고정층 Fischer-Tropsch 반응기의 액상 왁스 정체 현상 모델링

Abstract

Fischer-Tropsch 합성은 주로 긴 carbon 사슬을 가지고 있는 높은 점도의 왁스를 product로 생산한다. 촉매 고정층 반응기를 이용하여 Fischer-Tropsch 합성을 수행할 경우, 왁스는 촉매입자의 표면에서 생산되어 촉매입자 표면에 흡착되어 있다. 이런 왁스의 hold-up 현상이 반응기 전체의 압력강하는 증가시키고 내부 흐름을 막는 문제를 일으킨다. 따라서 반응기 내부에 왁스가 hold-up되는 현상에 대한 모델링을 통해 왁스 hold-up 현상을 최소화 할 수 있는 반응기 및 촉매 입자의 크기를 결정하는 설계 과정이 필요하다. 본 연구에서는 왁스가 hold-up된 촉매 입자와 기체 흐름 사이의 대류 물질 전달 실험 모델을 이용하여 반응기 구조 및 운전 조건을 고려할 수 있는 반응기 내부 왁스 hold-up 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 실험 데이터를 제공한 Knochen의 연구 결과와 비교하여 모델의 우수성을 검증하였다. 이 모델을 이용하여 반응기의 길이와 단면이 반응기 내부 왁스 hold-up 현상에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 분석해 보았다. Fischer-Tropsch synthesis mainly produces a wax which is a viscous liquid for long carbon chain. When a catalytic fixed-bed reactor is used for Fischer-Tropsch synthesis, the wax generated on a catalyst surface can keep adsorbing on the catalyst surface. This liquid hold-up causes significant pressure drop and clogging problems through the reactor. Thus, the model for liquid hold-up is required to design the size of reactor and catalyst particles. In this study, the liquid hold-up model considering structural and operational conditions was proposed based on empirical equations for convective mass transfer between the syngas flow and the wax-adsorbed catalyst. The developed model was validated by comparing with the experimental data from Knochen's work (2010). The influence of reactor length and coross section on the wax hold-up in reactor were analyzed and the optimal reactor size were proposed.