Исследование основных характеристик гидрофобного Pt-катализатора реакции низкотемпературного окисления водорода

изотопного состава. Входящие потоки, а также само мембранное контактное устройство

термостатируются при температуре эксперимента. Для анализа отбираются пробы выходящей воды, конденсат воды из выходящего потока водорода, а также пробы входящего и выходящего водорода, предварительно переведенные в форму воды в пламенной горелке.

По результатам эксперимента рассчитывали следующие массобменные характеристики КУМТ: - число теоретических ступеней разделения (Ы) осуществляли графоаналитическим способом по следующей формуле [3]:

N = 1п ^/1п — а Я

где а2 и а1 - разность концентраций трития в водороде, лежащих на рабочей и равновесной линиях диаграммы Мак Кэба-Тиле, в сечениях подачи питающих потоков в контактное устройство (а2> а1); а - коэффициент разделения ХИО в системе протий-тритий при рабочей температуре; X

- мольное отношение потоков водорода и воды;

- число единиц переноса

Ну = N

а -Я

1 а

ь 7,

коэффициент массопередачи (Ку):

• N..

А, =

5,

,

где - площадь мембраны в КУМТ; Оп-г - поток паро-водородной смеси рассчитанный теоретически для полного насыщения потока водорода парами воды при температуре эксперимента

Эксперименты проводились при различных потоках водорода (0Н2), при соотношении потоков водорода и воды Х=1, температуре Т=333К и давлении Р = 0,1 МПа. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Массообменные характеристики КУМТ-ТМо-

Катализатор Св2, нл/ч N N АоуУ-103, м/с АР, мм. И2О

ОПК-2 (Р^АЬОз) 20 0,62 1,28 3,2 179

40 0,34 0,70 5,4 189

60 0,52 1,05 8,0 192

80 0,41 0,84 9,5 218

100 0,40 0,82 10,1 280

РХТУ-3СМ (Р1/СДВБ) 20 0,60 1,22 4,2 221

40 0,52 1,07 6,7 278

60 0,44 0,90 8,2 311

80 0,42 0,86 10,0 394

100 0,34 0,71 10,4 385

Из приведенных данных видно, что коэффициенты массопередачи для КУМТ-ТМо-2 в пределах точности совпадают, из чего можно сделать предположение о стабильной работе гидрофильного катализатора в КУМТ данной конструкции. При этом следует отметить повышение гидравлического сопротивления КУМТ-ТМо-2 приблизительно на 40 % при использовании более мелкого гидрофобного катализатора.

Для более детального изучения влияния катализатора были получены зависимости сопротивления массопереносу от потока водорода с использованием алгоритма расчёта, основанного на уравнении аддитивности сопротивлений

массопереносу, разработанного для КУМТ с использованием плоских мембран и гидрофобного катализатора, имеющего следующий вид [4]:

1

1

т/- расч

Ас

1

11

- +-+ — +

1

оу рп - г Г-рп рпп Рм

где Рп-г - коэффициент массоотдачи в ядре парогазового потока (м/с); Рп - коэффициент массоотдачи в порах катализатора (м/с); рм -коэффициент массоотдачи, учитывающий перенос воды с поверхности мембраны в парогразовый поток в ламинарном приграничном слое вблизи мембраны (м/с); Рпп - коэффициент продольного перемешивания, учитывающий отклонение от модели идеального вытеснения (м/с); Рмо -коэффициент массоотдачи, учитывающий диффузию молекул воды в теле мембраны (м/с);   -

мольное отношение потоков пар-водород, учитывающее концентрацию пара при различных температуре и давлении.

Полученные расчётные значения приведены в таблице 2.

Видно, что экспериментальные значения коэффициентов массопередачи Аоу для КУМТ-ТМо-2 согласуются с расчетными значениями, что подтверждает применимость данного метода расчета для различных конструкций КУМТ. Также из представленных данных видно, что коэффициент массоотдачи в порах катализатора имеет значения значительно выше, чем остальные коэффициенты массоотдачи, из чего можно сделать вывод, что при используемой конструкции КУМТ-ТМо-2 катализатор не вносит ощутимый вклад в сопротивление массопередачи. Лимитирующим для такой конструкции являются коэффициент массоотдачи, коэффициент продольного

перемешивания и коэффициент массоотдачи, учитывающий перенос воды с поверхности мембраны в парогазовый поток в ламинарном приграничном слое.

Таблица 2. Расчётные значения коэффициентов массоотдачи для КУМТ-ТМо-2.

Поток водорода GH2, нл/ч вп-г, м/с вп, м/с впп, м/с вм, м/с eMD, м/с Каурасч-103 м/с

20 0,0581 0,1316 0,0150 0,0145 0,0318 4,7

40 0,0805 0,1316 0,0350 0,0253 0,0318 7,2

60 0,0974 0,1316 0,0574 0,0351 0,0318 8,7

80 0,1115 0,1316 0,0815 0,0442 0,0318 9,7

100 0,1238 0,1316 0,1070 0,0529 0,0318 10,5

Чеботов Александр Юрьевич, аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Соловьева Мария Николаевна, студентка 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Растунова Ирина Леонидовна, к.т.н., доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. М.: ИздАТ, 2000. 344 с.

2. Контактное устройство для изотопного обмена водорода или углекислого газа с водой: пат. 2375107 Рос. Федерации. № 2008117569/12; заявл. 06.05.2008; опубл. 10.12.2009.

3. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Райтман А.А., Сахаровский Ю.А., Хорошилов А.В. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах. М.: ИздАТ, 2003. 376 с.

4. Чеботов А.Ю., Растунова И.Л. Расчет массообменных характеристик химического изотопного обмена водорода с водой в мембранных контактных устройствах // Успехи в химии и химической технологии. 2013. Т. 27. № 6 (146). С. 66-69.

Chobotov Alexander Yurievich*, SolovyevaMariaNikolaevna, RastunovaIrinaLeonidovna

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: a.u.chobotov@gmail.com

RESEARCH APPLICATIONS HYDROPHILIC CATALYST FOR THE WATER-HYDROGEN SYSTEM IN CONTACT MEMBRANE DEVICES WITH TUBULAR MEMBRANE

Abstract

The work presents result of a comparison of experimental mass transfer characteristics for the membrane contact device a new design, filled with hydrophobic or hydrophilic catalyst. Results of mathematical calculation of mass transfer coefficient is also presented. The effect of design features and properties of the catalyst on the efficiency of the mass transfer process in the contact devices of the membrane type.

Key words: contact device membrane type, mass transfer coefficient, detritization, chemical isotope exchange, the water-hydrogen system.

УДК 62-622

Н. А. Иванова*, И. В. Рябов, М.А. Морозова

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: ivanovana.1989@mail.ru

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОФОБНОГО Pt-КАТАЛИЗАТОРА РЕАКЦИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ ВОДОРОДА

Наиболее безопасным считается беспламенное окисление водорода кислородом (или воздухом) в каталитических контактных аппаратах, причем к используемым катализаторам предъявляются высокие требования. В настоящей работе были определены основные физико-химические характеристики катализатора низкотемпературного окисления водорода, такие как гидрофобность (значение краевого угла смачивания не менее 110О) и термостабильность (более 573 К). Полученная константа активности составила 5-7 с-1 и сравнима с другими образцами, используемыми для реакции окисления водорода. Последний блок экспериментов связан с испытаниями работоспособности катализатора в низкотемпературном каталитическом конверторе водорода.

Ключевые слова: окисление водорода, каталитический конвертор, катализатор.

Идея беспламенного окисления водорода в низкотемпературном конверторе на гидрофобном катализаторе с одновременным снятием выделяемой теплоты за счет прямого контакта с водой в реакционном объеме была изложена в [1]. В России наилучшие результаты были получены при использовании катализаторов типа Р^СДВБ. Но исследования [1] показали, что в процессе работы происходит термическая деструкция зерен и падение активности катализатора. Надежность конвертора падает, как и срок эксплуатации.

В настоящее время разрабатывается новый тип катализаторов для реакции окисления водорода на основе оксида алюминия, наиболее подходящего неорганического носителя для металлов платиновой группы. Из всех модификаций оксидов алюминия наибольший интерес представляет у-Л120з, обладающий достаточно большой удельной поверхностью (200 - 300 м2/г) [2] и относительно стабильный в интервале температур до 500 - 600°С. Катализаторы группы Р1/Л1203 обладают каталитической активностью, схожей с катализаторами группы Р^СДВБ. Однако оксид алюминия по своей природе является гидрофильным, поэтому для использования его в качестве носителя в процессе низкотемпературного окисления водорода необходима его

гидрофобизация. В качестве гидрофобизатора в данном случае применяются низко- и высокомолекулярные кремнийорганические

соединения. Основные характеристики

исследуемого катализатора представлены в таблице 1.

Учитывая высокий тепловой эффект реакции окисления и наличие жидкой воды в реакционном объеме конвертора, важнейшей характеристикой используемых катализаторов является

термостабильность гидрофобного покрытия, предохраняющего активные центры от смачивания. Поэтому предварительные испытания образцов катализатора проводились с целью определения стабильности гидрофобных свойств после длительного воздействия высоких температур. Последовательность эксперимента представлена на рисунке 1. Первоначально были определены значения углов смачивания (0О) для образцов при комнатной температуре. Затем проводилось прокаливание образцов при температуре (Т) в течение часа, после определялось текущее значение 0. Прокаливание в течение 10 часов без потери гидрофобных свойств (0= 0О) считалось показателем термостабильности гидрофобного покрытия. Потеря гидрофобных свойств после прокаливания характеризовалась 0 <90О.

Таблица 1. Основные физико-химические характеристики исследуемого катализатора.

образец носитель гидрофо-бизатор марка гидрофоби-затора форма, размер Sуд., м /г г/см пористо сть, % активный металл, масс. %

НПТК Y-AI2O3 силан-силоксан овая эмульсия (ПДМС) Типром К, Россия цилиндры 2,8x3,0 мм 240 -260 0,75 40 0,5 Pt

HnPS Isomat PS-20, Греция