Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с равномерной нагрузкой на площадь каталитического элемента



Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с равномерной нагрузкой на площадь каталитического элемента
Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с равномерной нагрузкой на площадь каталитического элемента
Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с равномерной нагрузкой на площадь каталитического элемента
Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с равномерной нагрузкой на площадь каталитического элемента

 


Владельцы патента RU 2499305:

Шепелин Владимир Андреевич (RU)
Кошманов Дмитрий Евгеньевич (RU)

Изобретение относится к области водородной безопасности и может быть использовано для удаления водорода в помещениях, в частности при утечках водорода на предприятиях химической индустрии, из установок с применением жидкого водорода, в хранилищах водородных баллонов, при захоронении ядерных отходов, при авариях на атомных электростанциях и др. Пассивный автокаталитический рекомбинатор (ПАР) водорода и кислорода содержит вертикально расположенный полый трубчатый корпус 1, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах 1.1 и 1.2 с окружающей средой, и помещенную в его нижней части по меньшей мере одну сборку каталитических элементов (СКЭ) 2,3 в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин 4. Каждая каталитическая пластина 1 СКЭ установлена внутри канала 5, образованного двумя канальными пластинами 4 из материала, каталитически не активного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, причем нижний торец каждой каталитической пластины 4 расположен внутри, а верхний - за пределами соответствующего канала 5. Все пластины 4,6 каждой последующей СКЭ 3 могут быть установлены над пластинами предыдущей СКЭ 2 с изменением ориентации на (45…90)°. Технический результат - предотвращение локального перегрева и возможного разрушения каталитических элементов при сохранении высокой каталитической активности рекомбинатора. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область использования

Изобретение относится к области водородной безопасности и может быть использовано для удаления водорода в помещениях, в частности при утечках водорода на предприятиях химической индустрии, из установок с применением водорода (например, из системы охлаждения генераторов электростанций), в хранилищах водородных баллонов, при захоронении ядерных отходов (где водород образуется в результате радиолиза воды и органических веществ), на испытательных стендах с применением водорода, в учебных лабораториях, при коррозии оборудования, при авариях на атомных электростанциях (АЭС) и др.

Уровень техники

Одним из основных методов обеспечения водородной безопасности на современных АЭС является метод, в основе которого лежит автокаталитическая реакция рекомбинация водорода и кислорода

H 2 + 1/2O 2 H 2 O(п ар) + 244 ,05 кДж

Устройство, в котором осуществляется реакция (1), - пассивный автокаталитический рекомбинатор (ПАР) представляет собой обычно вертикально расположенный металлический полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный своими торцами с окружающей средой и с установленными в его нижней части каталитическими элементами. В качестве катализатора используют обычно металлы платиновой группы, чаще саму платину, а в качестве механической основы - термо- и коррозионностойкие материалы. При контакте с водородом тепло экзотермической реакции (1) способствует появлению в корпусе ПАР восходящего конвективного потока. Процесс газообмена между окружающей средой и пространством в ПАР обеспечивает всасывание водород-воздушной смеси в ПАР и окисление водорода в результате указанной реакции. Таким образом, процесс связывания водорода протекает естественным путем, в так называемом пассивном режиме, то есть без необходимости энергопитания и управления извне. Вместе с тем современные ПАР пока не в полной мере удовлетворяют требованиям водородной безопасности. Модернизация ПАР для нужд АЭС осуществляется в направлении повышения производительности (скорости каталитического процесса), сокращения стартового периода включения ПАР в работу, снижения его стоимости (уменьшение закладки в катализатор драгоценных металлов), уменьшения тепловых нагрузок на катализатор, обеспечения надежности работы в экстремальных условиях аварий, повышения прочности катализатора и др. При этом наибольшую озабоченность вызывают саморазогрев катализатора при концентрациях водорода выше 6-8% об. и недостаточная для работы при высоких температурах прочность. «Перегретый» катализатор может быть источником мелких раскаленных фрагментов, отделяемых от катализатора, а также «блуждающих» катализаторных частиц, выносимых с газовым потоком из верхней части ПАР. Саморазогрев катализатора может превысить уровень воспламенения водорода (в области выше 500°C).

