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바이오매스 바이오연료 조사

생명화학공학 설계 Project- 바이오연료(Biofuel)목 차1. 바이오매스 11.1 바이오매스의 종류 21.2 바이오매스의 생산방식 22. 바이오연료 32.1 바이오연료 생산 공정42.1.1 바이오디젤 42.1.2 바이오에탄올72.1.3 바이오부탄올93. 바이오연료 분야에서 앞서가는 회사들113.1 듀폰113.2 유럽123.2 덴마크123.3 캐나다124. 바이오연료와 석유 제품과의 비교 134.1 환경적인 측면 134.2 경제적인 측면 145. 미래의 바이오연료 연구 예측 및 방향 제시 155.1 미래의 바이오연료 연구 155.2 우리나라의 바이오연료 연구 방향 제시 156. 참고문헌171. 바이오매스바이오매스는 모든 식물과 기본적으로 광합성에 의해 획득된 모든 에너지를 함유하는 식물이 근원인 재료를 말한다. 재생에너지의 종류인 바이오매스는 나무, 풀, 농작물, 다른 생물학적 재료 등과 같은 유기물 재료로, 햇빛을 화학적 에너지의 형태로 저장한다. 식물이 햇빛으로부터의 복사에너지를 포도당 또는 설탕의 형태인 화학적 에너지로 변환한다. 이러한 변환과정을 화학식으로 표현하면 다음과 같다.6H2O + 6CO2 + 복사에너지 → C6H12O6 + 6O2연소가 일어나면, 화학적 에너지는 열로 방출된다. 벽난로에서 연소되는 나무들은 바이오매스 연료이며, 바이오매스는 수 천 년 동안 주택과 건물의 난방용으로 사용하는 주요 근원이다. 사실 바이오매스는 개발도상국의 대부분에서 주요한 에너지의 원천으로 계속 사용되고 있다. 나무, 식물, 농경 또는 임산물 찌꺼기, 도시와 산업용 쓰레기의 생물학적 부분들과 같은 다양한 바이오매스의 형태들이 있으며, 현재 에너지원으로 사용되고 있다. 오늘날 많은 바이오에너지 원은 바이오에너지 공급재료라 불리는 빨리 성장하는 나무와 풀과 같은 에너지 작물의 경작으로 보충된다.바이오에너지라고도 불리는 바이오매스는 전기생산, 열, 화학제품, 또는 차량용애 고체연료로 사용되거나, 액체 또는 기체형태로 변환 되어 이용되며, 순(net) 온실가스를 발생시키지 않는다. 다른 재생에너지와는 달리 수송용에 사용하기 위하여 직접 액체로 변환될 수 있는 바이오매스를 바이오연료(biofuel)라고 하며, 에탄올과 바이오디젤의 2가지로 분류된다. 알콜인 에탄올은 맥주 양조과정과 유사하게 옥수수 같은 탄수화물을 고도로 발효시켜 생산된다,. 에탄올은 차량의 일산화탄소와 스모그를 우발하는 배기가스를 감소하기 위하여 보통 연료첨가제로 사용된다. 에스테르인 바이오디젤은 식용유, 동물의 지방, 해조류, 재생된 요리용 수지등을 이용하여 만들어진다. 또, 차량의 배기가스를 감소하는 디젤첨가제로 사용되거나 순수하게 차량연료로 사용될 수 있다. 바이오매스는 미국에서 재생에너지 생산량 중 수력 다음으로 많이 사용하며, 주요에너지 생산량의 약 3％를 점유한다. 현재 설치된 용량이 7,000 MW 이상인 바이오매스는 매해 370억 kWh의 전기를 생산하며, 이러한 전기량은 연간 Colorado주 전체가 사용하는 양보다 더 많다.1.1 바이오매스의 종류재생가능 자원으로 바이오매스에는 매우 다채로운 종류가 있는데 곡물, 목재, 짚 농업폐기물, 종이, 판지, 유지, 축산분뇨, 음식물쓰레기 등이 있다. 바이오는 나무처럼 가공하지 않은 상태에서 손쉽게 열을 생산하는 데 이용할 수 있지만 가공하면 자동차 연료나 전기를 생산하는 데 이용된다. 바이오매스는 고체, 액체, 기체 산물로 변환되어 전기, 열, 가스, 수송연료 같은 최종 소비용 제품과 바이오케미컬, 건축 재료 같은 원료를 생산하는 것이 있다.고체 바이오매스액체 바이오매스바이오가스종류·나무류·작물 및 작물의 껍질, 줄기 등 농업 폐기물·잡초·동물배설물·바이오알콜(에탄올, 메탄올, 부탄올)·식물추출오일·바이오디젤(동식물지방의 변환)·바이오메탄(매립지 가스)용도·직접 연소(가장 일반적임)·액체바이오매스의 원료·연료용·산업용·연료용·산업용바이오매스의 종류와 용도1.2 바이오매스의 생산방식바이오매스는 열화학적 변환, 생화학적 변환, 직접적인 기름추출방식을 통해서 가공하여 직접 에너지를 얻거나 연료로 변환할 수 있다.열화학적 가공방식은 직접적인 연소, 가스화, 열분해가 있다. 직접 연소방식은 나무나 농산물 찌꺼기를 태워서 열을 얻거나 태운 열로 증기를 만들어 난방열과 전기를 생산한다. 