KR20130048585A - Hybrid hi decomposer for nuclear hydrogen production and the continuous sepatation process using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치 및 이를 이용한 연속 수소 분해 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a hybrid type hydrogen iodide cracking apparatus for nuclear hydrogen production and a continuous hydrogen decomposition method using the same.
현재 전 세계적으로 에너지 자원 고갈에 대한 문제가 서서히 드러나면서 차세대 에너지에 대한 관심도가 높아지고 있다. 그 중에서도 수소에너지는 석유값의 지속적인 상승 및 화석자원의 고갈이 전망되는 현 시점에서 전기를 직접 공급하기 곤란한 수송분야 및 원격지 등에 사용할 2차에너지로서 각광받고 있다. 특히 2005년 02월, 지구 온난화 방지를 위하여 교토 의정서가 발효됨에 따라 이산화탄소의 저감대책이 중요한 화두로 떠오르면서 대체에너지원으로서의 수소에너지에 대한 관심은 더욱 증대되고 있다. As the problem of depletion of energy resources is gradually revealed around the world, interest in next generation energy is increasing. Among them, hydrogen energy is in the spotlight as secondary energy to be used for transportation fields and remote areas where it is difficult to supply electricity directly at the present time when the petroleum price is expected to continuously increase and the fossil resources are depleted. In particular, as the Kyoto Protocol came into force in February 2005 to prevent global warming, the reduction of carbon dioxide has emerged as an important topic, and interest in hydrogen energy as an alternative energy source is increasing.
수소를 얻기 위해서는 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리하여야 한다. 가장 일반적인 예로서 물(H2O)를 수소(H2)와 산소(O)로 분리하는 방법이 있다. 현재 가장 널리 사용하는 방법은 천연가스에 포함된 메탄의 수증기개질법, 전기분해법, 열화학분해법 등이 있다.In order to obtain hydrogen, hydrogen present in the form of a compound must be separated. The most common example is a method of separating water (H 2 O) into hydrogen (H 2 ) and oxygen (O). Currently, the most widely used methods include steam reforming, electrolysis, and thermochemical decomposition of methane contained in natural gas.
수증기개질법은 천연가스중의 메탄을 고온의 수증기와 함께 니켈촉매에서 반응시키면 수소와 일산화탄소로 분해되는 반응을 통하여 생산한다. 현재 전세계에서 생산되는 연간 4천 2백만톤 중 48 % 차지하고 있는 상용화된 기술이나, 연료전지발전 등 사용처에 요구되는 기술인 소형화/경량화에 맞추기 위해 연구중이다. Steam reforming is produced by reacting methane in natural gas with a high temperature steam in a nickel catalyst to decompose hydrogen and carbon monoxide. Currently, we are researching for commercialization technology, which accounts for 48% of the 42 million tons produced annually in the world, or miniaturization and lightening, which are required for the use of fuel cell power generation.
전기분해법은 물에 1.75 볼트이상의 전류를 흘려 양극에서는 산소가 음극에서는 수소가 발생되는 반응을 이용하여 생산하는 방식이다. 전기분해법은 가장 간단하면서도 신뢰성이 높으며 고순도의 수소를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 반면 분해 시 고온이 필요하고 수소와 산소가 동시에 발생하여 분리가 쉽지 않은 점 때문에 실용화 하는데 어렵다는 단점이 있다.Electrolysis is a method in which a current of more than 1.75 volts flows into water to produce oxygen at the anode and hydrogen at the cathode. Electrolysis is the simplest, most reliable and has the advantage of obtaining high purity hydrogen. On the other hand, the high temperature is required for decomposition and hydrogen and oxygen are generated at the same time, so it is difficult to be commercialized because it is not easy to separate.
열화학분해법은 열원으로는 원자력 또는 태양열을 이용하여 800 ℃의 고온에서 여러 단계의 화학 과정을 거쳐 물을 수소와 산소로 분해하는 방법이다. 특히 원자력을 열원으로 수소를 생산하는 열화학분해법 중 초고온 기체냉각 원자로(VHTR)의 950 ℃ 이상의 열에너지를 이용한 물로부터의 수소제조 방법은 가장 효과적인 대용량 수소 생산법의 하나로 여겨지고 있다. Thermal chemical decomposition is a method of decomposing water into hydrogen and oxygen through several chemical processes at a high temperature of 800 ℃ using nuclear or solar heat as a heat source. In particular, hydrogen production from water using thermal energy of 950 ° C. or higher in a VHTR is considered to be one of the most effective large-capacity hydrogen production methods among thermal chemical decomposition methods for producing hydrogen using nuclear power as a heat source.
열화학분해법을 이용하여 수소를 생산하는 대표적인 공정으로는 황산과 요오드화수소를 사용하는 요오드-황(SI) 사이클(Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle Process, 이하 'SI 공정'), 브롬화칼슘 (CaBr2)과 브롬화철(FeBr2) 을 사용하는 UT-3 사이클 등이 실험실 규모 실증이 연구되고 있으나, 대량 연속공정에는 액체를 사용하는 SI 공정이 가장 앞선 단계로 평가되고 있다. Representative processes for producing hydrogen using thermochemical decomposition include the Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle Process (SI process), calcium bromide (CaBr 2 ) and bromination using sulfuric acid and hydrogen iodide. Laboratory scale demonstrations such as the UT-3 cycle using iron (FeBr 2 ) have been studied, but the SI process using liquid is evaluated as the most advanced step in the mass continuous process.
상기 SI 공정의 기본적인 개념은 1980년대 초반 미국의 제너럴 아토믹(GA)사가 처음 제시하였는데, 크게 분젠반응(Bunsen reaction) 공정(반응식 1),황산(H2SO4) 분해공정(반응식 2), 요오드화수소(HI) 분해공정(반응식 3)으로 구성되고 상기 SI 공정을 화학반응식으로 나타내면 아래에 나타낸 바와 같이 최종의 화학반응으로 구성된다.
The basic concept of the SI process was first presented by General Atomic (GA) of the United States in the early 1980's, and it was largely the Bunsen reaction process (Scheme 1), sulfuric acid (H 2 SO 4 ) decomposition process (Scheme 2), and iodide. Consisting of the hydrogen (HI) decomposition process (Scheme 3) and the SI process represented by the chemical reaction formula consists of the final chemical reaction as shown below.
<반응식 1><
2H2O + I2 + SO2 = 2HI + H2SO4 (분젠반응, 약 100℃, 발열반응) 2H 2 O + I 2 + SO 2 = 2HI + H 2 SO 4 (bunsen reaction, about 100 ℃, exothermic reaction)
<반응식 2><
2HI = H2 + I2 (200 ~ 500℃, 흡열반응)2HI = H 2 + I 2 (200 ~ 500 ℃, endothermic reaction)
<반응식 3><
H2SO4 = H2O + SO2 + 0.5 O2 (약 850℃, 흡열반응)
H 2 SO 4 = H 2 O + SO 2 + 0.5 O 2 (about 850 ℃, endothermic reaction)
분젠반응으로 명명된 <반응식 1>은 발열반응이며 <반응식 2>의 요오드화수소는 기체상태에서의 고체 촉매반응 혹은 액체상태에서의 균질 촉매반응으로 진행된다.
<반응식 3>의 황산분해 반응은 400 ~ 500 ℃에서 물과 삼산화황으로 1차분해 된 후, 분해된 삼산화황(SO3)이 약 800℃이상에서 고체 촉매반응에 의해 이산화황과 산소로 2차 분해된다. The sulfuric acid decomposition reaction of <
상기 반응을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The reaction is described in detail as follows.
