BRPI0922647B1

BRPI0922647B1 - método e aparelho para envelhecer um material catalítico

Info

Publication number: BRPI0922647B1
Application number: BRPI0922647A
Authority: BR
Inventors: Douglas Roy; Andrew Woods
Original assignee: The Queen's University Of Belfast
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2020-05-05
Also published as: JP2012511423A; JP5705128B2; GB2478483A; CA2746722A1; BRPI0922647A2; KR20110101197A; US20110251050A1; GB201110876D0; WO2010067127A1; CN102317591A; ES2396634T3; CN102317591B; PL2376754T3; US9061274B2; US8753996B2; KR101621116B1; GB0822626D0; EP2376754B1; US20140235430A1; CA2746722C

Abstract

método e aparelho para envelhecer um material catalítico um método de envelhecimento de um material catalítico, compreendendo pelo menos as etapas de: (a) aquecer uma corrente gasosa; (b) adicionar pelo menos de um gás de hidrocarboneto e um gás contendo oxigênio na corrente gasosa aquecida, para produzir uma corrente combinada; e (c) a passar a corrente combinada através do material catalítico. o uso de pelo menos de um gás de hidrocarboneto puro e um gás contendo oxigênio permite que a presente invenção maximize a recirculação da corrente de saída do material catalítico para reuso, ao mesmo tempo mantendo as proporções corretas de c, h e o que estão sendo fornecidos na corrente combinada, para replicar o uso realístico do material catalítico.

Description

MÉTODO E APARELHO PARA ENVELHECER UM MATERIAL CATALÍTICO [1] A presente invenção refere-se a um método e a um aparelho para o teste de um material catalítico, especialmente, mas não exclusivamente, ao envelhecimento de um conversor catalítico.

[2] O material catalítico é utilizado em vários locais e processos. Um exemplo comum é um material catalítico usado em um conversor catalítico na corrente de saída de um motor de combustão interna em veículos, tais como automóveis, motocicletas, caminhões, etc. Outros processos e aplicações de material catalítico incluem aqueles das indústrias químicas e petroquímicas, geradores de eletricidade, motores de utilidade doméstica, aplicações navais, aplicações aeroespaciais, etc.

[3] Os conversores são mais comumente conhecidos para uso em gás de exaustão de automóveis, para reduzir a toxidez de emissões de motor de combustão interna. A sua finalidade é reduzir os níveis de gases perigosos, tais como monóxido de carbono (CO), hidrocarbonetos (HC) e vários óxidos de nitrogênio (NOx) através da conversão dos mesmos em dióxido de carbono (CO2), água, nitrogênio e oxigênio.

[4] Um material catalítico comum usado em um conversor catalítico consiste em uma camada fina de metal precioso dispersada sobre uma camada transportadora de alumina altamente porosa, (Al2O3), revestimento de lavagem, a qual, por seu lado, é ligada a um substrato cerâmico. Outros suportes que são utilizados comumente como uma alternativa para alumina são o dióxido de silício, (SiO2), dióxido de titânio, (TiO2) e zeolitos (compostos de alumínio, silício e oxigênio); no entanto, a alumina permanece sendo a escolha mais popular. O substrato pode vir na forma de um granulo ou monolítica; no entanto, a estrutura monolítica de favo de mel é a mais largamente utilizada. O material usado neste tipo de estrutura também pode variar. Alguns fabricantes de catalisadores optam por monólitos

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 10/35 / 21 metálicos que são compostos por aços revestidos por alumínio, resistentes à temperatura, enquanto que a maioria escolhe a estrutura cerâmica. Os metais preciosos mais comuns para tais materiais catalíticos nesta aplicação são platina, Pt, paládio, Pd, ródio, Rh e óxido de vanádio, V2O5.

[5] Devido ao interesse público aumentado sobre questões ambientais, os Governos estão constantemente atualizando a legislação sobre emissões, através da introdução de regulamentos mais rigorosos sobre emissões para automóveis. Assim sendo, existe uma atenção cada vez maior em testes de desempenho de conversores catalíticos, tais como o seu envelhecimento e tempo de vida.

[6] Um método de teste de um conversor catalítico é o de operar continuamente um motor de combustão interna em uma instalação de teste, e colocar o catalisador na sua exaustão. Exemplos públicos incluem o ciclo de envelhecimento ZDAKW (European Commission Joint Research Centre), o ciclo de envelhecimento LNT (Oak Ridge National Laboratory), e o ciclo de envelhecimento STRAWMAN, apesar dos fabricantes também desenvolverem os seus próprios ciclos, e normalmente estes não são de domínio público e são considerados como segredos de comercialização.

[7] No entanto, os custos de operação de combustível para envelhecer totalmente um conversor catalítico até o ponto de desativação podem ser acima de $ 50.000 (dólares).

[8] A US 2005/0204804 A1 apresenta um método para envelhecer artificialmente um dispositivo catalítico para uso em uma bancada de teste de catalisador, para a conversão de gases de exaustão. O gás envelhecido quente é fornecido por intermédio de um queimador, como uma turbina a gás, e o gás que sai do dispositivo catalítico é parcialmente recirculado e misturado com o gás que está sendo envelhecido para ser alimentado no dispositivo catalítico.

[9] Um problema com a invenção, mostrado na US2005/0204804 A1, é que a maior parte do gás quente que está sendo envelhecido ainda é

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 11/35 / 21 baseado na combustão de um combustível que contém carbono, i.e., petróleo, diesel ou outro material de gasolina, que é então queimado em um queimador. São ainda requeridos custos significativos para o fornecimento desse combustível.

