[논문]Bench-scale 고압반응기 내의 미세액적분사에 따른 <tex> $SF_6$</tex> 하이드레이트 형성 거동 연구

문동현; 이재정; 신형준; 이주동; 이강우

Bench-scale 고압반응기 내의 미세액적분사에 따른 $SF_6$ 하이드레이트 형성 거동 연구
Study on $SF_6$ hydrate Formation and Dissociation Behavior inside of Bench-scale High Pressure Reactor 원문보기

문동현 ((주)유성 중앙연구소) , 이재정 ((주)유성 중앙연구소) , 신형준 ((주)유성 중앙연구소) , 이주동 (생산기술연구원 부산지역본부) , 이강우 ((주)유성 중앙연구소)

본 연구에서는 가스 하이드레이트 형성과정에서 발생할 수 있는 유도지체시간을 줄이고 전체 가스 저장량과 반응 속도의 향상을 위하여 이류체 분사 방식을 이용하여 물분자의 액적을 최소화하는 실험을 통하여, 미세액적 분사에 따른 하이드레이트 형성 시간을 확인하였으며, 반응기 내부의 온도 변화를 확인하여 반응기 내부의 하이드레이트 형성 거동을 확인하고 이를 통하여 상용화를 위한 반응기 설계의 기초 자료로 활용하고자 하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 가스 하이드레이트 형성과정에서 발생할 수 있는 유도지체시간을 줄이고 전체 가스 저장량과 반응 속도의 향상을 위하여 이류체 분사 방식을 이용하여 물분자의 액적을 최소화 하였으며, 이를 통하여 하이드레이트의 핵형성 속도를 변화시킴으로서 하이드레이트 제조효율을 증가시키고자 하였다. 본 연구에서는 내용적 10.
본 연구에서는 가스 하이드레이트 형성과정에서 발생할 수 있는 유도지체시간을 줄이고 전체 가스 저장량과 반응 속도의 향상을 위하여 이류체 분사 방식을 이용하여 물분자의 액적을 최소화 하였으며, 이를 통하여 하이드레이트의 핵형성 속도를 변화시킴으로서 하이드레이트 제조효율을 증가시키고자 하였다. 본 연구에서는 내용적 10.18ℓ의 Large-scale 반응기를 제작하여 하이드레이트 형성 거동 연구 결과를 바탕으로 하이드레이트의 생산, 회수, 분리 및 저장 시설 등의 기초 설계의 필수자료로서 사용될 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 분사 방식에 따른 하이드레이트의 형성 거동을 직접 관찰하기 위하여 반응기의 내부관찰이 용이하도록 Pyrex Glass 재질의 반응기를 제작하였으며, 반응기는 내용적 10.18ℓ(￠180, H400)로 하였다. Pyrex Glass 재질의 반응기를 이용한 고압 실험의 안정성 확보를 위하여 수압강도측정을 수행하였다.
이류체 분사를 통한 미세액적을 이용한 하이드레이트 형성 시간을 확인하였으며, 반응기 내부의 온도 변화를 확인하여 높이별 반응기 내부의 하이드레이트 형성 거동을 확인하고 이를 통하여 상용화를 위한 반응기 설계의 기초 자료로 활용하고자 하였다.

