CC BY
15
УДК 66.096.3
Мосеева В.С., Букин А.Н., Смирнов Т.А.
ВЕРХНИЙ УЗЕЛ ОБРАЩЕНИЯ ПОТОКОВ ДЛЯ УСТАНОВКИ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА НА БАЗЕ СЕСЕ ТЕХНОЛОГИИ
Мосеева Валерия Сергеевна, аспирант 2 курса кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, e-mail: blacklee@mail. ru;
Смирнов Тимофей Алексеевич, студент 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии
Букин Алексей Николаевич, к.т.н., с.н.с. кафедры технологии изотопов и водородной энергетики; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
В рамках данной работы рассмотрены основные типы дожигателей стехиометрических смесей водорода и кислорода применительно к их использованию в качестве верхнего узла обращения потоков в CECE-процессе. Проведено экспериментальное исследование низкотемпературного каталитического конвертора с гидрофобизированным катализатором на основе y-Al2O3.
Ключевые слова: гидрофобизированный катализатор; каталитическое окисление водорода; химический изотопный обмен; CECE-процесс
UPPER FLOW REVERSAL UNIT FOR INSTALLATION OF THE HYDROGEN ISOTOPES SEPARATION ON THE CECE TECHNOLOGY BASIS
Moseeva V.S., Bukin A.N., Smirnov T.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, the main types of hydrogen and oxygen stoichiometric mixtures after-burners are considered with reference to their use as the upper flow reversal unit in the CECE-process. An experimental study of a low-temperature catalytic converter with a hydrophobizated y-Al2O3-based catalyst was carried out.
Key words: hydrophobizated catalyst, catalytic oxidation of hydrogen, chemical isotope exchange, ECE-process.
Современное состояние ядерной
промышленности и энергетики привело к появлению экологически значимой задачи - очистки от трития водных и газовых потоков, образующихся как в основных технологических процессах, так и при переработке облученного ядерного топлива. Для решения этой важной проблемы необходимо подобрать наиболее эффективную технологию. Таким требованиям отвечает процесс химического изотопного обмена (ХИО) в системе вода-водород из-за высокого коэффициента разделения для пары протий-тритий. Успехи в разработке и синтезе высокоэффективных гидрофобных катализаторов изотопного обмена водорода с водой в конце прошлого века позволили реализовать на практике так называемый СЕСЕ (catalytic exchange combined electrolysis) процесс. Классическая схема разделительной установки на базе СЕСЕ процесса предусматривает в качестве нижнего узла обращения потоков (НУОП) электролизер, а в качестве верхнего узла обращения потоков (ВУОП) - устройство, окисляющее поток водорода, выходящий из колонны, до воды. Таким устройством могли бы служить: пламенная горелка, классический каталитический дожигатель,
топливный элемент или низкотемпературный каталитический конвертор.
Так как промышленные противоточные разделительные установки работают в непрерывном режиме (8000 час/год), то для СЕСЕ процесса к ВУОП предъявляются особые требования в плане надежности и пожаро-взрывобезопасности. В соответствии с этими требованиями пламенная горелка не является надежным и безопасным решением. Классический каталитический дожигатель не приемлем из-за проблем, связанных с неэффективным теплоотводом. Топливный элемент, казалось бы, является идеальным ВУОП, позволяющим осуществлять значительную рекуперацию электроэнергии, потребляемой электролизером в качестве НУОП. Однако выпускаемые в настоящее время коммерческие топливные элементы не предназначены для длительной непрерывной эксплуатации и имеют ряд технологических моментов, не позволяющих их использование в качестве ВУОП. По мнению авторов наиболее перспективным устройством в качестве ВУОП является низкотемпературный каталитический конвертор на основе гидрофобного катализатора окисления водорода. Использование гидрофобного катализатора окисления позволяет
отводить тепло в этом устройстве за счет прямого контакта реакционной зоны с циркулирующим потоком охлаждающей воды. Настоящая работа посвящена изучению некоторых закономерностей
работы низкотемпературного каталитического конвертора.
Эксперименты проводились на установке, схема которой представлена на рисунке 1. Методика проведения экспериментов подробно описана в [1].
ю
еъ
п
охи. вода
Q
I-&
ип
Рис. 1 Схема экспериментальной установки для испытания каталитического конвертора водорода
1 - конвертор; 2 - электролизёр; 3, 4, 7 - теплообменники; 5 - накопительная ёмкость; 6 - перистальтический насос; 8 - криостат; 9 - газоанализатор; 10 - пламенная горелка; 11 - патрубок для сброса избыточных газов; А -амперметр; ИП - источник питания; Т1, Т2, Т3 - термопары.
