KR100871972B1 - Concentration and decomposition method of hi for producing nuclear hydrogen - Google Patents

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장종화
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Abstract

A concentration and decomposition method of hydrogen iodide for producing nuclear hydrogen is provided to optimize energy by concentrating by distillation after moving a molar fraction above an azeotropic point of the hydrogen iodide by using an electro dialyzer. A hydrogen iodide mixture solution is concentrated to a hydrogen iodide density above an azeotropic point first by injecting the hydrogen iodide mixture obtained by the result of the Bunsen reaction to the reduction reaction chamber of the electro dialyzer. The electro dialyzer is composed of an anode chamber and a cathode chamber by using a high molecular membrane as a partition to selectively transmit the hydrogen ion. The concentrated hydrogen iodide mixture solution is concentrated to the hydrogen iodide mixture gas of the high purity concentrated in a multi step evaporator secondly. The hydrogen is obtained by decomposing the concentrated hydrogen iodide mixture gas in a multi step deposition reaction device of the hydrogen iodide in which the catalyst is filled. After decomposition of the hydrogen iodide, remaining hydrogen iodide mixture gas is condensed and the condensed gas is re-injected to the anode chamber of the electro dialyzer.

Description

원자력 수소 생산용 요오드화수소 농축/분해 방법{Concentration and decomposition method of HI for producing nuclear hydrogen}Concentration and decomposition method of HI for producing nuclear hydrogen}

도 1은 종래기술에 따른 GA 사의 SI 공정 제1 단위공정인 분젠 반응 단위공정도이다. 1 is a Bunsen reaction unit process diagram of a first SI process of a GA process according to the related art.

도 2는 종래기술에 따른 GA 사의 SI 공정 제2 단위공정인 황산용액 농축/분해 단위공정도이다. Figure 2 is a sulfuric acid solution concentration / decomposition unit process diagram of the GA unit SI process second unit process according to the prior art.

도 3은 종래기술에 따른 GA 사의 SI 공정 제3 단위공정인 요오드화수소 혼합 용액 농축/분해 단위공정도이다. 3 is a unit flow chart of a hydrogen iodide mixed solution concentration / decomposition unit of a third SI process of a GA company according to the related art.

도 4는 본 발명에 따른 요오드화수소 혼합 용액 농축/분해 단위공정도이다. 4 is a unit flow chart of the concentration of hydrogen iodide mixed solution according to the present invention.

도 5는 전기투석장치의 원리를 나타낸 개념도이다. 5 is a conceptual diagram showing the principle of the electrodialysis apparatus.

도 6은 반응온도에 따른 요오드화수소의 액체상/기체상 몰분율을 나타낸 그래프이다. 6 is a graph showing the liquid / gas phase mole fraction of hydrogen iodide according to the reaction temperature.

7은 본 발명의 일실시예에 따른 전기투석장치의 적용전압과 수소생산 열효율의 관계를 나타낸 그래프이다. Figure 7 is a graph showing the relationship between the applied voltage and the efficiency of hydrogen production of an electrodialysis device according to one embodiment of the present invention.

도 8은 종래기술에 따른 요오드화수소 혼합 용액 농축/분해 단위공정에 있어서, 미반응물질의 증류탑 내 순환형 시스템을 나타낸 도면이다. FIG. 8 is a view illustrating a circulation system in a distillation column of unreacted materials in a hydrogen iodide mixed solution concentration / decomposition unit process according to the prior art.

도 9는 본 발명에 따른 요오드화수소 혼합 용액 농축/분해 단위공정에 있어서, 미반응물질의 증류탑 내 비순환형 시스템을 나타낸 도면이다. FIG. 9 is a view showing an acyclic system in a distillation column of unreacted materials in a hydrogen iodide mixed solution concentration / decomposition unit process according to the present invention.

도 10은 요오드화수소 분해반응에 대하여 반응온도에 따른 열역학적 엔탈피 및 깁스에너지를 나타내는 그래프이다. 10 is a graph showing the thermodynamic enthalpy and Gibbs energy according to the reaction temperature for the hydrogen iodide decomposition reaction.

도 11은 요오드화수소 분해반응에 대하여 반응온도에 따른 평형상수를 나타내는 그래프이다. FIG. 11 is a graph showing an equilibrium constant according to reaction temperature for hydrogen iodide decomposition reaction. FIG.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 요오드화수소 분해반응기 직렬 모듈을 나타내는 도면이다. 12 is a view showing a hydrogen iodide decomposition reactor series module according to an embodiment of the present invention.

<주요 도면 부호에 대한 간단한 설명><Short Description of Main Reference Signs>

A: 분젠 반응 B: 황산 부스터 반응기A: Bunsen reaction B: Sulfuric acid booster reactor

C: 1차 산소 집진기 D: 2차 산소 집진기C: primary oxygen dust collector D: secondary oxygen dust collector

E: SO2 흡수기 F: 저농도 SO2 흡수기E: SO 2 absorber F: Low concentration SO 2 absorber

G(G1,G2,G3,G4): 가열기 H(H1,H2,H3): 감압기G (G1, G2, G3, G4): Heater H (H1, H2, H3): Pressure reducer

I: 진공유지칼럼 J: 요오드화수소 반응증류칼럼I: vacuum holding column J: hydrogen iodide reactive distillation column

K: 수소 집진기 L: 요오드 집진기K: Hydrogen Dust Collector L: Iodine Dust Collector

O: 전기투석장치 P: 요오드화수소 분해반응기O: electrodialysis apparatus P: hydrogen iodide cracking reactor

본 발명은 원자력 수소 생산용 요오드화수소 농축/분해 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen iodide concentration / decomposition method for the production of nuclear hydrogen.

최근 발효된 지구 온난화 방지를 위한 교토 의정서가 발효되고 석유값이 지속적으로 상승함에 따라 이산화탄소 저감대책의 일환으로 수소에너지가 대체에너지원으로 제시되고 있다. 이에, 원자력 발전에서 폐기되는 고온 열원을 이용한 경제적인 수소생산공정 개발은 전세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다As the Kyoto Protocol to prevent global warming came into force and oil prices continued to rise, hydrogen energy has been proposed as an alternative energy source as a measure to reduce carbon dioxide. Therefore, the development of economical hydrogen production process using high temperature heat sources discarded in nuclear power generation has been conducted a lot of research worldwide.

종래 수소생산 공정으로 미국의 제너럴 아토믹(GA)사는 에너지원으로 초고온 가스로(VHTR)의 냉각재인 헬륨가스의 950 ℃이상의 고온의 열원을 이용하여 물을 분해하여 수소를 생산하는 열화화학적 수소제조 황-요오드 공정(Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle Process, 이하 'SI 공정')을 개발한 바 있다. 상기 SI 공정은 화학반응식에 나타낸 바와 같이 최종의 화학반응으로 구성된다[J. H. Norman, G. E. Besenbruch, L. C. Brown, D. R. O’keefe, and C. L. Allen, Thermo-chemical Water-splitting Cycle, Bench-scale Investigations, and Process Engineering, General Atomic Company, GA-A16713, General Atomics, 1982].In the conventional hydrogen production process, U.S. General Atomic (GA) uses sulfur as a source of energy to produce hydrogen by decomposing water using a high-temperature heat source of more than 950 ° C of helium gas, a coolant of VHTR. -I have developed the Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle Process (SI process). The SI process consists of the final chemical reaction as shown in the chemical scheme [J. H. Norman, G. E. Besenbruch, L. C. Brown, D. R. O'keefe, and C. L. Allen, Thermo-chemical Water-splitting Cycle, Bench-scale Investigations, and Process Engineering, General Atomic Company, GA-A16713, General Atomics, 1982].

2H2O + I2 + SO2 = 2HI + H2SO4 (분젠반응, 약 100℃, 발열반응) (1)2H 2 O + I 2 + SO 2 = 2HI + H 2 SO 4 (bunsen reaction, about 100 ℃, exothermic reaction) (1)

2HI = H2 + I2 (200~500℃, 흡열반응) (2)2HI = H 2 + I 2 (200 ~ 500 ℃, endothermic reaction) (2)

H2SO4 = H2O + SO2 + 0.5 O2 (약 850℃, 흡열반응) (3)H 2 SO 4 = H 2 O + SO 2 + 0.5 O 2 (about 850 ℃, endothermic reaction) (3)

상기 3종의 화학 반응들로 구성된 SI 공정을 화학 반응 참여물질들의 흐름을 기준으로 도식적으로 나타내면 다음과 같다.The SI process consisting of the three chemical reactions is shown schematically based on the flow of chemical reaction participants.

Figure 112007043033699-pat00001
Figure 112007043033699-pat00001

분젠반응(Bunsen reaction)으로 명명된 식(1)은 발열반응(제1 단위공정, 도 1 참조)이며 식(3)의 황산분해 반응(제2 단위공정, 도 2 참조)은 400 ~ 500 ℃에서 물과 삼산화황으로 1차 분해된 후, 분해된 삼산화황(SO3)이 약 800℃ 이상에서 고체 촉매반응에 의해 이산화황과 산소로 2차 분해된다. 식(2)의 요오드화수소(HI) 분해 반응(제3 단위공정, 도 3 참조)은 기체상태에서의 고체 촉매반응 혹은 액체상태 에서의 균질 촉매반응으로 진행된다. Equation (1) named Bunsen reaction is exothermic reaction (first unit process, see Fig. 1 ) and sulfuric acid decomposition reaction of formula (3) (second unit process, see Fig. 2 ) is 400 ~ 500 ℃ After primary decomposition into water and sulfur trioxide at, the decomposed sulfur trioxide (SO 3 ) is secondary decomposition into sulfur dioxide and oxygen by solid catalysis at about 800 ° C. or more. The hydrogen iodide (HI) decomposition reaction of Formula (2) (third unit process, see FIG. 3 ) proceeds as a solid catalysis in the gas state or a homogeneous catalysis in the liquid state.

상기 제1~3 단위공정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The first to third unit processes will be described in detail as follows.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 단위공정은 물(H2O), 이산화항(SO2), 요오드(I2)가 반응하여 황산(H2SO4) 및 요오드화수소(HI)을 생산하는 공정이다. 상기 공정은 요오드를 적절하게 과잉으로 투입함으로써 식(1)의 정방향 진행을 도모할 뿐만 아니라 황산상과 요오드화수소상이 상호 분리될 수 있도록 비혼화성(immiscibility)을 유발한다. 이 반응은 약간의 발열반응으로 반응온도는 120 ℃이하이다. 분젠반응기에서 배출된 용액은 상분리기에서 HI/I2/H2O가 주 구성성분인 중질상(heavy phase)과 H2SO4/H2O가 주 구성성분인 경질상(light phase)으로 상호 분리된다. As shown in FIG . 1, in the first unit process, water (H 2 O), sulfur dioxide (SO 2 ), and iodine (I 2 ) react to produce sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen iodide (HI). It is a process to do it. This process not only promotes forward progress of formula (1) by appropriately adding excessive amount of iodine, but also causes immiscibility so that the sulfuric acid phase and the hydrogen iodide phase can be separated from each other. This reaction is a little exothermic and the reaction temperature is below 120 ° C. The solution discharged from the Bunsen reactor is a heavy phase in which HI / I 2 / H 2 O is the main component and a light phase in which H 2 SO 4 / H 2 O is the main component in the phase separator. Are separated from each other.

