성균관대학교 "다상유동 및 분체공정 연구실" (이동현 교수)

연구실 개요

다상유동 및 분체공정 연구실 (Multiphase Flow and Powder Technology Lab)에서는 유동층 반응기를 이용한 C1 합성가스로부터 DME (Dimethyl Ether)를 거쳐 MA (Methyl acetate)를 생산하는 공정 연구를 진행하고 있다. 유동층 반응공정은 촉매 층의 온도 구배를 일정하게 유지할 수 있으며, 연속적인 공정을 가능하게 하며 scale-up을 하기에 적합한 기술이다. 하지만 유동층 반응공정을 올바르게 설계하기 위해선 촉매 입자의 유동 특성 및 조업 가능 조건을 확인해야 한다. 이에 본 연구실에서는 입자의 유동 특성 및 조업 가능 조건을 확인하기 위한 cold bed 연구, 실제로 C1 합성가스로부터 DME를 거쳐 MA를 생산하는 hot bed 연구를 진행하고 있다. 이 외에도, 메탄과 같은 온실가스를 이용하여 수소 생산과 더불어 SWCNT (Single Wall Carbon Nanotube)와 같은 고부가가치의 물질을 생산하는 공정 연구, 중질유 고도화공정연구 등 공정 관련해 많은 연구를 진행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 유동층 반응 공정 설계

C1 합성가스로부터 DME를 거쳐 MA를 생산하기 위해선 2단계의 반응이 진행돼야 하므로, 2개의 반응기가 필요하지만, 유동층 반응기에서 2개의 촉매층을 분리시켜 1개의 반응기로도 2단 반응을 유도하기 위해, 촉매 입자를 모사한 입자를 이용하여 (그림 1) 두 입자가 분리되는 조건을 확인하는 연구를 진행하고 있다. 또한, 같은 유속에서 두 입자의 분리효율을 높이기 위해 장치 내부의 구조물을 설치하여 기체에 맥동을 부여함으로써 분리효율을 높이는 연구를 진행하고 있다.

본 연구실에서는 cold bed test를 통해 얻어진 조건들을 바탕으로 실제 C1 합성가스로부터 DME를 거쳐 MA를 생산하는 반응을 배종욱 교수님의 연구실과 공동으로 고온 고압 반응기 (그림 2)에서 진행하고 있다. 유동층 반응기의 MA 생산효율을 높이기 위해, 다양한 촉매들을 비교하고 있으며, 공정 최적화를 진행하고 있다.

2. C1 가스 전환 생성물 고부가가치화 연구

C1 가스를 이용하여 MA를 생성하는 연구 외에도 C1 가스를 사용하여 수소와 카본 나노튜브(CNT)를 합성하는 연구를 진행하고 있다. 특히, 본 연구실에서는 두께가 얇은 SWCNT 나 TWCNT (Thin Wall Carbon Nanotube)의 연속생산 및 대량생산을 위한 유동층 공정에 관한 연구를 진행하고 있다.

3. 중질유 고도화공정

슬러리 상 수첨 촉매 분해(Slurry Phase Catalytic Hydrocracking) 반응기 설계를 위한 수력학적 규명 및 모델 개발을 연구하고 있다. 실제 운전조건과 흡사한 기-액 물성 조건에서 반응기 내부의 수력학적 특성을 분석하기 위해 gas holdup, bubble size 및 열전달 계수 측정을 진행하고 있다. 또한, 가압 bubble column의 가동 시 내부를 관찰할 수 있는 sight glass를 설치하여 초고속 촬영을 통해 거시적으로도 반응기 내부의 기포 특성을 확인할 수 있다.

연구실 현황

㈜ 2020년 1월 초 학교 정문앞 촬영

다상유동 및 분체공정 연구실은 이동현 교수님을 비롯하여 박사 후 연구원 2명, 박사과정 학생 2명, 석사과정 학생 3명으로 총 8명의 실원으로 구성되어 있다. 본 연구실은 최근 5년 동안 기-고 유동층 외에도 bubble column, CNT 생산 유동층 공정, CPFD(Computational Particle Fluid Dynamics) simulation과 같은 다양한 유동층 분야에서 이동현 교수님의 지도하에 최근 5년간 총 37편의 SCI(E)급 국제 논문을 발표하고 국내외 특허출원 10건 등의 우수한 연구 실적을 올리고 있다.