УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ БЕСКИСЛОРОДНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕД Российский патент 2015 года по МПК G21C9/00 G21C9/06 B01D53/86 B01J23/00 

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, в частности к средствам обеспечения безопасной работы газовых контуров ядерной реакторной установки с жидкометаллическим теплоносителем.

Уровень техники

Одной из проблем обеспечения безопасной работы ядерного реактора является выведение из газовых контуров ядерного реактора газообразного водорода, поскольку накопление газообразного водорода может привести к образованию в контуре опасной концентрации газообразного водорода, а это может вызвать нежелательное взаимодействие водорода с конструкционными материалами, что приведет к деградации свойств этих материалов (прежде всего защитной оксидной пленки на внешней поверхности элементов контура). Кроме того, накопление водорода в газовых контурах создает предпосылки к образованию взрывоопасных концентраций газообразного водорода.

Для выведения газообразного водорода из газового контура можно использовать различные средства

Известно устройство для выделения водорода из водородосодержащей газовой смеси [Патент РФ на изобретение №2430876 «Устройство для выделения водорода из водородосодержащей газовой смеси». C01B 3/56, 00.10.2011]. В основу работы устройств данной схемы положена диффузия водорода через проницаемую мембрану. В результате в замембранной полости собирается чистый водород, а остальная рабочая среда с уменьшенным содержанием водорода передается в выходной патрубок. Данная схема имеет низкую эффективность, когда требуется вывести газообразный водород из газовой смеси с низким содержанием водорода, так как требуются длительное время для диффузии водорода через мембрану и большие площади проницаемой мембраны.

Известно устройство для выведения газообразного водорода из водородсодержащей газовой смеси, описанное в патенте США №6356613, G21C 9/06 от 12.03.2002). В известном устройстве газовая смесь, содержащая газообразный водород, пропускается через каталитический пакет, в котором происходит низкотемпературное окисление газообразного водорода до воды, обработанная газовая смесь выводится за пределы устройства. Окисление водорода до воды (водяного пара) дает возможность быстро и эффективно удалять водород из газовых контуров, так как окислившийся водород (вода, водяной пар) может быть легко удален из газового контура, используя хорошо отработанную технологию осушения газовых сред. Однако использование данного устройства возможно только в газовой среде, содержащей кислород. При обработке бескислородной газовой среды данное устройство неспособно очистить водородсодержащую бескислородную газовую среду от газообразного водорода.

В газовых контурах реактора с жидкометаллическим теплоносителем используются бескислородные газовые среды и имеется необходимость в разработке эффективных средств для выведения водорода и подобных газов из бескислородной газовой среды газовых контуров.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства для выведения водорода из бескислородных газовых сред, способного эффективно выводить газообразный водород, за счет химической реакции окисления водорода до воды с последующим выведением его в составе парогазовой смеси, без использования проницаемых мембран. Для решения поставленной задачи предлагается устройство для выведения водорода из бескислородных газовых сред.

Технический результат, получаемый от реализации предлагаемого изобретения, заключается в повышении эффективности удаления газообразного водорода из бескислородной газовой среды в ядерных реакторах с жидкометаллическим теплоносителем и в обеспечении восстановления свойств устройства без его разборки.

Указанные технические результаты достигаются в устройстве удаления газообразного водорода из бескислородных газовых сред за счет совокупности следующих существенных признаков.

Устройство удаления газообразного водорода из бескислородных газовых сред содержит герметичный обогреваемый корпус, размещенную внутри него реакционную камеру, заполненную наполнителем из кислородсодержащего материала, систему подвода в реакционную камеру обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, систему отвода обработанной газовой среды из реакционной камеры, систему восстановления окислительных свойств кислородсодержащего материала и систему переключения режимов работы устройства.

При этом реакционная камера имеет, по меньшей мере, одну перфорированную секцию с кислородсодержащим материалом, а в перегородке, разделяющей смежные перфорированные секции, выполнены отверстия.

При этом в боковой стенке реакционной камеры выполнены отверстия, обеспечивающие соединение перфорированных секций с кислородсодержащим материалом с полостью корпуса.

При этом реакционная камера установлена в корпусе с зазором относительно его внутренних стенок.

При этом система подвода в реакционную камеру обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, содержит входной патрубок, к которому с одной стороны подсоединен распределительный проницаемый коллектор, а с противоположной стороны подсоединен трубопровод подачи в устройство обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород.

При этом распределительный проницаемый коллектор выполнен в виде распределительного трубопровода и реакционной камеры, охватывающей распределительный трубопровод.

При этом на участке распределительного трубопровода, охватываемого реакционной камерой, в его стенке выполнены отверстия, обеспечивающие соединение полости распределительного трубопровода с внутренними полостями перфорированных секций с кислородсодержащим материалом реакционной камеры.

При этом на нижнем торце распределительного трубопровода имеется заглушка, предотвращающая перетекание обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, в обход реакционной камеры.

