The goal of this study is to analyze the performance of the sulfur cycle for nuclear-hydrogen production. Among the whole steps of the Westinghouse sulfur cycle, this study focused on the 2 steps, “Vaporization” and “Decomposition” processes which are coupled with the nuclear reactor, VHTR (Very High Temperature Reactor).
In the present study, the main focus has been on the decomposition rate and correlation functions about VLE data. After reproduction of the previous study, we proposed the modified and developed correlation functions. Based on those correlations, we established the system analyzing code - Gamma S - by Matlab. In decomposition process, the range of temperature was about 850 - 1100℃. Pressure range was from 1 bar to 90bar. In vaporization process, the ranges of temperature and pressure are 0-350℃, 1-90bar, respectively.
The suggested correlation functions are derived from the inverse first order partial pressure equation. So they contained the physical meaning, furthermore the relative deviation errors were reduced than previous correlation. And in case of decomposition model, we combined the equilibrium and transient conversion concepts. So the combined conversion yield concept corresponded with experiment.
Conclusively, this present study recommends the following model and correlation functions.
1. Vaporization
a) Boiling temperature: $\dfrac{1}{T_{boil}}=C+D\cdot(log_{10}P_{tot})$
b) Partial pressure : $log_{10}P_i=A_i+\dfrac{B_i}{T}$
2. Decomposition
a) Combined conversion concepts : $X=X_e(1-\exp(-k\cdot t))$
b) Catalysts beds packed effect : $\dfrac{dP}{L_{Decom}}=\dfrac{150\mu(1-\varepsilon)^2V_s}{\varepsilon^3{D_p}^{2}}+\dfrac{1.75\rho(1-\varepsilon){V_s}^{2}}{{\varepsilon}^3D_p}$
본 연구의 목적은 원자력을 이용한 수소생산을 위한 황산 사이클의 성능 분석이다. 이를 위해 웨스팅하우스 황산 사이클의 공정 중 초고온가스냉각로 (VHTR)과 열 교환을 하는 부분인 "황산 농축"과 "황산 분해" 공정에 초점을 맞추어 연구하였다. 통한 CFD 해석을 수행하여 감압의 정도를 실험과 비교해보았다.
본 연구는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 하나는 황산분해에 관련된 식에 대한 모델링 및 황산 농축에 관련된 VLE DATA를 예측할 수 있는 상관식을 세우는 것이다. 다른 하나는 앞에서 세운 식들을 바탕으로 황산 사이클 성능 분석을 위한 코드(GAMMA-S)를 MATLAB을 이용하여 만드는 것이다.
이를 위해 기존의 선행연구의 식을 개선하여 오차를 줄이면서 동시에 물리적인 의미에 부합하는 모델링 및 상관식을 제안하였다. 본 연구는 모두 작동압력의 범위는 1-90BAR, 작동온도의 경우 "황산 농축"은 0-350℃, "황산 분해"는 850-1100℃에 이루는 영역을 다룬다.
마지막으로 추후 수행되어야 할 연구과제를 정리해 보면 다음과 같다. 본 연구는 90BAR의 VHTR과 열 교환하는 황산 농축 및 분해 반응을 감압된 조건에서 운전할 때, 어떠한 방법으로 감압을 해야 하는지에 대해서 논의 하지 않았다. 만약 향후 이에 대한 연구가 수행되면 본 연구에서 제시한 상관식과 개발한 GAMMA-S 코드를 바탕으로 최적화된 운전 조건을 제시할 수 있을 것이다.
