×
19.06.2019
219.017.86d8

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И РЕАКТОР ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к реактору для взаимодействия газообразного водорода и кислорода и к способу осуществления реакции газообразных водорода и кислорода и может быть использовано в процессах для производства дейтерированной воды и при удалении трития из воды. Способ включает смешение водорода и кислорода в слое катализатора и инертной насадки, при этом охлаждающую воду пропускают через слой смеси катализатора с насадкой, а катализатор представляет собой от 0,2 до 2,0 мас.% платины, нанесенной на пористые полимерные зерна диаметром от 0,5 до 2,0 мм. Инертная насадка представляет собой элементы, выполненные из инертного металла или инертного сплава, с размером до 3,0 мм, а отношение катализатора к насадке составляет от 1:3 до 1:30 по объему. Водород вводится непосредственно в слой катализатора и инертной насадки, охлаждающая вода имеет температуру не ниже 30°С и отношение кислорода к водороду не ниже стехиометрического. Реактор включает, по меньшей мере, по одному вводу для водорода, кислорода и охлаждающей воды, при этом каждый ввод водорода расположен внутри слоя. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Настоящее изобретение относится к реактору для взаимодействия газообразного водорода и кислорода и к способу осуществления реакции газообразных водорода и кислорода.

Реактор для взаимодействия газообразных водорода и кислорода используется в процессах для производства дейтерированной воды и при удалении трития из воды. Например, тритированную воду обычно превращают в водород, который выбрасывают в окружающую среду после удаления трития. Так как выброс водорода в окружающую среду небезопасен, водород сжигают с кислородом в реакторе.

В патенте US 4973907 предложено устройство для взаимодействия газообразных водорода и кислорода, в котором потоки газообразных водорода и кислорода движутся вверх через каталитическую сборку в реакционной камере, а поток воды движется вниз через каталитическую сборку от камеры конденсации над реакционной камерой. Каталитическая сборка включает в себя как минимум один носитель катализатора и закрепленные на носителе пористую матрицу политетрафторэтилена и частично платинированные углеродные частицы с высокой площадью поверхности. В присутствии катализатора газообразные водород и кислород реагируют с образованием паров воды, которые движутся вверх через реакционную камеру к камере конденсации, где вода конденсируется. Затем жидкая вода протекает обратно через реакционную камеру, поглощая тепло, которое выделяется в реакции водорода с кислородом. Затем вода удаляется из реакционной камеры через ее нижнюю часть. Для удаления тепла реакции в реакционной камере или каком-либо другом месте реактора могут быть также установлены теплообменные диски.

В патенте US 4374116 предложен реактор для взаимодействия водорода с кислородом, в котором газы реагируют в реакционной камере в присутствии каталитической сборки и охлаждающей воды, проходящей вниз через каталитическую сборку. Каталитическая сборка представляет собой инертную пористую подложку с высокой площадью поверхности и частицы платины, введенные в поры подложки. Подложка покрыта политетрафторэтиленом.

Настоящее изобретение имеет своей целью создание реактора газообразных водорода и кислорода, в котором большие потоки водорода и кислорода могут реагировать предпочтительно без взрывов, происходящих в смеси водорода и кислорода. Это требует того, чтобы катализатор имел достаточную активность для обеспечения высокой скорости реакции и чтобы он сохранял свою активность в присутствии жидкой воды и ее паров. Выделяющееся в ходе реакции тепло при этом должно удаляться эффективно и контролируемо.

В соответствии с этим настоящее изобретение предлагает способ для осуществления реакции между газообразными водородом и кислородом, в котором водород и кислород смешивают в присутствии катализатора и инертной насадки, охлаждающую воду пропускают через слой катализатора и инертной насадки, причем катализатор представляет собой от 0,2 до 2,0 мас.% платины, нанесенной на пористые полимерные зерна с диаметром от 0,5 до 2 мм, инертная насадка представляет собой инертные металлические элементы с размером до 3 мм, а отношение между катализатором и насадкой составляет от 1:3 до 1:30 по объему, водород вводится непосредственно в слой катализатора и инертной насадки, охлаждающая вода имеет температуру не ниже 30°C и отношение кислорода к водороду не ниже стехиометрического.

