Каталітичний елемент для рекомбінації водню і/або монооксиду вуглецю киснем і спосіб його рекомбінації

1 Каталітичний елемент (1) для рекомбінації водню і/або монооксиду вуглецю киснем в атмосфері захисної оболонки атомної електростанції, що містить тіло (2) каталізатора з каталітичною поверхнею (4), який відрізняється тим, що на каталітичну поверхню (4) нанесений каталітично практично не активний для названої рекомбінації пористий дросельний шар (10, 10А10D) з неорганічного матеріалу із середнім діаметром пор щонайменше 5А для гальмування дифузії вхідних і/або вихідних газів реакції 2 Елемент (1) за п 1, який відрізняється тим, що дросельний шар (10.10A-10D) має середній діаметр пор щонайменше 100 А і щонайбільше 10000А 3 Елемент (1) за одним з пп 1 або 2, який відрізняється тим, що дросельний шар (10.10A-10D) має об'єм пор щонайменше 0,1 см3/г і щонайбільше 1 см3/г 4 Елемент (1) за одним з пп 1-3, який відрізняється тим, що дросельний шар (10.10A-10D) має товщину щонайменше 10 мкм і щонайбільше 1 мм 5 Елемент (1) за одним з пп 1-4, який відрізняється тим, що дросельний шар (10.10A-10D) має в напрямку потоку газової суміші змінну товщину шару і/або змінний діаметр пор 6 Елемент за одним із пп 1-5, який відрізняється тим, що дросельний шар (10А.10В) виконаний керамічним 7 Елемент за п 6, який відрізняється тим, що керамічний дросельний шар (10А.10В) виконаний пористим і має товщину щонайбільше 500 мкм 8 Елемент за п 6 або 7, який відрізняється тим, що керамічний дросельний шар (10А.10В) містить оксид алюмінію або оксид кремнію 9 Елемент за одним з пп 1-5, який відрізняється тим, що дросельний шар (10D) виконаний мінеральним 10 Елемент за п 9, який відрізняється тим, що мінеральний дросельний шар (10D) виконаний пористим і має товщину щонайменше 1 мм 11 Елемент за п 9 або 10, який відрізняється тим, що мінеральний дросельний шар (10D) утворений мінеральною засипкою, зокрема засипкою з базальтової крошки, із середнім розміром зерен щонайменше 0,3 мм і щонайбільше 5 мм 12 Елемент за п 9 або 10, який відрізняється тим, що дросельний шар (ЮС) виконаний металевим 13 Елемент за п 12, який відрізняється тим, що металевий дросельний шар (ЮС) має середній діаметр пор щонайбільше 50 мкм 14 Елемент за п 12 або 13, який відрізняється тим, що металевий дросельний шар (ЮС) містить металеву фольгу (14) 15 Елемент за одним з пп 1-14, який відрізняється тим, що дросельний шар (10В,ЮС) містить металеві або керамічні волокна (13,14), які розташовані у вигляді сітки і мають діаметр переважно щонайбільше 1 мм, а середня відстань між ними становить щонайбільше 2 мм 16 Елемент за одним з пп 1-15, який відрізняється тим, що тіло (2) каталізатора містить несучий лист, зокрема з нержавіючої сталі 17 Елемент за одним із пп 1-16, який відрізняється тим, що тіло (2) каталізатора містить плоску пластину, перфоровану пластину чи сферу як механічний носій 18 Елемент за одним із пп 1-17, який відрізняється тим, що каталітична поверхня (4) містить каталітичний благородний метал (8), зокрема платину або паладій 19 Елемент за одним із пп 1-18, який відрізняється тим, що каталітична поверхня (4) утворе О о (О 62022 4 на каталітичним матеріалом, нанесеним на механічний носій за допомогою адгезійного шару і/або проміжного шару (6) 20 Спосіб рекомбінації газової суміші із монооксиду вуглецю та водню киснем за допомогою каталітичного елемента (1) за одним із пп 1-19, який містить тіло (2) каталізатора з каталітичною поверхнею (4), який відрізняється тим, що гальмування дифузії вхідних і/або вихідних газів реакції досягають нанесенням на каталітичну поверхню (4) і/або на тіло (2) каталізатора каталітично практично не активного для названої рекомбінації дросельного шару ( 10, 10A-10D) з неорганічного матеріалу Винахід стосується каталітичного елемента (варіантів) для рекомбінації водню і/або моноксиду вуглецю киснем, що містить тіло каталізатора з каталітичною поверхнею, зокрема