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Die vorliegende Erfindung ist auf einen Testreaktor für sogenannte SCR-Katalysatoren gerichtet. Mit Hilfe dieses Reaktors können Autoabgaskatalysatoren für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden (NOx) im Abgas von Magermotoren besonders vorteilhaft für ihren Einsatz getestet werden.
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Katalysatoren für den Einsatz in Autoabgasanlagen durchlaufen vor ihrer Serienfertigung für die Automobilherstellung ein intensives Testprozedere. Vor dem letztendlichen Test am Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand selbst, werden die zum Einsatz kommenden Katalysatoren in der Regel in so genannten Synthesegas-Anlagen auf ihre Eignung und Eigenschaften hin überprüft. Im Bereich der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) ist es notwendig, die einzusetzenden Katalysatoren, welche zunehmend in Fahrzeugen mit mager verbrennenden Motoren zur Unterdrückung des Stickoxidausstoßes Verwendung finden, auf ihre Fähigkeit zur Reduktion der Stickoxide mittels Ammoniak zu untersuchen.
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So wird in der
US 6907354 BB ein Testreaktor vorgeschlagen, mithilfe dessen insbesondere Abgasbehandlungsvorrichtungen untersucht werden können, bei denen Reaktionspartner, z. B. Reduktionsmittel, in das Abgassystem dosiert werden müssen. Der hier vorgeschlagene Testreaktor ist relativ kompliziert aufgebaut und sieht vor, dass eine bestimmte Anzahl von alternativen Reaktoren mit verschiedenen Heizeinrichtungen etabliert werden. Einer dieser Reaktoren kann aus einem System mit einer Injektionseinrichtung für reduktive Komponenten bestehen. Als reduktive Komponenten kommen insbesondere Ammoniak, Harnstofflösung oder Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Zwar wird auch hier das Reduktionsmittel kurz vor einem Mixer in den Reaktor eindosiert, doch ist letzterer aus einem Stück aufgebaut, so dass ein einfacher Wechsel des Katalysators nicht ohne weiteres möglich ist.
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In der
KR 101055398 B1 wird ebenfalls ein Testreaktor zur Evaluierung der Beseitigung von Stickoxiden aus dem Abgas vorgestellt. Der hier vorgestellte Reaktor wird durch einen außerhalb des Reaktors befindlichen Heizer bzw. Kühler auf entsprechende Temperaturen gebracht. Es ist zu verzeichnen, dass bei dieser Ausführungsform die Reaktanden jeweils stromauf in einer Vorrichtung gemischt und gemeinsam in das Reaktorrohr eindosiert werden. Ein Thermoelement sitzt dabei longitudinal in Flussrichtung gesehen innerhalb des zu prüfenden Katalysators. Offensichtlich wird hier der Katalysator mit speziellen Bindungsmitteln innerhalb des Rohres fixiert, was einen raschen Austausch des Katalysators eher behindert.
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Demzufolge bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen entsprechenden Testreaktor zur Evaluierung von SCR-Katalysatoren bereitzustellen, der es erlaubt, unter möglichst gut reproduzierbaren Bedingungen verschiedene Katalysatoren relativ schnell hintereinander durchtesten zu können.
