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SiCブロック製硫酸分解器の熱構造シミュレーション

Thermomechanical simulation of SiC-block-made sulfuric acid decomposer

石倉 修一; 寺田 敦彦; 野口 弘喜; 笠原 清司; 小貫 薫; 日野 竜太郎

Ishikura, Shuichi; Terada, Atsuhiko; Noguchi, Hiroki; Kasahara, Seiji; Onuki, Kaoru; Hino, Ryutaro

熱化学水素製造法、ISプロセスの主要機器の一つである硫酸分解器は500$$^{circ}$$C以上の高温ヘリウムの顕熱により濃硫酸(H$$_{2}$$SO$$_{4}$$)を蒸発させ、さらに硫酸蒸気をH$$_{2}$$OとSO$$_{3}$$に分解する。硫酸分解器の腐食環境に耐える熱交換器として、われわれが提案した耐腐食性に優れた炭化珪素系セラミックス(SiC)をブロック状にした新型熱交換器の構造成立性評価の一環として、濃硫酸のような2成分溶液の沸騰において濃度上昇に伴う沸点上昇を考慮できる硫酸とヘリウムの熱交換解析コードを構築した。セラミックブロック熱交換器をFEMによる汎用構造解析コードにより3次元モデル化し、熱交換解析で得られた硫酸とヘリウムの温度分布を入力にして温度分布解析と熱応力解析を実施した結果、最大主応力はドライアウト部近傍に発生し、その値はSiCの引張り強度の約1/2であった。

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has been conducting R&D on hydrogen production by the thermo-chemical Iodine-Sulfur (IS) process to meet massive hydrogen demand in future hydrogen economy. In the IS process, sulfuric acid (H$$_{2}$$SO$$_{4}$$) is evaporated and decomposed into H$$_{2}$$O and SO$$_{3}$$ in a H$$_{2}$$SO$$_{4}$$ decomposer operated under high temperature condition up to 500$$^{circ}$$C. We have proposed a new decomposer concept of a block type heat exchanger made of SiC ceramic which has a salient corrosion resistant performance under severe corrosion condition. To verify mechanical feasibility of the concept, temperature distributions of sulfuric acid and helium gas were analyzed with newly coded analytical system applicable to binary mixture such as H$$_{2}$$SO$$_{4}$$ whose boiling point depends on concentration. Thermo-mechanical simulations with a general-purpose FEM code, which used the heat exchange simulation results, showed that maximum stress generated around the dryout region, which was about half of allowable tensile stress of SiC.

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