Согласно настоящему изобретению предлагается также реактор для взаимодействия газообразных водорода и кислорода, состоящий из слоя катализатора и инертной насадки и снабженный по крайней мере одним вводом для каждого из водорода, кислорода и охлаждающей воды, причем катализатор представляет собой от 0,2 до 2,0 мас.% платины, нанесенной на гидрофобные пористые зерна в диаметре от 0,5 до 2 мм, инертная насадка представляет собой инертные металлические элементы с размером до 3 мм, а отношение между катализатором и насадкой в слое составляет от 1:3 до 1:30 по объему и каждый из вводов для водорода находится внутри слоя.

Предпочтительно содержание платины в катализаторе составляет от 0,5 до 2,0 мас.%, более предпочтительно - от 0,5 до 1,0 мас.%.

Катализатор обычно нанесен на полимер, который устойчив в реакционных условиях реактора взаимодействия водорода с кислородом. Например, полимер может быть любой гидрофобный и пористый. В предпочтительном случае полимер представляет собой сополимер стирола с дивинилбензолом. Предпочтительно полимер имеет форму зерен, которые могут иметь диаметр от 0,5 до 2,0 мм, более предпочтительно от 0,5 до 1,7 мм. В наиболее предпочтительном случае полимер является сополимером стирола с дивинилбензолом в форме зерен с диаметром от 0,5 до 1,5 мм.

Инертная насадка представляет собой инертные металлические элементы с размером до 3 мм. Инертный металл представляет собой металл или сплав, который не работает как катализатор и в присутствии катализатора не реагирует с водородом, кислородом и водой и ее парами. Примерами подходящих металлов являются алюминий, никель, нержавеющая сталь, инконель, хастолой. Предпочтительным металлом является нержавеющая сталь. Элемент насадки имеет размер до 3 мм, предпочтительно до 2 мм. Элемент насадки может быть в форме проволоки, спирали, колец, колец Диксона или частиц проволочного волокна. В предпочтительном варианте элементы насадки представляют собой спирали или кольца Диксона. В особо предпочтительном варианте элементы насадки представляют собой спирали из нержавеющей стали с размером до 2 мм в диаметре и 2-3 мм длиной. Предпочтительно насадку обрабатывают для увеличения ее смачиваемости. Может быть использован любой способ обработки, который делает поверхность металла гидрофильной, например кислотное травление.

Отношение катализатора к насадке в слое может изменяться от 1:3 до 1:30, более предпочтительно от 1:5 до 1:20, более предпочтительно от 1:7 до 1:15, наиболее предпочтительно 1:10.

Охлаждающая вода подается предпочтительно при температуре не ниже 30°С в течение всего времени, включая и пусковой период работы реактора. Если при пуске реактора используется вода с температурой ниже 40°С, в реакторе могут наблюдаться мини-взрывы до тех пор, пока вода не достигнет температуры 40°С. В предпочтительном варианте температура охлаждающей воды поддерживается не ниже 40°С.

Охлаждающая вода равномерно распределяется по поверхности катализатора и насадки. Обычно это достигается введением охлаждающей воды в реакционную камеру через ряд вводов, расположенных порознь над или выше поверхности слоя катализатора и насадки. Равномерное распределение охлаждающей воды позволяет избежать образования участков местного перегрева в реакторе.

В типичном случае реактор имеет по меньшей мере один ввод водорода в слой катализатора и инертной насадки. Реактор обычно имеет серию вводов для водорода, так что водород и кислород взаимодействуют во всем объеме, содержащем катализатор и инертную насадку. Предпочтительно, чтобы самый верхний ввод водорода находился на расстоянии от верха реакционной зоны не менее 100 мм. Вводы водорода располагаются предпочтительно на расстоянии от 50 до 140 мм друг от друга, наиболее предпочтительно на расстоянии от 50 до 100 мм. Вводы обычно имеют форму, позволяющую равномерное распределение на этом уровне внутри реакционного слоя. Таким образом, вводная трубка может разветвляться или оканчиваться кольцом с многочисленными дырками для выхода водорода.

Кислород вводится в реактор через ввод, который может быть расположен внутри или вне слоя катализатора и инертной насадки. Кислород вводится в реактор с таким потоком, чтобы поддерживать отношение кислорода к водороду, в котором количество кислорода равно по меньшей мере стехиометрическому соотношению и предпочтительно превосходит стехиометрическое соотношение. Это гарантирует, что весь водород прореагирует с кислородом.

Конструкции реактора, реализующие настоящее изобретение, будут описаны с использованием примеров и со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой схематический разрез реактора согласно изобретению,

фиг.2 представляет собой схематический разрез другой конструкции реактора согласно изобретению.

