Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода со средствами организации дополнительного потока окружающей воздушной среды к сборкам каталитических элементов в направлении поперечном к основному Российский патент 2017 года по МПК G21C9/06 

Область техники

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано при авариях на атомных электростанциях (АЭС) для предотвращения накопления в аварийных помещениях водорода, при захоронении ядерных отходов (где водород образуется в результате радиолиза воды и органических веществ). Кроме того, оно может быть использовано при утечках водорода в производственных помещениях на предприятиях химической индустрии, из установок с применением водорода (например, из системы охлаждения генераторов электростанций всех типов), в хранилищах водородных баллонов, на испытательных стендах с применением водорода, в учебных лабораториях, при коррозии оборудования и др.

Уровень техники

Одним из основных способов обеспечения водородной безопасности в случае аварии на современных АЭС с выделением большого количества водорода является каталитическая рекомбинация водорода с кислородом воздуха:

В качестве катализаторов используются металлы платиновой группы, чаще сама платина. Реакция на них протекает в диффузионном режиме, т.е. ее скорость лимитируется стадией подвода газовых реагентов к поверхности катализатора. Процесс удаления водорода (т.е. превращение его в безопасный водяной пар) протекает в автокаталитическом (пассивном) режиме, т.е. без энергозатрат и управления извне, что позволяет поддерживать достаточно низкое (безопасное) содержание водорода в помещениях АЭС в течении всего аварийного периода. Устройство, в котором осуществляется реакция (1), получило название пассивный автокаталитический рекомбинатор (ПАР). Обычно он представляет собой вертикально расположенный полый корпус прямоугольного или круглого поперечного сечения со свободно открытыми в окружающую среду нижним и верхним торцами с помещенной в нижней части указанного корпуса по его высоте по меньшей мере одной сборкой каталитических элементов.

Дисперсный металл-катализатор в каталитическом элементе обычно наносится на каталитическую основу, в качестве которой, как правило, используются пористые керамические композиты (чаще всего из оксида алюминия) в виде пластин, труб и др. Каталитические элементы закрепляются в жестком каркасе (картридже) из термо- и коррозионно-стойкого материала, обычно из нержавеющей стали.

Автокаталитический режим экзотермических реакций (к этому классу относится и рассматриваемая реакция) обусловлен тепловыделением, благодаря которому испаряется образующаяся вода, своевременно освобождая по мере испарения рабочую поверхность катализатора. Нагретый пар и воздух формируют в корпусе ПАР восходящий конвективный поток. В результате естественного газообмена ПАР в стационарном пассивном режиме освобождает окружающую среду от водорода. С конца прошлого века пассивные рекомбинаторы кислорода и водорода описанной выше конструкции являются обязательной составной частью современных систем водородной безопасности АЭС.

Модернизация ПАР происходит в направлениях повышения их производительности, улучшения надежности функционирования, сокращения стартового периода включения в работу, снижения стоимости, увеличения ресурса и безопасности.

Последнее связано с возможным «перегревом» катализатора при работе в атмосфере с высоким содержанием водорода (более 6-8% об.), что может инициировать поджиг и даже взрыв водород-воздушной среды. В свою очередь, уровень концентрации водорода в помещении, в которое постоянно поступает водород, находится в прямой зависимости от производительности отдельных ПАР (скорости каталитического процесса и создаваемой конвективным потоком тяги в корпусе рекомбинатора). «Перегрев» катализатора обусловлен тем, что его работа происходит в пространстве, ограниченном стенками корпуса ПАР, т.е. в условиях, близких к адиабатическим. Чем больше мощность ПАР и эффективнее происходит теплоотвод от зоны каталитической сборки, тем меньшее количество этих устройств и финансовых затрат требуется для оснащения данного помещения. В целях увеличить производительность ПАР в последние 10-15 лет предлагались: различные катализаторы, структуры и картриджи сборок каталитических элементов и конструкции корпусов ПАР.

Известен ПАР (RU 2499305, G21C 9/06, 2013 [1]), содержащий 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.

