[화학공학실험]촉매 반응기 2부

실험 방법

1. 실험 과정

먼저 촉매반응기 시스템을 준비하기 위해서 시스템을 켰으며 모든 시스템은 PC에 있는 촉매반응시스템 프로그램으로 인하여 조작을 했으며, 프로그램을 실행 한 후 HT101_기화기의 온도를 200℃로, HT102 히터를 350℃로 셋팅 한 후 제어 항목의 버튼을 OFF에서 ON으로 하였으며 온도가 상승하는 것을 확인했다.

촉매반응기 전단에 있는 수동 밸브를 열어주고 비어있는 반응기의 전단에 있는 수동밸브를 닫아주었다. 그러고 나서 증류수와 메탄올이 75 : 25 비율로 섞인 5wt%메탄올을 TK100 탱크에 넣었다. 여기서 주의할 점은 TK100탱크 아래에 밸브가 열려서 메탄올이 세는지 확인해야 한다.

SV101 밸브를 연 뒤 P100 메탄올 펌프의 유량을 3.0rpm으로 설정한 다음 stop버튼을 클릭하여 start로 바꿨다. 펌프가 회전하는 것을 확인하고 유체가 흐르는지 육안으로 확인했으며 주의할 점으로는 유체가 흐르는 실리콘관이 펌프에서 잘 고정되어있는지 확인해줘야 한다.

온도가 올라가는 동안 GC의 파라미터를 설정하였으며 캐리어가스인 헬륨통과 GC의 인젝션 밸브를 구동하기 위한 질소통의 밸브를 열어줘서 내부로 공급해주었다. 그 다음 GC를 작동하였으며 PC에서 “MultiGC32" 프로그램을 실행하고 오븐온도, 디텍터온도, 솔레노이드 밸브 등의 파라미터 값을 입력했다.

이와 같은 실험 준비가 완료되면 유량계의 값을 확인하여 유량이 안정적으로 흐르고 있는지 확인한 후 값을 기록하였다.

프로그램의 메인화면에서 실험 분석 차트 열기를 클릭하여 분석화면으로 이동한 다음 가스조성 캘리 브레이션 탭에서 H2, CO, CO2의 캘리 브레이션 데이터가 입력되어 있는지 확인하였으며, 밸브 오픈간격은 GC의 데이터 그래프가 안정되면 실시하였다. 그리고 나서 시료 인젝션 설정 란에 있는 Start 항목의 버튼을 On으로 한고 밸브가 작동됨을 확인한 후 경과시간이 변하는 것을 확인하고 SV103밸브가 Open 상태인지 확인했다.

실시간으로 출력되는 데이터가 안정되어 있으면 밸브 주입 작동과 동시에 “Ready_OFF" 버튼을 클릭하여 “Ready_ON"으로 표시되도록 하였으며 피크가 나타나면 H2 커서보이기 버튼을 클리하여 H2 커서를 표시하였으며 H2 피크에 커서 2개를 위치시킨 후 H2 면적을 확인하였으며 같은 방법을 CO와 CO2에 해당하는 피크에 커서를 위치시킨 후 면적 값 및 농도 유량 값을 확인하였다. 그리고나서 실험 데이터를 출력하였다.

실험이 종료하면 반응기의 히팅을 중지시켜주기 위해 히터의 설정 값을 0으로 설정하고 제어커튼을 OFF로 했다. 메탄올 펌프의 rpm을 0으로 설정한 후 Stop버튼을 클릭하였다.

모든 밸브를 Close하였고 GC 컬럼의 퍼지를 위해 약 3~4번 질소를 인젝션 주입 시켜주고 난 뒤 GC의 전원을 OFF했다. 그리고 나서 헬륨통과 질소통의 밸브를 잠궈줬다. 그리고 나서 촉매반응기 시스템의 전원을 OFF해줬다. 그리고 실리콘으로 된 튜브 펌프가 녹는 것을 방지하기 위해서 튜브회전체 부분에서 튜브를 해체시켰다.

 

실험 결과

1. Raw Data

Table 는 실험 결과 값을 나타내고 있다. 촉매 반응기에서의 데이터들은 비슷한 값들을 갖는 것을 확인할 수 있다. 수소 농도의 평균값은 46.6%, 일산화탄소 농도의 평균값은 1.3%, 이산화탄소 농도의 평균값은 21.6% 이다.