바이오매스를 공기를 완전히 차단한 상태에서 고온으로 가열하면 열분해가 일어난다. 열분해를 거치면 바이오기름, 가스, 목탄이 나온다.생화학적 가공방식은 혐기성 분해와 발효를 이용한다. 음식찌꺼기, 가축분뇨 같은 유기질 쓰레기는 공기를 차단한 상태에서 박테리아를 이용해서 분해하는 방식이다. 이 과정에서 50％ 이상의 메탄이 함유된 가스가 발생하는데 정화 과정에서 수분을 제거한 후 열 병합 발전기에서 열과 전기를 생산하는 것이다. 발효는 에탄올을 생산하는 데 이용되는 방식이다.에탄올은 바이오 중에서 가장 일찍 개발되어 수송용 연료로 각광을 받고 있다. 발효는 사탕수수, 사탕무, 옥수수 등에 함유된 당분을 에탄올로 변환시키는 데 이용된다. 바이오디젤은 콩, 팜, 유채씨앗, 동물성 지방, 폐식물성기름 등의 바이오매스로부터 유기질 기름을 추출하여 만들어 낸다. 최근에 주목을 받고 있고 앞으로 연구개발하면 엄청난 효과가 있는 방법이 셀룰로오스계 에탄올 생산방식이다. 나무 등의 단단한 목재나 풀로부터 에탄올을 생산하는 것이다. 주변에 널리 산재해 있는 폐목재로부터 에탄올을 생산할 수도 있고 성장이 빠른 나무를 개량하여 재배할 경우 삼림의 효율적인 이용이 가능해질 수 있다.2. 바이오연료바이오연료는 바이오디젤과 바이오에탄올의 두 가지 부문으로 되어 있다. 바이오디젤(식물성 메칠 에스텔)은 기름기가 있는 유량작물로부터 생산되고 바이오에탄올은 주로 옥수수, 사탕수수, 사탕무 등의 곡물의 당질을 발효시키거나 포도로부터 와인 알코올을 경유하여 만들어 진다. 바이오디젤은 디젤오일과, 바이오에탄올은 가솔린과 혼합하거나 순수한 형태로 이용된다.액체 바이오연료의 상업화는 바이오디젤이 앞서고 있으나 발전 잠재력은 바이오 에탄올이 더 높다. 바이오디젤은 디젤오일과 혼합하여 사용하면 기존 디젤엔진에서도 사용이 가능하므로 단기간에 보급이 확대되고 있다. 그러나 바이오디젤은 바이오에탄올에 비해 원재료가 제한적이며 연소할 때 오염 물질이 많은 것이 단점이라 할 수 있다. 이에 대해 바이오 에탄올은 전통적으로 곡물의 녹말 성분을 발효시켜 제조하지만 곡물 가격이 높기 때문에 값싼 원료를 선정하는 것이 중요하다.유럽은 바이오연료의 개발에 야심적인 목표를 갖고 있다. 그 목적은 유럽 지역 내의 에너지 안보를 확보하고 이산화탄소 배출 감소로 지속적인 유럽의 경쟁력을 강화하는 것이다. 2005년 유럽에서 생산된 바이오연료는 390만 톤으로 2004년에 비해 65.8％ 증가하였다. 바이오디젤은 유럽 바이오연료 총생산 중 81.5％를 점유하고 있다. 유럽 사람들은 바이오디젤을 원유에서 나오는 디젤 연료와 동일하게 선호하고 있다. 바이오에탄올도 2004년부터 2005년간 생산량의 70.5％ 증가했다.2.1 바이오연료 생산 공정2.1.1 바이오디젤1) 바이오디젤의 역사약 1세기 전에 루돌프 디젤의 디젤엔진 시제품은 땅콩기름으로 작동했으며, 디젤엔진은 다양한 식용유로 작동 가능할 것이라고 기대했다. 그러나 석유 근원의 디젤원료가 시장에 출현함에 따라, 가격이 저렴하며, 상대적으로 효율이 좋고, 바로 사용 가능한 장점으로 인하여 디젤 연료의 선택이 급증했다. 1970년대 중반부터 연료의 부족으로 인하여 다양한 연료원의 발굴에 박차를 가하게 되어, 석유디젤의 대안으로 바이오디젤의 개발이 시작되었다. 바이오디젤은 대기의 이산화탄소를 없애는 공급재료로부터 만들어지기 때문에, 바이오디젤을 사용하면 대기의 이산화탄소가 증가되지 않아 온실가스의 축적을 감축할 수 있다. 최초로 도시형 버스를 바이오디젤로 교체하였으며, 순환버스, 트럭, 공항셔틀, 해상과 국립공원 보트와 차량, 군수용과 광산용 등이 전환되었다.2) 바이오디젤 공급재료미국에서 대부분의 바이오디젤은 콩 기름이나 재활용된 요리용 기름으로 만든다. 동물의 지방, 식용유, 재활용된 기름은 바이오디젤을 생산하기 위하여 사용되며 가격과 유용성에 의존한다. 미래에는, 모든 종류의 지방과 기름의 혼합물이 바이오디젤을 생산하는데 사용될 수 있을 것이다.3) 바이오디젤 생산기름을 바이오디젤로 변환하는 주요한 반응과정에서 식용유, 동물성 지방, 재활용된 기름이 함유하는 트리글리세린(triglyceride) 기름과 메탄올과 같은 알콜이 반응하여 지방산 알킬에스테르인 바이오디젤과 글리세린이 생성된다. 반응은 열과 수산화나트륨 또는 수산화칼륨과 같은 강력한 기저촉매를 필요로 하며, 단순한 반응은 다음과 같다.트리글리세린 + 자유지방산(

