촉매 없는 역수소전환 반응의 난류·화학 상호작용 고해상도 시뮬레이션

초록

본 연구는 전기 기반 지속가능 항공 연료(e‑SAF) 생산 공정에서 핵심 역할을 하는 촉매 없는 역수소전환(RWGS) 반응을 고해상도 수치 시뮬레이션으로 분석한다. 직접 DNS와 LES(Partially Stirred Reactor 모델)를 이용해 난류와 화학 반응의 결합을 조사하고, 미량의 O₂가 CO₂ 흐름에 첨가될 경우 OH 라디칼이 증가해 CO 생성 속도가 크게 향상됨을 확인하였다. 압력에 따라 효과가 달라지며, 제시된 알제브라식 식을 통해 Damköhler 수와 화학 시간척도에 기반한 전환 시간을 예측한다. LES의 PaSR 서브그리드 모델은 엔도열 RWGS 반응에도 높은 정확도를 보였다.

상세 분석

본 논문은 지속가능 항공 연료(e‑SAF) 생산을 위한 촉매 없는 역수소전환(RWGS) 공정의 근본적인 물리·화학 메커니즘을 고해상도 수치 실험으로 규명한다. 먼저, Pencil Code 기반 DNS는 14종 34반응 메커니즘(Li et al.)을 완전하게 적용해 연속 방정식, 운동량 방정식, 종(species) 보존식, 에너지 방정식을 6차 정확도로 풀었다. 특히, 혼합물의 비등방성 확산을 FickianTransportFoam을 통해 Lewis 수가 큰 H₂·H 종에 대한 정확한 질량·열 확산을 구현하였다.

LES에서는 OpenFOAM‑reactingFoam과 동적 1‑방정식 서브그리드 모델을 사용해 가장 작은 와베 길이를 필터링하고, PaSR 모델을 통해 화학 반응이 미세 구조 내에서 일어나는 비율을 κ = τ_c/(τ_c+τ_mix) 로 스케일링하였다. τ_c는 메커니즘에서 직접 계산된 화학 시간척도이며, τ_mix은 유효 점성 ν_eff와 소산율 ε에 기반한 C_mix 파라미터(≈0.01)로 정의된 혼합 시간척도이다. C_mix이 0에 가까울수록 완전 반응을 가정하고, 본 연구에서는 기존 수소 연소 연구와 일치하게 C_mix=0.01을 채택하였다.

난류‑화학 상호작용을 평가하기 위해 Damköhler 수(Da = τ_mix/τ_c)와 화염 지수(FI) 두 가지 지표를 도입하였다. RWGS는 엔도열 반응이므로 전통적인 화염 전선이 존재하지 않으며, FI는 양·음 부호가 모두 나타날 수 있다. 특히, O₂가 미량 존재할 경우 H₂와 O₂의 급속 연소가 비전형적인 비혼합(non‑premixed) 반응을 유도하고, 이는 OH 라디칼 풀을 급격히 증가시켜 CO₂ + H₂ → CO + H₂O 반응 속도를 크게 가속한다.

압력 의존성 분석에서는 대기압(1 atm)에서 O₂ 첨가 효과가 가장 두드러졌으며, 압력이 10 atm 이상으로 상승하면 전체 반응 속도가 압축에 의해 증가하지만 O₂에 의한 촉진 효과는 상대적으로 감소한다. 이는 고압에서 전반적인 전반적인 반응 속도가 화학 제한이 되기 때문이다.

또한, 논문은 전형적인 시간적 제트 프레임워크를 이용해 전이 흐름에서 CO 전환 시간을 τ_CO를 Da와 τ_c의 함수로 표현하는 알제브라식(τ_CO ≈ τ_c·(1+Da⁻¹))을 제시하고, 이를 통해 설계 단계에서 필요한 체류 시간을 사전 예측할 수 있음을 보였다.

마지막으로, LES‑PaSR 모델과 DNS 결과를 비교한 결과, 평균 전환율, 온도·종 프로파일, 그리고 FI 분포에서 차이는 5 % 이하이며, 특히 고 Da 영역에서의 오차는 거의 없었다. 이는 기존에 연소 전용으로 개발된 PaSR 서브그리드 모델이 엔도열 RWGS에도 그대로 적용 가능함을 실증한다.

요약하면, 미량 O₂가 OH 라디칼을 매개로 CO 생산을 촉진하고, Damköhler 수 기반의 전환 시간 예측식이 설계에 유용하며, PaSR‑LES가 촉매 없는 RWGS 난류 흐름을 정확히 재현한다는 것이 핵심 결과이다.