WO2018009092A1 - Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода - Google Patents
Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода Download PDFInfo
- Publication number
- WO2018009092A1 WO2018009092A1 PCT/RU2016/000723 RU2016000723W WO2018009092A1 WO 2018009092 A1 WO2018009092 A1 WO 2018009092A1 RU 2016000723 W RU2016000723 W RU 2016000723W WO 2018009092 A1 WO2018009092 A1 WO 2018009092A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- housing
- assembly
- hydrogen
- oxygen
- specified
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 46
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 45
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 23
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 23
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 43
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000003570 air Substances 0.000 claims description 19
- 230000008520 organization Effects 0.000 claims description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 16
- 238000005215 recombination Methods 0.000 abstract description 15
- 230000006798 recombination Effects 0.000 abstract description 15
- 238000013021 overheating Methods 0.000 abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 3
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical group C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- -1 Platinum group metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000003608 radiolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C9/00—Emergency protection arrangements structurally associated with the reactor, e.g. safety valves provided with pressure equalisation devices
- G21C9/04—Means for suppressing fires ; Earthquake protection
- G21C9/06—Means for preventing accumulation of explosives gases, e.g. recombiners
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Definitions
- the technical field The invention relates to the field of nuclear energy and can be used in accidents at nuclear power plants (NPPs) to prevent accumulation of hydrogen in emergency rooms, during the disposal of nuclear waste (where hydrogen is formed as a result of radiolysis of water and organic substances).
- NPPs nuclear power plants
- it can be used for hydrogen leaks in industrial premises at chemical enterprises, from plants using hydrogen (for example, from the cooling system of generators of power plants of all types), in hydrogen storage tanks, on test benches using hydrogen, in educational laboratories , during equipment corrosion, etc.
- BACKGROUND OF THE INVENTION One of the main ways to ensure hydrogen safety in the event of an accident at modern nuclear power plants with the release of a large amount of hydrogen is Xia catalytic recombination of hydrogen with oxygen:
- Platinum group metals are used as catalysts, most often platinum itself.
- the reaction to them proceeds in a diffusion mode, i.e. its speed is limited by the stage of supply of gas reagents to the surface of the catalyst.
- the process of hydrogen removal i.e., converting it to safe water vapor
- proceeds in an autocatalytic (passive) mode i.e. without energy consumption and external control, which allows maintain a fairly low (safe) hydrogen content in the premises of the nuclear power plant during the entire emergency period.
- the device in which reaction (1) is carried out is called a passive autocatalytic recombiner (PAR).
- a dispersed metal catalyst in a catalytic element is usually deposited on a catalytic base, which is usually used as porous ceramic composites (most often from aluminum oxide) in the form of plates, pipes, etc.
- the catalytic elements are fixed in a rigid frame (cartridge) of thermo- and corrosion resistant material, usually stainless steel.
- the autocatalytic mode of exothermic reactions (the reaction in question belongs to this class) is caused by heat release, due to which the water formed evaporates, timely releasing the working surface of the catalyst as it evaporates.
- the level of hydrogen concentration in the room, into which hydrogen is constantly supplied is directly dependent on the performance of individual PAHs (the speed of the catalytic process and the convection flow generated by the traction in the recombiner body).
- the “overheating” of the catalyst is due to the fact that its operation occurs in a space bounded by the walls of the PAIR housing, i.e. in conditions close to adiabatic.
- various catalysts, structures and cartridges for assemblies of catalytic elements and structures for the steam generators were proposed: various catalysts, structures and cartridges for assemblies of catalytic elements and structures for the steam generators.
- Known PAR (RU 2499305, G21C9 / 06, 2013 [1]), containing a vertically located hollow body of rectangular or circular cross-section with lower and upper ends freely open in the surrounding air environment and placed at least at the bottom of the specified body at its height one assembly of catalytic elements located along the cross section of the housing according to its shape in parallel or concentric horizontal rows.
