Iodine-sulfur(IS) hydrogenation production process consists of three sections, which are so called a Bunsen reaction section, a HI decomposition section and a $H_2SO_4$ decomposition section as a closed cycle. For highly efficient operation of a Bunsen reaction section, we investigated the phase separation characteristics of $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ system into two liquid phases($H_2SO_4$-rich phase and $HI_x$-rich phase) in the high temperature ranges, mainly from 353 to 393 K, and in the $H_2SO_4/HI/H_2O/I_2$ molar ratio of $1/2/14{\sim}30/0.3{\sim}13.50$. The desired results for the minimization of impurities in each phase were obtained in conditions with the higher temperature and the higher $I_2$ molar composition. On the basis of the distribution of $H_2O$ to each phase, it is appeared that the affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was more superior to that between $H_2SO_4$ and $H_2O$.
Park, Junkyu;Nam, KiJeon;Heo, SungKu;Lee, Jonggyu;Lee, In-Beum;Yoo, ChangKyoo
Korean Chemical Engineering Research
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v.58
no.2
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pp.235-247
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2020
Simulation study and validation on 50 L/hr pilot-scale Bunsen process was carried out in order to investigate thermodynamics parameters, suitable reactor type, separator configuration, and the optimal conditions of reactors and separation. Sulfur-Iodine is thermochemical process using iodine and sulfur compounds for producing hydrogen from decomposition of water as net reaction. Understanding in phase separation and reaction of Bunsen Process is crucial since Bunsen Process acts as an intermediate process among three reactions. Electrolyte Non-Random Two-Liquid model is implemented in simulation as thermodynamic model. The simulation results are validated with the thermodynamic parameters and the 50 L/hr pilot-scale experimental data. The SO2 conversions of PFR and CSTR were compared as varying the temperature and reactor volume in order to investigate suitable type of reactor. Impurities in H2SO4 phase and HIX phase were investigated for 3-phase separator (vapor-liquid-liquid) and two 2-phase separators (vapor-liquid & liquid-liquid) in order to select separation configuration with better performance. The process optimization on reactor and phase separator is carried out to find the operating conditions and feed conditions that can reach the maximum SO2 conversion and the minimum H2SO4 impurities in HIX phase. For reactor optimization, the maximum 98% SO2 conversion was obtained with fixed iodine and water inlet flow rate when the diameter and length of PFR reactor are 0.20 m and 7.6m. Inlet water and iodine flow rate is reduced by 17% and 22% to reach the maximum 10% SO2 conversion with fixed temperature and PFR size (diameter: 3/8", length:3 m). When temperature (121℃) and PFR size (diameter: 0.2, length:7.6 m) are applied to the feed composition optimization, inlet water and iodine flow rate is reduced by 17% and 22% to reach the maximum 10% SO2 conversion.
Kim, Hyo Sub;Lee, Dong Hee;Lee, Jong Gyu;Park, Chu Sik;Kim, Young Ho
Applied Chemistry for Engineering
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v.29
no.1
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pp.56-61
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2018
In Bunsen reaction section for the integrated operation of sulfur-iodine (SI) process, $I_2$ and $H_2O$ reactants are supplied as dissolved species in an $HI_x$ solution. Most of the $H_2SO_4$ product is found in the $HI_x$ phase when Bunsen reaction is performed using the $HI_x$ solution and $SO_2$ feed, so that the volume ratio of the $H_2SO_4$ phase to the $HI_x$ phase is very low. In this study, we investigated the effects of ultrasound irradiation on Bunsen reaction using the $HI_x$ solution to improve its phase separation performance. With ultrasound irradiation, the amount of $H_2SO_4$ moved to the $H_2SO_4$ phase from the $HI_x$ phase increased by up to 58.0 mol% and the volume of $H_2SO_4$ phase also increased by up to 13.1 vol%. In particular, the effect of ultrasound irradiation on the phase separation was improved with decreasing operating temperature, $I_2$ and $H_2O$ feed concentrations. The ultrasound irradiation induces the formation of additional $H_2O$ molecules by shifting microscopically the reaction equilibrium in the $HI_x$ phase. Afterward, the additionally generated $H_2O$ and isolated $H_2SO_4$ molecules form more $H_2SO_4{\cdot}xH_2O$ (x = 5-6) clusters that can be moved to the $H_2SO_4$ phase.
For highly efficient operation of a Bunsen process section in an iodine-sulfur thermochemical hydrogen production cycle using nuclear heat, the process characteristics of $H_2SO_4-HI-H_2-O-I_2$ mixture system for separating into two liquid phases ($H_2SO_4$-rich phase and $HI_x$-rich phase) and the distribution of $H_2O$ to each phase were investigated.The experiments for process variables were carried out in the temperature range, from 298 to 353 K, and in the $H_2SO_4/HI/H_2O/I_2$ molar ratio of 1/2/14~20/0.5~8.0. As the results, for the $SO_2-I_2-H_2O$ Bunsen reaction system, the ranges between the starting point and the saturation point for two liquid phases separation were determined by calculation. The best result for the minimization of impurities (HI and $I_2$ in $H_2SO_4$ phase and $H_2SO_4$ in $HI_x$ phase) in each phase was obtained in an optimum condition with the highest temperature of 353 K and the highest $I_2$ molar composition. In this condition, the $HI/H_2SO_4$ molar ratio in the $H_2SO_4$-rich phase and the $H_2SO_4/HI_x$ molar ratio in the $HI_x$-rich phase were 0.024 and 0.028, respectively. For the distribution of $H_2O$ to each phase, it is appeared that the affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was more superior to that between $H_2SO_4$ and $H_2O$. The affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was decreased with increasing temperature but increased with increasing $I_2$ molar composition.
