[发明专利]一种消氢催化板的反应动力学检测装置的实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及核电站的安保检测领域，具体涉及的是一种消氢催化板的反应动力学检测装置的实现方法。

背景技术

日本福岛核事故以后，国际和国内对核电站安全壳内氢气爆炸的风险越来越关注，并要求在二代和三代核电站的安全壳内必须分布放置数十个非能动氢复合器(PARs)，以用来对事故状态下的氢浓度进行快速消耗，从而减少或避免在设计基准事故和严重事故时，发生氢爆危险。这种非能动氢复合器的核心部件为表面含有催化剂的催化板，它的工作原理可以概括如下：

事故状态下，氢分子和空气中的氧分子在复合器催化板上接触并发生 的强放热自由基反应，反应释放出的大量热量加热竖直通道内的空气，热空气温度升高、密度降低而沿通道上升；与此同时，复合器下部冷空气流入补充，气体自然扩散循环形成“烟囱效应”，实现了氢氧复合器内外气体的“非能动”对流循环，催化板表面的催化剂能大大降低氢氧复合反应的活化能，使反应快速进行，从而加快复合器和安全壳内大气环境的对流循环，促进氢氧混合，提高复合器的消氢能力，避免了氢气的积累。

活化能和指前因子是化学反应动力学中及其重要的两个参量，可以对化学反应的本质以及催化剂所起的作用进行合理表征，非活化分子转变为活化分子所需吸收的能量为活化能，它是活化分子的平均能量与反应物分子平均能量的差值。而指前因子是一个只由反应本性决定而与反应温度及系统中物质浓度无关的常量。对于不同成分的催化板，其氢氧复合反应活化能力是不同的，催化反应进行太快容易导致产热太多而引起氢爆，反应太慢也很难满足事故状态快速消氢的要求。为此，需要知道在氢氧复合反应中加入催化板后的活化能，通过活化能的大小可以定量地对催化反应的销氢能力和产生的热量进行评估，以此来评判和选用合适的催化剂，对于常规的液体催化反应，活化能是评判催化剂活性的一项重要指标，指前因子是对该化学反应最本质的描述。然而，对于气体反应来说，反应速度太快，反应波动很大，影响因素也非常复杂，因此气体反应的活化能测量一直是本领域亟需解决的主要问题之一。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种消氢催化板的反应动力学检测装置的实现 方法，可以测得不同催化板的活化能和指前因子，以活化能来对催化板的催化性能进行评判的同时为催化板在实际应用中的制备和选用提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种消氢催化板的反应动力学检测装置的实现方法，所述的装置包括氢气源、配气罐、反应容器、氢气浓度仪、气体循环泵和数据采集处理装置；所述气体循环泵、配气罐、反应容器和氢气浓度仪首尾相连形成一个闭环回路，其中：

氢气源，用于向配气罐内提供氢气；

配气罐，用于氢气和空气在其内混合，得到测量所需的氢气浓度；

反应容器，用于放置测试所用的催化板，并提供氢氧催化反应的环境；

氢气浓度仪，用于定量测量闭环回路中的氢气浓度；

气体循环泵，用于控制闭环回路中的气体循环；

数据采集处理装置，用于采集配气罐中充入氢气前后的压力以及闭环回路中催化剂温度和氢气反应浓度数据；所述数据采集处理装置包括PC机，通过信号传输线同时与该PC机和氢气浓度仪连接的数据采集仪，同时与数据采集仪和配气罐连接的压力计，以及一端与该数据采集仪连接、另一端插入至反应容器中并用于实时记录催化板反应温度的热电偶；

所述的实现方法则包括以下步骤：

(1)将催化板放置于反应容器中，然后利用氢气源向配气罐中充入氢气，同时采集配气罐的压力数据，并通过以下公式计算出充入的氢气体积浓度C：

式中，P₁、P₂分别为充入氢气前后的压力值，C＝4％；

(2)停止充入氢气，并打开气体循环泵和数据采集仪，使配置好的氢气在闭环回路中循环，同时PC机记录下反应容器中的温度和闭环回路中氢浓度仪测得的氢气浓度；

(3)待反应容器中的催化板温度降到室温时，关闭循环泵和停止向反应容器中通入氢气，然后保存数据采集仪的数据；

(4)根据得到的氢浓度随时间变化曲线和催化剂温度随时间变化曲线，利用下列公式计算氢气和氧气催化反应温度为T时的氢氧反应速率常数k_T：

式中，t为反应时间，T为催化剂热力学温度；

(5)得到k_T后，通过阿伦尼乌斯公式的变式，得到该催化反应的表观活化能E_a：