- each catalytic plate is placed between two shorter metal plates, which creates a more uniform distribution of the gas flow and a decrease in thermal load on the lower part of the catalytic plate.
- the specific rate of recombination of hydrogen and oxygen in this PAR reaches 45 nml / (min cm 2 ).
- Known PAR (RU 2461900, G21C9 / 06, 2012 [2]), in which, in order to prevent overheating of the catalyst, at least two plate-type catalytic elements located along the assembly height with decreasing cross-section and height, which provide a stepwise increase, are placed in the lower part of the housing the reaction rate and, at the same time, the delocalization of the released reaction heat and its distribution over the height of the assembly of these elements.
- a similar structure allows for 2% vol. the hydrogen content in the environment to obtain the recombination rate of hydrogen and oxygen up to 55 nml / (min cm 2 ).
- the analogue [1] was chosen as the closest (prototype), despite the lowest value for the recombination rate of hydrogen for the specified three analogues at a given value of its volumetric content in the environment. This is due to the fact that the analogue [1] is closest to the patented invention in its constructive implementation.
- the technical results of the patented invention are further compared with the state of the art to increase the rate of recombination of hydrogen and oxygen in the ambient air, as well as eliminate the risk of local overheating of the catalytic elements with an increased rate of recombination of hydrogen and oxygen. The indicated technical results are provided by.
- a PAIR containing a vertically located hollow body of rectangular or circular cross section with lower and upper ends freely open in the surrounding air environment and at least one assembly of catalytic elements located along the cross section of the body according to its shape placed in the lower part of the said body along its height parallel or concentric horizontal rows according to the invention further comprises means for organizing an additional flow of ambient air medium through at least a portion of at least the lower catalytic assembly in the transverse direction relative to the axis of the housing, and each subsequent from the periphery to the center of the series of catalytic elements of the specified assembly is located below the previous one.
- the hydrogen-air mixture enters the working zones of the separated catalytic assemblies not only from below, in an upward convective flow, but also along the periphery of the casing with a transverse relative to the upward flow. Moreover, due to a significant increase in the contact area of the hydrogen-air mixture with catalytic elements, the speed accordingly
- FIG. 1 schematically depicts a PAH case (front view) of rectangular cross section, in the walls of which holes are provided for a transverse supply of a hydrogen-air mixture to the catalytic elements of a dedicated assembly;
- figure 2 is a front view of the housing of the steam, the walls of which at the location of the selected Assembly of the catalytic elements are made in the form of a metal mesh;
- Fig. 1 schematically depicts a PAH case (front view) of rectangular cross section, in the walls of which holes are provided for a transverse supply of a hydrogen-air mixture to the catalytic elements of a dedicated assembly
- FIG. 1 schematically depicts a PAH case (front view) of rectangular cross section, in the walls of which holes are provided for a transverse supply of a hydrogen-air mixture to the catalytic elements of a dedicated assembly
- figure 2 is a front view of the housing of the steam, the walls of which at the location of the selected Assembly of the catalytic elements are made in the form of a metal mesh;
- FIG 3 - a PAIR case (front view) of rectangular cross section with a lower assembly of plate-shaped catalytic elements, a part of which is pulled outward outside the lower end of the housing;
- figure 4 is the same in side view of the specified assembly;
- figure 5 is the same in front view for the body of circular cross section with the Assembly of the catalytic elements of a tubular shape;
- figure 6 is the same in the form of a bottom.
- the PAR according to the patented invention comprises a vertically arranged hollow body 10 (Figs. 1-6) of rectangular (Figs. 1-4) or round (Figs. 5, 6) sections with lower and upper ends freely open into the surrounding air.
- a vertically arranged hollow body 10 Figs. 1-6
- Figs. 1-4 rectangular
- Figs. 5, 6 round
- FE catalytic elements
- the PAR according to the invention further comprises means for organizing an additional flow of ambient air in this example to the lower assembly 20 KE 41, 42 in the transverse direction with respect to the axis of the housing 10.