для атомних електростанцій (АЕС) Аналогічна тематика розглядається в одночасно поданій заявці за назвою "Рекомбінаційний пристрій і спосіб каталітичної рекомбінації водню і/або моноксиду вуглецю киснем" Після аварії з втратою теплоносія на АЕС у захисній оболонці (Containment) можуть вивільнитися великі КІЛЬКОСТІ водню і моноксиду вуглецю Без уживання ВІДПОВІДНИХ заходів водень може збагатитися в атмосфері захисної оболонки настільки, що може утворитися детонуюча суміш При випадковому займанні, насамперед за рахунок згоряння великої КІЛЬКОСТІ ВОДНЮ, може порушитися ЦІЛІСНІСТЬ захисної оболонки Щоб уникнути виникнення подібних детонуючих газових сумішей, у захисній оболонці розглядаються різні пристрої До них відносяться, наприклад, такі пристрої, як каталітичні рекомбінатори, каталітичні чи електричні запалювальні пристрої або комбінація обох названих пристроїв Для усунення водню і моноксиду вуглецю з атмосфери захисної оболонки варто досягти насамперед своєчасної і безполум'яної рекомбінації водню і/або моноксиду вуглецю киснем При цьому варто надійно уникати помітного росту тиску в результаті вірулентного згоряння водню Придатний для цього рекомбінаційний пристрій, що заздалегідь спрацьовує, і який навіть при тривалому терміні служби в атмосфері захисної оболонки істотно не втрачає своєї активності і пасивно спрацьовує при низьких навколишніх температурах, відомий з DE 19636557 За допомогою подібного рекомбінаційного пристрою можлива "м'яка" рекомбінація водню, тобто на фазі атмосфери захисної оболонки, що містить пару і тому захищеною від спонтанного займання пластин розташовано в корпусі, який може бути виконаний у вигляді модуля Корпус обтікає знизу контрольованим газовим потоком, і цей газовий потік залишає корпус у верхній частині крізь бічний вихідний отвір З ЕР 0436942 А1 відомий рекомбінаційний пристрій із пристроєм захисту корпуса, який спонтанно відкривається в залежності від зовнішньої температури У цьому стані готовності рекомбінаційної системи пристрій захисту корпуса, навпроти, закритий, що виключає забруднення каталітично активної поверхні рекомбінатора У відомого з ЕР 0416140 А1 рекомбінаційного пристрою, навпроти, передбачені фільтруючі середовища, які затримують токсичні речовини з навколишньої атмосфери, наприклад аерозолі, і, тим самим, захищають каталізатор рекомбінаційного пристрою від забруднення Далі з DE 3725290 ВІДОМІ сплави благородних металів, які крізь несучий лист або металеву сітку поглинають або відводять виникаючу при рекомбінації теплоту реакції, що повинно запобігати займанню газової суміші З ЕР 0388955 А1 відомий рекомбінаційний пристрій, в якому додатково передбачений пристрій займання для контрольованого згоряння водню Кожна відома рекомбінаторна система розрахована на особливо високу продуктивність рекомбінації при дуже невеликих габаритах компонентів, а також на високу опірність до забруднень Для використання пристрою для рекомбінації водню в газовій суміші на АЕС необхідно, крім того, забезпечити неможливість виникнення ефектів, які негативно впливають на безпеку АЕС Варто враховувати, що використовуваний для рекомбінації водню каталітичний елемент (каталізаторнии пристрій) внаслідок рекомбінації звичайно нагрівається і через свою підвищену температуру може спонтанним образом сприяти займанню газової суміші в атмосфері захисної оболонки АЕС З ЕР 0527968 В1 відомий рекомбінаційний пристрій, в якого передбачена певна КІЛЬКІСТЬ каталітичних систем у вигляді плоских пластин, покритих з обох боків матеріалом каталізатора, таким як платина і/або паладій Цей пристрій особливий придатний для зменшення КІЛЬКОСТІ водню в атмосфері захисної оболонки АЕС Кожна каталітична система містить у собі при цьому несучий лист зі спеціальної сталі, що має з обох боків тонкий шар, зокрема, із платини і/або паладію, товщина якого лежить у мікрометричному діапазоні Безліч таких покритих окремих В основі винаходу