Результат интеллектуальной деятельности: ПАССИВНЫЙ АВТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕКОМБИНАТОР ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА СО СТУПЕНЧАТО УВЕЛИЧИВАЮЩЕЙСЯ В НАПРАВЛЕНИИ ГАЗОВОГО ПОТОКА СКОРОСТЬЮ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к области водородной безопасности и может быть использовано для предотвращения скопления пожаро- и взрывоопасного водорода в помещениях, в частности, при утечках водорода из установок (например, из системы охлаждения генераторов электростанций), в хранилищах водорода, при хранении ядерных отходов (где водород постоянно образуется в результате радиолиза воды и органических веществ), при высокотемпературных коррозионных процессах, при авариях на атомных электростанциях и др.

Уровень техники

Работа пассивного автокаталитического рекомбинатора водорода и кислорода (ПАР) основана на осуществлении экзотермической реакции между водородом и кислородом воздуха:

ПАР обычно выполняется в виде вертикально расположенного полого корпуса, свободно сообщенного в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой и с установленными в его нижней части каталитическими элементами (см., например, RU 52244, G21C 9/06, 2005). В качестве каталитического материала обычно используется платина, палладий и другие металлы - платиноиды. Металл-катализатор в дисперсном виде наносится на пористую основу - носитель. При контакте водорода и кислорода с катализатором начинается автокаталитическая реакция (1), тепло которой создает внутри корпуса восходящий конвективный поток, который постоянно поддерживает данный процесс естественным путем (пассивно) без необходимости активного побуждения движения газового потока через рекомбинатор.

Вместе с тем, современные ПАР не в полной мере удовлетворяют запросы практики. Их совершенствование происходит в направлениях повышения производительности, ускорения стартового процесса, удешевления каталитического блока, содержащего драгоценные металлы платиновой группы, а также снижения тепловой нагрузки с тем, чтобы предотвратить «перегрев» катализатора. Последний представляет большую опасность. Дело в том, что температура каталитического элемента, особенно нижней его части, воспринимающей газ с наибольшей концентрацией водорода, может достичь весьма высокого уровня. Чем выше концентрация водорода в окружающей среде и поток газа на катализатор, тем с большей скоростью протекает процесс и тем выше локальная температура катализатора в рекомбинаторе. Переход каталитической рекомбинации в дефлаграционное воспламенение водорода возможно уже при его концентрации в воздухе выше 4-5% об., а при содержании водорода выше 11-13% диффузионный режим горения может смениться на более разрушающий - детонацию. Саморазогрев до температур выше 500°С влечет риск поджига водорода в водородовоздушной газовой смеси. Концентрация водорода, при которой достигается эта область температур, называется критической концентрацией водорода (С_крит). Ее величина зависит также от конструкционных особенностей ПАР, структуры самого катализатора и его сборки в картридж. Для разных типов современных ПАР нижние пределы воспламенения водорода ограничены его концентрацией 4…10% об.

Известен ПАР, в котором увеличение предельной рабочей концентрации водорода достигается выполнением каталитических элементов с частичным закрытием каталитической поверхности в нижней части каталитического элемента неактивным пористым покрытием - дроссельным слоем, который, снижая диффузионный поток газовых реагентов, соответственно уменьшает также и тепловыделение (см. RU 2222060, G21C 9/06, 2000 - аналог). Данная структура каталитического элемента позволяет расширить область рабочих концентраций водорода до 10% об. Однако покрытие неактивным пористым слоем части каталитической поверхности неизбежно снижает производительность ПАР при относительно невысокой степени повышения C_крит.

Известен ПАР, в котором перегрев катализатора устраняется полным экранированием каталитического элемента металлической сеткой плотного плетения (см. RU 77488, G21C 9/06, 2008 - аналог). Указанная сетка создает сопротивление, в основном, диффузии кислорода, тогда как более подвижный водород испытывает сопротивление сетки в значительно меньшей степени. В результате у поверхности катализатора образуется газовая смесь, обогащенная водородом, что в свою очередь создает более выгодные кинетические условия процесса его рекомбинации. Кроме того, теплопроводная металлическая сетка способствует выравниванию профиля температуры по высоте каталитического элемента, расширяя зону реакции и понижая в ней локальную температуру. В результате удается расширить рабочую область концентраций водорода до С_крит не менее, чем 20% об. Вместе с тем, наложение на каталитическую поверхность экранной сетки неизбежно снижает активность катализатора и, следовательно, производительность ПАР.

