초록 ▼

PRO-II ver.8를 활용하여 황산분해공정(half-cycle) 에너지 해석 및 PFD 작성하였으며 단위공정 운전조건에 따른 필요 에너지해석을 하였다. 황산농축은 가능한 낮은 압력에서 진행하는 것이 소모에너지 및 재질이 견디는 온도 측면에서 유리함을 확인하였다. Lab scale (200 L-H₂/h) 황산분해공정에 대한 P&ID를 작성하였다.
Lab-scale (200 L-H2/h)의 가압황산분해반응시스템을 구현하기 위한 SiC기반의 황산분해반응시스템을 설계 및 제작하여 실증시험을 수행하였다. 먼저 5

PRO-II ver.8를 활용하여 황산분해공정(half-cycle) 에너지 해석 및 PFD 작성하였으며 단위공정 운전조건에 따른 필요 에너지해석을 하였다. 황산농축은 가능한 낮은 압력에서 진행하는 것이 소모에너지 및 재질이 견디는 온도 측면에서 유리함을 확인하였다. Lab scale (200 L-H₂/h) 황산분해공정에 대한 P&ID를 작성하였다.
Lab-scale (200 L-H2/h)의 가압황산분해반응시스템을 구현하기 위한 SiC기반의 황산분해반응시스템을 설계 및 제작하여 실증시험을 수행하였다. 먼저 50L-H2/h 규모의 황산분해시스템을 설계하고 실증시험을 수행하고 Lab-scale (200 L_H2/h)의 황산분해시스템을 설계 및 제작하여 실증시스템을 실증하였다. 200 L-H2/h의 생산실증을 위해 4개의 mini-bundle형 황산분해반응시스템을 구성하여 제작하였다. 5기압의 반응조건에서 4개의 mini-bundle형의 반응시스템을 구축하여 내부의 온도를 측정하여 반응을 수행하였다. 5기압의 반응조건에서 반응기내부의 온도를 870°C로 유지하는 경우 GHSV 약 5400 mL/gcat.h의 조건에서 280 L-H₂/h 규모의 성능을 나타내었다. SiC가 담체로서의 역할을 하기 위해서는 고 비표면적을 갖도록 제조되어야 하므로 알루미나에 SiC를 코팅하는 방법 및 다공성 SiC를 제조하는 방법을 개발하였다. SiC를 알루미나에 코팅하는 기술 또는 다공성 SiC를 제조하는 기술은 공히 비표면적이 100 m²/g이상의 높은 비표면적을 나타내었으며 다공성 SiC 담체의 경우가 보다 높은 비표면(200m²/g이상) 을 나타내었다. 200 L/h H₂ 이상의 제조 규모에 적합하도록 공급되는 ~60 wt% H₂SO₄ 용액은 reflux ratio가 약 0.5, reboiler, condenser를 포함한 증류단수가 5이면 95 wt% 이상의 농도로 농축시킬 수 있음을 확인하였다.

(출처 : 보고서 요약서 4p)

Abstract ▼

IV. Results and Discussions

Sulfuric acid decomposition system includes the development of catalysts, the design and manufacture of a reactor, and the evaluation of a reaction system for sulfuric acid decomposition. The sulfuric acid decomposer is a reactor to decompose the gaseous sulfuric a

IV. Results and Discussions

Sulfuric acid decomposition system includes the development of catalysts, the design and manufacture of a reactor, and the evaluation of a reaction system for sulfuric acid decomposition. The sulfuric acid decomposer is a reactor to decompose the gaseous sulfuric acid into sulfur trioxide.

The sulfuric acid decomposition process of lab-scale (~200 L-H₂/h) was designed and manufactured to produce SO₂ and O₂ from sulfuric acid effluents of a Bunsen reactor.
The P&ED was drawn for the basic reaction data of a sulfuric acid concentration and a sulfuric acid decomposition reaction. Additionally, SiC based heat exchange system has been manufactured and tested for the pilot system. At this moment, U value was evaluated to be about 100 W/℃/m² which should be enhanced.