[10] Um segundo problema com a invenção, mostrado na US2005/0204804 A1, é que a combustão de um combustível que contém C requer um queimador, o qual necessita ser controlado dentro do ambiente da bancada de teste. A combustão de um combustível em uma escala de bancada de teste não fornece um controle cuidadoso das proporções dos constituintes do gás que vão para o dispositivo catalítico.

[11] Um objetivo da presente invenção é apresentar um método mais eficiente e preciso de envelhecimento de material catalítico.

[12] De acordo com um aspecto da presente invenção, é apresentado um método de envelhecimento de um material catalítico, que é constituído pelo menos pelas etapas de:

(a) o aquecimento de uma corrente gasosa;

(b) a adição pelo menos de um gás de hidrocarbonetos puro e um gás contendo oxigênio, na corrente gasosa aquecida, para produzir uma corrente combinada; e (c) a passagem da corrente combinada através do material catalítico.

[13] O uso pelo menos de um gás de hidrocarbonetos puro e um gás contendo oxigênio permite que a presente invenção maximize a recirculação da corrente de saída do material catalítico para reutilização, ao mesmo tempo mantendo as proporções corretas de C, H e O que estão sendo fornecidas na corrente combinada, para repetir o uso real do material catalítico.

[14] A presente invenção também reduz o aquecimento da corrente gasosa que é requerido antes do seu contato com o material catalítico, através de reação exotérmica que ocorre após a combustão, pelo menos de um gás de

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 12/35 / 21 hidrocarbonetos puro e um gás contendo oxigênio, quando eles entram em contato com o material catalítico. Isto reduz os custos requeridos para operar o método da presente invenção.

[15] O material catalítico poderá ser qualquer material adequado sozinho ou uma combinação de materiais, que se destinam a catalisar uma alteração química em um ou mais dos gases que compõem a corrente gasosa e/ou a corrente combinada. Um exemplo comum é um material catalítico usado em um conversor catalítico para a corrente de exaustão de um motor de combustão interna em veículos, tais como automóveis, motocicletas, caminhões, etc. Outros processos e aplicações de material catalítico, incluem aqueles nas indústrias químicas e petroquímicas, geradores de eletricidade, motores de utilidade doméstica, aplicações navais, aplicações aeroespaciais, etc., incluindo reações químicas em laboratório.

[16] O material catalítico geralmente é produzido com um suporte, opcionalmente é dispersado sobre uma camada do suporte, e opcionalmente é suportado por um substrato, como aqueles descritos aqui anteriormente, mas não são limitados aos mesmos. A presente invenção não é limitada pelo formato, tamanho, suporte, natureza, forma ou fornecimento do material catalítico, desde que ele seja utilizado em um ciclo de envelhecimento, de uma forma conhecida pela pessoa adestrada na arte. Exemplos de materiais catalíticos bem conhecidos incluem catalisadores de 3 vias para carros, etc., catalisadores de oxidação de diesel, catalisadores LNT (retenção de NOX pobre), catalisadores SCR, etc.

[17] A presente invenção é também utilizável para o envelhecimento de componentes do motor após o tratamento, tais como vários sensores e semelhantes, e a presente invenção se aplica também a um método e a um aparelho para o teste de tais componentes, utilizando as mesmas etapas e realizações, conforme descrito aqui.

[18] A corrente gasosa poderá ser constituída por qualquer gás

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 13/35 / 21 sozinho ou combinação de gases. Geralmente, a corrente gasosa é constituída por um ou mais constituintes conhecidos como sendo parte da corrente que passa, ou através da corrente que irá passar através do material catalítico utilizado. Por exemplo, em um conversor catalítico de automóvel, a corrente de exaustão do motor geralmente é composta por uma combinação de materiais contendo carbono, tais como monóxido de carbono, hidrocarbonetos, um ou mais óxidos de nitrogênio (NOX), com um complemento de N2, H2O e CO2.

[19] Em uma modalidade da presente invenção, a corrente gasosa é constituída por um ou mais gases sintéticos, tais como dióxido de carbono e nitrogênio, fornecidos por uma ou mais fontes de tais gases. Gases sintéticos ou feitos pelo homem são bem conhecidos na arte, e geralmente são fornecidos na forma engarrafada, prontos para utilização.

[20] O termo gás de hidrocarbonetos puro conforme usado aqui, refere-se a um gás de hidrocarbonetos não tendo mais do que 3% ou 2% ou 1% de impurezas inertes, tais como nitrogênio ou argônio, e não tendo mais do que 0,5% ou 0,4% ou 0,3% ou 0,2% ou 0,1% de impurezas ativas, i.e., componentes ou agentes, tais como óleo, chumbo, enxofre ou fósforo, etc., que são conhecidos como danificando um material catalítico.

[21] Os gases de hidrocarbonetos puros poderão ser adicionados na corrente gasosa aquecida na quantidade de 0,1% em volume a 10% em volume da corrente gasosa aquecida, de preferência, na faixa de 0,1% em volume a 5% em volume, mais de preferência, na faixa de 0,3% em volume a 1,5% em volume.

[22] O gás que contém oxigênio poderá ser adicionado na corrente gasosa aquecida na quantidade correta para a reação com um gás de hidrocarbonetos e para facilitar o ciclo de gases pobres e ricos de protocolos de envelhecimento RAT. A pessoa adestrada sabe a quantidade requerida de gás contendo oxigênio com base na quantidade de gás de hidrocarbonetos,

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 14/35 / 21 etc.

[23] Em uma modalidade preferida da presente invenção, a corrente gasosa é aquecida na etapa (a) até 300 - 1000 °C. Isto é, a corrente gasosa é aquecida sem combustão até uma temperatura adequada, como na faixa de 300 - 1000 ° C.

[24] Também, de preferência, a etapa (a) da presente invenção é constituída pelo aquecimento elétrico de uma corrente gasosa, e a corrente gasosa poderá ser aquecida por um ou mais aquecedores elétricos e/ou trocadores de calor conhecidos na arte, de preferência, utilizando-se aquecimento em um forno elétrico. Desta forma, a presente invenção evita o uso direto de queimadores ou de turbinas a gás, tais como aquelas usadas na US2005/0204804 A1, assim como a necessidade de outras unidades, dispositivos e aparelhos de combustão. Isto simplifica significativamente o método da presente invenção, em comparação com o aparelho de envelhecimento de catalisador que envolve o suprimento de correntes gasosas provenientes de combustão.

[25] De acordo com uma outra modalidade da presente invenção, a etapa (a) é constituída pelo aquecimento elétrico de uma corrente gasosa, constituída parcialmente, substancialmente ou totalmente por um ou mais gases sintéticos, e de preferência, os gases sintéticos de dióxido de carbono e nitrogênio.

[26] O uso de uma ou mais formas simplificadas de aquecimento de um gás diferente de combustão também permite que a formação e a constituição da corrente gasosa seja feita e determinada com mais precisão. A corrente gasosa pode ser constituída por uma ou mais fontes predeterminadas do gás, ou de cada gás constituinte, utilizando mecanismos de controle, tais como válvulas, reguladores e controladores de fluxo, para determinar com precisão a quantidade e a proporção/relação de cada gás constituinte, para formar a corrente gasosa final. Isto não é possível utilizando-se a combustão

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 15/35 / 21 de um combustível.

[27] Existe também um controle maior da temperatura da corrente gasosa utilizando-se aquecimento elétrico, levando ao equilíbrio e estabilidade maiores, e especialmente, menos variação na temperatura, porque a corrente gasosa é alimentada para o material catalítico. Isto está sendo comparado com a obtenção de uma temperatura elevada da corrente gasosa puramente, ou principalmente, através da combustão de um combustível, cuja variação de temperatura não pode ser controlada com precisão.

[28] Como a temperatura da corrente gasosa pode ser fornecida com precisão e ser determinada antes da etapa (b), também pode haver um controle próximo e/ou preciso da quantidade da corrente pura de hidrocarbonetos a ser adicionada na etapa (b) para se conseguir a temperatura desejada do gás combinado quando ele passa através do material catalítico. Assim sendo, a presente invenção pode produzir um sistema muito estável, tendo uma necessidade adicional reduzida de gás de hidrocarbonetos, e, portanto uma combustão adicional reduzida do mesmo, mantendo um grau maior de controle e de estabilidade em relação ao processo geral e à temperatura no material catalítico.

[29] Em outra modalidade da presente invenção, a passagem da corrente combinada através do material catalítico produz uma corrente de saída, e o método da presente invenção é ainda constituído pelas etapas de:

(d) a recirculação de mais de 50% em volume da corrente de saída, como corrente gasosa.

[30] Mais de preferência, pelo menos 70% em volume, 80% em volume, 90% em volume, ainda mais de preferência, mais de 95% em volume, ou ainda mais de 97% em volume, mais de 98% em volume, ou mais de 99% em volume, ou opcionalmente, toda a corrente de saída é recirculada como a corrente gasosa. Desta forma, a presente invenção pode reduzir significativamente a quantidade de corrente gasosa requerida, e portanto

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 16/35 / 21 reduzir significativamente os custos para a execução do método e do aparelho da presente invenção, porque a mistura CO2/N2 não é continuamente produzida e descartada.

[31] Especialmente, a corrente gasosa é recirculada várias vezes para minimizar os requisitos de gás adicional, tais como na faixa de 3 e 20 vezes ou mais.

[32] Em outra modalidade da presente invenção envolvendo pelo menos alguma recirculação da corrente de saída conforme descrito acima, o método da presente invenção é ainda constituído pela etapa de:

(e) a escolha pelo menos de um gás de hidrocarbonetos puro e um gás contendo oxigênio, para a obtenção de produtos da reação após a etapa (c) que são capazes de minimizarem a variação da constituição e/ou da temperatura da corrente combinada na etapa (b), após a recirculação da etapa (d).

[33] De preferência, o método pode minimizar a variação, tanto da constituição como da temperatura da corrente combinada. De preferência, a mistura da corrente combinada é escolhida para minimizar a constituição da mistura a jusante, que é usada para recircular a etapa (b), de forma a produzir uma mistura estável. A recirculação e a fornalha podem então produzir uma temperatura estável.

[34] Especialmente, a presente invenção é capaz de manter um ambiente estável para o teste do material catalítico, reduzindo o custo requerido para o teste de envelhecimento total do material catalítico. A invenção produz um ambiente estável, de forma que a concentração e/ou a temperatura da corrente de alimentação e da corrente combinada fornecida para o material catalítico tenha de preferência <± 5% ou <±4% ou <±3% ou <± 2% ou <±1% de variação durante um ciclo, geralmente um ciclo de temperatura constante.

