아주대학교 공정시스템공학 연구실

연구실 개요

공정시스템공학 연구실에서는 화학 및 생물 반응 시스템에 대한 반응 kinetic 해석, 반응기 모델링 및 공정 개발 연구를 수행하고 있다. 반응 kinetic 개발은 정밀한 수준의 반응 메커니즘 기반 촉매 반응 속도식 뿐만 아니라 최적화 및 전산유체역학 모델링에 적합한 수준의 속도식 개발을 포함하고 있으며, 실험 데이터를 기반으로 필요한 반응 속도 상수 추정 및 개발된 모델의 유효성 검증을 수행하고 있다. 이 외에도 균일계 반응 시스템에 대한 연구도 함께 진행 중이며, 시스템 생물학 기반 신호전달 네트워크 모델링 및 관련 속도식 개발에 대한 연구 경험을 보유하고 있다. 반응기 모델은 효율성 향상을 위한 마이크로반응기에서부터 슬러리(slurry) 및 살수층(trickled-bed) 반응기를 포함하는 다상 반응기에 이르기까지 다양한 형태의 반응기에 대한 모델링 연구를 수행하였으며, C1 가스 리파이너리 사업을 통하여 혁신적 반응기 개발을 위한 목표 아래 플라즈마, 전기화학 기반, 연계 반응(coupled reaction) 등 여러 형태의 고성능 반응기에 대한 해석을 진행하고 있다. 특히, 전산유체역학(computational fluid dynmaics) 모델링을 통한 반응기 내 유동, 반응 및 열 거동 특성에 대한 해석을 진행하여 반응기 성능 향상을 위한 주요한 결과를 도출하고 있다. 또한, 개발된 반응 속도식 및 반응기 모델을 확장하여 파일럿 및 상용 수준의 공정에 대한 모델링, 최적화 및 설계 데이터 확보 등에 대한 연구를 진행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 반응 속도론 및 kinetic 모델 개발 연구

불균일계 촉매 반응에 대한 다양한 속도식 개발 연구를 진행해 왔으며, 대표적인 연구 사례로는 철 및 코발트계 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis; FTS) 반응, 메탄올 합성(methanol synthesis), 수증기 및 이산화탄소 개질(mixed reforming), 메탄의 산화이량화(oxidative coupling of methane), 뷰티르산(butyric acid)과 부탄올(n-butanol)의 에스테르화(catalytic esterification), 수소첨가분해(hydrocracking), 키톤화(ketonization) 반응을 들 수 있다.

또한, 촉매의 흡착에서부터 표면 반응에 이르는 다수의 기초 반응(elementary reaction)을 모두 포함하는 microkinetic 모델 개발을 수행하고 있으며, 이를 통하여 각 단계의 반응이 전체(overall) 반응에 미치는 영향, 에너지 준위 변화에 따른 주요 반응 경로 해석 및 율속 단계 결정 등 마이크로 수준에서의 반응 거동에 대한 해석도 함께 수행하고 있다(그림 1).

2. 반응기 모델링

촉매 반응을 포함하는 다양한 형태의 반응기에 대한 모델링 및 설계 연구를 진행중이다. 전통반응기인 충진형 및 살수형 반응기에 대한 반응기 모델링을 위해 반응 속도식 기반 물질 및 에너지 수지식을 비롯한 물질/열 전달 및 열역학적 거동에 대한 해석을 수행하고 있으며, 미세유로(micro-channel)기반 FTS 반응기에 대한 전산유체역학 모델링을 통하여 반응기 설계를 위한 기초 데이터를 제시하였다(그림 2). 또한, 촉매 반응에 의한 발열을 효과적으로 제어하기 위하여 흡열 반응과 연계한 반응기에 대한 연구를 통하여 kinetic 및 열역학적 영역에 대한 효과적인 조절을 통하여 반응기의 안정적인 운전 및 생산성 향상을 위한 방안을 제시하였다.

플라즈마 기반 메탄활성화 반응기에 대한 전산유체역학 모델링을 통하여 마이크로 입자에 의한 메탄 이온화 반응성 증대 및 고부가 탄화수소물 생산량 증대를 위한 연구를 진행중이며, 전극 반응에 의한 저온 메탄 산화 반응을 위한 연속화 반응기 설계를 수행하기 위하여 다양한 반응공학, 열역학 및 전달 현상에 대한 이론을 접목하고 있다.

상용 수준의 반응기 모델링 경험을 보유하고 있으며, 대표 사례로는 철 촉매 기반 FTS 합성 반응용 파일럿 반응기 모델링(한화토탈, 그림 3), 10 TPD 용량의 합성가스 기반 메탄올 합성 공정에 적용가능한 개질 및 메탄올 합성 반응기에 대한 모델링 및 설계를 진행하였다(한국화학연구원). 또한, 균일계 반응인 프로필렌 염소화 반응이 일어나는 반응기의 내부 유동 및 열 거동에 대한 해석을 롯데정밀화학과 함께 진행하였다.

촉매 반응기 외에도 이산화탄소 포집을 위한 건식 유동층 반응기에 대한 모델링을 수행하였으며, 습식 포집 공정을 위한 흡수탑 및 수성 반응기에 대한 모델링 경험을 보유하고 있다. 수소 분리를 위한 팔라듐 기반 분리막 시스템에 대한 전산유체역학 모델 개발을 수행하였으며, Ag powder 반응 및 코팅제 혼합 반응기 유동 해석 및 개선 연구도 진행하였다(LS-Nikko 동제련).

3. 공정 모델 개발

수증기 및 이산화탄소 혼합 개질과 메탄올 합성 반응으로 구성된 상용 수준의 공정 모델을 개발하였으며(그림 4), 이산화탄소 전환 증대 및 세탄올 생산성 향상, 에너지 효율 향상 등 다양한 관점에서 공정의 운전 조건을 도출하기 위한 연구를 진행하였다. 탄소전환 국가전략 프로젝트를 통하여 메탄올 합성 반응 공정에 대한 기본 모델을 개발하였으며, 바이오 에탄올 기반 항공유 생산을 위한 공정 모델링 및 경제성 분석을 진행하였다. 미발효당 활용 고부가물질 생산을 위하여 푸르푸랄 생산을 위한 이상성(biphasic) 공정 모델링을 진행하였다. 이 외에도 합성연료 생산을 위한 gas-to-liquids 공정 개발 및 biomass 기반 항공유 생산 공정 개발 등 다양한 공정 개발을 위한 연구에 참여하였다.

이산화탄소 습식 공정에 대한 모델링 결과를 보유하고 있으며, 수성 가스 반응기 및 수소 분리막을 적용한 연소전 이산화탄소 포집 공정에 대한 모델링 및 경제성 분석을 진행하였다. 이 외에도 지역 난방 네트워크용 thermal plant에 대한 모델 개발 및 모델 예측 제어를 통한 공정 운전성 향상 연구를 수행하였다.

연구실 현황