УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ ВОДОРОДОМ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к устройству для обогащения водородом воды, протекающей в системе, являющейся частью технологической установки.

В множестве технических установок, например в химических производственных установках или в энергетических установках, работающих на ядерном или ископаемом топливе, предусмотрены частичные системы, в которых направляется вода. В случае подобной частичной системы может идти речь, например, о контуре охлаждения или также о циркуляционном контуре для рабочего средства. Для направляемой в такой частичной системе воды по различным причинам может требоваться насыщение водородом.

Например, с одной стороны, высокая концентрация кислорода в направляемой в такой частичной системе воде приводит к коррозии встроенных деталей или труб частичной системы. Это может быть предотвращено за счет насыщения воды водородом, причем подведенный к воде водород связывается с избыточным кислородом и таким образом концентрация кислорода в воде уменьшается.

Также для первого контура охлаждения в качестве частичной системы реактора, охлаждаемого водой под давлением, атомной электростанции обычно предусмотрено насыщение водородом воды, направляемой там в качестве охлаждающей среды. В этом случае за счет этого должно предотвращаться радиолитическое разложение текущей в контуре охлаждения среды.

Для насыщения водородом или кислородом воды, направляемой в такой частичной системе, обычно предусмотрена система подачи газа. При этом к подлежащей снабжению водородом или кислородом частичной системе обычно через систему труб подключена резервная емкость газа, в которой содержится запас водорода или соответственно кислорода. Подобная система подачи газа, однако, содержит обычно множество компонентов, как например емкости для хранения, трубопроводы или предохранительные устройства? и таким образом является сложной и ненадежной. Подобная система подачи для водорода должна, кроме того, вследствие возможного образования взрывоопасных газовых смесей в случае выступающего из системы подачи водорода, непрерывно контролироваться на утечки.

В основе изобретения лежит задача указания устройства для обогащения водородом вышеназванного вида, которым обеспечено быстрое и точное регулирование содержания водорода особенно простым и надежным образом и с малыми затратами на техническое обслуживание.

Эта задача согласно изобретению решается за счет того, что в частичную систему включен электролизный блок для разложения частичного количества направляемой там воды на водород и кислород, причем к электролизному устройству подключена система отведения для кислорода.

Изобретение при этом исходит из соображения, что пути передачи для водорода или соответственно кислорода должны выполняться особенно короткими. Подходящее сокращение путей передачи является достижимым за счет того, что отказываются от центрального хранения газа, и водород производят непосредственно в том месте, в котором предусмотрено насыщение газом частичной системы. Это является достижимым особенно эффективным образом за счет того, что частичное количество самой направляемой в частичной системе воды привлекают для производства водорода или соответственно кислорода. Это может быть достигнуто за счет подходящего разложения этого частичного количества на водород и кислород, причем произведенный при этом водород или произведенный при этом кислород вводят в не разложенную, направляемую в частичной системе воду. За счет системы отведения газ, возникающий при разложении частичного количества воды и не требующийся для насыщения газом воды, особенно простым образом отводят, а также подводят для другого применения.

Целесообразно электролизный блок содержит множество мембранных электролизных ячеек. В случае такой мембранной электролизной ячейки инвертируют принцип функционирования топливного элемента, который известен, например, из статьи К.Straber "Топливные элементы для электротяги", VDI-Berichte, Nr. 912 (1992), с. 125 и т. д. Для этого к расположенной между анодом и катодом мембране подводят воду. За счет приложения напряжения питания между анодом и катодом воду электролитически разлагают на водород и кислород. Подобная мембранная электролизная ячейка отличается особенно компактной конструкцией так, что электролизный блок с множеством мембранных электролизных ячеек может быть размещен в особенно малом пространстве. Поэтому подобный электролизный блок может быть выполнен особенно гибким и быть включен в частичную систему согласованно со специфичными требованиями частичной системы.

Для обеспечения особенно эффективного растворения введенного в воду водорода после электролизного блока предпочтительно включен блок перемешивания, через который протекает вода частичной системы.

Альтернативно или дополнительно для особенно хорошего растворения вводимого газа в воде после электролизного блока включена регулирующая система для установки задаваемого давления воды. Зависимость растворимости водорода или кислорода в воде от давления воды является, таким образом, особенно простым образом используемой для системы насыщения газом.

Далее перед электролизным блоком целесообразно включен ионообменник в качестве фильтра.

Достигаемые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что за счет включения в частичную систему устройства для обогащения водородом становится возможным производство необходимого для насыщения воды водорода за счет разложения частичного количества самой направляемой в частичном контуре воды. Таким образом, не требуется никаких технологических периферийных установок для насыщения частичной системы водородом или кислородом. В частности, не требуется никакой сложной системы запаса газа с соответствующими трубопроводами, регулирующими устройствами и газоотделителями.

Не требуется сложного хранения и ненадежной транспортировки водорода на большие расстояния так, что обусловленные этим работы по техническому обслуживанию сведены до минимума. К тому же децентральное расположение множества устройств обогащения водородом в частичной системе является возможным очень простым образом вследствие компактной конструкции электролизного блока так, что производство водорода или соответственно кислорода может особенно гибко согласовываться с актуальными требованиями.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежа. При этом фигура показывает устройство для обогащения водородом для частичной системы технической установки.

