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한국화학공학회> 화학공학> 액화천연가스(LNG)를 사용한 수소 생산 및 액화 공정 개발

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액화천연가스(LNG)를 사용한 수소 생산 및 액화 공정 개발

Design and Analysis of Hydrogen Production and Liquefaction Process by Using Liquefied Natural Gas

노원준 ( Wonjun Noh ) , 박시환 ( Sihwan Park ) , 이인규 ( Inkyu Lee )
  • : 한국화학공학회
  • : 화학공학 59권2호
  • : 연속간행물
  • : 2021년 05월
  • : 200-208(9pages)
화학공학

DOI


목차

1. Introduction
2. Process description
3. Result and analysis
4. Conclusion
감 사
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액체 상태의 수소는 기체 상태의 수소에 비해 수송이 용이하고 에너지 밀도가 높으며 폭발 위험성이 낮다. 하지만 수소 액화 공정은 냉각 사이클에 많은 양의 에너지가 소모된다. 반면에 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)는 재기화 과정에서 다량의 냉열이 버려진다. 따라서 LNG 냉열을 회수하여 수소 냉각에 활용한다면 공정 효율을 높일 수 있다. 또한, 천연가스 개질을 통한 수소 생산은 가장 경제성 있는 방법으로 평가받고 있으며, 이러한 측면에서 LNG를 수소 생산의 원료로 사용할 수 있다. 본 연구에서는 LNG를 원료 및 냉열원으로 사용하여 수소를 생산 및 액화시키는 공정을 개발하고 열역학적 관점에서 공정을 평가하였다. 공정 개발을 위해 기존의 탄화 수소 혼합 냉매와 헬륨-네온 냉매를 이용한 수소 액화 공정을 비교 공정으로 선정하였다. 이후 LNG를 원료 및 수소 예냉의 냉열원으로 사용하는 새로운 공정을 설계하여 에너지 소모량 및 엑서지 효율 측면에서 기존 공정과 비교, 분석하였다. 제안된 공정은 기존 공정 대비 약 17.9%의 에너지 절감 및 11.2%의 엑서지 효율이 향상된 결과를 나타내었다.
Compare to the gaseous hydrogen, liquid hydrogen has various advantages: easy to transport, high energy density, and low risk of explosion. However, the hydrogen liquefaction process is highly energy intensive because it requires lots of energy for refrigeration. On the other hand, the cold energy of the liquefied natural gas (LNG) is wasted during the regasification. It means there are opportunities to improve the energy efficiency of the hydrogen liquefaction process by recovering wasted LNG cold energy. In addition, hydrogen production by natural gas reforming is one of the most economical ways, thus LNG can be used as a raw material for hydrogen production. In this study, a novel hydrogen production and liquefaction process is proposed by using LNG as a raw material as well as a cold source. To develop this process, the hydrogen liquefaction process using hydrocarbon mixed refrigerant and the helium-neon refrigerant is selected as a base case design. The proposed design is developed by applying LNG as a cold source for the hydrogen precooling. The performance of the proposed process is analyzed in terms of energy consumption and exergy efficiency, and it is compared with the base case design. As the result, the proposed design shows 17.9% of energy reduction and 11.2% of exergy efficiency improvement compare to the base case design.

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간행물정보

  • : 공학분야  > 화학공학
  • : KCI등재
  • : SCOPUS
  • : 계간
  • : 0304-128x
  • : 2233-9558
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1963-2021
  • : 5323


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59권4호(2021년 11월) 수록논문
최근 권호 논문
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1메탈폼 지지체를 이용한 액체연료 분해반응 촉매의 흡열특성

저자 : 문정인 ( Jeongin Mun ) , 김나리 ( Nari Kim ) , 정병훈 ( Byunghun Jeong ) , 정지훈 ( Jihoon Jung )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 481-486 (6 pages)

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극초음속 비행체의 비행 중에 발생되는 열 문제를 해결하기 위해 탑재된 연료의 분해반응 시 나타나는 흡열효과를 이용하는 냉각기술이 개발되고 있다. 본 연구에서는 HZSM-5를 촉매로 사용하여 n-dodecane 연료의 분해반응을 수행하였으며, 촉매 분해반응의 흡열효과를 극대화하고 코크생성을 억제하기 위해 촉매를 메탈폼에 코팅하였다. 반응기는 외경 1.27 cm의 스테인리스 스틸 흐름형 반응기를 사용하였다. HZSM-5를 메탈폼에 코팅한 촉매를 사용한 촉매 분해 반응 결과 흡열량은 최대 2887 kJ/kg, 기상전환율은 34% 이었으며, 메탈폼의 코크생성량은 촉매를 코팅함에 따라 촉매를 코팅하지 않은 것에 비해 약 56% 감소하였다.


In a hypersonic vehicle to solve the heat problem generated during flight, a cooling technology is being developed which uses the endothermic effect that appears during the decomposition reaction of the mounted fuel. In this study, the decomposition reaction of n-dodecane fuel was performed using HZSM-5 as a catalyst, and the catalyst was coated on metal foam to maximize the endothermic effect of the catalytic decomposition reaction and suppress coke formation. The reactor was a stainless steel flow reactor with a outer diameter of 1.27 cm, and the reaction temperature was 550 ℃, the reaction pressure was 4 MPa, and the flow rate was 12 ml per minute. As a result of the catalytic decomposition reaction using a catalyst coated with HZSM-5 on the metal foam, the heat sink was 2887 kJ/kg as a maximum, the gas phase conversion rate was 34%, and the amount of coke produced on the metal foam decreased by about 56% as the catalyst was coated compared to the uncoated catalyst.

