A catalytic membrane reactor gives remarkable advantages compare to the conventional reactor on fuel conversion and operating conditions because it overcomes the thermodynamic equilibrium by continuously separating the hydrogen through Pd based membranes. For increasing the hydrogen productivity, a higher membrane surface area is required thus, a multi-tube membrane reactor can obtain more membrane area owing to its higher surface to volume ratio compare to a single-tube membrane reactor. Consequently, studying the multi-tube membrane reactor is required for its practical use in the industry. Two design parameters, number of tubes and tube pitch, is considered because increasing the tube diameter leads to decrease in surface to volume ratio besides tube length has limitation on its fabrication. Tube pitch affects mass and heat transfer inside the reactor and number of tubes is most relevant parameter to reactor scalability. In this study, investigations on design parameters of multi-tube membrane reactor have been carried out using computational fluid dynamics simulation. The reactor were designed based on tube pitch and number of tubes, and the performance of reactor was examined based on simulation. In addition, the hydrogen permeation with different locations as well as local distribution of reactor were discussed as the causes of performance change. As a result, it was confirmed that tube pitch is important parameter for optimizing the reactor design. Thus, the result revealed that the hydrogen permeation of each tubes was affected by the location of adjacent tubes.
촉매 막 반응기는 팔라듐 분리막을 통한 지속적인 수소 투과 현상으로 열역학적 평형의 한계를 극복함으로 기존 반응기보다 연료 전환율과 운전 조건에서 주목할 만한 장점들을 제공한다. 수소 생산성을 높이기 위해서는 더 넓은 분리막 면적이 요구되는데, 다중 튜브 분리막 반응기는 이러한 측면에서 단일 튜브 막 반응기에 비해 더 많은 분리막을 포함할 수 있다. 따라서, 촉매 막 반응기의 실용성을 위해 다중 튜브 분리막 반응기에 대한 연구가 요구된다. 튜브의 지름을 늘리게 될 경우 체적 대비 넓이가 감소하고, 튜브의 길이는 제조하는데 한계를 가지며, 높이에 따른 투과 양 차이로 인하여 비효율적이기 때문에 본 연구에서는 튜브 사이 간격과 튜브 개수를 매개 변수로 하였다. 튜브 간격은 반응기 내부 물질 열 전달에 관여하며, 튜브의 개수는 반응기의 확장성과 가장 연관이 높은 변수이다. 본 연구에서는 전산 유체 시뮬레이션을 활용하여 다중 튜브 촉매 막 반응기 장치 설계 매개변수에 대해 조사하였다. 튜브 간격과 튜브 개수를 매개 변수로 다중 튜브 분리막 반응기를 설계하고, 시뮬레이션을 통해 반응기의 성능을 분석하였다. 그 후 튜브 위치에 따른 수소 투과 양, 반응기 내부의 수소 및 온도 분포에 대해 관측하고 해석하였다. 그 결과 튜브 간격은 다중 튜브 분리막 반응기 설계를 최적화하기 위한 중요한 변수임을 확인하였고, 각 튜브의 수소 투과 양은 주변 튜브들의 위치에 영향을 받는 것으로 조사되었다.
