DE2148837A1

DE2148837A1 - Formverfahren und Packungsstruktur fuer Katalysatoren zur Reinigung von Kohlenmonoxyd enthaltenden Abgasen

Info

Publication number: DE2148837A1
Application number: DE19712148837
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Kuniyasu; Hiroto Sakai; Toshiyuki Sakai
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1970-09-30
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1972-05-10
Also published as: AU3387571A; GB1369047A; IT939806B; CA986497A; FR2108746A5

Description

lOrmverfahren und Packungsstruktur für Katalysatoren zur Reinigung von Kohlenmonoxyd enthaltenden Abgasen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Katalysators zur Verwendung bei der Reinigung von Kohlenmonoxyd enthaltenden Abgasen. Das Verfahren besteht im Vermengen einer Mischung, die im wesentlichen aus Manganoxyden und Bleioxyden oder Wismutoxyden zusammengesetzt ist, wobei diese Mischung vorzugsweise noch etwas Metall oder Metalloxyde enthält, mit metallischem Pulver, welches der Mischung ein genügendes Bindevermögen entsprechend den Erfordernissen der jeweiligen Umstände verleiht, worauf die entstandene Mischung bei solchen Temperaturen verfestigt wird, die keine Verschlechterung bewirken. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Packungsstruktur aus in dieser Weise geformten Katalysatoren, die derart zusammengesetzt und verdichtet sind, daß sie in der Lage sind, besonders erfolgreich bei der Reinigung von Kohlenmonoxyd enthaltendem Abgas zu wirken.

Abgase, die aus Benzinmotoren, wie sie in Automobilen und dergleichen verwendet werden, entweichen, enthalten schädli- ■

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ehe Gase wie Kohlenwasserstoffe, Stickoxyde und Kohlenmonoxyd in beträchtlichen Mengen. Die Bildung von Kohlenmonoxyd bei den Abgasen ist nicht allein auf Benzinmotoren von Automobilen und dergleichen beschränkt, sondern wird auch durch Verbrennungskraftmaschinen von Flugzeugen, bei verschiedenen Maschinenkonstruktionen und dergl. verursacht. Sie entweichen aus den Kaminen von Fabriken und entstehen bei der unvollständigen Verbrennung von Brennstoffen bei Gas- und Petroleumofen, wie dies überall im Lande der Fall ist. Als Mittel zur Umwandlung von Kohlenmonoxyd, welches den Hauptteil der Gesamtmenge der so erzeugten schädlichen Gase ausmacht, in harmloses Kohlendioxydgas durch Oxydation wurde bisher die Anwendung eines Katalysators vorgeschlagen, der in der Hauptsache aus Manganoxyden und Bleioxyden besteht, oder einem Katalysator, der im wesentlichen aus Manganoxyden und Vismutoxyden zusammengesetzt ist. Derartige Katalysatoren, die zur Reinigung von Kohlenmonoxyd enthaltenden Abgasen dienen und die oben angegebene Zusammensetzung aufweisen und die im folgenden kurz als Metalloxydkatalysatoren bezeichnet werden, haben sich als fähig erwiesen, Kohlenmonoxyd wirksam zu oxydieren, und sind außerordentlich erfolgreich bei der Eeinigung von Abgas. Indessen besitzen die meisten dieser

Form
bekannten Katalysatoren die von Pillen oder sie besitzen die Struktur einer porösen Substanz, die als Träger des Katalysators dient. Der Herstellungsprozeß hierfür geschieht gewöhnlich nach folgenden Verfahren: Es handelt sich um eine Methode zur Herstellung von kugel- oder pillenförmigen Erzeugnissen aus einer Mischung, die aus Metalloxyden zusammengesetzt ist und die Katalysatorkomponente darstellt, sowie einer geeigneten Menge verschiedener zugesetzter Bindemittel, worauf die Mischung in bekannter Weise, während sie noch feucht ist, der Granulierung oder Formung zu Pillen unterworfen wird. Anschließend wird sie getrocknet, gesintert usw. Bekannt ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Oxydkatalysators, wobei wasserlösliche Salzeeines Katalysatorbestandteils auf die Oberfläche einer feuerfesten porösen Unterlage aufgebracht werden, die eine wa-

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benartige Struktur oder dergleichen aufweist, worauf das Ganze kalziniert wird usw. Nach diesen bekannten Verfahren zerfallen die Kügelchen des Metalloxydkatalysators zu Pulver als Ergebnis des gegenseitigen Zusammenstoßes oder der Reibung infolge der Vibration des laufenden Automobilmotors. Dadurch wird die Leitung für das Abgas verstopft, was nicht nur zu einer Verminderung der Wirksamkeit des Motors, sondern auch zu einer Verschlechterung der funktion des Katalysators führt, wobei außerdem die Gefahr vorhanden ist, daß aus dem Katalysatorbehälter schädliche, darin enthaltene Schwermetalloxyde an die Außenwelt gelangen. Andererseits ist in den Fällen, in denen die feuerfeste poröse Unterlage aus einer inerten Substanz besteht, die keinerlei katalytische Wirkung besitzt und mehr als 5096 des Gesamtgewichts des Erzeugnisses ausma cht, der Katalysator insofern mangelhaft, als seine Lebensdauer kurz ist usw. Zusätzlich zu den oben genannten Methoden ist ein Verfahren zum Verdichten von Metalloxydkatalysatoren bekannt, das darin besteht, das Materialpulver mit verschiedenen Bindemitteln und/oder Schmiermitteln zu vermischen und das so hergestellte Material einer Verdichtung und anschließenden Sinterung bei hoher Temperatur oberhalb 1000⁰G für längere Zeitdauer oder einer anderen ähnlichen Hitzebehandlung zu unterwerfen. Aber dieses Verfahren ist nicht ratsam im Hinblick auf die Tatsache, daß es eine Hitzebehandlung bei hoher Temperatur während mehrerer Stunden erfordert und komplizierte Verfahrensmaßnahmen einschließt, die verhältnismäßig hohe Installationskosten als auch entsprechenden Arbeitsaufwand erfordern. Überdies ist es nicht ratsam, diese oben erwähnten üblichen Verfahren zum Verdichten von Metalloxydkatalysatoren anzuwenden, da diese Metalloxydpulver ihre Qualität ändern, wenn sie einer Siiierung bei hoher I'omperatur unterworfen werden, wodurch ihre katalytische Funktion verschlechtert wird.