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2피치로 코팅된 Nano Silicon Sheets/Graphite 음극복합소재의 전기화학적 특성

저자 : 이태헌 ( Tae Heon Lee ) , 이종대 ( Jong Dae Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 487-492 (6 pages)

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본 연구에서는 피치가 코팅된 실리콘 시트/흑연 음극복합소재의 전기화학적 특성을 조사하였다. NaCl을 주형으로 하여 스토버 법 및 마그네슘 열 환원법을 통해 실리콘 시트를 제조하고, 양친성 물질인 SDBS로 흑연과 결합시켜 실리콘 시트/흑연을 합성하였다. THF를 용매로 석유계 피치가 코팅된 실리콘 시트/흑연 음극복합소재를 제조하였고, 음극복합소재의 물리적 특성은 XRD, SEM, EDS와 TGA를 통해 분석하였다. 전기화학적 특성은 LiPF6 (EC:DMC:EMC=1:1:1 vol%)의 전해액을 사용해 전지를 제조하여, 충·방전 사이클, 율속, 순환전압전류, 전기화학적 임피던스 테스트를 통해 조사하였다. 실리콘 조성이 증가함에 따라 방전 용량이 증가하였고, 장기 안정성은 감소하는 경향을 보였다. 30 wt% 실리콘 조성을 갖는 실리콘 시트/흑연 복합소재에 피치를 코팅한 음극복합소재는 1228.8 mAh/g의 높은 초기 방전 용량을 보였으며, 50사이클 이후 용량 유지율은 77%로 실리콘 시트/흑연 복합소재에 비해 안정성이 개선됨을 알 수 있었다.


In this study, the electrochemical properties of pitch coated silicon sheets/graphite anode materials were investigated. Using NaCl as a template, silicon sheets were prepared through the stӧber method and the magnesiothermic reduction methode. In order to synthesize the anode composite, the silicon sheets and graphite were combined with SDBS. The pitch coated silicon sheets/graphite was synthesized using THF as a solvent for the anode material composite. The physical properties of the prepared anode composites were analysed by XRD, SEM, EDS and TGA. The electrochemical performances of the prepared anode composites were performed by the current charge/discharge, rate performance, cyclic voltammetry and EIS tests in the electrolyte LiPF6 dissolved solvents (EC:DMC:EMC=1:1:1 vol%). As the silicon composition of silicon sheets/graphite composite material increased, the discharge capacity also increased, but the cycle stability tended to decrease. The anode material of pitch coated silicon sheets/graphite composite (silicon sheets:graphite=3:7 weight ratio) showed the initial discharge capacity of 1228.8 mAh/g and the capacity retention ratio of 77% after 50 cycles. From these results, it was found that the cycle stability of pitch coated silicon sheets/graphite was improved.

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3Kinetics, Isotherm and Adsorption Mechanism Studies of Letrozole Loaded Modified and Biosynthesized Silver Nanoparticles as a Drug Delivery System: Comparison of Nonlinear and Linear Analysis

저자 : Mahsa Pourshaban , Elham Moniri , Raheleh Safaeijavan , Homayon Ahmad Panahi

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 493-502 (10 pages)

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We prepared and investigated a biosynthesized nanoparticulate system with high adsorption and release capacity of letrozole. Silver nanoparticles (AgNPs) were biosynthesized using olive leaf extract. Cysteine was capped AgNPs to increase the adsorption capacity and suitable interaction between nanoparticles and drug. Morphology and size of nanoparticles were confirmed using transmission electron microscopy (TEM). Nanoparticles were spherical with an average diameter of less than 100 nm. Cysteine capping was successfully confirmed by Fourier transform infrared resonance (FTIR) spectroscopy and elemental analysis (CHN). Also, the factors of letrozole adsorption were optimized and the linear and non-linear forms of isotherms and kinetics were studied. Confirmation of the adsorption data of letrozole by cysteine capped nanoparticles in the Langmuir isotherm model indicated the homogeneous binding site of modified nanoparticles surface. Furthermore, the adsorption rate was kinetically adjusted to the pseudo-second-order model, and a high adsorption rate was observed, indicating that cysteine coated nanoparticles are a promising adsorbent for letrozole delivery. Finally, the kinetic release profile of letrozole loaded modified nanoparticles in simulated gastric and intestinal buffers was studied. Nearly 40% of letrozole was released in simulated gastric fluid with pH 1.2, in 30 min and the rest of it (60%) was released in simulated intestinal fluid with pH 7.4 in 10 h. These results indicate the efficiency of the cysteine capped AgNPs for adsorption and release of drug letrozole for breast cancer therapy.

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4담수 사용 NaBH4 가수 분해반응에 의한 수소발생

저자 : 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 유동근 ( Donggeun Yoo ) , 김태호 ( Taeho Kim ) , 김익균 ( Ikgyun Kim ) , 박권필 ( Kwon-pil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 503-507 (5 pages)

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이동용 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 수소발생용으로써 NaBH4는 많은 장점을 갖고 있다. 야외에서 PEMFC가 이송형으로 사용될 때 증류수대신 담수를 이용해 NaBH4 가수분해하면 경제적이다. 그래서 본 연구에서는 NaBH4 가수분해 과정에 증류수대신 담수를 이용해 수소를 발생시켰다. 활성탄 담지 Co-P-B/C 촉매를 사용해 NaBH4 가수분해 특성에 대해 연구하였다. 담수는 NaBH4 가수분해과정에서 4수화물을 발생시키지 않았고, 증류수는 4수화물 부산물이 생성되어 가수분해과정에서 많은 물이 소모되어서 NaBH4 25% 이상 고농도에서 반응 종료시점에는 건조한 부산물과 미반응 NaBH4가 남았음을 확인하였다. 이 결과 담수를 사용했을 때 NaBH4 25% 이상 고농도에서 증류수보다 수소 수율과 수소발생속도가 더 높아 무인항공기등 이송형 연료전지에도 적용하기에 적합함을 보였다.


Sodium borohydride, NaBH4, has many advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). When PEMFC is used outdoors as a transport type, it is economical to hydrolyze NaBH4 using fresh water instead of distilled water. Therefore, in this study, hydrogen was generated using fresh water instead of distilled water during the NaBH4 hydrolysis process. The properties of NaBH4 hydrolysis were studied using an activated carbon-supported Co-P-B/C catalyst. Fresh water did not generate tetrahydrate during the NaBH4 hydrolysis process, and distilled water produced tetrahydrate by-products, which consumed a lot of water during the hydrolysis process, indicating that at the end of the reaction at a high concentration of 25% or more of NaBH4, dry by-products and unreacted NaBH4 remained. As a result, when fresh water was used, the hydrogen yield and hydrogen generation rate were higher than that of distilled water at a high concentration of 25% or more of NaBH4, indicating that it is suitable for use in transport-type fuel cells such as unmanned aerial vehicles.

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5PEMFC에 사용되는 강화막과 비강화막의 Fenton 반응에 의한 열화 비교

저자 : 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 유동근 ( Donggeun Yoo ) , 이미화 ( Mihwa Lee ) , 박지상 ( Jisang Park ) , 박권필 ( Kwon-pil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 508-513 (6 pages)

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고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 내구성을 향상시키기 위해서는 필수적으로 고분자막의 내구성이 향상되어야한다. 고분자막의 내구성을 향상시키기 위해서 e-PTFE 지지체와 라디칼 제거제(Radical Scavenger)가 첨가된다. 본 연구에서는 e-PTFE 지지체가 들어간 강화막(Reinforced Membrane)과 비강화막(Non-reinforced Membrane)의 화학적 내구성을 Fenton 반응에 의해 비교하고자 하였다. 라디칼 제거제가 첨가되지 않은 고분자막의 Fenton 실험에서는 작게 절단한 시편의 단면을 통한 과산화수소 용액과 철이온의 흡수율이 강화막에서 더 높아 불소유출농도가 더 높게 나타났다. 라디칼 제거제의 종류와 첨가량에 따라 강화막의 불소유출농도가 3배 이상의 큰 차이가 발생해서 라디칼 제거제의 영향이 지지체의 영향보다 강한 것을 알 수 있었다.


In order to improve the durability of a proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), it is essential to improve the durability of the polymer membrane. In order to improve the durability of the membrane, an e-PTFE support and a radical scavenger are added. In this study, the chemical durability of the reinforced membrane with e- PTFE support and the non-reinforced membrane was compared by Fenton reaction. In the Fenton experiment of the polymer membrane without the addition of a radical scavenger, the absorption rate of hydrogen peroxide solution and iron ions through the cross section of the specimen cut into small pieces was higher in the reinforced membrane, so that the fluorine outflow concentration was higher. According to the type and amount of radical scavenger added, the fluorine outflow concentration of the reinforced membrane has a large difference of more than 3 times, indicating that the effect of the radical scavenger was stronger than that of the support.

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6Iron Oxide(Ⅱ, Ⅲ)와 Valine을 이용한 키토산 나노입자의 약물전달 연구

저자 : 장소현 ( So-hyeon Jang ) , 강익중 ( Ik-joong Kang )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 514-520 (7 pages)

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나노입자에 기초한 약물 전달 시스템(DDS, Drug Delivery System)은 약물 방출의 매개체로서 약물의 방출량을 조절하고 적합한 장소에 전달하여 효능을 향상시키기 위해 사용되어왔다. 독성이 없고 생 분해성인 Chitosan은 좋은 생체 적합성을 가지고, 뛰어난 흡착력을 가져 약물전달체로 제조할 수 있다. 기본 아미노산 중 하나인 Valine은 근육의 성장과 조직의 회복을 돕는 물질이며 다른 아미노산과 함께 혈당 수치를 낮추고 성장호르몬 생산을 증가시키는 필수아미노산이다. 본 연구에서는 Valine을 약물 흡수가 가능한 자성 Chitosan에 흡착시켜 TPP (tripolyphosphate)와의 crosslinking을 통해 약물전달체를 제조한 후, 흡수 및 방출 경향성에 대해 알아보았다. 안정성이 비교적 높은 Fe3O4를 사용하여 약물전달체가 자성을 띠게 만들어 표적 부위로 약물을 전달할 수 있도록 하였다. 최적의 조건에서 제조한 약물전달체를 아미노산의 정색반응인 Ninhydrin test를 통해 흡수 및 방출 경향성을 UV-Vis로 분석하여 확인하고 입자의 크기를 측정함으로써 약물전달체로 적합한 것을 확인하였다.


