• Nuclear Engineering and Technology
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• 제53권6호
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• pp.2066-2073
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• 2021

The use of nuclear reactors is a large studied possible solution for thermochemical water splitting cycles. Nevertheless, there are several problems that have to be solved. One of them is to increase the efficiency of the cycles. Hence, in this paper, a thermal energy optimization of a Sulfur-Iodine nuclear hydrogen production cycle was performed by means a heuristic method with the aim of minimizing the energy targets of the heat exchanger network at different minimum temperature differences. With this method, four different heat exchanger networks are proposed. A reduction of the energy requirements for cooling ranges between 58.9-59.8% and 52.6-53.3% heating, compared to the reference design with no heat exchanger network. With this reduction, the thermal efficiency of the cycle increased in about 10% in average compared to the reference efficiency. This improves the use of thermal energy of the cycle.

• 에너지공학
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• 제15권2호
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• pp.127-137
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• 2006

화학연료 사용으로 야기된 환경문제, 경제문제를 해결하기 위한 방안으로 수소경제가 추진되고 있다. 원자력을 이용한 대량수소생산은 수소경제를 뒷받침하기 위한 현실적인 방안이다. 본 논문에서는 원자력수소 생산에 사용할 초고온가스로의 특징과 개발현황, 초고온가스로로부터 발생하는 고온의 열을 이용한 수소생산방법 중 유력시 되는 기술로서 요오드-황 열화학법, 황산하이브리드법, 고온전기분해법의 기술개발 현황과 방향을 소개한다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제46권3호
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• pp.633-638
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• 2008

열화학적 물분해에 의한 수소 생산 공정 중의 하나인 IS(Iodine-sulfur) 사이클에서 요오드와 이산화황, 그리고 물을 반응물로 하여 요오드화수소와 황산을 제조하는 분젠 반응에 대한 연구를 수행하였다. 요오드의 투입 몰수에 관계없이 황산의 생성량은 일정하였으나 요오드화수소의 생성량은 요오드의 투입 몰수가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 생성된 요오드화수소와 미 반응된 요오드가 $HI_3$ $HI_5$ or $HI_7$와 같은 착화합물인 polyiodide를 형성하기 때문인 것으로 생각된다. 이들 착화합물의 형성은 생성물의 2액상 분리 특성의 향상을 가져온다. 또한 요오드 투입 몰수의 증가함에 따라 반응 속도는 향상되었다. 반응물인 요오드의 투입 몰수 및 반응 온도가 증가함에 따라 생성 용액의 2액상 분리 특성이 향상되었으며 모든 실험의 조건 하에서 부반응은 발생 되지 않는 것으로 나타났다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제58권2호
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• pp.235-247
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• 2020

