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Title:
CATALYST ELEMENT FOR A RECOMBINER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/067262
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a catalyst element for a recombiner. The aim of the invention is to provide a solution for the technical problem of optimally exploiting the available catalytic surfaces despite low flow against rates of the reaction partners and of the boundary layers determined thereby, and to keep the susceptibility of the recombiner inserts to becoming precipitated with aerosols at a low level. To these ends, a catalyst element is provided which comprises a flat base body (3) that is at least partially coated with a catalyst material (3b), whereby the base body (3) comprises at least one opening (5) in the area of the catalytic material (3b). A solution for the technical problem is also provided by a catalyst element comprising a flat base body (3) that is at least partially coated with a catalyst material (3b), whereby the base body (3) comprises at least one turbulator in the area of the catalyst material (3b). The invention also relates to a recombiner for eliminating hydrogen comprising a housing (2) and at least one catalyst element which is arranged inside of said housing (2). The catalyst element has a flat base body (3) that is at least partially coated with a catalyst material (3b), whereby the base body (3) has at least one opening (5) in the area of the catalytic material (3b).

Inventors:
Bröckerhoff, Peter (Meisenweg 8 Jülich, D-52428, DE)
Von Lensa, Werner (Am Königsbusch 31 Langerwehe, D-52379, DE)
Reinecke, Ernst-arndt (Lütticher Strasse 23 Aachen, D-52064, DE)
Application Number:
PCT/EP2000/003820
Publication Date:
November 09, 2000
Filing Date:
April 27, 2000
Export Citation:
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Assignee:
FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH GMBH (Jülich, D-52425, DE)
Bröckerhoff, Peter (Meisenweg 8 Jülich, D-52428, DE)
Von Lensa, Werner (Am Königsbusch 31 Langerwehe, D-52379, DE)
Reinecke, Ernst-arndt (Lütticher Strasse 23 Aachen, D-52064, DE)
International Classes:
B01J35/02; B01J35/04; C01B5/00; G21C9/06; G21C19/317; (IPC1-7): G21C19/317
Foreign References:
EP0627260A1
EP0416143A1
EP0416140A1
US5130079A
US5592521A
Attorney, Agent or Firm:
COHAUSZ & FLORACK (Kanzlerstrasse 8a Düsseldorf, D-40472, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Katalysatorelement für einen Rekombinator zum Besei tigen von Wasserstoff mit einem flächigen Grundkörper (3), der zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial (3b) be schichtet ist, wobei der Grundkörper (3) im Bereich des katalyti schen Materials (3b) mindestens einen Durchbruch (5) aufweist.
2. Katalysatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Grundkörper (3) im wesentlichen eben ausgebildet ist.
3. Katalysatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Grundkörper (3) eine in einer Rich tung gekrümmte Oberflächenform aufweist.
4. Katalysatorelement für einen Rekombinator zum Besei tigen von Wasserstoff mit einem flächigen Grundkörper (3), der zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial (3b) be schichtet ist, wobei der Grundkörper (3) im Bereich des katalyti schen Materials (3b) mindestens einen Turbulator auf weist.
5. Katalysatorelement nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Turbulator als Grenzschichtzaun ausgebildet ist, der im wesentlichen quer zur Über strömungsrichtung ausgerichtet ist.
6. Katalysatorelement nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Turbulator als eine Oberflächenrau higkeit ausgebildet ist.
7. Rekombinator zum Beseitigen von Wasserstoff mit einem Gehäuse (2) und mit mindestens einem im Gehäuse (2) angeordneten Ka talysatorelement, das einen flächigen Grundkörper (3) aufweist, der zumindest teilweise mit einem Katalysa tormaterial (3b) beschichtet ist, wobei der Grundkörper (3) im Bereich des katalyti schen Materials (3b) mindestens einen Durchbruch (5) aufweist.
8. Rekombinator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (3) im wesentlichen eben ausge bildet ist.
9. Rekombinator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (3) des Katalysatorelementes un ter einem vorgegebenen Winkel schräg zur Längsrich tung des Gehäuses (2) angeordnet ist.
10. Rekombinator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (3) des Katalysatorelementes ge krümmt ausgebildet ist, daß innerhalb des Gehäuses (2) durch den Grundkörper (3) mindestens zwei Kanäle (6,7) ausgebildet sind, wobei im beschichteten Bereich mindestens ein erster Kanal (6) einen sich verengenden Strömungsquerschnitt und mindestens ein zweiter Kanal (7) einen sich er weiternden Strömungsquerschnitt aufweisen.
11. Rekombinator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß der erste Kanal (6) in Strömungsrichtung im Eintrittsbereich einen sich verengenden und strö mungsabwärts einen sich erweiternden Strömungsquer schnitt aufweist und daß der zweite Kanal (7) in Strömungsrichtung im Eintrittsbereich einen sich er weiternden und strömungsabwärts einen sich verengen den Strömungsquerschnitt aufweist.
12. Rekombinator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß eine Mehrzahl von Katalysatorelementen im Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei Katalysatorelemente mit entgegengesetzt ausgerichteten Krümmungen wech selseitig benachbart zueinander angeordnet sind und Kanäle (6,7) ausbilden, die abwechselnd einen sich verengenden und einen sich erweiternden Strömungs querschnitt aufweisen.
13. Rekombinator nach einem der Ansprüche 7 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (3) im Ein trittsbereich (3a) des Rekombinators vollflächig aus gebildet ist und daß die Durchbrüche (5) nur im strö mungsabwärts vom Eingangsbereich (3a) angeordneten Abschnitt des Katalysatorelements angeordnet sind.
Description:
Katalysatorelement für einen Rekombinator Die Erfindung betrifft ein Katalysatorelement für einen Rekombinator sowie einen Rekombinator zum Beseitigen von Wasserstoff.

