Катализатор для окисления водорода Советский патент 1992 года по МПК B01J23/89 C22C5/04 

Изобретение относится к катализаторам для окисления водорода в содержащей водород и кислород атмосфере и может быть использовано в предохранительном устройстве при устранении водорода из взрывоопасной содержащей водород и кислород атмосферы в случае аварии ядерных реакторов.

Известен сплав на основе палладия, содержащий один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей серебро, никель и медь. Известным сплав используется в качестве материала покрытий на такие материалы как сталь серебро, мо- нель.

Известен также катализатор для окисления водорода, используемый для устранения водорода из атмосферы предохранительной емкости ядерного реактора, представляющий собой оксид меди.

Недостатком такого катализатора явля-о ется малый срок его службы из-за быстрого отравления каталитическими ядами.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому эффекту является катализатор для окисления вйдо- рода в содержащей водород и кислород атмосфере, представляющий собой палладиевый сплав, содержащий 2-40 мас.% одного из элементов группы 1В в том числе и медь совместно с 0,1-20,0 мас.% одного из элементов VIH группы, в том числе и никелем.

у - «

Использование этого катализатора, например состава Pd : Ni : Си 90:9,5:0,5, в процессе окисления водорода (0,4 бар) для газовой атмосферы состава, бар: воздух водяной пар:СО 1,3:1,6:0,005 дает разогрев катализатора до 500°С.

XI

сл VJ

Ј

СЛ

СА

Целью изобретения является снижение температуры разогрева катализатора при сохранении устойчивости к каталитическим ядам.

Поставленная цель достигается катали- затором для окисления водорода в содержащей водород и кислород атмосфере, включающим палладий-никель-медный сплав при следующем содержании компонентов, мас.%: палладий90-95; никель4,0- 9,5; медь 0,5-1,0, нанесенный на одну или обе стороны носителя - листового материала, выполненного из поглощающего реакционное тепло металла - алюминия или меди. Отличительными признаками изобретения являются нанесение сплава на одну или обе стороны вышеупомянутого носителя. Это позволяет использовать катализатор в среде, содержащей каталитические яды, такие как хлор, водорастворимые аэрозоли и мае- ло, серу и оксид углерода.

О сохранении активности свидетельствует незамедлительное увеличение температуры и достижение ее максимального значения 130-470°С. Использование ката- лизатора позволяет снизить температуру его разогрева в процессе эксплуатации на 30-370°С по сравнению с известным катализатором.

Пример 1. Исследуют каталитиче- ское действие сплава палладия, который со- держит95мас.% Pd, 4мас.% Ni, 1 мас.% Си, который нанесен на одну сторону листового носителя из алюминия в реакционной камере, в которую пропускают газовую смесь, составленную в реальных для аварий ракто- ров соотношениях. В реакционной камере один или несколько листовых носителей с остающейся свободно нанесенной поверхностью располагают соответственно таким образом, чтобы обе покрытые слоями стороны были доступны для получающейся в реакционной камере газовой смеси. Всего в реакционной камере с объемом 6,5 л находится листового носителя с общей поверх- ностью 240 см2 для катализа.

Для испытания используют газовую атмосферу, которая содержит 1,3 бар воздуха, 1,6 бар пара, 0,007 бар СО. В эту газовую атмосферу подают 0,4 бар водорода. После подачи водорода в газовую атмосферу в реакционной камере сначала создается давле- ние выше 3,3 бар. В результате возникающего каталитического окисления водорода давление затем падает в течение приблизительно первых 3,5 мин до давления около 3,15 бар. Давление остается затем постоянным, из чего следует, что окислительная реакция за это время в основном уже закончена и связанный водород существует уже в виде водяного пара.

За этот же промежуток времени температура в листовом носителе поднимается от 120°С в течение 1 мин до максимальной температуры 260°С, После достижения этой максимальной температуры она снова быстро падает. Через 4 мин листовой носитель снова имеет исходную температуру 120°С.

То, что выделяющееся при катализе тепло может быть почти полностью поглощено листовым носителем и отведено, показывает незначительное изменение температуры вокруг листового носителя с нанесенным слоем в реакционной камере, температура в реакционной камере поднимается от 120°С после подачи водорода во время каталитической реакции максимально до 140°С. Эта максимальная температура достигается в течение 2 мин после начала реакции. Непосредственно после этого температура в реакционной камере вновь сжимается до своего исходного значения.

Пример 2. Исследуют каталитическое действие сплава палладия, который содержит 90 мас.% Pd, 9,5 мас.% Ni, 0,5 мае, % Си. Сплав палладия наносят с обеих сторон на листовой носитель из алюминия. Листовой носитель имеет толщину 0,1 мм. Вся каталитическая поверхность составляет 80 см2. Для испытания используют газовую атмосферу, содержащую следующие количества газов: (указаны парциальные давления) 1,3 бар воздуха, 1,6 бар водяного пара, 0,005 бар СО. В газовую атмосферу подают 0,4 бар водорода.

Каталитическая реакция начинается непосредственно после подачи водорода в газовую атмосферу. С увеличением давления в реакционной камере при добавлении водорода температура в листовом носителе также увеличивается. Каталитическое окисление водорода приводит к снижению давления, давление в реакционной камере снижается приблизительно от 3,4 до 3,1 бар Температура в листовом носителе быстро поднимается от 120°С в течение 1 мин до максимальной 240°С. После этого она снова падает и достигает уже через 3 мин снова исходного значения 120°С Водород полностью переходит в водяной пар.