[35] Assim sendo, a presente invenção apresenta ainda um método

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 17/35 / 21 de envelhecimento de um material catalítico, constituído pelo controle da adição do gás puro de hidrocarbonetos, um gás contendo oxigênio, ou ambos, na corrente gasosa aquecida, para produzir a corrente combinada (para a passagem através de um material catalítico), constituído pelas etapas de:

(i) a monitoração da temperatura da corrente gasosa aquecida, do catalisador e da corrente de saída no catalisador; e (ii) o controle do volume do gás puro de hidrocarbonetos, do gás contendo oxigênio, ou de ambos, adicionados na corrente gasosa aquecida para manter a temperatura do catalisador dentro de uma faixa predeterminada.

[36] De preferência, a etapa (ii) é constituída pelo controle do volume do gás de hidrocarbonetos, do gás contendo oxigênio, ou de ambos, adicionados na corrente gasosa aquecida após a recirculação pelo menos de parte da corrente de saída do material catalítico para dentro da corrente gasosa da etapa (a) para manter a temperatura do catalisador dentro de uma faixa predeterminada.

[37] A faixa de temperatura predeterminada do material catalítico depende da natureza do material catalítico que está sendo envelhecido e outras condições desejadas de processo, mas geralmente está na faixa de 400 1100 °C, talvez na faixa de 500 - 1000 °C, ocasionalmente maior, ou com um pico maior.

[38] A habilidade da presente invenção de produzir a corrente gasosa a partir de uma ou mais fontes conhecidas do gás, ou de cada um dos gases constituintes, e de controlar a sua quantidade, proporção e/ou relação na corrente gasosa final, também permite que o gás ou cada um dos gases constituintes da corrente gasosa seja fornecido a partir de fontes conhecidas e simples. Tais fontes podem ser cilindros convencionais de gás ou outras unidades de suprimento conhecidas, que são fáceis de serem fornecidas, manter e serem seguras, do que um suprimento de um combustível, como petróleo. Evitando-se o suprimento e o uso de um combustível, e evitando-se

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 18/35 / 21 a sua combustão, isto reduz os custos de operação, e reduz os acidentes conhecidos.

[39] O gás puro de hidrocarbonetos poderá ser constituído por um ou mais do grupo que é composto por: metano, etano, propano, propileno, butano, butileno, pentano, etc, e monóxido de carbono. De preferência, o gás de hidrocarbonetos puro é propano.

[40] O gás que contém oxigênio poderá ser qualquer gás adequado composto com oxigênio, incluindo, mas não limitado a oxigênio puro ou ar.

[41] A corrente gasosa e pelo menos uma corrente de hidrocarbonetos ou gás contendo oxigênio poderão ser misturados utilizandose qualquer método e/ou aparelho adequado conhecido na arte. Isto poderá incluir um misturador ou um volume de mistura específico, assim como uma tubulação simples como uma ou mais peças em T.

[42] A presente invenção inclui todas as combinações de várias realizações ou aspectos da invenção descritos aqui. Deve ser entendido que quaisquer e todas as realizações da presente invenção poderão ser consideradas em conjunto com qualquer outra modalidade para descrever realizações adicionais da presente invenção. Além disso, quaisquer elementos de uma modalidade poderão ser combinados com qualquer e todos os outros elementos de qualquer das realizações, para descrever realizações adicionais.

[43] Assim sendo, uma modalidade específica da presente invenção é um método de envelhecimento de um material catalítico, constituído pelo menos pelas etapas de:

(a) o aquecimento elétrico de uma corrente gasosa constituída parcialmente, substancialmente ou totalmente por um ou mais gases sintéticos;

(b) a adição pelo menos de um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio, na corrente gasosa aquecida para produzir uma corrente combinada;

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 19/35 / 21 (c) a passagem da corrente combinada através do material catalítico; e (d) a recirculação de mais de 50% em volume da corrente de saída do material catalítico para dentro da corrente gasosa da etapa (a).

[44] As vantagens da presente invenção incluem uma ou mais das seguintes:

1. Recirculação do fluxo: a maior parte da corrente combinada, tipicamente 98% em volume a 99% em volume, pode ser recirculada, e somente a adição de uma pequena quantidade adicional de gás de hidrocarbonetos, e por exemplo, de ar, são requeridos para se atingir o perfil correto de temperatura do material catalítico. Isto significa que a corrente gasosa no método ou processo de envelhecimento está sendo reutilizada, usualmente várias vezes, e não meramente produzida e então descartada.

2. Com uma mistura gasosa de complemento de CO2 e nitrogênio, o processo de envelhecimento pode ser alimentado no início, e então totalmente recirculado, quando o sistema é trazido até a temperatura certa.

3. Tão logo o processo de envelhecimento alcance a temperatura de suporte, a mistura de gás de hidrocarbonetos/oxigênio (por exemplo, ar) pode ser adicionada para produzir a exotermia desejada do catalisador no material ou leito catalítico. A adição do gás de hidrocarbonetos e, por exemplo, ar, como uma mistura equilibrada, pode manter as concentrações de suporte corretas sem um sistema de monitoração e de controle sofisticado. Poderá ser requerida somente uma pequena quantidade de mistura a ser descartada na exaustão para manter a pressão de operação. A equação de equilíbrio para esta situação é:

C3H8 + 5O2 + 18,8N2 3CO2 + 4H2O + 18,8N2

4. O controle do processo de envelhecimento pode ser projetado para não ter nenhuma válvula de controle ou de mecanismos móveis

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 20/35 / 21 em contato com o gás ou gases quentes. O processo pode ser projetado para ser inerentemente estável, porque os hidrocarbonetos/ar podem ser adicionados de forma equilibrada, e portanto não alterarem o equilíbrio da mistura.