공학/기술| 2008.12.12| 19페이지| 2,000원| 조회(1,550)

바이오디젤, 바이오매스, 바이오연료, 바이오에탄올, 바이오부탄올

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토요상설공연 감상문

국악의 이해- 토요상설공연 감상문토요상설공연을 다녀와서2008년 11월 29일 국악의 이해 과목의 감상문 제출을 위해 국립국악원에서 주최하는 토요상설공연을 가게 되었다. 평소 국악연주는 텔레비전을 통해 보았으나 실제로는 본 적은 없어서 다소 기대되었다. 또한 대학생활 중 풍물패 동아리를 하였기 때문에 실제로 전문 국악인이 연주하는 것을 직접 보고 들으면 배울 것 도 많을 것 같다고 생각되었다.공연을 본 날은 다른 과목 레포트 제출과 학기말 시험이 있는 주의 중간이었기 때문에 다소 피곤하기도 하였다. 또 겨울바람이 워낙 거세고 기온도 낮아서 매우 추운 날씨여서 국립국악원에 가는 여정은 시작부터 순탄하지 않았다. 남부 터미널 역에서 같이 공연을 보기로 한 친구들과 만나 마을버스를 타고 국립국악원에 도착하였다.국립국악원에서 내려 예악당이라는 곳으로 찾아갔다. 공연을 보러 가는 사람들이 우리 일행뿐만이 아니라서 앞서 가는 사람들을 졸졸 따라가니 어느덧 예악당에 도착하였다. 예악당에는 공연을 기다리는 제법 많은 사람들이 있었다. 대부분 학생으로 보이는 부류가 많았다. 중고등학생과 대학생으로 보이는 사람들은 나와 같은 목적으로 공연을 관람하고 감상문을 쓰기 위해 공연장을 찾은 것 같았다. 매표소에서 티켓팅 하였는데 24세 이하 청소년은 관람요금을 50% 할인해 주었기 때문에 4천원에 공연을 볼 수 있었다. 표를 끊고 브로셔를 샀는데 브로셔에는 1년 동안 토요상설공연에 나오는 모든 프로그램들이 소개 되어 있었다. 프로그램의 이름은 황종, 대려, 태주, 협종등 12가지였는데 이는 국악의 음이름인 12율에서 따왔다고 한다. 공연을 보러 간 날에는 응종형으로 현악합주 천년만세와 경기민요, 박접무, 대금독주, 판소리 적벽가, 해금협주곡 활의노래, 국악관현악과 호적을 위한 호적풍류가 예정되어 있었다. 공연장의 안내 요원들은 한복을 입고 친절히 공연장으로 들어가는 길을 안내해 주었다.공연장에 들어가 자리에 앉은 뒤 5시 10분정도부터 공연이 시작되었다. 공연은 6시 30분까지 예정되어 있었다. 처음 공연은 현악합주 천년만세였다. 거문고와 가야금 12명, 단소 3명, 장구 1명, 해금 1명 이 연주하였다. 천년만세는 계면가락도드리, 양청도드리, 우조가락도드리로 구성된 모음곡으로, 조선후기 선비들이 즐기던 곡이라고 한다. 천년만세란 아주 오랜 시간을 뜻하는 것으로 오래 살기를 기원하는 의미가 담겨 있다. 거문고, 가야금, 세피리, 대금, 해금 , 단소, 양금, 장구로 편성하여 연주하는 실내악이며, 관현악기의 잔잔한 음향과 경쾌한 리듬이 어울려 가볍고 흥겨운 느낌을 갖게 하였다.두 번째 순서는 경기민요 순서였다. 가야금 1명, 거문고 1명, 장구 1명, 대금 1명, 단소 1명, 해금 1명의 연주에 맞추어 5명의 여성들이 민요를 불렀다. 민요는 한강수타령, 노들강변, 창부타령, 경상도민요 밀양아리랑 순서였다. 민요를 부르는 5명의 여성들은 노란저고리에 파란색치마를 입고 민요를 불렀는데 어깨춤을 덩실덩실 추면서 민요를 부르는 것을 보며 흥겹고 어깨춤을 따라 추면서 같이 민요를 부르고 싶다는 인상을 받았다. 경기민요는 서울과 경기지역을 중심으로 불러져 온 민요로서, 굿거리 자진타령 세마치 등 흥겹고 경쾌한 장단이 많다. 맑고 깨끗한 발성으로 노래하며 선율의 진행은 도약이 많지 않고 위아래의 가까운 음으로 진행한다고 한다. 노들강변과 밀양아리랑은 고등학교 음악시간에 배우고 따라 부르기도 하였던 민요라 다른 민요들보다 접하기 쉬었고 듣는 동안 흥겨웠다.세 번째 순서는 박접무였다. 박접무는 쌍쌍이 노니는 나비의 모습을 형상화한 궁중무용으로 1828년 효명세자가 궁중악사 김창하와 함께 창작하였다고 한다. 6명의 무용수들은 초록색 저고리에 빨간색과 파란색의 치마를 입고 춤을 추는데 저고리에는 호랑나비를 수놓았다고 한다. 연주하는 사람들도 영화에서만 보았던 빨간 옷에 검은색 상투를 쓰고 연주를 하였는데 의상을 보자마자 궁중음악에 사용된 무용이라는 것은 보자마자 알 수 있었다. 무용수들은 춤 대형을 나비의 날개 형상을 생생하게 만들어 내었다. 또한 길게 늘어뜨린 소매 자락을 하늘하늘 뿌리며 나비의 날갯짓을 표현하였다.네 번째 순서는 대금독주였다. 한명의 연주자가 나와 혼자 대금 독주를 하였는데 배경을 보름달이 뜬 밤으로 하고 연주를 하였다. 사실 이 부분은 나의 인내심을 시험해 보는 순간이었다. 여유롭고 느릿한 박자로 연주하는 대금독주를 듣고 있으니 슬슬 졸음이 몰려왔다. 평소에 국악을 가까이 접하지 않은 원인도 있겠지만 대금독주는 정말 쉽게 받아들이기 힘든 음악이었고 좀 지루하기도 하였다. 브로셔에는 대금의 맑은 음색으로 표현하는 다채롭고 화려한 장식 등이 어우러지는 아름다움을 흠뻑 느낄 수 있다고 하나 나에게는 예외사항이었다. 10분 동안 진행된 대금독주는 이날 공연 중 가장 기억나지 않는 공연이었다.다섯 번째 순서는 판소리 적벽가였다. 대금독주가 끝나고 한명의 소리꾼과 북 반주자인 고수가 무대 위로 올라왔다. 판소리중의 단연 백미는 춘향가라고 하여서 춘향가가 아닌 것이 아쉽기도 하였지만 그래도 실제로 판소리를 보는 것은 처음이기에 기대되었다. 적벽가는 중국 소설 삼국지연의 중에서 적벽강 싸움의 전후 장면에 몇 가지 이야기를 첨삭하여 판소리로 짠 것이라고 한다. 소리꾼은 소리와 아니리로 이야기를 엮어 나갔는데 내가 앉았던 좌석이 무대에서 좀 떨어진 뒤쪽 사이드 좌석이라 그런지 소리꾼이 얘기라는 내용이 나에게는 잘 전달되지 않아 무슨 이야기를 하고 있는 건지 잘 알아들을 수 없었다. 하지만 앞쪽 가운데 앉은 사람들은 판소리를 들으며 웃기도 하는걸 보니 내용 파악이 잘 되는 것 같았다. 이 부분은 공연 중 가장 아쉬운 부분이었다. 다음에 공연을 찾아 갈 기회가 된다면 앞쪽 좌석에 앉아 판소리를 감상하고 싶다는 생각이 들었다.여섯 번째 순서는 해금 협주곡 활의 노래였다. 이 부분이 내가 공연을 보면서 가장 인상 깊었던 순간이었다. 대규모의 인원들이 검은색 한복을 입고 공연장을 들어 왔는데 그 모습이 흡사 서양의 오케스트라와 똑같았다. 자리 배치도 해금이 지휘자 왼쪽, 거문고와 가야금이 지휘자 오른쪽, 그 뒤에는 대금, 단소 등 그리고 그 뒤에는 큰 북이랑 장구, 꽹가리 등의 연주자들이 앉았다. 국악에도 오케스트라 방식을 접목시켜 연주한다는 것은 전혀 모르고 있었기 때문에 처음 본 순간 정말 놀랍기만 하였다. 해금 협주곡이라 그런지 단원들 외에 해금 연주자가 공연장에 들어왔다. 마치 오케스트라의 바이올린 협주곡과 같았다. 연주가 시작되고 나서는 더욱 놀라웠다. 연주자들이 만들어 내는 음색은 서양의 오케스트라가 만드는 음악보다 전혀 뒤떨어 지지 않고 오히려 더 맑고 은은하고 따뜻한 음색을 선사해 주었다. 개인적인 생각은 서양의 오케스트라보다 훨씬 더 훌륭하고 우리 정서에도 잘 어울리는 것 같았다. 악장 구분 없이 단악장으로 구성하여 해금의 선율위에 관현악과의 조화를 꾀하였고 관현악은 절제된 타악기와 관현 악기군의 음역을 적절히 사용하였다 고 한다.

