Серно-йодный цикл (Vyjuk-wk;udw entl)

Серно-йодный цикл (цикл S–I) — трехступенчатый термохимический цикл, используемый для производства водорода.

Цикл S–I состоит из трех химических реакций, чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами — водород и кислород. Все остальные химические вещества могут повторно использоваться в цикле. Процесс S – I требует эффективного источника тепла.

Описание процесса

		H₂O				½O ₂
		↓				↑
I₂	→	Реакция 1	←	SO₂ + H₂O	←	Отделение
↑		↓				↑
2HI	←	Отделение	→	H₂SO₄	→	Реакция 2
↓
H₂

Три реакции, которые производят водород, следующие:

I₂ + SO₂ + 2H₂O + нагрев до 120 °C → 2 HI + H₂SO₄ — Реакция Бунзена.
- Затем HI отделяют дистилляцией или гравитационным разделением жидкость/жидкость.
2 H₂SO₄ + нагрев до 830 °C → 2 SO₂ + 2 H₂O + O₂.
- Воду, SO₂ и остаточную H₂SO₄ необходимо отделить от кислорода путем конденсации.
2 HI + нагрев до 450 °C → I₂ + H₂.
- Йод и любая сопутствующая вода или SO₂ отделяются путем конденсации, а водород остается в виде газа.

Чистая реакция: 2 H ₂ O → 2 H ₂ + O ₂

Соединения серы и йода восстанавливаются и повторно используются, поэтому процесс рассматривается как цикл. Этот процесс S–I представляет собой химический тепловой двигатель. Тепло входит в цикл в высокотемпературных эндотермических химических реакциях 2 и 3, а выходит из цикла в низкотемпературной экзотермической реакции 1. Разница между теплотой, входящей в цикл и выходящей из него, выходит из цикла в виде теплоты сгорания произведенного водорода.

Характеристики

Преимущества:

Все вещества (жидкости, газы) повторно используются, поэтому хорошо подходят для непрерывной работы;
Высокий коэффициент использования тепла (около 50%)
Полностью закрытая система без побочных продуктов (кроме водорода и кислорода);
Подходит для использования с солнечными, ядерными и гибридными источниками тепла;
Технически более отработанный процесс, чем конкурирующие термохимические процессы.

Недостатки:

Требуются очень высокие температуры (минимум 850 °C);
Коррозионные реагенты, используемые в качестве посредников (йод, диоксид серы, иодоводородная кислота, серная кислота); следовательно, для изготовления технологического оборудования необходимы коррозионно-стойкие материалы.
Требуется значительная доработка, чтобы наладить производство в больших масштабах.

Исследования

Цикл S–I был изобретен в General Atomics в 1970-х годах^[1]. Японское агентство по атомной энергии (JAEA) провело успешные эксперименты с циклом S–I в высокотемпературном испытательном реакторе^[2]^[3]^[4]^[5], запушенном 1998 году, JAEA имеет намерение использовать новые ядерные высокотемпературные реакторы поколения IV для производства водорода в промышленных масштабах. Планируется испытать более крупномасштабные автоматизированные системы для производства водорода. В соответствии с соглашением Международной инициативы по исследованиям в области ядерной энергии (INERI), французская CEA, General Atomics и Sandia National Laboratories совместно разрабатывают серно-йодный процесс. Дополнительные исследования проводятся в Национальной лаборатории Айдахо в Канаде, Корее и Италии.

Требования к материалам

Цикл S–I включает операции с агрессивными химикатами при температурах до 1000 °C. Выбор материалов с достаточной коррозионной стойкостью имеет ключевое значение для экономической жизнеспособности этого процесса. Предлагаемые материалы включают следующие классы: тугоплавкие металлы, химически активные металлы, суперсплавы, керамика, полимеры и покрытия^[6]^[7]. Некоторые предлагаемые материалы включают сплавы тантала и ниобия, благородные металлы, стали с высоким содержанием кремния, несколько суперсплавов на основе никеля, муллит, карбид кремния (SiC), стекло, нитрид кремния (Si₃N₄) и другие. Недавние исследования масштабного прототипирования показывают, что новые технологии танталовых поверхностей могут быть технически и экономически целесообразным способом создания крупномасштабных установок^[8].

Водородная экономика

Серно-йодный цикл был предложен как способ поставки водорода для водородной экономики. Он не требует углеводородов, как современные методы паровой конверсии, но требует тепла от сгорания топлива, ядерных реакций или от солнечной энергии.

См. также

Примечания

↑ Besenbruch, G. 1982. General Atomic sulfur iodine thermochemical water-splitting process. Proceedings of the American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53.
↑ HTTR High Temperature engineering Test Reactor (неопр.). Httr.jaea.go.jp. Дата обращения: 23 января 2014. Архивировано из оригинала 3 февраля 2014 года.
↑ https://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf Архивная копия от 21 декабря 2016 на Wayback Machine. Progress in Nuclear Energy Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. 2009
↑ Status report 101 - Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300C) (неопр.). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано 5 марта 2016 года.
↑ JAEA’S VHTR FOR HYDROGEN AND ELECTRICITY COGENERATION : GTHTR300C (неопр.). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано из оригинала 10 августа 2017 года.
↑ Paul Pickard, Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle 2005 DOE Hydrogen Program Review (неопр.). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано из оригинала 17 января 2009 года.
↑ Wonga, B. (2007). "Construction materials development in sulfur–iodine thermochemical water-splitting process for hydrogen production". International Journal of Hydrogen Energy. 32 (4): 497—504. doi:10.1016/j.ijhydene.2006.06.058.
↑ T. Drake, B. E. Russ, L. Brown, G. Besenbruch, "Tantalum Applications For Use In Scale Sulfur-Iodine Experiments", AIChE 2007 Fall Annual Meeting, 566a. (неопр.) Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано из оригинала 24 июля 2011 года.

Источники

Paul M. Mathias and Lloyd C. Brown "Thermodynamics of the Sulfur-Iodine Cycle for Thermochemical Hydrogen Production", presented at the 68 th Annual Meeting of the Society of Chemical Engineers, Japan 23 March 2003. (PDF).
Atsuhiko TERADA; Jin IWATSUKI, Shuichi ISHIKURA, Hiroki NOGUCHI, Shinji KUBO, Hiroyuki OKUDA, Seiji KASAHARA, Nobuyuki TANAKA, Hiroyuki OTA, Kaoru ONUKI and Ryutaro HINO, "Development of Hydrogen Production Technology by Thermochemical Water Splitting IS Process Pilot Test Plan", Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.44, No.3, p. 477–482 (2007). (PDF).

Внешние ссылки

Hydrogen: Our Future made with Nuclear (недоступная ссылка) (in MPR Profile issue 9)
Use of the modular helium reactor for hydrogen production (World Nuclear Association Symposium 2003)

[1] Besenbruch, G. 1982. General Atomic sulfur iodine thermochemical water-splitting process. Proceedings of the American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53.

[2] HTTR High Temperature engineering Test Reactor (неопр.). Httr.jaea.go.jp. Дата обращения: 23 января 2014. Архивировано из оригинала 3 февраля 2014 года.

[3] ttps://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf Архивная копия от 21 декабря 2016 на Wayback Machine. Progress in Nuclear Energy Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. 2009

[4] Status report 101 - Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300C) (неопр.). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано 5 марта 2016 года.

[5] JAEA’S VHTR FOR HYDROGEN AND ELECTRICITY COGENERATION : GTHTR300C (неопр.). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано из оригинала 10 августа 2017 года.

[6] Paul Pickard, Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle 2005 DOE Hydrogen Program Review (неопр.). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано из оригинала 17 января 2009 года.

[7] Wonga, B. (2007). "Construction materials development in sulfur–iodine thermochemical water-splitting process for hydrogen production". International Journal of Hydrogen Energy. 32 (4): 497—504. doi:10.1016/j.ijhydene.2006.06.058.

[8] T. Drake, B. E. Russ, L. Brown, G. Besenbruch, "Tantalum Applications For Use In Scale Sulfur-Iodine Experiments", AIChE 2007 Fall Annual Meeting, 566a. (неопр.) Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано из оригинала 24 июля 2011 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]