Каталитический рекомбинатор водорода и кислорода пассивного типа и каталитический элемент для рекомбинации водорода и кислорода во влажных условиях

Полезная модель относится к области атомных электростанций (АЭС) и может быть использована для предотвращения пожара и взрыва от возгорания водорода в реакторном зале при аварии на АЭС с потерей теплоносителя. Одним из достигаемых результатов полезной модели является повышение эффективности работы рекомбинатора путем улучшения теплоотвода от его каталитических элементов. Данный результат обеспечивается тем, что в нижних опорных балках теплоотводного каркаса рекомбинатора предусмотрены глухие цилиндрические гнезда, в которых без зазора установлены нижние концы стержневых каталитических элементов, а нижние концы проволочных крепежных элементов стержней имеют утопленные в указанных балках теплоотводные участки. При этом масса металла теплопроводной рамы вместе с крепежными элементами составляет 10÷25 грамм на один каталитический элемент, а стержни в поперечном сечении каталитического блока расположены в шахматном порядке с шагами между рядами и между стержнями в каждом ряду, выбранными из условия образования между любым стержнем в одном ряду и двумя смежными по отношению к нему стержнями в соседнем ряду равностороннего треугольника. Еще одним достигаемым результатом полезной модели является экономия драгоценного металла в составе каталитического элемента при повышении эффективности последнего. Данный результат обеспечивается тем, что у каталитического элемента каталитический материал и гидрофобизатор сосредоточены в поверхностной зоне носителя на глубине в пределах 5÷300 мкм и на всей указанной глубине равномерно распределены в нем. Внешняя поверхность носителя покрыта газопроницаемой защитной пленкой гидрофобизатора толщиной 15÷25 мкм.

Полезная модель относится к области атомных электростанций (АЭС) и может быть использована для предотвращения пожара и взрыва от возгорания водорода в реакторном зале при аварии на АЭС с потерей теплоносителя.

Известен рекомбинатор активного типа, в котором осуществляется каталитическая рекомбинация водорода и кислорода при принудительной подаче в рекомбинатор кислорода из баллонов [1] - аналог. Такой рекомбинатор ненадежен в работе, так как подача кислорода из баллонов в аварийных условиях может не сработать.

Известен каталитический рекомбинатор водорода и кислорода пассивного типа, содержащий сообщенный в нижней и верхней частях с окружающей средой корпус, внутри которого помещен двухъярусный каталитический блок гидрофобизированных каталитических элементов, выполненных в виде вертикально расположенных цилиндрических стержней, каждый из которых имеет центральный осевой канал и закреплен на теплопроводящей раме с горизонтальными нижними и верхними опорными балками, имеющей проходящие через указанные каналы в стержнях проволочные крепежные элементы [2] - прототип. Недостатком такого рекомбинатора является слабая эффективность из-за ограничения подвода реагирующих газов к активной поверхности каталитического элемента, создаваемого цилиндрическими кожухами, установленными вокруг каждого каталитического элемента.

Одним из достигаемых результатов полезной модели является повышение эффективности работы рекомбинатора путем улучшения теплоотвода от его каталитических элементов.

Указанный результат обеспечивается тем, что у каталитического рекомбинатора водорода и кислорода пассивного типа, содержащего сообщенный в нижней и верхней частях с окружающей средой корпус, внутри которого

помещен двухъярусный каталитический блок гидрофобизированных каталитических элементов, выполненных в виде вертикально расположенных цилиндрических стержней, каждый из которых имеет центральный осевой канал и закреплен на теплопроводящей раме с горизонтальными нижними и верхними опорными балками, имеющей проходящие через указанные каналы в стержнях проволочные крепежные элементы, согласно полезной модели в нижних опорных балках предусмотрены глухие цилиндрические гнезда, в которых без зазора установлены нижние концы стержней, а нижние концы проволочных крепежных элементов имеют утопленные в указанных балках участки. При этом масса металла теплопроводной рамы вместе с крепежными элементами составляет 10÷25 грамм на один каталитический элемент, и в каждом ярусе стержни в поперечном сечении каталитического блока расположены в шахматном порядке с шагами между рядами и между стержнями в каждом ряду, выбранными из условия образования между любым стержнем в одном ряду и двумя смежными по отношению к нему стержнями в соседнем ряду равностороннего треугольника.