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Diese und weitere sich durch den Stand der Technik für den Fachmann in naheliegender Weise ergebende Aufgaben werden durch einen Testreaktor mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des Reaktors werden in den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
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Dadurch, dass man einen Testreaktor (1 und 2) bestehend aus einem Quarzglasrohr (1) zur Aufnahme eines SCR-Katalysatorkerns (2) bereitstellt, der eine gasdichte Verbindung zu einem weiteren Quarzglasrohr (3) aufweisend ein statisches Mischelement (4) und eine ebenfalls aus Quarzglas bestehende, an das Quarzglasrohr (3) gasdicht angeschlossene Dosiervorrichtung (5) umschließend eine Injektionseinheit (6) für ein Reduktionsmittel, insbesondere NH3 oder eine NH3-Vorläuferverbindung, und eine Sonde (7) besitzt, wobei letzteres Quarzglasrohr (3) eine gasdichte Verbindung zu einem weiteren Quarzglasrohr (8) aufweist, durch das die Abgaskomponenten in den Reaktor eingeleitet werden, gelangt man besonders vorteilhaft und dafür nicht minder überraschend zur Lösung der gestellten Aufgabe. Indem der Reaktor verschiedene gasdicht abgeschlossene, separate Einheiten aufweist, ist es möglich, die Einheit (1) mit dem Katalysator (2) getrennt von den anderen Einheiten (3, 8) aus dem Reaktor zu entfernen, um den getesteten Katalysator gegen einen neuen austauschen zu können. Mithin muss nicht der gesamte Reaktor entfernt werden, was vom apparativen Aufwand her zu bevorzugen ist. Weiterhin können auch mehrere Einheiten (1) mit verschiedenen Katalysatoren (2) bestückt relativ schnell gegeneinander ausgetauscht werden.
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Der hier beschriebene erfindungsgemäße Reaktor zur Testung von SCR-Katalysatoren besteht aus Quarzglas. Das Glas verhält sich bezüglich der zu testenden Reaktion als inert, wodurch sichergestellt wird, dass durch die Wandung des Reaktors kein Einfluss auf die Reaktionen der Abgaskomponenten mit dem eingedüsten Reduktionsmittel erfolgt. Ebenfalls ist es möglich, das Quarzglas so zu bearbeiten, dass eine gasdichte Verbindung zwischen den einzelnen Einheiten des Reaktors hergestellt werden kann. Bevorzugt ist die Ausführungsform, in der die aufnehmende Seite eines Reaktorteils in konkaver Weise sich zu einer Halbkugel öffnet, in die die aufzunehmende Seite des nächsten Reaktorteils kugelförmig eingepasst ist. Mittels dieser Kupplungsvorrichtung lassen sich in besonders einfache Art und Weise gasdichte Glasverbindungen ohne zusätzliche Maßnahmen und Befestigungsvorrichtungen herstellen.
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Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der das Quarzglasrohr (3) eine im ggf. rechten Winkel angebrachte Dosiervorrichtung (5) trägt. Die Dosiervorrichtung (5) ist dabei vorzugsweise fest an das Quarzglasrohr (3) angebracht. Diese Dosiervorrichtung (5) soll die Injektionseinheit (6) und eine Sonde (7) umschließen. Die Injektionseinheit (6) und die Sonde (7) können vorteilhafter Weise ebenfalls über eine wie oben beschriebene Kupplungsvorrichtung an die Dosiereinrichtung (5) angekoppelt werden. Dies ermöglicht den schnellen Austausch einer gegebenenfalls defekten Sonde oder Injektionsvorrichtung. Es ist jetzt besonders vorteilhaft, wenn die an das Quarzglasrohr (3) angeschlossene Dosiervorrichtung (5) so positioniert wird, dass die Injektionseinheit (6) und die Sonde (7) in Abgasrichtung direkt vor dem statischen Mischelement (4) positioniert werden können. Damit ist gewährleistet, dass der das synthetische Abgas enthaltende Gasstrom erst unmittelbar vor dem Mischer mit dem Reduktionsmittel in Kontakt kommt und so eine ungewünschte Nebenreaktion, welche durch eine verlängerten Kontakt der Reaktanden bei erhöhten Temperaturen bedingt sein könnte, möglichst weitgehend unterdrückt wird.
