DE102006011822A1 - Reactor for heterogeneous gas phase reactions, apparatus for testing catalysts for heterogeneous gas phase reactions and methods for testing such catalysts - Google Patents
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- G01N31/10—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using catalysis
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung heterogener Gasphasenreaktionen oder zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen, umfassend - mindestens einen Reaktorbehälter mit einem Einlaßende und einem Auslaßende, enthaltend mindestens eine Aufnahmevorrichtung für einen Katalysator, mindestens eine Eintrittsöffnung für umzusetzendes Gas im Bereich des Einlaßendes und mindestens eine Austrittsöffnung für umgesetztes Gas im Bereich des Auslaßendes, - mindestens zwei Einheiten zum Kühlen des Reaktorbehälters, die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter stehen, und - mindestens eine, insbesondere mindestens zwei, Einheiten zum Heizen des Reaktorbehälters, die mindestens in einem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter stehen, wobei die Kühl- und Heizeinheiten in der Weise angeordnet sind, daß der Reaktorbehälter wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator, insbesondere im wesentlichen homogen, erwärmbar bzw. abkühlbar ist. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen, umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Reaktor, mindestens eine Gaszuführleitung zu dem Reaktor, mindestens eine ...The present invention relates to a reactor for carrying out heterogeneous gas phase reactions or for testing catalysts for heterogeneous gas phase reactions, comprising - at least one reactor vessel with an inlet end and an outlet end, containing at least one receiving device for a catalyst, at least one inlet opening for gas to be converted in the area of the inlet end and at least one outlet opening for converted gas in the area of the outlet end, - at least two units for cooling the reactor vessel, which are in thermal contact with the reactor vessel at least in the section in which the receptacle for the catalyst is located, and - at least one, in particular at least two, units for heating the reactor vessel, each in thermal contact with the reactor vessel in at least one section in which the receptacle for the catalyst is present in the reactor vessel ter stand, wherein the cooling and heating units are arranged in such a way that the reactor vessel can be heated or cooled at least in the region of the receiving device for the catalyst, in particular substantially homogeneously. The invention further relates to a device for testing catalysts for heterogeneous gas phase reactions, comprising at least one reactor according to the invention, at least one gas supply line to the reactor, at least one ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung heterogener Gasphasenreaktionen sowie zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen.The The present invention relates to a reactor for carrying out heterogeneous Gas phase reactions and for testing catalysts for heterogeneous Gas phase reactions and a method and apparatus for testing of catalysts for heterogeneous gas-phase reactions.
Obwohl
bereits seit langem bekannt, nehmen heterogene Gasphasenreaktionen
noch stets an Bedeutung zu, nicht zuletzt wegen des sehr kosteneffizienten
Einsatzes des Katalysatormaterials. Dessen Wiederverwendbarkeit
fällt hierbei
ebenso ins Gewicht wie die in der Regel unproblematische Handhabung
von Edukten und Produkten. Für
heterogene Gasphasenreaktionen kommen sowohl Reduktionskatalysatoren,
beispielsweise bei der selektiven Reduktion von Hydroxygruppen oder
der partiellen Hydrierung von Doppelbindungen, als auch Oxidationskatalysatoren,
wie sie zum Beispiel in Kraftfahrzeugen als Abgaskatalysatoren,
in Betracht. Mit Hilfe solcher Abgaskatalysatoren sollen zum Beispiel
schwefelhaltige Rückstände, Kohlenmonoxid,
polycyclische aromatische Verbindungen, Stickoxide und Rußpartikel
entfernt werden. Beispielsweise werden bei der SCR-Technologie (selektive
katalytische Reduktion) Stickoxide an einem geeigneten Katalysator
in Gegenwart von Ammoniak zu Stickstoff reduziert. SCR-Katalysatoren
basieren im allgemeinen auf einem Element aus der Gruppe Pt, Pd,
Rh, Ir, Au, Ag und Ru. Für
die kontinuierliche Regenerierung von Partikelfiltern wird auf das
sogenannte CRT-Verfahren (continuous regeneration trap), wie in
der
Um zu einem für die Serienfertigung geeigneten Abgaskatalysator zu gelangen, sind in der Regel zahlreiche Testreihen und Optimierungszyklen erforderlich. Der Aufwand für solche Testreihen wird nochmals dadurch erhöht, daß die zu testenden Katalysatoren im allgemeinen auf einem geeigneten Monolithen aufzutragen und für jede individuelle Katalysatorzusammensetzung die optimale Reaktionstemperatur herauszufinden sind. Ein charakteristischer Parameter für Abgaskatalysatoren ist die sogenannte Light-Off-Temperatur. Hierbei handelt es sich um diejenige Katalysatortemperatur, bei der dieser 50 % seiner Nenn-Konvertierungsrate erreicht.Around to one for the mass production suitable exhaust catalyst to arrive, are usually numerous test series and optimization cycles are required. The effort for Such tests are further increased by the fact that the catalysts to be tested generally applied to a suitable monolith and for each individual Catalyst composition to find out the optimum reaction temperature are. A characteristic parameter for catalytic converters is the so-called light-off temperature. This is the one Catalyst temperature at which this 50% of its nominal conversion rate reached.
Die
Auch
das Verfahren gemäß der
Die
Die US-Patentanmeldung US 2003/0012790 A1 betrifft ein Verfahren zum parallelen Testen von Katalysatorsystemen, wobei besonderes Augenmerk auf die Anordnung und Ausgestaltung von Zuführventilen für das Reaktionsgas gelegt wird. Mit der Vorrichtung gemäß der US 2003/0012790 A1 können eine Vielzahl an unterschiedlichen Reaktoren mit ein und demselben einheitlichen Reaktionsgas parallel beschickt werden.The US patent application US 2003/0012790 A1 relates to a method for parallel testing of catalyst systems, paying special attention to the arrangement and design of feed valves for the reaction gas is placed. With the device according to US 2003/0012790 A1, a Variety of different reactors with one and the same uniform Reaction gas to be charged in parallel.
Auch die WO 2005/047887 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen einer Vielzahl an Katalysatorproben. Hierbei werden auf vorgegebene Art und Weise belade ne Reaktorgefäße seriell aus einer Lagerzone in eine Reaktionszone transferiert, in der das Reaktionsgefäß mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit aufgeheizt wird.Also WO 2005/047887 A1 discloses a method and a device for testing a variety of catalyst samples. Here are on predetermined Manner load reactor vessels serially from a storage zone transferred to a reaction zone in which the reaction vessel with a is heated at a predetermined rate.