При этом система восстановления окислительных свойств кислородсодержащего материала состоит из подсоединенного к входному патрубку трубопровода подачи кислородсодержащей газовой среды в корпус.

При этом система отвода обработанной газовой среды из реакционной камеры состоит из трубопровода отвода обработанной газовой среды, подсоединенного к корпусу устройства.

При этом система переключения режимов работы устройства включает в себя три запорных вентиля, один из которых установлен в трубопроводе подачи обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, второй - в трубопроводе системы восстановления окислительных свойств кислородсодержащего материала и третий - в трубопроводе системы отвода обработанной газовой среды.

Предпочтительно, что в качестве кислородсодержащего материала используются гранулы оксида висмута (Bi₂O₃).

Использование для выведения газообразного водорода наполнителя из гранулированного кислородсодержащего материала дает возможность удалять водород из бескислородной газовой среды путем прямого химического окисления газообразного водорода на поверхности гранул, при этом обеспечивается большая поверхность контакта газообразного водорода с кислородсодержащим материалом, что обеспечивает быстрое эффективное удаление водорода из газовой среды, даже при полном отсутствии в ней кислорода. Устройство обеспечивает восстановление окислительных свойств гранул путем периодического воздействия на них кислородсодержащей газовой средой.

Работа устройства регулируется запорными клапанами и изменением температуры обогреваемого корпуса.

Использование гранул из оксида висмута исключает загрязнение газовой среды посторонними элементами, так как висмут входит в состав жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора.

Устройство для выведения водорода из бескислородных газовых сред может быть изготовлено промышленным способом на любом специализированном предприятии. Заявитель изготовил макет устройства и провел его испытания, подтвердившие работоспособность устройства.

Прилагаемое далее описание изобретения и графические материалы являются только примерами и ни в коей мере не ограничивают объем изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется Фиг.1, на которой схематически изображено предлагаемое устройство для выведения водорода из бескислородных газовых сред.

Осуществление изобретения

Устройство для выведения водорода из бескислородных газовых сред содержит герметичный обогреваемый корпус 1. Внутри корпуса 1 размещены распределительный проницаемый коллектор, в качестве которого используется распределительный трубопровод 2, и реакционная камера 3, охватывающая распределительный трубопровод 2. Реакционная камера 3 имеет несколько расположенных друг над другом перфорированных секций 4, заполненных гранулами 5 из кислородсодержащего материала, предпочтительно из оксида висмута. Реакционная камера 3 установлена в корпусе 1 с зазором относительно его боковой стенки, крышки и днища. Участок распределительного трубопровода 2, погруженный в реакционную камеру 3, выполнен с перфорированной боковой стенкой, т.е. имеет отверстия, соединяющие полость распределительного трубопровода 2 с внутренней полостью секций 4 реакционной камеры 3. На нижнем торце распределительного трубопровода 2 имеется заглушка, предотвращающая перетекание обрабатываемого газового потока в обход реакционной камеры 3. Боковая стенка реакционной камеры перфорирована. Перфорация соединяет полость корпуса 1 с внутренней полостью секций 4 реакционной камеры. Между собой секции 4 разделены перегородками, которые также выполнены с перфорацией. Перфорация обеспечивает проточность реакционной камеры 3 для прохода через нее газообразного рабочего тела.

Входной патрубок 6 для подвода в устройство обрабатываемой газовой среды подсоединен сверху к распределительному трубопроводу 2. Снаружи корпуса 1 к входному патрубку 2 подсоединены трубопровод 7 подачи водородсодержащей бескислородной газовой среды и трубопровод 8 подачи кислородсодержащей газовой среды.

Выходной трубопровод 9 для отвода из устройства 1 прореагировавшей газовой среды - газовая среда с водяным паром, образовавшимся в реакционной камере при взаимодействии газообразного водорода (метана и подобных газов) и кислорода в гранулах 5 оксида висмута, присоединен снизу к корпусу 1 устройства. Устройство содержит средства управления его работой, содержащее три запорных вентиля 10, 11 и 12. Запорный вентиль 10 установлен в трубопроводе 7 системы подвода водородсодержащей бескислородной газовой среды. Второй запорный вентиль 11 установлен в трубопроводе 8 системы подвода кислородсодержащей газовой среды. Третий запорный вентиль 12 установлен в выходном трубопроводе.

Размеры перфорации предотвращают свободный выход гранул из твердых оксидов висмута из секций реакционной камеры.

На внешней поверхности корпуса 1 расположен электронагреватель 13.

В режиме выведения водорода из бескислородной газовой среды запорный вентиль 11 закрыт и открыты запорные вентили 10 и 12. Поток водородсодержащей газовой среды из трубопровода 7 через открытый запорный вентиль 10 подают в распределительный трубопровод 2 и через перфорацию в стенке распределительного трубопровода 2 этот поток газа поступает в секции 4 реакционной камеры 3. В реакционной камере 3 водородсодержащий газовый поток обтекает гранулы 5 из кислородсодержащего материала, предпочтительно из оксида висмута, при этом водород взаимодействует с кислородом, находящимся в оксиде висмута, и практически полностью окисляется с образованием водяного пара. Обработанная в реакционной камере газовая смесь через перфорацию в стенке реакционной камеры поступает в корпус 1 в зазор между реакционной камерой 3 и стенками корпуса 1. Далее обработанная газовая смесь с водяным паром удаляется из устройства через открытый запорный вентиль 12. Водяной пар можно легко удалить из обработанной газовой среды различными средствами, используемыми для удаления паров воды из газов.

