DE19702569A1 - Plattenkatalysator - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Plattenkatalysator mit einer An
zahl von in einer Haltevorrichtung gestapelten Platten mit
katalytisch aktiver Oberfläche bevorzugt für die Katalyse ei
ner Reaktion von wenigstens zwei Reaktanten, wobei mindestens
ein Reaktant inhomogen verteilt in einem Fluid vorliegt.
Eine solche inhomogene Verteilung liegt beispielsweise dann
vor, wenn ein für die zu katalysierende Reaktion erforderli
cher Reaktant zusätzlich in das Fluid eingebracht werden muß.
Dies ist beispielsweise bei dem bekannten SCR-Verfahren zur
Stickoxidminderung in einem Abgas einer Verbrennungsanlage
der Fall. Hierbei wird dem Abgas zusätzlich Ammoniak als ein
Reduktionsmittel beigegeben, welches an einem sogenannten
DeNOx-Katalysator zusammen mit im Abgas enthaltenen Stickoxi
den zu Stickstoff und Wasser reagiert. Anstelle von Ammoniak
ist auch die Verwendung von Harnstoff bekannt, welcher im Ab
gas zu Ammoniak zersetzt werden kann.
Ein für die Katalyse einer Reaktion von Reaktanten mit inho
mogener Verteilung geeigneter Plattenkatalysator findet sich
in der WO 94/26411 A1. Hieraus ist bekannt, die einzelnen
Platten zur Beabstandung voneinander mit einer wellenförmigen
Struktur zu versehen und derart in einer Haltevorrichtung zu
stapeln, daß sich die Richtungen der wellenförmigen Struktu
ren unmittelbar benachbarter Platten schneiden. Durch die ge
kreuzte Anordnung der gewellten Katalysatorplatten wird eine
besonders gute Durchmischung der Komponenten und damit der
Reaktanten eines den Plattenkatalysator durchströmenden
Fluids erzielt. Auf ein im Falle eines herkömmlichen Kataly
sators erforderliches, vorgeschaltetes statisches Mischele
ment zur Durchmischung der Komponenten, welches erfahrungsge
mäß einen hohen Druckabfall verursacht und eine lange Nach
laufstrecke benötigt, kann verzichtet werden.
Nachteiligerweise neigt jedoch ein derartiger, für eine gute
Durchmischung der Komponenten des Fluids konzipierter Plat
tenkatalysator aufgrund seines verhältnismäßig hohen Druckab
falls zur Verstopfung durch in dem Abgas enthaltene Ruß- und
Aschepartikel, da sich diese bedingt durch eine verhältnismä
ßig geringe Strömungsgeschwindigkeit leicht absetzen können.
Auch ist eine gleichmäßige Ausnutzung der katalytisch aktiven
Oberfläche der Platten infolge einer teilweisen turbulenten
Strömung nicht gegeben. Aus diesen Gründen werden trotz des
verringerten Platzbedarfs gegenüber herkömmlichen Katalysato
ren mit vorgeschaltetem statischen Mischelement derartige
Plattenkatalysatoren bis heute kommerziell nicht eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Plattenkatalysator zur
Katalyse einer Reaktion von mindestens zwei Reaktanten, wobei
insbesondere wenigstens ein Reaktant mit einer inhomogenen
Verteilung in einem Fluid vorliegt, anzugeben, welcher eine
höhere katalytische Aktivität und einen geringeren Druckab
fall aufweist als ein herkömmlicher Katalysator mit einem
vorgeschalteten statischen Mischelement.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Plat
tenkatalysator umfassend eine in einer Hauptströmungsrichtung
von einem Abgas durchströmbare Anzahl von gestapelten Platten
mit jeweils katalytisch aktiver Oberfläche, wobei die Platten
jeweils mit einer entlang einer Modulationsrichtung verlau
fenden wellenförmigen Struktur mit einer vorgegebenen Wellen
länge und einer vorgegebenen Amplitude versehen sind, wobei
das Verhältnis aus Wellenlänge zu Amplitude in einem Bereich
von 2,5 bis 6 liegt, und wobei die Platten derart gestapelt
sind, daß sich die Modulationsrichtungen jeweils benachbarter
Platten schneiden und wobei der Winkel zwischen der Haupt
strömungsrichtung und der jeweiligen Modulationsrichtung zwi
schen 10 und 40° liegt.
