD model that can greatly reduce the computational costs by using the effectiveness factor correlations. The coupled heat transfer, mass transfer, fluid flow, and chemical reactions inside the reformer are calculated using ANSYS FLUENT. The accuracy and efficiency of the proposed CFD model is demonstrated by simulating a monolithic steam methane reactor composed of square channels coated with Ni washcoat layers and then comparing the results with available numerical and experimental data.