Aus
der
Es wäre wünschenswert, auf Vorrichtungen zum Testen einer Vielzahl an Katalysatoren zurückgreifen zu können, die nicht mit den Nachteilen des Stands der Technik behaftet sind. Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine apparativ einfache Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren verfügbar zu machen, mit der sich kurze Wiederholungszyklen verwirklichen lassen, die eine direkte und zeitnahe Analyse der Reaktionsprodukte erlaubt und mit der sich charakteristische Parameter wie die Light-Off-Temperatur auch bei hohem Probendurchsatz mit hoher Genauigkeit bestimmen lassen. Ferner lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Reaktoren für derartige Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen.It would be desirable rely on devices for testing a variety of catalysts to be able to which are not subject to the disadvantages of the prior art. The present invention therefore an object of the invention Apparatus with simple apparatus for testing catalysts available make short repetition cycles possible, which allows a direct and timely analysis of the reaction products and with the characteristic parameters such as the light-off temperature even with high sample throughput can be determined with high accuracy. Furthermore, the invention was the object of reactors for such Devices available too put.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor zur Durchführung heterogener Gasphasenreaktionen oder zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen, umfassend
- – mindestens einen Reaktorbehälter mit einem Einlaßende und einem Auslaßende, enthaltend mindestens eine Aufnahmevorrichtung für einen Katalysator, mindestens eine Eintrittsöffnung für umzusetzendes Gas im Bereich des Einlaßendes und mindestens eine Austrittsöffnung für umgesetztes Gas im Bereich des Auslaßendes,
- – mindestens zwei Einheiten zum Kühlen des Reaktorbehälters, die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter stehen, und
- – mindestens eine, insbesondere mindestens zwei Einheiten zum Heizen des Reaktorbehälters, die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter stehen, wobei die Kühl- und Heizeinheiten in der Weise angeordnet sind, daß der Reaktorbehälter wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator, insbesondere im wesentlichen homogen, erwärmbar bzw. abkühlbar ist.
- At least one reactor vessel having an inlet end and an outlet end containing at least one receiving device for a catalyst, at least one inlet opening for gas to be converted in the region of the inlet end and at least one outlet opening for reacted gas in the region of the outlet end,
- - At least two units for cooling the reactor vessel, which are in thermal contact with the reactor vessel at least in the section in which there is in the reactor vessel, the receiving means for the catalyst, in thermal contact
- - At least one, in particular at least two units for heating the reactor vessel, which are in thermal contact with the reactor vessel at least in the portion in which there is in the reactor vessel, the receiving device for the catalyst, wherein the cooling and heating units arranged in the manner are that the reactor vessel at least in the region of the receiving device for the catalyst, in particular substantially homogeneous, can be heated or cooled.
Der Reaktorbehälter kann beispielsweise ein Rohr darstellen, kann jedoch auch jede beliebige geeignete Behälterform annehmen, die für die Durchführung einer heterogen-katalytischen Gasphasenreaktion geeignet ist. Über das Einlaßende kann der Reaktorbehälter mit dem Katalysatormaterial beschickt werden. Je nach der Höhe des bei der Gasphasenreaktion anzuwendenden Drucks kann das Einlaßende gegebenenfalls dichtend verschlossen werden. Unter dem Auslaßende des Reaktors soll im Sinne der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich verstanden werden, der sich an die Reaktionszone, also an den Bereich, in dem der Katalysator vorliegt, anschließt und in den die Produktgase nach der Reaktion transportiert werden. Vorzugsweise schließt sich die Ausrittsöffnung des Reaktors unmittelbar an das Auslaßende an. In diesem Fall bildet die Öffnung des Auslaßendes die Austrittsöffnung. Ebenso kann in einer Ausführungsform die Öffnung des Einlaßendes mit der Eintrittsöffnung zusammenfallen. Die (Gas)Eintrittsöffnung kann auch an einer anderen Stelle des Reaktorbehälters oder Einlaßendes vorgesehen sein. Über das Einlaßende wird regelmäßig der Katalysator zugeführt und wieder entnommen. Die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator liegt somit vorzugsweise zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende des Reaktors vor.Of the reactor vessel can represent a pipe, for example, but can also be any suitable container shape accept that for the implementation a heterogeneous catalytic gas phase reaction is suitable. About the inlet end can the reactor vessel be charged with the catalyst material. Depending on the amount of at the gas phase reaction pressure applied, the inlet end, if appropriate be sealed. Under the outlet end of the reactor should in the sense the present invention is understood to mean that region to the reaction zone, ie to the area in which the catalyst is present, connects and in which the product gases are transported after the reaction. Preferably closes the opening of the reactor immediately to the outlet end. In this case forms the opening of the outlet end the exit opening. Likewise, in one embodiment the opening of the inlet end with the entrance opening coincide. The (gas) inlet can also be at a different location of the reactor vessel or inlet end be provided. about the inlet end is regularly the Catalyst supplied and taken again. The receiving device for the catalyst is thus preferably between the intake and the outlet end of the reactor.
Homogen erwärmbar oder abkühlbar im Sinne der vorliegenden Erfindung soll ein gleichmäßiges Erwärmen bzw. Abkühlen des Reaktors bzw. des Reaktorbehälters zumindest im Bereich der Aufnahmevorrichtung umfassen, ohne markante Temperaturstufen oder -sprünge aufzuweisen.homogeneously heatable or coolable in the context of the present invention, a uniform heating or cooling down of the reactor or of the reactor vessel at least in the area of the recording device include, without striking Temperature steps or jumps exhibit.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator eine für Gas durchlässige Unterlage oder einen für Gas durchlässigen Behälter darstellt.In A further embodiment provides that the receiving device for the catalyst one for Gas permeable Underlay or one for Gas permeable container represents.