[45] A presente invenção apresenta um método de envelhecimento de um catalisador que pode ser adaptado para qualquer regime adequado de envelhecimento, incluindo os ciclos conhecidos de envelhecimento, tais como o ciclo de envelhecimento ZDAKW, o ciclo de envelhecimento LNT, e o ciclo de envelhecimento STRAWMAN descrito acima.

[46] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é apresentado um aparelho para o envelhecimento de um material catalítico, constituído pelo menos por:

(a) um ou mais aquecedores para o aquecimento de uma corrente gasosa;

(b) um combinador para combinar pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio na corrente gasosa aquecida para a produção de uma corrente combinada; e (c) um trajeto para a passagem da corrente combinada através do material catalítico.

[47] De preferência, o aparelho é constituído por:

(a) um ou mais aquecedores de forno elétrico para o aquecimento de uma corrente gasosa constituída parcialmente, substancialmente ou totalmente por um ou mais gases sintéticos;

(b) um combinador para combinar pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio na corrente gasosa aquecida, para produzir uma corrente combinada;

(c) um trajeto para a passagem da corrente combinada através do material catalítico; e (d) um trajeto para a recirculação de mais de 50% em volume

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 21/35 / 21 da corrente de saída do material catalítico para dentro da corrente gasosa da etapa (a).

[48] Uma modalidade da presente invenção será agora descrita, somente para fins de exemplo, e com referência aos desenhos anexos nos quais:

[49] A figura 1 é uma vista esquemática de um método de envelhecimento de um material catalítico, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[50] A figura 2 é uma segunda vista esquemática do método da figura 1;

[51] A figura 3 é uma vista em perspectiva explodida de um coletor de material catalítico para uso com uma modalidade da presente invenção;e [52] A figura 4 é um gráfico do volume contra o tempo para o fornecimento de propano e oxigênio em uma modalidade da presente invenção;

[53] A figura 5 é um gráfico de temperatura contra o tempo, através de um material catalítico testado pela presente invenção;

[54] As figuras 6a e 6b são concentrações de gás a montante e a jusante do material catalítico da figura 5; e [55] a figura 7 é um gráfico da análise de custo/hora de vários métodos de envelhecimento de um material catalítico.

[56] Para fins desta descrição, será atribuído um só número de referência para uma linha, assim como para a corrente transportada naquela linha.

[57] Com referência aos desenhos, a figura 1 mostra um método de envelhecimento de um material catalítico, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[58] A figura 1 mostra a produção de uma corrente gasosa 10. A

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 22/35 / 21 corrente gasosa 10, de preferência, tem mais de 50% em volume formado a partir de uma corrente de saída 40, conforme discutido aqui posteriormente.

[59] A corrente gasosa 10 é aquecida em um ou mais aquecedores 9 para produzir uma corrente gasosa aquecida 10a. De preferência, um ou mais dos aquecedores 9 é elétrico, para fornecer um aquecimento mais seguro e controlado da corrente gasosa 10 do que a combustão de um combustível.

[60] Um exemplo de um aquecedor elétrico adequado é um forno com tubos de infravermelho conhecido na arte, que é capaz de elevar a temperatura da corrente gasosa 10 até pelo menos 450 °C, como na faixa de 500 - 800 °C.

[61] Pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos 12 é adicionado na corrente gasosa aquecida 10a, como propano, através de uma primeira linha de suprimento 12. O gás puro de hidrocarbonetos pode ser fornecido a partir de uma fonte 13, como um ou mais cilindros de gás conhecidos na arte. É também adicionado na corrente gasosa aquecida 10a um gás contendo oxigênio 14, como ar, ao longo de uma linha de suprimento 14. O ar poderá ser suprido a partir de uma segunda fonte 15, como um ou mais cilindros de ar ou linhas /compressores de ar conhecidos na arte.

[62] Cada linha, corrente, unidade, etc., descritos aqui poderá incluir um ou mais meios de controle de fluxo ou volume, como válvulas, ser capaz de controlar a quantidade e/ou o fluxo e/ou o volume de gás ao longo daquela linha, etc. O fornecimento e o controle de meios de controle, tais como válvulas, são bem conhecidos na arte, e assim sendo, eles não são especificamente mostrados e descritos adicionalmente aqui.

[63] A mistura da corrente gasosa aquecida 10a, da corrente de hidrocarbonetos puros 12 e do gás que contém oxigênio 14 produz uma corrente combinada 20, que passa para dentro do coletor de material catalítico 24 que contém o material catalítico 22. O material catalítico 22 poderá ser qualquer material já conhecido ou um material catalítico novo,

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 23/35 / 21 para o qual se deseja testar o envelhecimento dinâmico, para ajudar a conhecer ainda mais ou a entender o desempenho do material catalítico, quando utilizado. Tal envelhecimento também tem sido denominado de envelhecimento artificial e se destina a produzir um método intenso para recriar o envelhecimento do material catalítico utilizado.

[64] Um material catalítico adequado é um material catalítico de três vias usado em carros.