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Der hier beschriebene Testreaktor (1 und 2) weist ein weiteres Quarzglasrohr (8) auf, welches an das Quarzglasrohr (3) vorzugsweise über eine wie weiter oben dargestellte Kupplungsvorrichtung angekoppelt ist. Am anströmseitigen Ende des Quarzglasrohres (8) können die Abgaskomponenten (CO, NOx, HC, H2O, CO2), welche bevorzugt durch einen Trägergasstrom aus vorzugsweise Stickstoff auf ein reelles Abgasniveau verdünnt sind, in den Reaktor eingeleitet werden. Bei ihrem weiteren Weg durch das Quarzglasrohr (8) passieren sie die erste Kupplungsvorrichtung zum Quarzglasrohr (3) bevor sie kurz vor dem statischen Mischelement (4) mit dem Reduktionsmittel über die Injektionsvorrichtung (6) kontaktiert werden. Anschließend werden die Reaktanden über dem statischen Mischelement (4) weitgehend vermischt, um dann über die nächste Kupplungsvorrichtung zwischen dem Quarzglasrohr (3) und dem Quarzglasrohr (1) dem SCR Katalysatorkern (2) zugeführt zu werden. Hier reagieren die Abgaskomponenten, insbesondere Ammoniak und Stickoxide miteinander gemäß der selektiven katalytischen Reaktion.
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In Bezug auf die Herstellung der SCR-Katalysatoren sei auf die reichlich vorhandene Literatur zu diesem Thema verwiesen. Beispielhaft werden folgende Patentdokumente genannt:
DE 10 2011 012 799 ,
WO12034922 ,
WO11098450 ,
WO10097146 ,
WO10034452 sowie dort zitierte Literatur. Aus den SCR-Katalysatoren, welche in der Regel auf einem cordierithaltigen Durchflussmonolithen in Honeycombbauweise vorliegen, kann ein entsprechend großer Bohrkern herausgeschnitten und als Katalysatorkern im Quarzglasrohr (
1) eingesetzt werden. Gleiches kann entsprechend mit anderen z. B. metallenen Substraten geschehen.
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Die Dosiervorrichtung (5), welche die Sonde (7) und die Injektionseinheit (6) umfasst, ist wie gesagt seitlich an dem Reaktor gasdicht befestigt. Die Sonde (7) wie auch die Injektionsvorrichtung (6) können dabei nach dem Fachmann bekannter Weise ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist die Sonde (7) eine Temperatursonde/Thermoelement. Die Injektionseinheit (6) ist vorteilhafter Weise ebenfalls ein Quarzglasrohr, welches an der Dosiervorrichtung (5) fest angebracht wurde. Ebenfalls vorteilhafter Weise ist darauf zu achten, dass das Thermoelement (7) unterhalb bzw. anströmseitig zur Injektionseinheit (6) liegt. Bevorzugt erfolgt dabei die Dosierung des Reduktionsmittels entgegen dem Strom der synthetischen Abgase.
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Die selektive katalytische Reaktion erfolgt gemeinhin erst bei erhöhten Temperaturen. Daher ist es notwendig, den Testreaktor zu heizen. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, ist es daher vorteilhaft, wenn sich der gesamte Testreaktor samt Inhalt in einem thermischen Gleichgewicht befindet. Hierzu wird der Reaktor aus den Einheiten (1) bis (8) samt der Dosiervorrichtung (5) in einem vorzugsweise halbseitig zu öffnenden Isolationsgefäß (9) positioniert. Das Heizen der Apparatur wird durch eine Heizvorrichtung in Form einer elektrischen Leisterpatrone (Heizkartusche) (10) bewerkstelligt, die die angesaugte Luft erwärmt durch den Mantel der Isolationsvorrichtung (9) fördert und dabei vor allem eine Metallwendel (12) erwärmt, durch die das eigentliche Abgas in den Testreaktor fließt. Der Mantel des Isolationsgefäßes (9) besteht vorzugsweise aus Isoliermaterial, das auch im Heizungsbau verwendet wird. Das Isolationsgefäß (9) ist dergestalt angepasst, dass es im geschlossenen Zustand den Reaktor umfasst, so dass sich dessen Komponenten, insbesondere die Abgaszufuhr durch das Metallwendel (12), die Quarzglasrohre (3 und 8), die Dosiervorrichtung (5) samt Injektionseinheit (6) und Sonde (7) sowie das statischen Mischerelement (4) und das Quarzglasrohr (1) mit dem SCR Katalysator (2), in der beheizten Zone befinden. Vorzugsweise ist der Reaktor nach Schließen des Gefäßes (9) somit möglichst zur Gänze (bis auf die Zu- und Abflüsse von Stoffströmen und weitere elektronische Zu- und Ableitungen) in dieser aufgenommen.
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Der hier vorgestellte SCR-Testreaktor weist insbesondere einen statischen Mischer (4) auf. Dieser Mischer kann nach dem Fachmann für diese Aufgabenstellung bekannten Mischelementen ausgestaltet sein. Vorzugsweise besteht der hier eingesetzte statische Mischer (4) jedoch aus einem Gehäuse, in dem sich in Flussrichtung der Mischkomponenten mindestens 2 hintereinander angeordnete Prallplatten mit jeweils mindestens 2 exzentrisch angeordneten Löchern befinden, wobei die Löcher der vorhergehenden Prallplatte und die Löcher der jeweils folgenden Prallplatte in einem Winkel um die zentrale Längsachse gegeneinander versetzt angeordnet sind, so dass die Löcher der vorhergehenden Prallplatte sich auf einer Halbseite dieser Prallplatte befinden, während sich die Löcher der folgenden Prallplatte auf der anderen Halbseite dieser Prallplatte befinden. Besonders bevorzugt ist, dass je nach Geometrie und Ausführungsform des statischen Mischers sich auch mehrere dieser Prallplatten im Mischergehäuse befinden können. Hier ist zu beurteilen, um welchen Faktor sich die Mischung durch Einfügen weiterer Prallplatten verbessern lässt im Hinblick auf die Tatsache, dass die Mischung über einen möglichst kurzen Weg erfolgen, wenig Gegendruck erzeugt werden und möglichst unkomplizierte und günstige Mischer eingesetzt werden sollen. Zwischen diesen Faktoren ist eine optimale Balance für den anvisierten Einsatzzweck zu finden. Bevorzugt beträgt die Anzahl der dem Abgasstrom entgegengesetzten Prallplatten 3–5 Einheiten. Ganz besonders bevorzugt werden lediglich drei Prallplatten eingesetzt. Zur Verdeutlichung wird darauf hingewiesen, dass die hier bezeichneten Prallplatten nicht jene mitumfassen, die an der Einlass- bzw. Auslassseite angeordnet sind.
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Der statische Mischer besteht daher wie eben angegebenen aus mindestens 2 entsprechend ausgestalteten Prallplatten. Zusätzlich zu diesen Prallplatten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn an der Einlass- und/oder an der Auslassseite des Mischers ebenfalls weitere Prallplatten vorhanden sind, welche dem Abgasstrom eine bestimmte Strömungsrichtung verleihen können. Bevorzugt weisen diese hier bezeichneten Prallplatten ebenfalls vorzugsweise ein konzentrisch liegendes Loch auf, durch welches der Gasstrom geleitet wird (3, 4). Es sei angedeutet, dass dieses eine Loch auch durch mehrere kleine Löcher, welche sich um das Zentrum der Prallplatte verteilen können, gebildet werden kann. Wichtig ist, – wie im Falle der Bemessung aller Löcher der Prallplatten – dass ein adäquates Maß zwischen turbulenter Strömung und Gegendruck gefunden werden kann.
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Im Hinblick auf die Dimensionierung der einzelnen Bestandteile des Mischers sei auf die beispielhaft genannten 3 und 4 hingewiesen. Hier sind die Dimensionen der Prallplatten und der Löcher in Bezug auf einen 10 cm hohen und im Durchmesser rund 2,25 cm messenden Mischer exemplarisch dargestellt. Es sei angemerkt, dass sich die folgenden Werte relativ zum gewählten Durchmesser des Mischers ändern können.
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Die Dimensionierung und Ausgestaltung der Löcher (3, 3') (rund, oval, eckig) beträgt vorteilhaft zwischen 6 und 8,5, bevorzugt 6,5 und 8 und besonders bevorzugt um 7,3 mm. Die Löcher (4) können je Prallplatte gleich oder verschieden groß sein und in der Ausgestaltung (rund, oval, eckig) variabel gehalten werden. In der Regel sind diese Löcher zwischen 3 und 7, vorzugsweise zwischen 4 und 6 und ganz bevorzugt um 5 mm im Durchmesser.
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Die Dimensionierung des Testreaktors kann nach dem Fachmann gewünschten Maßen erfolgen. Wichtig ist, dass die Anlage nicht zu klein gewählt wird, da hierdurch Wandeffekte eine vermehrte Rolle spielen könnten. Die Anlage sollte jedoch auch nicht zu groß gewählt werden, da ansonsten die Praktikabilität der Testung leidet. In natura ist der Reaktor nicht größer als 1,5 m, vorzugsweise 1 m der Länge nach und 50 cm, vorzugsweise 40 cm in der Breite inklusive Gefäß (9). Die Dimensionsangaben in den Zeichnungen stellen bevorzugte Ausgestaltungen des Reaktors und seiner Bestandteile dar.
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Bezugszeichenliste
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Nummerierung der Fig. 1 und Fig. 2:
- 1
- Quarzglasrohr
- 2
- SCR-Katalysatorkern
- 3
- Quarzglasrohr
- 4
- statischer Mischer
- 5
- Dosiervorrichtung
- 6
- Injektionsvorrichtung für das Reduktionsmittel
- 7
- Thermoelement (wie auch 7' und 7'')
- 8
- Quarzglasrohr
- 9
- Isoliergefäß
- 10
- Heizvorrichtung
- 11
- Eindosierung Abgase
- 12
- wendelfömiger Einlass für Abgase
Nummerierung der Fig. 3 und Fig. 4: - 1, 1'
- Prallplatte an der Einlass bzw. Auslassseite
- 2
- Prallplatte mit den mindestens 2 Löchern
- 3, 3'
- Löcher der Prallplatte an der Einlass- bzw. Auslassseite
- 4
- Löcher der Prallplatte mit mindestens 2 Löchern
- 5
- Wandung/Gehäuse des Mischers
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Reaktor in der Seitenansicht. Gut zu erkennen sind die Quarzglasrohre (1, 3, 8) mit ihrer gegenseitigen Abdichtung und mit dem schematisch angedeuteten statischen Mischer (4) und SCR-Katalysatorkern (2) sowie der Dosiervorrichtung (5).
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2 ist eine abstrakte Darstellung des Testreaktors. Gut zu erkennen sind hier die Anzahl der verwendeten Thermoelemente (7, 7', 7'') und der wendelförmige Einlass für die Abgase (11). Ebenfalls zu sehen ist die Heizkartusche (10) welche zur Temperierung des Reaktors dient.
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3 zeigt beispielhaft einen statischen Mischer in der Seitenansicht. Zu erkennen sind die Prallplatten (1, 1', 2) mit ihren Löchern (2, 3, 3'). Die Löcher (2) sind dabei erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sie verglichen mit der vorhergehenden Prallplatte sich auf der jeweils entgegengesetzten Halbseite derselben befinden. Die optionalen Prallplatten an der Einlass- bzw. Auslassseite (1, 1') besitzen Löcher (3, 3'), welche zentrisch angeordnet sind.
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4 zeigt eine Prallplatte 2 in der Draufsicht. Zu erkennen sind 2 Löcher (4) auf einer Halbseite der Prallplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6907354 BB [0003]
- KR 101055398 B1 [0004]
- DE 102011012799 [0011]
- WO 12034922 [0011]
- WO 11098450 [0011]
- WO 10097146 [0011]
- WO 10034452 [0011]
