Устройство для удаления водорода из смеси газов, содержащей водород, кислород, пар и аэрозоли

 

Устройство для удаления водорода из смеси газов, содержащей водород, кислород, пар и аэрозоли с катализаторным устройством из несущего материала, который покрыт слоем катализаторного материала для окисления водорода с освобождением тепла, снабжено защитным устройством. Последнее окружает катализаторное устройство до достижения заданной температуры, а по достижении заданной температуры автоматически переходит в освобождающее катализаторное устройство положение, причем защитное устройство является газопроницаемым, а для аэрозолей - в основном непроницаемым. За счет этого катализаторное устройство до достижения заданной температуры защищено от осаждения содержащихся в газовой смеси аэрозолей. 10 з. п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к устройству для удаления водорода из смеси газов, содержащей водород, кислород пар и аэрозоли.

Известно устройство для удаления водорода из смеси газов, содержащей водород, кислород, пар и аэрозоли, включающее по меньшей мере один носитель, покрытый катализаторным материалом для окисления водорода с выделением тепла [1] .

Для устранения водорода известное устройство использует металлы, имеющие большую поглотительную способность для водорода, также и при малом парциальном давлении водорода в газовой смеси. Для предотвращения окисления металлы покрыты пропускающим водород защитным слоем. При этом для защитного слоя может применяться материал, который служит катализатором для окисления водорода с образованием воды.

Металл, поглощающий водород, может быть либо сплошным, либо присутствовать в виде покрытия на носителе. Для целей использования в устройствах безопасности, которые требуются лишь в аварийной ситуации, в известном устройстве предусмотрено, что покрытое при необходимости катализаторным защитным слоем несущее устройство размещено внутри закрытого резервуара, который открывается лишь при необходимости, например, в зависимости от давления. В одной форме исполнения известного устройства этот резервуар на своем верхнем и своем нижнем концах имеет по одной разрывной мембране, которые в случае аварии раскрываются. Внутри резервуара находится пакет из металлов с покрытием, поглощающих водород. Окружающая газовая среда при разрыве мембран попадает в резервуар, причем в резервуаре возникает конвенционный газовый поток от дна вверх.

Известно устройство, включающее резервуар, внутри которого находится фольга, покрытая защитным слоем поглощающего металла, свернутая в рулон. Резервуар подвешен к потолку и открывается в случае аварии, так что свернутая в рулон фольга может развернуться, и получается большая контактная поверхность с газовой смесью.

Покрытая конструкция носителя сложена или смотана в рулон и содержится в герметичном кожухе, который открывается лишь в случае аварии так, чтобы могла распрямиться или развернуться конструкция носителя с покрытием [2] .

Во время расплавления сердечника в реакторном сосуде высокого давления (РСВД) получается нарастание температуры в расплаве до 2400^оС, причем в атмосферу защитного резервуара выходят большие количества продуктов распада и конструкционных материалов. Там получается смесь водяного пара и газов, в которой взвешены частицы аэрозолей с концентрацией по массе до 20 г/м³. Так, например, в пути низкого давления в начале взаимодействия расплава с бетоном в резеpвуаре безопасности может быть диспергировано 1-3 т твердых частиц. Большая часть по массе, более 95% , не является радиоактивной. Однако наибольшая часть радиоактивных веществ связана с частицами аэрозолей. Упомянутое в начале выделение водорода при аварии в реакторе по времени совпадает с указанным появлением аэрозоля.

Исследования на моделях показали, что выделение пара практически начинается с началом расплавления сердцевины, тогда как выделение водорода и одновременно с ним аэрозолей начинается после определенной задержки по времени. При наличии больших количеств пара и сильных потоках газов каталитическая реакция протекает медленнее. Скорость реакции экспоненциально возрастает с температурой. Лишь при достаточно высокой температуре на поверхности катализаторного устройства получается достаточный конвенционный поток, чтобы предотвратить осаждение содержащихся в газовой смеси частиц аэрозоля на поверхности катализатора. Это поддерживается за счет непрерывного парообразования при достаточно высокой температуре и скорости преобразования на поверхности катализаторного устройства. Но пока в начальной фазе температура катализаторного устройства еще недостаточно высока, частицы аэрозоля и содержащиеся в паре частицы жира могут осесть на поверхности катализатора, уменьшая при этом эффективную поверхность и существенно снижая действие катализатора.

Задачей изобретения является выполнение устройства таким образом, чтобы осаждение частиц аэрозоля и содержащихся в паре жировых частиц на поверхности и катализаторного устройства было в большей степени предотвращено, и требуемая для получения высокой скорости реакции температура была бы достигнута быстро.

