Патент на изобретение №2222060

(54) РЕКОМБИНАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ РЕКОМБИНАЦИИ ВОДОРОДА И/ИЛИ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА С КИСЛОРОДОМ В ГАЗОВОЙ СМЕСИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области каталитической рекомбинации газов. Сущность изобретения: рекомбинационное устройство для каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси, в котором по меньшей мере одна каталитическая структура (2) расположена в камере (4), через которую при функционировании проходит газовая смесь. Причем каталитическая структура (2) в направлении потока газовой смеси имеет несколько участков (Т1, Т2). В направлении набегающего потока первый участок (Т1) содержит каталитическое тело (6) с окружающим дроссельным слоем (8) для предотвращения диффузии притекающих к каталитическому телу (6) реакционных газов, и следующий за первым участком (Т1) второй участок (Т2) содержит по меньшей мере одно каталитическое тело (6), непосредственно доступное газам. Способ каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси заключается в том, что для введения в реакцию рекомбинации газовую смесь подводят к каталитическому телу (6). При этом каталитическое тело (6) на первом в направлении потока участке (Т1) нагружают лишь парциальным потоком газовой смеси и полностью разгружают от газовой смеси лишь на втором участке (Т2). Преимущества изобретения заключаются в том, что оно позволяет избежать воспламенения газовой смеси при функционировании предохранительного резервуара атомной установки. 2 с. и 13 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к рекомбинационному устройству и способу рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом, в котором по меньшей мере одна каталитическая структура расположена в камере, через которую при функционировании проходит газовая смесь, в особенности для атомной электростанции.

Подобная тематика рассмотрена в одновременно поданной заявке ФРГ с регистрационным номером 19914823.6 и названием “Каталитический элемент для рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом”, объем раскрытия которой нужно отнести к этой заявке.

После аварии с потерей хладагента на атомной электростанции могут высвобождаться большие количества водорода и монооксида углерода в предохранительном резервуаре (защитная оболочка). Без контрмер водород может накапливаться в атмосфере предохранительного резервуара в настолько большом количестве, что может образоваться способная взрываться смесь. При позднее наступающем случайном воспламенении прежде всего за счет сгорания большего количества водорода может подвергаться опасности целостность предохранительного резервуара.

Для предотвращения возникновения такого рода взрывоопасных газовых смесей в предохранительном резервуаре рассматриваются различные устройства. К ним относятся, например, такие устройства, как каталитические рекомбинаторы, каталитически и электрически функционирующие устройства зажигания или комбинации обоих вышеуказанных устройств. Основной принцип действия каталитических рекомбинаторов известен, например, из электрохимической технологии и пояснен, например, в монографиях DECHEMA “Electrochemische Verfahrenstechnik”, 1970-1992, том 97, с.363-376, Конференция секции прикладной электрохимии, изд. Chanie.

Для устранения водорода и монооксида углерода из атмосферы предохранительного резервуара (атмосфера защитной оболочки) нужно достигать в особенности ранней и беспламенной рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом. При этом обязательно нужно избегать значительного возрастания давления как следствия вирулентного сгорания водорода. Пригодное для этой цели рано инициирующее рекомбинационное устройство, которое также в случае более продолжительного срока службы в атмосфере защитной оболочки незначительно теряет активность и пассивно инициирует при низких температурах окружающей среды, известно из заявки на патент ФРГ DE-19636557-A1. С помощью такого рода рекомбинационного устройства возможна “мягкая” рекомбинция водорода, например, в фазе атмосферы защитной оболочки, которая содержит пар и поэтому защищена от спонтанных воспламенений.

Из Европейского патента ЕР 0527968-В1 известно рекомбинационное устройство, в котором предусмотрено несколько каталитических систем в форме гладких пластин, которые с обеих сторон покрыты каталитическим материалом, например, платиной и/или палладием. Оно особенно хорошо пригодно для уменьшения количества водорода в атмосфере предохранительного резервуара атомной электростанции. При этом каждая каталитическая система содержит лист-носитель из высококачественной стали, который с обеих сторон имеет тонкий слой, толщина которого находится в микрометровой области, в особенности из платины и/или палладия. Множество таких отдельных пластин с нанесенным покрытием расположено в камере, которая выполнена в виде модуля. Камеру снизу обтекает контролируемый газовый поток, и этот газовый поток выходит из камеры в верхней части через расположенное сбоку выходное отверстие.