Rekombinatoren weisen katalytisch aktive Katalysatorle- mente auf. Mit ihnen wird freigesetzter oder störfallbe- dingt entstandener Wasserstoff aus nichtinertisierten Räumen, z. B. Sicherheitsbehältern von Druck-und nichti- nertisierten Siedewasserreaktoren, die neben Wasserstoff auch Wasserdampf, Luft, Aerosole und weitere Gase enthal- ten, beseitigt.

Im Verlauf schwerer Störfälle entstehen in wassergekühl- ten Kernreaktoren (LWR) infolge der Reduktion von Wasser- dampf große Mengen Wasserstoff, die in die Sicherheitsbe- hälter gelangen. Die maximalen Wasserstoffmengen können sowohl bei Druck-als auch Siedewasserreaktoren etwa 20.000 mn3 betragen. Aufgrund des sich in den Sicherheits- behältern (Containments) befindenden Luftsauerstoffs be- steht die Gefahr der Bildung zündfähiger Gemische, deren unkontrollierte Entzündung mit anschließender Detonation eine schwere dynamische Druckbeanspruchung der Contain- mentwände bewirkt. Wasserdampf-und Wasserstoffentfernung führen darüber hinaus stets zu Druck-und Temperaturerhö- hungen der Störfallatmosphäre. Dies ist insbesondere in Siedewasserreaktoren bedeutsam, da die Volumina ihrer Behälter nur etwa 20.000 m3 im Vergleich zu 70.000 m3 bei Druckwasserreaktoren betragen. Druck-und Temperaturerhö- hungen führen zu einer zusätzlichen statischen Beanspru- chung der Containmentwände. Außerdem besteht bei Leckagen infolge des Überdrucks die Gefahr des Austritts radio- toxischer Substanzen.

Vorbeugende Sicherheitsvorkehrungen bestehen in der Iner- tisierung der Gasvolumina mit Stickstoff, wie sie im Fall der Siedewasserreaktoren geplant oder auch schon vorge- nommen sind. Diskutierte und zum Teil bereits realisierte Gegenmaßnahmen stellen katalytische Rekombinatoren dar.

Mit deren Hilfe wird der entstandene Wasserstoff sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zündgrenzen exotherm katalytisch rekombiniert, d. h. unter Entstehung von Wär- me in Wasserdampf umgesetzt. Wasserstoffgehalte mit Kon- zentrationen innerhalb der Zündgrenzen lassen sich dar- über hinaus auch konventionell nach Fremdzündung abbren- nen. Die dabei auftretenden Vorgänge sind jedoch nicht vollständig kontrollierbar, so daß es unter Umständen zu den bereits oben genannten anlagengefährdenden Reaktionen kommen kann.

