Membrane reactors include both a chemical conversion process for producing hydrogen from fossil fuels through steam reforming reactions and a separation process for selectively permeating hydrogen through membranes. The hydrogen permeation through membranes overcomes the equilibrium state of steam reforming reactions by Le Chatelier’s principle, and induces forward reactions to increase its conversion. The hydrogen separation process is advantageous for high pressure, but steam reforming reactions have an adverse effect on hydrogen production at high pressure. Therefore, a pre-reformer is required to convert fossil fuels into methane rich gas, and hydrogen is further produced and collected through a membrane reactor. As the products of a pre-reformer are directly connected to the reactants of a membrane reactor, it is necessary to understand the chemical reactions and thermodynamics that occur in each process in order to design the integrated process. This paper proposes the guideline of designs and operating conditions in a pre-reformer and a membrane reactor through 3D CFD process simulation. Both process models are validated by comparison with experiment results at various pressure, and understand the mechanism of steam reforming reactions by plotting the reaction rates depending on the position. A pre-reformer analyzes the maximum flow rate at which the gas composition can reach an equilibrium state, and requires attention to heat supply through observing the effect of temperature reduction by reactions in a horizontal section. A membrane reactor analyzes the reason why methane conversion increases rapidly with the pressure by confirming that the hydrogen permeability and steam reforming reaction rates are strong at the front of the membrane tube. Efficiency of the membrane reactor is analyzed by comparing conversion, yield, and the product of dimensionless numbers for three designs with different length and diameter ratios. Eventually, understanding of the overall processes and analysis of design and operating conditions provide insight into the integration of the two processes.
분리막 반응기는 증기 개질 반응을 통해 화석 연료로부터 수소를 생산하는 화학적 전환 공정과, 분리막을 통해 선택적으로 수소를 투과시키는 분리 공정을 포함한다. 분리막을 통한 수소의 투과는 르 샤틀리에의 원리에 의하여 증기 개질 반응의 평형 상태를 극복하고 정반응을 유도하여 전환율을 높인다. 그런데 수소 분리 과정은 높은 압력에 유리하지만 증기 개질 반응은 높은 압력에서 수소 생성에 역효과를 준다. 따라서 예비 개질기를 통해 화석 연료를 고농도의 메탄 가스로 변환시킨 뒤, 분리막 반응기를 통해 수소를 추가 생산하며 수집한다. 예비 개질기의 생성물은 분리막 반응기의 반응물과 직결되기 때문에, 종합 공정의 설계를 위해선 각 공정에서 일어나는 화학 반응과 열역학에 대한 이해가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 삼차원적 전산유체역학 공정 모사를 통해 예비 개질기와 분리막 반응기의 장치 설계와 운전 조건에 대한 지침을 제안한다. 두 공정 모델은 다양한 압력에서 실험값과의 비교를 통해 검증되며, 위치에 따른 반응 속도를 도시함으로써 증기 개질 반응의 메커니즘을 이해한다. 예비 개질기는 가스 조성이 평형 상태에 도달할 수 있는 최대 유량을 분석하고, 반응에 의한 온도 감소 효과를 수평적 단면으로 관찰함으로써 열 공급에 대한 주의를 요구한다. 분리막 개질기는 수소 투과율과 증기 개질 반응 속도가 분리막 관의 앞부분에서 강한 것을 확인하여, 압력에 따라 메탄의 전환율이 급격히 증가하는 이유를 분석한다. 분리막 개질기의 효율성은 지름과 길이의 비율이 다른 세 가지 설계에 대하여 전환율, 수득율, 그리고 무차원수의 곱의 비교를 통해 분석된다. 궁극적으로 전반적인 공정에 대한 이해도와 설계 및 운전 조건 분석은 두 공정의 집적화에 대한 통찰을 제공한다.
