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  반응기 온도와 들어가는 stream의 온도 차
  글쓴이 : alsekfvodd…   고유ID : dc07006     날짜 : 23-08-05 16:40     조회 : 1130    
평소에 도움을 많이 받고 있는 학부생입니다. 늘 감사합니다.
Water gas shift PFR 반응기의 온도와 반응기로 들어가는 stream의 온도에 관해 궁금한 것이 있어 질문드립니다.   
WGS 반응 : CO+H2O->CO2+H2     반응은 흡열 반응이고 양론계수는 반응물과 생성물이 같습니다.
이 경우 low temperature WGS 반응기의 온도가 200도일 때 공정모사 프로그램에서 simulation결과 inlet stream의 온도가 감소할수록 CO의 conversion이 증가하는 경향을 보였습니다.

1. 그렇다면 inlet stream의 온도를 낮춰서 넣는게 이득인지 궁금합니다. (모사프로그램 상으로는 온도 증가에 따라 선형적으로 CO conversion이 감소하였습니다.). 반응기로 들어가게 되는 inlet stream과 반응기의 온도가 너무 차이 난다면 duty나 내구성 등의 문제가 생길 것으로 생각되는데 실제로도 그런지 궁금하고 그럼에도 불구하고 낮춰서 넣는 것이 더 좋을지 궁금합니다.

1-1 만약 낮춰서 넣는것이 좋다면 일반적으로 어느 정도가 허용가능한지 궁금합니다.

2. 모사 프로그램이기에 온도를 낮춤에 따라 conversion이 증가한건지 실제로도 해당 반응에서 inlet stream의 온도를 낮추면 CO의 conversion이 증가하는지 궁금합니다. 흡열 반응의 경우 보유한 에너지가 높으면(온도가 높으면) 반응이 잘 진행된다고 생각했는데 반대의 결과가 나와 의문이 듭니다.

스테파노 Stefano   23-08-05 19:35
(A0) Water Gas Shift Reaction(WGSR)은 평형반응입니다.  반응이 진행되면서 평형에 도달하는 방향으로  반응이 진행되는데,  온도가 낮아질수록 반응은 정방향 반응쪽으로 평형이 이동하는 특성를 가지고 있습니다.

따라서 CO전환율을 높이기 위해 과량의 H2O를 투입하고 반응기 출구온도를 낮게 유지하는 것이 LTS(Low Temperature Shift-Gas) Reactor의 핵심입니다. 

이에 반하여 HTS(High Temperature Shift-Gas) Reactor는 반응온도가 높아서 반응평형이 LTS 보다 역방향 쪽에 머물게 되지만 (즉 반응평형에는 불리하지만) 반응속도가 빨라서 초기 반응전환율을 높여주는 것이 HTS Reactor의 핵심입니다.

(A1) 단지 LTS 전환을만을 위해서는 Inlet Stream의 온도보다는 LTS반응기 출구온도를 낮게 유지하는 것이 좋습니다. Steam이 응축되지 않고 기상으로 최대한 남아있는 상태에서 최대한 온도를 낮추는 것이 유리합니다.
(기상반응 공정모사 시  이따금씩 반응물 성분중 액상으로 분리되어 실제로 반응에 참여하지 못하는 경우가 있다는 것에 유념해야 합니다. 따라서 공정모사 시 혹시 반응혼합물이 기-액 혼합물 상태가 아닌지 확인이 필요합니다.)

(A1-1) 너무 온도가 낮아지면 일부의 Steam이 기상반응에 참여하지 못하여 반응평형에 불리해 지고, 또한 반응속도가 느려져서 반응기 체류시간의 증가로인하여 반응기 크기가 증가하게 됩니다.    어느정도...인지는 단순한  문제가 아닙니다.

(A2) 예비반응공정 모사의 결과는 WGSR반응 특성이 그대로 나타난 것인데...온도에 따른 반응속도와 반응평형정수의 특성을 이용하여 두 반응기 전체의 크기를 최소로 하고 전환율을 최고로 하기 위한 최적화 문제는  반응공학에서 아주 흥미로운 주제입니다.     

온도가 높으면 반응이 잘 진행되는 것 맞습니다.  반응속도가 높은 것이지요.. 이는 HTS에서 추구했던 내용이고,
반응온도가 낮을 수록 CO Conversion이 증가하는 것 맞습니다.  이는 LTS에서 추구하고 있는 바에 해당합니다.  (필요하다면 조교님 또는 교수님과 상의하셔서) 이 두개 주제를 묶어서 최적화 문제로 도출해 보세요.
alsekfvodd… dc07006   23-08-06 12:36
덕분에 이해가 잘 됐습니다. 말씀해주신 부분을 생각해서 설계해보도록 하겠습니다. 좋은 하루 보내시길 바랍니다.
감사합니다!
지나가는 …    23-08-18 13:27
WGS 반응 : CO+H2O->CO2+H2은 흡열 반응이 아닌 발열 반응입니다.
따라서 온도가 낮을수록 따라 열역학적인 관점에서 반응평형이 정반응쪽으로 머물기에 conversion rate가 증가하나 kinetic관점에서는 분자운동속도가 느려지기에 온도가 낮으면 반응속도가 느립니다. 따라서 Stefano님이 말씀하신 것처럼 HTS후 LTS를 하여 이를 보완 해줍니다.
   

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