Die Erfindung geht dabei von der für Wärmetauscher bekannten
Tatsache aus, daß Strömungs- und Transportvorgänge in einem
Fluid, welches über eine gewellte Struktur strömt, durch Va
riation der die gewellte Struktur bestimmenden Geometriepara
meter Wellenlänge und Amplitude sowie durch Variation des An
strömwinkels beeinflußt werden können. Der Anströmwinkel ist
dabei definiert durch denjenigen Winkel, welcher durch die
Hauptströmungsrichtung des Fluids und durch die Modulations
richtung der wellenförmigen Struktur gebildet wird. Insbeson
dere das Verhältnis aus Wellenlänge zu Amplitude stellt hier
bei einen wesentlichen Parameter dar. Dieser technische Hin
tergrund wird auf einen Plattenkatalysator angewendet, wel
cher neben der Katalyse einer gewünschten Reaktion zusätzlich
die Funktion einer Durchmischung der Komponenten des den
Plattenkatalysator durchströmenden Fluids erfüllen soll.
Das unter einem vorgegebenen Anströmwinkel entlang einer
Hauptströmungsrichtung über eine mit wellenförmiger Struktur
versehene Platte des Plattenkatalysators strömende Fluid wird
an der Struktur zerlegt in einen Längsströmungs- und in einen
Talströmungsanteil. Der Längsströmungsanteil umfaßt dabei
denjenigen Anteil des Fluids welcher unabgelenkt weiterhin
in Hauptströmungsrichtung über die wellenförmige Struktur
hinwegströmt; der Längsströmungsanteil hingegen umfaßt denje
nigen Anteil des Fluids, welcher durch den erhabenen Teil
oder Wellenberg der wellenförmigen Struktur ausgelenkt ent
lang des vertieften Teils oder Wellentals der Struktur senk
recht zur Modulationsrichtung der wellenförmigen Struktur
strömt. Das Verhältnis aus Längsströmungsanteil und Talströ
mungsanteil wird neben dem Anströmwinkel zusätzlich durch die
Amplitude und die Wellenlänge der wellenförmigen Struktur be
stimmt. So tritt der Extremfall eines reinen Talströmungsan
teils bei einem kleinen Verhältnis aus Wellenlänge zu Ampli
tude oder bei einem Anströmwinkel von ungefähr 90° auf. Bei
einem kleinen Anströmwinkel hingegen wird der Längsströmungs
anteil den Talströmungsanteil überwiegen.
Zwischen dem Längsströmungs- und dem Talströmungsanteil des
Fluids findet ein ständiger Stoffaustausch statt. Dieser
Stoffaustausch ist die Ursache für die Durchmischung der in
dem Fluid enthaltenen Komponenten. Die Durchmischung ist da
bei um so besser, je höher die Reynolds-Zahl in dem durch
strömenden Fluid ist. Bei einem kleinen Verhältnis aus Wel
lenlänge zu Amplitude ist daher die Durchmischung in einem
Bereich kleiner Anströmwinkel hoch. Bei einem vorgegebenen
Anströmwinkel wiederum ist die Durchmischung um so besser, je
größer das Verhältnis aus Wellenlänge zu Amplitude gewählt
ist.
Umfangreiche Untersuchungen haben ergeben, daß sich für einen
Plattenkatalysator mit einer Anzahl gestapelter Platten bei
einem verhältnismäßig geringen Druckverlust dann eine hohe
katalytische Aktivität bei einer gleichzeitig guten Durch
mischung der Komponenten des durchströmenden Fluids erzielen
läßt, wenn das Verhältnis aus Wellenlänge und Amplitude der
wellenförmigen Struktur in einem Bereich von 2,5 bis 6 liegt,
die Platten in nicht paralleler Ausrichtung der wellenförmi
gen Struktur gestapelt sind und der Anströmungswinkel zwi
schen 10 und 40° liegt. Ein derartiger Plattenkatalysator
weist einen Druckverlust von lediglich 1 bis 6 mbar pro Meter
auf und stellt aufgrund seiner hohen katalytischen Aktivität
und guten Durchmischung eine wesentliche Verbesserung gegen
über einem herkömmlichen Katalysator mit einem vorgeschalte
ten statischen Mischelement dar.
Die Durchmischung der Komponenten des durchströmenden Fluids
läßt sich weiter verbessern, wenn jede Platte die gleiche
wellenförmige Struktur, definiert durch das Verhältnis aus
Wellenlänge zu Amplitude, aufweist und zusätzlich jeweils be
nachbarte Platten derart ausgerichtet sind, daß die jeweilige
Modulationsrichtung mit der Hauptströmungsrichtung denselben
Anströmwinkel bildet. In diesem Fall beträgt der Winkel zwi
schen den Modulationsrichtungen der wellenförmigen Strukturen
benachbarter Platten das Doppelte des Anströmwinkels.
Wird die wellenförmige Struktur in Form eines gleichförmigen
Sinusbogens ausgestaltet, so kann die katalytische Aktivität
des Plattenkatalysators erhöht werden, da die Haftwahrschein
lichkeit der Komponenten des Fluids an der Oberfläche der
Platten infolge einer gleichmäßigen Strömung erhöht wird.
Für die Herstellung der Platten mit wellenförmiger Struktur
ist es kostengünstig, die Platten aus einer Tragstruktur und
einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung
aufzubauen. Die Tragstruktur kann beispielsweise ein verform
bares metallisches Drahtnetz oder ein anderes metallisches
Geflecht sein, welches vor Auftragung der katalytisch aktiven
Beschichtung mit der wellenförmigen Struktur versehen wird.
Auch ein anderes Material als Metall ist zur Verwendung für
eine solche Tragstruktur vorstellbar, sofern es bei einer
entsprechenden Festigkeit mit der wellenförmigen Struktur
versehen werden kann und es sich für die Auftragung der kata
lytisch aktiven Beschichtung eignet. Insbesondere bietet sich
als Tragstruktur auch eine Keramikfaser an, welche in weichem
Zustand in eine wellenförmige Struktur gebracht werden kann
und vor oder nach der Aushärtung mit der katalytisch aktiven
Masse versehen werden kann. Vorteilhafterweise umfaßt die Ke
ramikfaser hierbei ein Aluminium-Silizium-Oxid. Die kataly
tisch wirksame Beschichtung kann auch durch Flammspritzen auf
eine metallische Tragstruktur aufgebracht werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich
nung näher erläutert. Gleiche Teile haben dabei gleiche Be
zugszeichen. Dabei zeigen:
Fig. 1 in teilweiser aufgebrochener Ansicht einen Plattenka
talysator mit in einer Haltevorrichtung gestapelten,
mit einer wellenförmigen Struktur versehenen Platten,
welche unter einem Anströmwinkel von 30° durchström
bar sind;
Fig. 2 zwei benachbarte Katalysatorplatten aus einer Stape
lung gemäß Fig. 1 unter Definition der Hauptströ
mungsrichtung, der Modulationsrichtung und des An
strömwinkels;
Fig. 3 in einem ersten Diagramm den Verlauf des katalyti
schen Umsatzes und des Druckverlusts des Plattenkata
lysators in Abhängigkeit von dem Anströmwinkel bei
einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und
Fig. 4 in einem zweiten Diagramm den Verlauf des katalyti
schen Umsatzes und des Druckverlusts des Plattenkata
lysators als Funktion des Anströmwinkels bei einer
niedrigen Strömungsgeschwindigkeit.
Fig. 1 stellt in teilweise aufgebrochener Darstellung einen
Katalysator 1 umfassend eine Haltevorrichtung 2 und eine An
zahl darin gestapelter Platten 3, 4 dar. Die rechteckig aus
geführten Platten 3, 4 sind beidseitig mit einer katalytisch
aktiven Oberfläche versehen, die jedoch aus Gründen der Über
sichtlichkeit hier nicht näher dargestellt ist. Die Platten
3, 4 sind mit einer wellenförmigen Struktur 5 versehen, wel
che neben der Durchmischung der Komponenten eines durchströ
menden Fluids auch zur Beabstandung der einzelnen Platten
3, 4 voneinander dient. Zum einfachen Einbau der Platten 3, 4
ist die Haltevorrichtung 2 im Innenraum - hier nicht weiter
dargestellt - mit Führungsschienen versehen. Jede der gezeig
ten Platten 3, 4 weist die gleiche wellenförmige Struktur 5,
gekennzeichnet durch Amplitude 22 und Wellenlänge 20 (siehe
Fig. 2) auf. Zusätzlich sind die Modulationsrichtung 9 sowie
der durch die Hauptströmungsrichtung 8 und durch die Modula
tionsrichtung 9 gebildete Anströmwinkel 10 eingezeichnet. Die
wellenförmige Struktur 5 ist dabei für jede Platte 3, 4 der
art ausgerichtet, daß der Anströmwinkel 10, definiert durch
die Modulationsrichtung 9 der wellenförmigen Struktur 5 und
durch die Hauptströmungsrichtung 8, jeweils 30° beträgt. Die
Modulationsrichtungen benachbarter Platten 3, 4 schließen
hierzu einen Winkel von 60° ein. Das Verhältnis aus Wellen
länge zu Amplitude beträgt 3,8.
In Fig. 2 sind der besseren Übersichtlichkeit halber zwei
benachbarte Platten 3, 4 entsprechend der Stapelung in Fig.
1 gezeigt. Es wird ersichtlich, daß sich der Reaktionsraum 11
über die gesamte Fläche der Platten 3, 4 erstreckt. Die Plat
ten 3, 4 sind aufgebaut aus einer metallischen Tragstruktur
24 in Form eines Drahtnetzes mit einer darauf aufgebrachten
katalytisch aktiven Beschichtung 25. Die katalytisch aktive
Beschichtung 25 umfaßt Titandioxid als Trägermaterial sowie
Vanadinpentoxid und Wolframtrioxid als aktive Komponenten.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Plattenkatalysator
eignet sich als ein sogenannter DeNOx-Katalysator zur Entfer
nung von Stickoxiden aus einem Abgas einer Verbrennungsan
lage. Eine solche Verbrennungsanlage ist beispielsweise ein
Kohlekraftwerk oder eine Müllverbrennungsanlage. Übliche in
einem Rauchgaskanal einer solchen Verbrennungsanlage herr
schende Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases liegen in ei
nem Bereich von 2 bis 10 m/sec. Es ist aber auch vorstellbar,
einen derartigen Plattenkatalysator zur Verminderung der
Stickoxide in einem Abgas eines Verbrennungsmotors, bei
spielsweise eines Diesel-Motors, zu verwenden.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen den Einfluß des Anströmwinkels 10
auf den katalytischen Umsatz 28 und den Druckverlust 30 eines
gemäß Fig. 1 aufgebauten DeNOx-Katalysators als Funktion des
Anströmwinkels 10. Zur Bestimmung des katalytischen Umsatzes
28 und des Druckverlustes 30 wird ein Testabgas mit einer
niedrigen Strömungsgeschwindigkeit (dargestellt in Fig. 3)
und mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit (dargestellt in
Fig. 4) über den Katalysator geleitet. Das Testabgas ent
spricht einem Abgas, wie es der Brennkammer eines Fossil
kraftwerks entweicht, und setzt sich wie folgt zusammen:
9 Vol.-% O2,
24 Vol.-% H2O,
100 mg/Nm3 SO2,
650 mg/Nm3 Nox sowie
100 mg/Nm3 CO.
24 Vol.-% H2O,
100 mg/Nm3 SO2,
650 mg/Nm3 Nox sowie
100 mg/Nm3 CO.
Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte katalytische Umsatz
28 ist definiert durch:
wobei ClNOx die Stickoxidkonzentration des Abgases vor dem Ka
talysator, und C2NOx die Stickoxidkonzentration des Abgases
nach dem Katalysator beschreibt.
Beträgt der Anströmwinkel 10 0°, so entspricht dies einer An
ordnung der Katalysatorplatten 3, 4 mit paralleler Ausrich
tung der jeweiligen wellenförmigen Strukturen 5. Ein Anström
winkel 10 von 30° und 45° entspricht einer Anordnung gekreuz
ter Platten 3, 4, wobei die Modulationsrichtungen 9 der wel
lenförmigen Strukturen 5 benachbarter Platten 3, 4 zueinander
einen Winkel von 60° bzw. von 90° bilden. Dies wird anhand
Fig. 2 ersichtlich.
Wird entsprechend Fig. 3 das Testabgas mit einer niedrigen
Strömungsgeschwindigkeit über den Plattenkatalysator gelei
tet, so erkennt man entsprechend dem eingezeichneten Verlauf
33 bei einer Erhöhung des Anströmwinkel 10 von 0° auf 30° ei
nen Anstieg des Umsatzes 28. Der Druckverlust 30 steigt ent
sprechend dem eingezeichneten Verlauf 32 hingegen nur unwe
sentlich an. Wird der Anströmwinkel 10 weiter von 30° auf 45°
erhöht, so ändert sich überraschenderweise der Umsatz 28 kaum
mehr, während der Druckverlust 30 in starken Maße bis auf ei
nen Wert von 6 mbar bei einem Anströmwinkel von 45° ansteigt.
Da für einen DeNOx-Katalysator der technisch akzeptable
Druckverlust in einem Bereich von 1 bis 6 mbar liegt, wird
ersichtlich, daß sich für den vermessenen Plattenkatalysator
ein günstiger Anströmwinkel 10 von weniger als 45° ergibt.
Bei einem derartigen Anströmwinkel 10 ist ein hoher Umsatz 28
gekoppelt mit einem akzeptablen Druckverlust 30.
Fig. 4 kann anhand des eingezeichneten Verlaufs 34 für den
Druckverlust 30 und anhand des eingezeichneten Verlaufs 35
für den Umsatz 28 entnommen werden, daß sich auch bei hoher
Strömungsgeschwindigkeit ein günstiger Anströmwinkel 10 von
weniger als 45° ergibt. Der Druckverlust 30 ist dabei etwas
höher als dies bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit ent
sprechend Fig. 3 der Fall ist. Demgegenüber ist jedoch der
Umsatz 28 höher als dies bei niedriger Strömungsgeschwindig
keit entsprechend Fig. 3 der Fall ist.
Claims (7)
1. Plattenkatalysator (1) umfassend eine in einer Hauptströ
mungsrichtung (8) von einem Abgas durchströmbare Anzahl von
gestapelten Platten (3, 4) mit jeweils katalytisch aktiver
Oberfläche, wobei die Platten (3, 4) jeweils mit einer ent
lang einer Modulationsrichtung (9) verlaufenden wellenförmi
gen Struktur (5) mit einer vorgegebenen Wellenlänge (20) und
einer vorgegebenen Amplitude (22) versehen sind, das Verhält
nis aus Wellenlänge (20) zu Amplitude (22) in einem Bereich
von 2,5 bis 6 liegt, und die Platten derart gestapelt sind,
daß sich die Modulationsrichtungen jeweils benachbarter Plat
ten schneiden und der Winkel (10) zwischen der Hauptströ
mungsrichtung (8) und der jeweiligen Modulationsrichtung (9)
zwischen 10 und 40° liegt.
2. Plattenkatalysator (1) nach Anspruch 1, wobei der Winkel
(10) zwischen der Hauptströmungsrichtung (8) und der Modula
tionsrichtung (9) und das Verhältnis aus Wellenlänge (20) und
Amplitude (22) für jede Platte (3, 4) den jeweils gleichen
Wert besitzen.
3. Plattenkatalysator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
wellenförmige Struktur (5) in Form eines Sinusbogens ausge
bildet ist.
4. Plattenkatalysator (1) nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 3, wobei die Platten (3, 4) jeweils aus einer
Tragstruktur (24) und einer darauf aufgebrachten katalytisch
aktiven Beschichtung (25) gebildet sind.
5. Plattenkatalysator nach Anspruch 4, wobei die Tragstruktur
(24) eine metallische Tragstruktur ist.
6. Plattenkatalysator nach Anspruch 4, wobei die Tragstruktur
(24) eine Keramikfaser umfaßt.
7. Plattenkatalysator nach Anspruch 6, wobei die Keramikfaser
ein Aluminum-Silizium-Oxid umfaßt.
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WO2018053792A1 (en) * | 2016-09-23 | 2018-03-29 | Basf Corporation | Catalyst substrates |
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EP0744207A1 (de) * | 1994-11-15 | 1996-11-27 | Babcock-Hitachi Kabushiki Kaisha | Katalysatorstruktur und vorrichtung zur gasreinigung |
-
1997
- 1997-01-24 DE DE19702569A patent/DE19702569A1/de not_active Ceased
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