In der Zwischenzeit sind verschiedene Formen von Apparaturen zur Reinigung von Abgasen aus Automobilmotoren vorgeschlagen

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worden, aber der Katalysatorbehälter, der in den Apparaturen angewendet wird, besitzt meist eine solche Struktur, daß er eine große Menge von feinen kugelförmigen Katalysatoren zur Reinigung enthält, die darin in unregelmäßiger Packung vorhanden sind, was im folgenden als "Kugelpackungsstruktur" bezeichnet wird. Diese Anordnung hat verschiedene Nachteile, so daß eine andere Packungsstruktur, die für diesen Zweck geeignet ist, seit langem erwünscht ist. Die hauptsächlichen Nachteile der üblichen Struktur lassen sich wie folgt zusammenfassen:

I. Der gepackte Katalysator läuft Gefahr,infolge der Vibration durch das Laufen des "Fahrzeuges herauszufallen

II. Der gegenseitige Abrieb der Kügtlchen verursacht eine Abnutzung und Pulverisierung, wodurch die Gefahr des Verlustes des Katalysators beschleunigt wird.

III. Als Ergebnis der Tatsache, daß der gepackte Katalysator, wie oben angegeben, zerkleinert wird, entsteht eine ungleichmäßige Verteilung des Stromes des Abgases, wodurch der Strömungswiderstand erhöht wird, was eine Verschlechterung der Reinigungswirkung mit sich bringt.

IV. Da die Wärmeleitfähigkeit zwischen den einzelnen Kügelchen

gering ist und die thermische Strahlung nicht glatt erfolgt,

die

entsteht eine ungleichmäßige Temperaturverteilungj und Lebensdauer des Katalysators wird hierdurch verkürzt.

V. Es besteht die Gefahr, daß der zerriebene Katalysator mit dem Abgas zusammen nach außen befördert wird und dergleichen.

Das erste Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Katalysators, der zur Reinigung von Abgasen aus Automobilmotoren und dergleichen geeignet ist, wobei hauptsächlich das im Abgas enthaltene Kohlenmonoxyd in harmloses Kohlendioxyd durch chemische Oxydation umgewandelt werden soll.

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C _

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Katalysators, der zur Reinigung von kohlenmonoxidhaltigem Abgas bei hohen Temperaturen infolge einer Oxydation geeignet ist.

Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines kompakten Katalysators oder Katalysatorelements, das zur Reinigung von Abgas geeignet ist und nicht leicht pulverisiert wird, selbst wenn es einer Vibration oder dergleichen ausgesetzt wird.

Ein viertes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Katalysatorpackungsstruktur aus Metalloxydkatalysatorelementen, die in einem Katalysatorbehälter vereinigt oder zusammengepackt sind. Diese Anordnung soll bewirken, daß der Katalysatorbehälter in wirksamer Weise als Vorrichtung zur Reinigung von Abgas zu wirken vermag.

Das fünfte Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Katalysators zur Reinigung von Abgas, der zur Oxydation und Reinigung von Kohlenmonoxyd dauerhaft geeignet ist.

Als Katalysator, der während einer langen Zeitdauer eine wirksame Oxydation und Reinigung von Abgasen aus Benzinmotoren von Automobilen und dergleichen bewirkt, ist bisher ein Katalysator vorgeschlagen worden, der in der Hauptsache aus Manganoxyden und Bleioxyden besteht, sowie ein Katalysator, der in der Hauptsache aus Manganoxyden und Vismutoxyden zusammengesetzt ist. Es handelt sich um sogenannte Metalloxydkatalysatoren. Die erstgenannten dieser Metalloxydkatalysatoren umfassen weiterhin Katalysatoren, die aus den oben genannten Hauptbestandteilen zusammengesetzt sind, zusammen mit einer geeigneten Menge mindestens einer Verbindung aus der Gruppe von Oxyden von Erdalkalielementen wie Magnesium, Calcium oder Barium, ferner Oxyden von seltenen Erden wie Yttrium, Lanthan, Cer oder Neodym, ferner 0x7/den von Aluminium, Silicium und Wismut, ferner Oxyden