Zur Beseitigung des im Normalbetrieb und störfallbedingt entstehenden Wasserstoffs wurden sowohl thermische als auch katalytische Rekombinatoren entwickelt, die den Was- serstoff mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasserdampf rekom- binieren. Bevorzugt werden katalytische Systeme, die pas- siv, d. h. selbststartend und ohne externe Energieversor- gung, arbeiten, damit die Verfügbarkeit während eines Störfalls gewährleistet ist. Zur Zeit sind aus dem Stand der Technik zwei Rekombinatortypen bekannt, bei denen als Substrate sowohl metallische Platten oder Folien als auch hochporöses Granulat verwendet werden, auf die Platin bzw.

Palladium als Katalysator aufgebracht ist. Mehrere Folien und Granulatpakete-das Granulat wird von Drahtnetzen zu Paketen zusammengehalten-sind vertikal und parallel zu- einander in Blechgehäusen angeordnet. Das Gemisch aus Was- serstoff und Luft tritt an der Unterseite in die Gehäuse ein. An den katalytisch beschichteten Oberflächen setzt die Reaktion ein. Das Gemisch überströmt die Oberflächen infolge des entstehenden thermischen Auftriebs. Ein Geblä- se ist also nicht erforderlich.

Es gilt als gesichert, daß mit einer Anzahl von 40 bis 100 katalytischer Rekombinatoren dem Wasserstoffproblem in Kernreaktoren begegnet werden kann. Sie werden im Sicher- heitsbehälter so angeordnet, daß ihre Wärmeabgabe mög- lichst in derselben Richtung erfolgt wie die beim großen Unfall auftretenden großräumigen Konvektionsbewegungen.

Zur Beschreibung des Funktionsprinzips der oben genannten Abbauvorrichtung diene Fig. 5, die schematisch einen heu- te üblichen Rekombinator in Seitenansicht darstellt.

Beidseitig mit katalytisch wirkenden Materialien, z. B.

Platin oder Palladium, beschichtete Grundkörper 3 von Katalysatorenelementen sind parallel zueinander in einem Gehäuse 2 angeordnet sind. Das aus Dampf, Luft, Wasser- stoff und Aerosolen bestehende Gemisch steigt aufgrund der Dichteunterschiede-hohe Temperatur des Gemischs und geringe Dichte des Wasserstoffs-nach oben, wie mit dem Pfeil 1 dargestellt ist. Es tritt unten in den Rekombina- tor ein. An den beschichteten Grundkörpern kommt es zur Reaktion des u. a. aus Wasserstoff und Sauerstoff beste- henden Gemischs, bei der Wärme freigesetzt wird. Das ab- gereicherte Gemisch verläßt den Rekombinator oben, siehe Pfeil 4. Zur Verdeutlichung der Fig. 6 sind unten die Koordinaten angegeben, die die Strömungsrichtung des Ge- mischs y und die Richtung x quer dazu bezeichnen.

Fig. 6 gibt die Wärme-und Stofftransportvorgänge an einem Katalysatorelement, das einseitig beschichtet ist, wieder.

Eingezeichnet sind neben dem zuvor bereits genannten Koor- dinatensystem auch die Grenzschichtverläufe 5 und 8v sowie die Verläufe für die Wärme-und Stoffübergangskoeffizien- ten a und ß. Aus Gründen der Vereinfachung ist jeweils nur ein Verlauf dargestellt. Mit 8p wird die Grenzschicht für den Stofftransport, mit 5v die für die Geschwindigkeit be- zeichnet. Sie werden auch stoffliche und fluiddynamische Grenzschichten genannt.

Am Eintritt, also bei y = 0, ist die Grenzschichtdicke Null, d. h. Stoff-und Wärmeübergangskoeffizienten sind theoretisch unendlich. In Strömungsrichtung nehmen die Dicken der Grenzschichten zu, die Wärme-und Stoffüber- gangskoeffizienten demzufolge entsprechend ab. Da die Ka- talysatorelemente eines Rekombinators über die gesamte Fläche beschichtet sind, setzt die Reaktion bereits am Plattenbeginn ein. An dieser Stelle ist also der lokale Wasserstoffumsatz aufgrund extrem großen Stoffübergangs sehr hoch. Die Folge ist eine relativ hohe Reaktionstempe- ratur, die bei hinreichendem Angebot an Wasserstoff und Sauerstoff zum Erreichen oder Überschreiten der Zündtempe- ratur führen kann, zumal die Abfuhr der Wärme von der Oberfläche des Katalysatorelements infolge Konvektion nicht ausreicht und das Material des Grundkörpers die freigewordene Reaktionswärme nicht speichern kann. Damit ist eine Deflagration oder sogar Detonation mit der Folge der oben beschriebenen Schädigung nicht ausgeschlossen.

Außerdem trägt der weitere beschichtete Bereich für die Umsetzung von Wasserstoff nicht mehr besonders bei, d. h. auf ihn könnte prinzipiell verzichtet werden.

Die Reaktion innerhalb der Rekombinatoren ist diffusions- kontrolliert. Das bedeutet, daß der Antransport der Re- aktanden an die katalytisch wirkenden Oberflächen sowie der Abtransport der Reaktionsprodukte von den Oberflächen von entscheidender Bedeutung für die Geschwindigkeit des Rekombinationsprozesses sind. Die Katalysatormengen auf den Oberflächen sind dagegen von untergeordneter Bedeu- tung. Der an die Oberflächen gelangende Wasserstoff wird in allen Fällen auch umgesetzt. Dies läßt den Schluß zu, daß die Auslegung eines Rekombinators zunächst im Hinblick auf die Optimierung der Transportvorgänge, dann aber auch auf die Optimierung der Wärmeabfuhr vorzunehmen ist.

Läßt man den Eintrittsbereich der Grundkörper der Kataly- satorelemente unbeschichtet, wie in der deutschen Pa- tentanmeldung 198 52 953.8 offenbart ist, kann sich die fluiddynamische Grenzschicht bis zum Einsetzen der Reakti- on bereits ausbilden, so daß der Stoffübergangskoeffizient kleiner als zu Beginn des Grundkörpers ist. Trotz hohen Umsatzes kann auf diese Weise ein Teil der Reaktionswärme im Grundkörper gespeichert und aufgrund axialer Wärmelei- tung in den unbeschichteten Bereich des Grundkörpers abge- geben werden. Dies ist in der Fig. 6 ebenfalls angedeutet.

Der Stoffübergang beginnt hier an der Stelle y'=0. Die Grenzschicht für den Stofftransport 5'und der Stoffüber- gangskoeffizient ß'sind eingezeichnet. Stofflicher und fluiddynamischer Anlauf sind also versetzt.

Trotz der großen freien Oberfläche des Rekombinatortyps, der poröses Granulat als Substrat verwendet, ist dessen Wirksamkeit geringer als die des anderen Rekombinatortyps, für den Platten oder Folien benutzt werden. Das Gemisch aus Brenngas und Luft erreicht bei der Überströmung der beschichteten Substrate nicht alle katalytischen Zentren, da die Reaktion lediglich an den Paketoberflächen oder in deren unmittelbarer Nachbarschaft stattfindet. Bei beiden Rekombinatortypen ist die Reaktion unvollständig.

Die Abfuhr der Reaktionswärme aus den Systemen ist grund- sätzlich problematisch. Sie erfolgt fast ausschließlich infolge Konvektion von den festen Oberflächen an die vor- beiströmenden Gase sowie Wärmestrahlung an benachbarte Strukturen. Zu große Wasserstoffmengen können zu einer Überhitzung der beschichteten Substrate führen, so daß die Zündtemperatur erreicht oder überschritten wird und es infolgedessen zu homogenen Gasphasenreaktionen mit Defla- gration bzw. Detonation kommen kann. Als weiterer Nachteil ist die zusätzliche Aufheizung der Umgebung anzusehen.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrun- de, die vorhandenen katalytischen Oberflächen trotz ge- ringer Anströmgeschwindigkeiten der Reaktionspartner und der dadurch bedingten Grenzschichten optimal auszunutzen und die Anfälligkeit gegen Ablagerung von Aerosolen in den Rekombinatoreinsätzen gering zu halten.

Das zuvor aufgezeigte Problem wird erfindungsgemäß durch Katalysatorelemente nach Anspruch 1 oder Anspruch 4 sowie durch einen Rekombinator nach Anspruch 7 gelöst.

Bei der Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 1 weist das Katalysatorelement einen flächigen Grundkörper auf, der zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist, wobei der Grundkörper im Bereich des katalytischen Materials mindestens einen Durchbruch auf- weist. Beim Überströmen des reaktiven Gasgemisches über das Katalysatorelementes wird somit an den Stellen der Durchbrüche eine Querströmung ermöglicht, die zu einem Aufreißen von sich auf den Oberflächen gegebenenfalls aus- gebildeten Grenzschichten führt. Dadurch wird die Rekombi- nationsrate, gemessen über die gesamte Oberfläche des Ka- talysatorelementes, verbessert, da die Grenzschichten auf- gelöst und die Wärme-und Stoftransportvorgänge in größe- rem Maße stattfinden, als es mit ungestörten Grenzschich- ten der Fall sein würde.