Предусмотренное по этому решению защитное устройство тормозит в начальной фазе катализаторной реакции свободный доступ аэрозолей на поверхность катализаторного устройства. Защитное устройство образует объем, который занимает катализаторное устройство и который так связан с окружающей защитное устройство атмосферой, что внутри защитного устройства имеется достаточно водорода и кислорода для реакции, однако, не возникает слишком сильного повышающего теплоотвод потока, и далее частицам аэрозолей сильно затруднен доступ в объем внутри защитного устройства. Как только таким образом за сравнительно небольшое время будет достигнута достаточно высокая температура примерно 100^оС, при которой начинается так называемая самоподдерживающая реакция катализа, тогда защитное устройство автоматически открывается, так что катализаторное устройство теперь полностью открыто для газовой смеси, из которой должен быть удален водород.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройств в закрытом положении перед достижением заранее заданной температуры, первая форм исполнения; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 2; на фиг. 4 - устройство в раскрытом состоянии, вид сверху; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - устройство в закрытом состоянии, общий вид, вторая форма исполнения; на фиг. 7 - разрез Г-Г на фиг. 6; на фиг. 8 - устройство в раскрытом состоянии, вид сбоку, вторая форма исполнения; на фиг. 9 - устройство в закрытом состоянии, третья форма исполнения; на фиг. 10 - узел II на фиг. 9; на фиг. 11 - часть крышки по фиг. 9; на фиг. 12 - удерживающее устройство.

На нижней стороне катализаторной платы 1 укреплены крышки 2 посредством петель 3 таким образом, что из закрытого положения по фиг. 1 они могут раскрываться в положение, показанной на фиг. 5. В исходном состоянии устройство по фиг. 1 и 2 закрыто, причем обе крышки 2 фиксируются в закрытом положении посредством удерживающего устройства 4, которое отпускает по достижении определенной температуры. Как только удерживающее устройство отпускает по достижении заданной температуры, натягивающее устройство обеспечивает раскрывание крышек 2 в положение, показанное на фиг. 4 и 5.

В закрытом положении обе крышки 2 находятся по обе стороны от катализаторной платы 1 параллельно ей. Расстояние между катализаторной платой с одной стороны и крышками с другой стороны определяется длиной сторон петель 3 и краевых фильтров 5 и 6. В изображенной форме исполнения (см. фиг. 2 и 4) габариты катализаторной платы 1 несколько меньше, например на 1-2 см), чем размеры обеих крышек 2 таким образом, что верхний край и оба боковые края упираются изнутри в краевые фильтры 5, которые расположены между крышками 2. В области нижнего края краевые фильтры 6 предусмотрены между каждой крышкой и катализаторной платой, толщина фильтров на половину толщины катализаторной платы меньше, чем толщина краевых фильтров 5. В области нижней стороны катализаторной платы 1 укреплены петли 3. Крышки предпочтительно имеют толщину 0,1-1 мм и могут состоять из алюминия, меди, их сплавов или, предпочтительно из аустенитовой стали, преимущество которой заключается в том, что она не окисляется. Крышки 2 выполнены с прорубленными отверстиями 7, которые с внешней стороны имеют выступающие заусенцы 8 от штамповки-вырубки. Отверстия могут быть круглыми, продолговатыми или в виде щелей. На внутренней стороне крышек 2 отверстия 7 закрыты посредством дисков или полос из фильтрующего материала, которые также как и краевые фильтры 5 и 6 укреплены на крышке 2 жаропрочным средством. Зазор между обеими крышками 2 сообщается с внешним пространством через отверстия с фильтрами и краевые фильтры. Краевые фильтры 5 и 6 и фильтры 9 в отверстиях выполнены из одинакового негорючего материала. В особенности здесь подходят фильтры типа "НЕРА" (высокопроизводительные воздушные фильтры из отдельных зерен). Эти фильтры отличаются особенно высокой степенью отделения для частиц аэрозолей и одновременно имеют большую пропускную способность для реагирующих для поддержания катализаторной платы газов. Так как эти фильтры, однако, слабо отталкивают воду и пар, их предпочтительно комбинируют с предварительными фильтрами, которые имеют высокую пропускную способность для газов, но одновременно хорошо отталкивают пар. Такие предварительные фильтры, для которых, например, годятся фильтры типа UL РА, всегда должны быть расположены снаружи. В направлении хода газов каждый из этих типов фильтров должен иметь толщину примерно 0,5 мм, так что комбинированные фильтры имеют суммарную толщину примерно 1 мм. Так как содержащийся в газовой смеси водяной пар сильно ионизирован и поэтому очень агрессивен, выгодно примененный материал фильтров пропитывать ионообменным составов, чтобы уменьшить агрессивность пара. Фильтры затем устанавливают в сухом состоянии.