На фиг.1 показан реакционный сосуд 1 для реакции газообразных водорода и кислорода. Сосуд имеет два ввода 5 и 6 в верхней части реактора, предназначенных для ввода воды и кислорода. Газообразный водород вводится в реактор через ввод 9. Этот ввод соединен с несколькими распределительными трубками 10, из которых три показаны на фиг.1. Распределительные трубки имеют форму кольца с многочисленными маленькими отверстиями, направленными вниз, через которые водород вводится в реактор. Реактор упакован смесью зерен катализатора и выполненных из нержавеющей стали мини-спиралек, выполняющих роль инертной гидрофильной насадки. Зерна катализатора представляют собой зерна полимера стирола-дивинилбензола 0,8 мм диаметром; инертная насадка - мини-спирали из нержавеющей стали размером 2 мм. Газообразные водород и кислород в присутствии катализатора 2 взаимодействуют с образованием водяных паров. Водяные пары охлаждаются при контакте с охлаждающей водой, и охлаждающая вода вместе со сконденсированными водяными парами, образовавшимися в результате реакции, собираются в нижней части реактора и удаляются из него через выходной патрубок 8. В случае, если в реакторе имеется избыток кислорода, оставшийся газ может быть удален из реактора через патрубок 7. Температура катализатора и насадки в реакторе измеряется с использованием термопары, помещенной в кармане 4, расположенном внутри слоя катализатора и насадки.

На фиг.2 показан предлагаемый в настоящем патенте другой тип реактора. Реактор представляет собой сосуд 11, заполненный смесью катализатора 2 и инертной насадки 3. Сосуд имеет ввод 6 для воды и ввод 5 для кислорода, оба в верхней части реакционного сосуда. Реакционный сосуд окружен другим сосудом 20. Водород поступает во внешний сосуд через ввод 9. В стенке реакционного сосуда 11 имеются многочисленные отверстия 21, которые сообщаются с внешним сосудом 20. Таким образом, при использовании реактора водород поступает в реакционный сосуд 11 через отверстия 21. Водород и кислород реагируют в присутствии катализатора на зернах 2, и образовавшиеся водяные пары конденсируются в присутствии охлаждающей воды. Образовавшаяся вода объединяется с охлаждающей, собирается в нижней части реактора и может быть удалена через выходной патрубок 8. Избыток кислорода может быть удален из реактора через патрубок 7.

Для улучшения вывода воды из реактора величина подаваемого потока охлаждающей воды регулируется так, чтобы обеспечить полную конденсацию водяных паров, полученных в результате реакции.

Далее настоящее изобретение описывается с использованием примеров.

Пример 1

Реактор, показанный на фиг.1, был испытан в течение нескольких месяцев в режиме периодической работы. Результаты проведенных испытаний приведены в таблице 1. Эксперименты от 1 до 7 были проведены при использовании сверх стехиометрического количества кислорода. Эксперимент 8 был проведен при стехиометрическом соотношении между водородом и кислородом.

Результаты экспериментов в реакторе
No 1 2 3 4
Поток водорода (нм3/ч) 0,3a) 0,3a) 0,3b) 0,3a)
Концентрация водорода на выходе (ppm) <2 <2 <2 <2
Температура охлаждающей воды (°C) Вход 25-30 25-30 25-30 60
Выход 64 64 51 77
Длина реакционной зоны (см) <1 <1 <1 <1.5
Поток охлаждающей воды (кг/ч) 22,5 22,5 22,5 22,5
Объемное отношение катализатора и насадки 1:5 1:10 1:10 1:20
No 5 6 7 8
Поток водорода (нм3/ч) 0,325a) 0,5a) 0,74a) 0,5a)c)
Концентрация водорода на выходе (ppm) <2 <2 <2 <2
Температура охлаждающей воды (°C) Вход 55 56 41 48
Выход 75 79 97 78
Длина реакционной зоны (см) <1,5 <1,5 <2 (c)
Поток охлаждающей воды (кг/ч) 34 34 33 33
Объемное отношение катализатора и насадки 1:20 1:20 1:20 1:20
а) водород вводился через один ввод,
b) водород вводился через три ввода по 0,1 нм3/ч через каждый,
c) температура по всему слою катализатора и насадки была примерно одинаковой.

В экспериментах, в которых водород в реактор вводили только через один ввод, водород подавали только в верхний ввод.