독후감/창작| 2008.12.12| 5페이지| 1,000원| 조회(277)

국악, 토요상설공연

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탄소나노튜브

신소재공학개론 레포트 탄소나노튜브 (CNT)목 차 정의 개발 histor y 특성 합성법 응용 참고자료탄소나노튜브란 ? 탄소로 이루어진 탄소동소체 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질 튜브의 직경이 나노미터 (nm=10 억분의 1 미터 ) 수준으로 극히 작은 영역의 물질 탄소 나노 튜브의 분자 구조 모델개발 history 1985 Kroto 와 Smalley - Fullerene(C 60 ) 발견 1991 Iijima 박사 - 탄소나노튜브 발견 1992 Ebbesen Ajayan - 전기방전법으로 탄소나노튜브 합성 1993 IBM 의 Bethune 와 Iijima 박사 1nm 수준의 단중벽 나노튜브 합성 1996 Smalley 레이저 증착법 SWNT 를 고수율로 성장 1998 Ren 플라즈마 화학기상증착법 Glass 위에 고순도의 탄소나노튜브 합성특성 전기적 특성 : 구조에 따라 반도체 혹은 금속 특성을 보이며 , 전기전도도가 매우 높다 . 열 적 특성 : 열전도도가 높아 열 방출이 용이하며 , 고온에서도 잘 견딘다 . 기계적 특성 : 강철 보다 100 배 이상 강하고 , 매우 가볍다 . 화학적 특성 : 다른 화합물과 반응을 잘 하지 않으며 , 매우 안정적이다 . 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재합성방법 전기방전법 (arc-discharge ) He 기체를 수백 Torr 에 흘려주며 두 개의 탄소봉 사이에서 방전을 시킨다 . 양극의 탄소봉이 원료로 사용되고 음극에서 CNT 를 얻을 수 있다 .합성방법 2) 레이저 증착법 (Laser vaporization) 단층 CNT 를 얻을 수 있다 . 높은 온도 ( 800~1200℃) 의 전기로에서 전이금속과 탄소가루를 넣고 laser 를 쪼여주어 기화된 CNT 를 냉각하여 얻는다 .합성방법 3) 플라즈마 화학기상증착법 ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 실리콘이나 유리위에 전이금속 ( Ni, Co, Fe) 을 증착 후 탄소를 함유한 기체 (C 2 H 2 , CH 4 등 ) 을 주입하며 plasma 를 띄우면 금속 표면위에 CNT 가 형성된다 .합성방법 4) 열 화학기상증착법 ( Thermal Chemical Vapor Deposition) 열에 의해서 C 2 H 2 , C 2 H 4 등의 hydrocarbon 기체를 분해하여 금속 촉매 표면에서 성장시킨다 .응용 일만배 더 기억용량이 큰 반도체를 만들 수 있는 소재 현재의 전자제품 크기를 1/3 정도로 줄일 수 있는 소재 소형 이동용 전지의 사용시간을 획기적으로 연장시킬 수 있는 소재 저전압으로 전자방출 전류를 현재보다 10~100 배 이상의 높은 수준으로 끌어올릴 수 있는 소재 자동차 , 항공기 등의 구조재 강도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 고기능 복합체 소재 기타 Nanotechnology 를 위한 소재 FED(field emission display) 응용 2 차전지전극 및 연료전지 응용 Mechatronics 및 고기능 복합체 응용 예 )참고자료 한화나노텍 http://hnt.hanwha.co.kr/kr/home.html 탄소나노튜브의 전자소자 응용 - LG 전자기술원 나노테크팀 탄소튜브의 물성과 응용 - 이영희{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2008.12.12| 11페이지| 1,000원| 조회(251)