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von Übergangsmetallen wie Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel usw. oder Übergangsmetallen wie Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel usw. Zu den letztgenannten Katalysatoren gehören auch solche, die aus den oben genannten Hauptbestandteilen zusammengesetzt sind und Zusätze, wie sie oben angegeben sind, enthalten. Diese Metalloxydkatalysatoren, die solche Zusätze enthalten, sind wirksamer in der Beinigung von Abgasen, indem sie hauptsächlich das darin enthaltene Kohlenmonoxyd oxydieren. Die Anmelderin hat gefunden, daß ein verdichteter Katalysator oder ein Katalysatorelement, das eine überlegene mechanische Festigkeit besitzt, dadurch gewonnen werden kann, daß man die oben erwähnten Metalloxydkatalysatorpulver einer Heißpressung bei solchen !Temperaturen unterwirft, die keine Verschlechterung der Bestandteile mit sich bringen. Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage dieser Feststellung entwickelt worden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich demnach auf ein Verfahren zur Herstellung von Metalloxydkatalysatorelementen, die eine überlegene mechanische Festigkeit und eine Form und eine Größe aufweisen, die zu? leichten und wirtschaftlichen Verwendung bei der Beinigung von Abgasen brauchbar sind. Das Verfahren besteht in der Verwendung einer Verdichtungseinrichtung zum Heißpressen der vorgenannten Metalloxydkatalysatorbestandteile bei solchen Temperaturen, die keine Verschlechterung der darin vorhandenen Metalloxyde verursachen. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Katalysatorpackungsstruktur, d.h. auf eine Art einer blockartigen Vereinigung, die aus derartigen Katalysatorelementen besteht, die in regelmäßiger Weise miteinander vereinigt oder in spezieller Anordnung zusammengepackt sind, so daß sie in besonders wirksamer Weise funktionieren können. Ein solches Katalysatorelement besitzt eine Form und eine Größe, die es zur Verwendung bei der !Reinigung von Abgasen geeignet machen und die durch Heißpressen erzeugt werden. Dabei entstehen Katalysatorelemente, die eine spezielle geometrische Konfiguration und eine solche Größe besitzen, daß der Katalysatorbehälter mit

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einer "begrenzten Zahl solcher Elemente gefüllt "bzw. gepackt werden kann.

Die oben erwähnten Temperaturen, die keine Verschlechterung des Materials "bewirken, schwanken nach der Art der Substanzen, die den Metalloxydkatalysator darstellen. Sie bewegen sich in der Größenordnung von 200 bis 700⁰C und liegen vorzugsweise zwischen 300 und 500⁰O bei Katalysatoren, die in der Hauptsache aus Manganoxyden und Bleioxyden bestehen, sowie 2Oo bis 700° C, vorzugsweise bei JOO bis 600 0, im Falle von solchen Katalysatoren, die in der Hauptsache aus Manganoxyden und Wismutoxyden bestehen. Der anwendbare Druck beim Verdichten liegt in der

ρ
Größenordnung von 1 bis 10 t pro cm , vorzugsweise bei 2 bis

ρ
5 t pro cm .

Wenn die Temperatur unter der unteren Grenze des angegebenen Gebietes liegt, wird die Festigkeit des geformten Katalysators ungenügend, während in den Fällen, in denen die Temperatur die obere Grenze des Gebietes übersteigt, die Gefahr besteht, daß sich die Qualität der Manganoxyde ändert. Falls ein Druck unterhalb der unteren Grenze des oben genannten Gebietes angewendet wird, ist die Wirkung des Druckes unzureichend und es entsteht ein geformter Katalysator von ungenügender Festigkeit, während in den Fällen, in denen der Druck die obere Grenze des Gebietes übersteigt, die Gefahr besteht, daß der Stempel, der zum Zusammenpressen verwendet wird, beschädigt wird.

Das anwendbare Mischungsverhältnis von Manganoxyden zu Bleioxyden in dem Metalloxydkatalysator gemäß der vorliegenden Erfindung liegt in der Größenordnung von etwa 75 : 25 bis etwa 25 : 75» vorzugsweise bei etwa 60 : 40 bis etwa 40 : 60 Gew.-%. Das anwendbare I¹Hschungsverhältnis von Manganoxyden zu Wismutoxyden gemäß der vorliegenden Erfindung liegt in der Größenordnung von etwa 95 : 5 bis etwa 50 : 50» vorzugsweise bei etwa 90 : "IQ bis etwa 70 : 30 Gew.-%. Was das anwendbare Mischungs-

Verhältnis der Zusätze anlangt, die den Hauptbestandteilen beigemischt werden sollen, so liegt es, wenn es sich um Oxyde der Erdalkalielemente, Oxyde der seltenen Erden, des Aluminium, des Siliciums, Oxyde der Übergangsmetalle usw. handelt, gegenüber den Hauptbestandteilen in der Größenordnung von etwa 5 bis . 10 Gew.-%, vorzugsweise etwa bei 7 "bis 8 Gew.-%. Wenn es sich bei dem Zusatz um Vismutoxyde handelt, vorausgesetzt, daß die Hauptbestandteile aus Manganoxyden und Bleioxyden bestehen, liegt das Mischungsverhältnis der Zusatzstoffe in der Größenordnung ύοώ. etwa 5 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise etwa 5 bis 30 Gew.-% gegenüber der gesamten Menge der Hauptbestandteile. Sails der Zusatzstoff aus Übergangsmetallen besteht und die Hauptbestandteile Manganoxyd und Bleioxyd darstellen, liegt das Mischungsverhältnis des Zusatzstoffes in der Größenordnung von etwa 5 bis 40 Gew.-%, -vorzugsweise etwa 5 bis 30 Gew.-%, berechnet auf die Gesamtmenge der Hauptbestandteile, während, wenn die Hauptbestandteile aus Manganoxyden und Vismutoxyden bestehen, das Mischungsverhältnis in der Größenordnung von etwa 5 bis 60 Gew.-& liegt, vorzugsweise etwa bei 10 bis 30 Gev#. gegenüber der Gesamtmenge der Hauptbestandteile.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, feste und haltbare Katalysatorelemente verschiedener Formgebung, abgesehen von einer Pillenform, herzustellen, indem man die Metalloxydkatalysatorpulver mit einer geringen Menge mindestens eines pulverisierten Metalls, wie Kupferpulver, Eisenpulver, Nickelpulver, Zinnpulver, Aluminiumpulver usw. oder pulverisierten Legierungen dieser Metalle mischt, die auf dem freien Markt erhältlich sind und ein genügendes Bindevermögen besitzen, um die mechanische Festigkeit des entstehenden Katalysatorelements beim