Besonders bevorzugt stellt die Aufnahmevorrichtung als gasdurchlässige Unterlage ein Sieb, vorzugsweise aus Edelstahl, oder eine poröse Matte dar. Hiermit können insbesondere Kata lysatorpulver gut eingetragen und aufgenommen werden. Für Monolithe kann als Aufnahmevorrichtung ein Halteelement gewählt werden. Dieses kann beispielsweise in der Verjüngung des Innenraums des Reaktorbehälters bestehen, so daß ein weiteres Durchrutschen des Monolithen verhindert wird. Um den apparativen Aufwand und die Apparatekosten möglichst gering zu halten, kann der Reaktorbehälter auch in der Weise ausgeführt sein, daß darin nur miniaturisierte Monolithe Platz finden. Alternativ zu einem Katalysator in Pulverform kann auch auf Katalysatorgranulate oder -pellets zurückgegriffen werden. Der Vorteil, mit dem erfindungsgemäßen Reaktor bzw. der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Katalysatorpulver verwenden zu können, ist neben der möglichen Miniaturisierung darin zu erblicken, daß auf die aufwendige Herstellung von Monolithen zu Testversuchen verzichtet werden kann. Bei Monolithen hat sich häufig als problematisch erwiesen, daß der Katalysatorauftrag ungleichmäßig ist. Hiermit gehen beispielsweise bei der Bestimmung der Light-off-Temperatur Fehlergrenzen im Bereich von +/– 10°C einher, wohingegen mit den erfindungsgemäßen Reaktoren und Vorrichtungen Fehlergrenzen im Bereich +/– 2°C und kleiner zugänglich werden.Especially preferably, the receiving device provides as a gas-permeable pad a sieve, preferably made of stainless steel, or a porous mat. Hereby can especially Kata lysatorpulver well registered and recorded. For monoliths can be selected as a holding device, a holding element. This may, for example, consist in the taper of the interior of the reactor vessel, so that one further slippage of the monolith is prevented. To the equipment expense and the equipment costs as possible low, the reactor vessel can also be designed in such a way that that in it find only miniaturized monoliths. Alternatively to a Catalyst in powder form can also be applied to catalyst granules or pellets resorted become. The advantage with the reactor according to the invention or that described below device according to the invention also To be able to use catalyst powder, is next to the possible Miniaturization to behold that on the elaborate production from monoliths can be dispensed to test experiments. For monoliths has become common proved problematic that the Catalyst job is uneven. Herewith For example, when determining the light-off temperature error limits in the range of +/- 10 ° C, whereas with the reactors according to the invention and devices error limits in the range +/- 2 ° C and less accessible.
Bevorzugt liegen die Kühl- und/oder Heizeinheiten zwischen dem Einlaßende und dem Auslaßende des Reaktorbehälters in thermischem Kontakt mit diesem vor.Preferably, the cooling and / or heating units are in thermal contact between the inlet end and the outlet end of the reactor vessel with this before.
Vorteilhafterweise umfaßt die die Kühleinheit mindestens einen Hohlraum bzw. eine Bohrung mit einem Einlaßende und einem Auslaßende zur Durchleitung von Kühlgas, insbesondere Druckgas. In der Regel reicht es bereits aus, insbesondere vor dem Hintergrund einer gewünschten Miniaturisierung des Reaktors, Durchmesser für die Hohlräume bzw. Bohrungen zu wählen, die im Bereich von 3 bis 15, vorzugsweise von 4 bis 10 mm, liegen. Die Hohlräume bzw. Bohrungen können auch derart ausgestaltet sein, daß als Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit einführbar oder durchleitbar ist.advantageously, comprises the cooling unit at least a cavity or a bore with an inlet end and an outlet end to Passage of cooling gas, in particular compressed gas. As a rule, it is already sufficient, in particular against the background of a desired Miniaturization of the reactor to choose diameter for the cavities or holes, the in the range of 3 to 15, preferably from 4 to 10 mm. The Cavities or Drilling can be configured such that a cooling liquid as the cooling medium insertable or is passable.
Die Kühleinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist demgemäß in der Weise konzipiert, daß sie die Kühlung des Reaktorbehälters bzw. Reaktors ermöglicht. Ein Kühlmodul, d.h. eine Vorrichtung, mit der die Kühlung des Reaktors bzw. Reaktorbehälters letztendlich be werkstelligt wird, kann beispielsweise eine solche Kühleinheit umfassen, in deren Hohlraum ein Kühlstab, beispielsweise enthaltend Flüssigstickstoff vorliegt. Bevorzugt wird die Kühlung herbeigeführt durch eine mit dem Hohlraum bzw. der Bohrung der Kühleinheit verbundene oder verbindbare Druckgasleitung. Dieses System aus Druckgasleitung und Kühleinheit stellt dann ebenfalls ein Kühlmodul in dem vorangehend beschriebenen Sinne dar.The cooling unit in the sense of the present invention is accordingly designed in the manner that she the cooling of the reactor vessel or reactor allows. A cooling module, i.e. a device with which the cooling of the reactor or reactor vessel ultimately Be accomplished, for example, such a cooling unit include, in the cavity of a cooling rod, for example containing liquid nitrogen is present. The cooling is preferred brought by one with the cavity or the bore of the cooling unit connected or connectable compressed gas line. This system of compressed gas line and cooling unit then also provides a cooling module in the sense described above.
Des weiteren kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Heizeinheit mindestens einen Hohlraum bzw. eine Bohrung zur Aufnahme mindestens eines Heizelements umfaßt. Dieser Hohlraum kann gegebenenfalls auch durchgängig sein. In der Regel reicht es bereits aus, insbesondere vor dem Hintergrund einer gewünschten Miniaturisierung des Reaktors, Durchmesser für die Hohlräume bzw. Bohrungen zu wählen, die im Bereich von 3 bis 15, vorzugsweise von 4 bis 10 mm, liegen.Of Another can be inventively provided be that the Heating unit at least one cavity or a bore for receiving comprises at least one heating element. This cavity may optionally also throughout be. As a rule, it is already sufficient, especially against the background a desired one Miniaturization of the reactor to choose diameter for the cavities or holes, the in the range of 3 to 15, preferably from 4 to 10 mm.
Geeignete Heizelemente umfassen zum Beispiel elektrische Heizwiderstände, beispielsweise in Form von Heizpatronen. Heizpatronen sind vorteilhafterweise derart gestaltet, daß sie im wesentlichen paßgenau in den Hohlraum der Heizeinheit einführbar sind, um einen optimalen Wärmeübergang zu gewährleisten. Mit diesen Heizelementen lassen sich Temperaturen von beispielsweise 1400°C erzielen, wobei selbstverständlich auch noch höhere Temperaturen möglich sind.suitable Heating elements include, for example, electrical heating resistors, for example in the form of heating cartridges. Cartridge heaters are advantageously such designed that she essentially in registration into the cavity of the heating unit are inserted to an optimum Heat transfer to ensure. With these heating elements can be temperatures of, for example Achieve 1400 ° C, wherein Of course even higher Temperatures possible are.
Ein besonders gutes Aufheizen bzw. Abkühlen des Reaktors gelingt dadurch, daß die Heiz- und Kühleinheiten alternierend um den Reaktorbehälter angeordnet sind. Bevorzugt liegen die Heiz- und Kühleinheiten hierbei konzentrisch um den Reaktorbehälter vor.One particularly good heating or cooling of the reactor is achieved by that the Heating and cooling units arranged alternately around the reactor vessel are. Preferably, the heating and cooling units are concentric around the reactor vessel in front.
Als vorteilhaft hat sich weiterhin erwiesen, daß jeweils benachbarte Heiz- und Kühleinheiten überwiegend nicht miteinander in Kontakt stehen. Auf diese Weise lassen sich nochmals gesteigerte Abkühl- und Aufheizgeschwindigkeiten erzielen, ohne daß dadurch die Homogenität der Erwärmung bzw. Abkühlung beeinträchtigt wird.When It has also proved advantageous, in each case, that adjacent heating and cooling units predominantly not in contact with each other. That way you can once again increased cooling and achieve heating rates without thereby the homogeneity of the heating or Cooling impaired becomes.
Im allgemeinen ist hierfür bereits ausreichend, daß jeweils benachbarte Heiz- und Kühleinheiten durch Materialaussparungen, die sich wenigstens bereichsweise zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende des Reaktorbehälters erstrecken, getrennt sind.in the general is for this already sufficient that each adjacent heating and cooling units through material recesses that at least partially between the inlet and the outlet of the reactor vessel extend, are separated.
Gemäß eines besonders bevorzugten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfaßt der Reaktor ferner eine Ummantelung, die zumindest bereichsweise beabstandet ist von den Kühl- und Heizeinheiten und die den Reaktorbehälter wenigstens bereichsweise, insbesondere vollumfänglich, umgibt. Hierdurch lassen sich die beabsichtigten Kühl- und Heizeffekte nochmals forcieren. Eine besonders effektive Weiterentwicklung umfaßt hierbei mindestens eine Prallfläche zur Umleitung des durch das Auslaßende des Hohlraums der Kühleinheit austretenden Kühlgases durch den Raum zwischen Ummantelung und den Kühl- und Heizeinheiten. Wird zum Beispiel Druckgas durch die Kühleinheit geleitet, wird dieses durch die Prallfläche umgelenkt, um sodann in umgekehrter Richtung zwischen der Außenwand des Reaktors bzw. der Heiz- und/oder Kühleinheiten und der Umantelung zu entweichen. Das Druckgas wird somit zur Kühlung doppelt genutzt. Ummantelung und Prallfläche sind vorzugsweise miteinander, insbesondere dicht, verbunden oder verbindbar und in einer Ausführungsform einstückig ausgeführt.According to one In a particularly preferred aspect of the present invention, the reactor further comprises a sheath which is at least partially spaced from the cooling and heating units and the reactor vessel at least partially, especially in its entirety, surrounds. This allows the intended cooling and heating effects accelerate again. A particularly effective development hereby includes at least one baffle for diverting the through the outlet end of the cavity of the cooling unit exiting refrigerant gas through the space between the sheathing and the cooling and heating units. Becomes For example, compressed gas passed through the cooling unit, this is through the baffle then deflected in the opposite direction between the outer wall the reactor or the heating and / or cooling units and the jacketing to escape. The compressed gas is thus used twice for cooling. jacket and baffle are preferably connected to each other, in particular sealed, or connectable and in one embodiment one piece executed.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform umfaßt ferner mindestens eine Zuleitung für das umzusetzende Gas zu dem Reaktorbehälter, die wenigstens bereichsweise in thermischem Kontakt mit mindestens einer Heizeinheit vorliegt. Anstatt die Zuführleitung des umzusetzenden Gases über eine beabstandede Leitung der Eintrittsöffnung des Reaktors zuzuführen, wird bei dieser Ausführungsform diese Leitung in thermischen Kontakt mit einer Heizeinheit gebracht, um so das Gas vorzuheizen, wodurch sich nochmals schnellere Aufheizgeschwindigkeiten und damit kürzere Meßzyklen bewerkstelligen lassen.A further preferred embodiment further comprises at least one supply line for the gas to be reacted to the reactor vessel, the at least partially is present in thermal contact with at least one heating unit. Instead of the supply line of the gas to be reacted supplying a spaced conduit to the inlet of the reactor in this embodiment this Conduction brought into thermal contact with a heating unit to so preheat the gas, resulting in even faster heating rates and thus shorter ones measuring cycles let accomplish.
Von Vorteil hinsichtlich der genauen Verfolgung der untersuchten Aktivität der Katalysatoren ist es, wenn der Reaktor ferner mindestens einen ersten Temperatursensor, insbesondere ein erstes Thermoelement, innerhalb des Reaktorbehälters enthält. Eine besonders genaue Verfolgung des Temperaturverhaltens gelingt insbesondere dann, wenn der Temperatursensor im Bereich der Aufnahmevorrichtung des Katalysators vorliegt, so daß die Temperatur in einer Katalysatorprobe meßbar ist. Die Genauigkeit bei der Verfolgung der untersuchten Reaktionen wird durch einen zweiten, in der Wandung des Reaktorbehälters benachbart zur Aufnahmevorrichtung des Katalysators vorliegenden Temperatursensor nochmals erhöht. Der Sensor liegt hierbei vorzugsweise in der Wandung vor, die in Kontakt zu der Katalysatorprobe oder der Aufnahmevorrichtung steht. Auf diese Weise kann noch zuverlässiger die Temperaturführung eines individuellen Reaktors angesteuert bzw. geregelt werden. Auch läßt sich sehr exakt die Wärmetönung eines reaktiven Gasgemisches bei einer exotherm verlaufenden heterogenkatalytischen Gasphasenreaktion festhalten. Eine solche Wärmetönung läßt sich z.B. für eine katalytische Oxidation eines Kohlenmonoxid/Propan-Gasgemisches bei einer Reaktortemperatur von etwa 300°C selbst dann feststellen, wenn die Wärmetönungen sich nur minimal auswirken.It is advantageous with regard to the precise monitoring of the investigated activity of the catalysts if the reactor further contains at least one first temperature sensor, in particular a first thermocouple, within the reactor vessel. A particularly accurate tracking of the temperature behavior succeeds in particular when the temperature sensor is present in the region of the receiving device of the catalyst, so that the temperature is measurable in a catalyst sample. The accuracy in the tracking of the reactions investigated is increased again by a second, in the wall of the reactor vessel adjacent to the receiving device of the catalyst temperature sensor. The sensor is preferably present in the wall, which is in contact with the catalyst sample or the receiving device. In this way, even more reliable temperature control of an individual reactor can be controlled or regulated. Also, the heat of reaction of a reactive gas mixture can be very accurately recorded in an exothermic heterogeneous catalytic gas phase reaction. Such heat of reaction can be detected, for example, for a catalytic oxidation of a carbon monoxide / propane gas mixture at a reactor temperature of about 300 ° C, even if the heat of reaction only have a minimal effect.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors sind der Reaktorbehälter, die Kühleinheit(en) und/oder die Heizeinheit(en) einstückig ausgeführt. Demgemäß können z.B. Kühl- und Heizeinheiten, Kühleinheiten und Reaktorbehälter, Heizeinheiten und Reaktorbehälter oder Kühleinheiten, Heizeinheiten und Reaktorbehälter einstückig ausgeführt. Die Verwendung einstückiger Module liefert insbesondere in der Handhabung der Reaktoren, vor allem wenn eine Vielzahl an Reaktoren nebeneinander eingesetzt werden, erhebliche Vorteile.According to one another embodiment of the reactor according to the invention are the reactor vessel, the cooling unit (s) and / or the heating unit (s) made in one piece. Accordingly, e.g. Cooling and heating units, cooling units and reactor vessels, Heating units and reactor vessels or Cooling units Heating units and reactor vessels one piece executed. The use of one piece Module provides in particular in the handling of the reactors before especially if a large number of reactors are used side by side considerable advantages.
Von besonderem Vorteil ist in diesem Zusammenhang ein solcher Reaktor, der mindestens ein Temperieraggregat umfaßt, das mindestens zwei Einheiten zum Kühlen des Reaktorbehälters und mindestens eine, insbesondere mindestens zwei Einheiten zum Heizen des Reaktorbehälters enthält, wobei das Temperieraggregat wenigstens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, in thermischem Kontakt mit diesem Reaktorbehälter steht oder bringbar ist und wobei die Kühl- und Heizeinheiten in der Weise anordbar bzw. angeordnet sind, daß der Reaktorbehälter im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator, insnbesondere im wesentlichen homogen, erwärmbar oder abkühlbar ist.From particular advantage in this context is such a reactor, comprising at least one tempering, the at least two units for cooling of the reactor vessel and at least one, in particular at least two units for Heating the reactor vessel contains wherein the tempering at least in the section in which in the reactor vessel the receiving device for the catalyst is in thermal contact with this reactor vessel or can be brought and wherein the cooling and heating units can be arranged in such a way that the reactor vessel in the Area of the receiving device for the catalyst, in particular essentially homogeneous, heatable or coolable is.
Das Temperieraggregat beinhaltet somit modulartig die Kühl- und Heizeinheiten des Reaktors. Hierbei ist es wiederum von Vorteil, wenn das Temperieraggregat im wesentlichen einstückig ist. Hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsformen der Heiz- und Kühleinheiten des Temperieraggregats gilt das vorangehend gesagte hier entsprechend.The Temperieraggregat thus includes modular cooling and Heating units of the reactor. Again, it is an advantage if the temperature control unit is essentially in one piece. With regard to the preferred embodiments the heating and cooling units Temperieraggregats the foregoing applies here accordingly.
Besonders bevorzugt liegen Temperieraggregat und Reaktorbehälter im wesentlichen einstückig ausgebildet vor.Especially preferably Temperieraggregat and reactor vessel are in the essential in one piece trained before.
Die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator kann beispielsweise ohne weiteres für Katalysatorenmengen im Bereich von 20 mg bis 700 mg ausgelegt sein. Bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Reaktor pulverförmige Katalysatoren eingesetzt. Deren Menge und/oder Aktivität kann man beispielsweise durch Hinzufügung geeigneter inerten Schüttmaterialien wie sie Siliziumcarbit steuern.The Recording device for For example, the catalyst can be readily used for catalyst amounts be designed in the range of 20 mg to 700 mg. To be favoured with the reactor according to the invention powdery Catalysts used. Their amount and / or activity can be for example, by adding suitable inert bulk materials how they control silicon carbide.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Heizeinheit einen Heizwiderstand, beispielsweise in der Form eines Heizdrahtes, umfassen, welcher den Reaktorbehälter wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator und/oder die Kühleinheit(en) wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator umgibt. Bei dieser Gestaltungsform läßt sich die Anzahl der Kühleinheiten, die um den Reaktorbehälter herum anordbar sind, nochmals erhöhen, wodurch kürzere Meßzyklen möglich werden.In an alternative embodiment the heating unit may have a heating resistor, for example in the Form of a heating wire comprise, which at least the reactor vessel in the field of receiving device for the catalyst and / or the cooling unit (s) surrounds at least in the region of the receiving device for the catalyst. at this form of design can be the number of cooling units, those around the reactor vessel can be arranged around, increase again, resulting in shorter measuring cycles possible become.
Bevorzugt können bei einer solchen Ausgestaltung z.B. 4, 5 oder 6 Kühleinheiten benachbart zueinander vorliegen und den Reaktorbehälter umgeben.Prefers can in such an embodiment, e.g. 4, 5 or 6 cooling units are adjacent to each other and surround the reactor vessel.
Liegen beispielsweise zwei oder mehr Kühl- und/oder Heizeinheiten vor, sind diese vorzugsweise alternierend um den Reaktorbehälter angebracht. Für bevorzugte Reaktoren reichen in der Regel bereits drei Kühleinheiten und drei Heizeinheiten, die alternierend angebracht sind, aus. Zufriedenstellende Resultate werden selbstverständlich auch bereits mit einer geringen Anzahl an Kühl- und/oder Heizeinheiten erzielt. Selbstverständlich kann auch eine größere Anzahl an Kühl- bzw. Heizeinheiten, beispielsweise 4, 5, 6 oder 7 solcher Einheiten, um den Reaktorbehälter, vorzugsweise alternierend, angebracht sein. Durch eine gleichförmige, insbesondere alternierende, Anordnung von Kühl- und Heizeinheiten um den Reaktorbehälter herum wird sicher gestellt, daß der Reaktorbehälter wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator im wesentlichen homogen erwärmbar bzw. abkühlbar ist.Lie for example, two or more cooling and / or Heating units, these are preferably mounted alternately around the reactor vessel. For preferred Reactors usually already have three cooling units and three heating units, which are mounted alternately out. Satisfactory results become self-evident even with a small number of cooling and / or heating units achieved. Of course can also be a larger number at cooling or heating units, for example 4, 5, 6 or 7 such units, around the reactor vessel, preferably alternating, be attached. By a uniform, in particular alternating, arrangement of cooling and heating units around the reactor vessel, it is ensured that the reactor vessel at least in the area of the receiving device for the catalyst substantially homogeneously heated or cooled is.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des weiteren gelöst durch eine Vorrichtung, umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Reaktor, mindestens eine Gaszuführleitung zu dem Reaktor, mindestens eine Produktgasabführleitung von dem Reaktor, mindestens eine Analyseeinheit in Wirkverbindung mit der Produktgasabführleitung und eine Auswerteeinheit in Wirkverbindung mit der Analyseeinheit. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Reaktoren, beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr bestückbar.The The object underlying the invention is further achieved by a device comprising at least one reactor according to the invention, at least one gas supply line to the reactor, at least one product gas discharge line from the reactor, at least one analysis unit operatively connected to the product gas discharge line and an evaluation unit in operative connection with the analysis unit. in principle is the device according to the invention by a multiplicity of reactors according to the invention, for example 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or more equippable.
Die erfindungsgemäßen Reaktoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß sich mit ihnen sehr schnelle Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten verwirklichen lassen. Gängige Aufheizgeschwindigkeiten (Temperaturrampen) liegen beispielsweise in Bereich von 150 bis 200 K/min, insbesondere von 170 bis 200 K/min. Folglich lassen sich in sehr kurzer Zeit Reaktionstemperaturen innerhalb des Reaktorbehälters von etwa 500°C erreichen. In Abhängigkeit der verwendeten Heizeinheiten und Heizelementen sind selbstverständlich ohne weiteres auch Reaktortemperaturen im Bereich von 1000 bis 1500°C möglich. Wird der erfindungsgemäße Reaktor auf sehr hohe Temperaturen aufgeheizt, empfiehlt es sich, für die Kühlung nicht Luft als Druckgas, sondern ein inertes Druckgas zu verwenden, um ein Zundern des Reaktorblocks zu unterbinden.The reactors of the invention are characterized in particular by the fact that with them to realize very fast heating and cooling rates. Common heating rates (temperature ramps) are, for example, in the range from 150 to 200 K / min, in particular from 170 to 200 K / min. Consequently, reaction temperatures within the reactor vessel of about 500 ° C can be achieved in a very short time. Depending on the heating units and heating elements used, of course reactor temperatures in the range of 1000 to 1500 ° C are readily possible. If the reactor according to the invention is heated to very high temperatures, it is advisable not to use air as the compressed gas for the cooling, but an inert compressed gas in order to prevent scaling of the reactor block.
Insoweit mit den erfindungsgemäßen Reaktoren sehr schnelle Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten ermöglicht werden, gelangt man zu sehr kurzen Meßzyklen. Hierdurch läßt sich bereits mit einer geringen Anzahl an Reaktoren ein durchgehender Dauerbetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufrecht erhalten. So reichen beispielsweise bereits vier oder fünf erfindungsgemäße Reaktoren aus, um, ohne zusätzliche Kühlphasen einlegen zu müssen, nach Durchlaufen des Tests des in dem vierten bzw. fünften Reaktor befindlichen Katalysators unmittelbar anschließend wieder dem in dem ersten Reaktor vorliegenden Katalysator einem weiteren Test unterziehen zu können. Selbstverständlich läßt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ein einzelner Reaktor oder jeder beliebige Reaktor nach Beendung des Tests durch einen neuen Reaktor, enthaltend beispielsweise eine geänderte Katalysatormenge und/oder Katalysatorart, verwenden.in this respect with the reactors according to the invention very fast heating and cooling rates allows be reached, one arrives at very short measuring cycles. This can be even with a small number of reactors a continuous continuous operation upright of the device according to the invention receive. For example, four or five reactors according to the invention already suffice out, to, without additional cooling phases after having to insert Go through the test of the located in the fourth and fifth reactor Catalyst immediately afterwards in the first Reactor present catalyst to another test to be able to. Of course let yourself with the device according to the invention also a single reactor or any reactor after completion of the Tests by a new reactor containing for example one modified Amount of catalyst and / or type of catalyst.
Geeignete Analyseeinheiten stellen beispielsweise Massenspektrometer, IR-Spektrometer, Gaschromatographen und Flammenabsorptionsspektrometer dar.suitable Analysis units include, for example, mass spectrometers, IR spectrometers, gas chromatographs and flame absorption spectrometers.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform ferner mindestens eine Verdampfereinheit zur Einspeisung von Wasserdampf und/oder von gasförmigen organischen Verbindungen in die Gaszuführleitung. Durch Verwendung einer Verdampfereinheit können Substanzen wie Wasserdampf und verdampfbare Kohlenwasserstoffe in den (Edukt) Gasstrom eingeführt werden, wodurch sich sehr realistisch katalytisch zu reinigende Abgaszusammensetzungen, wie sie üblicherweise von Verbrennungsmaschinen freigesetzt werden, simulieren lassen.The inventive device comprises in a preferred embodiment Furthermore, at least one evaporator unit for feeding steam and / or gaseous organic compounds in the gas supply line. By using an evaporator unit can Substances such as water vapor and volatile hydrocarbons in the (educt) gas stream are introduced, whereby highly realistic catalytic exhaust gas compositions, as they usually do can be released from internal combustion engines, simulated.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung ferner ein Mehrfachventil; mindestens eine erste Gaszuführleitung zu dem Mehrfachventil, mindestens eine zweite Gaszuführleitung von dem Mehrfachventil zu mindestens einem ersten Reaktor, mindestens ein Gasabführleitung von dem ersten und/oder zweitem Reaktor zu dem Mehrfachventil und mindestens eine Gasabführleitung von dem Mehrfachventil zu der Analyseeinheit. Bevorzugt umfaßt eine solche Vorrichtung ferner mindestens eine zweite Gaszuführleitung von dem Mehrfachventil zu einem zweiten Reaktor. Geeignete Mehrfachventile sind z.B. 6-, 8-, 10- oder 12-fach-Ventile.The inventive device comprises according to a preferred further development, a multiple valve; at least a first gas supply line to the multiple valve, at least a second gas supply line from the multiple valve to at least one first reactor, at least a gas discharge line from the first and / or second reactor to the multiple valve and at least one gas discharge line from the multiple valve to the analysis unit. Preferably comprises a such device further comprises at least one second gas supply line from the multiple valve to a second reactor. Suitable multiple valves are e.g. 6-, 8-, 10- or 12-way valves.
In einer alternativen Ausgestaltung enthält diese Vorrichtung ebenfalls mindestens eine Bypass-Probenschlaufe, die mit dem Mehrfachventil in Wirkverbindung steht. Die Verwendung von Bypass-Probenschlaufen läßt sich zur Kalibrierung für durchzuführende Messungen nutzen. So kann beispielsweise das Eduktgas bzw. eine Komponente des Eduktgases in unter schiedlichen Konzentrationen durch die Bypass-Probenschlaufe geleitet werden, bevor sie der Analyseeinheit zugeführt wird.In an alternative embodiment, this device also contains at least one bypass sample loop connected to the multiple valve is in active connection. The use of bypass sample loops let yourself for calibration for measurements to be performed use. For example, the educt gas or a component of the Starting gas at different concentrations through the bypass sample loop are passed before it is fed to the analysis unit.