상분리기에서 배출되는 경질상의 황산:물 몰농도비는 약 1:5 정도이며 이것이 제2의 분젠반응기라 할 수 있는 황산 부스터 반응기를 거치는 동안 1:4로 최종 증가되어 제2 단위공정으로 주입된다. 한편 중질상은 제2 단위공정의 황산분해 반응기에서 생성된 산소기체를 이용하여 기-액 접촉시킴으로써 중질상 내부에 잔존하는 이산화황을 기화시키고 이로 인해 발생되는 화학평형의 교란이 용액 내 잔존하는 황산의 분해반응을 도모함으로써 요오드화수소 혼합 용액 내 황산농도를 최소화하는 단계를 거친 후 제3 단위공정으로 주입되며 본 유체의 HI:I2:H2O 몰농도비는 약 1:4:5를 유지토록 설계되어 있다.The molar ratio of light sulfuric acid to water discharged from the phase separator is about 1: 5, and this is finally increased to 1: 4 during the sulfuric acid booster reactor, which is a second Bunsen reactor, and injected into the second unit process. Meanwhile, the heavy phase is gas-liquid contacted using the oxygen gas generated in the sulfuric acid decomposition reactor of the second unit process to vaporize sulfur dioxide remaining in the heavy phase, and the resulting chemical equilibrium disturbance decomposes the sulfuric acid remaining in the solution. By minimizing the sulfuric acid concentration in the hydrogen iodide mixture by promoting the reaction, it is injected into the third unit process, and the HI: I 2 : H 2 O molar concentration ratio of the fluid is designed to maintain about 1: 4: 5. have.

도 2에 나타낸 바와 같이 제1 단위공정으로부터 발생되는 황산용액(57 중량%)이 소량의 SO2를 포함한 형태로 제2 단위공정의 황산용액 농축장치로 공급된다. 본 단위공정 내부에는 열 회수용 열교환기(recuperator)를 많이 설치하여 열이용 효율을 극대화시켰으며 4단계의 플래시 드럼과 3단계의 감압 플래시 증발기 그리고 최종적으로 감압 다단 증류탑을 거치면서 황산의 농도를 98 중량%까지 농축시키고 약 7.6 kg/cm2G로 승압되어 황산증발기에서 기화되며, 일부 기화된 황산 기체가 SO3와 물로 분해되고, SO3분해기에 의해 최종적으로 SO2, 산소로 재분해되도록 공정이 구성되어 있다. As shown in FIG . 2 , the sulfuric acid solution (57 wt%) generated from the first unit process is supplied to the sulfuric acid solution concentrator of the second unit process in the form of a small amount of SO 2 . In this unit process, a large number of heat recovery heat exchangers (recuperators) were installed to maximize the heat utilization efficiency, and the concentration of sulfuric acid was increased through four stages of flash drums, three stages of reduced pressure flash evaporator and finally reduced pressure multistage distillation column. Concentrate to wt% and pressurize to about 7.6 kg / cm 2 G to evaporate in sulfuric acid evaporator, process some vaporized sulfuric acid gas to be decomposed into SO 3 and water, and finally re-decompose into SO 2 , oxygen by SO 3 decomposer This is composed.

도 3은 1982년 GA발표에서 소개한 바 있는 인산을 추출용매로 사용한 요오드화수소 혼합 용액 농축기술을 배제하고 독일에서 제안한 고압 반응증류기술을 채택한 요오드화수소 혼합 용액 농축/분해 공정을 제3 단위공정을 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이 제3 단위공정은 3개의 열회수용 열교환기와 하나의 고압 반응증류탑, 수소기체 세정탑, 그리고 HI/I2/H2O 상분리기로 구성되어 있으며 외부로부터 물의 공급은 제3 단위공정의 수소세정탑의 세정액으로 주입되는 것을 특징으로 하고 있다. 3 is a third unit process of a hydrogen iodide mixed solution concentration / decomposition process employing a high pressure reaction distillation technique proposed in Germany, excluding a hydrogen iodide mixed solution concentration technique using phosphoric acid as an extraction solvent, which was introduced in GA in 1982. Indicates. As shown in FIG . 3 , the third unit process includes three heat recovery heat exchangers, one high-pressure reaction distillation tower, a hydrogen gas scrubber tower, and a HI / I 2 / H 2 O phase separator. It is characterized by being injected into the washing liquid of the hydrogen washing tower of the process.

상기 SI 공정 개념도에 나타낸 바와 같이, 수소생산을 위한 SI 전체 공정은 유기적으로 연결되어있으며, 전체의 수율이 증가하기 위해서는 각각의 공정이 최적의 조건에서 운전되어야 할 뿐만 아니라, 이전 단계의 공정결과물이 다음 공정에 최적의 상태가 될 수 있도록 생산될 것이 요구된다. As shown in the SI process conceptual diagram, the entire SI process for hydrogen production is organically connected, and in order to increase the overall yield, not only each process should be operated under optimum conditions, but also the result of the previous process is It is required to be produced to be optimal for the next process.

특히, 수소 생산은 제3 단위공정의 요오드화수소 혼합 용액의 분해에 의해 이루어지는데, 이때 요오드의 함유량이 높으면 요오드화수소 혼합 용액의 분해를 방해하기 때문에 요오드의 제거 즉, 요오드화수소 혼합 용액을 농축하는 과정이 필요하다. 그러나, 아직까지 요오드화수소 혼합 용액의 농축이 기대하는 만큼 이루어지지 않고 있다. 따라서, 상기 요오드화수소 혼합 용액을 효율적으로 농축하기 위하여 여러 연구가 진행되고 있다.In particular, hydrogen production is achieved by the decomposition of the hydrogen iodide mixed solution of the third unit process, where the high content of iodine interferes with the decomposition of the hydrogen iodide mixed solution. A process of concentrating the hydrogen iodide mixed solution is necessary. However, the concentration of the hydrogen iodide mixed solution has not yet been achieved as expected. Therefore, various studies have been conducted to efficiently concentrate the hydrogen iodide mixed solution.

종래 GA사에서는 1982년에 인산을 추출용매로 사용한 요오드화수소 혼합 용액 농축기술을 발표한 바 있다. 이는 인산을 이용하여 요오드화수소 혼합 용액 내의 물을 제거하여 요오드화수소 혼합 용액의 농도를 농축하는 방법이다. 그러나, 상기 인산 추출 방법에 의한 요오드화수소의 농축은 예상보다 효율적이지 못하고, 인산이 정기적으로 소모되므로 비용이 많이 드는 문제가 있다. 따라서 GA사는 2003년에 상기 인산 추출 방법에 의한 요오드화수소 혼합 용액 농축기술을 배제하고 도 3에 나타낸 바와 같이, 독일의 아헨공대에서 제안한 고압 반응증류기술을 채 택한 요오드화수소 혼합 용액 농축/분해 공정을 발표하였다. 그러나 이 역시 요오드화수소의 농축의 효율이 낮으며, 수소 분해 후 미반응 요오드화수소 흐름을 반응기 내로 유입하면 수소 생산성이 감소되는 문제가 있다.In 1982, GA announced a technique for concentrating a hydrogen iodide mixed solution using phosphoric acid as an extraction solvent. This is a method of concentrating the concentration of the hydrogen iodide mixed solution by removing water in the hydrogen iodide mixed solution using phosphoric acid. However, the concentration of hydrogen iodide by the phosphoric acid extraction method is not more efficient than expected, and there is a problem that the phosphoric acid is consumed regularly, which is expensive. Therefore, GA excluded the hydrogen iodide mixed solution concentration technique by the phosphoric acid extraction method in 2003, and as shown in FIG . 3 , the hydrogen iodide mixed solution concentration / decomposition process adopting the high pressure reaction distillation technique proposed by the Aachen University of Germany was performed. Announced. However, this also has a low efficiency of the concentration of hydrogen iodide, there is a problem that the hydrogen productivity is reduced if the unreacted hydrogen iodide stream is introduced into the reactor after hydrogen decomposition.

또한 일본원자력연구소에서는 2001년에 수소분리에 실리카 멤브레인을 적용한 연구를 추진한 바 있고[Gab-Jin Hwang and Kaoru Onki, "Simulation study on the catalytic decomposition of hydrogen iodide in a membrane reactor with a silica membrane for the for the thermochemical water-splitting IS process, J. Membr Sci , 194, (2001), 207], 2000년에는 전기화학적 전기투석방법(Electic Electro D ; EED)을 이용한 요오드화수소용액의 농축실험을 시행한 바 있다[K. Onuki, G.J. Hwang, and S. Shimizu, "Electrodialysis of hydroiodic acid in the presence of iodine", Journal of Membrane Science, 175, (2000), 171]. In addition, the Japan Atomic Energy Research Institute carried out a study on the application of silica membranes to hydrogen separation in 2001 [Gab-Jin Hwang and Kaoru Onki, "Simulation study on the catalytic decomposition of hydrogen iodide in a membrane reactor with a silica membrane for the for the thermochemical water-splitting IS process, J. Membr Sci, 194, (2001), 207]. In 2000, a concentration experiment of hydrogen iodide was carried out using an electrochemical electrodialysis method (EE D). K. Onuki, GJ Hwang, and S. Shimizu, "Electrodialysis of hydroiodic acid in the presence of iodine", Journal of Membrane Science, 175, (2000), 171.

2007년에는 상기 결과들을 바탕으로 전기투석과 수소분리 멤브레인 기술을 도입한 SI 공정의 물질흐름도를 부분적으로 소개하기도 하였으나[Seiji Kasahara, Shinji Kubo, Ryutaro Hino, Kaoru Onuki, Mikihiro Nomura, and Shin-ichi Nakao, "Flowsheet study of the thermochemical water splitting iodine sulfur process for effective hydrogen production", International Journal of Hydrogen Energy 32, (2007), 489] 미분해 요오드화수소와 이의 분해로부터 생성되는 요오드를 분젠반응을 거친 요오드용액과 혼합하여 전기투석장치의 환원반응실 및 산화반응실의 양쪽 반응실로 재투입하여 재순환시킴으로써 전기투석장치와 요오드화수소 분해장 치 간에 요오드가 지속적으로 누적될 뿐만 아니라 농축대상의 분젠반응으로부터 공급되는 요오드화수소용액이 재순환 용액으로 인하여 묽어지는 문제점이 있고, 멤브레인 요오드화수소 분해장치에 있어서는 요오드화수소의 분해 전환율이 아주 적다는 문제가 있다.In 2007, based on the above results, the material flow diagram of SI process using electrodialysis and hydrogen separation membrane technology was partially introduced [Seiji Kasahara, Shinji Kubo, Ryutaro Hino, Kaoru Onuki, Mikihiro Nomura, and Shin-ichi Nakao]. , "Flowsheet study of the thermochemical water splitting iodine sulfur process for effective hydrogen production", International Journal of Hydrogen Energy 32, (2007), 489], and the iodine produced from the decomposition of hydrogen iodide and its decomposition, By mixing and reintroducing into the reaction chamber of the electrodialysis apparatus and the reaction chamber of the oxidation chamber and recycling, the iodine continuously accumulates between the electrodialysis apparatus and the hydrogen iodide decomposing unit as well as the hydrogen iodide supplied from the Bunsen reaction of the concentration target. The solution is dilute due to the recycle solution, membrane iodine There is a problem that the decomposition conversion of the hydrogen iodide is very low in the hydrogen separation device.

이에 본 발명자들은, 종래 문제점을 해소하여 원자력 수소 생산 효율을 높이고, 공정을 단순화하여 경제성을 높이기 위하여 연구하던 중, 요오드화수소용액의 농축을 위하여 전기화학적 전기투석법을 이용하되, 요오드화수소의 농축이 일어나는 환원반응실에는 분젠반응에서 생성된 고농도의 요오드화수소 용액을 주입하고, 전기투석장치(나피온)을 통하여 선택적으로 수소이온을 산화반응실로부터 환원반응실로 공급하는데 필요로 하는 산화반응실 용액으로는 요오드화수소 다단 증류탑의 재비기에서 나온 저농도의 요오드화수소용액 및 수소생산 후 남은 요오드화수소 기체를 응축한 저농도의 요오드화수소용액을 이용함으로써 효율적인 물질흐름을 유지하고, 수소를 선택적으로 투과하는 멤브레인 요오드화수소 분해반응기는 낮은 요오드화수소 분해반응율을 고려하여 르샤트리에 원리를 반영한 복수의 멤브레인 분해반응기들을 케스케이드로 구성시킴으로써 수소를 선택적으로 투과하는 요오드화수소 분해반응기를 이용하여 경제성을 유지하면서 요오드화수소 농축 효율을 높일 수 있는 방법을 알아내고 본 발명을 완성하였다.The present inventors, while solving the conventional problems to improve the efficiency of nuclear hydrogen production, and to simplify the process and to increase the economic efficiency, while using an electrochemical electrodialysis method for the concentration of the hydrogen iodide solution, the concentration of hydrogen iodide is Into the reduction reaction chamber, a high concentration of hydrogen iodide solution produced in the Bunsen reaction is injected, and an oxidation chamber solution is required to selectively supply hydrogen ions from the oxidation reaction chamber to the reduction reaction chamber through an electrodialysis apparatus (Nafion). Membrane hydrogen iodide that maintains efficient mass flow and selectively penetrates hydrogen by using low concentration of hydrogen iodide solution from the reboiler of hydrogen iodide multi-stage distillation column and low concentration of hydrogen iodide solution condensing the remaining hydrogen iodide gas after hydrogen production Decomposition reactors have low iodide water Considering the decomposition reaction rate, a method of increasing the concentration of hydrogen iodide while maintaining economical efficiency by using a hydrogen iodide decomposition reactor that selectively permeates hydrogen by constructing a plurality of membrane decomposition reactors reflecting the principle of Leshatri in the cascade, The present invention has been completed.