[65] O coletor de material catalítico 24 pode ter qualquer forma, tamanho ou projeto adequado, que seja capaz de acomodar o material catalítico 22 em linha com a corrente combinada 20. De preferência, o coletor de material catalítico 24 é constituído por uma quantidade de suportes de material catalítico, de tal forma que possam ser envelhecidos uma quantidade de amostras do catalisador. Isso é adicionalmente descrito aqui abaixo com referência à figura 3.

[66] Passando-se a corrente e combinada 20 através do material catalítico 22, é produzida uma corrente de saída 30 a partir do coletor de material catalítico 24. Uma característica específica da presente invenção é que, enquanto uma proporção da corrente de saída 32 poderá ser passada para a atmosfera e equivalentes, como uma corrente sem retorno 32, pelo menos mais de 50% em volume ou mais, opcionalmente toda a corrente de saída 30 é recirculada como uma corrente e de recirculação 40 para produzir pelo menos a maior parte, opcionalmente, toda a corrente gasosa 10.

[67] Opcionalmente, a corrente de saída 40 passa através de uma válvula que altera a pressão, como um tubo de venturi 42 ou outro dispositivo de medição de fluxo apropriado, que facilita o cálculo da vazão de gás.

[68] A corrente de recirculação 40a do tubo de venturi 42 pode ser colocada em um reservatório 8. O reservatório 8 oferece um local adequado para a alimentação da corrente gasosa 10 com uma constituição conhecida de gás ou gases, assim como fornece um estabilizador para estabilizar quaisquer

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 24/35 / 21 alterações de vazão.

[69] Utilizando o exemplo de um motor de combustão interna e um método de envelhecimento de um conversor de catalisador de automóvel, uma mistura gasosa básica adequada para o reservatório 8 tipicamente será composta por cerca de 80% em volume de nitrogênio, cerca de 10% em volume de dióxido de carbono, e cerca de 10% em volume de vapor d'água. Estes gases constituem a maior parte da composição do gás de um motor de combustão interna.

[70] A figura 1 mostra o fornecimento de 2 gases sintéticos para dentro do reservatório 8 para auxiliar o fornecimento da corrente gasosa 10. Na modalidade mostrada na figura 1, poderá haver uma fonte de nitrogênio 53 como um primeiro gás sintético para a produção de uma corrente de nitrogênio 52, e uma fonte de dióxido de carbono 55 como um segundo gás sintético ao longo de uma linha de suprimento 54, para produzir uma corrente combinada de gás sintético 50 para dentro do reservatório 8. Estes gases podem ser fornecidos para o reservatório 8 através de válvulas (não mostrado) incluindo controladores de fluxo e válvulas solenóides, para fins de controle.

[71] O, ou cada fonte de gás sintético pode fornecer o gás requerido para o reservatório 8 como parte da montagem de um método de envelhecimento, assim como ser capaz de assegurar um suprimento de gás contínuo ou completação para o reservatório 8 durante a operação do método de envelhecimento, devido a qualquer perda de gás que possa ocorrer durante o processo.

[72] O esquema mostrado na figura 1 poderá também incluir um ou mais dispositivos, unidades ou aparelhos capazes de movimentarem um ou mais dos gases, especialmente a corrente gasosa, na direção do material catalítico, e a corrente de saída que está sendo recirculada. Unidades adequadas, etc., são conhecidas na arte para essa movimentação, incluindo bombas, turbinas e ventiladores, tais como ventiladores centrifugos.

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 25/35 / 21 [73] Como um motor de combustão interna tipicamente produz uma corrente de exaustão tendo cerca de 80% de nitrogênio, uma característica da presente invenção é que poderá haver uma recirculação tão significativa da corrente de saída 30 do material catalítico 22 que poderá ser reutilizada para produzir pelo menos a maioria, possivelmente toda a corrente gasosa 10. Assim sendo, o restante crítico dos outros constituintes de uma corrente de exaustão típica, especialmente a quantidade de dióxido de carbono, pode ser mantido cuidadosamente pela introdução correta pelo menos de um gás puro de hidrocarbonetos 12 e o gás que contém oxigênio 14, conforme discutido adicionalmente abaixo.

[74] Como a corrente combinada 20 contata o material catalítico quente 22, há uma combustão pelo menos do gás puro de hidrocarbonetos 12 em combinação com o gás que contém oxigênio 14, de tal forma que a reação exotérmica aumenta a temperatura do material catalítico 22 de forma que ele tem uma temperatura mais elevada do que a temperatura da corrente gasosa aquecida 10a. Apesar de um conversor catalítico em operação normal em um carro a gasolina estar em uma temperatura na faixa de 500 - 600 °C na maior parte do tempo, o teste de um material catalítico em uma temperatura mais elevada, como 800 °C - 1000 °C obtém resultados mais rápidos, outra vez reduzindo os custos da presente invenção.

[75] A figura 5 mostra um gráfico de temperatura do material catalítico 22 ao longo do tempo, que varia entre aproximadamente 800 °C e 950 °C, enquanto a temperatura da corrente combinada 20 através da entrada do coletor do material catalítico 24 e a temperatura de saída da corrente de saída 30, estão próximos de 500 °C.

[76] A variação da temperatura através do material catalítico na figura 5 pode ser conseguida através da pulsação da introdução pelo menos de um gás puro de hidrocarbonetos 12 e o gás que contém oxigênio 14, para criar picos de temperatura acima de 900 °C, e possivelmente acima de 1000 °C. A

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 26/35 / 21 reação exotérmica sobre a superfície do catalisador entre o gás que contém hidrocarbonetos e o gás que contém oxigênio provoca uma exotermia que eleva a temperatura proporcionalmente. Os gases de alimentação podem ser modificados entre a ciclagem estequiométrica, rica e pobre, para o envelhecimento do catalisador em linha com práticas convencionais ou da indústria.