 

Table 1. 촉매 반응기를 통해 생성기체의 첫 번째 면적, 농도, 유량 값

	CH3OH	H2	CO	CO2
적분면적	-	0.002206	0.013757	0.060348
농도(%)	-	45.960292	1.375717	20.116142
이론유량(cc/min)	0.08	84	-	28
실제유량(cc/min)	25	45.960293	1.375717	20.116142

 

Table 2. 촉매 반응기를 통해 생성기체의 두 번째 면적, 농도, 유량 값

	CH3OH	H2	CO	CO2
적분면적	-	0.002293	0.01321	0.068641
농도(%)	-	47.7694	1.321037	22.88047
이론유량(cc/min)	0.08	84	-	28
실제유량(cc/min)	25	45.960293	1.375717	20.116142

 

Table.3 촉매 반응기를 통해 생성기체의 세 번째 면적, 농도, 유량 값

	CH3OH	H2	CO	CO2
적분면적	-	0.002206	0.011719	0.065693
농도(%)	-	45.949117	1.171876	21.897576
이론유량(cc/min)	0.08	84	-	28
실제유량(cc/min)	25	45.949116	1.171876	21.897577

(a) 1번째	(b) 2번째
(c) 3번째

Figure 4. 촉매반응기의 시간대 피크

 

2. 결과 분석

본 실험은 수소를 생산하는 실험으로 촉매를 이용한 실험이다. 이론적인 부분을 숙지하고 강조된 GC원리의 기기를 이용하였다. 실험 방법이 기기에 의한 분석과 결과 도출이라 이론적으로는 어려워 보이지 않았지만, 작동 하나만 작동 하지 않아도 엄청난 결과의 오차가 나오기에 여러 번 실험을 하여야 했다.

실험값 도출은 실험방법과 밀접한 연관이 있어, 확실한 점검이 필요했다. 기존에 메탄올과 증류수를 넣어둔 TV100에서의 물 여과의 확인이 잘 이루어지지 않고, 실리콘 고무의 닫힘이 미비하여 실험의 횟수가 늘었다.

본 실험을 통해 가스 크로마토그래피를 통해서 실제 생성된 가스의 유량 및 농도와 이론적인 값을 통해 전환율을 알아보는 것으로 수소생산 실험의 이론값과 실제 값을 비교하여 보면서 실제 값은 반응 조건을 어떻게 변화하느냐에 따라 다르게 나타난다는 것도 알 수 있었다.

이를 통해, 가스크로마토그래피의 분석 방법과 가스크로마토그래피의 전개용매 역할이 운반기체 즉, 케리어 가스(헬륨)라는 것도 알 수 있었고 케리어 가스와 온도가 고온일수록 반응 감도도 달라진다는 것도 알 수 있었다. 또한 촉매를 사용하지 않았더라면 촉매를 사용해도 2시간 정도 시간이 소모되는데 아마 촉매를 사용하지 않았더라면 오랜 시간이 걸릴 것으로 예상이 된다. 이론값과 실제 값은 여러 변수들을 통하여 다르게 나타날 수 있다는 사실을 알 수 있었다.

촉매를 이용 하였을 때의 반응과 이용하지 않았을 때 반응의 차이점을 알아보기 위한 실험 이었다. 실험 결과 생성물가스의 농도에서 큰 차이가 있음을 알 수가 있었다. 데이터를 보면 첫 번째로 나타난 피크는 수소이고 두 번째로 나타나는 피크는 메탄올이고 세 번째로 나타난 피크는 일산화탄소 네 번째로 나타난 피크는 이산화탄소이다. 

그리고 촉매를 사용한 촉매 반응기의 데이터를 보면 같은 순서대로 수소, 메탄올, 일산화탄소, 이산화탄소 순으로 나타났다. 두 반응에서 수소의 양은 차이가 없었으나 메탄올과 이산화탄소의 농도에서 차이가 있음을 알 수가 있었다. 데이터를 통해 촉매를 이용하였을 때와 이용하지 않았을 때 생성물가스의 농도차이를 알 수가 있었다. 그리고 반응 결과 생성물가스가 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 순으로 검출 되는 것을 알 수가 있었다.

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 수소를 생산하는 실험으로 촉매를 이용한 실험이다. GC 분석기기를 사용으로 실험이 전반적으로 진행 되었다. 실험 매뉴얼을 보고 실험을 진행 하려는데 있어 기존의 실험 방식과 기기사용에 미숙으로 다음날까지 실험하였다. 하지만 이런 가정을 통해 여러 번에 시도 끝에 기기작동에 많이 익숙해지고 컴퓨터 조작을 통하여 기기를 조작하고 반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 새로운 경험이었다. 

이런 기기는 한 군데에 이상이 생기면 순차적으로 이상이 생기기 때문에 실험자에 확실한 점검이 필요하다는 것도 느꼈다. 실리콘 고무의 미장착과 SV101밸브를 Open 한 후 P100 메탄올 펌프의 유량을 3.0rpm으로 설정한 다음 Stop버튼을 클릭하여 Start로 바꾼 후 펌프가 회전하는 것을 확인하고 유체가 흐르는지 육안으로 확인하는 과정에서 흐르지 않는 상황이 발생하여 실험에 계속적인 실수를 알 수 있었다.