Sulfur-Iodine cycle (SI cycle)은 요오드와 황을 첨가하여 최종적으로 물을 열화학적으로 분해하여 산소와 수소를 생산하는 공정으로 황산분해, 요오드화 수소 분해, 분젠반응 등 세가지 반응들로 이루어져 있다. 분젠 반응은 두가지 공정 중간에 존재하므로 두 반응에 필요한 화학물을 조달하는 역할로 이에 대한 상분리 및 반응기에 대한 분석이 중요하다. 본 연구에서는 50 L/hr 수소를 생산하는 pilot scale의 Sulfur-Iodine Cycle 중 분젠 공정에 대한 모사, 민감도 분석, 민감도 분석을 토대로한 각각 상분리기와 분젠 반응기에 대한 최적 조건을 제시하였다. 열역학 물성치의 계산을 위해 Electrolyte Non-Random Two Liquid (ELECNRTL) model 사용하였다. 모델에 대한 신뢰도 확보를 위해서 실제 pilot scale의 공정 데이터와 검증을 수행하였다. 반응기의 종류를 선정하기 위해 Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)과 Plug Flow Reactor (PFR) 동일한 온도 및 부피 변화에서 SO₂ 전환율을 비교하였다. 상분리기 선정을 위해 3상 분리 시스템(기체-액체-액체)과 액체-기체 분리 후 액체-액체 구조에서 H₂SO₄ 상과 HI_X 상에서의 불순물들을 비교하였다. PFR에서 온도, 지름, 길이를 결정 변수로 SO₂ 전환율을 최대화 하기 위한 최적화를 수행하였는데, 온도 121 ℃와 PFR의 지름이 0.20 m 및 길이 7.6 m 일 때 SO₂ 전환율이 98% 최적 결과임을 확인하였다. 기존 pilot scale과 동일한 운전 조건 하에 PFR의 지름 3/8 inch, 길이 3.0 m, 120 ℃ 일 때 인입 몰량인 I₂ 및 H₂O를 결정 변수로 SO₂ 전환율에 대한 최적화를 수행하였을 때, SO₂ 전환율이 10% 일때 H₂O 및 I₂ 의 인입 몰량은 각각 17%와 22%로 감소하였다. 앞선 조업 조건 최적화 조건 (121 ℃, 지름 0.20 m, 길이: 7.6 m) 경우에는 SO₂ 전환율이 98% 일 때 H₂O가 1% 그리고 I₂가 7% 감소하였다. 상분리기에서 HI_X 상내 H₂SO₄ 최소화하는 목적함수에서 그에 상응하는 온도, I₂와 H₂O를 결정 변수로 설정하였을 때, H₂O 몰량이 기존공정보다 17% 감소하고 I₂ 몰량이 24% 감소하였을 때 최소 불순물이 생성하였다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제17권4호
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• pp.395-402
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• 2006

Iodine-sulfur(IS) hydrogenation production process consists of three sections, which are so called a Bunsen reaction section, a HI decomposition section and a $H_2SO_4$ decomposition section as a closed cycle. For highly efficient operation of a Bunsen reaction section, we investigated the phase separation characteristics of $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ system into two liquid phases($H_2SO_4$-rich phase and $HI_x$-rich phase) in the high temperature ranges, mainly from 353 to 393 K, and in the $H_2SO_4/HI/H_2O/I_2$ molar ratio of $1/2/14{\sim}30/0.3{\sim}13.50$. The desired results for the minimization of impurities in each phase were obtained in conditions with the higher temperature and the higher $I_2$ molar composition. On the basis of the distribution of $H_2O$ to each phase, it is appeared that the affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was more superior to that between $H_2SO_4$ and $H_2O$.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제19권6호
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• pp.490-497
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• 2008

For continuous operation of the sulfur-iodine(SI) thermochemical cycle, which is expected practical method for massive hydrogen production, suggesting operation conditions at steady state is very important. Especially, in the Bunsen reaction section, the Bunsen reaction as well as side reactions is occurring simultaneously. Therefore, we studied on the relation between the variation of compositions in product solution and side reactions. The experiments for Bunsen reaction were carried out in the temperature range, from 268 to 353 K, and in the $I_2/H_2O$ molar ratio of $0.094{\sim}0.297$ under a continuous flow of $SO_2$ gas. As the result, sulfur formed predominantly with increasing temperature and decreasing $I_2/H_2O$ molar ratios. The molar ratios of $H_2O/H_2SO_4$ and $HI/H_2SO_4$ in global system were decreased as the more side reaction occurred. A side reactions did not appear at $I_2/H_2O$ molar ratios, saturated with $I_2$, irrespective of the temperature change. We concluded that it caused by the increasing stability of an $I_{2x}H^+$ complex and a steric hindrance with increasing $I_2/HI$ molar ratios.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제19권5호
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• pp.386-393
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• 2008