A drug delivery system (DDS) based on nanoparticles has been used as a mediator to improve the efficacy of a drug by controlling the amount of drug released and delivering it to a target place. Chitosan, which is non-toxic and biodegradable, has good biocompatibility and excellent adsorption, so it can be used as a drug delivery vehicle. Valine, the essential amino acids, helps muscle growth and tissue recovery, and along with other amino acids. It lowers blood sugar levels and increases growth hormone production. In this study, Valine was adsorbed on magnetic chitosan which is capable of drug absorption, and Fe3O4-Valine CNPs was prepared through cross-linking with TPP (Tripolyphosphate). And then absorption and release trends of valine were investigated with the Fe3O4-Valine CNPs. Fe3O4, which has relatively high stability, is used to make the drug carrier magnetic so that the drug can be delivered to a target place. At optimal conditions, the absorption and release tendency of Fe3O4-Valine CNP was confirmed by analyzing by UV-Vis through the Ninhydrin test which is the color reaction of amino acids and by measuring the size of the particles, it was confirmed that it is suitable as a drug carrier.

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7CFD를 이용한 진공가압함침공정 내 유해가스 배출시스템 설계

저자 : 장준규 ( Jungyu Jang ) , 유엽 ( Yup Yoo ) , 박현도 ( Hyundo Park ) , 문일 ( Il Moon ) , 임백규 ( Baekgyu Lim ) , 김정환 ( Junghwan Kim ) , 조형태 ( Hyungtae Cho )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 523-533 (11 pages)

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진공가압함침공정(Vacuum Pressure Impregnation, VPI)은 발전기, 전동기 등 대형 회전기에 사용되는 고정자 권선에 에폭시 계열의 레진을 코팅시켜 물성을 강화하는 공정이다. VPI 공정 중 진공과 가압과정에서 에폭시 레진의 기화에 의해 레진 가스가 발생하고, 함침공정이 끝나고 경화를 위해 탱크 개방 시 레진 가스가 제거되지 않고 탱크 밖으로 유출된다. 유출된 레진 가스가 작업장 전체에 확산 시 화재, 폭발 및 호흡기 문제와 같은 안전 환경 문제가 있으므로 공정 내 레진 가스 배출시스템이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 VPI 공정에서 발생한 레진 가스를 배출하는 시스템을 설계하기 위해 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용하여 공기 유입구·배출구의 위치에 따른 배출효율에 대한 사례연구를 진행하였다. 본 연구의 최적의 배출시스템을 활용 시 1,800초 이내 90%이상의 레진 가스를 배출할 수 있으며, 레진 가스의 폭발하한계(Low Explosive Limit, LEL)이하로 레진 가스의 분율을 낮출 수 있었다.


Vacuum Pressure Impregnation (VPI) is a process that enhances physical properties by coating some types of epoxy resins on windings of stator used in large rotators such as generators and motors. During vacuum and pressurization of the VPI process, resin gas is generated by vaporization of epoxy resin. When the tank is opened for curing after finishing impregnation, resin gas is leaked out of the tank. If the leaked resin gas spreads throughout the workplace, there are safety and environmental problems such as fire, explosion and respiratory problems. So, exhaust system for resin gas is required during the process. In this study, a case study of exhaust efficiency by location of vent was conducted using Computational Fluid Dynamics (CFD) in order to design a system for exhausting resin gas generated by the VPI process. The optimal exhaust system of this study allowed more than 90% of resin gas to be exhausted within 1,800 seconds and reduced the fraction of resin gas below the Low Explosive Limit (LEL).

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8시계열 교차검증을 적용한 2,3-BDO 분리공정 온도예측 모델의 초매개변수 최적화

저자 : 안나현 ( Nahyeon An ) , 최영렬 ( Yeongryeol Choi ) , 조형태 ( Hyungtae Cho ) , 김정환 ( Junghwan Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 532-541 (10 pages)

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최근 인공지능에 대한 관심이 높아짐에 따라 화학공정분야에서도 인공지능을 활용한 연구가 많아지고 있다. 그러나 인공지능 기반 모델이 충분히 일반화되지 않아 학습에 이용되지 않은 새로운 데이터에 대한 예측률이 떨어지는 과적합 현상이 빈번하게 일어나고 있으며, 교차검증은 과적합을 해결하는 방법 중 하나이다. 본 연구에서는 2,3-BDO 분리 공정 온도 예측 모델의 초매개변수 중에서 배치 개수와 반복횟수를 조정하기 위해 시계열 교차검증을 적용하고 일반적으로 사용되는 K 겹 교차검증과 비교하였다. 결과적으로 K 겹 교차검증을 사용했을 때 보다 시계열 교차검증 방식을 사용했을 때 MAPE는 0.61% 증가한 반면 RMSE는 9.06% 감소하였고 학습 시간은 198.29초 적게 소요되었다.


Recently, research on the application of artificial intelligence in the chemical process has been increasing rapidly. However, overfitting is a significant problem that prevents the model from being generalized well to predict unseen data on test data, as well as observed training data. Cross validation is one of the ways to solve the overfitting problem. In this study, the time-series cross validation method was applied to optimize the number of batch and epoch in the hyperparameters of the prediction model for the 2,3-BDO distillation process, and it compared with K-fold cross validation generally used. As a result, the RMSE of the model with time-series cross validation was lower by 9.06%, and the MAPE was higher by 0.61% than the model with K-fold cross validation. Also, the calculation time was 198.29 sec less than the K-fold cross validation method.

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9저점도 액 통기 교반용 글라스라이닝 홈베이스 임펠러의 최적 형상

저자 : 고승태 ( Seung-tae Koh )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 542-547 (6 pages)

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글라스 라이닝 임펠러는 강산을 포함한 대부분의 화학물질들에 대해 내부식성이 있고, 또한 평활하고 눌어붙지 않는 표면을 가지며 세정이 용이하고 프로세스에 불순물들을 유입하지 않는 강점을 갖고 있다. 글라스 라이닝 HOMEBASE 임펠러는 저점도 유체에서 고점도 유체까지 폭넓은 점도 범위의 액체를 교반할 수 있도록 개발된 다목적형 대형 교반 임펠러이나, 그중에서도 세포 배양이나 효모의 배양, 맥주 발효 솥 등은 저점도 액의 통기 교반에 많이 사용하며, 특히 공기-수계의 통기성 교반에 많이 적용한다. 구조가 간단하면서도 성능 면에서 경쟁력을 갖는 HOMEBASE 임펠러에 대한 글라스 라이닝은 제작상 임펠러와 샤프트의 접합 면적을 가능한 한 작게 할 수 있도록 상하 분할이 필수적이다. 임펠러의 상하 분할은 혼합 성능에는 거의 영향을 미치지 않지만, 통기 성능을 저하하였다. 본 연구에서는 Glass Lined HOMEBASE 임펠러 형상의 최적화를 위해, 상·하부로 분할된 임펠러 사이의 장착각도차와 임펠러 사이의 간격 및 방해판의 개수가 통기 동력에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 상·하부로 분할된 임펠러 사이의 장착각도차와 간격이 통기를 할 때의 동력 Pg와 통기가 없을 때의 동력 P0의 비인 Pg/P0를 저하시킨다는 연구 결과를 통해 Glass Lined HOMEBASE 임펠러 최적 형상과 방해판 조건을 도출하였다.


Glass lined impellers are corrosion resistant to most chemicals, including strong acids, and also have a smooth, non-stick surface, easy to clean and free from impurities in the process. Glass lined home base impeller is a multi-purpose impeller designed to stir a wide viscosity range of liquids from low viscosity fluids to high viscosity fluids, among others, cell culture, yeast culture, and beer fermentation pots, especially used for air-water system breathable stirring. The glass lining for HB impellers, which are simple in structure and competitive in performance, is essential to have upper and lower division in order to make the joint area between the impeller and shaft as small as possible. The upper and lower division of the impeller hardly affects the mixing performance, but the aeration performance. In this study, in order to optimize the shape of the Glass Lining HB impeller, a study was conducted on the effect of the angle between the upper and lower impellers, the clearance between the impellers, and the number of baffles on the aeration power. The optimal shape and baffle plate conditions for the Glass lined HB impeller were derived through the study results that the angle and the clearance between the upper and lower impellers decreased the ration of the power consumption with aeration Pg and that without aeration P0, Pg/P0.

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10리그노셀룰로오스 섬유 기반 활성탄-첨가 섬유판 필터의 미세먼지 저감장치용 적용가능성 평가

저자 : 양인 ( In Yang ) , 소재민 ( Jae Min So ) , 황정우 ( Jeong Woo Hwang ) , 최준원 ( Joon Weon Choi ) , 이영규 ( Young-kyu Lee ) , 최원실 ( Wonsil Choi ) , 오승원 ( Seung Won Oh ) , 문명철 ( Myoung Cheol Moon )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 548-556 (9 pages)

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본 연구는 부직포의 환경오염 문제를 해결하기 위하여 리그노셀룰로오스 섬유와 야자각 활성탄(CSA)을 이용한 미세먼지-저감 여과필터의 제조 가능성을 조사하였다. CSA의 경우, 휘발성 유기화합물(VOC)과 유해금속의 저감을 위한 여과필터 제조용 원료로서 적용 가능성을 확인하였으며, CSA의 VOC 저감효과는 목섬유보다 5배 이상으로 측정되었다. 돈모, 인모, 돈혈과 같은 단백질계 원료와 낙엽송 수피 열수 추출물을 이용하여 조제한 천연접착제를 적용하여 최소 200 kg/㎥의 목표밀도와 함께 최대 40 wt%의 CSA로 제조된 섬유판은 취급이 가능한 강도를 보유한 것으로 나타났다. 그러나 이 조건에서 제조된 섬유판의 경우, 통기성이 낮아 이를 해결하기 위하여 통기구를 가진 섬유판의 제조가 요구되었다. 활성탄으로 사용한 CSA는 강도 및 성형성을 고려하여 입자의 크기는 2 mesh 이상으로 조절이 필요하였고, 표층에는 목섬유만 심층에는 목섬유와 활성탄으로 구성된 3층 섬유판으로 제조하는 방안이 최적조건으로 도출되었다. 한편 필터지(한지)는 우수한 미세먼지 여과능을 가진 것으로 조사되었으며, 결과적으로 타공 섬유판과 함께 한지로 구성된 여과필터 세트가 부직포로 생산되고 있는 기존 여과필터를 대신하여 실내외 공간에 존재하는 미세먼지 외에 VOC와 유해금속 등의 저감장치용 여과필터로서 사용이 가능한 것으로 나타났다.