Согласно [1] каждую каталитическую пластину размещают между двумя, более короткими, металлическими пластинами, что создает более равномерное распределение газового потока и снижение термической нагрузки на нижнюю часть каталитической пластины. При содержании водорода в окружающей воздушной среде, равном 2% об., удельная скорость рекомбинации водорода и кислорода в данном ПАР достигает 45 н.мл/(мин см²).

Известен ПАР (RU 2461900, G21C 9/06, 2012 [2]), в котором с целью предотвращения перегрева катализатора в нижней части корпуса помещены по меньшей мере два расположенных по высоте сборки пластинчатых каталитических элемента с уменьшающимися поперечным сечением и высотой, которые обеспечивают ступенчатое возрастание скорости реакции и, одновременно, делокализацию выделяющегося тепла реакции и распределение его по высоте сборки указанных элементов. Подобная структура позволяет при 2% об. содержания водорода в окружающей среде получать скорости рекомбинации водорода и кислорода до 55 н.мл/(мин см²).

Известен ПАР (RU 2537956, G21C 9/06, 2014 [3]), содержащий, кроме центральной стволовой части корпуса, присоединенные к ней боковые рукава со сборками каталитических элементов, расположенные наклонно под углом к указанной стволовой части корпуса. Этим достигается дополнительное поступление водород-воздушной смеси в стволовую часть корпуса, с соответствующим увеличением скорости рекомбинации водорода и кислорода при 2% об. содержания водорода в окружающей среде до 70 н.мл /(мин⋅см²).

Общим недостатком всех трех перечисленных аналогов является наличие риска локального перегрева каталитических элементов, вызываемого увеличением скорости рекомбинации водорода и кислорода.

Из перечисленных выше трех аналогов патентуемого изобретения в качестве ближайшего (прототипа) выбран аналог [1], несмотря на наименьшее для указанных трех аналогов в достигнутое значение величины скорости рекомбинации водорода при заданном значении его объемного содержания в окружающей среде. Это связано с тем, что аналог [1] наиболее близок к патентуемому изобретению по своему конструктивному выполнению.

Раскрытие изобретения

Техническими результатами патентуемого изобретения являются дальнейшее по сравнению с достигнутым уровнем техники увеличение скорости рекомбинации водорода и кислорода в окружающей воздушной среде, а также устранение риска локального перегрева каталитических элементов при увеличенной скорости рекомбинации водорода и кислорода.

Указанные технические результаты обеспечиваются тем, что ПАР, содержащий 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, согласно изобретению 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, а каждый последующий от периферии к центру ряд каталитических элементов указанной сборки расположен ниже предыдущего.

Величина снижения каждого последующего горизонтального ряда каталитических элементов от периферии до центра корпуса предпочтительно составляет:

Δh=k⋅h/n,

где

k - численный коэффициент,

h - высота каталитического элемента,

n - число горизонтальных рядов сборки от периферии до центра корпуса;

величина k предпочтительно лежит в пределах 0,1…1,0, расстояние между смежными рядами каталитических элементов в сборке предпочтительно составляет δ=(0,1…0,4)h, величина h предпочтительно лежит в пределах (10…150) мм, а расстояние в свету между смежными каталитическими элементами одного горизонтального ряда сборки предпочтительно составляет s=(0…150) мм.

Для организации поперечного потока окружающей воздушной среды через выделенную часть выделенной сборки в стенках указанного корпуса в местах, ограничивающих зоны подвода указанного поперечного потока, могут быть предусмотрены равномерно распределенные по соответствующей части стенок корпуса сквозные отверстия

или

стенки указанного корпуса в местах, ограничивающих зоны подвода указанного поперечного потока, могут быть выполнены в виде металлической сетки.

Для организации поперечного потока окружающей воздушной среды через по меньшей мере нижнюю часть нижней сборки указанная часть указанной сборки может быть выведена вовне за пределы нижнего торца указанного корпуса.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков патентуемого изобретения и его техническими результатами заключается в следующем.