[77] O gás puro de hidrocarbonetos e o gás contendo oxigênio podem ser fornecidos continuamente, em um ou mais ciclos ou operações de pulsação, ou uma combinação dos mesmos. É preferível que o suprimento, pelo menos de um gás puro de hidrocarbonetos 12 e o gás que contém oxigênio 14 seja tal que produza pelo menos proporções de dióxido de carbono e nitrogênio do gás ao redor do material catalítico 22 em proporções que reflitam as proporções de um gás de exaustão de um motor de combustão interna.

[78] A figura 4 mostra um exemplo das concentrações volumétricas de propano como o gás puro de hidrocarbonetos 12 e o gás oxigênio 14 como ar, como o gás que contém oxigênio, para dentro da corrente gasosa aquecida 10a ao longo de dois ciclos. As concentrações e os tempos do ciclo mostrados na figura 4 se destinam a recriar o “teste rápido de envelhecimento (RAT) A”, um envelhecimento com base na utilização de um mol de propanol, em comparação com 3 mols de monóxido de carbono, para produzir o perfil de temperatura do leito catalítico conhecido. Certamente, ele requer menos propano do que monóxido de carbono para produzir as mesmas excursões de temperatura.

[79] As figuras 6a e 6b mostram concentrações de gás de vários constituintes gasosos na corrente combinada 20 e a corrente de saída 30, com base em um método de envelhecimento RAT A. Estas concentrações confirmam que as reações catalíticas estão acontecendo dentro do material catalítico, e que a temperatura do material catalítico está em um nível

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 27/35 / 21 desejado, de tal forma que o método da presente invenção é capaz de executar operações e protocolos acelerados de aquecimento.

[80] A figura 7 indica os custos relativos feitos em vários métodos de envelhecimento de um material catalítico, como um conversor catalítico de automóvel, com base em figuras típicas em dólares no momento do teste. Utilizando gás sintético total sem nenhuma recirculação, é sugerido um custo relativo de $ 466,99 por hora para produzir um envelhecimento equivalente para uma modalidade da presente invenção intitulada AutoCAS.

[81] A figura 2 mostra um esquema alternativo para a operação de uma modalidade do método da presente invenção.

[82] A figura 3 mostra uma vista em perspectiva explodida de um coletor de material catalítico 24, útil no método mostrado na figura 1. A figura 3 mostra duas extremidades de cones 101, tendo cones internos 102, placas e gachetas 103, 104 e seis inserções de amostra de material catalítico

105 capazes de reterem 6 amostras de material catalítico 106 em uma placa de carcaça 109. Desta forma, uma quantidade de amostras de material catalítico

106 poderia ser envelhecida simultaneamente, sendo o mesmo, ou um material diferente do catalisador.

[83] A presente invenção é capaz de apresentar um método de envelhecimento de uma ou mais amostras de material catalítico utilizando um teste altamente repetitivo e estável que é capaz de criar as mesmas condições de processo repetitivamente. Várias amostras podem ser testadas simultaneamente. Além disso, o nível de dióxido de carbono emitido para a atmosfera, pelo método da presente invenção, comparado com um motor de combustão interna, ou o uso de um queimador, é significativamente reduzido.

[84] Especialmente, o gás sintético para a presente invenção pode ser preparado como uma mistura gasosa de controle, como CO2 e nitrogênio, e o sistema pode ser carregado com este gás no início. Este gás pode então ser

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 28/35 / 21 totalmente recirculado quando o sistema é colocado na temperatura devida. Tão logo o sistema alcance a temperatura de controle de envelhecimento, a mistura de hidrocarbonetos/ar pode ser adicionada para produzir a exotermia catalítica. Isto evita a necessidade de produzir continuamente um novo gás proveniente de queima para produzir a mistura gasosa de envelhecimento, o que requer controle de temperatura e também é difícil de executar, devido às temperaturas envolvidas.

[85] A presente invenção também permite que os hidrocarbonetos e o ar sejam fornecidos como uma mistura balanceada; isto mantém as concentrações de controle adequadas, sem um sistema de monitoração sofisticado. Poderá ser necessária somente uma pequena quantidade de mistura que será descartada na exaustão para a manutenção da pressão de operação.

[86] A presente invenção fornece especialmente: um gás de controle recirculado, a exotermia produzida no leito catalítico com uma pequena quantidade de combustível, e o combustível adicionado em uma quantidade exata balanceada com o ar para manter a mistura nas concentrações corretas.

[87] Assim sendo, a presente invenção é capaz de apresentar um método de envelhecimento de um material catalítico utilizando recursos adicionais mínimos, através da recirculação de uma quantidade significativa da sua corrente de saída, fornecendo o aquecimento da corrente gasosa até uma temperatura relativamente baixa comparada com a temperatura desejada do material catalítico, e então elevando a temperatura do gás, pela introdução proporcional correta de um gás puro de hidrocarbonetos, e de um gás contendo oxigênio, cuja reação exotérmica sobre a superfície do catalisador resulta em um aumento na temperatura do leito catalítico.