2 Heißpressen unter einem Druck von 1 bis 10 t pro cm , vorzugs-

2
weise 2 bis 5 t pro cm und solchen Temperaturen, die keine Änderung des Qualität des Katalysators verursachen, zu verbessern. Das so hergestellte Metalloxydkatalysatorelement gemäß der Erfindung ist sehr geeignet zur Reinigung von Abgasen aus

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Automobilmotoren.

Die Menge des anzuwendenden Katalysatorelementes für ein Automobil hängt von dem Volumen des Auspuffs ab, der von dem Automobil oder dergleichen ausgestoßen wird, und die Gestalt des Katalysatorelements kann so geformt werden, daß die mit dem Abgas in Berührung kommende Eontaktfläche vermehrt wird, wobei gleichzeitig eine geeignete Formgebung erfolgt, damit der Abgasreinigungskatalysator in den Katalysatorbehälter hineinpaßt. Um die mit dem Abgas in Berührung kommende Oberfläche zu vergrößern, ist es erwünscht, daß das zur Reinigung des Abgases aus Automobilmotoren bestimmte Katalysatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine solche Gestalt aufweist, daß die Oberfläche Furchen oder Vertiefungen oder dergleichen und/oder eine entsprechende Zahl von hindurchgehenden Löchern aufweist, jenachdem, wie es die Verhältnisse erfordern.

Es wird vorausgesetzt, daß das oben beschriebene Katalysatorelement in Gestalt einer blockartigen Struktur vereinigt und gepackt werden soll. Infolgedessen ist das Katalysatorelement, welches die wirksamste Packungsstruktur bei der Verwendung zur Reinigung von Abgasen ermöglicht, ein verdichteter Katalysator, der in der Lage ist, die Querschnittsflache des Katalysatorbehälters möglichst zweckmäßig zu füllen. Beispielsweise soll der Katalysator im Querschnitt eine festgelegte Konfiguration besitzen, die durch gerade Linien oder Kurven, wie ein Polygon, ein Kreis, ein Kreisabschnitt oder dergleichen, begrenzt ist. Die optimale Packungsstruktur zur Reinigung von Abgasen kann mit Hilfe einer vorgeschriebenen regulären Verteilung des so hergestellten Katalysatorelements geschaffen werden, das eine festgelegte Konfiguration aufweist. Um ein Beispiel für eine Packungsstruktur zu geben, die bei der Vereinigung oder Stalung des Katalysatorelements innerhalb des Katalysatorbehälters anwendbar ist, sei eine Packungsmethode wie folgt beschrieben:-

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- ίο -

Der Umfang eines Kreises um das erste Katalysatorelement oder eine Senne durch dieses erste Katalysatorelement soll ebenso groß sein wie der innere Umfang des Katalysatorbehälters oder eine hindurchgezogene Sehne, und das zweite, dritte usw. Katalysatorelement sind dem ersten Kat alys at ore 1 ement ähnlich oder gleich und werden der Reihenfolge nach auf dem ersten Katalysatorelement angeordnet oder dort gepackt. Es ist weiterhin ratsam, den Umfang des verfestigten Katalysators oder Katalysatorelements mit Furchen oder Vertiefungen oder dergleichen zu versehen, um wirksame Hohlräume und Kontaktflächen mit dem Abgas als Ergebnis der Packung des Katalysatorelements sicherzustellen. Es kann auch vorteilhaft sein, einen perforierten Anteil zu bilden, der innerhalb des Elements die vorgeschriebene Querschnittsfläche besitzt. Um konkretere Beispiele der Packungsstruktur anzugeben, sei gesagt, daß es bei einem Katalysatorbehälter von zylindrischer Gestalt vorteilhaft ist, eine derartige Struktur anzuwenden, bei der das erste Katalysatorelement wie ein Pfannkuchen geformt ist, der an seiner Oberfläche mit Vertiefungen versehen ist und der mit dem Katalysatorbehälter in inniger Berührung steht, während das zweite, dritte usw. Katalysatorelement, die praktsich dem ersten Katalysatorelement ähnlich sind, konzentrisch innerhalb des Lochs des pfannkuchenförmigen ersten Elementes eines hinter dem anderen befestigt werden. Wenn der Katalysatorbehälter eine vierseitige, rohrförmige Gestalt aufweist, ist es zweckmäßig, eine solche Struktur anzuwenden, bei der das erste Katalysator element die Form einer flachen Platte besitzt, die mit den vorgeschriebenen Vertiefungen an ihrer Oberfläche versehen ist, wobei das zweite, dritte usw. Katalysatorelement usw., die alle praktisch dem ersten Katalysatorelement in Gestalt und Größe ähnlich sind, aufeinander gepackt werden. Eine blockartige Vereinigungsstruktur, die aus einer Reihe von mehreren Katalysatorelementen zusammengesetzt ist, welche eine besondere Konfiguration aufweisen und in einem Katalysatorbehälter zusammengepackt sind, ist bei ihrer Anwendung zur Reinigung von Abgas aus Automobilmotoren

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in der Lage, verschiedene Nachteile der üblichen pillenförmigen Packungsstruktur vollständig zu beseitigen.

Im folgenden soll eine Anzahl Vorzüge der vorliegenden Erfindung angegeben werden:

I. Die Anmeldung der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, nach Belieben die Konfiguration des Katalysatorelementes zu ändern, so daß eine Vermehrung der Kontaktfläche möglich ist, die einen der wichtigsten Faktoren beim Virksamwerden der Katalysatorfunktion darstellt.

II. Da die Katalysatorelemente in einer blockartigen Vereinigungsstruktur aufgebaut sind und die Kanten des Katalysators in dichtem Kontakt mit dem Katalysatorbehälter stehen, geht der gestopfte Katalysator selbst bei einer Vibration während der Fahrt des Automobils nicht verloren, und der Durchtritt des Abgases zeigt wenig Veränderung, da infolge des Fehlens der gegenseitigen Zusammenstöße oder einer Reibung kaum eine Bilverisierung des Katalysatorelementes eintritt. Als Erfolg läßt sich nicht nur eine stabile Katalysatorfunktion erwarten, sondern es besteht auch keine Gefahr, daß irgendein pulverisierter Katalysator außerhalb verstreut wird.

III. Mit Hilfe einer geeigneten Wahl der Konfiguration des Katalysatorelementes sowie seiner Anordnung ist es möglich, den Durchtritt des Abgases zu erleichtern, wodurch eine Verminderung der Wirksamkeit des Motors vermieden wird. Gleichzeitig gelingt es, die Fläche für den gegenseitigen Kontakt zwischen dem Abgas und dem Katalysatorelement zu vergrößern und eine konstante Wirkungsweise des Katalysators sicherzustellen. Überdies ist es möglich, den Hohlraum gleichmäßig zu gestalten, so daß eine gleichmäßige Verteilung des Stromes des Abgases erzielt werden kann. Dabei wird die Temperaturverteilung ebenfalls gleichmäßig,und die Lebensdauer des Katalysators wird verlängert.

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— Λ2. —

IV. Das Katalysatorelement ist so gestaltet, daß es eine fixierte Querschnittskonfiguration und eine entsprechende Dicke aufweist, so daß es nicht nur zur Massenherstellung, sondern auch zur Zusammensetzung und Handhabung geeignet ist, so daß seine Wirtschaftlichkeit gesichert ist.

V. Die Erfindung ermöglicht es, eine Packungsstruktur aufzubauen, die eine schalldämpfende Wirkung besitzt, so daß die Packungsstruktur gemäß der Erfindung auch als Schalldämpfer verwendet werden kann. Eurz gesagt schafft die Erfindung eine Katalysatorpackungsstruktur, die in gründlicher Weise die Nachteile der Packungs Strukturen nach dem Stande der Technik bei der Verwendung von pillenförmig gestalteten Metalloxydkatalysatoren in Katalysatorbehältern beseitigt, und zwar durch Anwendung einer blockartigen Vereinigungsstruktur, die aus Metalloxydkatalysatorelementen erheblicher Größe besteht, die eine besondere Konfiguration aufweisen. Dabei schafft die Erfindung eine optimale Methode zum Verdichten der Metalloxydkatalysatorelemente größerer Abmessungen aufgrund der Feststellung, daß die Anwendung des Heißpreßverfahrens für diesen Zweck besonders geeignet ist. Der praktische Zweck der Erfindung ist daher außerordentlich groß.

. 1 ist eine Draufsicht auf eine Konfiguration des Katalysatorelements gemäß vorliegender Erfindung,

. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 ist eine Frocbansicht einer Struktur oder Vereinigung, die aus einer Mehrzahl der in Fig. 1 dargestellten Katalysatorelemente besteht, wobei diese Vereinigung bereitsteht, um in einen Katalysatorbehälter eingepackt zu werden.

Fig. 4 ist eine Frontansicht eines Katalysatorbehälters, der eine Struktur zeigt, bei der eine Mehrzahl von Katalysatorelementen, die eine andere Gestalt aufweisen, miteinander vereinigt und zusammengepackt sind,

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Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung mehrerer Katalysatorbehälter veranschaulicht, wobei eine Mehrzahl von Katalysatorschichten gemäß Fig. 4 in jedem Behälter zusammengepackt sind,

Figuren 6 und 7 sind perspektivische Ansichten einer vereinigten Anordnung, die zur Verpackung einer Mehrzahl von Katalysatorelementen innerhalb der Katalysatorbehälter dient.

Fig. 8 ist ein Längsschnitt einer Packungsstruktur der Katalysatorschichten gemäß Fig. 6 und 7» die in mehreren Schichten übereinander lagern.

Das in Fig. 1 dargestellte Katalysatorelement 1 besitzt eine solche Konfiguration, daß es mit Einbuchtungen 2 auf der Oberfläche und einer passenden Zahl von Perforationen 3 versehen ist, während das Katalysatorelement gemäß Fig. 4 eine pfannkuchenartige Gestalt aufweist und mit einer Anzahl von Einbuchtungen 2 auf seinem Umfang versehen ist.

