ТЕПЛОВАЯ ТРУБА И СПОСОБ ЕЕ ЗАЩИТЫ ОТ ДИФФУЗИОННОГО ВОДОРОДА
HEAT PIPE AND METHOD FOR ITS PROTECTION AGAINST DIFFUSION HYDROGEN

Изобретение относится к области технологического оборудования для осуществления газофазных каталитических процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, использующих газофазные каталитические процессы с образованием диффузионного водорода.
В дальнейшем в рамках настоящей заявки будет использован термин «тепловая труба», означающая элемент системы охлаждения/нагревания, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубах из теплопроводящего металла находится легкокипящий теплоноситель. Перенос тепла происходит за счет того, что теплоноситель испаряется на горячем конце трубы, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец трубы.
Известен (RU, патент 2359748, опубл. 02.08.2007) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов, средство вывода готового продукта, область размещения катализатора, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб. Часть каждой тепловой трубы отделена от остального внутреннего объема тепловой трубы мембраной, выполненной из газопроводящего материала, при этом отделенный мембраной объем тепловой трубы выполнен с возможностью сообщения с вакуумным насосом. Указанное выполнение тепловой трубы позволяет удалить диффузионный водород, прошедший из реакционного объема реактора внутрь корпуса тепловой трубы и предотвратить взаимодействие диффузионного водорода с теплоносителем, находящимся внутри корпуса тепловой трубы.
Недостатком известного технического решения следует признать его низкую эффективность относительно защиты теплоносителя в тепловой трубе от действия диффузного водорода.
Известен (RU, патент 2433863, опубл. 20.11.2011) реактор для осуществления газофазных реакций. Известный реактор содержит вертикальный корпус со средствами ввода и вывода исходных реагентов и продуктов реакции, а также катализаторный стол. Внутри корпуса установлен внутренний корпус, между корпусами и/или во внутреннем корпусе расположена зона размещения тепловых труб, концы которых расположены под катализаторным столом. На наружную поверхность тепловых труб нанесено покрытие, создающее барьер для проникновения водорода. В состав покрытия входит, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, содержащей алюминий, молибден, вольфрам, оксид алюминия, нитрид титана, карбид кремния, оксид кремния, оксид бария, оксид хрома в поликристаллическом и/или монокристаллическом состояниях.
Недостатком известного технического решения следует признать его низкую эффективность относительно защиты теплоносителя в тепловой трубе от действия диффузного водорода.
Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного технического решения, состоит в усовершенствовании конструкции тепловой трубы.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в повышении эффективности защиты тепловой трубы от проникновения водорода в полость тепловой трубы, приводящей к повышению ресурса работы тепловой трубы.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную конструкцию тепловой трубы, а также способ защиты тепловой трубы от диффузионного водорода. Разработанная конструкция тепловой трубы отличается тем, что вокруг корпуса с зазором расположен кожух с образованием герметизированного пространства, сообщенного с устройством вакуумной откачки, или с источником инертной среды и/или с источником среды, активно взаимодействующей с атомарным водородом.
Атомарный диффузионный водород, образующийся при проведении газохимической реакции, проникает через материал кожуха в герметизированное пространство между корпусом тепловой трубы и указанным кожухом. Если герметизированное пространство вакуумировано и подключено к устройству вакуумной откачки, то атомы диффузионного водорода под действием вакуумного насоса перемещаются в объеме герметизированного пространства к входу в вакуумный насос, рекомбинируя при этом в молекулы водорода, и удаляются из герметизированного пространства. Если герметизированное пространство заполнено инертной средой (благородные газы, азот, пары органических ароматических соединений, находящиеся под давлением), то указанная инертная среда затрудняет диффузию атомарного водорода к поверхности корпуса тепловой трубы, уменьшая для диффузионного водорода возможность взаимодействия с теплоносителем в тепловой трубе. В случае заполнения герметизированного пространства инертной средой, активно взаимодействующей с атомарным диффузионным водородом, в герметизированном пространстве происходит связывание активного атомарного диффузионного водорода в неактивные, применительно диффузии через корпус тепловой трубы, соединения. В частности, в качестве подобной инертной среды могут быть использованы пары брома или йода. Образующийся при этом бромистый и йодистый водород в отсутствии паров воды в герметизированном пространстве инертен по отшению к материалу корпуса тепловой трубы. При этом поверхность корпуса тепловой трубы может быть покрыта изолирующим покрытием типа кремнийорганической эмали. Также может быть использован жидкий при температурах проведения газохимической реакции металл или интерметаллид, активно поглощающий водород (натрий, калий, алюминий и т.д.).