[88] Especialmente, a presente invenção é capaz de manter um ambiente estável para o teste do material catalítico, reduzindo o custo

Petição 870190110927, de 31/10/2019, pág. 29/35 / 21 requerido para o teste total de envelhecimento do material catalítico. Isto é diferente de motores de verdade e sistemas conhecidos de envelhecimento, que produzem flutuações indesejáveis, tanto na concentração como na temperatura. A presente invenção pode produzir um gás de controle muito estável de N2, CO2 e água e calor, até uma temperatura muito estável no forno antes de entrar no material catalítico. Na entrada, quantidades exatas, preferencialmente de ar e gás de hidrocarbonetos, produzem uma exotermia do material catalítico. Da mesma forma o ar, o gás de hidrocarbonetos e o ciclo de temperatura, ou varia com o tempo, mas de uma forma precisa e controlada, enquanto que um motor ou um sistema de envelhecimento conhecido produz uma variação indesejável que se superpõe à ciclagem requerida.

[89] Várias modificações e variações das realizações descritas da presente invenção ficarão aparentes para aqueles adestrados na arte, sem se afastarem do escopo da invenção, conforme definido aqui. Apesar da invenção ter sido descrita com relação a realizações específicas preferidas, deve-se entender que a invenção, conforme é reivindicada, não deve ser rigorosamente limitada a tais realizações específicas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para envelhecer um material catalítico compreendendo pelo menos as etapas de:

(a) fornecer uma corrente gasosa compreendendo uma mistura gasosa de controle;

(b) adicionar, pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio na corrente gasosa para produzir uma corrente combinada;

(c) passar a corrente combinada através do material catalítico; e (d) recircular pelo menos parte da corrente de saída do material catalítico para dentro da corrente gasosa da etapa (a), o dito método caracterizado pelo fato de ainda incluir as etapas de:

(e) fornecer, na etapa (b), uma mistura equilibrada de dito pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio, para manter as concentrações de dita mistura gasosa de controle na corrente de saída recirculada;

(f) aquecer, sem combustão, dita corrente gasosa, e em que etapa (d) envolve recircular mais de 50% em volume da corrente de saída.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dita mistura gasosa de controle compreender uma mistura de dióxido de carbono e nitrogênio, e em que, na etapa (e), dita mistura equilibrada de dito pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio é selecionada para manter concentrações de dióxido de carbono e nitrogênio na corrente de saída recirculada que são típicas da corrente de exaustão de um motor de combustão interna.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da etapa (f) compreender o aquecimento elétrico de dita corrente gasosa, de preferência, utilizando aquecimento de forno elétrico.

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4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato da etapa (f) compreende aquecer eletricamente uma corrente parcialmente gasosa, substancialmente ou totalmente compreendendo um ou mais gases sintéticos.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato da corrente gasosa compreender os gases sintéticos de dióxido de carbono e nitrogênio.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser composto pela recirculação pelo menos de 70% em volume, 80% em volume, 90% em volume, mais de 95% em volume, mais de 97% em volume, mais de 98% em volume, ou mais de 99% em volume da corrente de saída do material catalítico para dentro da corrente gasosa.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 6, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender a etapa de:

escolher pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio, para obter produto(s) da reação após a etapa (c), que seja capaz de minimizar a variação da constituição e/ou temperatura da corrente combinada na etapa (b) após a recirculação da etapa (d).
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, 6 ou 7, caracterizado pelo fato da corrente gasosa ser recirculada na faixa de 3 - 20 vezes.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato do gás puro de hidrocarbonetos ser propano.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato da corrente gasosa ser aquecida na etapa (f) até 300 - 1000 °C.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato do material catalítico compreender uma pluralidade de amostras de catalisadores que estão sendo envelhecidas

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3 / 4 simultaneamente.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato da temperatura do gás combinado, quando ele passa através do material catalítico, estar na faixa de 400 - 1100 °C.
13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato do(s) gás(es) puro(s) de hidrocarbonetos ser(em) adicionados na faixa de 0,1 - 5% em volume da corrente gasosa.
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de ser ainda compreender o controle, na etapa (b), da adição do(s) gás(es) puro(s) de hidrocarbonetos, do gás contendo oxigênio, ou de ambos, compreendendo as etapas de:

(i) monitorar a temperatura da corrente gasosa aquecida, do catalisador e da corrente de saída do catalisador; e (ii) controlar o volume do(s) gás(es) puro(s) de hidrocarbonetos, do gás que contém oxigênio, ou de ambos, para manter a temperatura do catalisador dentro de uma faixa predeterminada.
15. Aparelho para envelhecer um material catalítico compreendendo pelo menos:

(a) um ou mais aquecedores para o aquecimento de uma corrente gasosa compreendendo uma mistura gasosa de controle, de preferência, compreendendo parcialmente, substancialmente ou totalmente um ou mais gases sintéticos;

(b) um combinador para combinar pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio na corrente gasosa para produzir uma corrente combinada;

(c) um trajeto para a passagem da corrente combinada através do material catalítico, o dito aparelho caracterizado pelo fato de dito um ou mais aquecedores compreender aquecedores sem combustão, preferencialmente, um ou mais aquecedores de forno elétrico, e em que dito

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4 / 4 aparelho ainda compreende:

(d) um trajeto para a recirculação de mais de 50% em volume da corrente de saída do material catalítico para dentro da corrente gasosa da etapa (a), e em que dito combinador é arranjado para fornecer uma mistura equilibrada de dito pelo menos um gás puro de hidrocarbonetos e um gás contendo oxigênio, para manter as concentrações de dita mistura gasosa de controle na corrente de saída recirculada.