本實(shí)用新型涉及核電站的安保檢測領(lǐng)域，具體涉及的是一種消氫催化板的反應(yīng)動力學(xué)檢測裝置。

背景技術(shù)：

日本福島核事故以后，國際和國內(nèi)對核電站安全殼內(nèi)氫氣爆炸的風(fēng)險越來越關(guān)注，并要求在二代和三代核電站的安全殼內(nèi)必須分布放置數(shù)十個非能動氫復(fù)合器(PARs)，以用來對事故狀態(tài)下的氫濃度進(jìn)行快速消耗，從而減少或避免在設(shè)計基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故時，發(fā)生氫爆危險。這種非能動氫復(fù)合器的核心部件為表面含有催化劑的催化板，它的工作原理可以概括如下：

事故狀態(tài)下，氫分子和空氣中的氧分子在復(fù)合器催化板上接觸并發(fā)生 的強(qiáng)放熱自由基反應(yīng)，反應(yīng)釋放出的大量熱量加熱豎直通道內(nèi)的空氣，熱空氣溫度升高、密度降低而沿通道上升；與此同時，復(fù)合器下部冷空氣流入補(bǔ)充，氣體自然擴(kuò)散循環(huán)形成“煙囪效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)了氫氧復(fù)合器內(nèi)外氣體的“非能動”對流循環(huán)，催化板表面的催化劑能大大降低氫氧復(fù)合反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)快速進(jìn)行，從而加快復(fù)合器和安全殼內(nèi)大氣環(huán)境的對流循環(huán)，促進(jìn)氫氧混合，提高復(fù)合器的消氫能力，避免了氫氣的積累。

活化能和指前因子是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)中及其重要的兩個參量，可以對化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)以及催化劑所起的作用進(jìn)行合理表征，非活化分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨肿铀栉盏哪芰繛榛罨埽腔罨肿拥钠骄芰颗c反應(yīng)物分子平均能量的差值。而指前因子是一個只由反應(yīng)本性決定而與反應(yīng)溫度及系統(tǒng)中物質(zhì)濃度無關(guān)的常量。對于不同成分的催化板，其氫氧復(fù)合反應(yīng)活化能力是不同的，催化反應(yīng)進(jìn)行太快容易導(dǎo)致產(chǎn)熱太多而引起氫爆，反應(yīng)太慢也很難滿足事故狀態(tài)快速消氫的要求。為此，需要知道在氫氧復(fù)合反應(yīng)中加入催化板后的活化能，通過活化能的大小可以定量地對催化反應(yīng)的銷氫能力和產(chǎn)生的熱量進(jìn)行評估，以此來評判和選用合適的催化劑，對于常規(guī)的液體催化反應(yīng)，活化能是評判催化劑活性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，指前因子是對該化學(xué)反應(yīng)最本質(zhì)的描述。然而，對于氣體反應(yīng)來說，反應(yīng)速度太快，反應(yīng)波動很大，影響因素也非常復(fù)雜，因此氣體反應(yīng)的活化能測量一直是本領(lǐng)域亟需解決的主要問題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種消氫催化板的反應(yīng)動力學(xué)檢測裝置， 可以測得不同催化板的活化能和指前因子，以活化能來對催化板的催化性能進(jìn)行評判的同時為催化板在實(shí)際應(yīng)用中的制備和選用提供理論依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下：

一種消氫催化板的反應(yīng)動力學(xué)檢測裝置，包括氫氣源、配氣罐、反應(yīng)容器、氫氣濃度儀、氣體循環(huán)泵和數(shù)據(jù)采集處理裝置；所述氣體循環(huán)泵、配氣罐、反應(yīng)容器和氫氣濃度儀首尾相連形成一個閉環(huán)回路，其中：

氫氣源，用于向配氣罐內(nèi)提供氫氣；

配氣罐，用于氫氣和空氣在其內(nèi)混合，得到測量所需的氫氣濃度；

反應(yīng)容器，用于放置測試所用的催化板，并提供氫氧催化反應(yīng)的環(huán)境；

氫氣濃度儀，用于定量測量閉環(huán)回路中的氫氣濃度；

氣體循環(huán)泵，用于控制閉環(huán)回路中的氣體循環(huán)；

數(shù)據(jù)采集處理裝置，用于采集配氣罐中充入氫氣前后的壓力以及閉環(huán)回路中催化劑溫度和氫氣反應(yīng)濃度數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述氫氣源與配氣罐通過連接管相連形成一個開環(huán)系統(tǒng)。

具體地說，所述數(shù)據(jù)采集處理裝置包括PC機(jī)，通過信號傳輸線同時與該P(yáng)C機(jī)和氫氣濃度儀連接的數(shù)據(jù)采集儀，同時與數(shù)據(jù)采集儀和配氣罐連接的壓力計，以及一端與該數(shù)據(jù)采集儀連接、另一端插入至反應(yīng)容器中并用于實(shí)時記錄催化板反應(yīng)溫度的熱電偶。