상기 <반응식 1>은 물(H2O), 이산화황(SO2), 요오드(I2)가 반응하여 황산(H2SO4) 및 요오드화수소(HI)를 생산하는 공정이다. 상기 공정은 요오드를 적절하게 과잉으로 투입함으로써 <반응식 1>의 정방향 진행을 도모할 뿐만 아니라 황산상과 요오드화수소상이 상호 분리될 수 있도록 비혼화성을 유발한다. 이 반응은 약간의 발열반응으로 반응온도는 약 100 ℃이다. 생성된 황산과 요오드화수소는 자발적인 액-액 상분리를 거쳐 상대적으로 비중이 큰 요오드화수소 상은 하부에 황산 상은 상부에 위치하게 되며 각 분리된 상들은 다음 공정으로 이동되어 각 공정의 반응물로 사용된다.<
<반응식 2>의 요오드화수소 분해 공정에서는 요오드화수소 용액을 가열시켜 요오드화수소 분자를 수소(H2)와 요오드(I2)로 열분해 혹은 촉매분해하고, 이를 통해 생성된 수소는 최종 생산물로 분리되고, 농축 및 분해 과정에서 회수된 물과 요오드는 분젠반응 공정으로 재순환된다.In the hydrogen iodide decomposition process of
<반응식 3>의 황산분해 공정에서는 황산용액을 약 850℃ 정도까지 가열하면 물(H2O)과 삼산화황(SO3)으로 쉽고 빠르게 분해되고, 생성된 삼산화황(SO3)은 원자로로부터 고온의 열에너지를 공급받아 산소(O2)와 이산화황(SO2)으로 분해된다. 분해 생성물 중에서 산소는 최종 생산물로 분리시키고, 황산 농축 및 분해 과정에서 회수된 물과 이산화황은 온도를 낮춰서 모두 분젠반응 공정으로 재순환된다.In the sulfuric acid decomposition process of <
상기 요오드-황 분해 반응이 원활하게 진행되려면 전체 공정이 유기적으로 연결되어 있어야 하나, 상기 <반응식 2>의 요오드화수소 분해 반응은 낮은 열역학적 분해율과 반응 속도로 인해 전체 수소 생산 플랜트의 효율을 제한하는 요소로 작용하고 있다. In order for the iodine-sulfur decomposition reaction to proceed smoothly, the entire process must be organically connected.However, the hydrogen iodide decomposition reaction of <
이를 극복하기 위하여 대한민국 공개특허 2007-0058243에서는 분젠반응의 결과로 얻어진 요오드화수소 혼합 용액을 전기투석장치 및 다단증류장치에서 농축시키고 다단분해반응기에서 분해시킨 뒤, 미반응한 요오드화수소 혼합기체를 전기투석장치의 산화반응실로 재투입시켜 요오드화수소 분해율을 상승시키는 장치를 기재하고 있다. In order to overcome this problem, Korean Patent Publication No. 2007-0058243 discloses that the hydrogen iodide mixed solution obtained as a result of the Bunsen reaction is concentrated in an electrodialysis apparatus and a multistage distillation apparatus and decomposed in a multistage cracking reactor, and then the unreacted hydrogen iodide mixed gas is electrodialyzed. An apparatus for increasing the decomposition rate of hydrogen iodide by re-introducing into an oxidation reaction chamber of the apparatus is described.
상기 발명인 원자력 수소 생산용 요오드화수소 농축/분해 방법에 따른 요오드화수소 분해방법은 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 있다는 장점이 있다. The hydrogen iodide decomposing method according to the inventors concentrated / decomposed hydrogen iodide for nuclear hydrogen production is concentrated by distillation after moving the molar fraction of hydrogen iodide above the azeotropic point using an electrodialysis apparatus, so that energy can be optimized. In addition, there is an advantage that the efficiency of nuclear hydrogen production can be improved by using a membrane decomposition reaction device that selectively separates hydrogen during decomposition of hydrogen iodide.
반면 전기투석장치를 이용할 경우, 비용대비 열역학적 수율을 극복하는 데에는 한계점이 있다는 점과 특정 이온에 대하여 선택도가 우수한 막의 개발이 선행되어야 한다는 점, 막의 수가 증가할수록 셀 내부저항이 증가된다는 단점이 있다. On the other hand, when using an electrodialysis device, there are disadvantages in overcoming the thermodynamic yield for cost, development of a membrane having excellent selectivity for a particular ion, and an increase in cell resistance as the number of membranes increases. .
또한 일본 공개특허 2005-289733에서는 요오드화수소 열분해 장치와 요오드 고정화제를 포함하는 장치를 연결함으로써 반응 평형을 극복하여 요오드화수소 분해율을 상승시키는 장치를 기재하고 있다. 이는 주로 금속으로 이루어진 요오드 고정화제의 요오드 함량이 온도에 따라 달라지는 원리를 이용한 것으로, 낮은 온도에서 발생되는 요오드를 잡아둠으로써 분해기에서 생성물의 비율을 낮춰 정반응이 추가로 일어날 수 있게 하는 것이다. 반응이 끝나면 온도를 올려 고정된 요오드를 제거하여 고정화제를 복원시킨다. In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-289733 describes a device for overcoming a reaction equilibrium by increasing a hydrogen iodide decomposition rate by connecting a device containing a hydrogen iodide pyrolysis device and an iodine fixative. This is based on the principle that the iodine content of the iodine fixative, which is mainly composed of metals, depends on the temperature. The iodine generated at a lower temperature is trapped to lower the proportion of the product in the cracker so that further reaction can occur. After the reaction, the temperature is raised to remove the fixed iodine to restore the fixative.
이 방법을 사용하게 되면 높지 않은 온도에서도 열역학적 수득률을 초과하는 분해율을 얻을 수 있지만, 기존 방식의 촉매 분해기와는 달리 분해 용량이 정해져 있고, 흡착기 재생 과정에서 발생할 수 있는 흡착력 저하 현상에 의해 단독으로 사용하기에는 지속성과 안정성이 부족하다. If this method is used, it is possible to obtain a decomposition rate exceeding the thermodynamic yield even at a low temperature.However, unlike conventional catalytic crackers, the decomposition capacity is determined. There is a lack of persistence and stability.
이에 본 발명자들은 온도변환과정을 포함하는 다중 회분식 제2촉매분해기를 병렬로 연결하여 요오드화수소의 분해율을 높이는 장치를 개발하여 본 발명을 완성하였다. The present inventors have completed the present invention by developing a device for increasing the decomposition rate of hydrogen iodide by connecting a multi-batch second catalytic cracker including a temperature conversion process in parallel.
본 발명의 목적은 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a hybrid type hydrogen iodide cracking apparatus for nuclear hydrogen production.
본 발명의 또 다른 목적은 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 이용하여 연속적으로 수소를 분해하는 방법에 관한 것이다.
Still another object of the present invention relates to a method of continuously decomposing hydrogen using a hybrid type hydrogen iodide decomposing device for nuclear hydrogen production.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은The present invention for achieving the above object
요오드화수소 및 황산을 생성하는 분젠반응기와;A Bunsen reactor for producing hydrogen iodide and sulfuric acid;
상기 분젠반응기로부터 생성된 요오드화수소 혼합물을 농축하는 플래시 증류기와;A flash distillation unit for concentrating the hydrogen iodide mixture produced from the bunsen reactor;
상기 플래시 증류기로부터 농축된 요오드화수소를 촉매존재하에 수소 및 요오드로 분해하는 제1촉매분해기와; A first catalytic cracker for decomposing concentrated hydrogen iodide into hydrogen and iodine in the presence of a catalyst;
상기 제1촉매분해기에서 분해되지 않은 요오드화수소를 촉매를 포함한 흡착제의 존재하에 온도조절을 통해 흡착, 분해 및 탈착을 수행하는 n개의 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기;N temperature-converted multi-batch second catalytic crackers for performing adsorption, decomposition, and desorption of hydrogen iodide not decomposed in the first catalytic cracker through temperature control in the presence of an adsorbent including a catalyst;
상기 제1촉매분해기와 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기로부터 생성된 수소를 저장하는 수소저장용기; A hydrogen storage container for storing hydrogen generated from the first catalytic cracker and the temperature-converted multiple batch second catalytic cracker;
상기 제1촉매분해기와 상기 n개의 다중 회분식 제2촉매분해기를 연결하는 유로상에 구비되는 n방향 유로선택밸브; 및 An n-way flow path selection valve provided on a flow path connecting the first catalytic cracker and the n multiple batch second catalytic crackers; And
상기 다중 회분식 제2촉매분해기와 수소저장용기 및 분젠반응기를 연결하는 유로 상에 구비되는 3방향 유로선택밸브를 포함하여 구성되는 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 제공한다.