Известен ПАР водорода и кислорода, содержащий корпус в виде вертикально расположенной трубы с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенной в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой, и помещенные в нижней части корпуса по меньшей мере две расположенные по его высоте сборки каталитических элементов, обеспечивающих ступенчатое возрастание от сборки к сборке в направлении восходящего газового потока в рекомбинаторе скорости каталитической реакции (см. US 6846775, G21C 9/00, 2005 - ближайший аналог по числу общих признаков). Согласно этому патенту увеличение каталитической активности в последовательно расположенных по высоте корпуса сборок каталитических элементов достигается различной плотностью нанесения на пористый носитель каталитического покрытия и возможным частичным экранированием активного слоя неактивным пористым покрытием. Недостатком такого технического решения является уменьшение производительности ПАР за счет сокращения действующего общего количества катализатора. Данные относительно степени повышения величины С_крит в описании к патенту отсутствуют. Можно предположить, что эта величина в данном случае не может быть достаточно высокой из-за отсутствия средств интенсификации отвода тепла от катализатора.

Раскрытие изобретения

Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение производительности рекомбинации водорода при той же общей площади каталитического покрытия и увеличение критической концентрации водорода за счет интенсификации теплоотвода от катализатора.

Это обеспечивается тем, что в ПАР водорода и кислорода, содержащем корпус в виде вертикально расположенной трубы с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенной в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой, и помещенные в нижней части корпуса по меньшей мере две расположенные по его высоте сборки каталитических элементов, обеспечивающих ступенчатое возрастание от сборки к сборке в направлении восходящего газового потока в рекомбинаторе скорости каталитической реакции, согласно изобретению корпус в зонах расположения сборок каталитических элементов в направлении газового потока имеет ступенчато уменьшающееся от сборки к сборке поперечное сечение.

При этом целесообразно, чтобы каталитические элементы каждой последующей сборки имели большую высоту, по сравнению с каталитическими элементами предыдущей сборки. В частном случае в ПАР согласно изобретению предусмотрены две сборки каталитических элементов, причем каждый каталитический элемент имеет форму пластины с высотой 5…40 мм в нижней сборке и 90…200 мм - в верхней сборке.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематически изображен в продольном разрезе ПАР согласно изобретению; на фиг.2 - график, иллюстрирующий активность различных сборок, используемых в ПАР согласно изобретению и в соответствии с одним из аналогов, (данные по ближайшему аналогу отсутствуют).

Осуществление изобретения

ПАР водорода и кислорода согласно изобретению содержит корпус 1 в виде вертикально расположенной трубы с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенной в своих верхнем и нижнем торцах соответственно 2 и 3 с окружающей средой. В нижней части корпуса 1 помещены в рассматриваемом частном случае две расположенные по его высоте сборки 4 и 5 каталитических элементов. Корпус (труба) 1 в зонах расположения сборок 4, 5 каталитических элементов в направлении газового потока имеет ступенчато уменьшающееся от сборки к сборке поперечное сечение.

Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что каталитические элементы каждой последующей сборки имеют большую высоту, по сравнению с каталитическими элементами предыдущей сборки.

Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.2, отличающийся тем, что в нем предусмотрено две сборки каталитических элементов, причем каждый каталитический элемент имеет форму пластины с высотой 5…40 мм в нижней сборке и 90…200 мм в верхней сборке. Для трубы в данном случае с сечением прямоугольного профиля это характеризуется тем, что ширина А₂ трубы 1 в зоне расположения сборки 5 каталитических элементов превышает ее ширину A₁ в зоне расположения каталитических элементов сборки 4, то есть А₂<A₁. В представленном в качестве примера частном случае каждый каталитический элемент обеих сборок имеет форму пластины с высотой H₁=5…40 мм в нижней сборке 4 и H₂=90…200 мм в верхней сборке 5, то есть Н₂>H₁.

