열유동해석을 통해 열전달 및 반응을 계산해서 실험결과와 비교했다.. 그리고 \( 1 \mathrm { MW } \) 규모의 반응기로 확장하여 \( 72 \% ~ 100 \% \) 의 전환율을 달성하였다. 간접식 반응기는 내부로 태양열이 직접 전달되므로 열전달 측면에서 반응물을 가열하는데 유리하지만, 반응기 내부 길이방향으로 온도 차이가 크고 빛의 투과율이 감소하는 문제가 있다.
<p>간접식 반응기는 대부분 관형 형식인데, Rodat et al. 은 집광된 태양열이 개구부를 통과한 후 흑연 캐비티 내에 위치한 흑연 관 반응기를 가열하고 이 관에 메탄이 흐르면서 고온 환경에서 분리되는 \( 10 \mathrm { ~kW } \) 급 반응기를 이용하였다. 열유동해석을 통해 열전달 및 반응을 계산하였고 이를 실험결과와 비교하였다. \( { } ^ { [11,12] } \) 이후 \( 1 \mathrm { MW } \) 규모의 태양로용 메탄분해 반응기로 확장하여 연구를 수행하였으며 좀 더 많은 유량에서 \( 72 \% ~ 100 \% \) 의 전환율을 달성하였다. Valdes-Parada et al.은 집광된 태양열을 흡수하는 쿼츠가 있는 육면체의 캐비티 내부의 흑연 관이 수직으로 장착된 반응기를 개발하였다. 반응 관 내 유로를 개선하여 체류시간을 확보하였으며 각 관은 두 개의 이중 관으로 구성된다. 아르곤-메탄 혼합물을 공급될 때 온도분포 및 메탄 전환율에 대하여 수치적으로 시뮬레이션을 수행하였고 이를 실험결과와 비교하여 온도분포에 따른 전환율과의 관계를 설명하였다. 이를 바탕으로 경질 탄화수소용 반응기 개발에 활용 하고자 하였다.</p> <p>직접 가열식 반응기는 내부로 태양열이 직접 전달되므로 열전달 측면에서 반응물을 가열하는데 유리하다. 그러나 반응기로 조사된 태양열의 투과거리가 길지 않기 때문에 반응기 내부 길이방향으로 온도 차이가 크다. 또한 내부로 빛을 투과시키기 위해 장착된 윈도우에 반응 시 생성된 입자가 침착되는 문제로 인하여 태양광의 투과율이 감소하고 원도우 온도 증가로 인한 손상이 있다. 또한 원도우 제작상 크기의 한계가 있기 때문에 대용량 반응기 제작에 제한이 따른다. 일반적으로 간접 가열식은 앞서 언급한 연구에서와 같이 반응기 외부에 보온을 위한 캐비티가 있으며 내부에 주로 흑연 재질의 관형 다발관 형태의 반응기가 설치되고 반응기 내부에 서 메탄 또는 메탄 혼합물이 반응할 수 있도록 하였으며 열손실을 줄이기 위해 캐비티의 밀폐율을 높이고자 하였다.</p> <p>본 연구에서는 이와 달리 세라믹 소재의 캐비티 내에 설치한 하나의 관형 반응기로서 집광된 태양열을 주로 반응기가 직접 공급받도록 하였으며 반응기를 일정 속도로 회전시켜 고열유속에 따른 반응기 손상을 최소화하였다. 메탄 분해방식으로 메탄을 생산하기 위해서는 \( 1,200 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 이상의 고온이 필요하다. 여기에 촉매를 사용하면 활성화 에너지 감소로 인해 반응 온도를 낮출 수 있으며 이에 반응기에서 발생하는 열 손실 및 손상을 줄일 수 있다. 이를 위한 촉매로 주로 카본블랙 \( ( \mathrm { CB } ) \) 나 활성탄 \( ( \mathrm { AC } ) \) 촉매가 사용되며 이에 대한 연구도 진행되어왔다. \( { } ^ { [15 ~ 19] } \mathrm { AC } \) 촉매의 경우 초기 반응속도가 높으나 불활성화 전까지 생성되는 탄소의 양이 작으며 \( \mathrm { CB } \) 촉매는 \( \mathrm { AC } \) 촉매와 달리 초기 반응속도가 낮지만 불활성화 전까지 생성되는 탄소의 양이 상대적으로 많다. Suelves et al.은 \( \mathrm { CB } \) 와 \( \mathrm { AC } \) 촉매에 대해 메탄의 열촉매 분해시 시간에 따른 질량 변화를 모니터링 했으며 촉매 중 \( \mathrm { CB } \) 계열인 \( \mathrm { BP } -2000 \) 이 불활성화 전에 가장 많은 양의 탄소가 침착됨을 입증하였다. \( { } ^ { [16] } \mathrm { BP } -2000 \) 은 \( \mathrm { CABOT } \) 사에서 만든 순수 카본블랙 제품으로 플라스틱이나 고무에 대한 첨가제로 주로 사용되지만 입자가 매우 미세하며 표면적이 크고 전도성이 높아 앞서 언급한 대로 여러 \( \mathrm { CB } \) 촉매 중 하나로 다양한 연구에 사용되었다.</p>