При работе ПАР согласно патентуемому изобретению в рабочие зоны выделенных каталитических сборок поступает водород-воздушная смесь не только снизу, в восходящем конвективном потоке, но и по периферии корпуса с поперечным по отношению к восходящему потоком. При этом за счет существенного увеличения площади контакта водород-воздушной смеси с каталитическими элементами соответственно возрастает скорость рекомбинации водорода и кислорода. Интенсивное функционирование катализатора сопровождается ростом теплообмена (в частности, теплового излучения), что снижает риск локального перегрева каталитических элементов.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематически изображен корпус ПАР (вид спереди) прямоугольного сечения, в стенках которого предусмотрены отверстия для поперечного подвода водород-воздушной смеси к каталитическим элементам выделенной сборки; на фиг. 2 - вид спереди на корпус ПАР, стенки которого в месте расположения выделенной сборки каталитических элементов выполнены в виде металлической сетки; фиг. 3 - корпус ПАР (вид спереди) прямоугольного сечения с нижней сборкой каталитических элементов пластинчатой формы, часть которой выдвинута вовне за пределы нижнего торца корпуса; на фиг. 4 - то же в виде сбоку на указанную сборку; на фиг. 5 - то же в виде спереди для корпуса круглого сечения со сборкой каталитических элементов трубчатой формы; на фиг. 6 - то же в виде снизу.

Условные обозначения

КЭ - каталитический элемент;

ПАР - пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода;

Перечень позиций

10 - корпус ПАР; 11 - сквозные отверстия в стенке корпуса; 12 - металлическая сетка в качестве части стенки корпуса; 20 - нижняя сборка КЭ; 31 - параллельные горизонтальные ряды КЭ; 32 - концентричные горизонтальные ряды КЭ; 41, 42 - КЭ; 41 - прямоугольные КЭ; 42 - трубчатые КЭ.

Осуществление изобретения

ПАР согласно патентуемому изобретению содержит вертикально расположенный полый корпус 10 (фиг. 1-6) прямоугольного (фиг. 1-4) или круглого (фиг. 5, 6) сечения со свободно открытыми в окружающую воздушную среду нижним и верхним торцами.

В нижней части корпуса 10 по его высоте установлена по меньшей мере одна сборка (в данном примере одна сборка 20) каталитических элементов (КЭ) 41, 42, расположенных по поперечному сечению корпуса соответственно его форме параллельными рядами 31 (фиг. 4) или концентричными рядами 32 (фиг. 6).

ПАР согласно изобретению дополнительно содержит средства организации дополнительного потока окружающей воздушной среды в данном примере к нижней сборке 20 КЭ 41, 42 в поперечном направлении по отношению к оси корпуса 10. При этом каждый последующий от периферии к центру ряд 31 или 32 КЭ 41, 42 сборки 20, в которой организован поперечный поток окружающей воздушной среды, расположен ниже предыдущего фиг. 4, 5.

Величина снижения каждого последующего горизонтального ряда 31 или 32 КЭ 41, 42 от периферии до центра корпуса 10 составляет:

Δh=k⋅h/n,

где

k - численный коэффициент,

h - высота КЭ 41, 42,

n - число горизонтальных рядов до центра корпуса 31 или 32 сборки,

при этом k равно (0,1…1,0), h равна (10…150) мм.

Пример: при выбранных значениях: k=0,5, h=100 мм, n=4

Δh=0,5⋅100/4=12,5 мм

Организация поперечного потока окружающей воздушной среды через КЭ 41, 42 может быть осуществлена следующими равноэффективными конструктивными средствами:

а) в стенках корпуса 10 в местах, ограничивающих зоны подвода поперечного потока окружающей воздушной среды, могут быть предусмотрены равномерно распределенные по соответствующей части стенок корпуса 10 сквозные отверстия 11;

б) стенки корпуса 10 в местах, ограничивающих зоны подвода поперечного потока окружающей воздушной среды, могут быть выполнены в виде металлической сетки 12;

в) по меньшей мере часть нижней сборки 20 может быть выведена вовне за пределы нижнего торца корпуса 10.

Следует заметить, что варианты а) и б) могут быть использованы применительно к сборке КЭ, расположенной в любом месте по высоте нижней части корпуса 10, а вариант в) только для нижней сборки.

ПАР согласно патентуемому изобретению работает следующем образом.