본 발명의 목적은 최소한의 에너지로 원자력 수소 생산 효율을 높일 수 있는, 원자력 수소 생산용 요오드화수소 농축/분해 방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a hydrogen iodide concentration / decomposition method for nuclear hydrogen production, which can increase nuclear hydrogen production efficiency with minimal energy.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원자력 수소 생산용 요오드화수소 농축/분해방법에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention in the hydrogen iodide concentration / decomposition method for nuclear hydrogen production,

하기 반응식 1로 표시되는 분젠반응의 결과로 얻어진 요오드화수소 혼합 용액을 전기투석장치의 환원반응실로 주입하여 공비점 이상의 요오드화수소 농도로 1차 농축시키는 단계(단계 1);Injecting the hydrogen iodide mixed solution obtained as a result of the Bunsen reaction represented by Scheme 1 into the reduction reaction chamber of the electrodialysis apparatus to be first concentrated to a hydrogen iodide concentration above the azeotropic point (step 1);

상기 단계 1에서 농축된 요오드화수소 혼합 용액을 다단 증류장치에서 농축된 고순도의 요오드화수소 혼합 기체로 2차 농축시키는 단계(단계 2);Secondary concentration of the hydrogen iodide mixed solution concentrated in step 1 with a high purity hydrogen iodide mixed gas concentrated in a multi-stage distillation apparatus (step 2);

상기 단계 2에서 농축된 요오드화수소 혼합 기체를 촉매가 충전된 요오드화수소의 다단분해반응기에서 분해시켜 수소를 얻는 단계(단계 3);및Decomposing the hydrogen iodide mixed gas concentrated in step 2 in a multistage reactor of hydrogen iodide charged with a catalyst to obtain hydrogen (step 3); and

상기 단계 3에서 요오드화수소 분해 후, 남은 요오드화수소 혼합 기체를 응축시킨 후 단계 1의 전기투석장치의 산화반응실로 재투입시키는 단계(단계 4)를 포함하여 이루어지는 요오드화수소 농축/분해 방법을 제공한다.After the hydrogen iodide decomposition in step 3, the remaining hydrogen iodide mixed gas is condensed, and then fed back into the oxidation chamber of the electrodialysis apparatus of step 1 (step 4) provides a hydrogen iodide concentration / decomposition method.

2H2O + I2 + SO2 = 2HI + H2SO4 2H 2 O + I 2 + SO 2 = 2HI + H 2 SO 4

본 발명의 일실시예에 따른 단위공정도를 도 4에 나타내었다. 4 is a unit process diagram according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail step by step.

먼저, 단계 1은 분젠반응의 결과로 얻어진 요오드화수소 혼합 용액을 전기투석장치의 환원반응실로 주입하여 공비점 이상의 요오드화수소 농도로 1차 농축시키는 단계이다.First, step 1 is a step of first concentrating the hydrogen iodide mixed solution obtained as a result of the Bunsen reaction into the reduction reaction chamber of the electrodialysis apparatus to the concentration of hydrogen iodide above the azeotropic point.

본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법에 있어서, 상기 전기투석장치는 수소이온을 선택적으로 투과시키는 고분자 멤브레인을 격막으로 하여 산화반응실과 환원반응실이 형성되어 있고, 각 반응실에는 전극이 구비되어 있어 외부전압의 적용에 의한 산화환원반응의 결과 산화반응실의 요오드화수소 농도는 감소하고 환원반응실의 요오드화수소 농도는 증가하게 된다.In the method for concentrating / decomposing hydrogen iodide according to the present invention, the electrodialysis apparatus is formed with a polymer membrane that selectively permeates hydrogen ions as a diaphragm, and an oxidation reaction chamber and a reduction reaction chamber are formed, and each reaction chamber includes an electrode. As a result of the redox reaction by applying an external voltage, the hydrogen iodide concentration in the oxidation reaction chamber is decreased and the hydrogen iodide concentration in the reduction reaction chamber is increased.

분젠반응을 거친 후, 상 분리된 요오드화수소 혼합 용액 내 요오드화수소 몰분율은 약 0.1249의 값이며, 이는 도 5 온도에 따른 요오드화수소의 액체상과 기체상의 몰분율의 거동을 나타내는 그래프에 나타낸 바와 같이, 요오드화수소 액체/기체 공비점의 좌측에 위치하게 된다. 수소 생산을 위해서는 요오드화수소 기체 분해 과정이 필요하며, 이때 수소 생산 효율을 높이기 위해서는 고농도의 요오드화수소 기체가 필요하다. 그러나, 요오드화수소의 몰분율이 요오드화수소 액체/기체 공비점의 좌측에 위치한 경우에는 동일 온도에서 요오드화수소 기체의 농도가 요오드화수소 액체에 비해 낮게 나타나며, 상기 요오드화수소 몰분율이 0.1249일 경우 에는 요오드화수소 기체의 몰분율은 거의 0에 해당하므로 수소 생산을 할 수 없다. 따라서 고농도의 요오드화수소 기체를 농축하기 위해서는 요오드화수소 몰분율을 요오드화수소 액체/기체 공비점의 우측으로 이동하기 위한 선행 조치가 필요하며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 전기투석장치를 사용할 수 있다.After the Bunsen reaction, the molar fraction of hydrogen iodide in the phase-divided hydrogen iodide mixed solution is about 0.1249, which is shown in FIG . As shown in the graph showing the behavior of the mole fractions of the liquid and gaseous phases of hydrogen iodide with respect to temperature, they are located to the left of the hydrogen iodide liquid / gas azeotropy point. Hydrogen iodide gas decomposition process is required for hydrogen production, and high concentration of hydrogen iodide gas is required to increase hydrogen production efficiency. However, when the molar fraction of hydrogen iodide is located to the left of the hydrogen iodide liquid / gas azeotropy point, the concentration of hydrogen iodide gas is lower than that of the hydrogen iodide liquid at the same temperature, and when the hydrogen iodide mole fraction is 0.1249, The molar fraction is almost zero, so hydrogen production is not possible. Therefore, in order to concentrate the high concentration of hydrogen iodide gas, it is necessary to take a precaution to move the molar hydrogen iodide fraction to the right side of the hydrogen iodide liquid / gas azeotropy, and an electrodialysis apparatus may be used to solve this problem.

상기 전기투석장치에 의한 요오드화수소 혼합 용액의 농축원리는 다음과 같다.The principle of concentration of the hydrogen iodide mixed solution by the electrodialysis apparatus is as follows.

본 발명에 따른 전기투석장치는 도 6에 나타낸 바와 같으며, 수소이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 고분자 멤브레인을 격막으로 하여 산화반응실(anode chamber)과 환원반응실(cathode chamber)로 이루어진다. 상기 전기투석장치에 분젠반응기를 통과한 요오드화수소 혼합 용액이 주입되고 외부에서 적정 전압을 두 전극에 걸어주면, 산화반응실의 수소이온이 환원반응실로 멤브레인을 통하여 이동하고 두 전극에서는 요오드의 산화/환원 반응이 일어나는데 산화반응실에서는 요오드 음이온이 산화되어 수소이온 결핍에 따른 양/음 이온간 이온수를 맞추게 되고 환원반응실에서는 과잉의 수소이온으로 인한 음이온의 부족수를 요오드의 환원반응으로 환원반응실내의 양/음 이온수를 맞추게 함으로써 환원반응실에서는 궁극적으로 용액내 요오드화수소의 농도가 증가하고 이와는 반대로 산화반응실에서는 용액 내 요오드화수소의 농도가 감소한다. 따라서, 상기 전기투석장치를 사용하면, 상기 요오드화수소 혼합 용액 내 요오드화수소 몰분율을 요오드화수소 액체/기체 공비점 이상으로 농축할 수 있다.The electrodialysis apparatus according to the present invention is as shown in FIG . 6 , and is composed of an oxidation chamber and a cathode chamber with a membrane capable of selectively permeating hydrogen ions. When the mixed solution of hydrogen iodide passing through the Bunsen reactor is injected into the electrodialysis apparatus and an appropriate voltage is applied to the two electrodes from outside, hydrogen ions in the oxidation reaction chamber move through the membrane to the reduction reaction chamber, and the iodine is oxidized / In the oxidation reaction chamber, iodine anions are oxidized to match positive / negative ions due to hydrogen ion deficiency, and in the reduction reaction chamber, the number of anions due to excess hydrogen ions is reduced by iodine reduction. By matching the positive and negative ion numbers, the concentration of hydrogen iodide in solution ultimately increases in the reduction reaction chamber, and conversely, the concentration of hydrogen iodide in solution decreases in the oxidation reaction chamber. Therefore, by using the electrodialysis apparatus, the molar fraction of hydrogen iodide in the hydrogen iodide mixed solution can be concentrated above the hydrogen iodide liquid / gas azeotropy point.

본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법에 있어서, 상기 전기투석장치 내의 산화반응실과 환원반응실의 요오드화수소 농도 차이는 4 mol/kg·H2O 이하가 되도록 유지하는 것이 바람직하다.In the hydrogen iodide concentration / decomposition method according to the present invention, the hydrogen iodide concentration difference between the oxidation reaction chamber and the reduction reaction chamber in the electrodialysis apparatus is preferably maintained to be 4 mol / kg · H 2 O or less.

만일, 상기 전기투석장치 내의 산화반응실과 환원반응실의 요오드화수소 농도 차이가 4 mol/kg·H2O을 초과하면 전기 사용의 증가로 인해 수소생산 공정 전체 열효율이 저하되며, 이는 2005년 노무라(Nomura) 등에 의해 보고된 SI 공정 전체 열효율에 대한 요오드화수소 혼합 용액의 전기투석 농축효과를 조사한 결과에서 전기투석에 의해 전체 열효율이 증가하는 방향으로 작용하다가 일정 농도 이상으로 지속적으로 요오드화수소 혼합 용액을 농축시키면 전체 효율을 감소시키는 방향으로 작용한다는 보고와 일치한다[M. Nomura, S. Kasahara, H. Okuda, and S. Nakao, "Evaluation of the IS Process Featuring Membrane Techniques by Total Thermal Efficiency", International Journal of Hydrogen Energy, 30, (2005), 1465].If the difference in hydrogen iodide concentration between the oxidation reaction chamber and the reduction reaction chamber in the electrodialysis apparatus exceeds 4 mol / kg · H 2 O, the overall thermal efficiency of the hydrogen production process decreases due to the increase in the use of electricity. Nomura) et al. Reported the effect of electrodialysis of the hydrogen iodide mixed solution on the overall thermal efficiency of the SI process, and the concentration of hydrogen iodide was continuously concentrated above a certain concentration. This is consistent with the report that it acts in a direction to reduce the overall efficiency. Nomura, S. Kasahara, H. Okuda, and S. Nakao, "Evaluation of the IS Process Featuring Membrane Techniques by Total Thermal Efficiency", International Journal of Hydrogen Energy, 30, (2005), 1465.

이때, 전기 투석에 의한 요오드화수소 혼합 용액 농축의 손익 분기점은 12.5 mol·H/kg H2O이다.At this time, the break-even point of the concentration of the hydrogen iodide mixed solution by electrodialysis is 12.5 mol · H / kg H 2 O.

본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법에 있어서, 원자력수소 생산시설의 실증시험규모(더 이상의 스케일(scale)-업(up) 시험없이 상용규모 설계를 실시할 수 있는 규모)인 200 MWth 원자로시설을 기준으로 설정된 300 mol·H2/s 이상 의 수소생산 시설규모를 유지하기 위해 요오드화수소 농축속도는 689.81~1379.62 mol·HI/s인 것이 바람직하다. 농축속도를 1379.62 mol·HI/s 초과하게 되면 전기투석장치의 산화반응실과 환원반응식의 요오드화수소 농도차가 4 mol/kg·H2O를 상회하여 효율에 역효과가 생긴다.In the hydrogen iodide enrichment / decomposition method according to the present invention, a 200 MW th reactor, which is an empirical test scale of a nuclear hydrogen production facility (scale capable of carrying out a commercial scale design without further scale-up testing). The hydrogen iodide concentration rate is preferably between 689.81 and 139.62 mol · HI / s to maintain a hydrogen production facility of 300 mol · H 2 / s or more, based on the plant. When the concentration rate exceeds 1379.62 mol · HI / s, the difference in the concentration of hydrogen iodide in the oxidation chamber and the reduction reaction of the electrodialysis apparatus exceeds 4 mol / kg · H 2 O, which adversely affects the efficiency.

본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법에 있어서, 상기 전기투석장치에 적용되는 전압은 40% 이상의 수소생산 효율을 유지하기 위해 0.3 V 이하로 유지되는 것이 바람직하다.In the hydrogen iodide concentration / decomposition method according to the present invention, the voltage applied to the electrodialysis apparatus is preferably maintained at 0.3 V or less to maintain the hydrogen production efficiency of 40% or more.

상기와 같이, 300 mol·H2/s(2.16 ton·H2/h)의 수소생산 규모를 유지하기 위해서는 전기투석장치의 요오드화수소 혼합 용액의 농축속도가 689.81 mol ·HI/s(66,566.665 kA)를 만족시켜야 하며, 상기 농축속도를 만족시키는 전기투석장치의 적용전압을 0.1 V에서 0.5V까지의 범위에 걸쳐 수소생산 열효율(HHV 285.8 kJ/molH2 기준)에 미치는 영향을 계산한 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 전기투석장치의 적용전압은 수소생산 열효율에 민감하게 작용하며, 수소생산 효율을 적어도 40% 이상 유지시키기 위해서는 적용전압이 0.3 V 이하로 유지되어야 함을 알 수 있다.As described above, 300 mol · H 2 /s(2.16 ton · H 2 / h) to maintain the hydrogen production scale the iodide concentration rate of the hydrogen mixed solution of an electrodialysis apparatus 689.81 mol · HI / s (66,566.665 kA a) And the effect of the applied voltage of the electrodialysis apparatus satisfying the concentration rate on the hydrogen production thermal efficiency (based on HHV 285.8 kJ / molH 2 ) over a range from 0.1 V to 0.5 V, FIG. 7. As shown in FIG. 5, the applied voltage of the electrodialysis device is sensitive to the thermal efficiency of hydrogen production, and it can be seen that the applied voltage should be maintained at 0.3 V or less in order to maintain the hydrogen production efficiency at least 40% or more.

다음으로, 단계 2는 상기 단계 1에서 농축된 요오드화수소 혼합 용액을 다단 증류장치에서 농축된 고순도의 요오드화수소 혼합 기체로 2차 농축시키는 단계이 다.Next, step 2 is a step of secondary concentration of the hydrogen iodide mixed solution concentrated in step 1 with a high-purity hydrogen iodide mixed gas concentrated in a multi-stage distillation apparatus.

상기 단계 1에서 전기투석장치에 의해 공비점 이상의 농도로 1차 농축된 요오드화수소 혼합 용액은 다단 증류장치에서 수소 생산이 가능한 농도로 농축되고 분해될 수 있는 요오드화수소 기체 형태로 변화한다.In step 1, the hydrogen iodide mixed solution first concentrated by the electrodialysis apparatus to a concentration above the azeotropic point is changed to a hydrogen iodide gas form that can be concentrated and decomposed to a concentration capable of producing hydrogen in a multi-stage distillation apparatus.

HI-H2O-I2 3성분계로 구성된 요오드화수소 혼합 용액을 증발 농축시킬 때, 휘발도에 따라 다단 증류장치에서의 정류부(rectifying section)에서의 농축물질과 탈거부(stripping section)에서의 농축물질이 결정되는데, 이 경우 휘발도가 높은 요오드화수소는 정류부에, 휘발도가 상대적으로 낮은 I2는 탈거부에 농축된다.When evaporating and concentrating a hydrogen iodide mixed solution consisting of a HI-H 2 OI 2 tricomponent system, the concentrates in the rectifying section of the multistage distillation unit and the concentrates in the stripping section are In this case, hydrogen iodide with high volatility is concentrated in the rectifier and I 2 with relatively low volatility is concentrated in the stripper.

본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법에 있어서, 상기 다단 증류장치는 요오드화수소 혼합 용액을 농축하고, 생성된 요오드화수소/수증기 혼합기체의 일부만을 요오드화수소 분해반응기로 이송하고 잔부는 응축시켜 다단 증류장치로 반송하는 부분응축기를 구비하는 것이 바람직하다.In the hydrogen iodide concentration / decomposition method according to the present invention, the multi-stage distillation apparatus concentrates the hydrogen iodide mixed solution, transfers only a part of the generated hydrogen iodide / steam mixed gas to the hydrogen iodide decomposition reactor, and condenses the remainder by multi-stage distillation. It is preferable to have a partial condenser conveyed by the apparatus.

상기 다단 증류장치는 도 9에 나타낸 바와 같이 다단증발기, 재비기 및 탑상부의 부분 응축기로 이루어지며, 특히 상기 부분응축기는 다단 증류장치로부터 배출되는 요오드화수소/수증기 혼합 기체가 요오드화수소 분해반응기를 순환하여 반송되는 것을 방지함으로써 응축순환수의 농도가 공비점을 유발 또는 공비점보다 낮은 요오드화수소 농도 형성을 방지할 수 있다.The multi-stage distillation apparatus is made of a multi-stage evaporator, a reboiler and a tower overhead partial condenser of 9, especially the partial condenser has a hydrogen iodide / water vapor gas mixture discharged from the multi-stage distillation plant circulating hydroiodide decomposition reactor It is possible to prevent the concentration of the condensed circulating water causing the azeotropic point or the formation of hydrogen iodide concentration lower than the azeotropic point by preventing the return.

또한, 수소생산 효율을 높이기 위하여 고순도의 요오드화수소 혼합기체(요오 드화수소 함량: 95 mol% 이상)를 증류탑 상단에서 얻기 위하여 재비기의 가열속도, 주입용액의 농도, 응축 부하 등을 변화시키면서 다단증발기의 거동을 전산모사(simulation)를 통하여 측정한 결과, 재비기의 가열속도를 증가시키면 탑상부의 응축기에서의 냉각부하가 증가되어 열손실의 염려가 있고, 주입용액의 농도를 증가시키면 이전 단계인 전기투석장치에서의 전기에너지 소모를 가중시켜 전체적인 SI 공정의 열효율을 떨어뜨릴 수 있다. 또 다른 방법으로 응축시의 응축부하를 크게 하는 방법은 응축기에서의 열 회수와 재이용 문제가 발생할 수 있다. 따라서 상기 다단 증류장치는 운전시 수소생산 열효율을 증진시키기 위해 재비기에서의 열에너지 공급량을 최소화하고 부분 응축기에서의 응축수 순환량을 줄이는 것이 바람직하다. 이때, 재비기에서의 열속도를 낮추어 가면 응축기에서 배출되는 혼합기체 성분 중 요오드의 비중이 증가하여 후속 단계인 요오드화수소의 분해반응기의 성능에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으나, 후속 단계의 요오드화수소의 분해반응기의 성능 증진으로 이러한 문제를 극복할 수 있다.In addition, in order to obtain a high-purity hydrogen iodide mixed gas (hydrogen iodide content: 95 mol% or more) at the top of the distillation column to increase the hydrogen production efficiency, the multi-stage evaporator was changed while changing the heating rate of the reboiler, the concentration of the injection solution, and the condensation load. The behavior of is measured by simulation, and as the heating speed of reboiler is increased, the cooling load in the condenser at the top of the tower increases, which may cause heat loss. By increasing the electrical energy consumption in the electrodialysis apparatus, the thermal efficiency of the overall SI process can be reduced. Another way to increase the condensation load during condensation can cause heat recovery and reuse problems in the condenser. Therefore, in the multi-stage distillation apparatus, it is desirable to minimize the amount of heat energy supplied to the reboiler and to reduce the amount of condensate circulating in the partial condenser in order to improve the thermal efficiency of hydrogen production during operation. At this time, if the heat rate in the reboiler is lowered, the specific gravity of iodine in the mixed gas discharged from the condenser increases, which may adversely affect the performance of the subsequent decomposition step of hydrogen iodide, but the Improving the performance of the cracking reactor can overcome this problem.

다음으로, 단계 3은 농축된 요오드화수소 혼합 기체를 촉매가 충전된 요오드화수소의 다단분해반응기에서 분해시켜 수소를 얻는 단계이다.Next, step 3 is a step of decomposing the concentrated hydrogen iodide mixed gas in a multistage cracking reactor of hydrogen iodide charged with a catalyst to obtain hydrogen.

상기 요오드화수소의 다단분해반응기에서는 요오드화수소 기체를 분해시키기 위한 촉매층과 분해반응으로부터 생성된 수소를 분리해내는 멤브레인 막분리기 2개로 구성되어 있다. 상기 촉매층과 멤브레인은 다층구조의 일체형일 수도 있고, 분리되어 있을 수도 있다.The hydrogen iodide multistage reactor is composed of a catalyst layer for decomposing hydrogen iodide gas and two membrane membrane separators for separating hydrogen generated from the decomposition reaction. The catalyst layer and the membrane may be integral with each other or may be separated.

하기 반응식 2의 요오드화수소의 분해반응은 열역학 특성값, 즉 요오드화수소의 분해반응에 대한 엔탈피 및 깁스에너지, 및 평형상수를 계산한 결과, 상기 요오드화수소의 분해반응에 대한 엔탈피 및 깁스에너지는 도 10에 나타낸 바와 같이, 양의 값으로 나타남으로써 자발적 반응이 어려움을 알 수 있다. 그러나, 도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 요오드화수소의 분해반응에 대한 평형상수(Kp)가 반응온도의 증가에 따라 증가함으로써 고온에서 요오드화수소 기체의 분해가 가능함을 알 수 있다.The decomposition reaction of hydrogen iodide of Scheme 2 is based on the thermodynamic characteristic value, that is, the enthalpy and Gibbs energy for the decomposition reaction of hydrogen iodide, and the equilibrium constant, the enthalpy and Gibbs energy for the decomposition reaction of hydrogen iodide is shown in Figure 10 As shown in the figure, the positive value indicates that the spontaneous reaction is difficult. However, as shown in FIG . 11 , it can be seen that the equilibrium constant K p for the decomposition reaction of the hydrogen iodide increases with increasing reaction temperature, so that the decomposition of the hydrogen iodide gas is possible at high temperature.

2HI = H2 + I2 2HI = H 2 + I 2

본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법에 있어서, 상기 요오드화수소 분해반응기는 10단 이상인 것이 바람직하며, 반응온도에 따라 달라지나, 450~500 ℃의 반응온도에서 10단 내지 11단인 것이 더욱 바람직하다.In the hydrogen iodide concentration / decomposition method according to the present invention, the hydrogen iodide decomposition reactor is preferably 10 or more stages, and depends on the reaction temperature, but more preferably 10 to 11 stages at the reaction temperature of 450 ~ 500 ℃. .