In bevorzugter Weise arbeiten die Durchbrüche der Kataly- satorelemente dann besonders effektiv, wenn auf beiden Seiten des Katalysatorelementes unterschiedliche Drücke vorliegen. Die Druckdifferenz wird dann durch die Durch- brüche ausgeglichen, so daß es an den Stellen der Durch- brüche zu erheblichen Verwirbelungen, also zum Aufreißen der Grenzschichten kommt.

Bei einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung weist das Katalysatorelement einen flächigen Grundkörper auf, der zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist, wobei der Grundkörper im Bereich des katalytischen Materials mindestens einen Turbulator auf- weist. Als Turbulatoren werden Elemente auf der Oberflä- che des Katalysatorelementes bezeichnet, die für eine sich gegebenenfalls entlang der Oberfläche ausgebildete Grenzschicht ein Strömungshindernis darstellt und beim Überströmen zu einer Verwirbelung, also zu einer Ausbil- dung von Turbulenzen führt. Dadurch wird die Grenzschicht zumindest teilweise aufgelöst, so daß die Wärme-und Stof- transportvorgänge in größerem Maße stattfinden, als es mit ungestörten Grenzschichten der Fall sein würde.

In bevorzugter Weise ist der Turbulator als im wesentli- chen quer zur Überströmungsrichtung ausgerichteter Grenz- schichtzaun ausgebildet, der beispielsweise in Form eines auf der Oberfläche des Katalysatorelementes befestigten Drahtes oder als Rippe ausgebildet sein kann. Weiterhin kann der Turbulator als eine Oberflächenrauhigkeit ausge- bildet sein. Als Oberflächenrauhigkeit ist eine zumindet teilweise nicht eben ausgebildete Oberfläche zu verste- hen. Deren Erhebungen und Vertiefungen sind regelmäßig oder unregelmäßig verteilt angeordnet. Beim Überströmen führt die Oberflächenrauhigkeit zu Verwirbelungen der Reaktionsgemisches und somit zu einem Aufreißen der Grenzschicht.

Gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte technische Problem auch durch ei- nen Rekombinator zum Beseitigen von Wasserstoff mit einem Gehäuse und mit mindestens einem im Gehäuse angeordneten Katalysatorelement gelöst, das einen flächigen Grundkör- per aufweist, der zumindest teilweise mit einem Katalysa- tormaterial beschichtet ist, wobei der Grundkörper im Bereich des katalytischen Materials mindestens einen Durchbruch aufweist.

Ist in bevorzugter Weise der Grundkörper im wesentlichen eben ausgebildet und unter einem vorgegebenen Winkel schräg zur Längsrichtung des Gehäuses angeordnet, so wird das Ausbilden von Querströmungen gefördert, da die Kata- lysatorelemente von jeweils der der Strömung zugewandten Seite her stärker angeströmt werden und somit ein Druck- gefälle zur abgewandten Seite vorhanden ist. Dieses Druckgefälle wird aufgrund der Querströmungen durch die Durchbrüche hindurch ausgeglichen, und in zuvor beschrie- bener Weise werden die Grenzschichten dadurch aufgeris- sen.

In weiter bevorzugter Weise ist der Grundkörper des Kata- lysatorelementes gekrümmt ausgebildet, und es sind inner- halb des Gehäuses durch den Grundkörper mindestens zwei Kanäle ausgebildet, wobei mindestens ein erster Kanal einen sich verengenden Strömungsquerschnitt und minde- stens ein zweiter Kanal einen sich erweiternden Strö- mungsquerschnitt aufweisen. Durch die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte innerhalb der verschiedenen Kanäle werden Druckdifferenzen erzeugt, die durch die Durchbrü- che hindurch ausgeglichen werden, um Turbulenzen zu er- zeugen und somit die Grenzschichten aufzureißen.

Vorzugsweise weist der erste Kanal in Strömungsrichtung im Eintrittsbereich einen sich verengenden und strömungs- abwärts einen sich erweiternden Strömungsquerschnitt auf.

Weiterhin weist der zweite Kanal in Strömungsrichtung im Eintrittsbereich einen sich erweiternden und strömungsab- wärts einen sich verengenden Strömungsquerschnitt auf.

Somit wird während des Durchströmens des Reaktionsgemi- sches durch den Rekombinator mehrfach eine Druckdifferenz zwischen den beiden Kanälen erzeugt.

In weiter bevorzugter Weise ist eine Mehrzahl von Kataly- satorelementen im Gehäuse angeordnet, wobei Katalysatore- lemente mit entgegengesetzt ausgerichteten Krümmungen wechselseitig benachbart zueinander angeordnet sind und Kanäle ausbilden, die abwechselnd einen sich verengenden und einen sich erweiternden Strömungsquerschnitt aufwei- sen. Dadurch wird der gesamte Innenraum des Gehäuses in mehrere Kanäle unterteilt, so daß in vorteilhafter Weise die katalytische Fläche und auch der Anteil der Querströ- mungen im Verhältnis zur gesamten Strömung vergrößert wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Rekombinators besteht darin, daß der Grundkörper im Eintrittsbereich des Rekombinators vollflächig ausgebildet ist und daß die Durchbrüche nur im strömungsabwärts vom Eingangsbereich angeordneten Abschnitt des Katalysatorelements angeordnet sind. Der Vorteil liegt darin, daß sich zunächst die Strömungen entlang der Oberflächen ausbilden können, so daß erst im späteren Verlauf der Überströmung die Verwir- belung aufgrund der Durchbrüche eintritt.

Mit den zuvor dargestellten Ausgestaltungen der Oberflä- chen der Katalysatorelementen sowie des Aufbaus des Re- kombinators wird neben der Verbesserung des Stofftrans- portes durch das Aufreißen der Grenzscichten auch die Ablagerung von Aerosolen an den Oberflächen verringert.

Eine sauberere und vollständigere Umsetzung des Wasser- stoffes ist die Folge.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs- beispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnung bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Katlysatorelement mit Durchbrüchen in einer Draufsicht, Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Rekombinator mit schräg zur Durchströmung ausgerichteten Kata- lysatorelementen gemäß Fig. 1 im Querschnitt, Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Rekombinator mit Kata- lysatorelementen, die gekrümmte Oberflächen aufweisen und Strömungskanäle mit abwechselnd ausgerichtenen Krümungsverläufen bilden, im Querschnitt, Fig. 4 die Katalysatorelemente gemäß Fig. 3 in einer Detailansicht, wobei die Strömungsverhältnisse und die sich einstellenden Drücke dargestellt sind, Fig. 5 einen aus dem Stand der Technik bekannten Re- kombinator im Querschnitt und Fig. 6 eine graphische Darstellung, in der die Ver- läufe von Grenzschichten und der Wärme-und Stofftransportkoeffizienten dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt einen Grundkörper 3 eines Katalysatorelemen- tes, der von unten mit wasserstoffreichem Gas 1 ange- strömt wird. Der Eintrittsbereich 3a des als Platte oder Folie ausgebildeten Grundkörpers 3 ist vorzugsweise unbe- schichtet. Der beschichtete Teil ist mit 3b bezeichnet.

Erfindungsgemäß ist der Grundkörper 3 mit Durchbrüchen 5 -dargestellt sind Bohrungen-versehen. Es sind auch andere Formen von Durchbrüchen 5 möglich. Zahl, Anordnung und Größe der Durchbrüche 5 können variieren. Sie sind den jeweiligen Anforderungen anzupassen. Die Durchbrüche 5 bieten den Vorteil, daß ein Queraustausch der Strömung über die als Ausgleichsöffnung wirkenden Durchbrüche 5 möglich ist. Bei bestehenden Rekombinatortypen ist dies wegen fehlender Öffnungen oder Durchbrüche nicht möglich.

Der Austausch führt zu einer schrägen Anströmung der Kan- ten der Durchbrüche 5 und damit zu einem verbesserten Stoffübergang sowie zum Abwaschen von Aerosolen.

Bei fehlendem Queraustausch kann gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung, die nicht in der Zeichnung darge- stellt ist, eine Verwirbelung mittels Turbulatoren, also Oberflächenrauhigkeiten oder Grenzschichtzäunen, zu einer Erhöhung der Wasserstoffumsätze führen, da die sich bis zu diesen Stellen ausgebildete Grenzschicht aufgerissen wird und der stoffliche Anlauf strömungsabwärts erneut beginnt. Auf diese Weise wird der beschichtete Bereich gezielt für die Wasserstoffumsetzung genutzt. Zur Erhö- hung der Umsätze im beschichteten Bereich kann also die Oberfläche des nicht mit Durchbrüchen versehenen Be- reichs, wie oben bereits gesagt, aufgerauht oder mit an- deren die Grenzschicht beeinflussenden Oberflächenstruk- turen versehen werden.

