Study of Reactor-Separator Network in Bunsen Process of Sulfur Iodine Cycle For Hydrogen Production

Abstract

본 연구에서는 요오드-황 사이클 중 기존의 분젠 공정에서 물질에 따라 반응과 분리에 영향을 분석한 후 공정 효율을 높일 수 있는 방법을 모색하였다. 연구의 본 목적은 분리를 유지하기 위한 과다한 요오드를 줄이는 방법을 제시하고 반응을 방해하는 산소를 다른 장치에 흘러가게 함으로 전체 공정의 효율을 높이는 반응기-분리기 네트워크를 제시하는 것이다. 우선 기존의 공정을 모사로 시작하였다. 포함되어 있는 내용은 각 반응기에 대한 반응 속도 모델, 각 장치들의 정보, 운전조건 등이 포함되어 있다. 기반으로 사용할 공정 모델은 1970년대부터 2003년 까지 general atomics에서 개발한 공정도이다. 본 공정도를 기반으로 1 kmol/h을 가진 분젠반응, 황산분해반응, 그리고 HI 분해반응 등 세가지를 가지고 있다. 분젠 반응에서 반응과 분리를 고려하여 산소 stream의 위치를 고려하였다. 우선 반응에서의 분석을 통해서 산소의 증가에 따라 분젠반응의 수율이 감소하고 이산화황의 증가에 따라 반응 효율이 올라감을 알 수 있었다. 이를 통하여, 산소 라인을 분젠 반응기 대신에 SO2 absorber에 흘러가는 케이스, O2 scrubber에 흘러가는 케이스 등 해서 두가지 케이스를 도출하였다. 그리하여, 기존의 케이스를 포함하여 3가지 케이스를 도출하였다. SO2 scrubber 대신에 공정 전체에 요오드를 감소 시킬 수 있는 HIX purifier를 대체하여 이 또한 두가지 케이스를 나누었다. 그리하여 총 6가지 케이스를 도출하여, 어떤 공정도가 가장 효율적인가를 분석하였다. 분석 결과는 총 3가지로 나누었다. SO2 scrubber와 HIX purifier에서 사용할 때의 feed 조건, 분젠 반응에서의 SO2, I2, H2O, O2 에 대한 HI의 수율, 그리고 각 케이스에 대한 열효율을 분석하였다. 분석한 결과 HIx purifier 사용 할 때 요오드의 양이 감소하므로 HIX purifier에서 나온 효율보다. 산소 라인이 O2 scrubber을 거칠 때 가장 높은 효율을 나올 수 있음을 알 수 있었다. 이를 종합하여, SO2 함유량이 높고 요오드가 함유량이 낮을 때 높을 효율을 냄을 알 수 있었다. SO2 함유량이 높은 케이스는 요오드의 함유량이 낮게 나오는데, 그 이유는 SO2 가 요오드보다 더 반응에 민감하기에, SO2 함량이 적은 경우 동일 양의 HI를 생산할 때 더 많은 요오드를 요구하게 된다. 그리고, 요오드가 많을수록 열이 많이 들어감으로, 열효율이 감소하는 경향을 보인다. 그러므로, 높은 SO2, 낮은 I2, 산소가 분젠 공정 라인을 피할 때 가장 높은 효율을 보이는 것이다.

Hydrogen is the promising future energy carrier. A few processes have been developed as a massive hydrogen production. The Sulfur-Iodine (SI) cycle is considered as a strong candidate for a massive hydrogen production and environmentally-benign process. However, two major issues hinder developing this process to commercial level. First, the current Bunsen process requires high amount of iodine to cause the phase separation of the products. The solidified Iodine damages seriously on the pipe by clogging. Secondly, the reaction efficiency decreases as oxygen contacts to Bunsen reactants. Those two issues are the main factors that reduce heat efficiency. To solve aforementioned issues, this research suggests a novel reactor-separator network in the Bunsen process to achieve high hydrogen production thermal efficiency. The scope of process simulation only covers the conceptual design of the process. We carried out six case studies to observe the effect of the reactants on the Bunsen reaction. The key classifications of the case studies are the location of SO2-O2 stream to avoid oxygen contact in the Bunsen reaction and use of the HIX purifier instead of SO2 absorber to reduce iodine. The thermal efficiency of the best case was 48.91%. The process efficiency was higher when low iodine flow, high HI flow, and high SO2 recycling are used as initial materials flow to avoid hindrance and maintain low iodine flow.