[논문]SI 수소생산 공정 Section 3 열교환기 설계

김기섭; 박병흥

doi:10.22710/jict.2017.7.1.019

SI 수소생산 공정 Section 3 열교환기 설계
Design of Heat Exchanger for Section 3 of SI Hydrogen Production Process 원문보기

김기섭 (한국교통대학교 화공신소재고분자공학부) , 박병흥 (한국교통대학교 화공신소재고분자공학부)

SI process is one of the most advanced thermochemical water splitting cycles enabling mass production of hydrogen without emitting carbon dioxide when coupled to nuclear heat energy. The highest temperature (close to $1000^{\circ}C$) required in SI process is well matched with the outlet temperature of a coolant circulating a high-temperature gas-cooled reactor at around $950^{\circ}C$. In Section 3, some heat exchangers are included to recover heats from process flows at high temperature. In this work, we designed a heat exchanger based on the $1Nm^3/hr$ $H_2$ production capacity using commercial tools for chemical process design.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 반응(3)의 HI 분해 공정인 Section 3에서 증류탑에 공급되는 흐름의 온도를 조절하는 열교환기 설계를 진행하였다. 이를 위해 상용 공정모사 코드인 ASPEN을 사용하여 증류탑과 열교환기 설계 자료를 도출하였다.

제안 방법

SI 수소 생산 공정의 Section 3 열교환기 설계를 위해 최종 단계에서 H₂ 1 Nm³ /hr 생산량을 기준으로 물질흐름도를 기준으로 계산을 수행하였다.
열교환기 계산을 위한 조건은 Fig. 2와 같이 설정되었으며 열전달계수(또는 경막계수, film coefficients) h_o와 h_i 값들을 입력하여 계산하였다.
본 연구에서는 반응(3)의 HI 분해 공정인 Section 3에서 증류탑에 공급되는 흐름의 온도를 조절하는 열교환기 설계를 진행하였다. 이를 위해 상용 공정모사 코드인 ASPEN을 사용하여 증류탑과 열교환기 설계 자료를 도출하였다.

이론/모형

관 내측의 열전달계수, h_i는 다음의 Colburn 방정식을 사용하여 구할 수 있다²⁾.

성능/효과

본 연구에서는 관의 개수를 변화시키며 이에 맞춰 질량유속을 변화시켰으며 최종적으로 결정된 조건에서 계산된 ho와 hi는 각각 2.18569과 12.6636 W/m2·K로 결정되었다.
열교환기에 대한 상세한 계산 결과는 Fig. 4에 표시 되었으며 전체적으로 12.29 m²의 열전달 면적이 필요하며 LMTD는 25.75 ^oC로 계산되었다.

후속연구

본 연구의 결과는 실제 파일럿 규모(~ 1 Nm³ /hr) 수소 생산 공정 개발에 있어 실제적인 공정 설계 및 단위 장비 구성 등에 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되며 Section 3 전체 또는 Section 1 ~ 3에 이르는 SI 공정 전반에 걸친 공정 모사에 사용될 수 있을 것이다. 이를 위해서는 Section 1과 Section 2에 대한 공정 유체의 물성 자료와 열역학 모델 반응 실험 결과 등이 필요하면 Section 3의 경우 EED와 HI 분해기와 같은 여타 단위공정에 대한 모델링이 진행되어야 할 것이다.
/hr) 수소 생산 공정 개발에 있어 실제적인 공정 설계 및 단위 장비 구성 등에 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되며 Section 3 전체 또는 Section 1 ~ 3에 이르는 SI 공정 전반에 걸친 공정 모사에 사용될 수 있을 것이다. 이를 위해서는 Section 1과 Section 2에 대한 공정 유체의 물성 자료와 열역학 모델 반응 실험 결과 등이 필요하면 Section 3의 경우 EED와 HI 분해기와 같은 여타 단위공정에 대한 모델링이 진행되어야 할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

SI(Sulfur-iodine) 공정은 어떤 과정으로 이루어지는가?

발열 과정인 식(1)의 반응은 물이 이산화황과 요오드와 반응하여 황산과 요오드산을 생성시키는 반응으로 Bunsen 반응으로 불리고 있다. 반응식(1)에 의해 물로부터 산소원자와 수소원자가 분리되고 이후 반응들인 식(2)와 (3)을 거쳐 각각 산소 기체와 수소 기체가 생성되는 과정으로 SI 공정은 구성되어 있다. 위 반응에 필요한 열에너지는 원자로의 일종인 고온 가스로로부터 공급받을 수 있기 때문에 일반적으로 SI 공정은 원자로 계통과 함께 연구된다.

수소를 에너지원으로 사용하기 위해 해야하는 방법은?

수소는 지구상 어디에나 존재하는 원소이다. 그러나 다른 원소들과 결합된 화합물로 존재하기 때문에 에너지원으로서 수소를 사용하기 위해서는 안정적인 화학결합으로 고정화된 수소를 분리 추출해야 하며 이 때 필수적으로 에너지가 소모된다. 결국, 수소는 일차에너지를 이용하여 생산되는 이차에너지원으로 에너지 전달체(energy carrier) 또는 에너지 저장체(energy storage medium)의 역할을 하게 된다.

수소에 대한 관심이 증가하고 있는 이유는?

현재까지 인류는 화석연료에 크게 의존하며 경제 성장을 이루어 왔으나 그 결과 배출되는 온실가스로 인한 기후 변화에 직면하고 있다. 이에 따라, 청정 에너지원으로서 수소에 대한 전 세계적인 관심은 지속 가능한 경제 성장을 위한 대체 에너지 확보를 목적으로 증가하고 있다.

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