В показанном на фиг. 1 и 2 закрытом состоянии устройства через отверстия 7 и фильтры 9, а также через краевые фильтры 5 и 6 газовая смесь из водорода, воздуха и остатков пара попадает в окружающее катализаторную плату 1 пространство, так что начинается реакция на поверхности катализатора. Для увеличения поверхности катализатора катализаторным материалом могут быть также покрыты внутренние поверхности крышек 2. Конденсат, который образуется на внешних поверхностях крышек 2, выступающими заусенцами 8 вокруг отверстия 7 отводится от них и не попадает таким образом в пространство между крышками 2. Содержащиеся в окружающей атмосфере аэрозоли осаждаются на внешних поверхностях крышек. Фильтры 5,6 и 9 мешают их доступу внутрь. Поэтому в закрытом состоянии устройства, при высокой плотности аэрозолей снаружи, внутри имеется достаточная поверхность катализатора для реакции между газами, проникающими внутрь. При этом реакции происходит разогрев газовой смеси и с ним конвекционный поток, за счет чего более холодная газовая смесь засасывается через нижние отверстия внутрь устройства и контактирует с поверхностью катализатора, тогда как уже нагретый газ после реакции выходит из верхних отверстий наружу. Крышки защищают катализаторное устройство от сильной отдачи тепла в находящийся снаружи пар. За этот счет температура внутри устройства быстро повышается, и скорость каталитической реакции возрастает. Поэтому попавший внутрь пар быстро переходит в перегретое состояние, в котором он становится носителем реакции, и катализаторная эффективность практически не снижается. Вследствие ускоренной реакции и повышения температуры катализаторная плата окисляет все большее количество входящего с газовой смесью водорода.

Если по достижении заданной температуры возникает достаточно сильный конвекционный поток вдоль поверхностей катализатора, при котором осаждение частиц из аэрозолей вряд ли возможно, удерживающие устройства 4 раскрываются, так что устройство из закрытого состояния по фиг. 1 и 2 переходит в открытое состояние по фиг. 4 и 5.

Каждое удерживающее устройство 4 содержит два Т-образных элемента 10, которые длинными концами 11 просунуты снаружи сквозь крышки 2 и катализаторную плату 1, так что поперечные концы 12 Т-образного элемента прилегают снаружи к поверхностям крышек 2. С обеих сторон катализаторной платы 1 длинные концы 11 соединяются вместе болтами или заклепками 13, которые по достижении заданной температуры плавятся. Для них в длинных концах Т-образных элементов предусмотрены соответствующие отверстия, также как и отверстия в крышках и катализаторной плате для прохождения Т-образных элементов. На длинных концах 11 каждого из Т-образных элементов 10 находится по пружине 14, опирающейся на катализаторную плату и соответствующую крышку. Как только заклепки 13 плавятся и освобождают Т-образные элементы, пружины 14 расталкивают в разные стороны крышки 2 от катализаторной платы, так что устройство переходит в показанное на фиг. 4 и положение. Описанное удерживающее устройство является лишь одним примером исполнения.

Когда после освобождения удерживающих устройств 4 крышки 2 переходят в показанное на фиг. 4 и 5 положение, катализаторные поверхности, в особенности поверхности катализаторной платы 1, а также, может быть, внутренние поверхности крышек 2 открыты полностью для окружающей газовой атмосферы и выполняют свою функцию без дальнейшего ограничения потока.

Фиг. 6 - 8 показывают вторую, упрощенную форму исполнения изобретения. Фиг. 6 и 7 показывают закрытое состояние, фиг. 8 - открытое состояние устройства.

Как и первая форма выполнения, вторая содержит также в качестве основной составной части катализаторную плату 1. Вместо металлических крышек 2 первого примера исполнения в этом случае, однако, предусмотрены две крышки 15 из фильтрующего материала. При этом также, как у фильтров первой формы исполнения, предпочтительно каждая из крышек 15 состоит из двух слоев фильтрующего материала с внешним фильтром для пара и внутренним аэрозольным фильтром. Толщина крышек 15 составляет примерно 1 мм. Вместо упомянутых ранее материалов фильтра крышки 2 могут состоять из негорючих тефлоновых пластин (пластины из политетрафторэтилена), которые имеют подобное же фильтрующее действие.