В ходе проведенных экспериментов наблюдалось, что в опытах 1-3 в реакторе наблюдались локальные мини-взрывы. Это показывает, что происходит неконтролируемая реакция между водородом и кислородом. Увеличение температуры охлаждающей воды до 40ос и выше устраняет этот эффект.

Чрезвычайно низкая концентрация водорода на выходе из реактора показывает, что практически весь водород, поступающий в реактор, окисляется.

После проведения экспериментов в реакторе катализатор из него был извлечен и его каталитическая активность проверена. При этом было найдено, что катализатор имеет активность, равную той, которая была до загрузки в реактор.

Источник поступления информации: Роспатент

Showing 11-20 of 23 items.
25.08.2017
№217.015.b628

Способ получения оксидов урана и тетрафторида кремния из тетрафторида урана

Изобретение относится к области технологии ядерных материалов и может быть использовано для конверсии тетрафторида урана, в том числе обедненного, в наноструктурированные оксиды урана и с получением другого ценного неорганического вещества - тетрафторида кремния. Способ заключается в смешивании...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614712
Дата охранного документа: 28.03.2017
19.01.2018
№218.016.05f4

Устройство для локального нанесения металлических покрытий электролитическим методом

Устройство относится к области гальванотехники и может быть использовано в электронном и термоэлектрическом приборостроении. Устройство содержит корпус, источник постоянного тока, кожух с закрепленным в нем анодом и электролизную ванну. Корпус разделен на две изолированные части - нижнюю и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002630996
Дата охранного документа: 15.09.2017
13.02.2018
№218.016.1f87

Способ приготовления термостойкого гидрофобного платинового катализатора для реакции окисления водорода

Изобретение относится к способу приготовления термостойкого гидрофобного платинового катализатора для реакции низкотемпературного окисления водорода, включающему нанесение платины при комнатной температуре из пропитывающего раствора гексахлорплатиновой кислоты НPtCl⋅6HO в смешанном растворителе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641113
Дата охранного документа: 16.01.2018
13.02.2018
№218.016.1f89

Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа ni и способ его получения

Изобретение относится к технике безотходной ядерной технологии. Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером, представляющий собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных микроисточников тока, где...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641100
Дата охранного документа: 16.01.2018
13.02.2018
№218.016.22f1

Насыпная насадка для массообменных колонн

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической технологии, а именно к насыпным насадкам для массообменных колонн, и может быть использовано в качестве контактного устройства в химико-технологических процессах ректификации, абсорбции, химического обмена, осуществляемых в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641920
Дата охранного документа: 23.01.2018
13.02.2018
№218.016.243d

Насыпная насадка для массообменных колонн

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической технологии, а именно к насыпным насадкам для массообменных колонн, и может быть использовано в качестве контактного устройства в химико-технологических процессах ректификации, абсорбции, химического обмена, осуществляемых в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642572
Дата охранного документа: 25.01.2018
04.04.2018
№218.016.34ec

Насыпная насадка для массообменных колонн

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической технологии, а именно к насыпным насадкам для массообменных колонн, и может быть использовано в качестве контактного устройства в химико-технологических процессах ректификации, абсорбции, химического обмена и пр., осуществляемых в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646076
Дата охранного документа: 01.03.2018
10.05.2018
№218.016.395c

Способ очистки газов от паров тритированной воды

Изобретение относится к области технологии радионуклидов и может быть использовано как в технологических процессах, использующих молекулярный тритий и тритийсодержащие соединения, так и для глубокой очистки газовых сбросов от трития предприятий атомной отрасли при решении экологических задач....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647040
Дата охранного документа: 13.03.2018
29.05.2018
№218.016.5666

Комплекс для оценки эффективности электромагнитной защиты бронеобъектов от средств поражения с неконтактным взрывным устройством

Изобретение относится к области оборонной техники. Комплекс для оценки эффективности электромагнитной защиты бронеобъектов от средств поражения с неконтактным взрывным устройством содержит трубу, соединенную с источником сжатого воздуха, и элементы регулировки подачи воздуха. Труба выполнена из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654457
Дата охранного документа: 17.05.2018
22.01.2020
№220.017.f812

Способ получения коллоидного раствора наночастиц серебра с экстрактами листьев растений

Настоящее изобретение относится к области биохимических методов получения коллоидных растворов наночастиц серебра (Ag-НЧ) с использованием экстрактов листьев растений. Описан способ получения коллоидного раствора наночастиц серебра с экстрактами листьев растений, включающий замачивание листьев...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002711559
Дата охранного документа: 17.01.2020
+ добавить свой РИД