It provides a hybrid-type hydrogen iodide decomposition apparatus for nuclear hydrogen production comprising a three-way flow path selection valve provided on the flow path connecting the multi-batch second catalytic cracker, the hydrogen storage vessel and the Bunsen reactor.
또한, 본 발명은 분젠반응기에서 요오드, 물 및 이산화황을 반응시켜 요오드화수소와 황산을 제조하는 단계 (단계1);In addition, the present invention comprises the steps of preparing hydrogen iodide and sulfuric acid by reacting iodine, water and sulfur dioxide in a Bunsen reactor (step 1);
상기 단계 1에서 생성된 요오드화수소 혼합물을 플래쉬 증류기에서 농축시키는 단계 (단계2);Concentrating the hydrogen iodide mixture produced in
상기 단계 2에서 생성된 요오드화수소를 제1촉매분해기에서 촉매 존재 하에 수소 및 요오드로 분해시키는 단계 (단계3);Decomposing the hydrogen iodide produced in
상기 단계 3에서 미반응된 요오드화수소를 촉매를 포함한 흡착제가 포함된 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기에서 온도 조절을 통해 흡착, 분해 및 탈착을 수행하여 추가적으로 수소를 얻는 단계 (단계 4);Obtaining additional hydrogen by performing adsorption, decomposition and desorption through temperature control in a temperature-converted multi-batch second catalytic cracker including an adsorbent including a catalyst for the unreacted hydrogen iodide in step 3 (step 4);
상기 단계 4에서 생성된 수소기체를 포집하고, 잔존하는 요오드를 회수하여 분젠반응에 재사용하는 단계 (단계5);를 포함하는 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 이용한 연속 수소 분해 방법를 이용한 연속 수소 분해 방법을 제공한다.
Continuous hydrogen decomposition method using a hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production, comprising: collecting the hydrogen gas produced in
본 발명에 따르면, 요오드화수소의 제1촉매분해기에서 미반응한 요오드화수소를 제1촉매분해기 다음에 추가로 구비되는 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기를 통하여 분해함으로써, 미반응된 요오드화수소의 분해율을 높여, 전체 공정에서의 수소생성효율을 높일 수 있다.According to the present invention, the decomposition rate of unreacted hydrogen iodide is decomposed by the decomposition of unreacted hydrogen iodide in a first catalytic cracker of hydrogen iodide through a temperature conversion multiple batch second catalyst cracker further provided after the first catalytic cracker. It is possible to increase the hydrogen production efficiency in the whole process.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기를 구비한 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1, 실험예 2에서 수행한 요오드화수소 분해장치를 나타낸 모식도이다.
도 3은 요오드화수소에 대한 알루미나계 니켈촉매의 열중량분석 결과 그래프이다.
도 4는 요오드에 대한 알루미나계 니켈촉매의 열중량분석 결과 그래프이다.
도 5는 250 ℃에서 1 mL의 요오드화수소와 3 g의 촉매를 사용하여 생산된 수소기체의 누적생산량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 250 ℃에서 1 mL의 요오드화수소와 3 g의 알루미나계 니켈촉매를 사용하여 흡착, 분해반응을 진행시키고 400 ℃에서 1시간 동안 탈착반응을 시킨 후, 이를 7회 반복하여 생성된 수소기체의 누적생산량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 250 ℃에서 1 mL의 요오드화수소와 3 g의 알루미나계 니켈촉매를 사용하여 흡착, 분해반응을 진행시키고 450 ℃에서 1시간 동안 탈착반응을 시킨 후, 이를 2회 반복하여 생성된 수소기체의 누적생산량을 나타낸 그래프이다.
도 8는 탈착반응이 일어나지 않은 흡착제의 표면에 대하여 주사전자현미경을 이용하여 500배 및 200,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 9는 550 ℃에서 탈착이 일어난 흡착제의 표면에 대하여 주사전자현미경을 이용하여 500배 및 200,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 분젠반응기
1': 플래쉬 증류기
2: 제1촉매분해기
3: 미반응한 요오드화수소의 n방향 유로선택 조절밸브
4, 5: 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기
6, 7: 생성된 수소와 탈착된 요오드화수소 및 요오드의 3방향 유로선택 조절 밸브
8: 수소저장용기
9: 고농축 요오드화수소 이동관
10: 미반응 요오드화수소 유출관
11, 12: 미반응 요오드화수소 유입관
13, 14: 생성된 수소; 또는 탈착된 요오드화수소 및 요오드 유출관
15, 18: 수소 기체 유입관
16, 17, 19: 요오드화수소 및 요오드기체 회수관BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic diagram showing a hybrid type hydrogen iodide cracking apparatus having a temperature conversion type multi-batch second catalytic cracker according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a hydrogen iodide decomposition apparatus performed in Experimental Example 1, Experimental Example 2 of the present invention.
Figure 3 is a graph of the thermogravimetric analysis of the alumina-based nickel catalyst for hydrogen iodide.
Figure 4 is a graph of the thermogravimetric analysis of the alumina-based nickel catalyst for iodine.
FIG. 5 is a graph showing the cumulative amount of hydrogen gas produced using 1 mL of hydrogen iodide and 3 g of catalyst at 250 ° C.
6 shows adsorption and decomposition using 1 mL of hydrogen iodide and 3 g of alumina-based nickel catalyst at 250 ° C., and desorption for 1 hour at 400 ° C., followed by repeated seven times. It is a graph showing the cumulative production of.
7 is adsorbed and decomposed using 1 mL of hydrogen iodide and 3 g of alumina-based nickel catalyst at 250 ° C., and desorption reaction at 450 ° C. for 1 hour, followed by two iterations of hydrogen gas. It is a graph showing the cumulative production of.
8 is a photograph taken at 500 times and 200,000 times magnification using a scanning electron microscope with respect to the surface of the adsorbent in which the desorption reaction does not occur.
FIG. 9 is a photograph taken at a magnification of 500 times and 200,000 times using a scanning electron microscope with respect to the surface of the adsorbent having desorption at 550 ° C. FIG.
Description of the Related Art
1: Bunsen reactor
1 ': flash distiller
2: first catalytic cracker
3: n-way flow path control valve of unreacted hydrogen iodide
4, 5: Temperature-Converted Multi-Batch Second Catalytic Cracker
6, 7: 3-way flow selector control valve of generated hydrogen, desorbed hydrogen iodide and iodine
8: Hydrogen Storage Container
9: Highly concentrated hydrogen iodide transfer tube
10: unreacted hydrogen iodide outlet pipe
11, 12: unreacted hydrogen iodide inlet pipe
13, 14: generated hydrogen; Or desorbed hydrogen iodide and iodine outlet tubes
15, 18: hydrogen gas inlet pipe
16, 17, 19: hydrogen iodide and iodine gas recovery pipe
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. . In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명은 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 제공한다. 본 발명은 도 1에 나타난 바와 같이 제1촉매분해기(2)와 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4, 5)가 직렬로 구비된 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 나타낸 모식도이다.The present invention provides a hybrid type hydrogen iodide cracking device for nuclear hydrogen production. As shown in FIG. 1, the present invention is a schematic diagram showing a hybrid type hydrogen iodide decomposition apparatus in which a first
이하 본 발명을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.