본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법에 있어서, 상기 요오드화수소 다단분해반응기의 요오드화수소의 분해율은 60%인 것이 바람직한 바[M. Nomura, S. Kasahara, H. Okuda, and S. Nakao, "Evaluation of the IS Process Featuring Membrane Techniques by Total Thermal Efficiency", International Journal of Hydrogen Energy, 30, (2005), 1465], 이때 상기 60% 분해율을 만족시키기 위한 요오드화수소 다단분해반응기의 단수는 10~11단인 것이 바람직하다. 구체적으로, 전 산모사를 실시한 결과 450 ℃의 운전온도에서는 11단이, 500 ℃의 운전온도에서는 10단의 멤브레인 단수가 필요함을 알 수 있다(표 3 및 표 4 참조).In the hydrogen iodide concentration / decomposition method according to the present invention, the decomposition rate of hydrogen iodide in the hydrogen iodide multistage cracking reactor is preferably 60% [M. Nomura, S. Kasahara, H. Okuda, and S. Nakao, "Evaluation of the IS Process Featuring Membrane Techniques by Total Thermal Efficiency", International Journal of Hydrogen Energy, 30, (2005), 1465], wherein the 60% degradation rate It is preferable that the number of stages of the hydrogen iodide multistage reactor for satisfying is 10 to 11 stages. Specifically, as a result of computer simulation, it can be seen that the membrane stage of 11 stages is required at the operating temperature of 450 ° C. and 10 stages at the operating temperature of 500 ° C. (see Tables 3 and 4).

요오드화수소의 분해 후, 수소는 상기 멤브레인을 이용하여 선택적으로 분리되어 집진기에서 수집된 후에 사용될 수 있으며, 이러한 방법으로 수소를 생산할 수 있다.After decomposition of the hydrogen iodide, hydrogen can be selectively separated using the membrane and collected after being collected in a dust collector, in which way hydrogen can be produced.

다음으로, 단계 4는 상기 단계 3에서 요오드화수소 분해 후, 남은 요오드화수소 혼합 기체를 응축시킨 후 단계 1의 전기투석장치의 산화반응실로 재투입시키는 단계이다.Next, step 4 is a step of condensing the remaining hydrogen iodide mixed gas after the hydrogen iodide decomposition in step 3 and re-injecting it into the oxidation reaction chamber of the electrodialysis apparatus of step 1.

본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법에 있어서, 상기 단계 3의 요오드화수소의 분해 후 남은 요오드화수소 혼합 기체는 응축시킨 후 다단 증류장치 재비기에서 회수된 용액과 혼합되어 단계 1의 전기투석장치의 산화반응실로 재투입시켜 잔존하는 요오드화수소의 수소이온을 적정량만큼 환원반응실로 공급시키는 역할을 최종적으로 도모함으로써 공정 내 활용도를 극대화시킨 후 분젠반응에서 필요로 하는 반응물, 요오드 공급 용액으로 순환시킨다.In the method for concentrating / decomposing hydrogen iodide according to the present invention, the hydrogen iodide mixed gas remaining after the decomposition of the hydrogen iodide in step 3 is condensed and mixed with the solution recovered in the multi-stage distillation apparatus reboiler to perform the electrodialysis of step 1 By re-introducing into the oxidation chamber, the role of supplying the remaining hydrogen ions of hydrogen iodide to the reduction reaction chamber is finally promoted to maximize the utilization in the process, and then circulated to the reactants and iodine supply solution required in the Bunsen reaction.

이와 같이, 본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법은 전기투석장치를 사용하여 요오드화수소의 몰분율을 공비점 이상으로 이동시킨 후에 증류에 의해 농축시키므로 에너지의 최적화를 이룰 수 있어 경제적이며, 요오드화수소의 분해시 수소를 선택적으로 분리하는 멤브레인 분해반응장치를 이용하여 원자력 수소 생산 효율을 높일 수 있고, 분해 후 남은 요오드화수소 혼합 기체는 증류장치로 직접적으로 유입되지 않고, 증류반응장치 외부에서 회수하여 전기투석장치의 산화반응실로 재투입되기 때문에 수소생산이 지속될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 수소 생산 방법은 수소를 원료로 사용하는 모든 분야에 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the hydrogen iodide concentration / decomposition method according to the present invention is economical because it can be optimized by energy distillation after the molar fraction of hydrogen iodide is moved above the azeotropic point using an electrodialysis apparatus, thereby achieving energy optimization. The efficiency of nuclear hydrogen production can be improved by using a membrane decomposition reaction device that selectively separates hydrogen during decomposition, and the hydrogen iodide mixed gas remaining after the decomposition is not directly introduced into the distillation unit, but is recovered from the outside of the distillation unit and subjected to electrodialysis. Hydrogen production can be continued as it is reintroduced into the oxidation chamber of the unit. Therefore, the hydrogen production method according to the present invention can be usefully used in all fields using hydrogen as a raw material.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are illustrative of the present invention and the scope of the present invention is not limited by these examples.

<< 실시예Example >>

도 4에 나타낸 바와 같이, SI 공정 중 요오드 공정을 설계한 후, 분젠반응 후 유입되는 요오드화수소 혼합 용액을 전기투석장치에서 요오드화수소의 농도가 12.5 mol·HI/kg·H2O까지 전기투석장치에서 1차 농축한 후, 다단증류탑으로 이동하여 요오드화수소 혼합 용액을 요오드화수소 혼합 기체로 2차 농축하였다. 농축된 요오드화수소 혼합 기체는 요오드화수소 분해반응기에서 60% 생산 효율로 분해되어 수소가 생산되었다. 수소 생산 후, 남은 요오드화수소 혼합 기체는 응축시킨 후 전기투석장치의 산화반응실로 재투입시켰다.As shown in FIG . 4 , after the iodine process was designed during the SI process, the hydrogen iodide mixed solution introduced after the Bunsen reaction was electrolyzed to 12.5 mol · HI · kg · H 2 O in the electrodialysis apparatus. After concentration was first concentrated in the multistage distillation column, the hydrogen iodide mixed solution was second concentrated with a hydrogen iodide mixed gas. The concentrated hydrogen iodide mixed gas was decomposed at 60% production efficiency in a hydrogen iodide cracking reactor to produce hydrogen. After hydrogen production, the remaining hydrogen iodide mixed gas was condensed and re-introduced into the oxidation chamber of the electrodialysis apparatus.

상기 4의 단위공정의 물질수지 및 운전조건은 하기 표 1에 나타내었다.The material balance and operating conditions of the unit process of FIG. 4 are shown in Table 1 below.

Line #Line # H2O (mol)H 2 O (mol) H2 (mol)H 2 (mol) HI (mol)HI (mol) I2 (mol)I 2 (mol) 압력 (bar)Pressure (bar) 온도 (K)Temperature (K) 301301 1.02071.0207 -- -- -- 1.0131.013 298298 302302 1.02071.0207 -- -- -- 2222 298298 303303 1.02121.0212 -- 0.00150.0015 -- 2020 416416 304304 0.01700.0170 -- 0.00170.0017 0.84090.8409 2020 393393 305305 0.01700.0170 -- 0.00170.0017 0.84090.8409 77 393393 306306 62.494762.4947 -- 11.429911.4299 6.53386.5338 2020 393393 307307 62.494762.4947 -- 9.10649.1064 7.69567.6956 4.24.2 368368 308308 65.697365.6973 -- 12.459012.4590 48.007348.0073 1.851.85 393393 309309 65.697365.6973 -- 14.782514.7825 46.845546.8455 1.851.85 393393 310310 65.697365.6973 -- 14.782514.7825 46.845546.8455 2222 393393 311311 62.697362.6973 -- 14.782514.7825 46.845546.8455 2222 503503 312312 56.898456.8984 -- 11.436211.4362 45.925445.9254 2222 536536 313313 56.898456.8984 -- 11.436211.4362 45.925445.9254 2222 411411 314314 4.20574.2057 -- 1.34811.3481 40.508240.5082 2020 521521 315315 4.20574.2057 -- 1.34811.3481 40.508240.5082 77 393393 316316 8.79838.7983 -- 3.33253.3325 0.92930.9293 2222 528528 317317 8.79838.7983 -- 3.33253.3325 0.92930.9293 2222 723723 318318 0.00050.0005 1.021.02 0.00050.0005 0.00050.0005 2020 723723 319319 -- 1.01051.0105 -- -- 2020 416416 320320 8.79788.7978 0.00320.0032 1.33561.3356 1.96071.9607 2222 723723 321321 8.79788.7978 -- 1.34201.3420 1.95751.9575 2222 323323

<< 실험예Experimental Example 1> 수소생산 열효율에 대한 전기투석장치의 적용전압 영향 1> Effect of applied voltage of electrodialysis apparatus on thermal efficiency of hydrogen production

본 발명에 따른 수소생산방법에 있어서, 수소생산 열효율에 대한 전기투석장치의 적용전압의 영향을 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In the hydrogen production method according to the present invention, the following experiment was performed to determine the effect of the applied voltage of the electrodialysis apparatus on the thermal efficiency of hydrogen production.

본 발명에 따른 수소생산방법으로 수소생산시, 원자력수소생산시설의 실증 시험규모인 200 MWth 원자로시설을 기준으로 설정된 300 mol·H2/s(2.16 ton·H2/h) 이상의 수소생산 시설규모를 유지하기 위해 요오드화수소 농축속도는 689.81·H2/s(66,566.665 kA)인 것이 바람직하므로, 상기 농축속도를 만족시키는 전기투석장치의 적용 전압을 0.1~0.5 V로 변화시키면서 수소생산 열효율(HHV 285.8 kJ/mol·H2 기준)을 계산하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.Hydrogen production facility of 300 mol · H 2 /s(2.16 ton · H 2 / h) or more, based on 200 MW th reactor facility, which is an experimental test scale of nuclear hydrogen production facility, when producing hydrogen by the hydrogen production method according to the present invention In order to maintain the scale, the hydrogen iodide concentration rate is preferably 689.81 · H 2 / s ( 66,566.665 kA), and thus the heat production efficiency of hydrogen production (HHV) while changing the applied voltage of the electrodialysis apparatus satisfying the concentration rate to 0.1 to 0.5 V. 285.8 kJ / mol · H 2 reference) was calculated and the results are shown in FIG. 7 .

도 7에 나타낸 바와 같이, 전기투석장치의 적용전압은 수소생산 열효율에 민감하게 작용하며, 수소생산 효율을 적어도 40% 이상 유지시키기 위해서는 적용전압이 0.3 V 이하로 유지되어야 함을 알 수 있다.As shown in FIG . 7 , the applied voltage of the electrodialysis apparatus is sensitive to the thermal efficiency of hydrogen production, and in order to maintain the hydrogen production efficiency at least 40% or more, the applied voltage should be maintained at 0.3 V or less.

<< 실험예Experimental Example 2> 요오드화수소 혼합 용액 다단 증류장치의 특성 2> Characteristics of Hydrogen Iodide Mixed Solution Multistage Distillation Unit

본 발명에 따른 수소생산 방법에 사용되는 요오드화수소 혼합 용액 다단 증류장치의 특성을 조사하기 위하여 전기투석장치에서 배출되는 12.5 mol·HI/kg·H2O까지 1차 농축된 용액을 주입용액으로 하는 다단증류탑에서의 탑상부제품과 탑저제품, 및 재비기와 응축기에서의 열공급량과 냉각량의 상호관계를 Matlab 및 Fortran 프로그램을 이용하여 정상상태에서 전산모사를 수행하였다. 이때 HI-H2O-I2 3성분계의 기-액 상평형 DB는 Calculation Note No. NHDD-KA06-HP-004를 사용하였다.In order to investigate the characteristics of the hydrogen iodide mixed solution multi-stage distillation apparatus used in the hydrogen production method according to the present invention, the solution was first concentrated to 12.5 mol · HI / kg · H 2 O discharged from the electrodialysis apparatus. Computer simulations were performed in the steady state using the Matlab and Fortran programs to correlate the top and bottom products of the multi-stage distillation column and the heat supply and cooling amount in the reboiler and condenser. At this time, the gas-liquid equilibrium DB of HI-H 2 OI 2 tricomponent system was calculated as Calculation Note No. NHDD-KA06-HP-004 was used.