С появлением в окружающей воздушной среде водорода на поверхностях катализатора каталитических элементов КЭ 41, 42 начинается экзотермическая реакция рекомбинации водорода и кислорода (1). Автокаталитический режим этой реакции обусловлен так называемым стефановским потоком, направленным к поверхности катализатора и представляющим собой поток массы по направлению нормали к поверхности раздела фаз, обусловленный разностью давлений в газовой смеси с неоднородным распределением концентраций ее компонентов. Кроме того, на развитие каталитического процесса влияет возникновение восходящего конвективного газового потока вследствие появления градиентов температуры и давления по высоте корпуса ПАР 10. При этом, если стефановский поток к поверхности катализатора, находящегося внутри корпуса 10 со сплошными стенками, осуществляется только за счет восходящего (одномерного) газового потока внутри ограниченного пространства, то внутри корпуса 10 с несплошными стенками (наличие отверстий 11 или металлической сетки 12) или вне того же корпуса для переноса газовых реагентов стефановским потоком, т.е. в поперечном (горизонтальном) направлении по отношению к катализатору, этого ограничения нет. В результате находящаяся внутри корпуса 10 с несплошными стенками или вне того же корпуса соответствующая часть катализатора сборки 20 использует повышенный газообмен с окружающей водородсодержащей воздушной средой и, следовательно, способна рекомбинировать водород с большей скоростью.

Проведенные экспериментальные исследования работы ПАР согласно патентуемому изобретению с использованием описанных выше средств организации дополнительного поперечного потока окружающей водород-содержащей воздушной среды через нижнюю сборку 20 КЭ 41, 42 различной формы показали, что степень возрастания скорости рекомбинации водорода и кислорода при атмосферном давлении и С(Н₂)=2% об., по сравнению с достигнутой в ПАР [1] скоростью 45 н.мл/мин⋅см², составляет в среднем 1,9. Таким образом, абсолютное значение скорости рекомбинации водорода и кислорода в ПАР патентуемого изобретения при указанной выше концентрации водорода в окружающей воздушной среде составляет примерно 86 н.мл/мин⋅см², что превышает эффективность работы в данном отношении всех известных из современного уровня техники ПАР.

Кроме того, как показали проведенные эксперименты при работе ПАР согласно патентуемому изобретению, по сравнению с [1] наблюдалось значительное снижение степени саморазогрева катализатора. Например, при удельной скорости рекомбинации 80 н.мл/(мин⋅см²) указанная температура снизилась с 360°С до 195°С, т.е. в 1,85 раза.

Промышленная применимость

ПАР согласно изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области атомной энергетики и других приведенных выше отраслей.

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.

1. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода, содержащий:

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,

отличающийся тем, что:

он 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,

а каждый последующий от периферии к центру ряд каталитических элементов указанной сборки расположен ниже предыдущего.

2. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода по п. 1,

отличающийся тем, что

величина снижения каждого последующего горизонтального ряда каталитических элементов от периферии до центра корпуса составляет:

Δh=k·h/n,

где

h - высота каталитического элемента,

n - число горизонтальных рядов сборки от периферии до центра корпуса;

величина k лежит в пределах 0,1…1,0, расстояние между смежными рядами каталитических элементов в сборке составляет δ=(0,1…0,4)h, величина h лежит в пределах (10…150) мм, а расстояние в свету между смежными каталитическими элементами одного горизонтального ряда сборки составляет s=(0…150) мм.

3. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

для организации поперечного потока окружающей воздушной среды через выделенную часть выделенной сборки в стенках указанного корпуса в местах, ограничивающих зоны подвода указанного поперечного потока, предусмотрены равномерно распределенные по соответствующей части стенок корпуса сквозные отверстия.

4. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

для организации поперечного потока окружающей воздушной среды стенки указанного корпуса в местах, ограничивающих зоны подвода указанного поперечного потока, выполнены в виде металлической сетки.

5. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

для организации поперечного потока окружающей воздушной среды через по меньшей мере нижнюю часть нижней сборки указанная часть указанной сборки выведена вовне за пределы нижнего торца указанного корпуса.