На основании этих исследований для подходящих сплавов установлено только лишь начало реакции окисления, т.е. время, при котором в результате поглощения реакционного тепла используют увеличение температуры в листовом носителе

Пример 3 (сравнительный). Используют сплав палладия с 90 мас.% Pd, 9,5 мас.% N1, 0,5 мас.% Си в виде листа (вальцованная пленка). Особого листового носителя не применяют Размеры листа следующие: 200x20x0.1 мм . В реакционной камере объемом 6,5 л вся каталитическая поверх- ность составляет 90 см. В реакционной камере находится газовая смесь с 1,3 бар воздуха. 0,005 бар СО, 1.6 бар водяного пара. В газовую атмосферу добавляют кроме того примеси хлора, водорастворимых аэрозолей ( нитратов серебра и борнитратов) и масла, чтобы создать наиболее неблагоприятную для каталитической реакции газовую атмосферу, которая может возникнуть в слу- чае аварии реактора в предохранительной емкости реактора. Исходная температура в листе составляла 120°С.

В реакционную камеру подают 0,4 бар На. Каталитическое действие сплава палла- дня проявляется без замедления, увеличение температуры в листе было спонтанным, Температура в листе палладия поднималась максимально до 500°С.

Пример 4, Указанный в примере 3 сплав палладия с 90 мас.% Pd, 9,5 мас.% Ni. 0,5 мас.% Си наносят на листовой носитель из алюминия. В реакционной камере используют листовой носитель с каталитической общей поверхностью 120 см2. Газовая смесь содержит 1,6 бар воздуха, 0,005 бар СО. В эту газовую смесь добавляют 0,4 бар водорода. Исходная температура в листовом носителе 120°С. Понижение давления и увеличение температуры происходит 1 мин. Температура в листовом носителе поднимается максимально до 325°С.

Пример 5, Сплав палладия с 94 мас.% Pd, 5 мас.% N1 и 1 мас.% Си с обеих сторон напыляют на листовой носитель из алюминия. Толщина сплава палладия на обеих сторонах листового носителя 3000 А. Используют листовой носитель следующих размеров. 200x30x0,1 мм3. Вся каталитиче- екая поверхность в реакционной камере составляет 240 см2. Каталитическая реакция развивается тем быстрее, чем больше каталитическая поверхность в реакционной камере используется. Существенным для определения каталитической поверхности является однако ее максимально допустимое нагревание вплоть до вышеуказанной температурной границы, лежащей ниже температуры взрывоопасности газовой смеси. Так как при этом отдача тепла из листа или листового носителя в окружающую среду является решающим моментом, приняты также указанные удельный переход тепла (коэффициент теплопередачи в Дж/м2-кгс). Чтобы обеспечить высокую надежность, стремятся создать для газовой

атмосферы в предохранительной реакторной емкости в случае аварии возможно большую каталитическую поверхность и ввести ее в действие по возможности быстро.

В реакционной камере используют газовую атмосферу следующего состава (парциальных давлений: воздуха 1,3 бар, пара 1, 6 бар, СО 0,007 бар. Исходная температура в листовом носителе 120°С. В реакционную камеру пропускают 0,4 бар На. Каталитическая реакция идет без замедления, максимальная температура составляет в листовом носителе 280°С.

Пример 6. Сплав палладия, содержащий 94 мас.% Pd, 5 мас.% Mi, 1 мас.% Си наносят с обеих сторон на листовой носитель из алюминия с размерами 145x28x0,1 мм3. В реакционной камере находится листовой тсительс каталитической поверхностью 180 см2. Имеющаяся в реакционной камере газовая атмосфера имеет следующий состав газа, выраженный в парциальных давлениях: 1,3 бар воздуха; 1,6 бар водяного пара; 0,006 бар СО. Начальная температура в листовом нсоителе составляет 120°С. Подают 0,4 бар водорода. Реакция начинается спонтанно, максимальная тем- пераутра в листовом носителе составляет 305°С.

Пример 7. Сплав палладия с 95 мас.% Pd, 4 мас.% NJ 1 мае % Си напыляют с обеих сторон на листовой носитель из меди. В реакционной камере каталиэаторная поверхность составляет 240 см . В атмосферу воздуха (1,9 бар), находящуюся в камере, подают 0,08 бар водорода (4 об.%). Начальная температура в листовом носителе составляет приблизительно 100°С.

Несмотря на незначительную концентрацию водорода реакция развивается непосредственно после пропускания водорода, максимальная температура составляет в листовом носителе 130°С.

Основные результаты испытания сведены в таблицу.

Формула изобретения

Катализатор для окисления водорода в содержащей водород и кислород атмосфере, включающий палладий-никель-медный сплав при следующем содержании компонентов, мас.%: палладий90-95;никель4,0- 9,5; медь0.5-1,0, отличающийся тем, что, с целью снижения температуры разогрева катализатора при сохранении устойчивости к катализаторным ядам, указанный сплав нанесен с одной или с обеих сторон на носитель - листовой материал, выполненный из поглощающего реакционное тепло металла - алюминия или меди.

Использование: в предохранительном устройстве при устранении водорода из взрывоопасной, содержащей водород и кислород атмосферы. Сущность изобретения катализатор (КТ) содержит палладий-никель-медный сплав состава, %; палладий 90-95; никель 4,0-9,5; медь 0,5-1,0, нанесенный на одну или обе стороны носителя - листового материала, выполненного из поглощающего реакционное тепло металла - алюминия или меди. Характеристика: максимальный разогрев КТ 130-470°С. 1 табл.