Die in den Figuren 6 und 7 dargestellten Katalysatorelemente sind in Form einer flachen Platte angeordnet, die mit einer Reihe von Einbuchtungen 2 an einer oder beiden Seiten versehen ist. Diese Katalysatorelemente sind in geeigneter Vereinigung aneinander fixiert, so daß sie in einen Katalysatorbehälter 4-eingepackt werden können, wie dies in den Figuren 5 und 8 dargestellt ist.

Weiterhin sei vermerkt, daß die Endflächen der Vereinigung einer Mehrzahl der Katalysatorelemente mit Drahtgaze 5 geschützt sind, wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist.

Beispiel 1

Eine Mischung, die durch 24ständiges Trockenmischen von 7 kg elektrolytischem Mangandioxyd (MnOp) und 3 kg Menni ge (Pb^O₂.)

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erhalten ist, wobei beide mit Hilfe einer Kugelmühle auf eine Teilchengröße von weniger 200 Maschen (nach Tyler) gebracht sind, wird in eine Hohlform eingefüllt und auf 400 0 erhitzt. Wenn die Temperatur der Füllung auf etwa 400°0 gestiegen ist, wird sie einer 5 Minuten dauernden Ires sung unter einem

ρ
Druck von 4 t pro cm ausgesetzt, wobei ein Kataly sat or element erhalten wird, wie es in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist.

Die Druckfestigkeit dieses Katalysatorelements liegt in der

ρ Größenordnung von 200 bis 300 kg pro cm . Sie ist zwei- bis dreimal so groß wie die von pillenformigen Katalysatoren, wie sie auf dem freien Markt erhältlich sind.

Die so hergestellten Katalysatorelemente werden kassettenförmig zusammengebaut, was eine Blockvereinigungsstruktur ergibt, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Sie werden dann in einen Katalysatorbehälter, wie in Fig. 5 dargestellt, in einer Menge von etwa 3 kg eingefüllt. Mit Hilfe dieses Katalysators wurde ein Abgas einer Temperatur von etwa 600⁰C, das aus einem auf einer "Versuchseinrichtung "OAEOL 360" angeordneten Motor ausströmte, umgewandelt. Eine folgende Überprüfung der Zusammensetzung der Abgase, die sich in diesem Fall über 400 Stunden erstreckte, zeigte, daß die Konzentration an Kohlenmonoxyd in dem gereinigten Gas unter Λ% gehalten wurde und die Konzentration an Kohlenwasserstoffen unterhalb 100 Teile pro Million. Dies bedeutet ein UmwandlungsVerhältnis von mehr als 90%· Ein entsprechender Umwandlungseffekt wurde auch hinsichtlich des Stickoxyds beobachtet. Im übrigen wurde nach den 400 Betriebsstunden nur eine geringe Änderung in der Konfiguration der Katalysatorelemente und keinerlei Verminderung in der Leistung des Motors festgestellt.

Beispiel 2

Bei einem Katalysatorelement, das durch Zusammenpressen einer Mischung von 5 kg chemischem Mangandioxyd (MnO₂), 3 kg Menni ge (Pb^O^), die beide eine Teilchengröße unter 200 Maschen (nach Tyler) besaßen, und 2 kg elektrolytischem Kupferpulver, das eine

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Teilchengröße von weniger als 100 Maschen aufwies, in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt war, lag die Druckfestig-

p keit in der Größenordnung von 400 bis 500 g pro cm . Eine 300-stündige Überwachung der katalytischen Wirksamkeit zeigte, daß das Umwandlungsverhältnis für Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe auf etwa 90% gehalten wurde. Dabei wurde auch eine entsprechende Umwandlungsleistung im Hinblick auf Stickoxyd festgestellt.

Beispiel 3

Eine Mischung, die durch sorgfältiges Mischen von 1,5 kg elektrolytischem Mangandioxyd (ΜηΟ^), 1,0 kg Mangansesquioxyd (Mn₂O^), 7 kg Mennige (Fb^O₂.), die alle eine Teilchengröße von weniger als 200 Maschen (nach Tyler) aufwiesen, und 3 kg Eisenpulver mit einer Teilchengröße von unter 100 Maschen hergestellt war, wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 verarbeitet, wobei Katalysatorelemente mit Furchen erhalten wurden. Die Druckfestigkeit des Katalysatorelements lag in der Größenord-

2
nung von 600 bis 700 kg pro cm , das bedeutet eine Festigkeit, die gegenüber Lastkraftwagen während ihres laufenden Betriebes völlig ausreichend ist. Wenn die so hergestellten Katalysatorelemente in einer Blockvereinigungsstruktur zusammengebaut waren, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, wobei sie in einer Menge von 4- kg in einen Katalysatorbehälter eingefüllt waren, zeigte eine folgende Überwachung der katalytischen Wirksamkeit während 400 Stunden in gleicher Weise wie in Beispiel , daß das Umwandlungsverhältnis im Hinblick auf Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe etwa 70% gehalten wurde, wie aus folgender Tabelle Λ ersichtlich ist.