Из заявки на Европейский патент ЕР-0436942-А1 известна рекомбинационная система с корпусным защитным устройством, которая автоматически открывается в зависимости от наружной температуры. В состоянии готовности рекомбинационной системы корпусное защитное устройство, напротив, закрыто, так что избегают загрязнения каталитически активной поверхности рекомбинатора.

В случае известного из заявки на Европейский патент ЕР-0416140-А1 рекомбинационного устройства, напротив, предусмотрены фильтрующие среды, которые удерживают вредные вещества из атмосферы окружающей среды, как, например, аэрозоли, и, таким образом, защищают катализатор рекомбинационного устройства от загрязнения.

Далее, из заявки на патент ФРГ DE-3725290 известны сплавы из благородных металлов, которые поглощают или отводят через лист-носитель или металлическую сетку выделяющуюся при рекомбинации теплоту реакции, благодаря чему можно избегать воспламенения газовой смеси.

Из заявки на Европейский патент ЕР-0388955-А1 известно рекомбинационное устройство, в котором дополнительно предусмотрено устройство зажигания для инициирования контролируемого сгорания водорода.

Каждая известная рекомбинационная система рассчитана на особенно высокую производительность рекомбинатора при особенно незначительных габаритах компонентов, а также на высокую устойчивость против загрязнения. Для использования рекомбинационного устройства для рекомбинации водорода в газовой смеси на атомной электростанции, сверх того, однако, также нужно обеспечение того, чтобы не могли возникать никакие, отрицательно влияющие на безопасность атомной электростанции эффекты. Нужно принимать во внимание, что используемая для рекомбинации водорода каталитическая структура рекомбинационного устройства обычно нагревается вследствие рекомбинации и на основании своей повышенной температуры может нежелательным образом способствовать воспламенению газовой смеси в атмосфере защитной оболочки ядерной электростанции.

В основе изобретения поэтому лежит задача разработки рекомбинационного устройства для каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси, в особенности в атмосфере предохранительного резервуара атомной установки, при функционировании которого особенно надежно избегают нежелательного воспламенения газовой смеси. Следует указать также способ каталитической рекомбинации.

Относительно рекомбинационного устройства для каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси, в котором по меньшей мере одна каталитическая структура расположена в камере, через которую при функционировании проходит газовая смесь и в которой каталитическая структура в направлении потока газовой смеси имеет несколько участков, указанная задача согласно изобретению решается тем, что в направлении набегающего потока первый участок содержит каталитическое тело с окружающим дроссельным слоем для предотвращения диффузии входящих и/или выходящих реакционных газов, и причем следующий за первым участком второй участок содержит по меньшей мере одно каталитическое тело, непосредственно доступное реакционным газам. При этом, следовательно, в рекомбинационном устройстве используют свойства первого и второго участков, предпочтительно по очереди. Таким образом, в охватывающей несколько участков каталитической структуре возможно многостадийное каталитическое окисление. При этом различные участки выполнены таким образом, что учитываются возникающие вдоль направления потока газовой смеси различные реакционные условия. В особенности первый в области ввода в каталитическую структуру участок выполнен особенно предотвращающим воспламенение в отношении поступающей туда высоковзрывоопасной смеси. По сравнению с этим, расположенные в верхней области потока участки обладают особенно высокой каталитической активностью, так как газовая смесь уже частично очищена и вследствие этого уже отчетливо снижена приводящая к воспламенению концентрация реакционных газов, например, составляющая выше 8 об.% концентрация H₂. Альтернативно, различного рода участки также могут быть расположены путем чередования вдоль направления потока газовой смеси.

В случае второго участка предпочтительно может быть выбрано каталитическое тело, которое обладает более высокой каталитической активностью, чем каталитическое тело на первом участке. Это возможно, например, путем выбора катализатора с более высокой плотностью центров активности – с более высокой долей каталитически активного матриала, благодаря чему достигают более сильной каталитической активности и, таким образом, усиленной каталитической реакции на соответствующем участке. В зависимости от силы каталитической активности второй участок дополнительно может быть снабжен приспособлением для блокирования пламени. Приспособление для блокирования пламени при этом имеет ширину зазора самое большее 0,7 мм, предпочтительно меньше 0,3 мм. Благодаря непосредственному нанесению приспособления для блокирования пламени на второй участок, а также дополнительно за счет расширения приспособления для болокирования пламени на первый, особенно предотвращающий диффузию участок достигают особенно хорошей теплопередачи из второй реакционной зоны второго участка в первую реакционную зону первого участка и, таким образом, более быстрого инициирования каталитической реакции также в первой реакционной зоне.