본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치는 Hybrid type hydrogen iodide decomposition device for nuclear hydrogen production according to the present invention
요오드화수소 및 황산을 생성하는 분젠반응기(1)와;A Bunsen reactor (1) for producing hydrogen iodide and sulfuric acid;
상기 분젠반응기(1)로부터 생성된 요오드화수소 혼합물을 농축하는 플래쉬 증류기(1')와;A flash still (1 ') for concentrating the hydrogen iodide mixture produced from the bunsen reactor (1);
상기 플래쉬 증류기(1')로부터 농축된 요오드화수소를 촉매존재하에 수소 및 요오드로 분해하는 제1촉매분해기(2)와; A first catalytic cracker (2) for decomposing the concentrated hydrogen iodide from the flash still (1 ') into hydrogen and iodine in the presence of a catalyst;
상기 제1촉매분해기(2)에서 분해되지 않은 요오드화수소를 촉매를 포함한 흡착제의 존재하에 온도조절을 통해 흡착, 분해 및 탈착을 수행하는 n개의 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4, 5);N temperature-converted multi-batch second catalytic crackers (4, 5) for performing adsorption, decomposition and desorption on the first catalyst cracker (2) through temperature control of hydrogen iodide not decomposed in the presence of an adsorbent including a catalyst;
상기 제1촉매분해기(2)와 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4, 5)로부터 생성된 수소를 저장하는 수소저장용기(8); A hydrogen storage container (8) for storing hydrogen generated from the first catalytic cracker (2) and the temperature-converted multiple batch second catalytic cracker (4, 5);
상기 제1촉매분해기(2)와 상기 n개의 다중 회분식 제2촉매분해기(4, 5)를 연결하는 유로상에 구비되는 n방향 유로선택 조절밸브(3); 및 An n-directional flow path selection control valve (3) provided on a flow path connecting the first catalytic cracker (2) and the n multiple batch-type second catalytic crackers (4, 5); And
상기 다중 회분식 제2촉매분해기(4, 5)와 수소저장용기(8) 및 분젠반응기(1)를 연결하는 유로 상에 구비되는 3방향 유로선택 조절밸브(6, 7)를 포함하여 구성된다.
It comprises a three-way flow path selection control valve (6, 7) provided on the flow path connecting the multi-batch second catalytic cracker (4, 5), hydrogen storage container (8) and Bunsen reactor (1).
이하, 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 구성하는 개개의 장치 및 이의 작동원리를 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the individual devices constituting the hybrid type hydrogen iodide cracking apparatus for producing nuclear hydrogen according to the present invention and the operation principle thereof will be described in detail.
먼저, 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서, 상기 분젠반응기(1)는 하기 <반응식 1>에 나타낸 분젠반응을 통해 요오드, 이산화황 및 물로부터 요오드화수소 및 황산을 생성하는 장치이다.
First, in the hybrid type hydrogen iodide decomposition device for nuclear hydrogen production according to the present invention, the
상기 분젠반응기(1)는 분젠반응을 통해 생성된 요오드화수소를 농축하는 플래쉬 증류기(1')가 일체형 또는 분리형으로 구비되고, 분젠반응기의 하부에는 제1촉매분해기(2)와 제2촉매분해기(4, 5)에서 생성된 요오드화수소 및 요오드기체 회수관(16, 17, 19)이 연결되는 구조로 이루어져 있다.
The Bunsen reactor (1) is provided with a flash distillator (1 ') for concentrating the hydrogen iodide produced through the Bunsen reaction in one or a separate type, the first catalytic cracker (2) and the second catalytic cracker ( Hydrogen iodide and iodine gas recovery pipes (16, 17, 19) generated in 4, 5) is composed of a connection.
<반응식 1><
2H2O + I2 + SO2 = 2HI + H2SO4 (분젠반응, 약 100℃, 발열반응)
2H 2 O + I 2 + SO 2 = 2HI + H 2 SO 4 (bunsen reaction, about 100 ℃, exothermic reaction)
다음으로, 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서, 상기 분젠반응기(1)는 플래쉬 증류기(1')를 통해 일체형 또는 분리형으로 구비된 고순도의 요오드화수소를 생산할 수 있도록 보조한다.Next, in the hybrid type hydrogen iodide decomposing apparatus for nuclear hydrogen production according to the present invention, the
상기 플래쉬 증류기(1')는 상기 분젠반응기(1)를 통해 얻어진 요오드화수소 혼합물을 농축시키는 역할을 수행한다. 구체적으로, 수소생산효율을 높이기 위하여 요오드화수소 혼합물을 공비 농도 이상으로 높이고 압력차를 이용하여 농축시킨다. The flash still 1 'serves to concentrate the hydrogen iodide mixture obtained through the
상기 플래쉬 증류기(1')를 통해 고농도의 요오드화수소 기체를 얻을 수 있으므로 공정의 에너지 소비 감소 및 공정의 단순화를 실현하여 경제성이 향상될 수 있으며, 수소생산효율을 높이는 효과가 있다.
Since a high concentration of hydrogen iodide gas can be obtained through the
다음으로, 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서, 제1촉매분해기(2)가 상기 플래쉬 증류기(1')의 말단에 요오드화수소 이동관(9)을 통해 연결된다. 상기 제1촉매분해기(2)는 일자 형태의 반응기로서 알루미나계 니켈촉매 존재하에 650 ℃ 이상의 고온에서 요오드화수소를 수소 및 요오드로 분해시킨다. 이때, 상기 제1촉매분해기(2)에서 요오드화수소의 평형 분해율은 약 30 %로 미반응 요오드화수소는 70 % 또는 그 이상에 달한다. 상기 제1촉매분해기(2)를 통해 생성된 수소기체는 미반응 요오드화수소와 함께 유로선택 조절밸브(3)를 통해 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4)에 공급된다. 그러나 촉매를 포함하는 흡착제에 수소는 흡착되지 않기 때문에, 수소 기체는 그대로 제2촉매분해기(4)를 통과한 후 수소기체 유출관(13, 14)을 거쳐 3방향 유로선택 조절밸브(6, 7)의 작동에 의하여 수소저장용기(8)에 저장된다.
Next, in the hybrid type hydrogen iodide cracking apparatus for nuclear hydrogen production according to the present invention, the first
다음으로, 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서, 상기 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4)는 미반응 요오드화수소의 분해율을 높이기 위해 상기 제1촉매분해기(2) 말단에 추가로 구비된다. 상기 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4)는 온도를 탈착온도 이하로 조절함으로써, 제1촉매분해기(2)로부터 분해되지 않은 미반응 요오드화수소를 촉매를 포함하는 흡착제에 흡착시키고, 분해반응을 통해 수소를 생성시킨다. 생성된 수소는 흡착제에 흡착되지 않아 바로 수소저장장치(8)로 내보낼 수 있으므로, 이를 통해 화학적 비평형을 유발하여 평형분해율을 상회하는 분해율을 얻을 수 있다.
Next, in the hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production according to the present invention, the temperature conversion type multi-batch second catalytic cracker (4) is the first catalytic cracker (2) to increase the decomposition rate of unreacted hydrogen iodide It is further provided at the end. The temperature-converted multi-batch second
상기 제2촉매분해기(4)에서 수행되는 요오드화수소 분해과정에서 촉매를 포함하는 흡착제로 펠렛형태의 알루미나계 니켈촉매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 촉매를 포함하는 흡착제에 흡착된 요오드화수소 및 분해반응을 통해 생성되어 상기 흡착제에 흡착된 요오드를 탈착온도 이상으로 가열하여 탈착시킴으로서, 상기 제1촉매분해기(2)에서 반응하지 못한 요오드화수소의 분해반응을 진행시킬 수 있으며, 흡착, 분해반응을 통하여 추가로 수소를 생산할 수 있다. 상기 제2촉매분해기(4)에서, 요오드화수소 및 요오드가 탈착된 촉매를 포함하는 흡착제는 흡착제로서의 수명이 다할 때까지 재사용될 수 있다.A pellet-type alumina nickel catalyst may be used as an adsorbent including a catalyst in the hydrogen iodide decomposition process performed in the second
요오드화수소 및 요오드를 흡착용량까지 흡착시킨 후에는 상기 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4)에서 탈착반응이 수행되도록 하기 위하여 상기 제2촉매분해기(4)를 고온으로 가열시킨다. 탈착 반응이 완료된 흡착제는 재사용될 수 있다.
After the adsorption of hydrogen iodide and iodine to the adsorption capacity, the second
다음으로 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서, 상기 제2촉매분해기(4)는 동일한 구조의 제2촉매분해기(5)가 병렬로 연결되도록 구비된다. 단수의 제2촉매분해기를 사용하고 경우에는 고온의 탈착반응이 수행되는 동안 요오드화수소를 추가적으로 유입시키고 흡착, 분해 반응을 수행하는 것이 제한적일 수 있다. 따라서 상호 시차를 두고 저온공정의 흡착 및 분해과정과, 고온공정의 탈착과정을 공정의 중단없이 수행하도록 온도변환이 가능한 n개 이상의 제2촉매분해기를 병렬로 연결시킬 수 있다. 여기서 n은 2이상이며, 분해시키고자 하는 요오드화수소의 양과 공정전체의 효율을 고려하여 적절한 수로 구비될 수 있다.
Next, in the hybrid type hydrogen iodide cracking apparatus for nuclear hydrogen production according to the present invention, the second
다음으로 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서, 상기 제1촉매분해기(2)와 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4, 5) 사이에는 n방향 유로선택 조절밸브(3)가 구비된다. Next, in the hybrid type hydrogen iodide cracker for producing nuclear hydrogen according to the present invention, an n-way flow path control valve (1) is disposed between the first catalytic cracker (2) and the temperature-converted multi-batch second catalytic cracker (4, 5). 3) is provided.
상기 n방향 유로선택 조절밸브(3)는 요오드화수소가 탈착과정에 있는 제2촉매분해기(4, 5)가 아닌, 흡착 및 분해과정이 진행중인 제2촉매분해기(4, 5)로 요오드화수소가 유입될 수 있도록 조절된다. 여기서 상기 유로선택 조절밸브(3)의 방향수는 병렬로 연결되는 제2촉매분해기의 개수와 상관된다.
Hydrogen iodide flows into the second catalytic cracker (4, 5) in which the adsorption and decomposition process is in progress, rather than the second catalytic cracker (4, 5) in which the hydrogen iodide is desorbed. It can be adjusted. Here, the direction number of the flow path
다음으로 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서, 상기 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기(4, 5)와 수소저장용기(8) 및 분젠반응기(1)를 연결하는 유로상에는 3방향 유로선택 조절밸브(6, 7)가 구비된다. Next, in the hybrid type hydrogen iodide decomposing apparatus for nuclear hydrogen production according to the present invention, a flow path connecting the temperature conversion type multi-batch second catalytic cracker (4, 5), hydrogen storage container (8) and Bunsen reactor (1) Three-way flow path control
상기 3방향 유로선택조절밸브(6, 7)는 제2촉매분해기(4, 5)에서 저온 흡착 및 분해반응을 통해 생성되는 수소를 수소저장용기(8)로 이동될 수 있도록 방향이조절된다. 또한 상기 3방향 유로선택 조절밸브(6, 7)는 상기 제2촉매분해기(4, 5)에서 저온 흡착 및 분해반응을 통해 생성되는 요오드화수소와 요오드를 분젠반응기(1)로 회수되어 재사용될 수 있도록 방향이 조절된다.The three-way flow path control
상기 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매반응기(4, 5) 내에서 일어나는 저온 분해반응 및 고온 탈착반응의 온도범위는 사용되는 흡착제의 종류에 따라 흡착되는 요오드화수소의 열중량분석을 통해 결정된다.
The temperature range of the low temperature decomposition reaction and the high temperature desorption reaction occurring in the temperature-converted multi-batch
또한 본 발명은,Further, according to the present invention,
분젠반응기에서 요오드, 물 및 이산화황을 반응시켜 요오드화수소와 황산을 제조하는 단계 (단계1);Reacting iodine, water and sulfur dioxide in a Bunsen reactor to produce hydrogen iodide and sulfuric acid (step 1);
상기 단계 1에서 생성된 요오드화수소 혼합물을 플래쉬 증류기에서 농축시키는 단계 (단계2);Concentrating the hydrogen iodide mixture produced in
상기 단계 2에서 생성된 요오드화수소를 제1촉매분해기에서 촉매 존재 하에 수소 및 요오드로 분해시키는 단계 (단계3);Decomposing the hydrogen iodide produced in
상기 단계 3에서 미반응된 요오드화수소를 촉매를 포함한 흡착제가 포함된 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기에서 온도 조절을 통해 흡착, 분해 및 탈착을 수행하여 추가적으로 수소를 얻는 단계 (단계 4);Obtaining additional hydrogen by performing adsorption, decomposition and desorption through temperature control in a temperature-converted multi-batch second catalytic cracker including an adsorbent including a catalyst for the unreacted hydrogen iodide in step 3 (step 4);
상기 단계 4에서 생성된 수소기체를 포집하고, 잔존하는 요오드를 회수하여 분젠반응에 재사용하는 단계 (단계5);를 포함하는 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 이용한 연속 수소 분해 방법을 제공한다.
It provides a continuous hydrogen decomposition method using a hybrid-type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production, including the step of collecting the hydrogen gas generated in
이하 본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 이용한 연속 수소 분해 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a continuous hydrogen decomposition method using a hybrid type hydrogen iodide decomposition apparatus for nuclear hydrogen production according to the present invention will be described in more detail.
먼저 상기 단계 1은 상기 반응식 1에 나타낸 바와 같이 요오드, 물 및 이산화황을 분젠 반응기에 공급하여 분젠반응을 수행하는 단계이다. 상기 단계 1의 분젠반응으로부터 생성된 요오드화수소와 이산화황은 혼합물 상태로 분젠 반응기 내에서 존재하게 된다.
First,
다음으로, 상기 단계 2는 요오드화수소 혼합물을 공비 농도 이상으로 높여 압력차를 통해 농축하는 단계이다. 상기 플래시 증류기의 농축반응을 통하여 혼합물 상태로 존재하는 요오드화수소와 이산화황을 효과적으로 분리하여 고농도의 요오드화수소 기체를 얻을 수 있고 공정의 에너지 소비 감소 및 공정의 단순화를 실현하여 경제성이 향상될 수 있으며, 수소생산효율을 높일 수 있다.
Next,
다음으로, 상기 단계 3은 650 ℃ 이상의 고온에서 알루미나계 니켈촉매 존재하에 요오드화수소를 수소 및 요오드로 분해하는 단계이다. 상기 요오드화수소의 분해반응에서 요오드화수소의 평형 분해율은 약 30 %에 도달되고, 분해되지 않은 요오드화수소는 70 % 또는 그 이상에 달하게 된다. 상기 요오드화수소의 분해반응으로부터 생성된 수소는 제2촉매분해기에서 흡착제에 흡착되지 않으므로 수소저장장치에 포집된다.