лежить задача створення каталітичного елемента для рекомбінації водню і/або моноксиду вуглецю киснем у газовій суміші, зокрема в атмосфері захисної оболонки АЕС, при роботі якого особливо надійно відвернене мимовільне займання газової суміші Ця задача вирішується в каталітичному елементі, який включає в собі тіло каталізатора з каталітичною поверхнею, згідно з винаходом, за рахунок того, що нанесений на каталітичну поверхню і/або на тіло каталізатора дросельний шар передбачений для гальмування дифузії вхідних і/або вихідних газів реакції Винахід виходить при цьому з того факту, що спонтанне займання газової суміші в оточенні каталітичного елемента може бути здійснене за рахунок підвищеної температури реакції на самому каталітичному елементі, так що в результаті цього може бути викликане полум'я, яке виникло при рекомбінації і яке виходить з каталітичного елемента в навколишній простір Для того, щоб надійно уникнути цього, каталітичний елемент повинний бути виконаний так, щоб температура реакції лежала нижче температури займання газової суміші Це повинно бути забезпечене, зокрема, також для такої газової суміші, вміст ЬЬ в якій становить більше 8об % Для цього додатково передбачений гальмуючий дифузію дросельний шар, який особливо просто забезпечує дроселювання вхідних і/або вихідних газів реакції, завдяки чому здійснюється лише динамічна адсорбція газів реакції і, тим самим, обмеження каталітичної реакції невеликими частковими кількостями на одиницю площі Це, у свою чергу, призводить переважно до обмеження температури реакції, завдяки чому температура займання газової суміші залишається недосяжною Крім того, при виникненні високозабрудненої атмосфери відбувається особливо сильна затримка і сорбція виникаючих при цьому каталітичних отрут, таких як аерозолі, завдяки чому каталітично активна поверхня тіла каталізатора захищена від забруднення Доцільно ЯКЩО дросельний шар виконаний пористим із середнім діаметром пор, щонайменше, 5А, переважно, щонайменше, ЮОА і якнайбільше 10000А При цьому дросельний чи пористий шар має переважно, зокрема в зоні вхідної газової суміші, так називані макропори середнього діаметра до 10000А Це забезпечує особливо добрий ПІДВІД і/або ВІДВІД газів реакції Лежачі нижче і, тим самим, розташовані ближче до тіла каталізатора площини дросельного шару можуть мати менші пори, так називані мікропори діаметром 5А, переважно, щонайменше, ЮОА За рахунок цього створений дифузійний бар'єр для газів реакції У робочому чи неробочому стані каталітичного елемента може виникнути, крім того, відокремлення частинок тіла каталізатора За рахунок дрібнопористості дросельного шару особливо надійно запобігається винос так званих "бродячих" гарячих частинок каталізатора, які також можуть сприяти займанню газової суміші, що оточує тіло каталізатора Переважно дросельний шар має об'єм пор, щонайменше, 0,1см3/г і якнайбільше 1см3/г Особливо підходить Washcoat (A2O3) з особливо малим об'ємом пор За рахунок цього досягається особливо ефективний дифузійний бар'єр при одночасно великій поверхні Крім того, забезпечується затримка каталітичних отрут Переважно дросельний шар має товщину, щонайменше, Юмкм і якнайбільше 1мм В найкращому виконанні дросельний шар має в напрямку течи газової суміші товщину, що змінюється, і/або діаметр пор, що змінюється При цьому, зокрема в зоні затікання газової суміші, при звичайних швидкостях течи 0,1-2м/с дросе 62022 льний шар нанесений особливо великої товщини або при тій же товщині - з особливо малим діаметром пор Це викликає у порівнянні із зоною виходу більш високу динамічну адсорбцію з меншими входом і виходом газів реакції, за рахунок чого каталітична реакція дроселюється Крім того, досягається особливо сильна затримка каталітичних отрут Переважно товщина дросельного шару змінюється при цьому в напрямку течи газової суміші вздовж тіла каталізатора В якості альтернативи і/або додатково дросельний шар у напрямку течи газової суміші крізь дросельний шар може мати діаметр пор, що змінюється Переважно дросельний шар виконаний керамічним При цьому краще щоб керамічний дросельний шар був пористий і з товщиною якнайбільше 500мкм Переважно керамічний дросельний шар містить оксид алюмінію чи оксид кремнію В якості альтернативи може застосовуватися також інший оксидокерамічний матеріал, наприклад оксид цирконію, дюксид титану, чи суміші, такі як кордієрити, муліти, цеоліти, і т д Згідно З кращим варіантом передбачено, що дросельний шар виконаний мінеральним Мінеральний дросельний шар переважно пористий і має товщину, щонайменше, 1 мм Краще, якщо мінеральний дросельний шар виконаний з мінеральної засипки, зокрема із засипки базальтової кришки, із середнім розміром зерен, щонайменше, 0,3мм і якнайбільше 5мм Подібна засипка забезпечує особливо хорошу теплопровідність і теплопоглинання В іншому кращому виконанні дросельний шар виконаний металевим Металевий дросельний шар має середній діаметр пор переважно якнайбільше 50мкм Переважно металевий дросельний шар містить проникну металеву фольгу Металевий дросельний шар може бути при цьому одно- чи багатошаровим Для вирівнювання температури і, там самим, щоб уникнути локальних центрів з підвищеними швидкостями реакції і температурою реакції дросельний шар містить переважно металеві чи керамічні волокна При цьому волокна розташовані переважно у вигляді сітки і мають діаметр переважно якнайбільше 1мм, а також середня відстань між собою не перевищує 2мм Наприклад, дросельний шар може бути виконаний у вигляді одношарового ситового листа або багатошарового ситового чи волокнистого пристрою Зокрема, за рахунок розташування металевої чи керамічної решітки у пористому чи насипаному дросельному шарі досягаються особливо високі ударна МІЦНІСТЬ і СТІЙКІСТЬ ДО стирання у відношенні запобігання каталітичного стирання тіла каталізатора При цьому різні дросельні шари можуть бути нанесені на тіло каталізатора різними способами Наприклад, дросельний шар може бути напилений на тіло каталізатора, як лак, завдяки чому забезпечується особливо точний розрахунок товщини дросельного шару В якості альтернативи дросельний шар може бути нанесений шляхом занурення тіла каталізатора або пензлем або наклеюванням 62022 Переважно тіло каталізатора містить несучий лист, зокрема з нержавіючої спеціальної сталі При цьому несучий лист має товщину меншу чи яка дорівнює 0,2мм В якості альтернативи тіло каталізатора містить плоску пластину, перфоровану пластину чи шар в якості механічного держака В залежності від функції і типу каталітичної рекомбінації механічний держак може бути виконаний металевим чи керамічним Для особливо ефективної рекомбінації водню, що міститься в газовій суміші, каталітична поверхня містить каталітичний благородний метал, зокрема платину чи паладій Переважно каталітична поверхня утворена каталітично активним матеріалом, наприклад платиною, паладієм чи міддю, нанесеним на механічний держак за допомогою адгезивного шару і/або проміжного шару Платина є при цьому найбільш температуростійкою і стійкою до каталітичних отрут Крім того, платиною в якості каталітично активного матеріалу можна рекомбінувати крім водню також моноксид вуглецю Паладій придатний, зокрема, тому, що його каталітична властивість проявляється вже при наднизьких навколишніх температурах Пристрій каталітичного елемента з тілом каталізатора з каталітичною поверхнею і нанесеним на неї дросельним шаром створюють переважно окремими шарами у вигляді так називаної конструкції "сандвіч" При цьому окремі шари утримуються один на одному за допомогою затискача або u-подібного листа Затискач або лист охоплює при цьому ВІДПОВІДНИЙ кінець каталітичного елемента, за рахунок чого шари каталітичного елемента утримуються особливо надійно Утримання каталітичного елемента може відбуватися, крім того, наприклад, у ситовому кошику чи всувному блоці За рахунок цього забезпечена