CNT, 탄소나노튜브

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바이오매스 연소로 설계 (화공양론 설계프로젝트)

화공양론 설계 프로젝트 (최종보고서)1. 설계목표최근 국제 원유가격이 고공행진을 계속하고 있다. 5월 21일 기준으로 미국 서부 텍사스산 중질유 가격이 사상최고치인 배럴당 133달러를 넘어섰다. 우리나라의 원유 도입량의 대부분을 차지하는 중동산 두바이유도 123달러를 넘어 지난 1년 사이 2배 넘게 인상된 셈이다. 이는 중국과 인도의 경제성장에 따른 원유의 수요증가에서 유가상승의 원인을 찾을 수 있을 것 이다. 따라서 3차 오일쇼크가 오지 않을까 하는 우려의 목소리가 커지고 있다. 장기적으로 보았을 때 원유가격은 계속 상승할 수 밖에 없으므로 대책이 필요한 실정이다. 이번 설계에서는 가스 연료에 관련된 정보를 조사하고 분석하여 가스 연료로 부터 열량을 회수하기 위한 연소공정에 대해 설계해 보도록 한다.2. 에너지에 관련된 자료 조사 및 분석과거에서 현재까지의 에너지별 사용량의 변화를 다음 그래프에서 나타내었다.산업사회가 진행되면서 석탄의 사용량이 증가하다가 1900년을 지나면서 원유의 사용량이 급속도로 증가하였다. 이를 1950년부터 앞으로의 미래까지의 변화를 예측해보면 다음과 같다.미래에도 원유의 사용량은 줄어들지 않고 계속 증가 할 것이며 다른 에너지 또한 사용량이 증가할 것이라고 예측할 수 있다.각각의 에너지 매장량, 생산량, 사용량을 연도별 국가별로 조사하였다.석유 천연가스 매장량석탄 매장량석유 생산량석유 사용량석탄 생산량석탄 사용량천연가스 생산량천연가스 사용량국가별 에너지 생산량국가별 에너지 사용량천연가스 이외에 가스연료로 사용 가능 한 것 들은 다음과 같다1) 하이드레이트가스는 기체 상태로 존재하지만 만약 온도를 영하로 내리고 압력을 수십 기압까지 높이면 물은 얼게 되고 기체는 물 입자가 만든 격자형의 우리 속에 갇히게 된다. 이것을 가스 하이드레이트(Gas Hydrate: 기체수화물)라고 하는데, 그 속에 갇힌 가스가 메탄(Methane, CH4)일 경우 메탄 하이드레이트라고 부른다. 메탄 하이드레이트는 오늘날 과학자들이 21세기의 신에너지 자원으5년 세계 에너지 소비량의 15%를 담당하지만 대부분 산업화 이전 단계의 국가에서 난방과 취사용으로 사용되어 지고 있다. 선진국들은 대부분 화석연료를 주 에너지원으로 하고 있으며 기술개발을 통해 바이오연료의 사용을 확대해 나가고 있다. 북유럽의 스웨덴과 핀란드는 이러한 노력으로 전체 에너지의 17%-19%를 바이오 연료를 통해 얻고 있다.바이오 연료의 연소를 통해 대기중으로 방출되는 이산화탄소는 대기중의 이산화탄소 농도를 증가시키지 않는다. 바이오연료의 소비에서 방출되는 이산화 탄소는 식물의 성장을 통해 이전 몇 해 동안 대기중에서 얻은 것이므로 대기중 이산화탄소 증가는 없다.3) 석탄(중질잔사유)가스화가스화 복합발전기술(IGCC:Integrated Gasification Combined Cycle)은 석탄, 중질잔사유 등의 저급원료를 고온·고압의 가스화기에서 수증기와 함께 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어 정제공정을 거친 후 가스터빈 및 증기터빈등을 구동하여 발전하는 신기술이다.4) 수소수소는 무한정인 물 또는 유기물질을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용후에 다시 물로 재순환 되므로 자원 고갈 우려가 없어 화석연료 자원이 빈약한 국가에 적합한 에너지원 이다. 수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지(전기에너지)에 비해 수소에너지가 경제성이 너무 낮아 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술 연구를 추진하고 있다. 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장이 용이하다. 수소는 연료로 사용할 경우에 연소시 극소량의 NOx를 제외하고는 공해물질이 생성되지 않으므로 환경오염 우려 최소화 할 수 있다. 수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용가능 하다.3. 가스연소로 설계설계에 필요한 원료 가스는 바이오매스로 정하였다. 바이오매스는 열분해0-9T3O2Cp = 29.10 +1.158×10-2T -0.6076×10-5T2 +1.311×10-9T3원료가스의 각 성분의 standard heat of formationTRIANGLE hat{H _{f} ^{。}}(단위 KJ/gmol)H20CO-110.52CO2-393.51CH4-74.84N20O20반응식A：CO+ {1} over {2} O _{2} -> CO _{2}B :H _{2} + {1} over {2} O _{2} -> H _{2} OC：CH _{4} +2O _{2} -> CO _{2} +2H _{2} O반응식의 conversion이 1 일때 연소를 통해 배출되는 가스는 CO2, H2O, N2, O2 이다. 위의 데이터를 가지고 다음의 변수들을 조작하여 각각의 물성치를 구해본다.1) 출구가스의 조성 변화물질수지식을 이용하여 과잉공기량과 전화율의 변화에 따라서 출구가스의 조성이 어떻게 바뀌는지 알아본다. 