그러나 이런 여러번의 실험 과정으로 수소생산 실험은 이론값과 실제값을 비교하여 보면 실제 값은 반응 조건을 어떻게 변화하느냐에 따라 다르게 나타난다는 것도 알 수 있었다. (GC) 가스크로마토그래피를 통해서 실제 생성된 가스의 유량 및 농도와 이론적인 값을 통해 전환율을 알아보는 것이었다. 

가스크로마토그래피의 분석 방법과 가스크로마토그래피(GS)의 전개용매 역할이 운반기체 즉, 케리어 가스(헬륨)라는 것도 알 수 있었고 온도가 고온일수록 반응 감도도 달라진다는 것도 알 수 있었다. 또한 촉매를 사용하지 않았더라면 촉매를 사용해도 2시간정도 시간이 소모되는데 아마 촉매를 사용하지 않았더라면 오랜 시간이 걸릴 것으로 예상이 된다. 생성물인 이산화탄소의 양이 가장 다르게 나타난 것을 관찰 할 수 있었고 진행하는 과정에서 약간에 불순물에 해당하는 피크의 면적이 나오면서 인젝션 가스인 질소라고 예측할 수 있었다.

 

뿐만 아니라 메탄올의 양에서도 차이가 큰 것을 알 수가 있고, 그 차이를 통해 메탄올이 반응에 참여를 하였는지 여부를 알 수가 있었다. 수소와 이산화탄소의 농도 차이는 두 반응에서 큰 차이를 보이지 않았다. 본 실험을 통해 화학반응에 있어서 촉매가 반응에 미치는 영향을 알 수가 있었다. 촉매는 반응에 있어서 반응속도에는 영향을 미치지만 반응에는 큰 영향을 미치지 않는다. 반응에 영향을 미치는 여러 가지 요인에는 온도, 반응물의 양, 촉매 등이 있다. 그 중에서는 본 실험은 촉매를 변화요인으로 주고 그 차이를 알아본 실험 이었다.

 

2. 결론

메탄올을 물과 함께 고온조건에서 반응을 시켜 생성물인 수소, 일산화탄소, 이산화탄소를 GC프로그램을 통해 그 양을 측정하고, 각각의 성분을 나타내는 피크의 면적을 이용해 유량과 농도를 구하였다. 그리고 촉매를 사용하였을 때와 사용하지 않았을 때의 반응을 통해서 생성물의 농도를 비교해보고 촉매가 반응에 미치는 영향을 알아보는 실험이었다. 우선 실험을 위해 메탄올과 물을 25%, 75%로 하여 넣고 촉매 반응기의 온도를 350℃로 올리고 펌프의 유량을 3.0rpm으로 맞추고 반응기 안으로 서서히 유입시켰다. 그런 다음 반응을 통해 생성된 가스를 GC 프로그램을 이용하여 그 농도를 측정하고 데이터 분석을 하였다.

촉매 반응기에서 얻은 데이터와의 비교를 위하여 관형 반응기에서도 같은 방법으로 실험을 하여 데이터를 얻을 수 있었다. 데이터 분석 결과 총 네 번의 피크 변화가 일어났는데, 피크 변화를 통해 생성물가스가 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 순으로 검출 되는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 두 개의 반응기에서 얻어진 데이터 값이 다르다는 것을 알 수가 있었다.

생성물인 이산화탄소의 양이 가장 다르게 나타난 것을 관찰 할 수 있었다. 약간에 불순물에 해당하는 피크의 면적이 나왔는데, 실험 조원들은 그것을 인젝션 가스인 질소라고 예측하였다. 뿐만 아니라 메탄올의 양에서도 차이가 큰 것을 알 수가 있고, 그 차이를 통해 메탄올이 반응에 참여를 하였는지 여부를 알 수가 있었다. 수소와 이산화탄소의 농도 차이는 두 반응에서 큰 차이를 보이지 않았다.

본 실험을 통해 화학반응에 있어서 촉매가 반응에 미치는 영향을 알 수가 있었다. 촉매는 반응에 있어서 반응속도에는 영향을 미치지만 반응에는 큰 영향을 미치지 않는다. 반응에 영향을 미치는 여러 가지 요인에는 온도, 반응물의 양, 촉매 등이 있다. 그 중에서는 본 실험은 촉매를 변화요인으로 주고 그 차이를 알아본 실험이었다.

 

참고 문헌

1. 반응 공학 4판, H. Scott Fogler. PRENTICE HALL, 2006. p.706

2. 분석화학 6판, Gary D.Christian, 자유아카데미, 2008, p.676

3. 최신분석화학 4판, Daniel C. Harris. 자유아카데미, 2009, p. 487

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