Контроль за окислением водорода до водяного пара можно вести любыми известными средствами и в рамках данной заявки этот контроль не рассматривается.

При обнаружении, что кислородсодержащий материал в реакционной камере потерял свою активность, проводят восстановление окислительной способности гранул 5 в секциях 4 реакционной камеры 3 кислородсодержащей газовой средой. В режиме окисления гранул 5 кислородосодержащей газовой средой закрывают запорные вентили 10 и 12 и открывают запорный вентиль 11. Через трубопровод 8 подают в устройство для выведения водорода из бескислородных газовых сред кислородсодержащую газовую среду, заполняют объем реакционной камеры 3 и корпуса 1 кислородсодержащей газовой средой и выдерживают указанную газовую смесь в корпусе 1 и реакционной камере 3 до срабатывания кислорода в ней. Кислород взаимодействует с материалом гранул 5, предпочтительно висмутом, и окисляет его с образованием оксида висмута. По завершении восстановления окислительной способности висмута удаляют остатки кислородсодержащей газовой среды, переводят устройство в режим выведения водорода из бескислородной газовой среды и возобновляют выведение водорода.

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.

1. Устройство для выведения водорода из бескислородных газовых сред, содержащее корпус, размещенную внутри него реакционную камеру, заполненную кислородсодержащим материалом, систему подвода в реакционную камеру обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, систему отвода обработанной газовой среды из реакционной камеры, систему восстановления окислительных свойств кислородсодержащего материала, обеспечивающую возможность подачи кислородсодержащей газовой среды в корпус, и систему переключения режимов работы устройства, обеспечивающую регулирование подвода в реакционную камеру обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, и подачи кислородсодержащей газовой среды в корпус.

2. Устройство для выведения водорода по п. 1, отличающееся тем, что корпус выполнен герметичным.

3. Устройство для выведения водорода по п. 1, отличающееся тем, что корпус выполнен обогреваемым.

4. Устройство для выведения водорода по п. 1, отличающееся тем, что реакционная камера имеет по меньшей мере одну перфорированную секцию с кислородсодержащим материалом.

5. Устройство для выведения водорода по п. 4, отличающееся тем, что в перегородке, разделяющей смежные перфорированные секции, выполнены отверстия.

6. Устройство для выведения водорода по п. 4, отличающееся тем, что в боковой стенке реакционной камеры выполнены отверстия, обеспечивающие соединение перфорированных секций с кислородсодержащим материалом с полостью корпуса.

7. Устройство для выведения водорода по п. 1, отличающееся тем, что реакционная камера установлена в корпусе с зазором относительно его внутренних стенок.

8. Устройство для выведения водорода по п. 1, отличающееся тем, что система подвода в реакционную камеру обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, содержит входной патрубок, к которому с одной стороны подсоединен распределительный проницаемый коллектор, а с противоположной стороны подсоединен трубопровод подачи в устройство обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород.

9. Устройство для выведения водорода по п. 8, отличающееся тем, что распределительный проницаемый коллектор выполнен в виде распределительного трубопровода и реакционной камеры, охватывающей распределительный трубопровод.

10. Устройство для выведения водорода по п. 8, отличающееся тем, что на участке распределительного трубопровода, охватываемого реакционной камерой, в его стенке выполнены отверстия, обеспечивающие соединение полости распределительного трубопровода с внутренними полостями перфорированных секций с кислородсодержащим материалом реакционной камеры.

11. Устройство для выведения водорода по п. 8, отличающееся тем, что на нижнем торце распределительного трубопровода имеется заглушка, предотвращающая перетекание обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, в обход реакционной камеры.

12. Устройство для выведения водорода по п. 1, отличающееся тем, что система восстановления окислительных свойств кислородсодержащего материала состоит из подсоединенного к входному патрубку трубопровода подачи кислородсодержащей газовой среды в корпус.

13. Устройство для выведения водорода по п. 1, отличающееся тем, что система отвода обработанной газовой среды из реакционной камеры состоит из трубопровода отвода обработанной газовой среды, подсоединенного к корпусу устройства.

14. Устройство для выведения водорода по п. 1, отличающееся тем, что система переключения режимов работы устройства включает в себя три запорных вентиля, один из которых установлен в трубопроводе подачи обрабатываемой бескислородной газовой среды, содержащей водород, второй - в трубопроводе системы восстановления окислительных свойств кислородсодержащего материала и третий - в трубопроводе системы отвода обработанной газовой среды.

15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве кислородсодержащего материала используются гранулы оксида висмута.