공정을 간단하게 그림으로 표현해 보았다.CombustionF P20% H2 CO220% CO Air H2O10% CO2 79% N2 CO5% CH4 21% O2 N245% N2 O2A,B,C 반응의 전화율이 100%라 가정하고 공기량이 이론공기량의 100%에서 160%까지 변화할때의 출구가스의 조성을 구한다.공기량100%110%120%130%140%150%O*************N2112.857143124.1429135.428571146.714286158169.285714Total142.857143157.1429171.428571185.714286200214.285714출구가스조성100%110%120%130%140%150%CO20.1570510.147590.1392050.131720.1250.118932N20.7083330.7132530.7176130.7215050.7250.728155O200.0126510.0238640.0338720.0428570.050971H2O0.1346160.1265060.1193180.1129030.1071430.101와 공기의 온도는 100℃로 가정한다. 전화율은 100%로 가정한다.이때 사용할 식은 다음과 같다.Q= TRIANGLE H= TRIANGLE H _{P} - TRIANGLE H _{R} + TRIANGLE H _{rxn} ^{。}Basis : 원료가스 1gmolH2O(g)의 열용량식과 표준생성열은 다음과 같다.Cp = 33.46 +0.6880×10-2T +0.7604×10-5T2 -3.593×10-9T3standard head of formation = -241.826공기량100%110%120%130%140%150%O20.30.330.360.390.420.45N21.128571431.2414291.354285711.467142861.581.69285714Total1.428571431.5714291.714285711.8571428622.14285714△HR100%110%120%130%140%150%H2-432.8831617-432.8831617-432.8831617-432.8831617-432.8831617-432.8831617CO-438.3249059-438.3249059-438.3249059-438.3249059-438.3249059-438.3249059CO2-289.7384777-289.7384777-289.7384777-289.7384777-289.7384777-289.7384777CH4-141.5268357-141.5268357-141.5268357-141.5268357-141.5268357-141.5268357N2-3452.515014-3699.347405-3946.178856-4193.010329-4439.84178-4686.673231O2-670.4460628-737.4906691-804.5352754-871.5798817-938.624488-1005.669094Total-5425.43446-5739.31146-6053.18751-6367.06359-6680.93965-6994.81571KJ/molJ/molHrxna-56.598-56598Hrxnb305.249407-5769.830205O2-670.4460628-761.1972105-852.2570862-943.6223157-1035.289548-1127.255457H2OTotal-5425.43446-6155.44788-6887.04898-7620.24635-8355.04833-9091.46297H1+Hrxn100℃110℃120℃130℃140℃150℃-150504.73-151235-151966.349-152699.546-153434.348-154170.7633) 출구가스의 유량 변화원료가스의 도입량을 100kgmol/h로 가정하고 40% excess Air가 연소될 때 전화율이 0.5에서 1까지 변화할때의 출구가스의 유량을 계산한다. 각반응의 전화율은 같다고 가정한다.conversion0.50.60.70.80.91출구가스유량(kgmol/h)929088868482모든 반응식의 전화율을 1로 가정하고 도입가스량이 100kgmol/h로 일정할 때 공기량의 변화에 따라서 출구가스 변화량을 측정한다.공기량100%110%120%130%140%150%출구가스유량(kgmol/h)222.857143237.1429251.428571265.714286280294.2857144) 발열량조사발열량은 참고문헌을 통하여 조사하였다.바이오매스 가스 연료의 조성은 일산화탄소 13%, 수소 17%, 메탄 2%, 이산화탄소 14%, 질소 48% 의 조성을 보여주고 있으며, 이때 이론공기비는 약 0.91 이며 발열량은 935kcal/Nm3이다.또한비교대상으로 삼은 석탄 가스 연료의 조성은 일산화탄소 30%, 수소 20%, 이산화탄소 5%, 질소 45% 의 조성을 보여주고 있으며, 이때 이론공기비는 약 1.18 이며 발열량은 1,424kcal/Nm3이며, 이러한 석탄가스는 고등기술연구원이 보유하고 있는 건식 분류층( dry feeding entrained-bed type ) 가스화기로부터 얻어진 결과이다.4. 설계 평가공기량의 변화에 따른 출구가스의 조성에서는 공기량이 이론공기량보다 증가할있다.