再進(jìn)一步地，所述閉環(huán)回路中的反應(yīng)容器與氫氣濃度儀之間還設(shè)有用于吸收反應(yīng)容器中生成的水蒸汽的干燥管。

更進(jìn)一步地，所述閉環(huán)回路中的氫氣濃度儀與氣體循環(huán)泵之間還設(shè)有用于控制進(jìn)入氫氣濃度儀中的氣體濃度的流量計。

作為優(yōu)選，所述流量計可選為浮子流量計。

作為優(yōu)選，所述氫氣源可選為氫空發(fā)生器。

作為優(yōu)選，所述氫氣濃度儀可選為熱導(dǎo)式氫氣濃度儀。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果：

(1)本實(shí)用新型借鑒液體催化反應(yīng)動力學(xué)參量的測算方法，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在使用時可以很好地對難以測量的氣體反應(yīng)動力學(xué)參量進(jìn)行靜態(tài)測算，從而解決氣體反應(yīng)活化能和指前因子不易測量的難題。本實(shí)用新型對氫復(fù)合器催化劑的選用具有不可估量的價值和意義。

(2)本實(shí)用新型采用氣體循環(huán)泵作為閉環(huán)回路的動力源，使反應(yīng)過程循環(huán)進(jìn)行，避免反 應(yīng)間斷和反應(yīng)不完全的現(xiàn)象發(fā)生，對測量數(shù)據(jù)的連續(xù)采集至關(guān)重要。

(3)本實(shí)用新型在反應(yīng)容器之后加裝干燥管，可避免反應(yīng)生成的水蒸汽對氫氣濃度儀的測量造成影響，同時也為氫氣濃度儀的選用提供了便利。

(4)本實(shí)用新型在氫氣濃度儀之后還設(shè)置了流量計，可以實(shí)現(xiàn)限流，確保閉環(huán)回路中的流量不超過氫氣濃度儀的額定流量，從而起到保護(hù)設(shè)備及增強(qiáng)操作安全性的作用。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為氫氣濃度以及催化板溫度隨時間變化的曲線圖。

圖3為反應(yīng)速率常數(shù)的自然對數(shù)與催化板溫度的倒數(shù)之間的關(guān)系示意圖。

其中，附圖標(biāo)記對應(yīng)的零部件名稱為：

1-氫氣源，2-管路閥門，3-配氣罐，4-管路閥門，5-壓力計，6-反應(yīng)容器，7-催化板，8-熱電偶，9-干燥管，10-氫氣濃度儀，11-流量計，12-氣體循環(huán)泵，13-管路閥門，14-數(shù)據(jù)采集儀，15-PC機(jī)，16-數(shù)據(jù)傳輸線，17-連接管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說明和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，本實(shí)用新型的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。

如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種可用于消氫催化反應(yīng)動力學(xué)參量測量的裝置，其包括氫氣源1、配氣罐3、反應(yīng)容器6、干燥管9、氫氣濃度儀10、流量計11、氣體循環(huán)泵12、數(shù)據(jù)采集處理裝置、連接管17以及各進(jìn)出口閥門。

所述氣體循環(huán)泵12、配氣罐3、反應(yīng)容器6、干燥管9、氫氣濃度儀10和流量計11通過連接管17相連形成一個閉環(huán)回路(本實(shí)施例中也稱為反應(yīng)回路)。

所述氫氣源1與配氣罐3連接，用于提供反應(yīng)所需的氫氣，本實(shí)施例選用氫空發(fā)生器作為氫氣源，所述配氣罐3選用體積為4L的帶有閥門的圓柱形腔體，用于氫氣和空氣在其內(nèi)混合，得到測量所需的氫氣濃度。

所述反應(yīng)容器6選用密閉性好、可經(jīng)常拆卸的法蘭裝配的體積為100ml的不銹鋼圓柱腔，內(nèi)置催化板工位，用于放置測試所用的催化板，如圖1所示。反應(yīng)容器6提供氫氧催化反應(yīng)環(huán)境，而催化板7則為表面含有Pt、Pd或Pt-Pd納米顆粒催化劑的多孔不銹鋼。所述干燥管9內(nèi)部填充有干燥劑，其置于反應(yīng)容器6的出口處，用于吸收反應(yīng)容器6中經(jīng)反應(yīng)而生成的水蒸汽，為氫氣濃度儀10提供氫氣測量環(huán)境，同時也為氫氣濃度儀的選用提供便利。

所述氫氣濃度儀10可選項(xiàng)較多，一般的氫氣濃度儀都可以選用，本實(shí)施例選用熱導(dǎo)式氫 氣濃度儀，其容許的最大氣體流量為800ml/min，用于定量測量反應(yīng)回路中的氫氣濃度。而在氫氣濃度儀10之后的流量計11，則用于控制反應(yīng)回路中的流量不超過氫氣濃度儀的額定流量，本實(shí)施例中，該流量計選用浮子流量計。