Известен каталитический элемент для рекомбинации водорода и кислорода во влажных условиях, содержащий керамический носитель на основе пористого оксида алюминия, каталитический материал в виде дисперсно распределенного в порах носителя металла из группы платиноидов или их соединений и дисперсный гидрофобизатор [3] - прототип. В указанном известном каталитическом элементе металл и гидрофобизатор равномерно распределены в порах керамического носителя по всему его объему. Вместе с тем, как показали эксперименты, практически активно каталитический эффект проявляется только в сравнительно тонком поверхностном слое носителя со стороны поступления в него водорода, то есть в каталитическом элементе согласно прототипу имеет место значительный неоправданный перерасход каталитического материала.

Еще одним достигаемым результатом полезной модели является экономия драгоценного металла в составе каталитического элемента при повышении эффективности последнего.

Указанный результат обеспечивается тем, что у каталитического элемента для рекомбинации водорода и кислорода во влажных условиях, содержащего

керамический носитель на основе пористого оксида алюминия, каталитический материал в виде дисперсно распределенного в порах носителя металла из группы платиноидов или их соединений и дисперсный гидрофобизатор, согласно полезной модели каталитический материал и гидрофобизатор сосредоточены в поверхностной зоне носителя на глубине в пределах 5÷300 мкм и на всей указанной глубине равномерно распределены в нем. При этом внешняя поверхность носителя покрыта газопроницаемой защитной пленкой гидрофобизатора толщиной 15÷25 мкм.

На фиг.1 представлен общий вид рекомбинатора согласно полезной модели; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.3 - узел В фиг.1; на фиг.4 - узел С фиг.1; на фиг.5 - каталитический элемент в поперечном сечении.

Каталитический рекомбинатор водорода и кислорода пассивного типа, согласно полезной модели содержит сообщенный в нижней и верхней частях с окружающей средой корпус 1, внутри которого помещен двухъярусный каталитический блок гидрофобизированных каталитических элементов 2, выполненных в виде вертикально расположенных цилиндрических стержней, каждый из которых имеет центральный осевой канал 3 (фиг.3, 4, 5) и закреплен на теплопроводящей раме 4 с горизонтальными нижними и верхними опорными балками 5 и 6 соответственно. Рама 4 снабжена проходящими через каналы 3 в стержнях каталитических элементов 2 проволочными крепежными элементами 7 (фиг.3, 4). В нижних опорных балках 5 согласно полезной модели предусмотрены глухие цилиндрические гнезда 8, в которых без зазора установлены нижние концы стержней каталитических элементов 2, а нижние концы проволочных крепежных элементов 7 имеют утопленные в балках 6 участки 9 (фиг.4). При этом масса металла теплопроводной рамы 4 вместе с крепежными элементами 7 составляет 10÷25 грамм на один каталитический элемент 2. В каждом ярусе стержни в поперечном сечении блока каталитических элементов 2 расположены в шахматном порядке (фиг.2) с шагами S₁ и S ₂ соответственно между рядами и между стержнями в каждом ряду, выбранными из условия образования между любым стержнем каталитического элемента 2 в одном ряду и двумя смежными по отношению к нему стержнями в соседнем ряду равностороннего треугольника со сторонами a=b=c.

Каталитический элемент для рекомбинации водорода и кислорода во влажных условиях согласно полезной модели содержит (фиг.3, 4, 5) керамический носитель 10 на основе пористого оксида алюминия, каталитический материал в виде дисперсно распределенного в порах носителя металла из группы платиноидов или их соединений (преимущественно - платины) и газопроницаемый гидрофобизатор. При этом согласно полезной модели каталитический материал и гидрофобизатор сосредоточены в поверхностной зоне 11 носителя 10 на глубине d=5÷300 мкм и на всей указанной глубине равномерно распределены в нем. Внешняя поверхность носителя 10 покрыта газопроницаемой защитной пленкой 12 гидрофобизатора толщиной 15÷25 мкм.

В верхней части рекомбинатора за каталитическим блоком верхнего яруса и в нижней части рекомбинатора перед каталитическим блоком нижнего яруса по ходу рекомбинирующих газов установлены огнепреграждающие сетки 13 и 14 соответственно (фиг.1).