Работа ПАР согласно изобретению осуществляется следующим образом. При появлении в воздухе контролируемого помещения водорода происходит его контакт с размещенным в корпусе 1 ПАР катализатором, в результате чего самопроизвольно начинается автокаталитическая реакция рекомбинации водорода и кислорода воздуха с образованием водяных паров и выделением тепла, побуждающего вертикальное движение газовой смеси вдоль корпуса 1 ПАР с непрерывным вовлечением в его нижнюю часть новых порций водородсодержащего воздуха. Различие скорости каталитической реакции сборок 4 и 5 каталитических элементов (пластин) достигается как благодаря сужению площади сечения корпуса 1 ПАР (A₂<A₁), так и размерами (Н₂>H₁) указанных пластин. При работе ПАР согласно изобретению линейная скорость V₂ газового потока в рекомбинаторе определяется в зоне верхней сборки 5 с площадью поперечного сечения S₂ корпуса 1, тогда как в зоне нижней сборки 4 с большей площадью сечения S₁ корпуса 1 скорость потока V₁ оказывается пониженной в S₂/S₁ раз. При этом благодаря возможности организации оптимальных скоростей газового потока в зонах различных сборок каталитических элементов обеспечивается высокая степень теплоотвода от катализатора во всех указанных зонах, что обеспечивает соответствующее увеличение критической концентрации водорода С_крит. В то же время одинаково высокая плотность каталитического покрытия у всех каталитических элементов позволяет обеспечить повышение производительности ПАР согласно изобретению при той же общей площади указанного покрытия, по сравнению с ближайшим аналогом, или при той же производительности уменьшить габариты ПАР.

Графические зависимости фиг.2 иллюстрируют активности разных каталитических сборок, используемых в ПАР согласно изобретению и в аналоге с каталитическими элементами, экранированными металлической сеткой плотного плетения.

Нижние четыре кривые отражают поведение каталитической сборки из пластин высотой 10 мм при изменении концентрации водорода в воздушных потоках различной скорости, создаваемой искусственно в прямоточном рекомбинаторе: 0,13 м/с (□), 0,19 м/с(×), 0,26 м/с(о) и 0,34 м/с(Δ). Снятие последней кривой было прервано при концентрации водорода в потоке, равной 13,8% об., вследствие перегрева катализатора и вспышки (на кривой эта точка перечеркнута крестиком). Эксперименты при более низких скоростях потока (три верхние кривые) не приводили к перегреву катализатора и достигали областей предельной активности (выше 15% об.), что свидетельствует о балансе тепла, образующегося в результате реакции (1) и отвода его от катализатора газовым потоком. В результате температура работающего катализатора при скоростях ниже 0,26 л/с не выходит за рамки нижнего предела воспламенения водорода.

На той же фиг.2 приводится аналогичная зависимость (◇) для сборки каталитических пластин высотой 120 мм, полученная в том же рекомбинаторе одной площади сечения, но при естественной тяге, инициируемой работой катализатора. Кривая ограничена концентрацией водорода, равной 9,7% об., вследствие вспышки от перегретого катализатора (на кривой эта точка также перечеркнута крестиком). Скорость газового потока в данном случае составила около 0,5 м/с. В этом случае для снижения скорости потока до безопасной величины следует разместить малоактивный катализатор в площади сечения S₁≥(0,5/1,26), то есть большей, чем в 1,92 раза.

Кривая, обозначенная точками (♦) на фиг.2, демонстрирует работу ПАР согласно изобретению с отношением площадей верхнего и нижнего сечений как 1:2,5 с теми же каталитическими пластинами (высотой 120 и 10 мм), которые были тестированы в прямоточном рекомбинаторе. Как видно из графика, изменение профиля ПАР и разделение катализатора по меньшей мере по двум зонам позволяет значительно расширить область рабочих концентраций водорода с повышением С_крит до не менее 21% об.

В данном случае газовый поток, поступающий из нижней сборки пластин в зону верхней сборки, содержит пониженные концентрации реагентов (кислорода и водорода), а также эквивалентное содержание паров воды - продукта реакции (1). Присутствие паров воды в водородовоздушной газовой смеси ингибирует поджиг водорода. Кроме того, ограниченное газовое пространство между обеими сборками значительно меньшее, чем необходимо для поджига водорода от нагретого тела, препятствует распространению цепного процесса возгорания водорода. Этим достигается значительное расширение рабочей области концентрации водорода при сохранении максимально высокой активности данной каталитической структуры и рекомбинатора на ее основе.

Для сравнения на той фиг.2 приведена аналогичная зависимость (пунктирная кривая) для сборки с каталитическими пластинами, экранированными металлическими сетками. Как видно из графиков, ПАР согласно изобретению позволяет значительно увеличить производительность рекомбинатора на 20-120%, в зависимости от области концентрации водорода в водородовоздушной газовой среде.