This study was conducted to investigate the applicability of lignocellulosic fiber and coconut shell activated carbon (CSA) for the production of a particulate matter (PM)-reducing air-filter as raw materials to solve the environmental problems of non-woven fabrics. CSA had a good potential to use as a raw material of air-filter for reducing volatile organic compounds as well as noxious metals, and reduction capability of the CSA was 5 times higher than that of wood fiber. Natural adhesives formulated with proteinaceous wastes mostly were applied successfully to fabricate air-filters with the shape of fiberboard. The air-filter fabricated with the minimum target density of 200 kg/㎥ and the maximum CSA-content of 40 wt% in fiberboard had a good manageable strength. However, the fiberboard filters was required to make vent-holes for improving an air-permeability of the filters. Size of the CSA particles was adjusted to greater than 2 mesh with the consideration of strength and formability of the fiberboard. Three-layers fiberboard that only wood fiber and the mixture of wood fiber and CSA were formed in the surface and middle layers, respectively, was determined to the optimal condition for the production of air-filters. In addition, traditional Korean paper handmade from mulberry trees (TKP) showed a good PM-reducing property as an air-filter. It is concluded that air-filtering set composed of fiberboard with vent-holes and TKP instead of conventional air-filters made with nonwoven fabrics can be used as a filter for reducing the concentrations of PM, VOC and noxious metals existed in indoor and outdoor spaces.

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1In Vitro Evaluation of Antioxidant Potential of Date Palm Collected in Algeria using Electrochemical and Spectrophotometrical Techniques

저자 : Cheyma Bensaci , Zineb Ghiaba , Messaouda Dakmouche , Assia Belfar , Mahdi Belguidoum , Fatima Zohra Bentebba , Mokhtar Saidi , Mohamed Hadjadj

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 153-158 (6 pages)

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In this study, we will determined the total phenolic content (TPC) and the antioxidant activity of the methanolic extract (ME) of date palm (Phoenix dactylifera. L) fruits (DPF) of four native cultivars from Algeria: Ghars (Gh), Chtaya (Cht), DeglaBeïda (DB) and Tinissine (Tns). The TPC of ME of DPF was measured by using Folin-Ciocalteu. Thereafter, the antioxidant capacity of various extracts was determined using DPPH test, reducing power and superoxide anion test. These results showed that dates had strongly scavenging activity on DPPH. The value of IC50 for DPPH radical test was 0.077 mg/ml in Cht. Also, Cht cultivar showed the best-reducing power, which was significantly higher than the other varieties. The less IC50 value in cyclic voltammetry method (CV), which meets the highest effective antioxidant, was 0.006 mg/ml in methanolic extract of Cht.

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2CNT Fibers의 전기화학적 특성 및 비효소적 글루코스 검출 성능 고찰

저자 : 송민정 ( Min-jung Song )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 159-164 (6 pages)

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부착형(attachable) 타입의 웨어러블 디바이스 적용을 위한 패브릭(fabric)이나 텍스처(textiles) 타입의 고성능 전극 소재 개발에 대한 필요성이 부각되고 있다. 본 연구에서는 유연 전극 소재로 탄소나노튜브 섬유(CNT fibers)를 응용하고 자, CNT fibers의 전기화학적 특성과 이를 적용한 비효소적 글루코스 센싱 성능을 확인하였다. CNT fibers의 표면 구조는 주사전자 현미경(SEM)을 이용하여 분석하였으며, 전기화학적 특성 및 센싱 성능 분석은 시간대전류법와 순환전압 전류법, 전기화학 임피던스 분석법을 이용하여 수행되었다. CNT fibers 전극은 낮은 capacitive current와 산화-환원 화학종과 전극 계면 간의 효율적인 direct electron transfer에 의한 우수한 electrochemical activity 등 향상된 전기화학적 특성으로 인해 높은 감도와 넓은 선형 농도 범위, 그리고 낮은 검출 한계 등 우수한 센싱 특성을 보였다. 따라서, 본 연구는 CNT fibers 기반의 고성능 유연 전극 소재 개발을 위한 기초 연구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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3마이크로미터 크기의 실리카 입자를 이용한 UV 경화형 눈부심 방지 코팅 필름 제조

저자 : 김태형 ( Tae Hyoung Kim ) , 송기창 ( Ki Chang Song )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 165-173 (9 pages)

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눈부심 방지(Anti-glare, AG) 코팅 필름은 액정 디스플레이, LED 조명, 터치 패널 등 다양한 디스플레이 분야에 적용되고 있다. 본 연구에서는 UV 경화형 코팅 용액 내에 충전제로써 마이크로미터 크기의 실리카 입자를 첨가하여 눈부심 방지 효과를 부여하고자 하였다. 이 과정 중 실리카 입자의 크기, 함유량, 교반 시간, 다른 크기의 실리카 입자의 혼합 비율이 코팅 도막의 haze 값과 가시광선 투과도에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 실리카 입자의 크기가 클수록, 또한 실리카 입자의 함유량이 증가할수록 haze 값은 증가하나, 가시광선 투과도는 감소하였다. 반면 교반 시간은 haze 값과 투과도에 큰 영향을 주지 못하였다. 또한 큰 크기의 실리카의 혼합 비율이 증가할수록 haze 값은 증가하나, 이와 반대로 가시광선 투과도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