особливо проста установка в рекомбінаційному пристрої, що містить велику КІЛЬКІСТЬ каталітичних елементів Згідно З другим кращим варіантом виконання, щонайменше, у зоні затікання передбачене тефлонове покриття дросельного шару Здатність раннього спрацьовування, зокрема у вологих умовах навколишнього середовища, може призвести за рахунок такого локально обмеженого тефлонового покриття до створення тимчасових гідрофобних властивостей тіла каталізатора Завдяки кількісному обмеженню тефлонового покриття можна уникнути важливої для реакції адсорбції води усередині пористого чи дросельного шару і, тим самим, досягти покращення здатності раннього спрацьовування (пасивне ініціювання реакції) Досягнуті завдяки винаходу переваги полягають, зокрема, утому, що за рахунок нанесеного на каталітичну поверхню дросельного шару при ВІДПОВІДНІЙ товщині шару чи діаметрі пор забезпечена каталітична рекомбінація водню киснем також у високовибуховій атмосфері, тобто при ВМІСТІ Kb у газовій суміші приблизно 15об %, без ініціювання займання Це досягнуто, зокрема, за рахунок дифузійних властивостей дросельного шару, який в якості дифузійного бар'єру для газів реакції викликає дроселювання 8 каталітичної реакції Каталітичні стирання чи відколювання надійно захищені за рахунок нанесеного на каталітичну поверхню дросельного шару, оскільки дросельний шар в якості захисного шару закриває каталітично активний матеріал Це пояснюється, зокрема, хорошою теплопровідністю й особливо високою твердістю дросельного шару, який утворює ЗОВНІШНІЙ шар каталітичного елемента Крім того, крім гальмування дифузії за рахунок дифузійного шару надійно захищена від поширення полум'я, яке може виникати внаслідок вивільнення при рекомбінації кисню тепла Далі завдяки ширині зазору менш 0,3мм досягається особливо надійний ефект полум'яного бар'єра Приклади виконання винаходу більш докладно пояснюються за допомогою креслення, на якому зображують фіг 1 каталітичний елемент для рекомбінації водню в газовій суміші з дросельним шаром, фіг 2-5 фрагмент І з фіг 1 з чотирма альтернативними виконаннями дросельного шару Однакові деталі позначені на усіх фігурах однаковими позиціями позначок Каталітичний елемент 1 на фіг 1 призначений для рекомбінації водню і/або моноксиду вуглецю киснем у газовій суміші, а саме в атмосфері захисної оболонки докладно не показаного рекомбінаційного пристрою АЕС у випадку аварії Каталітичний елемент 1 містить для цього тіло 2 каталізатора з каталітичною поверхнею 4 В якості тіла 2 каталізатора слугує, наприклад, несучий лист, зокрема лист нержавіючої спеціальної сталі В якості альтернативи тіло 2 каталізатора може містити в собі в якості механічного держака плоску пластину, перфоровану пластину, шар чи засипку в пластиноподібну несучу конструкцію, причому механічний держак виконаний металевим чи керамічним Каталітична поверхня 4 утворена при цьому каталітичним матеріалом 8, нанесеним на тіло 2 каталізатора за допомогою проміжного шару 6 За рахунок цього переважно збільшена поверхня тіла 2 каталізатора Проміжний шар 6 виконаний, наприклад, мінеральним, зокрема проміжний шар 6 містить Washcoat (AI2O3), в якому каталітичний матеріал 8 розташований безпосередньо на поверхні 4 Каталітична поверхня 4 містить в якості каталітично активного матеріалу 8 каталітичний благородний метал чи суміш благородних металів або пристрій з фольги благородного металу В якості благородного металу передбачені, зокрема, платина чи паладій Крім того, на каталітичну поверхню 4 нанесений дросельний шар 10 для гальмування вхідних і/або вихідних газів реакції, наприклад ЬЬ, О2, CO, CO2, Н2О Дросельний шар 10 виконаний пористим Діаметр пор становить в зоні А входу дросельного шару 10 і, тим самим, безпосередньо в ЗОВНІШНІЙ зоні каталітичного елемента 1 якнайбільше 10000А Тому ці розташовані в ЗОВНІШНІЙ зоні пори називаються макропори Нижчележачі площини дросельного шару 10, розташовані в