Next,
다음으로, 상기 단계 4는 제1촉매분해기로부터 분해되지 않은 요오드화수소를 촉매를 포함하는 흡착제에 흡착되는 온도로 조절하여 상기 단계 3에서 분해되지 않은 요오드화수소를 흡착시키고, 분해반응을 진행하여 추가로 수소 및 요오드를 분해시키는 단계이다. 상기 흡착반응은 흡착제에 최대 흡착 용량에 해당하는 요오드화수소가 흡착되어 진행된다.
Next, in
다음으로, 상기 단계 5는 흡착제에 흡착된 요오드화수소, 및 분해반응을 통해 생성되어 상기 흡착제에 흡착된 요오드를 탈착온도 이상으로 가열하여 탈착시키는 단계이다. 상기 단계 5의 탈착반응을 수행하는 시점은 흡착제에 최대 흡착 용량에 해당하는 요오드화수소가 흡착, 분해된 시점에서 고온으로 가열하여 탈착시킨다. 또한 상기 단계 4 및 단계 5는 시차를 두고 흡착과 분해과정; 및 탈착과정이 수행되도록 온도를 조절할 수 있다.Next,
상기 단계 5의 탈착반응에서 생성된 수소는 수소저장장치로 포집되고, 요오드는 분젠반응기로 보내어져 재사용된다.
Hydrogen generated in the desorption reaction of
<실험예 1> 요오드화수소의 흡착 및 분해온도의 결정Experimental Example 1 Determination of Adsorption and Decomposition Temperature of Hydrogen Iodide
본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서 제2촉매분해기에서 요오드화수소의 흡착제에 대한 최적의 흡착온도를 결정하기 위해 도 2와 같은 장치를 사용하여 하기의 실험을 수행하였다.In the hybrid type hydrogen iodide cracking apparatus for nuclear hydrogen production according to the present invention, the following experiment was performed using the apparatus as shown in FIG. 2 to determine the optimum adsorption temperature for the adsorbent of hydrogen iodide in the second catalytic cracker.
반응물질로서 공비상태의 요오드화수소용액(제조사: Yakuri, 농도: 57 wt %) 1 mL를 실린지를 사용하여 지름 1인치의 석영관 윗부분에 주입하였다. 석영관 내부는 요오드화수소 분해를 위한 촉매를 포함한 흡착제로서 분말 형태의 알루미나계 니켈촉매(제조사: Sigma-Aldrich, 표면적: 190 m2/g) 3 g을 넣고, 분말 형태인 촉매를 지지시키기 위하여 석영 섬유를 끼워두었다. 석영관은 전기가열로 내부에 장착시키고 흡착, 분해반응 온도를 250 ℃ 및 350 ℃로 설정하고 각각의 온도에서 흡착, 분해반응을 진행하였다. 운반기체로서 아르곤 80 %와 수소 20 %의 혼합가스를 사용하였고, 전기가열로 선단에 위치시켜 반응물질 및 생성물질을 이동시키는데 사용하였다. 운반기체의 유량은 20 mL/min으로 전기가열로에 공급하면서 흡착, 분해반응을 진행시켰다. 또한 미반응한 요오드화수소가 가스크로마토그래프에 주입될 경우 파이프 부식을 야기할 수 있으므로 가스크로마토그래프 선단에 티오황산나트륨용액을 위치시켜 미반응한 요오드화수소가 공급되는 것을 차단시켰다.As a reactant, 1 mL of an azeotropic hydrogen iodide solution (manufacturer: Yakuri, concentration: 57 wt%) was injected into the upper portion of the
요오드화수소는 촉매컬럼에 통과시키면서 촉매에 직접 흡착시킨 후 분해반응을 진행시켰다. 생성된 수소와 요오드는 다른 흡착, 분해특성을 나타내는 바, 요오드는 저온에서 쉽게 흡착되는 경향을 보인 반면 수소는 표면에 흡수되지 않았다. Hydrogen iodide was adsorbed directly to the catalyst while passing through the catalyst column, and then proceeded with the decomposition reaction. Hydrogen and iodine produced showed different adsorption and decomposition characteristics, and iodine tended to be easily adsorbed at low temperatures, while hydrogen was not absorbed on the surface.
상기 흡착반응은 모든 흡착제의 표면에 요오드화수소와 요오드가 채워질때까지 진행시켰다. The adsorption reaction proceeded until the surfaces of all the adsorbents were filled with hydrogen iodide and iodine.
요오드화수소의 흡착, 분해반응이 진행되면서 생성되는 수소 기체는 수소저장용기로 이동되면서 상기 반응에는 불균형이 생기게 되고, 르샤틀리에 원리에 의하여 부가적인 반응을 이끌어내어 연속적인 요오드화수소 분해 반응을 일으킬 수 있었다. Hydrogen gas generated during the adsorption and decomposition reaction of hydrogen iodide proceeds to a hydrogen storage vessel, resulting in an imbalance in the reaction, and can lead to an additional reaction according to the LeChatlier principle to cause a continuous hydrogen iodide decomposition reaction. there was.
흡착, 분해 반응온도를 각각 250 ℃ 및 350 ℃로 설정하고 반응시킨 알루미나계 니켈촉매의 반응 전 후의 물질량 변화를 측정하여 최적의 요오드화수소의 흡착, 분해온도를 찾기 위하여 열중량분석(제조사: NETZSCH, 모델명: TG 209 F3)를 실시하였으며 그 결과를 도 3, 도 4에 나타내었다.The thermogravimetric analysis was carried out to find the optimum adsorption and decomposition temperature of hydrogen iodide by measuring the change in the amount of substance before and after the reaction of the alumina-based nickel catalyst reacted with the adsorption and decomposition reaction temperatures set at 250 ° C and 350 ° C respectively. Model name: TG 209 F3) was performed and the results are shown in FIGS. 3 and 4.
도 3 에서 나타난바와 같이, 요오드화수소 대부분의 전이는 250 ℃에서 350 ℃에서 주로 발생하였다. 이것은 요오드화수소가 알루미나계 니켈 촉매에서 250 ℃까지는 흡착되고 그 온도 이상에서는 탈착이 시작되었음을 의미한다. As shown in Figure 3, most of the hydrogen iodide transition occurred mainly at 250 ℃ to 350 ℃. This means that hydrogen iodide was adsorbed up to 250 ° C. in an alumina-based nickel catalyst and desorption started above that temperature.
도 4의 요오드의 열중량분석결과 또한 250 ℃ ~ 400 ℃에서의 요오드화수소의 그래프와 유사한 경향을 보였으나 그래프에서 요오드가 임시적으로 증가하는 현상을 볼 수 있었는데 그 이유는 NiI2 분자의 형성 때문이었다.The thermogravimetric analysis of iodine of FIG. 4 also showed a similar tendency to the graph of hydrogen iodide at 250 ° C. to 400 ° C., but there was a temporary increase in iodine in the graph because of the formation of NiI 2 molecules. .
또한 운반기체를 따라 이동된 수소기체는 가스크로마토그래프(제조사: DS Science, 모델명: DS 6200)내로 공급시켜 분석을 수행하였고 요오드화수소의 전환율을 계산하는데 사용할 수 있었다. 분해율은 수소생산량에 의하여 계산되었는데 1 mL의 요오드화수소가 수소와 요오드로 완전히 분해될 경우, 92 mL의 수소기체가 생산된다. 수소의 분해율은 하기 <계산식 1>에 의해 계산되었다.
