게시판 > 질답게시판 > 생성가스의 엔탈피

스테파노 Stefano

10-08-13 15:07

질문이 산만스럽지만..

(1) 생성가스의 각 성분에 따른 발열량은 대부분의 화공 혹은 연소관련 핸드북에 모두 나와 있습니다. 주의할 사항은 Gross 발열량과 Net 발열량이 있다는 것을 참고하세요. 전자는 생성된 물이 기준온도에서의 물로 응축될 때까지 내놓는 열을 기준으로 하고 후자는 스팀으로 남아있을 때까지 내놓는 열을 기준으로 한 발열량입니다.

(2) 생성가스의 각 성분의 발열량은 왈가왈부 할 수 없는 수치일 것이고 혼합물의 발열량은 각 성분의 발열량에 성분비를 곱하여 더하면 됩니다. 단 몰성분비일 경우 몰당 발열량을, 질량성분비일 경우 질량당 발열량을 곱해주어야 합니다.

(3) 생성가스의 발열량의 크기를 크게 좌우하는 것은 H2/CO의 비입니다. 또한 수분의 함량입니다. C의 발열량도 있겠지만 Carbon을 제거했다면 제외시키는 것이 맞지요. 문헌에서 발열량이 나와 있다고 했는데 수분을 포함한 것인지 Dry Syn Gas를 의미하고 있는지 자세히 찾아보세요.

(4) 질문에서 CO, H2의 성분에다 각 성분의 몰분율만 곱해서 계산한 것인데 문헌에서 계산한 것은 수분을 뺀 나머지 성분의 몰분율을 기준으로 계산했을 것으로 봅니다. C와 H2O는 제외시키고 CO-H2-CO2 성분만 함유되어 있다고 보고 H2와 CO만의 몰분율과 발열량을 곱해서 더해 보세요.

답글바랍니다.

맥시멈 azimer

10-08-16 19:53

다시 질문 드리겠습니다.
제가 너무 두서없이 질문해서 내용전달이 잘 안되었습니다.

문헌에 나온 값들을 토대로 검증을 할려고 합니다.
그런데 잘 안되네요..
문제는 아래와 같습니다.

반응화학식(초기 투입 조건: C는 1mole, H2O는 2mole, 298K ,1 atm)
C+H2O=H2+CO
CO+H2O=H2+CO2

석탄을 이용하여 온도 1100도 1기압조건에서 가스화 반응을 시키면 아래와 같은 몰조성이 나옵니다.

C: 0.085 mole (미 반응된 C)
H2O: 0.735 mole (미 반응된 H2O)
CO: 0.565 mole
H2: 1.265 mole
CO2: 0.35 mole

문헌에 나온 그래프를 유추하여 보면 생성가스의 발열량(420~430kj/mol),가스화 반응에 필요한 엔탈피(180~190kj/mol) , 가스화 반응을 통해 생성된 합성가스의 순발열량 (220~230kj/mol)로 되어 있습니다. (그래프이기때문에 정확한 값을 읽을 수 없음)

몰조성을 토대로 하여
1)생성가스의 발열량 (GHV)
2)가스화 반응에 필요한 엔탈피
3)생성된 합성가스의 순발열량 (= 생성가스의 발열량 - 가스화 반응에 필요한 엔탈피)
1.2.3번을 구하면 계속 엉뚱한 수치만 나옵니다.

어떻게 식을 세워 풀어야 하는 좀 알려주시면 고맙겠습니다.

스테파노 Stefano

10-08-17 11:00

(1) Coal을 달군다음 과량의 스팀과 반응시키면 주로 다음 반응이 일어납니다. 일부는 CO, 일부는 CO2가 생성되는데 질문에서의 두번째 반응은 평형반응입니다. C중에서 m/(m+n)비율은 CO로 되고 나머지는 CO2로 되는 반응을 함께 나타내면 다음과 같습니다. 생성된 CO, CO2, H2와 투입한 H2O중 반응하고 남은 량은 평형반응을 이루고 있습니다.

(m+n)C + (m+2n)H2O ------ mCO + (m+2n)H2 + nCO2 ................(1)
CO+H2O <-->CO2 +H2............................................................(2)

(2) GHV, NHV
생성가스의 발열량을 알아보려면 가스의 성분농도를 알아야 합니다. Steam의 양이 과량으로 들어갔다면 GHV는 크게 떨어지겠지요. Gross Heating Value를 나타내려면 각 성분의 GHV로부터 계산해야 하고 CO2, H2O, 등은 발열량이 없지만 연소후 물로 떨어지는 량이 포함되는지 확인해 봐야 할 것 같습니다. Net Heating Value를 계산하는 방법도 각 성분의 NHV를 사용해야 합니다. NHV의 경우 연소후 생성물이 수증기로 남아있다고 보고 연소시 발생되는 열량을 언급하는 것입니다.

GHV = Σ (xi *GHVi) ............(3) GHVi = i성분의 GHV, xi=i 성분의 몰분율
NHV = Σ (xi *NHVi) ............(4) NHVi = i성분의 NHV, xi=i 성분의 몰분율

(3) 가스와 반응에 필요한 엔탈피
이 값은 아마도 상온의 C를 반응이 일어나는 온도까지 가열하여 한 후 다시 상온으로 생성가스를 냉각할 때의 반응열을 언급합니다.

mC+ mH2O ---> mCO + mH2 + mΔH1.....................(5) 반응이 일어난 몰수...m mole
nCO+ nH2O---> nCO2 + nH2 + nΔH2......................(6) m몰의 CO중 nmole이 CO2로 되었다면

위의 화학반응식에서 m-mole의 C와 n-mole의 CO가 반응했다면 반응열은
ΔH = mΔH1 + nΔH2...............................................(7) ΔH1과 ΔH2는 질문에서 인용한 화학반응에서의 반응열입니다.