The reaction system comprises an evaporator, a sulfuric acid decomposer, a SO₃ decomposer, and a G-L separator. The evaporator is a component to evaporate the concentrated sulfuric acid transported from the sulfuric acid concentrator and to introduce the gasified sulfuric acid into the sulfuric acid decomposer. Following the plan, the evaporator and G-L separator were prepared by the conventional metal materials such as SUS 316 and Inconel. The corrosion of those kinds of materials were more severe that we expected. Finally, glass-lined vessel and tubes were chosen for the evaporator and the G-L separator. The G-L separator should be operated in the temperature of about 120℃ to avoid the dissolution of SO₂ in sulfuric acid condensed in a flash vessel after the reactor.

The decomposer may be performed without the catalysts. The SO₃ decomposer is a reactor to decompose the sulfur trioxide into sulfur dioxide and oxygen. The decomposer requires catalysts. Cu-Fe based catalysts was designed and tested to approach to the equilibrium conversion in the reaction temperature ranging from the inlet temperature of a sulfuric acid decomposer to the exit temperature of a SO₃ decomposer as well as the conversion of sulfuric acid to SO₃ during the reaction operation. Cu-Fe based catalysts showed high activity at the temperature above 800 ℃, but Pt based catalysts had the activity better than Cu-Fe based catalysts at the temperature lower than 800 ℃. Mesoporous Pt-BaSO₄ with high surface areas was prepared and tested for the SO₃ decomposition, resulted in the high activity. However, the catalysts showed the severe deactivation for the sulfuric acid decomposition, which was supposed that the catalysts could be severely deactivated under the water stream.

SiC based catalytic system has been developed to overcome the drawback of the deactivation of the metal oxide catalytic systems at the temperature lower than 800℃. The preparation method of porous SiC support was developed and tested for sulfuric acid decomposition, which was stable in the tested temperature ranges from 650℃ to 850℃.
The kinetic data of sulfuric acid decomposition were obtained up to 20 atm. The conversion and yield decreased with an increase in the pressure with the same size reactor. It could be supposed to be due to both the thermodynamic and the kinetic limitation. It was observed that the sulfuric acid decomposition rates were inversely dependent on the partial pressure of water. That indicates that the sulfuric acid decomposition would be limited by the partial pressure increase of water. So, it can be concluded that the sulfuric acid concentration is the necessary units to increase the one-through conversion of the sulfuric acid decomposition.

A bayonet reactor system of SiC was developed for the sulfuric acid decomposition. One bayonet reactor system (O.D.: 3/4", length： 1.4m) could produce O₂ equivalent to ~50 L-H₂/h. production at 5 atm and 870℃. Accordingly, it was performed that four bayonet SiC reactor system with distributed connection part could also produce O₂ equivalent to ~200 L-H₂/h production at 5 atm and 870℃.

The SO₂ separation system includes the SO₂ absorption unit to separate SO₂ from SO₂/O₂ stream after the G-L separator. This system is designed to produce the high purity of SO₂ and O₂, where SO₂ is introduced into the Bunsen reactor, and O₂ is vented into the air or stored for other application.

The various ionic liquids were tested for the SO₂-O₂ separation and [Emim] ethyl sulfate was chosen as the good candidate for the separation process. It showed the linear dependency on the partial pressure of SO₂ up to 10 atm. The process were designed and fabricated to produce pure SO₂. The demonstration experiments showed that the high pure SO₂ (99.5 wt%) could be produced with the scale of 200 L/h H₂ production (SO₂ 58%).
It was confirmed that the sulfuric acid of about 95 wt% can be concentrated from ~60 wt% sulfuric acid aqueous solution at the reflux ratio of about 0.5 and 5 stages including a reboiler and a condenser. For the lab-scale design (~200 L-H₂/h), the required heat capacity should be higher than 0.5 ~0.9 kW and the column height and inner diameter were calculated to be 1.15m and 5-6 cm, respectively. The reboiler was manufactured with SiC and the column and condenser was manufactured with the glass-lined tubes.