безпосередній близькості від тіла 2 каталізатора, зокрема в зоні каталітичної поверхні 4, мають менший діаметр пор, щонайме 62022 нше, 5А, переважно, щонайменше, ЮОА Тому ці нижчележачі пори називаються мікропорами і викликають властивість дросельного шару 10, яка особливо гальмує дифузію В залежності від властивості гальмування дифузіі, що досягається, дросельний шар 10 може мати змінену в напрямку течи газової суміші вздовж тіла 2 каталізатора товщину і/або змінений в напрямку течи газової суміші крізь дросельний шар 10 діаметр пор Об'єм пор дросельного шару 10 становить, щонайменше, 3 3 0,1см /г і якнайбільше 1см /г Для надійного утримання виконаних частково у вигляді шару компонентів каталітичного елемента 1 - несучого листа 2, каталітичної поверхні 4, проміжного шару 6, дросельного шару 10 - ВІДПОВІДНО на верхньому і нижньому кінцях каталітичного елемента 1 розташований фіксатор 11 В якості фіксатора 11 слугує, наприклад, затискач або u-подібний лист Щоб уникнути важливої для реакції адсорбції води всередині дросельного шару 10 останній, щонайменше, у зоні затікання, тобто на нижньому КІНЦІ каталітичного елемента 1, оточений переважно проникним шаром 12 гідрофобної дм В якості шару 12 гідрофобної дії слугує, зокрема, тефлонове покриття чи покриття іншою речовиною гідрофобної дії На фіг 2 зображений фрагмент І з фіг 1 каталітичного елемента 1 з альтернативним дросельним шаром 10А Дросельний шар 10А виконаний керамічним і містить, наприклад, Washcoat чи оксид кремнію Керамічний дросельний шар 10А при цьому особливо пористий і має товщину якнайбільше 500мкм На фіг 3 зображена інша альтернативна форма виконання дросельного шару 10В каталітичного елемента 1 Дросельний шар 10В також являє собою керамічний шар, у якому розташована сітка 13 Сітка 13 виконана при цьому з металевих чи керамічних волокон, наприклад тканини зі спеціальної сталі чи тканини зі скло 10 волокна Волокна мають переважно діаметр якнайбільше 1мм, а також середня відстань між ними якнайбільше 2мм В якості альтернативи може бути передбачений перфорований лист чи дротова решітка За рахунок розташування сітки 13 у дросельному шарі 10В він виконаний особливо температуростійким і стійким до стирання У прикладі виконання на фіг 4 каталітичний елемент 1 зображений з іншим альтернативним дросельним шаром ЮС, виконаним металевим Металевий дросельний шар ЮС містить при цьому дрібнопористу металеву фольгу 14, виконану двошаровою В якості дрібнопористої металевої фольги 14 слугує, наприклад, тканина з металевих волокон чи перфорована металева фольга Окремі шари металевої фольги 14 розташовані переважно зі зсувом стосовно один одного, за рахунок чого досягається особливо щільна металева тканина, що особливо гальмує дифузію Каталітичний елемент 1 з іншим альтернативним дросельним шаром 10D зображений на фіг 5 При цьому дросельний шар 10D утворений мінеральною засипкою Мінеральний дросельний шар 10D виконаний пористим із середнім розміром зерен, щонайменше, 0,3мм і якнайбільше 5мм, а також товщиною, щонайменше, 1мм В якості мінеральної засипки слугує, наприклад, засипка з базальтової кришки РІЗНІ, виконані особливо малооб'ємними, дрібно- і/або великопористими дросельні шари 10 10A-10D забезпечують вибухотехнічну ліквідацію зв'язку внутрішнього простору каталітичного елемента 1 також у високовибуховому оточенні, зокрема в оточенні водню у випадку особливо високої концентрації більш Юоб % Ширину зазору пористого дросельного шару 10 10A-10D у випадку розрахунку при концентрації водню більше Юоб % варто вибирати особливо вузькою, переважно менше 0,5мм Подібна вузька ширина зазору забезпечує, крім того, особливо надійний полум'яний бар'єр -11 чв Н2О А -іг ФІГ. 1 Фіг. 2 62022 12 6 2 У//і гІ у/уж ж//У ш і . // 1 л і /// і . 1 І 1 І 1 /// /// •І іі /// і „1 •C Q І. і /// і • 1 .1 І „• 1. 1 Фіг. 4 Фіг. З ФІГ. 5 Комп'ютерна верстка О Воробей Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119