В попытках решить эти проблемы в последние 10-15 лет предлагались различные структуры катализатора и конструкции ПАР.

Известен ПАР, в котором для предотвращения выноса из него фрагментов катализатора и пламени под и над сборкой каталитических элементов (СКЭ) установлена сложная система фильтров-ловушек с множеством проходных отверстий размеров 0.1 мм (RU 2188471, G21C 19/317, 2001 - аналог). Кроме того, для снижения риска воспламенения водорода от раскаленного выхлопа в корпусе ПАР согласно данному аналогу установлено устройство для подмешивания внешней атмосферы и устройство турбулизации газов. Эти меры по увеличению безопасности ПАР приводят, однако, к существенному снижению его производительности.

Известен ПАР водорода и кислорода, содержащий вертикально расположенный полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой, и помещенную в его нижней части по меньшей мере одну СКЭ в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин (RU 2222060, G21C 9/06, 2004 - прототип). С целью устранения локального перегрева каталитических элементов при концентрациях водорода выше 8% об. нижняя часть каталитических пластин в этом ПАР закрыта пористым (дроссельным) слоем. Затруднение диффузионного потока водорода к нижней активной поверхности приводит к снижению реакционной и тепловой нагрузки, тогда как верхняя, каталитически активная, часть пластины остается доступной для газовых реагентов. Близкое к данному техническое решение приведено в другом патенте тех же авторов (RU 2232635, B01J 37/02, 2003 аналог). Здесь нижняя часть каталитической пластины закрыта защитным слоем из неорганического инертного материала с пористостью 0,1…1,0 см3/г толщиной менее 1 мм. Недостатком таких решений является многофазная структура каталитических элементов, - менее прочная по сравнению с однофазной, особенно с учетом существенного различия коэффициентов температурного расширения фаз при работе катализатора в широком интервале температур (20…700). Кроме того, экранирование части каталитической поверхности снижает скорость реакции рекомбинации и, как следствие, производительность ПАР.

Раскрытие изобретения

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является предотвращение локального перегрева и тем самым разрушения каталитических элементов при сохранении высокой каталитической активности ПАР в целом. Указанный технический результат обеспечивается тем, что в ПАР водорода и кислорода, содержащем вертикально расположенный полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой, и помещенную по высоте в его нижней части по меньшей мере одну СКЭ в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин, согласно изобретению каждая каталитическая пластина сборки установлена внутри канала, образованного двумя канальными пластинами из материала, каталитически не активного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, причем нижний торец каждой каталитической пластины расположен внутри, а верхний - за пределами соответствующего канала. При этом все пластины каждой последующей сборки могут быть установлены над пластинами предыдущей сборки с изменением ориентации на (45-90)°. Ширина просвета между канальными и каталитической пластинами с каждой стороны последней может составлять (10…30) мм. Канальная пластина может быть выполнена плоской или гофрированной, или сетчатой из термо- и коррозионно-стойкого материала, а канальные пластины в целом могут быть ориентированы под углом (5…70)° к вертикали. Каталитические пластины могут иметь высоту (50…150) мм, канальные - (30…130) мм, расстояние между нижними торцами канальных и каталитических элементов может составлять (10…50) мм, а между их верхними торцами - (10…100) мм.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками изобретения и указанным техническим результатом заключается в том, что каналы переносят часть всасываемого в ПАР водород-воздушного потока в зону площади каталитических пластин, более удаленной по направлению его движения. Тем самым снижается тепловая нагрузка экзотермической реакции на нижнюю часть каталитической пластины и подключаются ее более удаленные участки. Это перераспределение тепловой нагрузки приводит к более пологому профилю снижения концентрации водорода вдоль направления восходящего газового потока. С другой стороны, это позволяет выполнить структуру катализатора однофазной с основой из пористого металла, в порах которого введены антикоррозионная компонента и металл-катализатор. Однофазная структура катализатора, снижение локальной тепловой нагрузки на нижнюю часть каталитической пластины и более пологий профиль снижение концентрации водорода вдоль восходящего потока газа позволяют предотвратить разрушение катализатора и, вместе с тем, отказаться от усложнений каталитической структуры, уменьшающей производительность ПАР.