The Sulfur-iodine(SI) thermochemical cycle is one of the most promising methods for massive hydrogen production. For the purpose of continuous operation of SI cycle, phase separation characteristics into two liquid phases ($H_2SO_4$-rich phase and $HI_x$-rich phase) were directly investigated via Bunsen reaction. The experiments for Bunsen reaction were carried out in the temperature range, from 298 to 333 K, and in the $I_2/H_2O$ molar ratio of $0.109{\sim}0.297$ under a continuous flow of $SO_2$ gas. As the results, solubility of $SO_2$, decreased with increasing the temperature, had considerable influence on the global composition in the Bunsen reaction system. The amounts of impurity in each phase(HI and $I_2$ in $H_2SO_4$-rich phase and $H_2SO_4$ in $HI_x$-rich phase) were decreased with increasing $H_2SO_4$ molar ratio and temperature. To control the amounts of impurity in $HI_x$-rich phase, temperature is a factor more important than $I_2/H2_O$ molar ratio. On the other hand, the affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was increased with increasing $I_2/H2_O$molar ratio.

• 공업화학
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• 제16권6호
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• pp.848-852
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• 2005

Iodine-sulfur 사이클의 연속 공정 운전을 위해서는 분젠반응에서 생성되어진 황산과 요오드화수소의 분리와 일정한 조성을 유지시키는 기술이 필요하다. 그러나 황산과 요오드화수소는 황과 황화수소를 생성시키는 부반응이 일어나므로 부반응을 억제하며 두 개의 산을 분리시키는 기술이 요구된다. 따라서 본 연구는 부반응이 최소화되는 조건에서 2 액상 분리에 관한 물의 영향에 관하여 조사하였다. 물 몰분율이 0.86에서 0.91까지 범위에서 2 액상 분리가 일어나고 물의 증가에 따라 황화수소의 생성이 억제되었으나 물아 몰분율이 0.92 이상에서 2 액상 분리 현상은 관찰되지 않았다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제19권2호
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• pp.111-117
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• 2008

A Bunsen reaction section is a primary stage of Sulfur-iodine thermochemical hydrogen production cycle. This section is important, because it decides the efficiency of next stages. In order to produce hydrogen very efficiently, the characteristics of Bunsen reaction were investigated via two experimental methods. The one is a phase separation of $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ mixture system, and the other is a direct Bunsen reaction. The characteristics of each method were investigated and compared. As the result of this study, the amount of HI and $I_2$ in $H_2SO_4$ phase via Bunsen reaction was more decreased than that via $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ mixture system with increasing $I_2$ concentration. However, the amount of $H_2SO_4$ in $HI_x$ phase via Bunsen reaction was remarkably increased with increasing $I_2$ concentration, while that via $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ mixture system was decreased. On the other hand, the range of initial composition which is able to separate into two liquid phases without $I_2$ solidification was almost alike.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제46권3호
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• pp.363-372
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• 2014

In this study, we proposed a newly designed sulfuric acid transfer system for the sulfur-iodine (SI) thermochemical cycle. The proposed sulfuric acid transfer system was evaluated using a computational fluid dynamics (CFD) analysis for investigating thermodynamic/hydrodynamic characteristics and material properties. This analysis was conducted to obtain reliable continuous operation parameters; in particular, a thermal analysis was performed on the bellows box and bellows at amplitudes and various frequencies (0.1, 0.5, and 1.0 Hz). However, the high temperatures and strongly corrosive operating conditions of the current sulfuric acid system present challenges with respect to the structural materials of the transfer system. To resolve this issue, we designed a novel transfer system using polytetrafluoroethylene (PTFE, $Teflon^{(R)}$) as a bellows material for the transfer of sulfuric acid. We also carried out a CFD analysis of the design. The CFD results indicated that the maximum applicable temperature of PTFE is about 533 K ($260^{\circ}C$), even though its melting point is around 600 K. This result implies that the PTFE is a potential material for the sulfuric acid transfer system. The CFD simulations also confirmed that the sulfuric acid transfer system was designed properly for this particular investigation.