Каталитическое тело может состоять из нескольких отдельных частей, например, спрессованных вместе или агломерированных волокон. Каталитическое тело на втором участке более целесообразно содержит пластинчатообразный лист-носитель, который покрыт каталитическим материалом. Лист-носитель, например, выполнен из нержавеющей высококачественной стали. При этом лист-носитель имеет толщину меньше или равную 0,2 мм. Альтернативно, каталитическое тело может содержать гладкую пластину, перфорированную пластину или шар в качестве механического носителя. В зависимости от функции и рода каталитической рекомбинации механический носитель может быть металлического или керамического типа. В случае керамического типа речь идет, например, о моющейся поверхности (Аl₂O₃).

Для особенно эффективной рекомбинации введенного в газовую смесь водорода каталитический материал содержит каталитический благородный металл, в частности, платину или палладий. При этом платина особенно термостойка и устойчива к каталитическим ядам. Сверх того, с помощью платины в качестве каталитически активного материала наряду с водородом можно рекомбинировать также монооксид углерода. Палладий пригоден в особенности на основании его свойства инициировать реакцию при особенно незначительных температурах окружающей среды. В случае первого участка, таким образом, предпочтительно можно выбирать, например, благородный металл, более устойчивый к каталитическому яду, чем благородный металл на втором участке. Каталитический материал предпочтительно наносят на механический носитель с помощью адгезионного слоя и/или промежуточного слоя.

В случае особенно предпочтительного варианта осуществления, дроссельный слой, выполненный, в частности, пористым, на первом участке представляет собой насыпной материал, в котором расположено каталитическое тело. При этом парциальный поток газовой смеси проходит через расположенное в сыпучей массе каталитическое тело (“проточная” альтернатива). Каталитическое тело второго участка при этом расположено отдельно от каталитического тела первого участка. Оба каталитических тела, например, расположены друг за другом в направлении потока газовой смеси. Выбор размеров пористости насыпного материала при этом осуществляют таким образом, чтобы при наличии особенно взрывоопасной газовой смеси в области ввода концентраций Н₂ больше 10 об.% в области выхода из первого участка концентрация H₂ снижалась до величины меньше 6 об.%. Для компенсации снижений давления в проходимой (газом) камере, поверхность набегающего потока может быть увеличена в 2-5 раз. При высоте камеры 0,2-2 м тогда в области каталитической структуры предпочтительно достигают скорости прохождения газовой смеси 0,1-1 м/с.

Согласно дальнейшему предпочтительному варианту осуществления дроссельный слой на первом участке нанесен на каталитическое тело в виде пористого покровного слоя. В случае этой, обозначаемой как “обтекаемая” альтернатива, каталитической структуры каталитические тела на первом и втором участках образуют сплошное тело, то есть это тело охватывает как первый, так и второй участок. Таким образом, весь поток газовой смеси обтекает каталитическое тело. В области ввода за счет нанесенного на первый участок дроссельного слоя достигают предотвращения диффузии входящих и/или выходящих реакционных газов. Таким образом, каталитическая рекомбинация реакционных газов ограничена, что, с другой стороны, приводит к ограничению температуры реакции также при высоких концентрациях H₂. Также влияющую на каталитическую реакцию скорость протекающей или обтекающей газовой смеси устанавливают путем заданной геометрии камеры. При высоте камеры 0,2-2 м в области каталитической структуры предпочтительно устанавливают скорость протекающей газовой смеси 0,1-2 м/с.

Для особенно высокой степени превращения несколько одинакового рода каталитических структур целесообразнее расположены параллельно друг другу. В случае “обтекающей” альтернативы, например, соседние каталитические структуры с соответственно соотносящимися первыми и вторыми участками расположены параллельно друг другу. При этом каждая каталитическая структура на первом участке имеет принадлежащий ей дроссельный слой. В случае “проточной” альтернативы каталитических структур, например, несколько одинакового рода первых участков расположены параллельно друг другу и окружены общим дроссельным слоем. Относящиеся к ним вторые участки отделены от первых участков и также расположены параллельно друг другу. Альтернативно этому, различного рода каталитические структуры могут быть расположены путем чередования. За счет комбинации каталитических структур с первым и вторым или несколькими участками, причем возможен в особенности один участок недросселированной и другой участок диффузионно-дросселированной реакции, достигают особенно безопасной и активной каталитической рекомбинации в несколько стадий. Благодаря этой многостадийной рекомбинации на отдельных участках или в проточных каналах достигают особенно надежной защиты от воспламенения или возгорания при одновременно высокой степени превращения также в случае менее взрывоопасных газовых смесей.

Более целесообразно каталитические структуры выполнены пластинчатообразно, обладают общей толщиной самое большее 1 см, предпочтительно примерно 0,3 мм, и промежуток между ними составляет менее 20 мм.

Для обеспечения однородной рекомбинации, в особенности многостадийного окисления, также в случае так называемых восходящих потоков поступающей газовой смеси с особенно высокими скоростями, в направлении набегающего потока газовой смеси перед каталитической структурой размещают ограждение для восходящего потока. Ограждение для восходящего потока может уже содержать часть каталитического тела. Оно особенно предпочтительно 1-5-кратно увеличивает площадь поперечного сечения рекомбинационного устройства на входе. Таким образом, достигают особенно простого ограничения потока поступающей газовой смеси. Это, с другой стороны, вызывает непрерывный подвод газовой смеси, благодаря чему надежно избегают сдвига реакционной зоны. Для уменьшения и, в случае необходимости, компенсации возникающих в камере падений давления камера предпочтительно имеет высоту 0,2-2 м.

Для достижения особенно безопасного функционирования в случае возможно возникающего обращения потока в рекомбинационном устройстве – в случае так называемых нисходящих потоков, в направлении выхода газовой смеси у конца каталитической структуры расположено ограждение для нисходящего потока. При особенно предельных соотношениях потока с переменными направлениями потока в области выхода дополнительно может быть предусмотрено частичное покрытие реакционной поверхности, которое как ограждение для восходящего потока способствует увеличению поверхности.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления по меньшей мере в области ввода первого участка предусмотрено тефлоновое покрытие на дроссельном слое. Способность к раннему инициированию, в особенности в случае влажных условий окружающей среды, за счет такого локально ограниченного тефлонового покрытия может приводить к появлению локальных гидрофобных свойств каталитического тела. Благодаря количественному ограничению тефлонового покрытия можно избежать существенной для реакции адсорбции воды в пористом или дроссельном слое и, таким образом, добиться улучшения ранней инициирующей способности (пассивное инициирование реакции).

Указанная относительно способа каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси задача согласно изобретению решается тем, что для введения в реакцию рекомбинации газовую смесь подводят к каталитическому телу, причем каталитическое тело на рассматриваемом в направлении потока первом участке нагружается лишь частичным количеством газовой смеси, и причем каталитическое тело полностью разгружается от газовой смеси лишь на втором участке. Рекомбинация происходит в особенности на первом в направлении потока участке на окружаемом дроссельным слоем каталитическом теле и на втором последующем участке на непосредственно доступном для газовой смеси каталитическом теле. Оба участка – первый и второй участки – позволяют иметь предпочтительно каталитически разные активные зоны. Это, с другой стороны, вызывает многостадийное каталитическое окисление реакционных газов.

В случае “проточной” альтернативы, газовую смесь на первом участке более целесообразно пропускают через дроссельный слой. При этом парциальный поток неочищенной газовой смеси проходит первый участок и очищается. Эта очищенная газовая смесь затем в дополнительно подключенной к каталитическому телу зоне смешения смешивается с неочищенной газовой смесью, благодаря чему снижается концентрация взрывоопасных реакционных газов, в особенности концентрция Н₂. Эту смешанную, имеющую более низкую концентрацию газовую смесь затем подают во второй участок, который не покрыт дроссельным слоем, для дальнейшего каталитического окисления. Газовая смесь, таким образом, на втором участке непосредственно доступна каталитическому телу, которое содержит, в частности, каталитически высокоактивный материал, благодаря чему на втором участке происходит более интенсивное каталитическое превращение, которое можно повышать еще дальше за счет каталитического материала с более высокой каталитической активностью.

В случае “обтекаемой” альтернативы каталитической структуры, всю газовую смесь предпочтительно вводят на первый участок вдоль дроссельного слоя. При этом происходит уменьшение концентрации водорода вдоль каталитической структуры, то есть вдоль первого и второго участков.

На первом участке содержание введенного в газовую смесь водорода – даже в самом неблагоприятном случае функционирования, который нужно учитывать (“наихудший случай”), предпочтительно снижается за счет окисления до менее, чем 5 об.%. Таким образом, поступающая на второй участок газовая смесь имеет концентрацию, которая находится ниже концентрации воспламенения соответствующего реакционного газа. Это приводит к тому, что даже в случае высокоактивного каталитического материала на втором участке может оказаться не нужным предотвращающий диффузию и блокирующий пламя дроссельный слой.

На первом участке температура реакции предпочтительно ниже, чем на втором участке. В особенности температура реакции на первом участке лежит ниже температуры воспламенения реакционных газов. Температура реакции на первом участке, даже в “наихудшем случае”, предпочтительно составляет менее 560^oС. Эта температура реакции, таким образом, лежит ниже температуры воспламенения водорода. На втором участке, на основании уже происшедшего на первом участке.

Достигаемые с помощью изобретения преимущества заключаются, в частности, в том, что за счет по меньшей мере двух различных участков каталитической структуры достигают особенно безопасной, в частности, без воспламенения, и особенно эффективной каталитической рекомбинации как в случае высоковзрывоопасных газовых смесей (высокая концентрация H₂, вплоть до 15 об.%), так и также в случае менее взрывоопасных газовых смесей (низкая концентрация H₂, примерно 1 об.%).

Примеры осуществления изобретения более подробно поясняются с помощью чертежа.

Фиг. 1 – рекомбинационное устройство для каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси с помощью каталитической структуры;
Фиг.2 – фрагмент II из фиг.1;
Фиг. 3 – функциональный ход концентрации и температуры реакции в зависимости от пути потока вдоль каталитической структуры;
Фиг. 4 – альтернативное рекомбинационное устройство для каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси с помощью каталитической структуры;
Фиг.5 – фрагмент V из фиг.4.

Соответствующие друг другу части на всех фигурах снабжены одинаковыми ссылочными знаками.

Рекомбинационное устройство 1 согласно фиг.1 и рекомбинационное устройство 1′ согласно фиг.4 соответственно предусмотрены для каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси, а именно в атмосфере защитной оболочки подробнее не представленной атомной электростанции в случае аварии.

Рекомбинационное устройство 1 содержит множество каталитических структур 2, которые расположены примерно параллельно на расстоянии самое большее 20 мм друг от друга. В зависимости от рода и функции рекомбинационного устройства 1 может быть также предусмотрена единичная каталитическая структура. Сверх того, могут быть предусмотрены несколько одинаковых или различных каталитических структур 2.

Каталитические структуры 2 расположены в камере 4. Камера 4 при этом выполнена таким образом, что через рекомбинатор 1, 1′ при функционировании газовая смесь проходит в свободной конвекции. Для этого камера 4 вдоль по существу вертикального, отмеченного стрелкой 5, предпочтительного направления образует шахту. Возбуждаемый вследствие выделения тепла при рекомбинации газовой смеси в области каталитической структуры 2 (энергетический) импульс в случае функционирования рекомбинационного устройства 1, 1′ вызывает сверхкомпенсацию падения давления газовой смеси, так что в результате действия как вытяжная труба шахтообразно выполненной камеры 4 газовая смесь проходит через рекомбинационное устройство 1, 1′ без внешнего вспомогательного или импульсного средства. Шахтообразно выполненная часть камеры 4 при этом имеет высоту 0,2-2 м для компенсации вызванного падения давления. Для особенно благоприятного конвективного поведения камера 4 к тому же более целесообразно имеет соотношение высоты к глубине 0,3-10.

Рекомбинационное устройство 1, 1′ выполнено таким образом, что и в случае высоких температур, возникающих вследствие высвобождения тепла при рекомбинации водорода в области каталитических структур 2, надежно избегают воспламенения способной к воспламенению газовой смеси в области вне рекомбинационного устройства 1, 1′. Для этого каждая каталитическая структура 2 в направлении потока газовой смеси имеет по меньшей мере два участка – первый участок Т1 и второй участок Т2. В зависимости от рода и функции рекомбинационного устройства 1, 1′ могут быть предусмотрены более чем два участка.

Для каталитической рекомбинации каждая каталитическая структура 2 содержит как на первом участке Т1, так и на втором участке Т2 каталитическое тело 6, которое содержит пригодный для рекомбинации каталитически активный материал. В качестве каталитически активного материала при этом может быть предусмотрен, в частности, благородный металл, смесь из благородных металлов или также структура из фольги благородного металла. В качестве благородного металла при этом, в частности, предусмотрены платина и/или палладий.

Во избежание воспламенения в особенности в области ввода высоковзрывоопасной газовой смеси каталитическое тело 6 на первом участке Т1 окружено дроссельным слоем 8 для предотвращения диффузии входящих и/или выходящих реакционных газов. На втором участке Т2 каталитическое тело 6 непосредственно доступно реакционным газам. При этом на первом участке Т1 газовую смесь направляют вдоль дроссельного слоя 8, а на втором участке Т2 – вдоль каталитического тела 6.

Каталитическая рекомбинация в направлении потока газовой смеси в случае предусмотренного первого участка Т1 происходит дросселированно на основе окружающего каталитическое тело 6 дроссельного слоя 8, то есть на первом участке Т1 предпочтительно замедляется приток реакционных газов, например СО, Н₂, O₂, СО₂, так, что происходит только частичное окисление. С другой стороны, это способствует тому, что тормозится каталитическая рекомбинация и, таким образом, температура реакции поддерживается низкой, в частности, ниже 560^oС. Длину участка Т1 в значительной степени определяют за счет концентрации поступающего реакционного газа. В частности, содержание введенного в газовую смесь водорода на первом участке Т1 за счет каталитического окисления снижается до величины, менее 5 об.%.

Таким образом, в последующую каталитическую зону, то есть на второй участок Т2, поступает газовая смесь, концентрация которой в реакционном газе находится ниже концентрации воспламенения. Это предпочтительно приводит к тому, что газовая смесь на втором участке Т2 непосредственно имеет доступ к каталитическому телу 6. При этом второй участок Т2 каталитически активнее, чем участок Т1, за счет того, что каталитическое тело 6 на втором участке Т2 содержит каталитически более активный материал. Температура реакции на втором участке Т2 вследствие этого составляет более, чем 560^oС. Оба участка – первый участок Т1 и второй участок Т2 – позволяют иметь, как указано, каталитически различно активные зоны, благодаря чему возможно многостадийное каталитическое окисление реакционных газов. В зависимости от силы каталитической активности второй участок Т2 дополнительно может быть покрыт не представленным здесь приспособлением для блокирования пламени.

Для обеспечения однородной рекомбинации, в особенности многостадийного окисления, также в случае так называемых восходящих потоков вводимой газовой смеси с особенно высокими скоростями, в направлении набегающего потока газовой смеси перед каталитическими структурами 2 расположено ограждение 10 для восходящего потока. Ограждение 10 для восходящего потока особенно предпочтительно 1-5-кратно увеличивает площадь поперечного сечения на входе в рекомбинационное устройство 1.

Для достижения особенно безопасного функционирования в случае возможно возникающего обращения потока в рекомбинационном устройстве 1, 1′ – при так называемых нисходящих потоках, в направлении выхода газовой смеси у верхнего конца камеры 4 предусмотрено ограждение 12 для нисходящего потока. Ограждение 12 для нисходящего потока служит одновременно в качестве верха камеры и вместе с тем в качестве каплеотталкивающего ограничения для рекомбинационного устройства 1, 1′. Таким образом, также при функционировании спрей-системы выше рекомбинационного устройства 1, 1′ избегают прямого внесения капель жидкости в рекомбинационное устройство 1, 1′.

Сверх того, рекомбинационное устройство 1, 1′ в направлении потока газовой смеси ниже ограждения 12 для нисходящего потока содержит фильтр 14. Этот фильтр 14, который включен в камеру 4 дополнительно к каталитическим структурам 2, служит для отфильтровывания грубых частиц. Фильтр 14, например, выполнен из переплетения тонких проволок. Переплетение при этом имеет размер отверстий, которые при учете падения давления в рекомбинационном устройстве 1, 1′ и требующейся производительности отделения выбирают особенно маленьким, предпочтительно менее 800 мкм. В качестве дальнейшего критерия выполнения при определении размера отверстия к тому же принимают во внимание, что на фильтре 14 нельзя осуществлять никакого отделения каталитических ядов, как аэрозоли или коллоиды. Размеры отверстия фильтра 14 скорее определяют таким образом, чтобы аэрозоли или коллоиды могли проникать количественно и без существенных потерь за счет отделения. Таким образом, надежно избегают опасности закупоривания за счет отлагающихся аэрозолей или коллоидов.

Камера 4, сверх того, имеет изолирующую рубашку 16. Изолирующая 16, рубашка, например, может быть выполнена в виде двойной рубашки как воздушная прослойка. Альтернативно, может быть также предусмотрен расположенный между двумя слоями рубашки термостойкий и устойчивый к излучению изоляционный материал. Таким образом, надежно избегают проникновения излучения через изолирующую рубашку 16. В частности, за счет типа изолирующей рубашки 16 в высокой степени препятствуют существенному в температурном интервале выше 500^oС переносу тепла. Таким образом, надежно избегают воспламенения окружающей камеру 4 газовой смеси (атмосфера защитной оболочки) за счет высокой температуры камеры.

На фиг.2 представлена каталитическая структура 2 согласно фиг.1 с каталитическим телом 6. Каталитическая структура 2 выполнена пластинчатообразно и имеет общую толщину самое большее 1 см, в особенности в случае керамического исполнения. Общая толщина предпочтительно составляет примерно 0,3 мм. Первый участок Т1 содержит дроссельный слой 8, который окружает каталитическое тело 6. Дроссельный слой 8 при этом выполнен в виде пористого плотного слоя, который нанесен на каталитическое тело 6. Пористость дроссельного слоя 8 вызывает связывание поступающих реакционных газов и, таким образом, ограничение каталитической реакции до незначительных частичных количеств на единицу поверхности на первом участке Т1. Второй участок Т2, сверх того, обогащен особенно активным каталитическим материалом, который, например, нанесен в виде слоя 18 на каталитическое тело 6. Это локально ограниченное обогащение каталитически активным материалом поддерживает инициирующую функцию каталитической структуры 2. Слой 18 содержит при этом, в частности, платину или палладий. Альтернативно, каталитически активный материал также расположен на поверхности каталитического тела 6.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления по меньшей мере в области входа первого участка Т1 предусмотрено тефлоновое покрытие 20 на дроссельном слое 8, которое только незначительно предотвращает доступ реакционных газов. За счет локального ограничения тефлонового покрытия 20 можно избежать существенной для реакции адсорбции воды в пористом или дроссельном слое 8 и, таким образом, добиться улучшения способности раннего инициирования (пассивное инициирование реакции).

На фиг. 3 представлен функциональный ход концентрации водорода К и температуры реакции Т в зависимости от пути потока газовой смеси вдоль каталитической структуры 2 для упомянутого “наихудшего случая”. При функционировании каталитической структуры 2 концентрация водорода К на первом участке Т1 от отчетливо выше 10 об.% снижается до по меньшей мере 5 об.% за счет каталитического окисления, причем температура реакции Т на первом участке Т1 сохраняется ниже 560^oС и, таким образом, температура воспламенения реакционного газа в случае каталитической структуры 2 не достигается.

На втором участке Т2 температура реакции Т, на основании более высокой каталитической активности, повышается, в частности, превышает температуру воспламенения 560^oС. Однако так как концентрация К на втором участке Т2 отчетливо ниже концентрации воспламенения, составляющей 5 об.%, надежно избегают воспламенения газовой смеси. Представленные на фиг.3 функциональные кривые являются характерными как для рекомбинационного устройства 1 согласно фиг.1, так и для рекомбинационного устройства 1′ согласно фиг.4.

На фиг. 4 представлено рекомбинационное устройство 1′ с альтернативной каталитической структурой 2. При этом первый участок Т1 и второй участок Т2 расположены отдельно друг от друга. Первый участок Т1 при этом содержит множество расположенных параллельно друг другу каталитических тел 6, которые все вместе окружены дроссельным слоем 8. Сверх того, дроссельный слой 8 представляет собой рыхлый насыпной материал, в котором расположены каталитические тела 6. В зависимости от рода и функции рекомбинационного устройства 1′ могут быть предусмотрены несколько одинакового рода первых участков 1, которые, как представлено на фиг.4, расположены в направлении потока газовой смеси параллельно друг другу с образованием промежуточного пространства 22. Альтернативно, также различного рода участки T1, T2 могут быть расположены путем чередования.

Второй участок T2 также содержит множество каталитических тел 6, которые подключены за первым участком Т1. При этом каталитические тела 6 расположены в направлении потока газовой смеси параллельно друг другу. В зависимости от рода и функции рекомбинационного устройства 1′ в случае каталитических тел 6 первого участка Т1 и второго участка T2 в отношении каталитической активности речь может идти об одинакового рода катализаторах. Каталитические тела 6, однако, также внутри первого участка Т1 и/или второго участка Т2 можно изменять по каталитической активности за счет различных каталитических материалов.

Для рекомбинации газовой смеси она проходит, во-первых, оба первых участка Т1 и с более низкой концентрацией H₂ попадает в промежуточное пространство 22. Во-вторых, одновременно через расположенный между обоими первыми участками Т1 подвод 24 в промежуточное пространство 22 вводят неочищенную газовую смесь. В промежуточном пространстве 22 неочищенная газовая смесь смешивается с уже очищенной газовой смесью, благодаря чему со стороны выхода в промежуточном пространстве 22 устанавливается определенная концентрация H₂, которая предпочтительно находится ниже концентрации воспламенения 5 об. %. Выходящая из промежуточного пространства 22 газовая смесь затем направляется на второй участок Т2 вдоль каталитических тел 6 для дальнейшего каталитического окисления.

В подводе 24 расположена решетка 26, которая ограничивает приток неочищенной газовой смеси. В качестве решетки 26 служит, например, проволочная сетка. Однако также можно включать последовательно несколько проволочных сеток или металлических решеток, благодаря чему достигают особенно маленькой ширины щели, самое большее 100 мкм предпочтительно примерно 2 мкм.

Таким образом, количественно проникают также мелкие частицы, например, каталитические яды, в частности аэрозоли.

На фиг.5 представлен насыпной дроссельный слой 8 согласно фиг.4. Насыпной дроссельный слой 8 предпочтительно имеет размер зерен 1-10 мм, в частности 1-5 мм. При этом в направлении потока газовой смеси (указано стрелкой 28) дроссельный слой 8 в области входа Е имеет более крупный размер зерен, чем в области выхода А. Таким образом, дроссельный слой 8 выполнен как особенно предотвращающий диффузию и блокирующий пламя.

Формула изобретения

1. Рекомбинационное устройство для каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси, в котором, по меньшей мере, одна каталитическая структура (2) расположена в камере (4), через которую при функционировании проходит газовая смесь, причем каталитическая структура (2) в направлении потока газовой смеси имеет несколько участков (T1, T2), отличающееся тем, что в направлении набегающего потока первый участок (T1) содержит каталитическое тело (6) с окружающим дроссельным слоем (8) для предотвращения диффузии притекающих к каталитическому телу (6) реакционных газов, и следующий за первым участком (T1) второй участок (T2) содержит по меньшей мере одно каталитическое тело (6), непосредственно доступное газам.

2. Рекомбинационное устройство по п.1, отличающееся тем, что каталитическое тело (6) на втором участке (T2) обладает более высокой каталитической активностью, чем каталитическое тело (6) на первом участке (T1).

3. Рекомбинационное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что каталитическое тело (6) на втором участке (T2) содержит пластинчатообразный лист-носитель, покрытый каталитическим материалом.

4. Рекомбинационное устройство по п.3, отличающееся тем, что каталитический материал содержит каталитический благородный металл, в частности, платину или палладий.

5. Рекомбинационное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что на первом участке (Т1) дроссельный слой (8), выполненный, в частности, пористым, представляет собой насыпной материал, в котором расположено каталитическое тело (6).

6. Рекомбинационное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что на первом участке (Т1) дроссельный слой (8) нанесен на каталитическое тело (6) в виде пористого покровного слоя.

7. Рекомбинационное устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что несколько одинакового рода каталитических структур (2) расположены параллельно друг другу.

8. Рекомбинационное устройство по п.7, отличающееся тем, что каталитические структуры (2) выполнены пластинчатообразно, в каждом случае обладают общей толщиной самое большее 1 см, предпочтительно 0,3 мм, и расположены рядом на расстоянии друг от друга менее 20 мм.

9. Рекомбинационное устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что в направлении набегающего потока газовой смеси у переднего конца каталитической структуры (2) предусмотрено ограждение (10) для восходящего потока.

10. Рекомбинационное устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что в направлении выхода газовой смеси у конца каталитической структуры (2) расположено ограждение (12) для нисходящего потока.

11. Способ каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси, согласно которому для введения в реакцию рекомбинации газовую смесь подводят к каталитическому телу (6), отличающийся тем, что каталитическое тело (6) на первом в направлении потока участке (Т1) нагружают лишь парциальным потоком газовой смеси, и причем каталитическое тело (6) полностью разгружают от газовой смеси лишь на втором участке (Т2).

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что на первом участке (Т1) содержание введенного в газовую смесь водорода уменьшается за счет окисления до величины менее 5 об.%.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что всю газовую смесь на первый участок (Т1) вводят через дроссельный слой (8).

14. Способ по любому из пп.11-13, отличающийся тем, что парциальный поток газовой смеси устанавливают таким образом, что на первом участке (Т1) температура реакции (Т) ниже, чем на втором участке (Т2).

15. Способ по любому из пп.11-14, отличающийся тем, что парциальный поток газовой смеси устанавливают таким образом, что на первом участке (Т1) температура реакции (Т) составляет менее 560С, и/или на втором участке (Т2) температура реакции составляет более 560С.

РИСУНКИ

PD4A – Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:

АРЕФА НП ГмбХ (DE)

Адрес для переписки:

129090, Москва, ул. Б.Спасская, 25, стр. 3, ООО «Юридическая фирма Городисский и Партнеры»

Извещение опубликовано: 20.02.2009 БИ: 05/2009