- each subsequent assembly row 31 or 32 KE 41, 42 from the periphery to the center 20, in which a transverse flow of ambient air is organized is located below the previous Fig. 4,5.
- Organization of the transverse flow of the surrounding air through KE 41, 42 can be carried out by the following equally effective structural means: a) in the walls of the housing 10 in places that limit the zone of supply of the transverse flow of the surrounding air environment can be provided evenly distributed across the corresponding part of the walls of the housing 10 through holes 1 1; b) the walls of the housing 10 in places that limit the zone of supply of the transverse flow of the surrounding air can be made in the form of a metal mesh 12; c) at least part of the lower assembly 20 can be brought out outside the lower end of the housing 10.
- the corresponding part of the catalyst of the assembly 20 located inside the housing 10 with non-continuous walls or outside the same housing uses increased gas exchange with the surrounding hydrogen containing air and, therefore, is capable of recombining hydrogen at a higher rate.
- Conducted experimental studies of the operation of the PAR according to the patented invention using the above-described means of organizing an additional transverse flow of surrounding hydrogen-containing air through the lower assembly 20 KE 41, 42 of various shapes showed that the degree of increase in the rate of recombination of hydrogen and oxygen at atmospheric pressure and vol., compared with the achieved in PAR [1] the speed of 45 nmol / min " cm 2 is an average of 1.9.
- the absolute value of the rate of recombination of hydrogen and oxygen in the VAP of the patented invention at the above hydrogen concentration in the ambient air is approximately 86 nml / min " cm 2 , which exceeds the operational efficiency in this regard of all VAPs known from the state of the art.
- a significant decrease in the degree of self-heating of the catalyst was observed. For example, when specific recombination rate of 80 nml / (min-cm 2 ) the indicated temperature decreased from 360 ° C to 195 ° C, i.e. 1, 85 times.
- Industrial Applicability The steam according to the invention meets the condition of "industrial applicability". The essence of the technical solution is disclosed in the formula, description and drawings clearly enough for understanding and industrial implementation by appropriate specialists based on the current level of technology in the field of nuclear energy and other above industries.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- Emergency Management (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области атомной энергетики. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода (ПАР), содержит вертикально расположенный полый корпус прямоугольного или круглого поперечного сечения со свободно открытыми в окружающую воздушную среду нижним и верхним торцами. В нижней части указанного корпуса по его высоте помещена сборка каталитических элементов (КЭ), расположенных по поперечному сечению корпуса соответственно его форме параллельными рядами или концентричными рядами. ПАР дополнительно содержит средства организации дополнительного потока и окружающей воздушной среды через сборку КЭ в поперечном направлении по отношению к оси корпуса. При этом каждый последующий от периферии к центру ряд КЭ сборки расположен ниже предыдущего. Для организации поперечного потока окружающей воздушной среды в стенках корпуса в местах, ограничивающих зону подвода указанного поперечного потока, могут быть предусмотрены равномерно распределенные по соответствующей части стенок корпуса сквозные отверстия или стенки корпуса в указанных местах могут быть выполнены в виде металлической сетки, или по меньшей мере часть сборки может быть выведена вовне за пределы нижнего торца корпуса. Изобретение позволяет увеличить скорость рекомбинации водорода и кислорода в окружающей воздушной среде, а также устранить риск локального перегрева катализатора при увеличенной скорости рекомбинации водорода и кислорода.