Insbesondere für das Testen von Abgaskatalysatoren hat sich bei Verwendung von Wasser bzw. Wasserdampf enthaltenden Eduktgasen eine solche Vorrichtung als geeignet erwiesen, die ferner einen beheizbaren Behälter, in dem das Mehrfachventil, gegebenenfalls die Bypass-Probenschlaufe(n), jeweils zumindest abschnittsweise die Gaszuführleitung zu dem (den) Reaktor(en), jeweils zumindest abschnittsweise die Gaszuführleitung(en) zu dem Mehrfachventil, jeweils zumindest abschnittsweise die Gasabführleitung(en) von dem Reaktor zu der Analyseeinheit, die Gasabführleitung(en) zu dem Mehrfachventil, gegebenenfalls das Auslaßende des Reaktors bzw. der Reaktoren, und/oder jeweils zumindest abschnittsweise die Gasabführleitung(en) von dem Mehrfachventil zu der Analyseeinheit vorliegt bzw. vorliegen, umfaßt. In einer Ausführungsform liegen in dem beheizbaren bzw. beheizten Behälter das Mehrfachventil, zumindest abschnittsweise die Gaszuführleitungen zu den Reaktoren, die Gaszuführleitungen zu den Mehrfachventil, die Gasabführleitungen von den Reaktoren zu dem Mehrfachventil und die Gasabführleitungen von dem Mehrfachventil zu der Analyseeinheit vor. Indem man alle maßgeblichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nicht bereits bedingt durch die Messung aufgeheizt werden oder sind, aufheizt, kann ein Auskondensieren von Wassertropfen oder von z.B. aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen verhindert werden. In der Regel reicht es hierfür bereits aus, den beheizbaren Behälter auf Temperaturen im Bereich von etwa 65 bis 90°C aufzuheizen.Especially for the Testing of catalytic converters has occurred when using water or water vapor-containing educt gases such a device proved to be suitable, further comprising a heatable container, in the multiple valve, if necessary the bypass sample loop (s), in each case at least in sections the gas supply line to the reactor (s), in each case at least in sections the gas supply line (s) to the multiple valve, in each case at least in sections the gas removal line (s) from the reactor to the analysis unit, the gas discharge line (s) to the multiple valve, optionally the outlet end of the reactor or of the reactors, and / or in each case at least in sections the gas discharge line (s) of the multiple valve is present to the analysis unit, includes. In one embodiment lie in the heated or heated container, the multiple valve, at least sections of the gas supply lines to the reactors, the gas supply lines to the multiple valve, the gas discharge pipes from the reactors to the multiple valve and the gas discharge lines from the multiple valve to the analysis unit. By taking all relevant components of the device according to the invention, which are not already conditionally heated by the measurement or may be a condensation of water droplets or of e.g. aliphatic or aromatic hydrocarbons prevented become. In general, it is already sufficient for this, the heatable container to heat to temperatures in the range of about 65 to 90 ° C.
Gemäß einem weiteren Aspekt sind erfindungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen, bei denen die Abführleitung eines ersten Reaktors mit der Eintrittsöffnung eines zweiten Reaktors verbunden oder verbindbar ist. Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Gasabführleitung des zweiten Reaktors mit der Eintrittsöffnung eines dritten Reaktors verbunden oder verbindbar ist.According to a further aspect, devices according to the invention are provided, in which the discharge line of a first reactor is connected or connectable to the inlet opening of a second reactor. It can further be provided that the Gasabführleitung the second reactor connected to the inlet opening of a third reactor or is connectable.
Insbesondere wenn es gilt, optimale Bedingungen für in Serie geschaltete Katalysatoren zu finden, wie sie bei Abgaskatalysatoren für Verbrennungsmaschinen eingesetzt werden, leitet man das in einem Reaktor der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltene Produktgas in den zweiten Reaktor. Diese Art der Produktgasführung kann beliebig oft bis zum x'ten Reaktor wiederholt werden, woraufhin das erhaltene finale Produktgas der Analyseeinheit, direkt oder über das Mehrfachventil zugeführt wird. Um einen noch genaueren Einblick in das Verhalten der einzelnen in Serie geschalteten Katalysatoren zu erlangen, kann man von der Gasabführleitung des ersten Reaktors und/oder der Gasabführleitung des zweiten Reaktors bzw. jedes weiteren in Serie geschalteten Reaktors Produktgas, direkt oder über das Mehrfachventil, der Analyseeinheit zuführen.Especially if applicable, optimum conditions for series-connected catalysts to find how they are used in catalytic converters for internal combustion engines are passed, one passes that in a reactor of the device according to the invention product gas obtained in the second reactor. This type of product gas guidance can as often as you like to the x'th Reactor are repeated, whereupon the final product gas obtained the analysis unit, directly or via the multiple valve supplied becomes. To get an even closer look at the behavior of the individual Obtained in series catalysts can be obtained from the gas discharge line the first reactor and / or the gas discharge line of the second reactor or any other series-connected reactor product gas, direct or over the multi-valve, feed the analysis unit.
Insbesondere zur Herbeiführung einer direkten und zeitnahen Analyse des erhaltenen Produktgases hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Einheit zur Verdünnung des Produktgases mit einem Verdünnungsgas stromaufwärts von der Analyseeinheit auszustatten. Geeignete Verdünnungsgase stellen inerte Gase wie Argon oder Stickstoff dar.Especially for the induction a direct and timely analysis of the product gas obtained It has proved to be very advantageous, the device of the invention with a unit for dilution the product gas with a diluent gas upstream equipped by the analysis unit. Suitable diluent gases represent inert gases such as argon or nitrogen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des weiteren gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Aktivität von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend die Schritte:
- a) Durchleiten eines umzusetzenden Gases durch einen ersten Reaktor bei einer ersten Temperatur, in dem in bzw. auf einer Aufnahmevorrichtung ein erster Katalysator für eine heterogene Gasphasenreaktion vorliegt,
- b) Bestimmen der Temperatur des Katalysators,
- c) Zuführen des diesen Reaktor verlassenden, umgesetzten Gases, insbesondere über ein Mehrwegeventil zu einer Analyseeinheit,
- d) quantitative und/oder qualitative Bestimmung einzelner oder sämtlicher Komponenten des umgesetzten Gases,
- e) Zuordnen der qualitativen und/oder quantitativen Analyseergebnisse zu der detektierten Katalysatortemperatur in einer Auswerteeinheit und
- f) Wiederholen der Schritte a) und e) bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder mit einem zweiten oder weiteren Reaktor und/oder einem zweiten und/oder weiteren Katalysator.