In Fig. 2 ist eine Anwendung der in Fig. 1 gezeigten Grundkörper 3 in einem Rekombinator dargestellt. Das Ge- misch tritt-siehe Pfeil 1-unten in das Gehäuse 2 des Rekombinators ein. Die Grundkörper 3 sind zur Erzeugung von Druckdifferenzen zwischen den Ober-und Unterseiten schräg im Gehäuse 2 angeordnet. Sie weisen ebenfalls un- beschichtete Bereiche 3a und beschichtete Bereiche 3b auf. Die beschichteten Bereiche 3b sind mit Durchbrüchen 5 versehen. Als Grenzfall können auch katalytisch be- schichtete Netze mit angepaßter Netzweite zur Beeinflus- sung des Strömungswiderstandes verwendet werden. Infolge der Schrägstellung kommt es in den Zonen zwischen den Grundkörpern 3 sowohl zu aufwärts gerichteten Schrägströ- mungen 8 als auch zu Querströmungen 9. Die Querströmungen 9 führen infolge von Verwirbelungen sowohl zur verbesser- ten Umsetzung des Wasserstoffs als auch zum Abwaschen von Aerosolen, die bei orthogonal durchströmten Katalysatore- lementen, wie z. B. Netzen, auch zu Verstopfungen führen können. Das abgereicherte Gemisch verläßt die Vorrichtung oben, wie mit dem Pfeil 4 dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Gestaltung der Grundkörper 3. In dieser Darstellung sind die Grundkörper 3 über die Höhe wie Tragflächen eines Flugzeugs gekrümmt.

Das Gemisch (Pfeil 1) strömt unten in den Rekombinator ein und verteilt sich auf verschiedene Kanäle 6 und 7.

Der Eingangsbereich 3a der Grundkörper 3 ist wie zuvor unbeschichtet. Aufgrund der Krümmungen kommt es in den entstehenden Kanälen 6 und 7 entweder zu einer Beschleu- nigung oder Verzögerung der Strömung. Die Reaktion setzt im beschichteten Bereich 3b ein. Dort kann es wegen der Durchbrüche 5 zu dem Queraustausch kommen.

In Fig. 4 sind die Verhältnisse deutlicher dargestellt.

Das wasserstoffreiche Gemisch verteilt sich (siehe Pfeil la) entsprechend den sich einstellenden Strömungsdruck- verlusten auf die einzelnen Strömungskanäle 6 und 7. Bei nur einem Grundkörper 3 würden sich wie bei einem Trag- flügel an Ober-und Unterseite des Substrates entspre- chend der unterschiedlichen Umströmungsgeschwindigkeiten unterschiedliche Drücke einstellen, die bei einem Trag- flügel zum Auftrieb führen. Im vorliegenden Fall aller- dings weisen benachbarte Grundkörper 3 stets eine entge- gengesetzte Krümmung auf. Infolgedessen kommt es in den sich verengenden Kanälen 6, wie z. B. in einer Düse, zu einer Beschleunigung der Strömung. Die Erweiterungen in den Nachbarkanälen 7 dagegen führen zu einer Verzögerung.

Beschleunigungen bzw. Verzögerungen bewirken in den Kana- len 6 bzw. 7 die Drücke P+AP bzw. P-AP. Diese Druckdiffe- renzen zwischen Nachbarkanälen 6 und 7 führen zu einem Queraustausch innerhalb der Strömung. Der Austausch er- folgt wieder über die Durchbrüche 5, die als Bohrungen oder als netzartige Einsätze im Material des Grundkörpers ausgebildet sind. Aufgrund dieser möglichen Querströmun- gen herrscht in den in Strömungsrichtung vom Eintrittsbe- reich abgewandten Bereichen benachbarter Kanäle 6 und 7 nahezu derselbe Druck P. Die Aufwärtsströmungen sind wie in Fig. 2 mit 8, die Querströmungen mit 9 bezeichnet. Das wasserstoffarme Gemisch verläßt die einzelnen Kanäle oben, siehe Pfeil 4a.