Крышки 15 по изображению укреплены жаропрочно на металлических лентах 16, которые, например, могут быть из меди или латуни. Металлические ленты 16 посредством петель 3 соединены снизу (по изображению) с катализаторной платой 1. Вблизи верхних концов металлические ленты 16 соединены одна с другой удерживающими устройствами 4 такого же типа, как устройства 4 первой формы исполнения, которые освобождаются по достижении определенной температуры, так что крышки из закрытого положения переходят в открытое положение.

Во второй форме выполнения таким же образом, как и в первой, предусмотрены краевые фильтры 5 и 6. Так как и в этом случае, однако, сами крышки 15 состоят из фильтрующего материала, во второй форме исполнения отверстия 7 первой формы исполнения отпадают. Распорные элементы 17, также как и краевые фильтры 5 и 6, жаропрочно крепятся к крышкам 15 и имеют в общем ту же толщину, как и краевые фильтры 5, чтобы выдерживать определенный зазор между крышками 15 и катализаторной платой 1 в закрытом состоянии устройства. Это целесообразно, потому что состоящие из фильтрующего материала крышки 15 не имеют большой жесткости, так что без распорок необходимый зазор в закрытом положении может и не получиться. Эти распорки предпочтительно выполнены из материала фильтра, чтобы не мешать газообмену и конвекционным потокам вдоль катализаторной платы.

Способ действия второй формы выполнения в основном соответствует способу действия первой формы исполнения. Сквозь краевые фильтры 5 и 6 по всей поверхности крышек 15 проходят компоненты содержащихся во внешней среде газов при закpытом положении устройства в пространство между крышками. Аэрозоли, которые могут осесть в начальной фазе аварии на поверхности катализатора, а также вода и водяной пар в основном задерживаются фильтрующими действием крышек 15. Как и в первом выполнении, реакция на поверхности катализатора вызывает разогрев платы, и наконец крышки раскрываются удерживающими устройствами 4 и действием металлически лент 16. Крышки 15, выполнившие свою задачу, раскрываются согласно фиг. 8 вниз, и катализаторная плата 1 полностью открывается для полного воздействия на газовую смесь и выполняет свою функцию.

Фиг. 9 - 11 показывают третью форму выполнения изобретения. В этой третьей форме выполнения опять применяются металлические крышки из алюминия, меди, их сплавов предпочтительно. Однако, крышки 18 в этом случае выполнены гофрированными. Фиг. 9 показывает лишь верхнюю часть устройства. Шарнирное крепление крышек 18 соответствует креплению первой формы исполнения и не изображено.

Как видно из фиг. 9, на вертикально проходящих гофрах имеются вырубленные шлицы 19 в боковых стенках гофра, которые выполняют функцию отверстий 7 первой формы исполнения. Шлицы в основном расположены параллельно друг другу вдоль соответствующего гофра. Согласно фиг. 10 шлицы вырублены так, что на внешней стороне выступают заусенцы 20 вырубки, их функция соответствует функции заусенцев первой формы исполнения. Если в случае аварии возникает поток газовой смеси в направлении гофров крышки 18, т. е. перпендикулярно к их рядам шлицев, то эта форма позволяет участвовать в каталитической реакции значительно большему количеству смеси газов. Кроме того, за счет гофрированной формы крышек 18 больший объем газовой смеси находится внутри крышек в закрытом их положении. На внутренней поверхности шлицы закрыты полосками фильтрующего материала таким же образом, как у отверстий 7 первой формы исполнения. Только сквозь краевые фильтры 5 или 6 и расположенные на внутренней стороне шлицев 19 фильтры в закрытом положении устройства во внутреннюю полость попадает газовая смесь для реакции на поверхности катализатора.

Ясно, что как и в первом исполнении, внутренняя поверхность крышек 18 третьей формы исполнения может быть покрыта слоем катализатора.

Если гофры обеих крышек 18 удачным образом смещены друг относительно друга, то в раскрытом положении они могут входит друг в друга, делая раскрытое устройство более компактным.

В случае необходимости распорки по фиг. 11 могут располагаться между крышками 18 и платой 1 катализатора. Эти распорки состоят предпочтительно из материала фильтра, чтобы пропускать газы и не создавать большой помехи вдоль катализаторной платы.

Также и в третьем выполнении устройство удерживается в закрытом состоянии с помощью удерживающих устройств 4, которые по достижении заданной температуры открываются и позволяют крышкам 18 раскрыться.