- a) passing a gas to be reacted through a first reactor at a first temperature, in which a first catalyst for a heterogeneous gas phase reaction is present in or on a receiving device,
- b) determining the temperature of the catalyst,
- c) supplying the reacted gas leaving this reactor, in particular via a multi-way valve to an analysis unit,
- d) quantitative and / or qualitative determination of individual or all components of the reacted gas,
- e) assigning the qualitative and / or quantitative analysis results to the detected catalyst temperature in an evaluation unit and
- f) repeating steps a) and e) at different temperatures and / or with a second or further reactor and / or a second and / or further catalyst.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen sehr zügig und zuverlässig testen, wodurch regelmäßig eine sehr effiziente Optimierung der untersuchten Gasphasenreaktion gelingt. Dieses gilt insbesondere auch für das Testen von Abgaskatalysatoren. Daneben kommen auch alle sonstigen Oxidations- und Reduktionskatalysatoren in Frage. Exemplarisch sei auf Katalysatoren zur Kohlenmonoxidoxidation verwiesen, wie sie in Gasmasken zum Einsatz kommen. Weitere Beispiele sind die Hydrierung von Acrolein in der Gasphase sowie die Hochtemperaturoxidation von Methan. Die Optimierung der katalytischen Verbrennung von Methan liefert ein besonders eindrucksvolles Beispiel für die Effektivität der erfindungsgemäßen Reaktoren bzw. Vorrichtung, kann doch auf unkomplizierte, (kosten)effiziente Weise versucht werden, geeignete Katalysatorsysteme zu finden, die bereits bei Temperaturen im Bereich von etwa 1300°C eine katalytische Verbrennung initiieren. Üblicherweise erfordert die Verbrennung von Methan Temperaturen von etwa 1600°C. Bei diesen Temperaturen wird jedoch häufig ein Zundern des Reaktorbehältermaterials beobachtet.With the device according to the invention or the method according to the invention can be catalysts for test heterogeneous gas-phase reactions very quickly and reliably, which regularly a very efficient optimization of the investigated gas phase reaction succeeds. This applies in particular to the testing of catalytic converters. In addition, all other come Oxidation and reduction catalysts in question. Exemplarily be on Catalysts directed to carbon monoxide oxidation, as in gas masks be used. Further examples are the hydrogenation of acrolein in the gas phase as well as the high-temperature oxidation of methane. The Optimization of the catalytic combustion of methane supplies particularly impressive example of the effectiveness of the reactors of the invention or device, but can be uncomplicated, (cost) efficient Be tried to find suitable catalyst systems, the already at temperatures in the range of about 1300 ° C a catalytic Initiate combustion. Usually requires the combustion of methane temperatures of about 1600 ° C. At these temperatures however, it becomes common a scaling of the reactor vessel material observed.
Beispielsweise lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Umsetzung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Propan, Stickoxiden, Wasserstoff, Schwefeloxiden und Ammoniak ohne weiteres verfolgen. Die Bestimmung der jeweiligen Light-off-Temperaturen gelingt mit hoher Genauigkeit.For example can be with the inventive device implementation of Carbon monoxide, hydrocarbons, for example propane, nitrogen oxides, Hydrogen, sulfur oxides and ammonia follow easily. The determination of the respective light-off temperatures succeeds with high accuracy.
Der vorliegenden Erfindung lag die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Reaktor sehr schnelle Aufheiz- und auch Abkühlraten erzielen lassen, womit wiederum sehr kurze Wiederholungszyklen möglich werden. Des weiteren wurde überraschend gefunden, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren bereits mit geringem apparativen Aufwand, beispielsweise mit einer geringen Anzahl an Reaktoren, ein sehr zügiges und zuverlässiges Massenscreening möglich ist. Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet, die erhaltenen Reaktionsprodukte direkt und zeitnah analysieren zu können. Schließlich lassen sich selbst bei Verwendung pulverförmiger Katalysatorproben sehr exakt brauchbare Rückschlüsse auf auf Monolithe aufgezogene Katalysatoren ziehen.Of the present invention was the surprising Understanding that with the reactor according to the invention can achieve very fast heating and cooling rates, which again very short repetition cycles become possible. Furthermore was surprising found that with the device according to the invention for testing catalysts already with little equipment, for example, with a small number of reactors, a very spacious and reliable Mass screening possible is. Furthermore, the device according to the invention is suitable for analyze the resulting reaction products directly and promptly to be able to. After all can be very accurate even when using powdered catalyst samples useful conclusions on Pull catalysts grown on monoliths.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand schematischer Zeichnungen erläutert sind. Dabei zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description, in the preferred embodiments of the invention by way of example are explained with reference to schematic drawings. Showing:
Anhand
der Querschnittsansicht von
Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Reaktors
Die Abkühlgeschwindigkeit bei Verwendung von Kühlgas kann durch Vorkühlen der Druckluft bzw. des Druckgases, z. B. mittels Kryostaten, und/oder durch Erhöhung des Gas- bzw. Luftdruckes nochmals erhöht werden. Beispielsweise läßt sich der erfindungsgemäße Reaktor ohne weiteres in 20 Minuten von 500°C auf Zimmertemperatur abkühlen.The cooling when using cooling gas can by pre-cooling the compressed air or the compressed gas, for. B. by means of cryostat, and / or by increase of the gas or air pressure can be increased again. For example, can be the reactor according to the invention to cool easily from 500 ° C to room temperature in 20 minutes.
Die
Kühleinheiten
Der
Die
beschriebene Druckluftführung
geht nochmals besonders deutlich aus der schematischen Längsschntittsansicht
eines erfindungsgemäßen Reaktors
gemäß
Ferner
kann eine Verdampfereinheit
In
der in
Wie
den
In
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The in the above description, in the drawings and in the claims disclosed features of the invention can be used in any combination for the Realization of the invention in its various embodiments be essential.
- 11
- Reaktorreactor
- 22
- Einlaßendeinlet end
- 44
- Eintrittsöffnunginlet opening
- 66
- Auslaßendeoutlet
- 88th
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 1010
- Reaktorbehälterreactor vessel
- 1212
- Aufnahmevorrichtung für den Katalysatorcradle for the catalyst
- 1414
- Katalysatorprobecatalyst sample
- 1616
- Temperatursensortemperature sensor
- 1818
- Kühleinheitcooling unit
- 2020
- Heizeinheitheating unit
- 2222
- Temperieraggregattempering
- 2424
- Hohlraum der Kühleinheitcavity the cooling unit
- 2626
- durchgängiger Hohlraumcontinuous cavity
- 2828
- Hohlraum der Heizeinheitcavity the heating unit
- 3030
- Heizmodulheating module
- 3232
- Ummantelungjacket
- 3434
- Prallflächebaffle
- 3636
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