DE2321378C2

DE2321378C2 - Katalysatorform

Info

Publication number: DE2321378C2
Application number: DE2321378A
Authority: DE
Inventors: Angelo Cantaluppi; Bruno Rescaldina Ferrario; Tiziano Rho Giorgi; Paolo Mailand/Milano Montalenti; Paolo Della Fagiana Carimate Porta
Original assignee: SAES Getters SpA
Current assignee: SAES Getters SpA
Priority date: 1972-04-29
Filing date: 1973-04-27
Publication date: 1985-12-05
Also published as: FR2183063B1; NL7305950A; NL179192C; JPS4948566A; JPS5548857B2; SU572182A3; GB1427252A; CS174877B2; IT955185B; FR2183063A1; DE2366546C2; NL179192B; DE2321378A1; BE798859A; DD107774A5

Description

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Die Erfindung betrifft eine Kat?Iysatorform mit einem abwechselnd hin und her gefalteten, zahlreiche Glieder bildenden Band.

Bekannt sind Katalysatorformen mit einem gefalteten Band, das ein Katalysatormaterial trägt (US-PS 26 657,28 87 456,32 06 334 und 32 08 131). Bei all diesen Formen wird ein Katalysatormaterial auf einen Streifen aufgebracht, der Streifen wird gefaltet und dann in eine Hülse, ein Rohr, ein Gehäuse oder eine andere Umschließung eingesetzt, die die Reaktionsteilnehmer in der Nähe des Katalysatormaterials hält Am meisten angewendet werden Katalysatorformen, deren Streifen abwechselnd vor und zurück gefaltet ist, wie es beispielsweise in der US-PS 32 08 131 dargestellt ist

Die oben erwähnten und andere bekannte Katalysatorformen haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Obwohl sie häufig zur Einpassung in ein Gehäuse ausgebildet sind, haben sie nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit zwischen dem vom Streifen getragenen Katalysatormaterial und dem Gehäuse. Dies ist besonders nachteilig, wenn Wärme vom Katalysator erzeugt oder absorbiert wird. Es ist wünschenswert bei den bekannten Konstruktionen jedoch unmöglich, die Wärme vom Katalysatormaterial schnell zu einer außerhalb des Gehäuses oder Rohres liegenden Stelle abzuführen. Dies gilt sowohl bei exothermen als auch bei endothermem Verlauf der katalytisch beeinflußten chemischen Reaktion, d. h. sowohl dann, wenn Wärme aus der Reaktionszone abgeführt oder in diese eingeführt werden muß, um den Reaktionsablauf zu unterstützen. Außerdem tritt bei zahlreichen bekannten Katalysatorformen eine unerwünschte Verformung infolge thermischer Spannungen auf. Normalerweise wird die Katalysatorform bei normaler Umgebungstemperatur in ihr Gehäuse eingesetzt, während die chemische Reaktion bei höheren oder niedrigeren Temperaturen stattfindet Infolgedessen treten im Betrieb thermische Verformungen und/' oder Wärmespannungen in der Katalysatorform auf. Diese können zu einer Verformung der Form und unter extremen Bedingungen sogar zum Bruch des Gehäuses führen.

Bei den meisten Verfahren zur Herstellung der bekannten Katalysatorformen müssen Schmelzmetallverfahren, wie etwa Schweißungen oder Lötungen, angewendet werden. Die Anwendung dieser Verfahren ist aus verschiedenen Gründen unerwünscht Zum ersten sind diese Verfahren teuer. Möglicherweise noch schwerwiegender ist jedoch das Vorhandensein von Elementen in der Schweiß- oder Lötlegierung, die für das katalytische Material schädlich sind. Es ist beispielsweise bekannt, daß Kieselsäure, Eisen oder Phosphor schädliche Wirkungen auf Platin- oder Paladiumkatalysatoren haben. Auch ist es bekannt, daß Schwefel, der häufig in Schweiß- oder Lötlegierungen vorhanden ist schädliche Wirkungen auf andere Katalysatoren hat

Andere bekannte Katalysatoren sind in ihren Gehäusen nur schwer zu ersetzen, während wiederum andere kompliziert herzustellen und einzubauen sind. Ferner enthalten bekannte Katalysatorformen nur eine geringe Menge an Katalysatormaterial je Volumeneinheit des eingenommenen Raumes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Katalysatorform zu schaffen, bei der die Nachteile der bekannten Formen nicht oder in wesentlich geringerem Maße auftreten, die bei Umgebungstemperaturen oder hiervon stark abweichenden Temperaturen eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Katalysatormaterial und dem Gehäuse aufweist, die über einen großen Temperaturbereich im wesentlichen frei von thermischen Spannungen ist und bei deren Herstellung keinerlei SchmelzrnetaMveriahren, wie etwa Schweißungen oder Lötungen, angewendet wird. Die Katalysatorform gemäß der Erfindung soll leicht in ihrem Gehäuse ausgetauscht und einfach herzustellen und einzubauen sein und eine große Menge Katalysatormaterial je Volumeneinheit des von ihr eingenommenen Raumes enthalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß jedes Glied ein Radialteil, ein an dieses Teil angeschlossenes äußeres Umfangsteil, ein an dieses angeschlossenes zweites Radialteil und ein wiederum hieran anschließendes inneres Umfangsteil aufweist das wiederum an das erste Radialteil des nächsten Gliedes angeschlossen ist, wobei das Band aus einem Katalysatormaterial besteht oder dieses trägt daß das Band zur Bildung der Teile entlang rechtwinklig zu seiner Längsachse verlaufenden Faltlinien gefaltet ist, daß die Sehne der Bogenteile mit einem auf der konvexen Seite der Bogenteile liegenden, durch das innere Ende derselben verlaufenden Radius der Form einen spitzen Winkel « bildet, daß die Außenseiten der äußeren Umfangsteile eine den Umfang der Form bildende unterbrochene Zylinderfläche bilden, daß die inneren Umfangsteile auf einem Kreis liegen und daß die Bogenteile einander in der Nähe des gemeinsamen inneren Umfangsteiles berühren, wobei die Innenseite einer zylindrischen Hülse mit den äußeren Umfangsteilen in wärmeleitender Berührung steht.

Erfindungsgemäß läßt sich eine solche Katalysatorform mit Vorteil in einem ein Außengehäuse und Rohre umfassenden Wärmeaustauscher verwenden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf eine Katalysatorform in ihrem Gehäuse,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 in vergrößerter Darstellung ein Glied der Katalysatorform gemäß F i g. 1,

F i g. 4 in einer schematischen Darstellung eine Presse zur Anbringung der Faltlinien in ein Band zur Verwendung in einer Katalysatorform,

Fig.5 einen Abschnitt des in Fig.4 dargestellten Bandes nach der Einprägung der Faltlinien,

Fig.6 eine Untersicht des in Fig.5 dargestellten Bandes,

Fig.7 eine Draufsicht des in Fig.5 dargestellten Bandes,

F i g. 8 einen Schnitt durch eine Presse zur Formung des Bandes,

Fig.9 in einer isometrischen Darstellung, wie die Form zur Einführung in ein Gehäuse zusammengepreßt werden kann,

Fig. 10 einen Schnitt durch einen ein Gehäuse und Rohre aufweisenden Wärmeaustauscher, der Katalysatorformen enthält, welche auf die in F i g. 9 dargestellte Weise in die Rohre eingesetzt sind und

F i g. 11,12 und 13 verschiedene Arten, wie das Katalysatormaterial vom Streifen getragen werden kann.

In F i g. 1 ist eine Katalysatorform 10 gemäß der Erfindung dargestellt Diese weist zahlreiche Glieder 11, 11' und 11" auf. Das Glied 11 ist typisch für sämtliche Glieder und besteht aus einem ersten Bogenteil 12, einem äußeren Umfangsteil 13, einem zweiten Bogenteil 14 und einem inneren Umfangsteil 15. In Fig. 1 ist die Katalysatorform 10 in einer Hülse 18 angeordnet Innerhalb der Form 10 befindet sich ein Stopfen 19, dessen Bauweise und Funktion weiter unten noch beschrieben werden.

In F i g. 3 ist das typische Glied 11 gemäß F i g. 1 dargestellt Das erste Bogenteil 12 erstreckt sich von der Mitte 20 der Form 10 bogenförmig nach außen. Gemäß der Darstellung bildet eine Sehne C12 des Bogens des Teiles 12 einen spitzen Winkel « mit dem Radius R12 der Form 10. Das Bogenteil 12 liegt zwischen der Sehne C12 und dem Radius R 12. Die gleichen Verhältnisse sind zwischen der entsprechenden Sehne des Bogenteils 14 und einem entsprechenden Radius hierzu vorhanden. Das Bogenteil 12 ist mit dem äußeren Umfangsteil 13 entlang einer gemeinsamen Faltlinie 21 verbunden. Das Umfangsteil 13 ist mit dem zweiten Bogenteil 14 entlang einer _?meinsamen Faltlinie 22 verbunden. Das zweite Bogenteil 14 ist mit dem inneren Umfangsteil 15 entlang einer gemeinsamen Faltlinie 23 verbunden. Das innere Umfangsteil 15 ist wiederum mit dem ersten Bogenteil 12' des benachbarten Gliedes 11' entlang einer gemeinsamen Faltlinie 24 verbunden. Auf diese Weise sind die aufeinanderfolgenden Teile miteinander verbunden.

Aus F i g. 3 ersieht man, daß die Außenseite 27 des Umfangsteils 13 und die entsprechenden Außenseiten der Teile 13', 13" usw. (siehe F i g. 1) auf einer Zylinderfläche liegen, die die Außenseite der Form 10 bildet so Diese Zylinderfläche ist nur durch die Abstände zwischen dem Umfangsteil 13, 13' unterbrochen. Infolge der Konstruktion der Form 10 fällt der Umfang 29 mit der Innenwand 30 der Hülse 18 zusammen.

Aus F i g. 3 ersieht man ferner, daß die inneren Umfangsteile 15,15" usw. auf einem konzentrisch zum Außenumfang 29 der Form 10 liegenden Kreis 33 liegen. Die Wand 34 des Bogenteils 12 und die Wand 35 des Bogenteils 14 berühren einander bei 36 in der Nähe der inneren Umfangsteile 15 und 15". Unter anderem infolge dieser konstruktiven Zusammenhänge bewahrt die Form ihre Festigkeit und Flexibilität, ohne daß irgendwelche Schmelzmetallverfahren, wie etwa Schweißung oder Lötung, zur Herstellung der Form 10 erforderlich wären.

Die Glieder 11,11', 11" usw. und folglich die Form 10 sind über einen weiten Temperaturbereich konstruktiv stabil Thermische Spannungen in der Form 10 können nicht übermäßig groß werden, und infolge der konstruktiven Gestaltung der Form 10 bewirken diese Spannungen eine gute Wärmeleitung zwischen dem Umfangsteil 13 und der Hülse 18. Wenn eine Form 10 in eine Hülse 18 der dargestellten Gestalt bei Umgebungstemperatur eingesetzt wird, und wenn das Glied 11 erhitzt wird, während die Temperatur der Hülse 18 im wesentlichen gleich bleibt, bewegt sich das Bogenteil 12 in die Stellung 40, in der die gestrichelten Linien 41 und 42 die Außen- und Innenseite des Bogenteils 12 darstellen. Diese Dehnung des Bogenteils 12 bewirkt, daß das Umfangsteil 13 sich in der Nähe der Faltlinie 21 gegen die Hülse 18 andrückt und so eine gute Berührung zwischen der Außenseite 27 des Umfangsteils 13 und der Innenwand 30 der Hülse 18 vorhanden ist Diese Kraft infolge Wärmedehnung kann jedoch nicht übermäßig groß werden, da sich das Bogenteil 12 weiter biegen kann. Die übrigen Bogenteile 12', 14', 12", 14" usw. biegen sich in gleicher Weise. Bei gleichmäßiger Temperatur bleibt der Abstand zwischen den Bogenteilen im wesentlichen unverändert In der Katalysatorform 10 ist ein weiterer, spannungsabbauender Mechanismus dadurch vorgesehen, daß die inneren Umfangsteile 15,15', 15" usw. lose sind, so daß sie sich bei Erhitzung in Richtung des Pfeiles 44 verschieben können, um weitere Spannungen zu beseitigen.

Infolge der beschriebenen konstruktiven Ausbildung der Form 10 ist ein guter Wärmeübergang zwischen den Bogenteilen 12,14 und dem Umfangsteil 13 und folglich zur Hülse 18 gegeben. Wenn daher auf der Außenseite der Hülse 18 ein Wärmetransportmedium vorhanden ist kann man schnell Wärme zu den Bogenteilen 12,14 hin und von diesen wegleiten. Infolge der bogenförmigen Gestaltung der Bogenteile 12, 14 und der freien Anlage der inneren Umfangsteile 15,15', 15" usw. werden Wärmespannungen gut bewältigt, während der Abstand zwischen den Bogenteilen über einen großen Temperaturbereich konstant gehalten wird.

Der Streifen kann aus irgendeinem Metall bestehen, das mechanisch zur Bildung der Form bearbeitet werden kann, etwa aus Eisen, Aluminium oder rostfreiem Stahl. Streifen aus Aluminium sind jedoch am meisten bevorzugt wegen der Kosten, der Verfügbarkeit, der allgemeinen Trägheit gegenüber den meisten chemischen Reaktionen und wegen ihrer Eignung zur mechanischen Bearbeitung. Die Streifen sind im allgemeinen ziemlich dünn, fast immer dünner als 2,54 mm, und im allgemeinen etwa 0,254 mm dick.

Bei dem vom Streifen getragenen Katalysator kann es sich um irgendeinen bekannten Katalysator für die betreffende chemische Reaktion handeln. Die Katalysatoren werden entsprechend dem chemischen Verfahren ausgewählt

Gemäß der Darstellung in den Fig. 11, 12 und 13 kann der Katalysator vom Streifen 57 auf irgendeine Weise getragen werden. In F i g. 11 ist der Katalysator 58', 59' elektromechanisch auf den Streifen 57 aufgebracht. Bei der Ausführunesform pemäß Fi ο 1? he-

steht der Streifen 57 selbst aus dem Katalysatormaterial 58". In F i g. 13 ist ein bevorzugtes Verfahren zur Befestigung des Katalysators 58, 59 am Streifen 57 dargestellt

Andere Verfahren zur Anbringung des Katalysators am Streifen bestehen beispielsweise darin, daß man das Katalysatormaterial aufsprüht der Anwendung des Plasma-Sprühverfahrens, der Aufbringung mit Elektrophorese, der Aufdampfung auch unter Vakuum, dem Eintauchen in ein Schmelzbad und der Aufbringung von Gemischen mit anschließender Behandlung.

Im allgemeinen wird der Streifen mit Querfaltlinien versehen. Der Abstand zwischen diesen Faltlinien entspricht im allgemeinen den oben beschriebenen Teilen. Die den Bogenteilen entsprechenden Abschnitte wer- is den dann gebogen, und der Streifen wird anschließend entlang der Faltlinien gefaltet Der Streifen wird dann oder gleichzeitig in die in Fig. 1 dargestellte Ringform gebracht indem man die inneren Umfangsteile auf einen Kreis bringt Fig. 8 zeigt das Biegen des Streifens zwisehen einem oberen Preßstempel 61 und einem unteren Preßstempel 62.

In F i g. 4 ist eine Presse 50 mit einer oberen Preßplatte 51 und einer unteren Preßplatte 52 dargestellt Die obere Preßplatte ist mit Vorsprüngen 55 und 56 und die untere Preßplatte mit Vorsprüngen 53 und 54 versehen. Zwischen den Preßplatten 51 und 52 wird der mit dem Katalysator 58, 59 versehene Streifen 57 angeordnet Die Preßplatten 51,52 werden dann gegeneinanderge es vorteilhaft sein, einen Stopfen 19 (Fig. 1) zu benutzen. Bei dieser Ausführungsform ist der die Mitte 20 der Form 10 umgebende offene Raum allgemein ein Totraum, in den keine Gase hinein- oder herausströmen.

Man kann jedoch auch einen Stab oder ein Rohr in den hohlen Raum 20 einsetzen, um zu verhindern, daß die Reaktionsteilnehmer den Totraum ausfüllen. Wenn ein Rohr verwendet wird, kann man ferner durch dieses Rohr noch ein Wärmeaustauschmedium strömen lassen.

Wenn einige Reaktionsteilnehmer gasförmig und einige flüssig sind, werden die flüssigen Reaktionsteiinehmer durch die Leitung 78 so langsam in den Wärmeaustauscher 70 eingelassen, daß die Flüssigkeit durch die Rohre 73, 73' und über die Bogenteile 12, 14, 12\ 14' usw. sickert Dies kann man mit Strömungen der P.üssigkeit und des Gases im Gegenstrom oder in gleicher Strömungsrichtung erreichen. Da die die Bogenteile 12, 14, 12', 14' usw. bedeckende Flüssigkeitsschicht sehr dünn ist ist die Diffusion der Reaktionsgase durch die Flüssigkeitsschicht zum die Bodenteile bedeckenden Katalysatormaterial ziemlich schnell, was zu einer schnellen Reaktion führt Dies ist besonders nützlich, wenn die Reaktionsflüssigkeit die Katalysatoroberfläche benetzt

Gemäß einer Variante kann man die Flüssigkeit in den Gasstrom in Form feiner Tröpfchen injizieren und so ein Aerosol bilden. Man bewirkt dann, daß das Aerosol durch die Teile 12,14,12\ 14' usw. mit einer solchen Geschwindigkeit strömt, daß die Flüssigkeitströpfchen i i bl S

preßt so daß die Vorsprünge 53 bis 56 in den Streifen 57 30 in einer turbulenten Strömung von einer zur anderen eingepreßt und hierdurch die Faltlinien 21—24 gemäß Oberfläche der benachbarten Bogenteile prallen, um so F i g. 5 bis 7 erzeugt werden.

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Die F i g. 9 und 10 zeigen die Art der Verwendung der Katalysatorform. Gemäß der Darstellung in F i g. 9 ist die Form 10 von einem kreisförmigen, flexiblen Band oder Blech 67 umgeben, dessen Enden mit einem Bolzen 68 zusammengezogen werden können, um so den Umfang des Bleches 67 kleiner zu machen. Der Bolzen 68 wird angezogen, bis der Außenumfang 29 (F i g. 3) kleiner ist als der Durchmesser der Hülse 18. Das Blech 67 wird dann in die Nähe der Hülse 18 gebracht und die Form 10 gleitet aus dem Blech 67 in die Hülse 18, woraufhin die Form 10 sich derart ausdehnt daß die Umfangsteile 13 der Glieder 11,11'. 11" die Innenwand der Hülse 18 berühren.