В работах [2-4] исследования проводились на платиновом гидрофобном катализаторе РХТУ -3СМ [5], носителем которого является сополимер стирола с дивинилбензолом (СДВБ). Более длительные испытания конвертора показали, что катализатор РХТУ - 3СМ подвергается термической деградации и теряет каталитическую активность в 34 раза по сравнению с исходной [1] и не пригоден для окисления стехиометрического потока водорода кислородом. Собственно, этот катализатор разрабатывался для реакции изотопного обмена в системе вода - водород [5]. По-видимому, несмотря на низкую интегральную температуру окисления (60-80°С), локальные перегревы в порах катализатора приводят к деструкции полимерного носителя, потере его гидрофобных свойств и дезактивации платины.
В настоящей работе исследования проводили с платиновым катализатором на
гидрофобизированном неорганическом носителе у-А120з, приготовленном по методике, близкой к описанной в [6]. Термостойкость такого катализатора составляет 500°С. Катализатор загружался в объем конвертора в смеси с гидрофильной спирально-призматической насадкой из нержавеющей стали размером 3х3х0,2 мм в соотношении 1:4 соответственно. Целью экспериментов было определение влияния плотности орошения и влияние величины потока газа на температурный профиль по длине конвертора. Результаты экспериментов
представлены на рисунках 2 и 3.
Рис. 2 Зависимость градиента температуры по длине конвертора ! от потока орошения L (1. 9 л/час, 2. 13,2 л/час,
3. 16,2 л/час), поток водорода, G(H2) = 19 н.л/час.
Из рисунка 2 следует, что при указанных потоках орошения Ь и при потоке водорода 0(Н2) = 19 нл/час длина реакционной зоны, в которой происходит окисление с выделением основной доли теплового эффекта составляет величину 2 см. Однако при потоках орошения Ь 9 и 13,2 л/час наблюдается значительный перегрев реакционной зоны на 50 градусов. Дальнейшее падение температуры связано с потерей тепла через стенку конвертора в окружающую среду. В случае потока орошения Ь = 16,2 л/час величина перегрева составляет величину менее 6-7 градусов, при этом потери в окружающую среду существенно падают и практически не сказываются на температуру по длине конвертора 1.
Рис. 3. Зависимость градиента температуры по длине
конвертора! от потока водорода, G(H2), при потоке орошения L = 13,2 нл/час. (1. 19 нл/час, 2. 44 л/час, 3. 69 нл/час).
Из рисунка 3 следует, что длина реакционной зоны при заданном потоке орошения Ь = 13,2 нл/час зависит от потока водорода, и при значении в(Н2) = 69 нл/час составляет величину 8 см. А максимальный перегрев реакционной зоны (50 градусов) наблюдается при минимальном потоке водорода G(H2) = 19 нл/час и следовательно при минимальном общем значении теплового эффекта.
Таким образом, для увеличения ресурса работы катализатора в низкотемпературном каталитическом конверторе необходимо равномерное распределение тепловой нагрузки на весь объем конвертора, т.е. минимальный градиент температуры. Это может быть достигнуто за счет следующих действий:
1. При пусковом периоде необходимо учитывать, что существует значение потока водорода, ниже которого происходит локальный перегрев катализатора.
2. Подачу водорода в конвертор необходимо начинать при максимально возможном потоке орошения охлаждающей воды.
Список литературы
1. Иванова Н.А., Ничипорук И.А., Пак Ю.С. Низкотемпературное каталитическое окисление водорода в стехиометрической смеси с кислородом в конверторе на основе гидрофобного катализатора // Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т.25. № 6. С. 128-130.
2. Перевезенцев А.Н., Белл Э.К., Розенкевич М.Б., Сахаровкий Ю.А., Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Пак Ю.С. Реактор взаимодействия газообразных водорода и кислорода. Патент RU №2384521.
3. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П. Пак Ю.С, Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А., Perevezentsev A.N., Разработка верхнего узла обращения потоков разделительных установок, работающих по СЕСЕ технологии // 10-я международная научная конференция «Физико- химические процессы при селекции атомов и молекул» (Звенигород, 2005 г.) С. 190-193.
4. Контуганова Т.С., Марунич С.А., Пак Ю.С. Низкотемпературный каталитический конвертор водорода на основе гидрофобного катализатора. Сб. докладов V Российский школы-конференции по радиохимии и ядерным технологиям (Озерск, 2012 г.). С.30-32.
5. Сахаровский Ю.А., Никитин Д.М., Магомедбеков Э.П., и др. Способ приготовления платинового катализатора изотопного обмена водорода с водой. Патент RU № 2307708. Опубликовано: 2007.10.10.
6. Букин А.Н., Иванова Н.А., Марунич С.А., Пак Ю.С., Розенкевич М.Б. Способ приготовления термостойкого гидрофобного платинового катализатора для реакции окисления водорода Патент RU № 2641113. Опубликовано 12.12.2017.