전산모사 입력조건으로 증류탑의 압력은 22기압, 주입용액의 온도와 유량은 535 K와 127.3253 kmol/h(HI : I2 : H2O 몰 조성비=0.116 : 0.368 : 0.516), 재비기의 가열속도 최적화를 위하여 1.3×106 Kcal/hr로부터 1.0×1106 Kcal/hr, 0.7×106 Kcal/hr, 0.3×106 Kcal/hr, 0.11×106 Kcal/hr 및 0.087×106 Kcal/hr로 변화시켜 HI 용액 다단증발기의 정상상태 거동을 계산하였다. 본 시스템에서 채택하고 있는 탑상부의 응축기는 부분 응축기를 채택하였으며 부분 응축기의 냉각부하는 후속으로 연결되는 요오드화수소분해용 멤브레인 반응기의 요오드화수소분해능이 최대 60%까지 가능함을 제시한 일본 노무라의 발표자료를 고려하여 수소 1 kmol/hr가 얻어지는 조건을 만족하는 부분 응축기가 자동 설정되도록 전산모사 하였다.The pressure of the distillation column under the computer simulation input condition is 22 atm, the temperature and flow rate of the injection solution are 535 K and 127.3253 kmol / h (HI: I 2 : H 2 O molar composition ratio = 0.116: 0.368: 0.516), heating speed of the reboiler 1.0 × 110 6 Kcal / hr, 0.7 × 10 6 Kcal / hr, 0.3 × 10 6 Kcal / hr, 0.11 × 10 6 Kcal / hr, and 0.087 × 10 6 Kcal / hr from 1.3 × 10 6 Kcal / hr for optimization The steady state behavior of the HI solution multistage evaporator was calculated by changing to. The top condenser used in this system adopts a partial condenser and the Nomura Japanese data show that up to 60% of hydrogen iodide resolution of the membrane reactor for hydrocracking iodide which is subsequently connected to the cooling load of the partial condenser is possible. In consideration of the calculation, a partial condenser that satisfies the condition of obtaining 1 kmol / hr of hydrogen was automatically simulated.

그 결과를 표 2에 나타내었다.The results are shown in Table 2.

가열속도=1.3×10Heating rate = 1.3 × 10 66 KcalKcal /Of hrhr 번호number 액체 조성, %Liquid composition,% 기체 조성, %Gas composition,% 온도, ℃Temperature, ℃ L, kmol/hrL, kmol / hr V, kmol/hrV, kmol / hr H2OH 2 O HIHI I2 I 2 H2OH 2 O HIHI I2 I 2 1One 85.302185.3021 14.694514.6945 0.00350.0035 70.839570.8395 29.159729.1597 0.00080.0008 243.48243.48 187.39187.39 11.4311.43 22 86.250086.2500 13.737413.7374 0.01250.0125 84.470584.4705 15.526115.5261 0.00330.0033 246.69246.69 187.48187.48 198.82198.82 33 86.288986.2889 13.666813.6668 0.04430.0443 85.364485.3644 14.623714.6237 0.01190.0119 246.75246.75 187.34187.34 198.91198.91 44 86.190386.1903 13.653513.6535 0.15620.1562 85.400485.4004 14.557814.5578 0.04180.0418 246.80246.80 187.25187.25 198.77198.77 55 85.830385.8303 13.623413.6234 0.54630.5463 85.307185.3071 14.545614.5456 0.14720.1472 246.95246.95 186.96186.96 198.68198.68 66 84.606584.6065 13.518313.5183 1.87531.8753 84.996584.9965 14.518614.5186 0.51490.5149 247.46247.46 186.00186.00 198.39198.39 77 80.679980.6799 13.163513.1635 6.15666.1566 83.809483.8094 14.423914.4239 1.76671.7667 249.16249.16 182.98182.98 197.43197.43 88 68.510868.5108 12.046212.0462 19.443019.4430 80.101380.1013 14.104114.1041 5.79465.7946 254.46254.46 308.13308.13 194.41194.41 99 65.537165.5371 11.705511.7055 22.757422.7574 79.850179.8501 13.359413.3594 6.79066.7906 255.79255.79 304.04304.04 192.23192.23 1010 49.702349.7023 9.86809.8680 40.429740.4297 75.291275.2912 12.837412.8374 11.871411.8714 263.08263.08 115.89115.89 188.14188.14 DD BB V2V2 RefluxReflux BoilupBoilup RRRR 11.4311.43 115.89115.89 198.82198.82 187.39187.39 188.14188.14 16.392616.3926 재비기 열용량(Reboiler Duty)=1.30000×103 응축기 열용량(Condenser Duty)=-1.23925×103 Reboiler Duty = 1.30000 × 10 3 Condenser Duty = -1.23925 × 10 3

가열속도=1.0×10Heating rate = 1.0 × 10 66 KcalKcal /Of hrhr

번호number 액체 조성, %Liquid composition,% 기체 조성, %Gas composition,% 온도, ℃Temperature, ℃ L, kmol/hrL, kmol / hr V, kmol/hrV, kmol / hr H2OH 2 O HIHI I2 I 2 H2OH 2 O HIHI I2 I 2 1One 85.305685.3056 14.689914.6899 0.00440.0044 70.894770.8947 29.104229.1042 0.00110.0011 243.50243.50 141.99141.99 11.4511.45 22 86.229486.2294 13.754913.7549 0.01580.0158 84.230084.2300 15.765815.7658 0.00420.0042 246.68246.68 142.08142.08 153.45153.45 33 86.257986.2579 13.687213.6872 0.05490.0549 85.085485.0854 14.899914.8999 0.01470.0147 246.75246.75 141.98141.98 153.53153.53 44 86.137486.1374 13.672413.6724 0.19030.1903 85.111185.1111 14.830014.8300 0.05090.0509 246.80246.80 141.90141.90 153.43153.43 55 85.710285.7102 13.636313.6363 0.65340.6534 84.998984.9989 14.824914.8249 0.17610.1761 246.98246.98 141.64141.64 153.35153.35 66 84.291184.2911 13.512613.5126 2.19632.1963 84.601984.6019 14.793514.7935 0.60460.6046 247.58247.58 140.79140.79 153.09153.09 77 79.849079.8490 13.108813.1088 7.04217.0421 83.283383.2833 14.685514.6855 2.03122.0312 249.50249.50 138.20138.20 152.25152.25 88 66.274766.2747 11.848211.8482 21.877121.8771 79.163879.1638 14.332914.3329 6.50336.5033 255.41255.41 263.57263.57 149.66149.66 99 63.886463.8864 11.543611.5436 24.569924.5699 79.283679.2836 13.400213.4002 7.31627.3162 256.51256.51 260.67260.67 147.70147.70 1010 49.692949.6929 9.86989.8698 40.437340.4373 75.244775.2447 12.883112.8831 11.872211.8722 263.09263.09 115.87115.87 144.80144.80 DD BB V2V2 RefluxReflux BoilupBoilup RRRR 11.4511.45 115.87115.87 153.45153.45 141.99141.99 144.80144.80 12.398012.3980 재비기 열용량(Reboiler Duty)=1.00000×103 응축기 열용량(Condenser Duty)=-9.39079×102 Reboiler Duty = 1.00000 × 10 3 Condenser Duty = -9.39079 × 10 2

가열속도=0.7×10Heating rate = 0.7 × 10 66 KcalKcal /Of hrhr

번호number 액체 조성, %Liquid composition,% 기체 조성, %Gas composition,% 온도, ℃Temperature, ℃ L, kmol/hrL, kmol / hr V, kmol/hrV, kmol / hr H2OH 2 O HIHI I2 I 2 H2OH 2 O HIHI I2 I 2 1One 85.310785.3107 14.682914.6829 0.00640.0064 70.979670.9796 29.018929.0189 0.00160.0016 243.54243.54 96.5996.59 11.4911.49 22 86.191286.1912 13.786513.7865 0.02230.0223 83.787583.7875 16.206616.2066 0.00590.0059 246.64246.64 96.6696.66 108.07108.07 33 86.200986.2009 13.723613.7236 0.07550.0755 84.575584.5755 15.404415.4044 0.02010.0201 246.72246.72 96.6096.60 108.15108.15 44 86.040986.0409 13.706013.7060 0.25310.2531 84.583284.5832 15.349215.3492 0.06760.0676 246.80246.80 96.5296.52 108.08108.08 55 85.500985.5009 13.659513.6595 0.83970.8397 84.439284.4392 15.334515.3345 0.22630.2263 247.02247.02 96.3096.30 108.01108.01 66 83.778283.7782 13.506013.5060 2.71572.7157 83.953483.9534 15.296315.2963 0.75040.7504 247.75247.75 95.6095.60 107.79107.79 77 78.607178.6071 13.033513.0335 8.35958.3595 82.405482.4054 15.170015.1700 2.42462.4246 250.00250.00 93.5593.55 107.09107.09 88 63.245063.2450 11.575311.5753 25.179625.1796 77.772977.7729 14.781614.7816 7.44557.4455 256.69256.69 219.07219.07 105.04105.04 99 61.580161.5801 11.311211.3112 27.108727.1087 78.469078.4690 13.485913.4859 8.04508.0450 257.52257.52 217.27217.27 103.23103.23 1010 49.678349.6783 9.87279.8727 40.449040.4490 75.172775.1727 12.953912.9539 11.873411.8734 263.09263.09 115.84115.84 101.43101.43 DD BB V2V2 RefluxReflux BoilupBoilup RRRR 11.4911.49 115.84115.84 108.07108.07 96.5996.59 101.43101.43 8.40858.4085 재비기 열용량(Reboiler Duty)=7.00001×102 응축기 열용량(Condenser Duty)=-6.38818×102 Reboiler Duty = 7.00001 × 10 2 Condenser Duty = -6.38818 × 10 2

가열속도=0.3×10Heating rate = 0.3 × 10 66 KcalKcal /Of hrhr

번호number 액체 조성, %Liquid composition,% 기체 조성, %Gas composition,% 온도, ℃Temperature, ℃ L, kmol/hrL, kmol / hr V, kmol/hrV, kmol / hr H2OH 2 O HIHI I2 I 2 H2OH 2 O HIHI I2 I 2 1One 85.318585.3185 14.657514.6575 0.02400.0240 71.266371.2663 28.727928.7279 0.00580.0058 243.65243.65 335.96335.96 11.6011.60 22 86.011186.0111 13.914313.9143 0.07460.0746 81.890581.8905 18.090018.0900 0.01950.0195 246.43246.43 36.0036.00 47.5647.56 33 85.917085.9170 13.863613.8636 0.21930.2193 82.417482.4174 17.524817.5248 0.05780.0578 246.57246.57 35.9835.98 47.6147.61 44 85.542285.5422 13.827413.8274 0.63050.6305 82.344282.3442 17.488617.4886 0.16730.1673 246.73246.73 35.9235.92 47.5847.58 55 84.496984.4969 13.730713.7307 1.77241.7724 82.056382.0563 17.465717.4657 0.47790.4779 247.17247.17 35.7535.75 47.5247.52 66 81.725781.7257 13.472213.4722 4.80214.8021 81.255281.2552 17.405317.4053 1.33961.3396 248.36248.36 35.3335.33 47.3647.36 77 74.737474.7374 12.833912.8339 12.428612.4286 79.140179.1401 17.243417.2434 3.61653.6165 251.40251.40 34.3134.31 46.9446.94 88 57.012257.0122 11.024311.0243 31.963431.9634 73.860273.8602 16.850916.8509 9.28909.2890 259.22259.22 159.86159.86 45.9145.91 99 56.546356.5463 10.790110.7901 32.663632.6636 76.371576.3715 14.017514.0175 9.61109.6110 259.76259.76 159.29159.29 44.1444.14 1010 49.628149.6281 9.88269.8826 40.489240.4892 74.922474.9224 13.200513.2005 11.877111.8771 263.11263.11 115.72115.72 43.5743.57 DD BB V2V2 RefluxReflux BoilupBoilup RRRR 11.6011.60 115.72115.72 47.5647.56 35.9635.96 43.5743.57 3.09933.0993 재비기 열용량(Reboiler Duty)=3.00000×103 응축기 열용량(Condenser Duty)=-2.37942×102 Reboiler Duty = 3.00000 × 10 3 Condenser Duty = -2.37942 × 10 2