The objective of this work was to study the properties of purification of two liquid phase for exclusion of impurities in each phase. The experiments for process variables were carried out in the temperature range($H_{2}SO_{4}$ phase: $413{\sim}513$ K, $HI_{x}$ phase: $353{\sim}453$ K) and in the $N_{2}$ flow rate range($H_{2}SO_{4}$, $HI_{x}$ phase: $50{\sim}200$ mL/min). As the results, it is appeared that the principles of $H_{2}SO_{4}$ phase purification was due to stripping, evaporation and reverse bunsen reaction and $HI_{x}$ phase purification was due to stripping and reverse bunsen reaction. In purification of $H_{2}SO_{4}$ phase, the concentration rate of $H_{2}SO_{4}$ phase was controled by temperature but the temperature had few effects on yield of $H_{2}SO_{4}$. In purification of $HI_{x}$ phase, we observed products of side reactions($H_{2}S$, S) over 433 K. The purity of $HI_{x}$ phase was increased with increasing $N_{2}$ flow rate because impurites were decreased with increasing conversion of reverse reaction.
The two important problems to solve before the industrialization of the iodine-sulfur (IS) process are (i) methods to separate $H_2SO_4$ and HI and (ii) to maintain constant components. However undesired reaction was occurred and $H_2S$ and S were formed during the Bunsen reaction. It is necessary to forbid the undesired reaction between $H_2SO_4$ and HI by separating the two acids into two different layers. The experimental conditions for the present study was chosen in such a way that to achieve the separation between the two acids and minimize the side reaction. $H_2S$ formation was reduced and the separations of the two liquids were occurred at $H_2O$ molar fraction from 0.86 to 0.909. But the separations between the two liquids were not occurred at $H_2O$ molar fraction more than 0.92.
The sulfur-iodine (SI) thermochemical water splitting cycle is one of promising hydrogen production methods from water using high-temperature heat generated from a high temperature gas-cooled nuclear reactor (HTGR). The SI cycle consists of three main units, such as Bunsen reaction, HI decomposition, and $H_2SO_4$ decomposition. The feasibility of continuous operation of a series of subunits for $H_2SO_4$ decomposition was investigated with a bench-scale facility working at ambient pressure. It showed stable and reproducible $H_2SO_4$ decomposition by steadily producing $SO_2$ and $O_2$ corresponding to a capacity of 1 mol/h $H_2$ for 24 hrs.
The Measurement of concentration patterns for $C_2$, CH and OH radicals in the premixed propane-air flame could be managed through an image processing technique. This technique was applied to the three kinds of flames on a bunsen burner-mixtures of fuel to be lean, optimum and excessive respectively. The image processing system was complished by treating single wavelength flame images around the eac radical luminescence band, which was obtained by using a set of narrow band pass filters, an image intensifier, CCD and PC. It was possible to observe and predict the reaction zone and the concentration distribution of the radicals, Spatial distribution of each radicals in the raaction zone gave us enough informations to analyze the reaction mechanisms in $C_mH_n$ combustion process. According to this informations, the image of $C_2$ radical exists at front zone, following the images of CH and OH radicals at downstream.
Sulfur-Iodine (SI) cycle, which thermochemically splits water to hydrogen and oxygen through three stages of Bunsen reaction, HI decomposition, and $H_2SO_4$ decomposition, seems a promising process to produce hydrogen massively. Among them, the decomposition of $H_2SO_4$ ($H_2SO_4=H_2O+SO_2+1/2O_2$) requires high temperature heat over $800^{\circ}C$ such as the heat from concentrated solar energy or a very high temperature gas-cooled nuclear reactor. Because of harsh reaction conditions of high temperature and pressure with extremely corrosive reactants and products, there have been scarce and limited number of data reported on the pressurized $H_2SO_4$ decomposition. This work focuses whether the $H_2SO_4$ decomposition can occur at high pressure in a noble-metal reactor, which possibly resists corrosive acidic chemicals and possesses catalytic activity for the reaction. Decomposition reactions were conducted in a Pt-lined tubular reactor without any other catalytic species at conditions of $800^{\circ}C$ to $900^{\circ}C$ and 0 bar (ambient pressure) to 10 bar with 95 wt% $H_2SO_4$. The Pt-lined reactor was found to endure the corrosive pressurized condition, and its inner surface successfully carried out a catalytic role in decomposing $H_2SO_4$ to $SO_2$ and $O_2$. This preliminary result has proposed the availability of noble metal-lined reactors for the high temperature, high pressure sulfuric acid decomposition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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