In addition, the hydrogen gas moved along the carrier gas was fed into a gas chromatograph (manufacturer: DS Science, model name: DS 6200) for analysis and could be used to calculate the conversion rate of hydrogen iodide. The rate of decomposition was calculated by the hydrogen production. When 1 mL of hydrogen iodide is completely decomposed into hydrogen and iodine, 92 mL of hydrogen gas is produced. The decomposition rate of hydrogen was calculated by the following <
<계산식 1><
생성된 수소기체의 양은 운반기체의 유량을 바탕으로 한 계산에 의하여 구할 수 있었다.The amount of hydrogen gas produced was calculated by calculation based on the flow rate of the carrier gas.
상기 반응을 바탕으로 250 ℃에서의 전체 분해율을 상기 <계산식 1>에 의해 계산한 결과, 도 5에서와 같은 약 50 %로 나타낸 반면 350 ℃에서의 실험에서는 분해 반응이 거의 이루어지지 않았다. 이는 350 ℃에서 요오드화수소와 요오드의 흡착이 거의 이루어지지 않았기 때문이었다. Based on the above reaction, the total decomposition rate at 250 ° C. was calculated by the above <
이러한 실험결과를 통해, 요오드화수소의 최적의 흡착, 분해반응은 250 ℃에서 수행될 수 있음을 알 수 있었다.
Through these experimental results, it was found that the optimal adsorption and decomposition reaction of hydrogen iodide can be performed at 250 ℃.
<실험예 2> 요오드화수소의 탈착온도의 결정Experimental Example 2 Determination of Desorption Temperature of Hydrogen Iodide
본 발명에 따른 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치에 있어서 제2촉매분해기에서 요오드화수소의 흡착제에 대한 최적의 탈착온도를 결정하기 위해 도 2와 같은 장치를 사용하여 하기의 실험을 수행하였다.In the hybrid type hydrogen iodide cracking apparatus for nuclear hydrogen production according to the present invention, the following experiment was performed using the apparatus as shown in FIG. 2 to determine the optimum desorption temperature for the adsorbent of hydrogen iodide in the second catalytic cracker.
반응물질로서 공비상태의 요오드화수소용액(제조사: Yakuri, 농도: 57 wt %) 1 mL를 실린지를 사용하여 지름 1인치의 석영관 윗부분에 주입하였다. 석영관 내부는 요오드화수소 분해를 위한 촉매를 포함한 흡착제로서 분말 형태의 알루미나계 니켈촉매(제조사: Sigma-Aldrich, 표면적: 190 m2/g) 3 g을 넣고, 분말 형태인 촉매를 지지시키기 위하여 석영 섬유를 끼워두었다. 석영관은 전기가열로 내부에 장착시키고 흡착, 분해반응 온도는 상기 실험예 1의 결과에 따라서 250 ℃로 설정하였고, 탈착온도는 350 ℃, 400 ℃, 450 ℃, 500 ℃ 및 550 ℃로 설정하여 탈착 온도에 따른 흡착제의 반응 전 후의 물질량 분석과 분해율을 측정하였다. 운반기체로서 아르곤 80 %와 수소 20 %의 혼합가스를 사용하였고, 전기가열로 선단에 위치시켜 반응물질 및 생성물질을 이동시키는데 사용하였다. 운반기체의 유량은 20 mL/min으로 전기가열로에 공급하면서 탈착반응을 1시간 동안 진행시켰다. 또한 미반응한 요오드화수소가 가스크로마토그래프에 주입될 경우 파이프 부식을 야기할 수 있으므로 가스크로마토그래프 선단에 티오황산나트륨용액을 위치시켜 미반응한 요오드화수소가 공급되는 것을 차단시켰다.As a reactant, 1 mL of an azeotropic hydrogen iodide solution (manufacturer: Yakuri, concentration: 57 wt%) was injected into the upper portion of the
상기 설정된 탈착온도에 따라 탈착반응 전 후의 알루미나계 니켈 촉매의 분해율과 주사전자현미경(제조사: FEI company, 모델명: Magellan 400) 사진을 바탕으로 최적의 탈착반응을 결정하였다.The optimum desorption reaction was determined based on the decomposition rate of the alumina nickel catalyst before and after the desorption reaction and the scanning electron microscope (manufacturer: FEI company, model name: Magellan 400) according to the set desorption temperature.
먼저 상기 반응을 관찰한 결과 350 ℃에서는 탈착 반응이 거의 이루어지지 않음을 알 수 있었다. 350 ℃에서는 흡착제 표면으로부터 요오드화수소와 요오드를 탈착시키기 위한 충분히 높은 온도가 아니었기 때문이다.As a result of observing the reaction, it was found that the desorption reaction was hardly performed at 350 ° C. This is because the temperature was not high enough to desorb hydrogen iodide and iodine from the adsorbent surface at 350 ° C.
400 ℃에서의 탈착반응에서는 도 6에서 나타난바와 같이 전체 분해율이 40 %로 측정되었고 탈착반응을 7회 반복하여 분해율을 관찰한 결과 급격한 분해율 감소현상은 관찰할 수 없었다.In the desorption reaction at 400 ° C., as shown in FIG. 6, the total decomposition rate was measured at 40%. As a result, the degradation rate was not observed as a result of repeating the desorption reaction 7 times.
반면 450 ℃에서의 탈착반응은 400 ℃에서의 탈착반응과 유사하게 전체 분해율은 40 %로 측정되었으나 흡착제를 1회, 2회 반복하여 사용한 결과 도 7과 같이 분해율이 급격하게 감소하는 것을 관찰할 수 있었다.On the other hand, the desorption reaction at 450 ° C. was similar to the desorption reaction at 400 ° C., but the total decomposition rate was measured to be 40%. However, when the adsorbent was used once and twice, the degradation rate rapidly decreased as shown in FIG. 7. there was.
또한 550 ℃에서는 수소와 요오드가 효과적으로 탈착되는 것을 관찰할 수 있었으나 흡착제 표면의 색과 도 9의 주사전자현미경 사진을 바탕으로 흡착제의 손상이 일어났다는 것을 확인할 수 있었다. 먼저 흡착제 표면의 색을 비교해 보면 250 ℃에서 흡착, 분해시킨 흡착제의 색은 검은색을 나타냈으나 550 ℃에서 탈착반응을 시킨 후 흡착제의 표면을 확인한 결과 회색을 나타내었다. In addition, at 550 ° C., hydrogen and iodine were effectively desorbed, but it was confirmed that the adsorbent was damaged based on the color of the adsorbent surface and the scanning electron micrograph of FIG. 9. First, when comparing the color of the surface of the adsorbent, the color of the adsorbent adsorbed and decomposed at 250 ℃ was black, but after desorption at 550 ℃, the surface of the adsorbent was identified as gray.
또한, 도 8 ~ 도 9에 나타낸 주사전자현미경사진을 비교해보면, 500배 확대하여 찍은 사진은 모두 비슷한 양상을 보이고 있으나 200,000배 확대하여 찍은 사진의 경우, 탈착 온도에 따라 다른 형상을 나타냄을 알 수 있었다. 탈착반응이 일어나지 않았던 흡착제의 표면은 도 8에서 볼 수 있듯이 느슨한 구조로서 작은 기공들이 있는 구조임을 관찰 할 수 있었는데, 이 기공들에서 실질적으로 흡착이 이루어지는 부분이었다.In addition, when comparing the scanning electron micrographs shown in Figures 8 to 9, all pictures taken at 500 times magnification shows a similar aspect, but in the case of pictures taken at 200,000 times magnification, it can be seen that different shapes depending on the desorption temperature. there was. As shown in FIG. 8, the surface of the adsorbent in which the desorption reaction did not occur was observed to have a loose structure with small pores.