所述氣體循環(huán)泵12用于驅(qū)動反應(yīng)回路中的氣體循環(huán)通過反應(yīng)容器6中的催化板，可選用額定流量為1L/min的小流量氣體循環(huán)泵，該循環(huán)泵12通過連接過與配氣罐3相連。

所述數(shù)據(jù)采集處理裝置用于采集配氣罐中充入氫氣前后的壓力以及閉環(huán)回路中催化劑溫度和氫氣反應(yīng)濃度數(shù)據(jù)，其包括PC機(jī)15，通過信號傳輸線同時與該P(yáng)C機(jī)15和氫氣濃度儀10連接的數(shù)據(jù)采集儀14，同時與數(shù)據(jù)采集儀14和配氣罐3連接、用于對配氣罐3中充氣前后的壓力進(jìn)行監(jiān)控的壓力計5，以及一端與該數(shù)據(jù)采集儀14連接、另一端插入至反應(yīng)容器中并用于實(shí)時記錄催化板反應(yīng)溫度的熱電偶8。

下面對本實(shí)用新型的使用過程進(jìn)行介紹。

本實(shí)用新型采用先對氫氣濃度進(jìn)行配置，后通過循環(huán)泵使反應(yīng)回路中的混合氣體循環(huán)的方式，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)容器中催化劑催化反應(yīng)活化能的靜態(tài)測量，其測量方式如下：

首先關(guān)閉配氣罐3與反應(yīng)容器6之間的管路閥門4，打開其與氫氣源1之間的管路閥門2，以及與氣體循環(huán)泵12之間的管路閥門13。氫氣源1向配氣罐3中充入氫氣，同時監(jiān)控配氣罐的壓力計5，然后通過以下公式估算出充入氫氣的體積濃度C：

$C=1-\frac{P_1}{P_2}$

式中，P₁、P₂分別為充入氫氣前后的壓力值。

當(dāng)配氣罐3內(nèi)充氣壓力到達(dá)估算值后，關(guān)閉配氣罐3與氫氣源1之間的閥門2，然后打開配氣罐3與反應(yīng)容器6之間的管路閥門4，同時打開循環(huán)泵12和數(shù)據(jù)采集儀14，使配置好的氫氣在反應(yīng)回路中循環(huán)，同時PC機(jī)15記錄下反應(yīng)容器6中的溫度和回路中氫濃度儀測得的氫氣濃度。

待反應(yīng)容器6中催化板7的溫度降到室溫時，關(guān)閉循環(huán)泵12和配氣罐3與反應(yīng)容器6之間的閥門13和4，然后保存數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)。

而后，通過得到的氫濃度隨時間變化曲線和催化劑溫度隨時間變化曲線，如圖2所示，可以得到氫氣氧氣催化反應(yīng)溫度為T時的反應(yīng)速率常數(shù)k_T：

$k_T=\frac{-1}{C}\·\frac{dC}{dt}$

式中，t為反應(yīng)時間，T為催化劑熱力學(xué)溫度。

得到k_T后，再通過阿倫尼烏斯公式，可以得到該催化反應(yīng)的活化能E_a：

lnk_T＝ln A-E_a/RT

其中，lnk_T與1/T形成的曲線擬合后是一條斜率為負(fù)數(shù)的直線，如圖3所示，該直線的斜率對應(yīng)-E_a/R，R為摩爾氣體常量，其值為8.314J/molK，則可以得到活化能E_a，而擬合曲線在橫坐標(biāo)上的截距即為該反應(yīng)的指前因子A的自然對數(shù)值。

本實(shí)用新型通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以很好地對消氫催化反應(yīng)動力學(xué)參量進(jìn)行靜態(tài)測算，其首先通過配氣系統(tǒng)對氫氣濃度進(jìn)行配制，并保證氣體混合均勻，然后通過氣體循環(huán)泵使混合氣體連續(xù)循環(huán)通過反應(yīng)容器中的催化板，實(shí)現(xiàn)了氫氣濃度變化以及催化板溫度變化的連續(xù)監(jiān)測，最后結(jié)合理論計算，利用現(xiàn)有方式完成了數(shù)據(jù)分析和處理，從而成功測算了消氫催化板催化反應(yīng)活化能和指前因子，解決了氣體反應(yīng)活化能不易測量的難題。本實(shí)用新型對消氫催化反應(yīng)動力學(xué)參量的測量過程簡單，測算結(jié)果準(zhǔn)確，測量環(huán)境安全，因而也為核電站消氫催化劑的合理選用和制備提供了可靠的依據(jù)。

上述實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡在本實(shí)用新型的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實(shí)質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本實(shí)用新型一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。