제안 방법

18ℓ(￠180, H400)로 하였다. Pyrex Glass 재질의 반응기를 이용한 고압 실험의 안정성 확보를 위하여 수압강도측정을 수행하였다. 반응기는 최대 15bar 까지 운전가능하며 aluminum die casting 소재의 cap으로 몸체의 상하를 고정하도록 제작되었다.
그리고 하이드레이트 생성을 위해 내부혼합형 이류체 분사를 이용하여 pure water와 SF₆ 가스가 노즐 내부에서 혼합되어 분사될 수 있도록 하였다. pure water의 정확한 투입량을 인버터의 Hz별 유량을 확인하였다. 실험은 pure water의 투입 후 반응기 내부 온도의 안정화가 일어나는 시간에 SF₆를 투입하여 반응기 내에 미세액적을 형성시켜 하이드레이트 형성 거동을 관찰하였다.
반응기를 구성하는 부품을 증류수로 세척 후 건조시키고 조립하여 사용하였다. water bath의 온도를 실험온도로 제어하고 반응기 내부온도가 실험온도에 이르도록 한 후 반응기 내부 기상을 대상가스로 치환시키기 위해 2bar 이상 충진 후 배출하는 Flushing 과정을 5회 이상 반복하였다. 그리고 하이드레이트 생성을 위해 내부혼합형 이류체 분사를 이용하여 pure water와 SF₆ 가스가 노즐 내부에서 혼합되어 분사될 수 있도록 하였다.
water bath의 온도를 실험온도로 제어하고 반응기 내부온도가 실험온도에 이르도록 한 후 반응기 내부 기상을 대상가스로 치환시키기 위해 2bar 이상 충진 후 배출하는 Flushing 과정을 5회 이상 반복하였다. 그리고 하이드레이트 생성을 위해 내부혼합형 이류체 분사를 이용하여 pure water와 SF₆ 가스가 노즐 내부에서 혼합되어 분사될 수 있도록 하였다. pure water의 정확한 투입량을 인버터의 Hz별 유량을 확인하였다.
1℃단위로 제어 가능하도록 설계하였으며, Programmable Controller를 이용하여 step별 시간설정 등 자동제어가 가능하다. 또한 반응기 내부의 높이에 따른 온도 변화를 측정할 수 있도록 80mm 단위로 5개의 TP type 구리-콘스탄탄 열전대를 설치하였으며, Digital indicator를 통하여 5초 단위로 온도 정보를 수집하였다. 하이드레이트 결정 구조를 형성하게 될 순수의 공급은 인버터를 통하여 3상 유도전동기(1.
반응기를 구성하는 부품을 증류수로 세척 후 건조시키고 조립하여 사용하였다. water bath의 온도를 실험온도로 제어하고 반응기 내부온도가 실험온도에 이르도록 한 후 반응기 내부 기상을 대상가스로 치환시키기 위해 2bar 이상 충진 후 배출하는 Flushing 과정을 5회 이상 반복하였다.
pure water의 정확한 투입량을 인버터의 Hz별 유량을 확인하였다. 실험은 pure water의 투입 후 반응기 내부 온도의 안정화가 일어나는 시간에 SF₆를 투입하여 반응기 내에 미세액적을 형성시켜 하이드레이트 형성 거동을 관찰하였다. 이류체 노즐을 통한 미세액적 분사에 따라 반응기 상부로부터 80mm 높이의 차이를 두어 설치된 온도 정보를 분석함으로서 분사 후 하이드레이트 형성 최적 영역 및 하이드레이트 형성 거동을 관찰하였다.
온도제어는 냉각순환수를 이용한 간접냉각방식을 채택하였으며, 냉각순환수는 Circulating Chiller & Water Bath로부터 -20℃까지 0.1℃단위로 제어 가능하도록 설계하였으며, Programmable Controller를 이용하여 step별 시간설정 등 자동제어가 가능하다.
실험은 pure water의 투입 후 반응기 내부 온도의 안정화가 일어나는 시간에 SF₆를 투입하여 반응기 내에 미세액적을 형성시켜 하이드레이트 형성 거동을 관찰하였다. 이류체 노즐을 통한 미세액적 분사에 따라 반응기 상부로부터 80mm 높이의 차이를 두어 설치된 온도 정보를 분석함으로서 분사 후 하이드레이트 형성 최적 영역 및 하이드레이트 형성 거동을 관찰하였다.
이류체 분사를 통한 미세액적을 이용한 방식의 하이드레이트 형성 방법과 교반기를 이용한 방식의 하이드레이트 형성 방법의 하이드레이트 형성 시간 비교 관찰해 보았다.
이류체 분사를 통한 미세액적을 이용한 하이드레이트 형성에 따른 반응기 내부의 온도 변화를 확인하였다. 1000sec 동안 반응기 내부의 하이드레이트 형성 거동을 관찰한 결과는 Fig.
하이드레이트 형성특성 관찰을 위한 실험조건 중 가장 중요한 인자는 등압, 등온이다. 이를 위해 반응기 압력을 자동으로 제어할 수 있도록 actuator를 설치하였으며, 대상가스의 공급라인 길이에 따른 피드백으로 작용하는 압력 헌팅을 방지하기 위하여 반응기와 actuator 사이에 metering valve를 설치하였다. 그리고 반응기 내부 압력은 0.
또한 반응기 내부의 높이에 따른 온도 변화를 측정할 수 있도록 80mm 단위로 5개의 TP type 구리-콘스탄탄 열전대를 설치하였으며, Digital indicator를 통하여 5초 단위로 온도 정보를 수집하였다. 하이드레이트 결정 구조를 형성하게 될 순수의 공급은 인버터를 통하여 3상 유도전동기(1.5Kw (2HP) 4P, 현대중공업주식회사)의 RPM을 조절하여 분사량을 조절하였다.