(출처 : SUMMARY 13p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 4
• 요약문 ... 6
• SUMMARY ... 12
• CONTENTS ... 16
• 목차 ... 18
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 20
• 제1절 연구개발의 목적 ... 20
• 제2절 연구개발의 필요성 ... 20
• 1. 기술적 측면 ... 20
• 2. 경제·산업적 측면 ... 21
• 3. 사회·문화적 측면 ... 21
• 제3절 연구개발의 범위 ... 22
• 1. 황산분해반응시스템의 공정설계 및 분리공정의 시운전 ... 22
• 2. 고압 황산분해반응 시스템개발 ... 22
• 3. 황산분해반응 촉매의 개발 ... 23
• 4. 황산분해공정용 SO₂/O₂ 분리 흡수제의 개발 ... 23
• 5. 가압 황산분해 실시간 분석시스템 구축 ... 24
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 26
• 제1절 열화학싸이클을 이용한 수소제조기술개발 현황 ... 26
• 1. 수소제조 방법 ... 26
• 2. 열화학적 물분해 수소제조 방법 ... 27
• 제2절 국내의 연구개발 실적 ... 32
• 1. 상압 황산분해공정의 실증 ... 32
• 2. 황산분해촉매 및 황산분해 시스템의 개발 ... 32
• 3. 황산분해공정용 SO₂/O₂ 분리 흡수제의 개발 ... 32
• 4. 물-황산 시스템 VLE database 확립 ... 32
• 5. 가압 황산분해 실시간 분석시스템 구축 ... 33
• 6. 가압 황산분해 공정장치의 설계 ... 33
• 제3절 국외의 연구개발 실적 ... 33
• 제4절 국내기술의 취약성 ... 34
• 제5절 앞으로의 전망 ... 35
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 36
• 제1절 황산분해공정 Lab-scale skid의 설계 ... 36
• 1. 가압황산분해공정 개요 ... 36
• 2. 가압황산분해공정의 에너지 수지 ... 37
• 3. Skid-mount형 소형 가압황산분해공정 ... 49
• 4. SiC 열교환기설계 ... 55
• 5. 가압 황산분해의 실시간 분석시스템 구축 ... 64
• 제2절 황산분해반응시스템 개발 ... 77
• 1. 고압 황산분해반응 시험의 필요성 ... 77
• 2. 황산분해 평형전환율에 대한 압력영향 ... 77
• 3. 가압 황산분해반응기 소재 선정 ... 81
• 4. 금속반응기를 이용한 가압 황산분해반응 실험 ... 86
• 5. SiC 반응기를 이용한 가압 황산분해반응 실험 ... 98
• 6. Bayonet형 SiC 반응시스템 해석 ... 110
• 제3절 황산분해 촉매개발 ... 127
• 1. 금속산화물 복합촉매의 개발 ... 127
• 2. 다공성 SiC담지촉매의 개발 ... 154
• 제4절 SO₂/O₂ 흡수분리공정 설계 실증 ... 168
• 1. SO₂/O₂ 분리 개요 ... 168
• 2. 이온성 액체 개발 ... 169
• 3. SO₂/O₂ 흡수분리 공정개발 ... 215
• 4. 결론 ... 230
• 제5절 황산농축공정의 설계 및 실증 ... 233
• 1. 황산-물의 VLE 관계식 ... 233
• 2. 황산 농축공정 모사 ... 255
• 3. 황산 농축기 설계와 제작 ... 258
• 4. 황산농축공정 실증 ... 271
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 280
• 제1절 연구개발의 목표달성도 ... 280
• 제2절 관련분야에의 기여도 ... 284
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 286
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 288
• 제7장 참고문헌 ... 290
• 끝페이지 ... 293