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(Tabelle 1

(Eeinigungsergebnisse nach 400stündiger Versuchsdauer)

	Konzentrationen im Abgas	HO (Teile pro Million)	Konzentrationen im gereinigten Gas	HO (Teile pro MiPicn)
Versuchs- bedingungen	σο (,%)	220	σο (%)	60
Leerlauf	4-f 5	80	1,2	25
im Betrieb (60 km pro Stunde;	0,3	0,05

Beispiel 4

Eine Mischung aus 9,5 kg Mangansesquioxyd (Mn^O.,), 5OO kg Wismut se squioxyd (BipO;,), 500 g Kalk und 5OO g Lanthamsesquioxyd (I^O-,), die alle eine Teilchengröße von weniger als 200 Maschen (nach Tyler) besitzen, wurde zu einem katalytischen Element geformt, das die gleiche Konfiguration wie der Katalysator in Beispiel 3 besaß. Die so hergestellten Katalysatorelemente wurden in einer blockartigen Struktur miteinander vereinigt, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, und dann in einer Menge von etwa 4 kg in einen Katalysator zylinder eingepackt. Eine folgende überp rüfung der katalytischen Wirksamkeit dieser Struktur, die etwa 300 Stunden lang in gleicher Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt wurde, zeigte, daß das Umwandlungsverhältnis, was Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe anlangt, während der ganzen Versuchsdauer über 80% betrug, wie dies aus der folgenden Tabelle 2 hervorgeht.

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Tabelle 2
(Beinigungsergebnisse nach 300stündiger Betriebsdauer)

Versuchs- bedingungen	Konzentrationen im Abgas	HO Teile pro Million	Konz entrati onen im gereinigten Gas	HC Teile pro Million
Leerlauf	00 (%)	250	00 (%)	45
im Betrieb (60 km pro Stunde;	4,6	90	0,8	15
0,4	0,08

Beispiel 5

aus_r

Eine Mischung 5 leg elektrolytisches! Mangandioxyd (MnO₂), 5 kg Diwismutpentoxyd (Bi₂O₅), 200 g Magnesituaoxyd (MgO), 300 g Perrioxyd (Pe₂O,), die alle eine Teilchengröße unter 200 Maschen (nach Tyler) aufweisen, sowie 1 kg Eisenpulver, das eine Teilchengröße unter 100 Maschen besaß, wurde zu einem katalytischen Element aufbereitet, das dieselbe Konfiguration besaß wie das in Beispiel 3 gezeigte· Die so hergestellten katalytischen Elemente wurden in einer blockartigen Struktur miteinander vereinigt, wie dies in Pig. 6 dargestellt ist, .!und dann in einer Menge von etwa 4 kg in einen Katalysatorbehälter eingepackt. Die folgende Überprüfung der Heinigungswirkung dieser Struktur im Hinblick auf das Abgas, die 400 Stunden lang in gleicher Weise, wie in Beispiel 1 bescHSieD§H,wu?de, zeigte, daß das Umwandlungsverhältnis hinsichtlich Kohlenmonoxyd und Kohlenwasser-: stoffen während der ganzen Versuchsdauer etwa 80% betrug, wie dies aus der folgenden Tabelle 3 ersichtlich ist.

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- 18 Tabelle 3

(Reinigungsergebnisse nach 400stündiger Betriebsdauer)

Versuchs- bedingungen	Konzentrationen im Abgas	HC Teile pro Million	Konzentrationen im gereinigten Gas	HC Teile pro Million
Leerlauf	co OO	250	GO OO	50
im Betrieb (60 km pro Stunde;	4,8	90	0,9
0,5	0,1

Beispiel 6

Eine Mehrzahl, von katalytisehen Elementen mit verschiedenen Durchmessern, von denen jedes als Grundform einen hohlen, runden Querschnitt aufwies, also eine pfannkuchenartige Form besaß, wobei auf dem Umfang Vertiefungen eingedrückt waren, wurden in der Weise miteinander vereinigt, daß eins in das andere eingesetzt wurde, wobei eine mehrschichtige Packungsstruktur entstand, wie sie in Pig. 4 dargestellt ist. Eine Mehrzahl dieser so hergestellten mehrschichtigen Packungs struktur en wurden in einen Katalysatorbehälter eingepackt, wobei eine mehrstufige Struktur gebildet wurde, wie sie in Pig. 5 dargestellt ist. Der entstehende Katalysatorbehälter erwies sich bei seiner Verwendung zur Reinigung von Abgasen von Automobilmotoren erheblich wirksamer.

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Beispiel 7

Eine Mehrzahl von katalytischen Elementen, von denen jedes die Grundform einer vierseitigen Platte aufweist, die an der Oberfläche eingerückte Vertiefungen besitzt, wurde zu einer mehrschichtigen Packungsstruktur aufeinandergelegt, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Eine Mehrzahl derart hergestellter mehrschichtiger Packungsstrukturen wurde in einen Katalysatorbehälter eingebracht, um dort eine aus mehreren Stufen bestehende Struktur zu bilden, und der erhaltene Kat aly sat orb ehält er zeigte bei der Verwendung zur Reinigung von Abgasen von Automobilmotoren eine verbesserte Eeinigungswirkung.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Formen von katalytischen Elementen zur Verwendung bei der Reinigung von Kohlenmonoxid enthaltendem Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß man einen hauptsächlich aus Manganoxyden und Bleioxyden oder Vi smut oxy den bestehenden Katalysator unter Erhitzen auf Temperaturen, die die Qualität des Katalysators nicht verändern, zusammenpreßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenpressen nach Zumischen von Metallpulvern erfolgt, die eine genügende Bindefähigkeit mit den Katalysatorpulvern besitzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenpressen nach Zumischen mindestens einer der folgenden Verbindungen erfolgt: Oxyde der Erdalkalielemente, wie Magnesium, Calcium oder Barium, Oxyde der seltenen Erden, wie Yttrium, Lanthan, Cer oder Neodym, Oxyde von Aluminium, Silicium und Vismut, Oxyde der Übergangsmetalle, wie Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel usw., und Übergangsmetalle selbst, wie Kupfer, Eisen Kobalt, Nickel und dergleichen.