공학/기술| 2008.06.15| 20페이지| 2,000원| 조회(885)

설계, 대체연료, 화공양론, 가스연소, 연소로

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Catalytic reformer reactor 설계 (반응공학 설계프로젝트)

반응공학 설계 프로젝트1. 서 론반응기를 설계하기에 앞서 현재 설계하는 반응기가 Catalytic reformer reactor이기에 우선 catalytic reforming에 관해서 언급하고자 한다. 미국에서, catalytic reforming은 방향족탄화수소(BTX)의 가장 주요한 원천이다. 서유럽과 일본에서는 접촉개질과 열분해가솔린으로 부터의 생산은 거의 비슷한 정도의 중요성을 갖고 있다고 한다. 이러한 catalytic reforming은 전환공정에 하나로서 전환공정이란 접촉개질, 접촉분해, 이성질화, 알킬화, 중합을 포함한다. 공정의 목적은 화학적 조성을 변화시켜 나프타원료의 옥탄가를 향상시키는 것이다. 일반적으로 탄화수소화합물은 구조에 따라 옥탄가의 차이가 많은 물질이다. 즉 낮은 옥탄가의 나프타유분의 옥탄가를 증가시키는 방법은 분자 구조를 변화시킴으로 이루어진다는 것이다. 이러한 catalytic reforming에 사용되는 원료는 상압증류기로부터 생산된 중질나프타 유분이다. 많은 반응이 개질조건의 반응기에서 일어나는데 방향족화반응, 이성질화반응, 수소화 분해반응, 수소화 탈 알킬반응이 이에 속한다. 이제 이러한 반응을 수반하는 공정에 관하여 조금 알아보고자 한다. Catalytic reformer반응기는 보통 일련의 촉매층을 갖도록 설계된다. 전형적으로는 3개의 층을 갖는데 처음 층은 다른 층에 비해 더 적은 촉매를 포함한다. 이 배열은 나프텐의 방향족을 제조하는 탈수소반응이 다른 개질반응보다 더 빠르게 평형이 이르기 때문에 중요하다. 탈수소고리화는 더 느린 반응이며 세 번째 반응기의 출구에서 평형에 이른다. 이성질화와 수소분해는 느리다. 그들은 낮은 평형상수를 가지면 반응기를 떠나기 전에 평형에 도달하지 않을 수 있다. 두 번째와 세 번째의 반응기는 방향족과 측쇄파라핀의 수율을 높이기 위해 반응을 빠르게 하고 더 많은 시간을 갖도록 처음 반응기 보다 많은 촉매를 사용한다. 나프텐의 탈수소화와 파라핀의 탈 수소 고리화는 높은 흡열반응이며, 반응한 온도 범위로 다시 예열을 해주어야 하기 때문에 적절한 반응온도 범위를 결정해야 한다. 반응온도를 결정하는데 있어 우리가 세운 가정은 각 반응식에 따른 반응속도는 농도항보다 반응속도상수(K)항이 더 크다는 것이다. 아래 Fig 2.1-1,2,3은 600K~900K까지의 100K의 온도범위마다 온도에 따른 각 반응속도상수의 값을 plot한 수치이다.650K이전의 온도범위에서는 반응 1의 역반응이 우세하며 650K 부근에서부터 온도가 증가할수록 반응 1의 역반응의 영향은 줄어들며 반응1의 정반응이 점차 우세한 것을 알 수 있다. 반응2,3,4의 경우 주어진 온도구간 내에서는 낮은 반응 1의 반응속도상수와 비교시 매우 작은 것을 확인할 수 있다.700~800K 전 구간에서 지배적인 반응은 반응 1의 정반응이며 760K 이후부터 부반응인 반응 3,4의 반응속도 상수가 커지는 것을 확인 할 수 있다.800K~900K에서는 반응1과 부반응의 반응속도 상수 모두가 증가하나 800K 이후부터 계속 부반응의 반응속도 상수가 큰 것을 확인할 수 있었다. 지금까지의 온도와 반응속도 상수간의 데이터를 비교해본 결과 적절한 온도구간은 700K~800K에서 이루어지어야 한다는 것을 알 수 있었다마지막으로 반응기 내에 들어갈 feed의 초기 농도를 계산하여 700~800K 온도범위 내에서 온도에 따른 초기 반응속도를 계산하였다. (feed의 초기 농도 및 초기 유량에 관한 data는 실제 반응기의 부피를 계산하는 과정에서 언급 할 것이다.)주어진 plot을 통해 우리는 790K 이후로는 부반응의 영향이 점차 커진다고 판단하여 초기 반응온도 (들어가는 feed의 온도) 790K로 결정하였으며 반응을 마친 후 나가는 product의 경우 너무 낮은 온도로 떨어질 경우 반응속도도 떨어지며 무엇보다 다시 790K까지 예열하는 비용 또한 많이 들 것으로 생각되어 나가는 product의 온도를 760K로 결정하였다. 따라서 우리가 설계할 catalytic reformer의 반응기는 각각 790K로 가정하고 다음과 같은 에너지 수지식을 이용하여 전환율과 온도에 대한 관계식을 구할 수 있으며 (식 2.2-5) 다음과 같이 주어진 평형전환율 그래프에 작도하는 것을 통해 반응기 수를 계산 할 수 있다. (참고 논문에 주어진 열역학적 data를이용 했으며 계산 결과 값은 보고서 맨 뒤에 수록하였다.)=(식 2.2-5)주어진 그래프에서 확인할 수 있듯이 최대 3개의 반응기를 사용할 수 있기에 우리는 3개의 반응기 및 3개의 예열기를 사용할 것이다.2.3 반응기 설계의 기본식? 기본 반응식Cycloalkane ? Arene(A) + 3H2(H)Cycloalkane(E) + H2 ? Alkane(P)C7H14 + 3/4H2 ? 7/15C1 + 7/15C2 + 7/15C3 + 7/15C4 + 7/15C5C7H14 + 7/3H2 ? 