In Fig. 10 ist ein herkömmlicher Wärmeaustauscher 70 mit einem Außengehäuse und Rohren dargestellt dessen Kappen 71 und 72 abnehmbar sind, wobei die Rohre 73,73' allgemein den Hülsen 18 entsprechen. Das Wärmeaustauschmedium tritt durch den Einlaß 74 ein und durch den Auslaß 75 aus. Die ReEktionsmitte! treten durch den Einlaß 76 ein und durch den Auslaß 77 aus. Wenn beide Reaktionsteilnehmer Gase sind, werden sie im allgemeinen gemischt durch den Einlaß 76 in den Wärmeaustauscher 70 eingespeist Wenn jedoch einer der Reaktionsteilnehmer eine Flüssigkeit ist kann er durch eine mit einem Ventil 79 versehene Leitung 78 in den Wärmeaustauscher 70 eingeführt werden. Zur Abführung aus dem Wärmeaustauscher 70 dient eine mit einem Ventil 81 versehene Leitung 80. Die Katalysatorform hat eine Reihe von Vorteilen, die sich besonders auswirken, wenn die Reaktionsteilnehmer alle gasförmig sind, oder wenn einer oder mehrere dieser Reaktionsteilnehmer Flüssigkeiten sind. Wenn alle Reaktionsteilnehmer Gase sind, findet infolge des geringen Abstandes zwischen den Bogenteilen eine innige Berührung der Gase mit dem Katalysator statt Bei Verwendung der Form 10 in einem Wärmeaustauscher 70 kann

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eine gute Berührung zwischen dem Aerosol und dem Katalysator zu erreichen. Dies ist besonders nützlich, wenn die Reaktionsflüssigkeit die Katalysatoroberfläche nicht benetzt

In den folgenden Beispielen sind alle Teile und Prozentsätze auf das Gewicht bezogen, sofern nichts anderes angegeben wird.

Beispiel 1

Ein Aluminiumstreifen mit 0,254 mm Dicke wird mit einer Beschichtung aus Silber versehen, die durch elektrochemische Mittel aufgebracht ist Dieser Streifen wird dann mit den an Hand der F i g. 4 bis 7 beschriebenen Faltlinien versehen. Dem Streifen wird dann die hier mit Bezug auf die Fig.8 beschriebene bogenförmige Gestalt verliehen, und der Streifen wird dann gemäß der Darstellung in F i g. 1 zur Form gefaltet Die Form 10 wird dann auf die in F i g. 9 beschriebene Weise in eine Hülse 18 eingesetzt woraufhin ein Strom aus einem Gemisch durch die Form 10 geleitet wird, das aus einem Mol Äthylen und einem halben Mol Sauerstoff besteht Ein Teil des Äthylens wird zu Äthylenoxid umgesetzt

Beispiel 2

Das Verfahren wird gemäß Beispiel 1 wiederholt mit der Ausnahme, daß ein Streifen gemäß der Darstellung in F i g. 13 verwendet wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Katalysatorform mit einem abwechselnd hin und her gefalteten, zahlreiche Glieder bildenden Band, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Glied (11,11', 11") ein Radialteil (12), ein an dieses Teil angeschlossenes äußeres Umfangsteil (13), ein an dieses angeschlossenes zweites Radialteil (14) und ein wiederum hieran anschließendes inneres Um- to fangsteil (IS) aufweist, das wiederum an das erste Radialteil (12') des nächsten Gliedes (H') angeschlossen ist, wobei das Band (57) aus einem Katalysatormaterial (58,59) besteht oder dieses trägt, daß das Band (57) zur Bildung der Teile entlang rechtwinklig zu seiner Längsachse verlaufenden Faltlinien (21-24) gefaltet ist, daß die Sehne (C12) der Bogenteile (12,14) mit einem auf der konvexen Seite der Bogenteile liegenden, durch das innere Ende derselben verlaufenden Radius (R 12) der Form (10) einen spitzen Winkel (λ) bildet, daß die Außenseiten (29) der äußeren Umfangsteile (13) eine den Umfang der Form bildende unterbrochene Zylinderfläche bilden, daß die inneren Umfangsteile (15) auf einem Kreis (33) liegen und daß die Bogenteile (12, 14) einander in der Nähe des gemeinsamen inneren Umfangsteiles (15) berühren, wobei die Innenseite (30) einer zylindrischen Hülse (18) mit den äußeren Umfangsteilen (13) in wärmeleitender Berührung steht

2. Verwendung der Katalysatorform nach Anspruch 1 in einem ein Außengehäuse und Rohre umfassenden Wärmeaustauscher.