4-, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenpressen nach Zumischen mindestens einer Verbindung der folgenden Gruppe zu den Katalysatorpulvern erfolgt: Oxyde der Erdalkalielemente, wie Magnesium, Calcium, Barium, Oxyde der seltenen Erden, wie Yttrium, Lanthan, Cer oder Neodym, Oxyde von Aluminium, Silicium und Vismut, Oxyde der Übergangsmetalle, wie Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel und dergleichen, und die Übergangsmetalle selbst, wie Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel und dergleichen.

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5. Nach dem Verfahren des Anspruchs 1 hergestelltes katalytisches Element, das mit gefurchten oder eingedrückten Vertiefungen oder dergleichen an der Oberfläche versehen ist und eine geeignete Zahl von hindurchgehenden Löchern je nach den vorliegenden Umständen aufweist.

6. Nach dem Verfahren des Anspruchs 2 hergestelltes katalytisches Element, das mit !Furchen oder eingedrückten Vertiefungen oder dergleichen an der Oberfläche versehen ist und eine passende Zahl von hindurchgehenden Löchern aufweist, wie es die Verhältnisse erfordern.

7. Nach dem Verfahren des Anspruchs 3 hergestelltes katalytisches Element, das an der Oberfläche mit Furchen oder eingedrückten Vertiefungen oder dergleichen und einer geeigneten Zahl von hindurchgehenden Löchern versehen ist, wie es die Verhältnisse erfordern.

8. Nach Anspruch 4 hergestelltes katalytisches Element, das

an der Oberfläche mit ITurchen oder eingedrückten Vertiefungen oder dergleichen versehen ist und eine geeignete Zahl von hindurchgehenden Löchern aufweist, wie es die Verhältnisse erfordern.

9. Katalytisches Element nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß es eine pfannkuchenartige, eine plattenförmige oder eine kreissektorförmige Gestalt aufweist.

10. Katalytisches Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es pfannkuchenartig, plattenförmig oder kreissektorförmig gestaltet ist.

11. Katalytisches Element nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß es pfannkuchenartig, plattenförmig oder kreissektorförmig gestaltet ist.

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12· Katalytisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es pfannkuchenartig, plattenförmig oder kreissektorförmig gestaltet ist.

13. Katalytisch^ Packungsstruktur zur Verwendung bei der Reinigung von kohlenmonoxydhaltigen Abgasen, gekennzeichnet durch die Vereinigung einer Mehrzahl von katalytischen Elementen, wobei jedes Element Furchen oder eingedrückte Vertiefungen oder dergleichen an der Oberfläche besitzt und

von Löchern

eine geeignete Zahl aufweist, wie es die Verhältnisse erfordern, wobei diese Elemente zur Füllung eines Katalysatorbehälters dienen.

14. Katalytisch^ Packungs struktur zur Verwendung bei der Reinigung von kohlenmonoxydhaltigen Abgasen, dadurch gekennzeichnet, daß entweder eine schichtförmige Katalysatorstruktur, die aus einem einen pfannkuchenartigen Querschnitt besitzenden katalytischen Element zusammengesetzt und mit den vorgeschriebenen Einbuchtungen am Umfang versehen ist und eine Reihe von ähnlich gestalteten katalytischen Elementen, die abgestufte Durchmesser besitzen und konzentrisch ineinander, jedes in dem Loch des äußeren Katalysator elements angeordnet sind, zur Füllung eines Katalysatorbehälters dient, oder daß eine aus mehreren Schichten bestehende Kataly sat or struktur, die durch Anordnung einer Mehrzahl dieser schichtförmigen Katalysatoren in festgelegter Richtung gebildet ist, zur Füllung eines Katalysatorbehälters verwendet wird, wie es die Verhältnisse erfordern.

15· Katalytisch^ Packungs struktur zur Verwendung bei der Reinigung von kohlenmonoxydhaltigern Abgas, dadurch gekennzeichnet_f daß entweder eine aus Schichten gebildete Katalysatorstruktur, die aus einer Mehrzahl katalytischer Elemente besteht, wobei jedes Element Schichtform besitzt und mit den vorge-

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schriebenen Einbuchtungen an der Oberfläche versehen ist, oder eine aus mehreren Stufen bestehende Katalysatorstruktur, die durch Anordnung einer Mehrzahl der schichtenförmi-,gen Kat alys at or struktur en in festgelegter Richtung gebildet ist, zur Füllung eines Katalysatorbehälters verwendet werden, wie es die Verhältnisse erfordern.

16. Katalytische Packungsstruktur zur Verwendung bei der Reinigung von Kohlenmonoxyd enthaltendem Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß entweder eine Katalysatorschicht, die aus einer Mehrzahl von kataly tischen Elementen besteht, wobei jedes Element die Form eines Kreisabschnittes besitzt und mit den vorgeschriebenen Einbuchtungen am Umfang und einer geeigneten Zahl von hindurchgehenden Löchern versehen ist, dergestalt zur Füllung eines Katalysatorbehälters verwendet wird, daß sie hierbei einen Kreis bildet, oder daß eine mehrstufige Katalysatorstruktur, die durch Anordnung einer Mehrzahl der katalytischen Schichten in festgelegter Richtung hergestellt ist, zur Füllung eines Katalysatorbehalters dient, wie es die Verhältnisse erfordern.

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