7/15C1 + 7/15C2 + 7/15C3 + 7/15C4 + 7/15C5→ rearrangementE ? A + 3HE + H ? PP + 3/4H ?CP + 7/3H ?C? mole balance= rE = r1E + r2E + r4E= rA = r1A= rP = r2P + r3P= rH = r1H + r2H + r3H + r4H= rC = r3C + r4C? 반?응속도k1 = 9.87exp(23.21-34750/1.8T)ke1 = 1.04?10-3exp(23.21-34750/1.8T)k2 = 9.87exp(35.98-59600/1.87T)ke2 = 9.87exp(8000/1.8T-7.12)k3 = exp(42.97-62300/1.8T)k4 = exp(42.97-62300/1.8T)? pressure drop? energy balance=(adiabatic reactor)Σrij = r1HΔHR1H + r2HΔR2H + r3HΔR3H + r4HΔR4HΔHR1H = ΔH(Tref) +Tref = 298K(assumption)ΔCp1 =PA + CPH -CPEΔCp2 = Cpp - CPE - CPHΔCp3 = (CPC -CPH - CPP하를 고려하기 위해서는 압력강하인자를 계산해야 했다. 압력강하 인자를 계산하기 위한 다음 과 같다.(식 2.4-1)(2.4-2)주어진 식에 대한 data는 Ac (단면적)의 경우 주어진 참고 논문의 자료를 활용하였으며 주어진 논문의 경우 4개의 반응기가 존재하며 각각 반응기 내의 관의 직경이 다르나 우리는각각의 반응기 내의 관의 직경은 동일하다고 가정했기에 4개의 반응기의 직경을 산술 평균내어 반응기의 직경을 계산하였으며 이에 따라 질량속도 또한 계산할 수 있었다. 촉매의 직경 및 밀도는 UOP에서 제시된 reformer 촉매에 관한 자료 중 R-272의 촉매를 선택하여 해당 촉매의 data를 사용하였다.공극률의 경우 직접 계산이 어려운 관계로 단위조작 유체역학 파트를 참고하여 구형 입자의 전형적인 공극률인 0.4를 사용했다. Feed gas의 점도를 계산하기 위해 먼저 이동현상 관련 서적을 참고한 결과 기체의 점도는 분자들간의 상호 작용보다 온도가 미치는 영향이 크기 때문에 800 K에서의 각각의 점도는 큰 차이를 보이지 않았다. 따라서 feed의 91 mol%를 차지하는 수소의 800K에서의 점도 data를 사용하였다.주어진 data를 이용하여 Re수를 계산한 결과 1587으로 난류로 보기 어려워 층류 항을 무시하지 않고 모든 항을 고려하여 계산한 압력강하 인자는 0.00566152 /Kg 였다.Excel을 이용하여 계산된 결과Ac0.43921064 m2G46656.88427 Kg/(hr?m2)Dp1.6 mm = 0.0016 mporosity0.4vo6720.739406 m3/hrgas density3.049099029 kg/m3vicosity0.0000174 kg/(m?s) = 0.06264 kg/(m?hr)beta7.63656E+12Re1595.983cat density561 kg/m3Po1408000 Pa = 1.82477E+13 kg/(m?hr2)alfa0.00566152 kg-1Coking 반응이 일어나는 압력에 대한 정보를 찾았으나 찾을 수 없어않았기 때문에 우리는 이 값에 대해 가정을 할 수 밖에 없었다. Catalytic reformer 반응기의 촉매 재생 방법은 continuous regeneration 방법을 사용하여 반응기 내에 반응이 진행 되며 촉매는 시간에 따라 반응을 거쳐 점차 활성이 떨어진 촉매는 반응기에서 떨어져 촉매재생기를 거쳐 다시 반응기 안으로 들어간다고 가정하였다.따라서 반응기 입구 부근에서는 촉매 재생기를 거쳐 활성을 가진 촉매를 사용하기 때문에 거의 새 촉매와 비슷한 값인 η=0.95의 값을 가지며 이후 반응기 전체를 거쳐 촉매의 활성은 점차 떨어지며 반응기 출구에서의 촉매들은 어느 정도 활성을 잃은 상태로 η=0.4의 값을 가진다고 가정하였다.이러한 요소를 가정을 고려하여 식 2.6-1과 같은 식을 만들어 촉매상관 계수를 계산하였다.(식 2.6-1)3. 반응기 설계지금까지 제시한 수지 식 및 값들과 polymath를 이용하여 각각의 반응기에서의 촉매의 양과 부피를 계산하였다.3.1 공정도3.2 1st반응기Polymath를 이용하여 결과 값을 계산한 결과 출구 온도가 760K가 될려면 100kg의 촉매가 필요했으며 촉매의 밀도를 통해 구한 반응기의 부피는 180L였다.Variable initialvalue minimalvalue maximalvalue finalvalueW 0 0 100 100FE 90.05 79.554802 90.05 79.554802FA 16.18 16.18 25.631126 25.631126FP 76.63 76.193948 76.63 76.193948FH 1257.87 1257.87 1285.0993 1285.0993FC 0 0 1.4801243 1.4801243y 1 0.6620035 1 0.6620035T 790 760.24435 790 760.24435수소를 제외하고 cycloalkane, arene, alkane, C5의 반응기의 길이(촉매의 양) 변화에 따른 흐름을 그래프로 나타낸 결과 alkane의 양은 거의 변화가 없었으며 C5도 거의 생 있다.

공학/기술| 2008.06.15| 17페이지| 2,000원| 조회(1,066)

설계, 반응공학, 화학공학, 반응기설계, Catalytic reformer r

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