가열속도=0.11×10Heating rate = 0.11 × 10 66 KcalKcal /Of hrhr

번호number 액체 조성, %Liquid composition,% 기체 조성, %Gas composition,% 온도, ℃Temperature, ℃ L, kmol/hrL, kmol / hr V, kmol/hrV, kmol / hr H2OH 2 O HIHI I2 I 2 H2OH 2 O HIHI I2 I 2 1One 82.537682.5376 14.213414.2134 3.24903.2490 71.753171.7531 27.423927.4239 0.82300.8230 245.30245.30 6.496.49 12.1512.15 22 50.157050.1570 13.684313.6843 6.15866.1586 75.507375.5073 22.825122.8251 1.66761.6676 247.81247.81 6.436.43 18.6518.65 33 76.965676.9656 13.381413.3814 9.65309.6530 74.659974.6599 22.671522.6715 2.66862.6686 249.21249.21 6.346.34 18.5818.58 44 73.211673.2116 13.033513.0335 13.754913.7549 73.540273.5402 22.609522.6095 3.85033.8503 250.82250.82 6.246.24 18.5018.50 55 68.868668.8686 12.617412.6174 18.514018.5140 72.247972.2479 22.541322.5413 5.21085.2108 252.69252.69 6.136.13 18.4018.40 66 63.902563.9025 12.109312.1093 23.988223.9882 70.786370.7863 22.461222.4612 6.75266.7526 254.86254.86 6.006.00 18.2818.28 77 58.330658.3306 11.487411.4874 30.182030.1820 69.159369.1593 22.364222.3642 8.47658.4765 257.36257.36 5.855.85 18.1518.15 88 82.303682.3036 10.744810.7448 36.951636.9516 67.391667.3916 22.245622.2456 10.362810.3628 260.19260.19 131.19131.19 18.0118.01 99 52.460552.4605 10.458010.4580 37.081537.0815 72.647472.6474 16.600916.6009 10.751710.7517 261.40261.40 131.23131.23 16.0216.02 1010 49.473149.4731 9.93009.9300 40.596940.5969 73.885173.8851 14.245014.2450 11.869911.8699 263.13263.13 115.17115.17 16.0616.06 DD BB V2V2 RefluxReflux BoilupBoilup RRRR 12.1512.15 115.17115.17 18.6518.65 6.496.49 16.0616.06 0.53400.5340 재비기 열용량(Reboiler Duty)=1.10000×102 응축기 열용량(Condenser Duty)=-4.35530×101 Reboiler Duty = 1.10000 × 10 2 Condenser Duty = -4.35530 × 10 1

가열속도=0.087×10 6 Kcal / hr Heating rate = 0. 0 87 × 10 6 Kcal / hr

번호number 액체 조성, %Liquid composition,% 기체 조성, %Gas composition,% 온도, ℃Temperature, ℃ L, kmol/hrL, kmol / hr V, kmol/hrV, kmol / hr H2OH 2 O HIHI I2 I 2 H2OH 2 O HIHI I2 I 2 1One 61.991761.9917 12.062712.0627 25.945625.9456 67.368067.3680 25.516725.5167 7.11537.1153 254.70254.70 1.631.63 13.0613.06 22 55.530155.5301 11.236911.2369 33.233033.2330 66.771666.7716 24.024324.0243 9.20419.2041 258.11258.11 1.581.58 14.6914.69 33 53.170153.1701 10.940610.9406 35.889435.8894 66.087966.0879 23.972523.9725 9.93969.9396 259.23259.23 1.571.57 14.6514.65 44 52.350152.3501 10.835210.8352 26.814626.8146 65.847265.8472 23.955423.9554 10.197410.1974 259.64259.64 1.561.56 14.6314.63 55 52.069752.0697 10.799010.7990 37.131337.1313 65.764765.7647 23.949323.9493 10.286010.2860 259.77259.77 1.561.56 14.6214.62 66 51.972251.9722 10.786010.7860 37.241837.2418 65.736665.7366 23.947223.9472 10.316310.3163 259.82259.82 1.561.56 14.6214.62 77 51.950451.9504 10.785210.7852 37.264437.2644 65.727165.7271 23.946723.9467 10.326110.3261 259.85259.85 1.561.56 14.6214.62 88 51.935251.9352 10.781810.7818 37.283037.2830 65.724665.7246 23.946423.9464 10.329010.3290 259.84259.84 126.80126.80 14.6214.62 99 52.163952.1639 10.491210.4912 37.344937.3449 71.415571.4155 17.824417.8244 10.760110.7601 261.33261.33 126.97126.97 12.5412.54 1010 49.797349.7973 10.008910.0089 40.193840.1938 73.443873.4438 14.827114.8271 11.729011.7290 262.92262.92 114.26114.26 12.7112.71 DD BB V2V2 RefluxReflux BoilupBoilup RRRR 13.0613.06 114.26114.26 14.6914.69 1.631.63 12.7112.71 0.12480.1248 재비기 열용량(Reboiler Duty)=8.70000×101 응축기 열용량(Condenser Duty)=-1.19595×101 Reboiler Duty = 8.70000 × 10 1 Condenser Duty = -1.19595 × 10 1

표 2에 나타낸 바와 같이, 재비기의 가열속도를 증가시키면 탑상부의 응축기에서의 냉각 부하가 증가되어 열손실이 일어날 수 있고, 가열속도를 감소시키면 응축기에서 배출되는 혼합기체성분 중 요오드의 비중이 증가함을 알 수 있다.As shown in Table 2, increasing the heating rate of the reboiler may increase the cooling load in the condenser at the top of the column, resulting in heat loss. It can be seen.

<< 실험예Experimental Example 3> 요오드화수소 분해반응기 특성 3> Hydrogen Iodide Decomposition Reactor

본 발명에 따른 요오드화수소 분해반응기의 최적화된 단수를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to determine the optimized stage of the hydrogen iodide decomposition reactor according to the present invention, the following experiment was performed.

상기 요오드화수소 분해반응기의 모델을 도 12에 나타낸 바와 같은 계단식으로 반응기를 체결한 직렬모듈로 하고, 초기 주입되는 기체의 조성을 3.4 mol의 요오드화수소만이 공급되고 멤브레인의 수소투과율(kh)은 90%이고, 멤브레인을 통하여 수소와 함께 이끌려가는 요오드화수소와 요오드의 상대 투과율(αHI 및 αI)은 수소투과량 대비 5/10,000로 가정하여 운전온도 450 ℃(K=0.0187)와 500 ℃(K=0.0214)에서 전산모사를 실시한 결과를 표 3에 나타내었다.The model of the hydrogen iodide decomposition reactor was a series module in which a reactor was connected in a stepwise manner as shown in FIG . 12 , and only 3.4 mol of hydrogen iodide was supplied as the composition of the initially injected gas, and the hydrogen permeability (k h ) of the membrane was 90. %, And the relative permeability (α HI and α I ) of hydrogen iodide and iodine drawn together with hydrogen through the membrane is assumed to be 5 / 10,000 of hydrogen permeation, and operating temperatures 450 ℃ (K = 0.0187) and 500 ℃ (K = 0.0214) shows the results of computer simulation in Table 3.

450 ℃에서 분해반응Decomposition reaction at 450 ℃ 번호number HI(s)[mol]HI (s) [mol] H2(s)[mol]H 2 (s) [mol] I2(s)[mol]I 2 (s) [mol] HI(d)[mol]HI (d) [mol] H2(d)[mol]H 2 (d) [mol] I2(d)[mol]I 2 (d) [mol] 1One 1.59×10-4 1.59 × 10 -4 0.31890.3189 1.59×10-4 1.59 × 10 -4 2.69112.6911 0.03650.0365 0.35420.3542 22 9.03×10-5 9.03 × 10 -5 0.18060.1806 9.03×10-5 9.03 × 10 -5 2.36062.3606 0.02010.0201 0.51930.5193 33 6.04×10-5 6.04 × 10 -5 0.12080.1208 6.04×10-5 6.04 × 10 -5 2.13232.1323 0.01340.0134 0.63340.6334 44 4.49×10-5 4.49 × 10 -5 0.08980.0898 4.49×10-5 4.49 × 10 -5 1.95951.9595 0.01000.0100 0.71970.7197 55 3.54×10-5 3.54 × 10 -5 0.07090.0709 3.54×10-5 3.54 × 10 -5 1.82201.8220 0.00790.0079 0.78840.7884 66 2.91×10-5 2.91 × 10 -5 0.05810.0581 2.91×10-5 2.91 × 10 -5 1.70851.7085 0.00650.0065 0.84510.8451 77 2.45×10-5 2.45 × 10 -5 0.04900.0490 2.45×10-5 2.45 × 10 -5 1.61251.6125 0.00540.0054 0.89310.8931 88 2.11×10-5 2.11 × 10 -5 0.04210.0421 2.11×10-5 2.11 × 10 -5 1.52971.5297 0.00470.0047 0.93440.9344 99 1.84×10-5 1.84 × 10 -5 0.03680.0368 1.84×10-5 1.84 × 10 -5 1.45721.4572 0.00410.0041 0.97070.9707 1010 1.63×10-5 1.63 × 10 -5 0.03260.0326 1.63×10-5 1.63 × 10 -5 1.39301.3930 0.00360.0036 1.00271.0027 1111 1.46×10-5 1.46 × 10 -5 0.02910.0291 1.46×10-5 1.46 × 10 -5 1.33561.3356 0.00320.0032 1.03141.0314 합계Sum 5.14×10-4 5.14 × 10 -4 1.02871.0287 5.14×10-4 5.14 × 10 -4

500 ℃에서 분해반응Decomposition reaction at 500 ℃

번호number HI(s)[mol]HI (s) [mol] H2(s)[mol]H 2 (s) [mol] I2(s)[mol]I 2 (s) [mol] HI(d)[mol]HI (d) [mol] H2(d)[mol]H 2 (d) [mol] I2(d)[mol]I 2 (d) [mol] 1One 1.68×10-4 1.68 × 10 -4 0.33610.3361 1.68×10-4 1.68 × 10 -4 2.65292.6529 0.03730.0373 0.37330.3733 22 8.71×10-5 8.71 × 10 -5 0.17410.1741 8.71×10-5 8.71 × 10 -5 2.34052.3405 0.01930.0193 0.52940.5294 33 5.89×10-5 5.89 × 10 -5 0.11780.1178 5.89×10-5 5.89 × 10 -5 2.11752.1175 0.01310.0131 0.64080.6408 44 4.40×10-5 4.40 × 10 -5 0.08800.0880 4.40×10-5 4.40 × 10 -5 1.94801.9480 0.00980.0098 0.72550.7255 55 3.49×10-5 3.49 × 10 -5 0.06970.0697 3.49×10-5 3.49 × 10 -5 1.81261.8126 0.00770.0077 0.79310.7931 66 2.87×10-5 2.87 × 10 -5 0.05730.0573 2.87×10-5 2.87 × 10 -5 1.70061.7006 0.00640.0064 0.84900.8490 77 2.42×10-5 2.42 × 10 -5 0.04840.0484 2.42×10-5 2.42 × 10 -5 1.60581.6058 0.00540.0054 0.89640.8964 88 2.08×10-5 2.08 × 10 -5 0.04170.0417 2.08×10-5 2.08 × 10 -5 1.52391.5239 0.00460.0046 0.93740.9374 99 1.82×10-5 1.82 × 10 -5 0.03650.0365 1.82×10-5 1.82 × 10 -5 1.45211.4521 0.00410.0041 0.97320.9732 1010 1.61×10-5 1.61 × 10 -5 0.03230.0323 1.61×10-5 1.61 × 10 -5 1.38841.3884 0.00360.0036 1.00501.0050 합계Sum 5.01×10-4 5.01 × 10 -4 1.00191.0019 5.01×10-4 5.01 × 10 -4

표 3에 나타낸 바와 같이, 90%의 수소회수율과 수소투과율 대비 5/10,000의 HI 및 I2 상대투과율 성능을 유지하는 멤브레인 시스템에서 60%의 요오드화수소 분해율을 달성하기 위해서는 450 ℃ 운전온도에서는 11단의 멤브레인 단이 필요하고 500 ℃의 운전온도에서는 10단의 멤브레인 단이 필요함을 알 수 있다. As shown in Table 3, to achieve 60% hydrogen iodide decomposition rate in a membrane system that maintains 90% hydrogen recovery and 5 / 10,000 HI and I 2 relative permeability performance compared to hydrogen permeability, It can be seen that the membrane stage is required and 10 membrane stages are required at the operating temperature of 500 ° C.