Краткое описание иллюстраций

На фиг.1 схематически изображен ПАР согласно изобретению в продольном разрезе; на фиг.2 - схема течения газовых потоков в СКЭ ПАР; на фиг.3 - зависимости удельной скорости рекомбинации водорода и кислорода при работе ПАР разной производительности; на фиг.4 - зависимость температуры катализатора ПАР от концентрации водорода в окружающем пространстве.

Подробное описание изобретения

ПАР водорода и кислорода содержит вертикально расположенный полый трубчатый корпус 1 с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах 1.1, 1.2 с окружающей средой (обычно, воздухом), и помещенную по высоте его нижней части по меньшей мере одну, в данном примере две СКЭ 2,3, каждая в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин 4. Согласно изобретению каждая каталитическая пластина 4 установлена внутри канала 5, образованного двумя канальными пластинами 6 из каталитически не активного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, а также термо- и коррозионностойкого материала, например, из нержавеющей стали. При этом нижний торец каждой каталитической пластины 4 расположен внутри, а верхний - за пределами соответствующего канала 5. Все каталитические и канальные пластины 4,6 каждой последующей сборки, в данном случае СКЭ 3, установлены над пластинами предыдущей сборки, в данном случае СКЭ 2, с изменением ориентации на (45…90)°. Ширина просвета b между канальными пластинами 6 и каталитической пластинами 4 с каждой стороны последней составляет (10…30) мм. Канальные пластины 6 могут быть выполнены плоскими, как на фиг.1, или гофрированными, или сетчатыми, а также ориентированными под углом (5…70)° к вертикали (последние три варианта не показаны). Каталитические пластины 4 имеют высоту hкат=(50…150) мм, канальные пластины 6 - высоту hкан=(30…130) мм, расстояние между нижними торцами канальных и каталитических элементов составляет Δhниж=(10…50) мм, а между их верхними торцами Δhверх=(10…100) мм.

Работа ПАР

С появлением в окружающей воздушной среде водорода на поверхностях каталитических пластин 4 начинается экзотермическая реакция рекомбинации водорода и кислорода, приводящая к саморазогреву этих пластин и появлению восходящего газового потока (фиг.2). Вследствие теплопередачи конвективным путем и через тепловое излучение саморазогрев каталитических пластин 4 приводит к разогреву и соседних канальных пластин 6. Между последними также возникает восходящий газовый поток, переносящий часть поступающей снизу газовой смеси к верхним частям каталитических пластин 4. Тем самым снижается термическая нагрузка на нижние части каталитических пластин и одновременно подключаются к функционированию их вышерасположенные поверхности. Расположение в корпусе 1 двух и более СКЭ (в данном примере двух - 2 и 3) существенно увеличивает производительность ПАР (фиг.3). Для более равномерной нагрузки на катализатор целесообразно на каждой вышерасположенной СКЭ (на фиг.1 - СКЭ 3) ориентировать пластины под углом (45…90)° в отношении пластин предыдущей СКЭ (на фиг.1- СКЭ 2). Эффективность канальной сборки зависит от взаимного расположения каталитических и канальных пластин: расстояний между пластинами, высот канальных и каталитических пластин, а также от количества каталитических сборок, расположенных одна над другой.

