Устройство для удаления водорода из газовой смеси, содержащий водород и кислород - RU2012393C1
Код документа: RU2012393C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к устройству для удаления водорода из газовой смеси в случае аварии ядерного реактора.
Известно устройство, в котором водород выходит в кислородсодержащую атмосферу защитного резервуара или системы снижения давления ядерного реактора, в результате чего создается взрывоопасная обстановка. Для устранения водорода в известном устройстве используют металлы, обладающие высокой способностью поглощения водорода также и при небольшом парциальном давлении водорода в газовой смеси. Для предотвращения окисления металлы покрыты водородопроницаемым защитным слоем, причем в качестве защитного слоя можно применять материал, который действует в качестве катализатора при окислении водорода кислородом в воду.
Поглощающий водород металл может быть использован как самонесущий или в виде слоя на материале-носителе. Для применения в качестве защитного устройства, необходимого только в аварийном случае, в известном устройстве предусмотрено расположение снабженного каталитическим защитным слоем носителя внутри закрытого резервуара, который открывается под действием давления только в случае аварии. Согласно одному варианту выполнения известного устройства этот резервуар содержит на своем верхнем и нижнем концах по разрушающемуся в случае аварии диску. Во внутренней части резервуара находится пакет из покрытых слоем поглощающих водород металлов. Окружающая газовая смесь стремится после продавливания дисков в резервуар, в котором поэтому возникает конвективный поток газов, направляющийся от донной к головой части резервуара. С целью усиления этого газового потока его поперечное сечение сужают в головной части резервуара.
В соответствии с другой формой выполнения этого известного устройства в резервуаре находится смотанная в рулон фольга из покрытого слоем металла, поглощающим водород. Резервуар подвешен и открывается в случае аварии, благодаря чему рулон фольги разматывается и образуется большая контактная поверхность с газовой смесью [1] .
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, в котором с одной или с обеих сторон покрывают несущее устройство из материала в виде сетки или листа. Покрытое слоем несущее устройство, будучи сложенным или намотанным в рулон, помещают в газонепроницаемый корпус, который в случае аварии открывается, после чего несущее устройство раскладывается или же разматывается. Описанные в этой выложенной заявке подложечные и каталитические материалы вполне пригодны также и для их применения в рамках настоящего изобретения [2] .
Во время ядерного плавления температура в напорном резервуаре реактора (PDB) доходит до 2400оС, при которой значительное количество продуктов расщепления и структурных материалов освобождаются в атмосферу защитного резервуара, в котором образуется состоящая из водяного пара и газов смесь, в которой могут быть суспендированы аэрозольные частицы с максимальной массовой концентрацией около 20 г/м3 (ср. Н. С. Friedrichs und E. Schrodj "Newe Ergebnisse zur Spaitprodukt freisetzung aus dem kern und Peartorgebaude bej Unfallen", 10 Fachgesprach, Koln, 12 / 13 November, 1986). Так, например, на тракте низкого давления к началу взаимодействия расплав-бетон может находиться в защитном резервуаре носимой воздухом от 1 до 3 т диспергированной массы. Большая доля массы (более 95% ) не является радиоактивной. Однако большая доля радиоактивных субстанций связана с аэрозольными частицами. Упомянутое выше освобождение водорода при случаях аварии совпадает по времени с вышеназванным выделением аэрозолей.
В основу изобретения положена задача создания устройства, при помощи которого можно удалять из газовой смеси одновременно водород и вредные вещества.
Удаление значительных количеств водорода создает в защитном резервуаре реактора опасность детонации. Удаление имеющихся преимущественно в виде аэрозолей вредных веществ является предпосылкой для снятия нагрузки с находящегося под действием высокого внутреннего давления защитного резервуара путем контролируемой вытяжной вентиляции.
Известно выполнение каталитического устройства таким образом, чтобы в случае аварии происходило увеличение контактной поверхности этого устройства. Кроме того, известно также, что при этом возникает конвективный газовый поток вдоль каталитического устройства. Настоящее изобретение использует этот известный факт таким образом, что благодаря соответствующему выполнению каталитического устройства вдоль последнего образуется такая высокая разность давлений при реализации каминного эффекта, что при сохранении достаточного потока этот поток можно направлять через фильтр, который задерживает находящиеся преимущественно в виде аэрозолей вредные вещества. Таким образом, можно при помощи простого устройства пассивным способом, то есть без привлечения посторонней энергии, устранять одновременно водород и диспергированные вредные вещества самого разного рода.
Известны пригодные для этой цели фильтры, так называемые фильтры-НЕРА (High-Efficiency-Particulate-Air). Эти фильтры отличаются высоким фильтрующим действием при высокой влажности и сравнительно низкой разностью давлений. Встроив фильтры в устройство для удаления водорода, можно задерживать взвешенные в воздухе аэрозоля внутри устройства. Количество задержанных аэрозолей зависит от места и числа устройств. В качестве материала-носителя и каталитического материала каталитического устройства можно применять известные материалы.
На фиг. 1 изображен первый вариант выполнения устройства, в котором его секции (части) внутри кожуха телескопически вложены друг в друга и имеют круглое сечение (частично в разрезе); на фиг. 2 - то же, в состоянии готовности в резервуаре; на фиг. 3 - верхняя часть устройства, продольный разрез; на фиг. 4 - второй вариант выполнения устройства, в котором секции (части) имеют прямоугольные поперечные сечения и снабжены боковыми крыльями; на фиг. 5 - то же, в состоянии готовности в резервуаре; на фиг. 6 - третий вариант выполнения устройства, в котором катализаторное устройство состоит из нескольких пластинчатых частей, соединенных друг с другом посредством гибких несущих средств и снабженных боковыми шарнирно соединенными с ним пластинами в состоянии готовности; на фиг. 7 - третий вариант в рабочем состоянии (частично в разрезе); на фиг. 8 - секция (часть) катализаторного устройства (в увеличенном масштабе).
Первый вариант выполнения устройства (фиг. 1 - 3).
Устройство собирают из большого числа частей 1 катализаторного устройства, которые посредством гибких несущих средств 2, например, при помощи цепей, подвешены друг к другу так, что образуют в основном цилиндрическую и приблизительно плотную шахту, причем между нижним концом части катализаторного устройства и верхним концом примыкающего снизу части катализаторного устройства нет большого зазора, т. е. эти концы находятся приблизительно в одной плоскости. Внутренний диаметр каждой части несколько больше наружного диаметра подвешиваемой к ней части, тогда как длина всех цилиндров в основном одинаковая. Благодаря установке одной в другую частей катализаторного устройства можно образовать шахтную структуру на высоту приблизительно одного цилиндра.
Чтобы сохранить каталитическую способность катализаторного устройства в течение максимально продолжительного времени, его содержат в защитной атмосфере (при этом преимущественно при небольшом избыточном давлении) например, в аргоновой атмосфере, и подвергают воздействию атмосферы защитного кожуха только в аварийном случае. Это легко осуществлять, если устройство в состоянии готовности в изображенном на фиг. 2 собранном виде содержать в кожухе 3, заполненном, например, аргоном. Кожух 3 подвешивают, например, при помощи соответствующего несущего устройства 4, например, к потолку защитного кожуха. В случае, когда речь идет о цилиндрическом кожухе 3, внутренняя стенка которого покрыта слоем каталитического материала, кожух закрыт газонепроницаемой сверху крышкой 5, а снизу - дном 6, которые в случае необходимости могут открываться. Кожух 3 соединен с крышкой 5 дополнительно гибким несущим средством, например цепями. Далее описанным образом с кожухом 3 соединен при помощи гибкого несущего средства 2, например, цепей, часть катализаторного устройства 1 большего диаметра, а с ней следующая меньшего диаметра и так далее. Освобождение крышки 5 и дна 6 кожуха 3 производится при помощи разрывных дисков, а еще лучше при помощи срабатывающих от температуры чувствительных элементов, например биметаллических устройств. Такие чувствительные элементы срабатывают в случае аварии при повышении температуры и освобождают как крышку 5, так и дно кожуха 3, который под действием тяжести падает до тех пор, пока не натянутся цепи 7. Точно также падают тогда под действием силы тяжести части 1, образуя при этом изображенную на фиг. 1 шахтную структуру. В изображенном на фиг. 1 рабочем состоянии образован между нижней стороной крышки 5 и верхней торцовой стороной кожуха 3 зазор, который достаточен для того, чтобы устанавливающийся внутри цилиндрический шахтной структуры поток мог удаляться, не испытывая при этом большого сопротивления (фиг. 3). Части катализаторного устройства 1 состоят из покрытых с двух сторон каталитическим слоем пластин, благодаря чему они проявляют свое каталитическое действие как на внутренней, так и на наружной сторонах. Оно приводит к нагреванию, которое вызывает внутри цилиндрической шахтной структуры каминный эффект и тем самым разность давлений между верхним и нижним концами этой структуры. Благодаря потоку газовой смеси внутри шахты и связанного с ним большого охлаждения стенок частей катализаторного устройства большую часть тепла, возникающего при каталитическом действии на наружных поверхностях частей, отводят внутри таким образом способствуют усилению каминного эффекта.
Аэрозольные фильтры 8 предусмотрены на верхнем конце каждого отдельной части 1, а также на нижнем конце самой нижней части. Фильтры снизу вверх становятся преимущественно все тоньше. Действие фильтра (плотность, толщина) зависит от случая применения, в особенности от ожидаемого вида и концентрации аэрозолей и концентрации водорода. В случае фильтров речь может идти о дисковидных фильтрах, наружный диаметр которых несколько меньше внутреннего диаметра соответствующей части катализаторного устройства. В дополнение или вместо разности диаметров диски фильтров можно снабжать одним или несколькими сквозными отверстиями. Оказалось, что хорошего фильтрующего действия можно достичь также и в том случае, когда направляют через материал фильтра не весь воздушный поток, а часть в виде байпасного потока идет вокруг фильтра или же проходит через его отверстия. Таким образом удается создать хороший компромисс между разностью давлений на фильтрах, с одной стороны, и фильтрующим действием, с другой, или, говоря другими слова, так обеспечивают при удовлетворительном фильтрующем действии наличие достаточного потока внутри шахтной структуры и поэтому благодаря всасывающему действию на нижнем конце можно пропускать большие количества содержащей отфильтрованные аэрозоли окружающей атмосферы. Байпасный поток обеспечивает, кроме того, сохранение достаточного потока также и в случае в той или иной степени закупоренных фильтров. Поскольку опасность закупорки фильтра существует больше всего на нижнем конце самой нижней части, то ее диаметр выбирают еще меньшим по сравнению с диаметром других фильтров. В нижней части катализаторного устройства 1 можно устанавливать в случае необходимости также дополнительные части и пластины, покрытые каталитическим материалом, что позволит в свою очередь увеличить общую каталитическую поверхность, не оказывая отрицательно воздействия на компактности устройства в состоянии готовности.
Как часть катализаторного устройства 1, так и кожух, у которого, по меньшей мере, внутренние стенки способствуют образованию каминного эффекта, оснащен на верхнем конце фильтровальным диском 8. На этот диск помещена, как это можно увидеть на фиг. 3, труба 9, диаметр которой меньше диаметра фильтровального диска. Верхний конец трубы, который покрыт, как и цилиндр, изнутри и снаружи слоем каталитического материала, закрыт другим фильтровальным диском 10. При таком устройстве сначала большая часть газового потока проходит через трубу 9. В том случае, когда фильтр 10 все больше забивается, то поток может поддерживаться благодаря обходящему самый верхний фильтр 8 байпасному потоку и части потока, который проходит через самый верхний фильтр вне трубы 9.
На кожухе 3 могут быть предусмотрены один или же несколько дополнительных кожухов 11, которые сообщены посредством клапана с внутренней часть кожуха 3. В этих дополнительных кожуха 11 находятся пробы покрытых каталитическим слоем пластин из одной и той же партии продукции. Через определенные промежутки времени можно из этих дополнительных кожухов производить отбор пробы с целью проверки достаточности наличия катализационной способности. При открывании такого дополнительного кожуха 11 происходит автоматическое запирание клапана, осуществляющего соединение с внутренним пространством кожуха 3, и поэтому защитная атмосфера сохраняется внутри кожуха 3.
Второй вариант выполнения устройства изображен на фиг. 4 и фиг. 5.
Второй вариант выполнения устройства имеет следующие отличия. Части катализаторного устройства первого варианта выполнения заменены на секции труб 1 с прямоугольным поперечным сечением. Также и эти секции покрыты изнутри и снаружи слоем каталитического материала. Устройство (фиг. 4) содержит дополнительно откидные створки 12 на всех четырех сторонах наружной поверхности каждой трубной секции приблизительно в середине ее продольного направления. Аэрозольные фильтры 8 находятся на верхнем конце каждой трубчатой секции. Каждая откидная створка 12 содержит фильтровальную пластину 12а и каталитическую пластину 12б. Фильтровальная пластина 12а закреплена при помощи шарнира 12в на боковой стенке трубчатой секции 1. Каталитическая пластина 12б соединена посредством шарнира 12г с свободным концом фильтровальной пластины 12а. Шарниры для простоты изображены только на фиг. 4 у самой верхней трубчатой секции 1.
В рабочем состоянии, показанном на фиг. 4, фильтровальные пластины 12а откидных створок 12 отстоят от трубной секции 1 в горизонтальном направлении. Каталитические пластины 12б откинуты вертикально вниз.
На фиг. 4 фильтрующая поверхность увеличена. Фильтровальные пластины откидных створок обеспечивают фильтрование потока газовой смеси, образующейся вдоль наружных стенок шахтообразной структуры.
Аналогично первому варианту выполнения второй вариант выполнения устройства находится до аварийного случая в защитной атмосфере закрытого кожуха 3. Трубные секции для этой цели выбраны с такими диаметрами, которые позволяют вставлять их одну в другую. К тому же откидные створки прижаты к соответствующим сторонам стенок трубной секции 1. Пружинящие или тому подобные средства автоматически откидывают в случае аварии фильтрующие пластины 12а в горизонтальное положение, когда отдельные трубные секции падают под действием силы тяжести, а каталитические пластины 12б откидных створок 12 под действием силы тяжести занимают вертикальное положение, как это можно видеть на фиг. 4.
Третий вариант выполнения устройства, который можно приводить в очень компактное состояние готовности, изображен на фиг. 6, 7 и 8.
Устройство в соответствии с третьим вариантом выполнения изобретения смонтировано из большого числа отдельных элементов, один из которых можно видеть на фиг. 8 в перспективном изображении. Каждый элемент 13 содержит каталитическую пластину 14 с несколькими отверстиями 15. К каждому из четырех краев каталитической пластины 14 при помощи шарниров 16 прикреплены боковые пластины 17. В состоянии готовности эти боковые пластины прижаты к нижней стороне каталитической пластины 14, как можно видеть на левой части фиг. 8. В состоянии готовности устройства боковые пластины направлены вниз (правая часть фиг. 7) и поэтому элемент принимает форму перевернутой оболочки. Каталитическая пластина 14 и боковые пластины 17 состоят каждая из покрытых с обеих сторон слоем каталитического материала.
Ниже каталитической пластины 14 находится фильтровальная пластина 18. Как и в описанных выше вариантах выполнения устройства, фильтровальная пластина 18 меньше каталитической пластины 14 и/или точно также содержит отверстия (на чертеже не изображены).
В состоянии готовности фильтровальная пластина 18 находится между нижней стороной каталитической пластины 14 и внутренней поверхностью боковых пластин 17. При таком выполнении или расположении шарнира 16 следует обеспечить, чтобы такое прилегание друг к другу каталитической пластины 14, фильтровальной пластины 18, двух боковых пластин 17 двух противолежащих сторон и двух боковых пластин 17 обеих других противолежащих сторон не мешало свободному раскрытию без взаимных помех в случае аварии.
Как можно видеть на фиг. 7 и 8, отдельные элементы 13 подвешены друг к другу при помощи гибких соединительных средств 19, например посредством цепей, таким образом, что нижние кромки боковых пластин в рабочем состоянии лежат немного выше верхней стороны каталитической пластины 14 примыкающего снизу элемента. Фильтровальная пластина 18 подвешена к каталитической пластине 14 и располагается в рабочем состоянии, как это показано справа на фиг. 8, несколько ниже нижней стороны каталитической пластины 14.
Как и в первых вариантах выполнения, элементы 13 в состоянии готовности преимущественно содержатся в сложенном положении в защитной атмосфере в кожухе 3. Поскольку отдельные элементы, которые соответственно этой форме выполнения могут все быть выполненными одинаковыми, можно описанным образом очень компактно складывать, благодаря чему устройство в состоянии готовности занимает сравнительно небольшой объем. Переход (фиг. 6) в рабочее состоянии происходит аналогично описанным ранее в вариантах выполнения устройства, то есть кожух 3 освобождается от крышки 5, а дно - от кожуха 3 или от его боковых стенок, в результате чего отдельные элементы 13 под действием силы тяжести падают и образуют показанную на фиг. 7 шахтную структуру, действие которой соответствует действию в первом варианте устройства выполнения, кожух 3, если его используют, образует верхнюю часть шахтной структуры. Также и при этом варианте выполнения на верхней стороне, которая отделяется от крышки 5, имеется фильтровальная пластина 18.
Реферат
Использование: удаление водорода из газовой смеси. Устройство для удаления водорода из газовой смеси, содержащей водород и кислород газовой смеси с каталитическим устройством и одновременным удалением имеющихся преимущественно в виде аэрозолей вредных веществ, появляющихся, например, при некоторых авариях ядерного реактора. Каталитическое устройство для удаления водорода выполнено в виде шахты и поэтому возникающее благодаря каталитическому действию тепло приводит к созданию каминного эффекта внутри шахты и тем самым создается разность давлений, благодаря которой становится возможным использование фильтров во внутреннем пространстве шахты, чтобы таким образом задерживать находящиеся в потоке вредные вещества. 9 з. п. ф-лы, 8 ил.