<< 실험예Experimental Example 4>  4> 미반응물의Unreacted 증류탑내In the distillation column 순환형 시스템 Cyclic system

도 8에 나타낸 다단증류탑 상부의 요오드화수소/수증기 혼합기체를 요오드화수소 분해 온도까지 가열시킨 후 요오드화수소 분해용 촉매가 코팅 또는 충전된 멤브레인 반응기로 주입하여 요오드화수소를 분해시키고 멤브레인을 이용하여 수소를 선택적으로 분리하며 나머지 혼합기체는 응축시킨 후 다단증류탑으로 순환시키는 모델에 대한 운전 특성을 전산모사하였다.After heating the hydrogen iodide / water vapor mixture gas at the upper stage of the multistage distillation column shown in FIG . The operating characteristics of the model were condensed and the remaining mixed gas was condensed and circulated to the multi-stage distillation column.

전산모사 입력조건으로 증류탑의 압력은 22기압, 주입용액의 온도와 유량은 535 K와 127.3253 kmol/hr(HI : I2 : H2O 몰 조성비=0.116 : 0.368 : 0.516), 재비기의 가열속도는 1.475 × 106 kcal/hr로 하였으며 요오드화수소 분해반응기인 멤브레인 반응기에서의 요오드화수소 분해율을 3%에서부터 점진적으로 증가시켜 분해율의 증가로 인한 응축 순환수 농도가 공비점을 유발시키거나 아니면 공비점보다 낮은 HI농도를 형성하여 비정상 운전이 발견되는지 여부를 조사한 결과, 분해율을 20% 적용한 시점부터 공비점의 문제가 대두되어 본 시스템의 SI 공정 적용이 불가함을 발견하였다. 따라서 본 발명에 따른 수소생산방법에 있어서, 요오드화수소 기체에서 수소를 분리한 후, 나머지 미반응물은 농도가 낮기 때문에 직접 다단증류탑으로 순환시켜서는 안 되며, 다단증류탑 외부에서 회수하여 전기투석장치의 산화반응실로 주입되어야 함을 알 수 있다.The pressure of the distillation column was 22 atm under the computer simulation input conditions, the temperature and flow rate of the injection solution were 535 K and 127.3253 kmol / hr (HI: I 2 : H 2 O molar composition ratio = 0.116: 0.368: 0.516). Is 1.475 × 10 6 kcal / hr, and the hydrogen iodide decomposition rate is gradually increased from 3% in the membrane reactor, which is a hydrogen iodide decomposition reactor. As a result of investigating whether abnormal operation was found by forming low HI concentration, it was found that the problem of azeotropic point emerged from the time of applying 20% decomposition rate, so that the SI process of the system could not be applied. Therefore, in the hydrogen production method according to the present invention, after the hydrogen is separated from the hydrogen iodide gas, the remaining unreacted material should not be circulated directly to the multistage distillation column because of the low concentration, and recovered from outside the multistage distillation tower to oxidize the electrodialysis apparatus. It can be seen that it must be injected into the chamber.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 요오드화수소 농축/분해 방법은 전기투석장치를 사용하여 요오드화수소의 몰분율을 공비점 이상으로 이동시킨 후에 증류에 의해 농축시키므로 에너지의 최적화를 이룰 수 있어 경제적이며, 요오드화수소의 분해시 수소를 선택적으로 분리하는 멤브레인 분해반응 장치를 이용하여 원자력 수소 생산 효율을 높일 수 있고, 요오드화수소 분해 후 남은 요오드화수소 혼합 기체는 증류장치로 직접적으로 유입되지 않고, 증류반응장치 외부에서 회수하여 전기투석장치의 산화반응실로 재투입되기 때문에 수소생산이 지속될 수 있으므로 수소를 원료로 사용하는 모든 분야에 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the hydrogen iodide concentration / decomposition method according to the present invention is economical because it can be optimized by energy distillation after moving the molar fraction of hydrogen iodide above the azeotropic point using an electrodialysis apparatus, The efficiency of nuclear hydrogen production can be improved by using a membrane cracking reaction device that selectively separates hydrogen during the decomposition of hydrogen iodide, and the hydrogen iodide mixed gas remaining after the decomposition of hydrogen iodide is not directly introduced into the distillation unit. Since the hydrogen production can be continued since it is recovered into the oxidation reaction chamber of the electrodialysis apparatus, it can be usefully used in all fields using hydrogen as a raw material.

Claims (10)

원자력 수소 생산용 요오드화수소 농축/분해방법에 있어서,In the hydrogen iodide concentration / decomposition method for the production of nuclear hydrogen, 하기 반응식 1로 표시되는 분젠반응의 결과로 얻어진 요오드화수소 혼합 용액을 전기투석장치의 환원반응실로 주입하여 공비점 이상의 요오드화수소 농도로 1차 농축시키는 단계(단계 1);Injecting the hydrogen iodide mixed solution obtained as a result of the Bunsen reaction represented by Scheme 1 into the reduction reaction chamber of the electrodialysis apparatus to be first concentrated to a hydrogen iodide concentration above the azeotropic point (step 1); 상기 단계 1에서 농축된 요오드화수소 혼합 용액을 다단 증류장치에서 농축된 고순도의 요오드화수소 혼합 기체로 2차 농축시키는 단계(단계 2);Secondary concentration of the hydrogen iodide mixed solution concentrated in step 1 with a high purity hydrogen iodide mixed gas concentrated in a multi-stage distillation apparatus (step 2); 상기 단계 2에서 농축된 요오드화수소 혼합 기체를 촉매가 충전된 요오드화수소의 다단분해반응기에서 분해시켜 수소를 얻는 단계(단계 3);및Decomposing the hydrogen iodide mixed gas concentrated in step 2 in a multistage reactor of hydrogen iodide charged with a catalyst to obtain hydrogen (step 3); and 상기 단계 3에서 요오드화수소 분해 후, 남은 요오드화수소 혼합 기체를 응축시킨 후 단계 1의 전기투석장치의 산화반응실로 재투입시키는 단계(단계 4)를 포함하여 이루어지는 요오드화수소 농축/분해 방법.Hydrogen iodide concentration / decomposition method comprising the step of condensing the remaining hydrogen iodide gas after condensing the hydrogen iodide in step 3 and re-introducing into the oxidation reaction chamber of the electrodialysis apparatus of step 1 (step 4). <반응식 1><Scheme 1> 2H2O + I2 + SO2 = 2HI + H2SO4 2H 2 O + I 2 + SO 2 = 2HI + H 2 SO 4 제1항에 있어서, 상기 전기투석장치는 수소이온을 선택적으로 투과시키는 고분자 멤브레인을 격막으로 하여 산화반응실과 환원반응실이 형성되어 있고, 각 반 응실에는 전극이 구비되어 있어 외부전압의 적용에 의한 산화환원반응의 결과 산화반응실의 요오드화수소 농도는 감소하고 환원반응실의 요오드화수소 농도는 증가하는 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.2. The electrodialysis apparatus of claim 1, wherein an oxidation chamber and a reduction chamber are formed by using a polymer membrane that selectively permeates hydrogen ions, and an electrode is provided in each reaction chamber. A method of concentrating / decomposing hydrogen iodide, characterized in that the concentration of hydrogen iodide in the oxidation reaction chamber is reduced and the concentration of hydrogen iodide in the reduction reaction chamber is increased as a result of the redox reaction. 제2항에 있어서, 상기 전기투석장치 내의 산화반응실과 환원반응실의 요오드화수소 농도 차이는 4 mol/kg·H2O 이하가 되도록 유지하는 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.The hydrogen iodide concentration / decomposition method according to claim 2, wherein the hydrogen iodide concentration difference between the oxidation reaction chamber and the reduction reaction chamber in the electrodialysis apparatus is maintained to be 4 mol / kg · H 2 O or less. 제2항에 있어서, 300 mol·H2/s 이상의 수소생산 규모를 유지하기 위해 요오드화수소 농축속도는 689.81~1379.62 mol·HI/s인 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.The hydrogen iodide concentration / decomposition method according to claim 2, wherein the hydrogen iodide concentration rate is from 689.81 to 139.62 mol.HI / s to maintain a hydrogen production scale of 300 mol · H 2 / s or more. 제2항에 있어서, 상기 전기투석장치에 적용되는 전압은 40% 이상의 수소생산 효율을 유지하기 위해 0.3 V 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.The hydrogen iodide concentration / decomposition method according to claim 2, wherein the voltage applied to the electrodialysis apparatus is maintained at 0.3 V or less to maintain a hydrogen production efficiency of 40% or more. 제1항에 있어서, 상기 다단 증류장치는 요오드화수소 혼합 용액을 농축하고, 생성된 요오드화수소/수증기 혼합기체의 일부만을 요오드화수소 분해반응기로 이송하고 잔부는 응축시켜 다단 증류장치로 반송하는 부분응축기를 구비한 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.The multistage distillation apparatus according to claim 1, wherein the multistage distillation apparatus concentrates the hydrogen iodide mixed solution, transfers only a part of the generated hydrogen iodide / steam mixed gas to the hydrogen iodide cracking reactor, and condenses the remaining condensate to the multistage distillation unit. Hydrogen iodide concentration / decomposition method characterized in that it provided. 제6항에 있어서, 상기 부분응축기는 다단증류장치로부터 배출되는 요오드화수소/수증기 혼합 기체가 요오드화수소 분해반응기를 순환하여 반송되는 것을 방지함으로써 응축순환수의 농도가 공비점을 유발 또는 공비점보다 낮은 요오드화수소 농도 형성을 방지하는 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.The method of claim 6, wherein the partial condenser prevents the hydrogen iodide / steam mixed gas discharged from the multi-stage distillation unit from being returned to the hydrogen iodide cracking reactor to return the concentration of condensed circulating water to cause an azeotropic point or lower than the azeotropic point. A method for concentrating / decomposing hydrogen iodide, characterized by preventing formation of hydrogen iodide concentration. 제1항에 있어서, 상기 요오드화수소 다단분해반응기는 10단 이상인 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.The hydrogen iodide concentration / decomposition method according to claim 1, wherein the hydrogen iodide multistage reactor is 10 or more stages. 제8항에 있어서, 상기 요오드화수소 다단분해반응기의 요오드화수소 분해 효율은 60% 이상인 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.The hydrogen iodide concentration / decomposition method according to claim 8, wherein the hydrogen iodide decomposition efficiency of the hydrogen iodide multistage reactor is 60% or more. 제8항에 있어서, 상기 요오드화수소 다단분해반응기의 운전온도는 450~500 ℃인 것을 특징으로 하는 요오드화수소 농축/분해 방법.The hydrogen iodide concentration / decomposition method according to claim 8, wherein the operating temperature of the hydrogen iodide multistage cracking reactor is 450 to 500 ° C.
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