We performed an experimental study on the HI concentration and decomposition in Iodine-Sulfur process for thermochemical hydrogen production, which is the most expensive and energy consuming stage. For breaking azeotropic restrain, a partial condensing type, perforated plate type, and packed bed distillation column are employed. A Liebig-type condenser was used for a partial condensing distillation test. The perforated plate distillation column has 40 mm diameter and 5 stages with 8 holes per a plate. The packed bed distillation column has 40 mm diameter and was filled with 5 mm glass beads. While no distillation methods are able to change azeotropic conditions at atmospheric pressure, HI decomposition took place in a reboiler at 480℃.
The vapor-liquid equilibrium curve was obtained from the experiment with binary mixtures $(HI/H_2O)$ at atmospheric pressure. Almost pure $H_2O$ was evaporated at the lower temperature than 125℃, and above that temperature binary mixtures $(HI/H_2O)$ were evaporated until the leftover solution became HI acid of 0.157mol, which was an azeotropic concentration of HI. With a consideration of heat loss, enthalpy of vaporization at azeotropic condition was estimated as 1131 kJ/kg.
본 연구는 요오드-황 공정에서 요오드화 수소(HI)의 분해 공정을 실험적으로 검증하고, 실험에 사용된 HI의 물성치를 구하였다. 요오드-황을 이용한 열화학적 수소 생산 공정은 열만 공급하면 물로부터 수소를 생산할 수 있어 원자로와 결합하는데 있어서 가장 유망하다. 요오드-황 공정은 크게 분젠, 황산 분해, 그리고 요오드화 수소 분해 세 공정으로 나누어진다. 그 중 HI를 분해하는 공정은 에너지를 많이 소모하여 효율이 낮고 물성치에 대한 데이터가 부족하다. HI 분해 공정은 두 가지 공정으로 나누어 진다. 하나는 요오드화 수소산 $(HI/H_2O/I_2)$ 에서 순수한 HI를 분리하는 농축 공정이고, 하나는 HI를 요오드와 수소로 분해하는 공정이다. HI와 물은 공비 혼합물을 만들기 때문에 단순한 증류법으로는 0.1573 몰 이상의 순수한 HI를 얻을 수 없다.
본 연구는 순수한 요오드화 수소를 더 많이 얻기 위해 부분 응축 증류, 다공막 증류, 그리고 충진식 증류를 사용하였다. 이 방법은 가스상태의 고비점 물질과 액체 상태의 저비점 물질이 서로 반응함으로 보다 더 많은 저비점 물질을 증류해 내는 맥케이브-씨앨 방식을 도입하였다. 효율이 더 높은 위 방법을 통해 HI 농축의 타당성을 검증해 보았다. 실험 결과 공비점에 이른 HI 용액은 농도의 변화를 보이지 않고 0.1573 몰분율을 유지했다. 저 농도의 HI 용액의 경우 물이 증류 되었고, 증류되고 남은 용액은 공비점 몰분율로 돌아갔다. 260 와트 480 ℃ 의 히터로 가열하여 HI의 분해가 발생하였고, 이 때 생성된 요오드는 충진식 증류에 의해 가장 잘 분리되었다.
실험을 통하여 공비점 이하의 HI에 대한 기-액 평형 곡선을 구하였고, 총열전달계수를 구함으로 엔탈피가 계산되었다.