Также инертные газы или жидкость, заполняющая зазор между тепловой трубой и кожухом, являются проводником тепла и уменьшают тепловое сопротивление зазора между тепловой трубой и кожухом.
При реализации разработанной конструкции герметизированное пространство может быть сообщено каналом с вакуумным насосом. Обычно кожух выполнен из материала, устойчивого к действию компонентов проводимой газохимической реакции. Внутри тепловой трубы может быть установлена мембрана из материала, проницаемого дл водорода (никеля или никельсодержащего сплава). В этом случае внутренний объем тепловой трубы соединен с вакуумным насосом, вход которого расположен за указанной мембраной.
Для достижения указанного технического результата может быть также использован разработанный способ защиты тепловой трубы от диффузии водорода. При реализации разработанного способа вокруг корпуса тепловой трубы с зазором относительно корпуса устанавливают дополнительный кожух с образованием герметизированного пространства, сообщенного с устройством вакуумной откачки или с источником инертной среды и/или с источником среды, активно взаимодействующей с атомарным водородом.
Как отмечалось ранее в качестве газа, активно ваимодействующего с атомарным водородом, в некоторых вариантах реализации разработанного способа используют пары йода или брома.
В качестве инертной среды можно использовать благородные газы, азот, пары органических ароматических соединений, находящиеся под давлением.
Предпочтительно в зазор подают инертный газ и осуществляют его непрерывное или периодическое обновление. Обычно обновление газа в зазоре осуществляют в замкнутом циркуляционном контуре с устройством удаления водорода.
В качестве среды, заполняющей зазор между тепловой трубой и кожухом, можно использовать жидкость, в частности жидкий при температуре проведения газохимической реакции металл.
В некоторых вариантах реализации используемую жидкость прокачивают через зазор. Предпочтительно жидкость прокачивают в замкнутом циркуляционном контуре с устройством сепарации водорода.
На чертеже приведен разрез тепловой трубы, выполненной согласно разработанному техническому решению. При этом использованы следующие обозначения: тепловая труба 1, кожух 2, канал 3 к вакуумному насосу (не показан), герметизированное пространство (зазор) 4.
Разработанное техническое решение работает следующим образом.
Конец тепловой трубы 1, находящийся вне зоны проведения газохимической реакции, нагревают любым известным образом. Теплоноситель, находящийся в корпусе тепловой трубы 1, нагревается, возгоняется и перемещается в зону проведения газохимического процесса. Вокруг тепловой трубы 1 начинается процесс газохимической реакции. Образующийся в ходе газохимической реакции атомарный водород диффундирует через кожух 2 в герметизируемое пространство 4, в котором, в зависимости от вариантов реализации технического решения, он либо удаляется через канал 3, либо взаимодействует с находящимися там веществами.
При реализации разработанного технического решения применительно к газохимическому каталитическому процессу производства ситез-газа разработанное техническое решение работает следующим образом.
0,994
0,006
2
3
-1
Процесс получения синтез-газа проводят в реакторе с тепловыми трубами разработанной конструкции с подключенным к вакуумному насосу герметизированным пространством в автотермическом режиме при атмосферном давлении в присутствии катализатора. Катализатор является сложным композитом, содержащим, мас. %: 4,5 смешанного оксида церия и циркония со структурой флюорита, 2,1 перовскита состава LaNiPt, и выполнен на носителе на металлической основе, представляющей собой слоистый керамометаллический материал с соотношением толщины металлической основы к толщине непористого или малопористого оксидного покрытия 5:1. В реактор подают природный газ и воздух с расходами 24 л/мин природного газа и 62,9 л/мин воздуха при комнатной температуре (Т=20°C). Реакционная смесь поступает на монолитный каталитический блок, предварительно разогретый до температуры 880°C. Соотношение O/C=0,54 в реакционной смеси. Время контакта 0,082 с, что соответствует газовой часовой объемной скорости 44·10 ч. Линейная скорость метано-воздушной смеси 0,13 м/с. Температура на катализаторе Т=1150°C. Образующий атомарный водород продиффундировал через кожух и был удален вакуумным насосом.
Ресурс работы тепловой трубы разработанной конструкции в указанном технологическом процессе превысил ресурс работы устройства - ближайшего аналога примерно в 1000 раз.