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4Fabrication of K-PHI Zeolite Coated Alumina Hollow Fiber Membrane and Study on Removal Characteristics of Metal Ions in Lignin Wastewater

저자 : Xuelong Zhuang , Min Chang Shin , Byeong Jun Jeong , Seung Hwan Lee , Jung Hoon Park

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 174-179 (6 pages)

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Recently, hybrid coal research is underway to upgrade low-grade coal. The hybrid coal is made by mixing low-grade coal with bioliquids such as molasses, sugar cane, and lignin. In the case of lignin used here, a large amount of lignin is included in the wastewater of the papermaking process, and thus, research on hybrid coal production using the same is attracting attention. However, since a large amount of metal ions are contained in the lignin wastewater from the papermaking process, substances that corrode the generator are generated during combustion, and the amount of fly ash is increased. To solve this problem, it is essential to remove metal ions in the lignin wastewater. In this study, metal ions were removed by ion exchange with a alumina hollow fiber membrane coated with K-Phillipsite (K-PHI) zeolite. The alumina hollow fiber membrane used as the support was prepared by the nonsolvent induced phase separation (NIPS) method, and K-PHI seeds were prepared by hydrothermal synthesis. The prepared K-PHI seed was seeded on the surface of the support and coated by secondary growth hydrothermal synthesis. The characteristic of prepared coating membrane was analyzed by Scanning Electron Microscope (SEM), X-Ray Diffraction (XRD), Energy Dispersive Spectroscopy (EDX), and the concentration of metal ions before and after ion exchange was measured by Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer (ICP-OES). The extraction amount of K+ is 86 mg/kg, and the extraction amount of Na+ is 54.9 mg/kg. Therefore, K-PHI zeolite membrane has the potential to remove potassium and sodium ions from the solution and can be used in acidic lignin wastewater.

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5발사체 고체추진제의 저장 및 시험 시 안전거리 산정에 관한 연구

저자 : 신안태 ( Ahn-tae Shin ) , 박병문 ( Byung-mun Park ) , 변헌수 ( Hun-soo Byun )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 180-185 (6 pages)

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한-미 미사일지침 개정으로 우주발사체에 대한 고체추진제 사용 제한이 완전히 해제 됐다. 고체추진제는 1단형 과학로켓 KSR-1과 같이 고체추진제 로켓으로 활용 가능하고, 액체연료 발사체의 추력증강 부스터로도 활용 가능하다. 고체추진제는 액체추진제에 비하여 폭발 위험성이 낮은 장점이 있지만 브라질 알칸타라 발사장 폭발사고와 같이 사고가 일어나면 대형 인명사고로 이어질 수 있다. 이와 같은 대형 인명사고를 예방하기 위해서는 고체추진제의 저장 및 시험 시 최소한의 안전거리에 대한 검토가 사업의 기획단계 부터 검토되고 반영 되어야 한다. 본 논문에서는 발사체 고체추진제를 안전하게 사용하기 위한 최소한의 안전거리를 저장시설과 시험 시로 구분하여 산정 기준 및 사례를 제시하였다.

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6Fuzzy 가중치를 반영한 배출 저감 규제의 타당성 분석

저자 : 윤종수 ( Daniel Jongsoo Yoon ) , 변헌수 ( Hun-soo Byun )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 186-190 (5 pages)

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규제당국은 유해 물질 배출을 저감 하는 규제를 시행하면서, 규제 이행에 따른 다양한 활동의 편익/비용 비율로 그 타당성을 제시한다. 그리고 비율 산정과정에서 규제 관련 속성의 중요도 가중치를 반영한다. 그런데, 전문가들은 가중치 설문 응답에서 애매함을 보이고 있으며, 정확한 의사 결정을 위해서는 이를 제거해야 한다. 본 연구에서는 이를 위한 퍼지-계층화 방법론을 이용하여 타당성여부를 적용하고, 이를 2019년 11월 시행된 우리나라의 '배출 저감 계획'규제 타당성 평가에 적용하였다.

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7머신 러닝과 데이터 전처리를 활용한 증류탑 온도 예측

저자 : 이예찬 ( Yechan Lee ) , 최영렬 ( Yeongryeol Choi ) , 조형태 ( Hyungtae Cho ) , 김정환 ( Junghwan Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 191-199 (9 pages)

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화학 공정의 주요 설비 중 하나인 증류탑은 물질들의 끓는점 차이를 이용하여 혼합물에서 원하는 생산물을 분리하는 설비이며 증류 공정은 많은 에너지가 소비되기 때문에 최적화 및 운전 예측이 필요하다. 본 연구의 대상 공정은 공급처에 따라 원료의 조성이 일정하지 않아 정상 상태로 운전이 어려워 효율적인 운전이 어렵다. 이를 해결하기 위해 데이터 기반 예측 모델을 이용하여 운전 조건을 예측 할 수 있다. 하지만 미가공 공정 데이터에는 이상치 및 노이즈가 포함되어 있어 예측 성능을 향상시키기 위해 데이터 전처리가 필요하다. 본 연구에서는 인공 신경망 모델인 Long shortterm memory (LSTM)과 Random forest (RF)를 사용하여 모델을 최적화한 후, 데이터 전처리 방법으로 Low-pass filter와 One-class support vector machine을 사용하여 데이터 전처리 방법 및 범위에 따른 예측 성능을 비교하였다. 각 모델의 예측 성능과 데이터 전처리의 영향은 R2과 RMSE를 사용하여 비교하였다. 본 연구의 결과, 전처리를 통해 LSTM의 경우 R2은 0.791에서 0.977으로 RMSE는 0.132에서 0.029로 각각 23.5%, 78.0% 향상되었고, RF의 경우 R2은 0.767에서 0.938으로 RMSE는 0.140에서 0.050으로 각각 22.3%, 64.3% 향상되었다.