대상 데이터

SF₆와 pure의 기액접촉면적의 차이에 의한 하이드레이트 형성 시간 변화를 관찰하기 위하여 Fig. 2에서 보는 바와 같이 기존의 연구자들에 의해 알려진 SF₆ 99.9%의 상평형값인 7bar, 10.4℃에서 5℃ 과 냉각조건에서 실험을 수행하였다.
하이드레이트 형성자(Guest molecule)로 SF6 gas(99.9% grade, Solvay)를 사용하였으며, Host로는 2차 순수(전기전도도:35.6㎲, 비저항:13.7~15.4㏁․㎝,25℃, 이온제거비:99.7~99.8%, Aqua MAX™ Basic361 Water Purification system)를 사용하였다.

성능/효과

반응기 상부에서 분사에 따른 하이드레이트의 주요 형성 영역은 분사구로부터 240mm이상의 위치에서부터 멀어질수록 형성율은 높아지는 것으로 관찰되었다.
하이드레이트 형성 시간의 경우 반응기의 형상, 재질 등의 다양한 변수들에 의하여 달라질 수 있으나, 본 실험에서는 교반에 비하여 10배 이상 하이드레이트 형성 시간이 단축되어짐을 볼 수 있었다.

후속연구

주요 하이드레이트 형성 영역은 ΔH 320~400mm이상의 구간으로 판단되어지나, 본 연구에 사용된 최대길이 400mm를 넘는 구간을 관찰하지 못하여 분사에 따른 주요 하이드레이트 영역의 한계점은 확인하지 못하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

이류체 분사 방식을 이용하여 물분자의 액적을 최소화하는 목적은?

본 연구에서는 가스 하이드레이트 형성과정에서 발생할 수 있는 유도지체시간을 줄이고 전체 가스 저장량과 반응 속도의 향상을 위하여 이류체 분사 방식을 이용하여 물분자의 액적을 최소화하는 실험을 통하여, 미세액적 분사에 따른 하이드레이트 형성 시간을 확인하였으며, 반응기 내부의 온도 변화를 확인하여 반응기 내부의 하이드레이트 형성 거동을 확인하고 이를 통하여 상용화를 위한 반응기 설계의 기초 자료로 활용하고자 하였다.

가스 하이드레이트란?

가스 하이드레이트는 저온․고압 조건하에서 수소결합을 하는 고체상 격자(hydrogen-bonded solid lattice) 내에 하이드레이트 형성자(guest molecule)인 작은 가스 분자들이 포획되어 형성된 결합체이다. 가스 하이드레이트의 결정구조(crystal structure)는 수소 결합으로 이루어진 물분자 (hydrogen-bonded water molecular)에 의하여 형성된 다면체(poly-hydra)의 공동(cavity)으로 구성되어 있으며, 현재까지 알려진 공동의 유형에는 512, 51262, 51264, 51268, 435663이 있다1).

하이드레이트 형성특성 관찰을 위한 실험에서 압력을 조절하기 위하여 어떻게 설계하였는가?

하이드레이트 형성특성 관찰을 위한 실험조건 중 가장 중요한 인자는 등압, 등온이다. 이를 위해 반응기 압력을 자동으로 제어할 수 있도록 actuator를 설치하였으며, 대상가스의 공급라인 길이에 따른 피드백으로 작용하는 압력 헌팅을 방지하기 위하여 반응기와 actuator 사이에 metering valve를 설치하였다. 그리고 반응기 내부 압력은 0.01bar단위로 controller를 이용해 조절가능하다. 온도제어는 냉각순환수를 이용한 간접냉각방식을 채택하였으며, 냉각순환수는 Circulating Chiller & Water Bath로부터 -20℃까지 0.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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