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  exothermic reactor의 설계
  글쓴이 : 별비   고유ID : revigod     날짜 : 22-07-28 13:40     조회 : 195    
안녕하세요. 화공 엔지니어를 희망하고 있는 학부생입니다.
현재 공정설계 과정에서 가진 의문사항에 대해 고견을 여쭙고자 하여 질문글을 쓰게 되었습니다.
현재 ammonia production에 대해 진행하고 있는데, 반응기에 대해 질문이 있습니다.
주어진 조건은 다음과 같습니다. (N2+3H2 -> 2NH3, conversion 60% at 500 deg C, 150bar)
본 공정에 대해 에너지 회수를 위해 feed stream과 product의 열교환, 폐열보일러의 설계등을 고려하고 있습니다.
1) 반응 조건을 맞추기 위해 H2, N2를 미리 압축/가열 하여 500C,150bar를 맞춘 후 반응기 내부의 조건도 모사 과정에서 동일하게 설정하는 것으로 알고 있습니다. 여기서 가열에 필요한 duty를 줄이기 위해 가열하지 않은 reactant 일부를 split하여 반응기 흐름 중간 중간에 투입하게 설정해도 무방한지
2) exothermic reaction에서 reactor 자체를 cooling하게 위해 실제 산업에서 사용되는 기법
에 대해 여쭙고 싶습니다. 감사합니다

Stefano    22-07-28 19:43
(A1) 발열반응기에 공급하는 Feed 반응원료(N2, H2)와 고온의 Effluent 반응생성물과 열교환 후 반응기에 투입하는 과정에서 일부 예열되지 않은 반응원료를 반응기에 투입하는 것이 괜찮은지에 대해 문의하였는데  그리하는 목적은 반응기 온도조절에 의한 반응속도 조절을 위함입니다. 

발열반응기에서 (1) Feed의 온도가 높아지면 (2)반응속도가 빨라져서 (3)반응기 출구 온도가 높아지고 (4)이로인해 Feed 온도가 상승하기 때문에 반응기 온도조절을 하지 못하는 경우 반응기 온도가 급격히 상승하여 Catalyst를 손상시킬 수도 있기 때문입니다. 

(A2) 이런 목적으로 상용 반응기에서 사용하는 Cold Feed Gas를 흔히 "Quench Gas"라고 부르는데 비정상시 반응기의 온도 폭주Upset (Run-away)를 방지하고 정상운전시에는 반응온도를 제어하는 목적으로 사용합니다.

Quench Gas 공급방법은 반응기 입구에 가열된 반응원료와 섞어줄 수도 있고  반응기 촉매층 중간 중간에 나누어 투입할 수도 있습니다.  정교하게 반응기를 각각의 위치에서 투입량을 조절하여 반응기 전체의 온도를 조절할 수 있도록 하고  공정이상(폭주)시 밸브를 완전히 열어줄 수도 있습니다.
스테파노 Stefano   22-07-28 20:06
암모니아 발열반응기의 3가지 형태는 이곳에서 참고로 해 보세요:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0263876217305865
별비 revigod   22-07-29 12:19
귀중한 답변 감사드립니다. 지식 습득에서 큰 도움이 되었습니다.
본 연구에서는 H2에 대한 conversion 값이 문제 조건으로 제시 되어있어 conversion reactor를 사용하는데, 실제 공정모사 단계에서 Conversion reactor에 quench gas를 투입할 방법에 대해 고민을 더 해봐야 할것 같습니다. 감사합니다!
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