반면 도 9에서도 볼 수 있듯이 탈착 반응이 진행된 촉매 표면의 경우 나노미터 크기의 기공이 덮여 있는 빽빽한 구조를 나타냈다. 이러한 구조는 표면적 감소와 같은 물리적인 저하를 야기하여 요오드화수소와 요오드가 흡착제에 접촉할 수 있는 기회를 감소시켰다. On the other hand, as can be seen in Figure 9, the catalyst surface subjected to the desorption reaction showed a dense structure covered with nanometer-sized pores. This structure caused physical degradation such as a reduction in surface area, reducing the chance of hydrogen iodide and iodine contacting the adsorbent.
이러한 실험결과를 통해 탈착 반응을 위한 최적의 온도는 400 ℃로 결정 할 수 있었다.Through these experimental results, the optimum temperature for the desorption reaction could be determined as 400 ℃.
Claims (15)
상기 분젠반응기로부터 생성된 요오드화수소 혼합물을 농축하는 플래시 증류기와;
상기 플래시 증류기로부터 농축된 요오드화수소를 촉매존재하에 수소 및 요오드로 분해하는 제1촉매분해기와;
상기 제1촉매분해기에서 분해되지 않은 요오드화수소를 촉매를 포함한 흡착제의 존재하에 온도조절을 통해 흡착, 분해 및 탈착을 수행하는 n개의 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기;
상기 제1촉매분해기와 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기로부터 생성된 수소를 저장하는 수소저장용기;
상기 제1촉매분해기와 상기 n개의 다중 회분식 제2촉매분해기를 연결하는 유로상에 구비되는 n방향 유로선택밸브; 및
상기 다중 회분식 제2촉매분해기와 수소저장용기 및 분젠반응기를 연결하는 유로 상에 구비되는 3방향 유로선택밸브를 포함하여 구성되는 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치.
A Bunsen reactor for producing hydrogen iodide and sulfuric acid;
A flash distillation unit for concentrating the hydrogen iodide mixture produced from the bunsen reactor;
A first catalytic cracker for decomposing concentrated hydrogen iodide into hydrogen and iodine in the presence of a catalyst;
N temperature-converted multi-batch second catalytic crackers for performing adsorption, decomposition, and desorption of hydrogen iodide not decomposed in the first catalytic cracker through temperature control in the presence of an adsorbent including a catalyst;
A hydrogen storage container for storing hydrogen generated from the first catalytic cracker and the temperature-converted multiple batch second catalytic cracker;
An n-way flow path selection valve provided on a flow path connecting the first catalytic cracker and the n multiple batch second catalytic crackers; And
And a three-way flow path selection valve provided on a flow path connecting the multi-batch second catalytic cracker, a hydrogen storage container, and a Bunsen reactor to produce a hybrid type hydrogen iodide decomposition device for nuclear hydrogen production.
According to claim 1, wherein the Bunsen reactor is hybrid type hydrogen iodide decomposition apparatus for nuclear hydrogen production, characterized in that for generating hydrogen iodide and sulfuric acid from iodine, sulfur dioxide and water.
2. The hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production according to claim 1, wherein the flash distillator increases the hydrogen iodide mixture to an azeotropic concentration or higher and concentrates the pressure difference to increase hydrogen production efficiency.
The hybrid type hydrogen iodide decomposition apparatus for nuclear hydrogen production according to claim 1, wherein the first catalytic cracker decomposes hydrogen iodide into hydrogen and iodine in the presence of an alumina nickel catalyst.
The method of claim 1, wherein the temperature conversion multi-batch second catalytic cracker is adjusted to a temperature below the desorption temperature, thereby adsorbing hydrogen iodide not decomposed from the first catalytic cracker to the adsorbent including the catalyst, hydrogen through a decomposition reaction Hybrid type hydrogen iodide cracking device for nuclear hydrogen production, characterized in that to produce a.
2. The nuclear hydrogen reactor according to claim 1, wherein the temperature-converted multi-batch second catalytic cracker is decomposed by hydrogen iodide adsorbed on the adsorbent and decomposition reaction by heating the iodine adsorbed on the adsorbent above the desorption temperature. Hybrid type hydrogen iodide digester for production.
The hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production according to claim 5, wherein the adsorbent comprising hydrogen iodide and a catalyst desorbed iodine is reused.
The method of claim 1, wherein the high temperature heating of the second catalytic cracker for the desorption reaction in the temperature conversion multi-batch second catalytic cracker is carried out at the time when the adsorbent capacity of hydrogen iodide is adsorbed to regenerate the adsorbent. Hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production.
[Claim 2] The hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production according to claim 1, wherein the temperature-converted multi-batch second catalytic cracker has n catalytic crackers connected in parallel.
10. The hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production according to claim 9, wherein the temperature of the n catalytic crackers is controlled to perform adsorption, decomposition and desorption processes with time difference.
According to claim 1, wherein the n-way flow path selection valve provided between the first catalytic cracker and the n multi-batch second catalytic cracker is the adsorption and decomposition process is not a second catalyst cracker in the desorption process of hydrogen iodide supplied Hybrid type hydrogen iodide cracking device for nuclear hydrogen production, characterized in that it is adjusted to be introduced into the ongoing second catalytic cracker.
According to claim 1, wherein the three-way flow path selection valve provided on the flow path connecting the temperature conversion multi-batch second catalytic cracker, hydrogen storage vessel and Bunsen reactor is generated by the low temperature adsorption and decomposition reaction in the second catalytic cracker Hybrid type hydrogen iodide decomposing device for nuclear hydrogen production, characterized in that the hydrogen is controlled to be moved to the hydrogen storage vessel.
According to claim 1, wherein the three-way flow path selection valve provided on the flow path connecting the temperature conversion multi-batch second catalytic reactor, hydrogen storage vessel and Bunsen reactor is generated by the low temperature adsorption and decomposition reaction in the second catalytic cracker A hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production, characterized in that the hydrogen iodide and iodine are introduced into the Bunsen reactor to be reused.
The temperature range of the low temperature decomposition reaction and the high temperature desorption reaction in the temperature-converted multi-batch second catalytic reactor is determined by thermogravimetric analysis of hydrogen iodide adsorbed according to the type of adsorbent used. Hybrid type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production.
상기 단계 1에서 생성된 요오드화수소 혼합물을 플래쉬 증류기에서 농축시키는 단계 (단계2);
상기 단계 2에서 생성된 요오드화수소를 제1촉매분해기에서 촉매 존재 하에 수소 및 요오드로 분해시키는 단계 (단계3);
상기 단계 3에서 미반응된 요오드화수소를 촉매를 포함한 흡착제가 포함된 온도 변환식 다중 회분식 제2촉매분해기에서 온도 조절을 통해 흡착, 분해 및 탈착을 수행하여 추가적으로 수소를 얻는 단계 (단계 4);
상기 단계 4에서 생성된 수소기체를 포집하고, 잔존하는 요오드를 회수하여 분젠반응에 재사용하는 단계 (단계5);를 포함하는 원자력 수소 생산용 하이브리드형 요오드화수소 분해장치를 이용한 연속 수소 분해 방법
Reacting iodine, water and sulfur dioxide in a Bunsen reactor to produce hydrogen iodide and sulfuric acid (step 1);
Concentrating the hydrogen iodide mixture produced in step 1 in a flash still (step 2);
Decomposing the hydrogen iodide produced in step 2 into hydrogen and iodine in the presence of a catalyst in a first catalytic cracker (step 3);
Obtaining additional hydrogen by performing adsorption, decomposition and desorption through temperature control in a temperature-converted multi-batch second catalytic cracker including an adsorbent including a catalyst for the unreacted hydrogen iodide in step 3 (step 4);
Collecting the hydrogen gas produced in step 4, recovering the remaining iodine and reusing in the Bunsen reaction (step 5); continuous hydrogen decomposition method using a hybrid-type hydrogen iodide cracker for nuclear hydrogen production comprising
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