Description
ПАССИВНЫЙ АВТОКАТАЛИТИЧЕСКИИ РЕКОМБИНАТОР
ВОДОРОДА и КИСЛОРОДА
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:
Н2 + у2 02 -* Н20 (пар) + 244,05 кДж (1) В качестве катализаторов используются металлы платиновой группы, чаще сама платина. Реакция на них протекает в диффузионном режиме, т.е. её 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 помещённой 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 коррозионностойкого 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 надёжности 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, G21C9/06, 2013 [1]), содержащий вертикально расположенный полый корпус прямоугольного или круглого поперечного сечения со свободно открытыми в окружающую воздушную среду нижним и верхним торцами и помещённую 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 создаёт 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, G21C9/06, 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, G21C9/06, 2014 [3]), содержащий, кроме центральной стволовой части корпуса, присоединённые 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 трёх перечисленных аналогов является наличие риска локального перегрева каталитических элементов, вызываемого увеличением скорости рекомбинации водорода и кислорода. Из перечисленных выше трёх аналогов патентуемого изобретения в качестве ближайшего (прототипа) выбран аналог [1], несмотря на наименьшее для указанных трёх аналогов в достигнутое значение величины скорости рекомбинации водорода при заданном значении его объёмного 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 помещённую 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: Ah=k-h/n, где к - численный коэффициент, h - высота каталитического элемента, п - число горизонтальных рядов сборки от периферии до центра корпуса;
величина к предпочтительно лежит в пределах 0, 1...1 ,0, расстояние между смежными рядами каталитических элементов в сборке предпочтительно составляет 8=(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 счёт существенного увеличения площади контакта водород-воздушной смеси с каталитическими элементами соответственно возрастает скорость
б
рекомбинации водорода и кислорода. Интенсивное функционирование катализатора сопровождается ростом теплообмена (в частности, теплового излучения), что снижает риск локального перегрева каталитических элементов.
Краткое описание фигур чертежа 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.З - 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 Э - каталитический элемент; ПАР - пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода;
Перечень позиций чертежа 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: Ah=k-h/n, где к - численный коэффициент, h - высота КЭ 41 ,42, п - число горизонтальных рядов до центра корпуса 31 или 32 сборки
при этом к равно (0, 1...1 ,0), h равна (10...150) мм. Пример: при выбранных значениях: к=0,5, п=100мм, п=4 Ah = 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 1 1 ; 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 представляющий 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 счёт восходящего (одномерного) газового потока внутри ограниченного пространства, то внутри корпуса 10 с несплошными стенками (наличие отверстий 1 1 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 водород содержащей 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
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 ю
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.
Claims
. Формула изобретения 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 помещённую 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: Δη= k-h/n, где h— высота каталитического элемента,
п - число горизонтальных рядов сборки от периферии до центра корпуса;
величина к лежит в пределах 0,1...1,0, расстояние между смежными рядами каталитических элементов в сборке составляет 8=(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 пп. 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 пп. 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 пп. 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.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016127496A RU2623459C1 (ru) | 2016-07-08 | 2016-07-08 | Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода со средствами организации дополнительного потока окружающей воздушной среды к сборкам каталитических элементов в направлении поперечном к основному |
| RU2016127496 | 2016-07-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2018009092A1 true WO2018009092A1 (ru) | 2018-01-11 |
Family
ID=59241506
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2016/000723 WO2018009092A1 (ru) | 2016-07-08 | 2016-10-24 | Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2623459C1 (ru) |