В зависимости от хода аварии, выход пара и водорода в объем может проходить толчками. Между двумя последовательными выбросами может проходить несколько часов. В течение этого времени катализаторные платы раскрытого устройства охлаждаются и при следующем выбросе требуется довольно долгое время, пока они снова достигнут требуемой температуры. Поэтому целесообразно располагать в подлежащем защите объеме несколько устройств по изобретению, которые за счет различного выполнения удерживающих устройств 10 раскрываются при различных температурах. Например, предусматриваются три различные устройства с температурами срабатывания 117 ^оС. 145^оС при 180^оС. Устройство с самой низкой температурой срабатывания раскрывается при первом выбросе пара и водорода и выполняет свою функцию. Можно исходить от того, что следующий выброс мощнее, и приводит к более высокой температуре, при которых тогда ступенчато раскрываются другие устройства, которые держатся в закрытом положении, пока не достигается соответствующая температура срабатывания.

Предусмотренное по изобретению защитное устройство защищает катализаторное устройство до начала так называемой самоподдерживающей, ускоренной, каталитической реакции от осадков, и после достижения необходимой заданной температуры раскрывает большую поверхность катализатора для дальнейшей реакции. Пока устройство остается в закрытом состоянии, то и при больших потоках снаружи устройства потери тепла каталитической реакции изнутри устройства невелики, так что температура катализаторного устройства быстро нарастает. Вследствие плотности фильтрового материала и ограничения прохода газовой смеси за счет его толщины и/или количества и величины отверстий устройство защищено от чрезмерных потерь тепла в содержащийся в атмосфере пар. Защитное устройство имеет еще одно преимущество, что катализаторное устройство до тех пор, пока еще нет аварии, защищено от загрязнения маслом, жиром, серой и другими, содержащимися в воздухе загрязнениями, и поэтому работоспособность его сохраняется в течение длительного времени.

В описанных примерах исполнения говорилось о катализаторной плате, поверхности которой покрыты катализаторным материалом. Катализаторная плата может вместо этого состоять из двух слоев сетки, между которыми находится катализаторный материал, например, в форме гранул или губчатого материала. Таким образом, при пластинчатой форме, не сильно отличающейся от формы катализаторной платы с поверхностным покрытием, можно достичь очень большой площади катализатора. Сетка для такой катализаторной платы предпочтительно выполняется из нержавеющей стали. (56) 1. Патент ФРГ N 3604416, кл. В 01 D 53/22, 1987.

2. Патент ФРГ N 3735290, кл. G 02 B 6/36, 1989.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ СМЕСИ ГАЗОВ, СОДЕРЖАЩЕЙ ВОДОРОД, КИСЛОРОД, ПАР И АЭРОЗОЛИ, включающее по меньшей мере один носитель, покрытый катализаторным материалом для окисления водорода с выделением тепла, отличающееся тем, что оно содержит защитное приспособление, соединенное с носителем, покрытым катализаторным материалом, и в основном непроницаемое для аэрозолей, но пропускающее газы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что носитель, покрытый катализаторным слоем, выполнен в виде катализаторной платы, а защитное приспособление - в виде двух крышек, имеющих свойства фильтра, шарнирно соединенных с одним краем катализаторной платы.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что носитель в форме катализаторного гранулята или катализаторной губки включен в выполненную в виде сетки катализаторную плату, а защитное устройство выполнено в виде двух крышек, имеющих свойства фильтра, шарнирно соединенных с одним краем катализаторной платы.

4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что крышки выполнены из газонепроницаемого фильтровального материала, не проницаемого для аэрозолей, жира и предпочтительно также для пара.

5. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что крышки имеют отверстия, закрытые с внутренней стороны газопроницаемыми фильтровальными элементами, непроницаемыми для аэрозолей и предпочтительно также для пара.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что отверстия в крышках имеют круглую или шлицеобразную форму и с выступающими на внешней стороне заусенцами.

7. Устройство по одному из пп. 4 - 6, отличающееся тем, что крышки выполнены гофрированными и имеют ряды шлицевидных отверстий.

8. Устройство по одному из пп. 2 - 7, отличающееся тем, что оно снабжено кольцеобразным фильтровым элементом, заполняющим кольцевой зазор между крышками и катализаторной платой, не проницаемым для аэрозолей и предпочтительно также для пара.

9. Устройство по одному из пп. 4 - 8, отличающееся тем, что кольцеобразный фильтровой элемент выполнен из двух слоев газопроницаемых фильтровых материалов, из которых один в основном непроницаем для аэрозолей, а другой - отталкивающий пар.

10. Устройство по одному из пп. 2 - 9, отличающееся тем, что крышки снабжены на их противоположной петлям для откидывания на катализаторной плате стороне соединенным посредством раскрывающегося при заданной температуре удерживающим устройством, которое между крышками или между каждой крышкой и катализаторной платой имеет средства предварительного натяга.

11. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что гофры обеих крышек смещены относительно друг друга в основном на половину периода волны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12