Для оценки каталитической активности катализатора ПАР согласно изобретению снимали зависимости (фиг.3) удельной скорости рекомбинации водорода 1кат (скорости рекомбинации водорода в расчете на единицу площади сечения S входящего в ПАР газового потока) от стационарной концентрации водорода С в двух ПАР, отличающихся объемом катализатора (а следовательно и размерами СКЭ) примерно в 3 раза в относительно маломасштабном ПАР высотой 350 мм и проходным сечением (90×50) мм и в ПАР высотой 700 мм и проходным сечением (70×100) мм. В обоих экспериментах в нижней части ПАР размещались одна над другой три СКЭ. Испытание первого ПАР с сечением (90×50) мм проводили в климатической камере объемом 86 литров, а второго с сечением (90×50) мм - в камере объемом 555 литров. Через пространство камер осуществлялся проток воздуха с водородом при постоянной скорости воздушного потока (43 и 100 л/мин, соответственно) с разным содержанием водорода. Температуру в камерах поддерживали при (25…30)°С. Ступенчато меняя концентрацию водорода в подаваемом в камеру газовом потоке, каждый раз регистрировали установившуюся в испытательной камере стационарную концентрацию водорода С, а также (с помощью термопар) температуру катализатора. Из величин входящих потоков воздуха (Jвозд) и водорода (Jвод) находили параметр iкат по формуле:

i кат = J вод J возд /{(100/C) 1} [1 0 ,5/{(100/C) 1}]S

На фиг.4 приведены соответствующие зависимости температуры катализатора (Т) от стационарной концентрации водорода в камере. Длительная (многочасовая) работа канальных сборок в интервале C до 15% об. и температур катализатора до (600…700)°C не приводила к воспламенению водорода в испытательной камере. При этом каталитические пластины и после многократного тестирования в указанных условиях сохраняли каталитическую активность и практически не изменяли своего внешнего вида и массы. Из этого можно сделать вывод, что удельная скорость каталитического процесса для канальной структуры СКЭ согласно изобретению практически не зависит от размера и производительности ПАР. По соображениям безопасной работы с большими объемами водорода снятие зависимости iкат - С для второго ПАР были ограничены С=10% об.

1. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода, содержащий вертикально расположенный полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой и помещенную в его нижней части по меньшей мере одну сборку каталитических элементов в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин, отличающийся тем, что каждая каталитическая пластина сборки установлена внутри канала, образованного двумя канальными пластинами из материала, каталитически не активного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, причем нижний торец каждой каталитической пластины расположен внутри, а верхний - за пределами соответствующего канала.

2. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что все пластины каждой последующей сборки установлены над пластинами предыдущей сборки с изменением ориентации на 45 - 90°.

3. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что ширина просвета между канальными и каталитической пластинами с каждой стороны последней составляет 10 - 30 мм.

4. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что канальная пластина выполнена плоской, или гофрированной, или сетчатой из термо- и коррозионно-стойкого материала.

5. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что канальные пластины ориентированы под углом 5 - 70° к вертикали.

6. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что каталитические пластины имеют высоту 50 - 150 мм, канальные - 30 - 130 мм, расстояние между нижними торцами канальных и каталитических элементов составляет 10 - 50 мм, а между их верхними торцами - 10 - 100 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системе аварийной защиты для ядерной установки, содержащей множество каталитических рекомбинаторных элементов, которые при увлекаемом приходящим газовым потоком водороде инициируют реакцию рекомбинации с кислородом.

Изобретение относится к катализаторам для рекомбинации водорода и кислорода. .

Изобретение относится к катализаторам для рекомбинации водорода и кислорода. .

Изобретение относится к области водородной безопасности и может быть использовано для предотвращения скопления пожаро- и взрывоопасного водорода в помещениях. .

Изобретение относится к рекомбинаторному элементу, в частности, для использования в системе безопасности для ядерно-технической установки. .

Изобретение относится к области обеспечения пожаровзрывобезопасности газовых сред, в частности к методам снижения пожаровзрывоопасности газовых сред, образующихся при деструкции органических конструкционных материалов в герметичных объемах в условиях пожара.

Изобретение относится к изготовлению катализаторов и может быть использовано для рекомбинации водорода в реакторных цехах атомных электростанций (АЭС) и на других предприятиях.

Изобретение относится к устройствам удаления водорода из герметичных помещений атомных электростанций. .

Изобретение относится к области обеспечения безопасности атомных электростанций. .

Изобретение относится к способам сооружения атомных электростанций. Машинное отделение располагают на поверхности земли. Ядерный реактор опускают под землю в изолированный железобетонный вертикальный ствол шахты. Внутри ствола шахты устанавливают перегрузочный кран. Закрывают ствол шахты предохранительной плитой с выходящей газоотводной трубой, обеспечивающей выход скопившихся газов внутри ствола. Строят коммуникационный изолированный коридор для подвода коммуникационных сетей, соединяющих ядерный реактор и машинное отделение станции. Технический результат - снижение риска выброса радиоактивных элементов в атмосферу и заражения окружающей среды. 1 ил.

Заявленное изобретение относится к устройству для обеспечения водородной безопасности и может быть использовано для предотвращения скопления пожаро- и взрывоопасного водорода в помещениях, в частности, при утечках водорода, например, из системы охлаждения генераторов электростанций, в хранилищах водорода, при хранении ядерных отходов, при высокотемпературных коррозионных процессах, при авариях на атомных электростанциях и других промышленных объектах. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода содержит центральный вертикальный стволовой короб (1) с присоединенными к нему боковыми рукавами (2), в каждом из которых помещена по меньшей мере одна сборка каталитических элементов (3). В заявленном устройстве каждый боковой рукав (2) выполнен с открытыми торцами (2.1), (2.2) и параллельными продольными стенками, замкнутыми по всему периметру поперечного сечения рукава (2). При этом каждая сборка каталитических элементов (3) расположена в боковом рукаве (2) симметрично по отношению к его верхней и нижней продольным стенкам соответственно (2.3) и (2.4). Боковые рукава расположены наклонно, под углом α=(20-80)°, к стволовому коробу (1). Техническим результатом является увеличение удельной производительности рекомбинатора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к средствам обеспечения безопасной работы теплообменных контуров ядерных реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. Устройство для выведения водорода из бескислородных газовых сред включает корпус 1, размещенную внутри него реакционную камеру 3, охватывающую распределительный трубопровод 2 и имеющую по меньшей мере одну перфорированную секцию 4, заполненную гранулами 5 из кислородсодержащего материала, трубопровод 7 подачи бескислородной газовой среды, содержащей водород, в реакционную камеру и трубопровод 8 подачи кислородсодержащей газовой среды в корпус для восстановления окислительных свойств кислородсодержащего материала, подсоединенные к входному патрубку 2, выходной трубопровод 9 для отвода обработанной газовой среды из реакционной камеры и систему переключения режимов работы, содержащую три запорных вентиля: первый 10 из которых установлен в трубопроводе 7 подачи водородсодержащей бескислородной газовой среды, второй 11 - в трубопроводе 8 подачи кислородсодержащей газовой среды и третий 12 - в выходном трубопроводе 9. Изобретение позволяет повысить эффективность удаления газообразного водорода из бескислородной водородсодержащей газовой среды в ядерных реакторах с жидкометаллическим теплоносителем. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу и устройству обработки газообразного водорода, выделяющегося при растворении металла кислотой или щелочью. Способ включает подачу выделяющегося газообразного водорода через реактор, содержащий окислитель для окисления газообразного водорода в воду, а затем восстановление окислителя. При этом окислитель разбавлен инертным разбавителем. Устройство содержит реактор с окислителем, при этом реактор по меньшей мере частично погружен в ванну с окисью алюминия. Обеспечивается снижение расходов и продление срока использования окислителя. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх