Flow visualization inside the vertical CVD reactor

Abstract

탄소나노튜브 섬유를 직접방사법으로 합성하는 수직형 CVD 반응기 내부 유동을 가시화하여 실험적으로 확인하고 시뮬레이션을 진행하였습니다. 수직형 반응기의 경우 반응물을 위에서 흘려주는 경우와 아래에서 흘려주는 경우로 나뉩니다. 두 경우 모두 반응기 상단에 순환류가 생성됩니다. 이는 반응기 상단부의 온도보다 반응기 중앙부의 온도가 더 높기 때문에 나타나는 현상입니다. 따라서, 다양한 조건에서 시뮬레이션을 진행함으로써, 수직형 반응기 내부 유동을 제어해 보았습니다. 결과적으로 반응물을 아래에서 위로 흘려주는 수직형 반응기의 경우에 안정적인 유동 패턴을 제어할 수 있었습니다. 추가적으로 반응기 크기를 키워 scale up 연구를 진행하였습니다. 반응기 크기가 커지게 되면 예상하지 못한 복잡한 유동 패턴이 생성됩니다. 또한, 이러한 큰 사이즈의 순환류는 탄소나노튜브 섬유 합성에 큰 영향을 주게 됩니다. 따라서 탄소나노튜브 대량 생산을 위해 반응기 크기를 키우는 경우에는 많은 변수를 고려해야 할 것입니다.

The flow circulations inside the vertical CVD reactor with an open outlet were experimentally confirmed. The temperature differences across the reactor cross section were measured at the furnace inlet (370℃) and the outlet (180℃), while there was a small temperature difference across the cross section at the middle of the furnace. Flow circulations in the axial direction were observed at the top of the reactor. And the flow could be controlled by using computational fluid dynamics (CFD) under various conditions.