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

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.

Изобретение относится к средствам предотвращения образования в помещениях взрывоопасных газовых смесей с участием водорода или метана, в частности в защитной оболочке реакторов атомных электростанций. В заявленном изобретении для введения в реакцию рекомбинации газовую смесь подводят к, по крайней мере, одному каталитическому телу. При этом в качестве каталитического тела используют топливный элемент, который помещают в канал с входной и выходной зонами таким образом, что анод топливного элемента расположен во входной зоне канала, а катод расположен в выходной зоне канала. Подвод газовой смеси к топливному элементу осуществляют при помощи компрессора, запитанного от топливных элементов. Техническим результатом является предотвращение образования в помещениях взрывоопасных газовых смесей с участием водорода или метана за счет повышения порога поджига смеси. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерным установкам, содержащим защитную оболочку и трубопровод сброса давления. Перед трубопроводом (10) сброса давления на стороне входа находится внутри защитной оболочки (4) устройство (24) обработки газового потока в виде каминообразного проточного канала (26) с нижним входным отверстием (30) и верхним входным и выходным отверстием (32). Выше или в зоне нижнего входного отверстия (30) в проточном канале (26) расположена первая группа каталитических элементов (34) для разложения водорода (Н2) и/или окиси углерода (СО), и при этом трубопровод (10) сброса давления имеет впускное отверстие (22) в боковой поверхности (28) выше первой группы каталитических элементов (34) и ниже верхнего входного и выходного отверстия (32). В случае аварии с высвобождением водорода (Н2) и/или окиси углерода (СО) в защитной оболочке (4) перед сбросом давления в режиме конвекции через проточный канал (26) проходит снизу вверх поток газовой смеси, а в разгрузочном режиме поток газовой смеси проходит снизу и предпочтительно также сверху в проточный канал (26) и уходит через трубопровод (10) сброса давления. Технический результат - надежное управление критическими сценариями, в которых одновременно с выбросом водорода и окиси углерода происходит значительное повышение давления внутри защитной оболочки (4). 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода содержит вертикально расположенный полый корпус прямоугольного или круглого поперечного сечения со свободно открытыми в окружающую воздушную среду нижним и верхним торцами и помещенную в нижней части указанного корпуса по его высоте по меньшей мере одну сборку каталитических элементов, расположенных по поперечному сечению корпуса соответственно его форме параллельными или концентричными горизонтальными рядами. Рекомбинатор дополнительно содержит средства организации дополнительного потока окружающей воздушной среды по меньшей мере через часть по меньшей мере нижней каталитической сборки в поперечном направлении по отношению к оси корпуса. Каждый последующий от периферии к центру ряд каталитических элементов указанной сборки расположен ниже предыдущего. Изобретение позволяет увеличить скорость рекомбинации водорода и кислорода в окружающей воздушной среде, устранить риск локального перегрева каталитических элементов. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

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 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 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 °. Технический результат - предотвращение локального перегрева и возможного разрушения каталитических элементов при сохранении высокой каталитической активности рекомбинатора. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх