СПОСОБ И РЕАКТОР ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА
METHOD AND REACTOR FOR REACTING GASEOUS HYDROGEN AND OXYGEN

Настоящее изобретение относится к реактору для взаимодействия газообразного водорода и кислорода и к способу осуществления реакции газообразных водорода и кислорода.
Реактор для взаимодействия газообразных водорода и кислорода используется в процессах для производства дейтерированной воды и при удалении трития из воды. Например, тритированную воду обычно превращают в водород, который выбрасывают в окружающую среду после удаления трития. Так как выброс водорода в окружающую среду небезопасен, водород сжигают с кислородом в реакторе.
В патенте US 4973907 предложено устройство для взаимодействия газообразных водорода и кислорода, в котором потоки газообразных водорода и кислорода движутся вверх через каталитическую сборку в реакционной камере, а поток воды движется вниз через каталитическую сборку от камеры конденсации над реакционной камерой. Каталитическая сборка включает в себя как минимум один носитель катализатора и закрепленные на носителе пористую матрицу политетрафторэтилена и частично платинированные углеродные частицы с высокой площадью поверхности. В присутствии катализатора газообразные водород и кислород реагируют с образованием паров воды, которые движутся вверх через реакционную камеру к камере конденсации, где вода конденсируется. Затем жидкая вода протекает обратно через реакционную камеру, поглощая тепло, которое выделяется в реакции водорода с кислородом. Затем вода удаляется из реакционной камеры через ее нижнюю часть. Для удаления тепла реакции в реакционной камере или каком-либо другом месте реактора могут быть также установлены теплообменные диски.
В патенте US 4374116 предложен реактор для взаимодействия водорода с кислородом, в котором газы реагируют в реакционной камере в присутствии каталитической сборки и охлаждающей воды, проходящей вниз через каталитическую сборку. Каталитическая сборка представляет собой инертную пористую подложку с высокой площадью поверхности и частицы платины, введенные в поры подложки. Подложка покрыта политетрафторэтиленом.
Настоящее изобретение имеет своей целью создание реактора газообразных водорода и кислорода, в котором большие потоки водорода и кислорода могут реагировать предпочтительно без взрывов, происходящих в смеси водорода и кислорода. Это требует того, чтобы катализатор имел достаточную активность для обеспечения высокой скорости реакции и чтобы он сохранял свою активность в присутствии жидкой воды и ее паров. Выделяющееся в ходе реакции тепло при этом должно удаляться эффективно и контролируемо.
В соответствии с этим настоящее изобретение предлагает способ для осуществления реакции между газообразными водородом и кислородом, в котором водород и кислород смешивают в присутствии катализатора и инертной насадки, охлаждающую воду пропускают через слой катализатора и инертной насадки, причем катализатор представляет собой от 0,2 до 2,0 мас.% платины, нанесенной на пористые полимерные зерна с диаметром от 0,5 до 2 мм, инертная насадка представляет собой инертные металлические элементы с размером до 3 мм, а отношение между катализатором и насадкой составляет от 1:3 до 1:30 по объему, водород вводится непосредственно в слой катализатора и инертной насадки, охлаждающая вода имеет температуру не ниже 30°C и отношение кислорода к водороду не ниже стехиометрического.
Согласно настоящему изобретению предлагается также реактор для взаимодействия газообразных водорода и кислорода, состоящий из слоя катализатора и инертной насадки и снабженный по крайней мере одним вводом для каждого из водорода, кислорода и охлаждающей воды, причем катализатор представляет собой от 0,2 до 2,0 мас.% платины, нанесенной на гидрофобные пористые зерна в диаметре от 0,5 до 2 мм, инертная насадка представляет собой инертные металлические элементы с размером до 3 мм, а отношение между катализатором и насадкой в слое составляет от 1:3 до 1:30 по объему и каждый из вводов для водорода находится внутри слоя.
Предпочтительно содержание платины в катализаторе составляет от 0,5 до 2,0 мас.%, более предпочтительно - от 0,5 до 1,0 мас.%.
Катализатор обычно нанесен на полимер, который устойчив в реакционных условиях реактора взаимодействия водорода с кислородом. Например, полимер может быть любой гидрофобный и пористый. В предпочтительном случае полимер представляет собой сополимер стирола с дивинилбензолом. Предпочтительно полимер имеет форму зерен, которые могут иметь диаметр от 0,5 до 2,0 мм, более предпочтительно от 0,5 до 1,7 мм. В наиболее предпочтительном случае полимер является сополимером стирола с дивинилбензолом в форме зерен с диаметром от 0,5 до 1,5 мм.
Инертная насадка представляет собой инертные металлические элементы с размером до 3 мм. Инертный металл представляет собой металл или сплав, который не работает как катализатор и в присутствии катализатора не реагирует с водородом, кислородом и водой и ее парами. Примерами подходящих металлов являются алюминий, никель, нержавеющая сталь, инконель, хастолой. Предпочтительным металлом является нержавеющая сталь. Элемент насадки имеет размер до 3 мм, предпочтительно до 2 мм. Элемент насадки может быть в форме проволоки, спирали, колец, колец Диксона или частиц проволочного волокна. В предпочтительном варианте элементы насадки представляют собой спирали или кольца Диксона. В особо предпочтительном варианте элементы насадки представляют собой спирали из нержавеющей стали с размером до 2 мм в диаметре и 2-3 мм длиной. Предпочтительно насадку обрабатывают для увеличения ее смачиваемости. Может быть использован любой способ обработки, который делает поверхность металла гидрофильной, например кислотное травление.
Отношение катализатора к насадке в слое может изменяться от 1:3 до 1:30, более предпочтительно от 1:5 до 1:20, более предпочтительно от 1:7 до 1:15, наиболее предпочтительно 1:10.
Охлаждающая вода подается предпочтительно при температуре не ниже 30°С в течение всего времени, включая и пусковой период работы реактора. Если при пуске реактора используется вода с температурой ниже 40°С, в реакторе могут наблюдаться мини-взрывы до тех пор, пока вода не достигнет температуры 40°С. В предпочтительном варианте температура охлаждающей воды поддерживается не ниже 40°С.
Охлаждающая вода равномерно распределяется по поверхности катализатора и насадки. Обычно это достигается введением охлаждающей воды в реакционную камеру через ряд вводов, расположенных порознь над или выше поверхности слоя катализатора и насадки. Равномерное распределение охлаждающей воды позволяет избежать образования участков местного перегрева в реакторе.
В типичном случае реактор имеет по меньшей мере один ввод водорода в слой катализатора и инертной насадки. Реактор обычно имеет серию вводов для водорода, так что водород и кислород взаимодействуют во всем объеме, содержащем катализатор и инертную насадку. Предпочтительно, чтобы самый верхний ввод водорода находился на расстоянии от верха реакционной зоны не менее 100 мм. Вводы водорода располагаются предпочтительно на расстоянии от 50 до 140 мм друг от друга, наиболее предпочтительно на расстоянии от 50 до 100 мм. Вводы обычно имеют форму, позволяющую равномерное распределение на этом уровне внутри реакционного слоя. Таким образом, вводная трубка может разветвляться или оканчиваться кольцом с многочисленными дырками для выхода водорода.
Кислород вводится в реактор через ввод, который может быть расположен внутри или вне слоя катализатора и инертной насадки. Кислород вводится в реактор с таким потоком, чтобы поддерживать отношение кислорода к водороду, в котором количество кислорода равно по меньшей мере стехиометрическому соотношению и предпочтительно превосходит стехиометрическое соотношение. Это гарантирует, что весь водород прореагирует с кислородом.
Конструкции реактора, реализующие настоящее изобретение, будут описаны с использованием примеров и со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематический разрез реактора согласно изобретению,
фиг.2 представляет собой схематический разрез другой конструкции реактора согласно изобретению.
На фиг.1 показан реакционный сосуд 1 для реакции газообразных водорода и кислорода. Сосуд имеет два ввода 5 и 6 в верхней части реактора, предназначенных для ввода воды и кислорода. Газообразный водород вводится в реактор через ввод 9. Этот ввод соединен с несколькими распределительными трубками 10, из которых три показаны на фиг.1. Распределительные трубки имеют форму кольца с многочисленными маленькими отверстиями, направленными вниз, через которые водород вводится в реактор. Реактор упакован смесью зерен катализатора и выполненных из нержавеющей стали мини-спиралек, выполняющих роль инертной гидрофильной насадки. Зерна катализатора представляют собой зерна полимера стирола-дивинилбензола 0,8 мм диаметром; инертная насадка - мини-спирали из нержавеющей стали размером 2 мм. Газообразные водород и кислород в присутствии катализатора 2 взаимодействуют с образованием водяных паров. Водяные пары охлаждаются при контакте с охлаждающей водой, и охлаждающая вода вместе со сконденсированными водяными парами, образовавшимися в результате реакции, собираются в нижней части реактора и удаляются из него через выходной патрубок 8. В случае, если в реакторе имеется избыток кислорода, оставшийся газ может быть удален из реактора через патрубок 7. Температура катализатора и насадки в реакторе измеряется с использованием термопары, помещенной в кармане 4, расположенном внутри слоя катализатора и насадки.
На фиг.2 показан предлагаемый в настоящем патенте другой тип реактора. Реактор представляет собой сосуд 11, заполненный смесью катализатора 2 и инертной насадки 3. Сосуд имеет ввод 6 для воды и ввод 5 для кислорода, оба в верхней части реакционного сосуда. Реакционный сосуд окружен другим сосудом 20. Водород поступает во внешний сосуд через ввод 9. В стенке реакционного сосуда 11 имеются многочисленные отверстия 21, которые сообщаются с внешним сосудом 20. Таким образом, при использовании реактора водород поступает в реакционный сосуд 11 через отверстия 21. Водород и кислород реагируют в присутствии катализатора на зернах 2, и образовавшиеся водяные пары конденсируются в присутствии охлаждающей воды. Образовавшаяся вода объединяется с охлаждающей, собирается в нижней части реактора и может быть удалена через выходной патрубок 8. Избыток кислорода может быть удален из реактора через патрубок 7.
Для улучшения вывода воды из реактора величина подаваемого потока охлаждающей воды регулируется так, чтобы обеспечить полную конденсацию водяных паров, полученных в результате реакции.
Далее настоящее изобретение описывается с использованием примеров.
Пример 1
Реактор, показанный на фиг.1, был испытан в течение нескольких месяцев в режиме периодической работы. Результаты проведенных испытаний приведены в таблице 1. Эксперименты от 1 до 7 были проведены при использовании сверх стехиометрического количества кислорода. Эксперимент 8 был проведен при стехиометрическом соотношении между водородом и кислородом.
Результаты экспериментов в реакторе
No
1
2
3
4
Поток водорода
(нм<sup>3</sup>/ч)
0,3<sup>a)</sup>
0,3<sup>a)</sup>
0,3<sup>b)</sup>
0,3<sup>a)</sup>
Концентрация водорода на выходе
(ppm)
<2
<2
<2
<2
Температура охлаждающей воды (°C)
Вход
25-30
25-30
25-30
60
Выход
64
64
51
77
Длина реакционной зоны
(см)
<1
<1
<1
<1.5
Поток охлаждающей воды
(кг/ч)
22,5
22,5
22,5
22,5
Объемное отношение катализатора и насадки
1:5
1:10
1:10
1:20
No
5
6
7
8
Поток водорода
(нм<sup>3</sup>/ч)
0,325<sup>a)</sup>
0,5<sup>a)</sup>
0,74<sup>a)</sup>
0,5<sup>a)c)</sup>
Концентрация водорода на выходе
(ppm)
<2
<2
<2
<2
Температура охлаждающей воды (°C)
Вход
55
56
41
48
Выход
75
79
97
78
Длина реакционной зоны
(см)
<1,5
<1,5
<2
(c)
Поток охлаждающей воды
(кг/ч)
34
34
33
33
Объемное отношение катализатора и насадки
1:20
1:20
1:20
1:20
а) водород вводился через один ввод,
b) водород вводился через три ввода по 0,1 нм<sup>3</sup>/ч через каждый,
c) температура по всему слою катализатора и насадки была примерно одинаковой.
В экспериментах, в которых водород в реактор вводили только через один ввод, водород подавали только в верхний ввод.
о
В ходе проведенных экспериментов наблюдалось, что в опытах 1-3 в реакторе наблюдались локальные мини-взрывы. Это показывает, что происходит неконтролируемая реакция между водородом и кислородом. Увеличение температуры охлаждающей воды до 40с и выше устраняет этот эффект.
Чрезвычайно низкая концентрация водорода на выходе из реактора показывает, что практически весь водород, поступающий в реактор, окисляется.
После проведения экспериментов в реакторе катализатор из него был извлечен и его каталитическая активность проверена. При этом было найдено, что катализатор имеет активность, равную той, которая была до загрузки в реактор.