(4) 위의 설명을 기초로 열량을 다시계산해 보세요.

(m+n)C + (m+2n)H2O ------ mCO + (m+2n)H2 + nCO2 ................(1)
CO+H2O <-->CO2 +H2............................................................(2)

(2) GHV, NHV
생성가스의 발열량을 알아보려면 가스의 성분농도를 알아야 합니다. Steam의 양이 과량으로 들어갔다면 GHV는 크게 떨어지겠지요.   Gross Heating Value를 나타내려면 각 성분의 GHV로부터 계산해야 하고  CO2, H2O, 등은 발열량이 없지만 연소후 물로 떨어지는 량이 포함되는지 확인해 봐야 할 것 같습니다.  Net Heating Value를 계산하는 방법도 각 성분의 NHV를 사용해야 합니다.  NHV의 경우 연소후 생성물이 수증기로 남아있다고 보고 연소시 발생되는 열량을 언급하는 것입니다.

GHV = Σ (xi *GHVi) ............(3)  GHVi = i성분의 GHV, xi=i 성분의 몰분율
NHV = Σ (xi *NHVi) ............(4)  NHVi = i성분의 NHV, xi=i 성분의 몰분율

(3) 가스와 반응에 필요한 엔탈피
이 값은 아마도 상온의 C를 반응이 일어나는 온도까지 가열하여 한 후 다시 상온으로 생성가스를 냉각할 때의 반응열을 언급합니다.

mC+ mH2O ---> mCO + mH2  + mΔH1.....................(5) 반응이 일어난 몰수...m mole
nCO+ nH2O---> nCO2 + nH2  + nΔH2......................(6) m몰의 CO중 nmole이 CO2로 되었다면

위의 화학반응식에서 m-mole의 C와 n-mole의 CO가 반응했다면 반응열은 
ΔH = mΔH1 + nΔH2...............................................(7) ΔH1과 ΔH2는 질문에서 인용한 화학반응에서의 반응열입니다.

(4) 위의 설명을 기초로 열량을 다시계산해 보세요.

맥시멈 azimer

10-08-17 11:57

답변 고맙습니다.
그런데 제가 빼먹은 내용이 있어서 내용 전달이 잘 안되었네요..

문헌에 나온 그래프를 유추하여 보면 생성가스의 발열량(420~430kj/mol),가스화 반응에 필요한 엔탈피(180~190kj/mol) , 가스화 반응을 통해 생성된 합성가스의 순발열량 (220~230kj/mol)로 되어 있습니다. (그래프이기때문에 정확한 값을 읽을 수 없음) ---발열량 수치들은 1100K일때 나온 수치입니다. (상온으로 냉각이 안되었음)

제가 계산한 내용을 적어보겠습니다.
1)생성가스의 발열량
우선 C, H2O는 무시하고 생성가스를 기준으로 풀었습니다.
생성가스 CO,H2,CO2를 몰분율로 바꾸어 각각의 GHV를 곱합니다.

CO: 0.253*282.99=73.3437
H2: 0.58*286.03=165.976
CO2:0.16*0=0

총 발열량은 239.32 kj/mol ---> 값이 이상하게 나옴

2)가스화 반응에 필요한 엔탈피
우선 초기온도(298K)에서 생성온도(1100K)로 올릴때의 정압비열을 표에 나와있는 a,b,c,d의 상수를 이용하여 적분해서 구합니다.
그리고 각 생성가스의 생성열을 표에서 구하여 적분해서 구한 각각의 생성가스의 정압비열과 더한 다음, 몰분율을 곱하면 가스화 반응에 필요한 엔탈피가 나옵니다.

Cp dt(1100~298)
CO: 25.031kj/mol
H2: 23.674kj/mol
CO2: 38.852kj/mol

생성열△H298(kj/mol)
CO: -110.525
CO2:-393.509
H2:0

{각 생성가스의 몰분율*(각 생성가스의 ∫Cpdt + 각 생성가스의 생성열)}의 합은 가스화 반응에 필요한 엔탈피
-->-65.36kj/mol

문헌에 나온 값하고 전혀 다른 답이 나옵니다.. 뭐가 잘못 된 것인지..알려주시면 고맙겠습니다.

스테파노 Stefano

10-08-26 17:51

AA1)
CO, CO2 및 H2만의 혼합물인 경우라고 할 경우 발열량이 가장 높게 나옵니다. Dry Basis CO/H2 혼합가스의 경우

(Mole Fraction CO 0.3037 g-mole CO/g-mole Dry Gas Mixture)*(HHV 282.984 kJ/g-mole CO)
+(Mole Fraction H2 0.6963 g-mole H2/g-mole Dry Gas Mixture)*(HHV 286.03 kJ/g-mole H2)
=HHV 285.0 kJ/g-mole Dry Gas Mixture

순수한 CO나 순수한 H2라고 해도 280 부근의 수치입니다.
문헌에 나와 있다는 "생성가스의 발열량(420~430kj/mol)"은 뭔가 착오가 있거나 기준이 서로 다른 수치일 것입니다.

AA2) 두번째 질문, "가스화 반응에 필요한 엔탈피"
"가스와 반응에 필요한 엔탈피"의 의미가 좀 애매한 표현이기 때문에 먼저, 이 용어의 정의를 명확히 해야 할 것 같습니다.
("상온의 가스를 반응온도까지 가열할 때 필요한 열량")+("활성화 에너지") 로 정의 되어 있는지
("가스화 반응의 반응열")을 의미하는지

이를 먼저 확인하여 다시 질문 바랍니다.