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8액화천연가스(LNG)를 사용한 수소 생산 및 액화 공정 개발

저자 : 노원준 ( Wonjun Noh ) , 박시환 ( Sihwan Park ) , 이인규 ( Inkyu Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 200-208 (9 pages)

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액체 상태의 수소는 기체 상태의 수소에 비해 수송이 용이하고 에너지 밀도가 높으며 폭발 위험성이 낮다. 하지만 수소 액화 공정은 냉각 사이클에 많은 양의 에너지가 소모된다. 반면에 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)는 재기화 과정에서 다량의 냉열이 버려진다. 따라서 LNG 냉열을 회수하여 수소 냉각에 활용한다면 공정 효율을 높일 수 있다. 또한, 천연가스 개질을 통한 수소 생산은 가장 경제성 있는 방법으로 평가받고 있으며, 이러한 측면에서 LNG를 수소 생산의 원료로 사용할 수 있다. 본 연구에서는 LNG를 원료 및 냉열원으로 사용하여 수소를 생산 및 액화시키는 공정을 개발하고 열역학적 관점에서 공정을 평가하였다. 공정 개발을 위해 기존의 탄화 수소 혼합 냉매와 헬륨-네온 냉매를 이용한 수소 액화 공정을 비교 공정으로 선정하였다. 이후 LNG를 원료 및 수소 예냉의 냉열원으로 사용하는 새로운 공정을 설계하여 에너지 소모량 및 엑서지 효율 측면에서 기존 공정과 비교, 분석하였다. 제안된 공정은 기존 공정 대비 약 17.9%의 에너지 절감 및 11.2%의 엑서지 효율이 향상된 결과를 나타내었다.

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9해수 이용 LNG 재기화 공정의 딥러닝과 AutoML을 이용한 동적모델링

저자 : 신용범 ( Yongbeom Shin ) , 유상우 ( Sangwoo Yoo ) , 곽동호 ( Dongho Kwak ) , 이나경 ( Nagyeong Lee ) , 신동일 ( Dongil Shin )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 209-218 (10 pages)

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ORV의 열교환 효율 향상 및 운전 최적화를 위한, first principle 기반 모델링 연구들이 수행되어왔지만, ORV의 열전달 계수는 시간, 위치에 따라 불규칙한 시스템으로, 복잡한 모델링 과정을 거친다. 본 연구는 복잡한 시스템에 대한 데이터 기반 모델링의 실효성을 확인하고자, LNG 재기화 공정의 실제 운전데이터를 이용해, ORV의 해수 유량, 해수 온도, LNG 유량 변화에 따른 토출 NG 온도 및 토출 해수 온도의 동적 변화 예측이 가능한, FNN, LSTM 및 AutoML 기반 모델링을 진행하였다. 예측 정확도는 MSE 기준 LSTM > AutoML > FNN 순으로 좋은 성능을 보였다. 기계학습 모델의 자동설계 방법인 AutoML의 성능은 개발된 FNN보다 뛰어났으며, 모델 개발 전체소요시간은 복잡한 모델인 LSTM 대비 1/15로 크게 차이를 보여 AutoML의 활용 가능성을 보였다. LSTM과 AutoML을 이용한 토출 NG 및 토출 해수 온도의 예측은 0.5 K 미만의 오차를 보였다. 예측모델을 활용해, 겨울철 ORV를 이용해 처리 가능한 LNG 기화량의 실시간 최적화를 수행하여, 기존 대비 최대 23.5%의 LNG를 추가 처리 가능함을 확인하였고, 개발된 동적 예측모델 기반의 ORV 최적 운전 가이드라인을 제시하였다.

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10Evaluation of Water Softening with the Removal of Calcium Ion by Ion Flotation Approach

저자 : Azadeh Mafi , Gholam Khayati

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 2호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 219-224 (6 pages)

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Ion flotation is an efficient method to remove metal ions from aqueous solution. In this work, ion flotation was applied to calcium removal from aqueous solution. The parameters used included sodium stearate (SS) and sodium dodecyl sulfate (SDS) as collectors, 1-butanol and 1-propanol as frothers, pH, and air-flow rate. An L16 orthogonal array was chosen according to the mentioned factors and levels, and experimental tests were conducted according to the Taguchi orthogonal array. The results showed that all of the factors except one had significant effect on the flotation performance. The percentage contribution of parameters showed that type of frother and type of collector made the greatest (43.14%) and the lowest (9.86%) contribution, respectively. In optimal conditions, the recovery of Ca (II) ion was 45.67%. Also, the results illustrated that the Taguchi method could predict calcium removal from aqueous solution by ion flotation with 2.63%. This study showed that the use of ion flotation was an effective method for Ca (II) ion removal from aqueous solution.

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