Устройство для обогащения водородом предусмотрено для насыщения водородом Н₂ воды W, направляемой в представленной в виде разреза частичной системе 2 технической установки. Частичная система 2 может быть при этом контуром охлаждающей воды химической производственной установки, пароводяным контуром установки атомной электростанции или также первым или вторым контуром установки атомной электростанции. Речь может идти также о любой другой частичной системе 2 технической установки, в которой направляется вода W.

Устройство для обогащения водородом 1 содержит электролизный блок 3, который расположен в отрезке трубы 4. Отрезок трубы 4 включен со своей стороны через фланцы 6 в систему трубопроводов 8 частичной системы 2. В частности, для случая, когда частичная система 2 является первым или вторым контуром установки атомной электростанции, при этом система трубопроводов 8 целесообразно представляет собой запираемый через (не показанные вентили) байпасный трубопровод.

Для обеспечения чистоты воды, достаточной для работоспособности электролизного блока 3, перед ним включен блок ионообменника 9 в качестве фильтрующего элемента.

Электролизный блок 3 содержит множество мембранных электролизных ячеек 10. В каждой мембранной электролизной ячейке 10 между анодом 14 и катодом 16 расположена мембрана 12 из полимерного электролита. Для особенно высокой стойкости против коррозии анод 14 и катод 16 предпочтительно выполнены из платины или сплава платины. Однако могут быть предусмотрены также и другие материалы.

Анод 14 и катод 16 соединены не представленным более подробно образом с источником напряжения. Для управления производством водорода или кислорода мембранных электролизных ячеек 10 источник напряжения является регулируемым в зависимости от измеренного значения концентрации водорода в воде W.

Для каждой мембранной электролизной ячейки 10 ее мембрана 12 с расположенным на ней анодом 14 и с расположенным на ней катодом 16 окружена корпусом 18. Корпус 18 каждой мембранной электролизной ячейки 10 имеет множество впускных отверстий 20 для воды W, а также множество выпускных отверстий 22 для водорода Н₂. На также предусмотренном в корпусе 18 каждой мембранной электролизной ячейки 10 выпускном отверстии 24 для кислорода О₂ подключена система отведения 26, которая проходит через отрезок трубы 4.

После электролизного блока 3 включен блок перемешивания 28. Дополнительно или альтернативно после электролизного блока может быть включена также регулирующая система для установки задаваемого давления воды.

При работе устройства для обогащения водородом 1 включенный в систему трубопроводов 8 отрезок трубы 4 обтекается водой W, направляемой в частичной системе 2. Символизированный стрелками Т частичный поток воды W попадает при этом через впускные отверстия 20 в мембранные электролизные ячейки 10. За счет приложения напряжения к аноду 14 и катоду 16 каждой мембранной электролизной ячейки 10 подведенная к каждой мембранной электролизной ячейке 10 вода W разлагается на водород Н₂ и кислород О₂. Водород Н₂ попадает через выпускное отверстие 22 в направляемую в частичной системе 2 воду W и растворяется в ней. Чтобы способствовать этому растворению, водород Н₂ и воду W перемешивают в блоке перемешивания 28. Альтернативно или дополнительно через регулирующую систему в зависимости от заданной концентрации водорода может устанавливаться задаваемое давление воды в воде W. Производимый при разложении частичного количества воды W кислород О₂ отводят через систему отведения 26.

В примере выполнения устройство для обогащения водородом 1 рассчитано для обогащения воды W водородом Н₂.

Вследствие компактной конструкции мембранных электролизных ячеек 10 устройство для обогащения водородом 1 является особенно экономичным с точки зрения пространства и, таким образом, может особенно гибко включаться в частичную систему 2 технической установки. Таким образом, производство водорода также за счет переменного расположения множества устройств для обогащения водородом 1 в частичной системе 2 может особенно гибко приспосабливаться к требованиям производства водорода.

Изобретение относится к устройству для обогащения водородом воды, протекающей в системе, являющейся частью технологической установки. Устройство содержит включенный в систему электролизный блок для разложения частичного количества протекающей там воды на водород и кислород. Электролизный блок содержит множество мембранных электролизных ячеек, а после электролизного блока включен блок перемешивания и регулирующая система для установки задаваемого давления воды. Технический эффект - обеспечение быстрого и точного регулирования водорода в воде с малыми затратами на техническое обслуживание. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для обогащения водородом воды, протекающей в системе, являющейся частью технологической установки, содержащее включенный в систему электролизный блок для разложения протекающей в системе воды на водород и кислород, причем к электролизному блоку подключена система для отведения кислорода. 2. Устройство для обогащения водородом воды по п. 1, отличающееся тем, что электролизный блок содержит множество мембранных электролизных ячеек. 3. Устройство для обогащения водородом воды по п. 1 или 2, отличающееся тем, что после электролизного блока подключен блок перемешивания для протекающей по системе воды. 4. Устройство для обогащения водородом воды по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что после электролизного блока включена регулирующая система для установки задаваемого давления воды. 5. Устройство для обогащения водородом воды по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что перед электролизным блоком включен ионообменник в качестве фильтра.