Рекомбинатор с каталитическими элементами 2 согласно полезной модели работает следующим образом. Находясь постоянно в помещении реакторного зала АЭС, при аварийной ситуации рекомбинатор пассивного типа начинает работать сразу после поступления в помещение водорода при его концентрации ˜0,2 об.%. Каталитическая реакция осуществляется в тонком поверхностном слое d каталитического элемента, что экономит расход драгоценного металла (платины) и повышает эффективность работы, так как с катализатором контактируют, в основном, свежие порции водородсодержащего газа. Защита катализатора от влаги осуществляется дисперсно распределенным в порах поверхностного слоя d носителя 10 и защитной пленкой 12 газопроницаемого гидрофобизатора на основе теплостойких полимерных материалов, например, фторопласта-4. Выделяемая в процессе реакции каталитической рекомбинации водорода и кислорода теплота способствует организации конвективного потока через рекомбинатор снизу вверх водородсодержащего газа, подсасывающего из помещения свежие порции газовой смеси. Излишек теплоты от каталитических элементов 2 отводится в помещение через раму 4, в нижних балках 5 которых в гнездах 8 плотно закреплены концы стержней каталитических элементов 2, и проволочные крепежные элементы

7 с теплоотводными участками 9. При этом для надежного теплоотвода масса металла теплопроводной рамы 4 вместе с крепежными элементами 7 должна составлять 10÷25 грамм на один каталитический элемент 2. В случае непредвиденной вспышки водорода распространение пламени предотвращается огнепреградительными сетками 13, 14.

Практическая применимость приведенных выше пределов значений абсолютных величин удельной массы металла теплопроводящей рамы, а также глубины поверхностной зоны носителя и толщины защитной пленки гидрофобизатора подтверждены экспериментальными данными.

Источники информации:

1. Патентная заявка DE 19852951 А1, 7 G 21 С 9/06, 2001.

2. Патент RU №1779191, 6 В 01 J 21/04, 1993.

3. Патент RU №1780828, 6 В 01 J 23/42, 1991.

1. Каталитический рекомбинатор водорода и кислорода пассивного типа, содержащий сообщенный в нижней и верхней частях с окружающей средой корпус, внутри которого помещен двухъярусный каталитический блок гидрофобизированных каталитических элементов, выполненных в виде вертикально расположенных цилиндрических стержней, каждый из которых имеет центральный осевой канал и закреплен на теплопроводящей раме с горизонтальными нижними и верхними опорными балками, имеющей проходящие через указанные каналы в стержнях проволочные крепежные элементы, отличающийся тем, что в нижних опорных балках предусмотрены глухие цилиндрические гнезда, в которых без зазора установлены нижние концы стержней, а нижние концы проволочных крепежных элементов имеют утопленные в указанных балках участки.

2. Каталитический рекомбинатор водорода и кислорода по п.1, отличающийся тем, что масса металла теплопроводной рамы вместе с крепежными элементами составляет 10÷25 г на один каталитический элемент.

3. Каталитический рекомбинатор водорода и кислорода по п.1 или 2, отличающийся тем, что в каждом ярусе стержни в поперечном сечении каталитического блока расположены в шахматном порядке с шагами между рядами и между стержнями в каждом ряду, выбранными из условия образования между любым стержнем в одном ряду и двумя смежными по отношению к нему стержнями в соседнем ряду равностороннего треугольника.

4. Каталитический элемент для рекомбинации водорода и кислорода во влажных условиях, содержащий керамический носитель на основе пористого оксида алюминия, каталитический материал в виде дисперсно распределенного в порах носителя металла из группы платиноидов или их соединений и дисперсный гидрофобизатор, отличающийся тем, что каталитический материал и гидрофобизатор сосредоточены в поверхностной зоне носителя и на всей ее глубине равномерно распределены в нем, а внешняя поверхность носителя покрыта газопроницаемой защитной пленкой гидрофобизатора.

5. Каталитический элемент по п.4, отличающийся тем, что глубина поверхностной зоны носителя составляет 5÷300 мкм, а толщина защитной пленки гидрофобизатора - 15÷25 мкм.