| WO (1) | WO2018009092A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113380431A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-10 | 哈尔滨工程大学 | 一种氢气复合器催化单元 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2761989C1 (ru) * | 2021-01-26 | 2021-12-14 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" | Пассивный каталитический рекомбинатор водорода и кислорода |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5167908A (en) * | 1990-01-08 | 1992-12-01 | Gesellschaft Fur Reaktorsicherheit (Grs) | Device for recombination of hydrogen and oxygen |
| RU113404U1 (ru) * | 2011-10-17 | 2012-02-10 | Закрытое Акционерное Общество Инвестиционная Научно-Производственная Компания РУССКИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ | Пассивный многоярусный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с отдельным забором обрабатываемой газовой среды для каждого яруса |
| RU2537956C1 (ru) * | 2013-07-19 | 2015-01-10 | Владимир Андреевич Шепелин | Пассивный автокаталический рекомбинатор водорода и кислорода с боковым забором водород-воздушной газовой смеси |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3816012A1 (de) * | 1987-08-14 | 1989-11-16 | Siemens Ag | Vorrichtung zur rekombination von wasserstoff und sauerstoff |
| RU2499305C1 (ru) * | 2012-10-11 | 2013-11-20 | Владимир Андреевич Шепелин | Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с равномерной нагрузкой на площадь каталитического элемента |
-
2016
- 2016-07-08 RU RU2016127496A patent/RU2623459C1/ru active
- 2016-10-24 WO PCT/RU2016/000723 patent/WO2018009092A1/ru active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5167908A (en) * | 1990-01-08 | 1992-12-01 | Gesellschaft Fur Reaktorsicherheit (Grs) | Device for recombination of hydrogen and oxygen |
| RU113404U1 (ru) * | 2011-10-17 | 2012-02-10 | Закрытое Акционерное Общество Инвестиционная Научно-Производственная Компания РУССКИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ | Пассивный многоярусный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с отдельным забором обрабатываемой газовой среды для каждого яруса |
| RU2537956C1 (ru) * | 2013-07-19 | 2015-01-10 | Владимир Андреевич Шепелин | Пассивный автокаталический рекомбинатор водорода и кислорода с боковым забором водород-воздушной газовой смеси |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113380431A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-10 | 哈尔滨工程大学 | 一种氢气复合器催化单元 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2623459C1 (ru) | 2017-06-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2878121C (en) | Nuclear plant with a containment shell and with a pressure relief system | |
| RU2461900C1 (ru) | Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода со ступенчато увеличивающейся в направлении газового потока скоростью каталитической реакции | |
| KR20150045032A (ko) | 가연성 기체 연소 제어기 | |
| US9496058B2 (en) | Devices and methods for managing noncondensable gasses in nuclear power plants | |
| US3755075A (en) | Condenser-type gas combiner | |
| WO2018009092A1 (ru) | Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода | |
| KR101478738B1 (ko) | 수증기 저감부가 장착된 피동 촉매 결합기 | |
| JP2015102514A (ja) | 水素除去装置 | |
| RU2537956C1 (ru) | Пассивный автокаталический рекомбинатор водорода и кислорода с боковым забором водород-воздушной газовой смеси | |
| US3857927A (en) | System and method including a catalyst bed for combining hydrogen and oxygen gases | |
| US20040009874A1 (en) | Catalyst module for high-temperature denitration apparatus | |
| KR101760330B1 (ko) | 잠수함 내의 수소를 제어하기 위한 잠수함 수소 제거장치 및 이를 이용한 잠수함 내의 수소 제어방법 | |
| Fu et al. | Superhydrophilic metal-organic frameworks film modified surface for tritium removal from tritiated heavy water | |
| RU2499305C1 (ru) | Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с равномерной нагрузкой на площадь каталитического элемента | |
| JPH02137703A (ja) | 酸素水素再結合器 | |
| RU2599145C1 (ru) | Рекомбинатор и способ рекомбинации водорода или метана и кислорода в газовой смеси | |
| RU2761989C1 (ru) | Пассивный каталитический рекомбинатор водорода и кислорода | |
| JP5632272B2 (ja) | 原子炉格納容器の水素処理設備 | |
| WO2001031657A1 (de) | Vorrichtung zur beseitigung von wasserstoff aus gasgemischen in durchströmten rohrleitungen | |
| CN112973805B (zh) | 预防非能动氢复合器催化板失效的方法 | |
| CN214598929U (zh) | 一种分仓式固定床反应器 | |
| JP6531890B2 (ja) | 再結合装置 | |
| EP1314166A1 (de) | Rekombinator mit stabilisierter reaktionstemperatur | |
| Reinecke et al. | Design of catalytic recombiners for safe removal of hydrogen from flammable gas mixtures | |
| Koroll et al. | Catalytic Recombiners for Severe Accident Hydrogen |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16908266 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16908266 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |