DE2339005A1

DE2339005A1 - Katalytischer waermetauscher

Info

Publication number: DE2339005A1
Application number: DE2339005A
Authority: DE
Inventors: Homer D Huggins
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1972-10-27
Filing date: 1973-08-01
Publication date: 1974-05-09
Also published as: CA970172A

Description

Katalytischer Wärmetauscher Die Erfindung besicht sich auf einen katalytischen Wärmetauscher und bestcht in der Anordnung eines Katalysators auf einem @etallträger, der mit einem Kühlglied oder Kühlelement über eine Isolierung verbunden ist, die einen Wärmefluß mit überwachter Geschwindigkeit suläßt, um so die Betriebstemperatur des Fatalysators aufrecht su erhalten, während eine Zerstörung des Metallträgers oder des Katalysators vermieden wird.
Ein enderes Merkmal der Erfindung bestcht darin, daß man eine Fluidmischung über ein Metallglied, das einen Katalysator enthält, strömen läßt, während Wärme von dem Metallglied durch ein Kühlmittel mit überwachter Geschwindigkeit abgezogen wird, derart, daß weder der Katalysator noch das @etallglied zerstört oder boeinträchtigt werden.
Der am nächsten kommande Stand der Technik ergibt aich aus der US-PS 2 778 610, in der Kühlrippen mit einer Katalysatorbeschichtung offenbart sind, jedoch sind diese Kühlrippen direkt an ein Wärmetauscherrohr angeschlossen. Weitorer Stand der Technik ergibt sich aus den US-PSen 3 050 935, 3 109 715, 3 228 746 und 3 239 317.
weitere Verteile, Merkmale und Einselheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung und der Zeichnung. In dieser seigt: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Wärmetauschers, bei dem ein Teil der oberen Kammer aufgebrochen ist und bei dem die @ippen mit übertriebenem Abstand dargestellt sind; Fig. 2 eine Endansicht einer katalytischen Reaktionsvorriohtun6, ia welcher der Wärmetauscher nach Fig. 1 angeordnet ist; Fig. 3 einen Teilschnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2 in einem vergrößerten Maßstab; und Fig. 4 eine der Eig. 3 ähnliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Wärmetauschors.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, umfaßt der Wärmetauscher 10 eine obere Kammer 11 eine untere Ke-er 12, parallele Kühlrohre 13, von denen jedes als ein Kühlelement wirkt und sich zwischen den beiden Kammern erstreckt, ein Metallglied in Form größerer Rohre 14, von denen Jedes ein Kühlrohr 13 konsentrisch und mit Abstand zu diesem umgibt und von den Rippen 15 ausgchen, die mit Abstand zueinender angeordnet sind und sich zwischen den Rohren 14 erstrecken, an denen sie befestigt sind.
Auf den Metallrohren 14 und den Rippen 15 ist ein Überzug aus einem Katalysator, beispielsweise Platin, abgelagert, was in größerer Einzelheit bei 16 in Fig. 3 dargestellt ist.
Die obere Kammer 11 ist mit einer Leitung 17 für ein Kühlmedium wie z.B. Kühlwasser und die untere Kammer 12 mit einer ähnlichen Kühlmittelleitung 18 verbunden.
Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die Kühlrohre 13 mit Abstand zu den jeweiligen konzentrischen Metallrohr 14 angeordnet. Die Rohre 14 tragen die Rippen 15 und den in übertriebener Weise dargestellten Ratalysator 16, der an den Aussenflächen der Rohre 14 und der Rippen 15 abgelagert ist.
Der Katalysator kann jeder gewünschte feste katalysator sein, der die Reaktion zwischen Bestandteilen einer reaktionafähigen Fluidmischund beschleunigt, die in die Vorrichtung, wie durch den Pfeil 19 in Fig. 2 angezeigt, hineinströmt, um Reaktionsprodukte zu erzeugen, die aus der Vorrichtung entsprechend dem Pfeil 20 austreten. Um die @luidmischung 19 in engem Kontakt mit den Rohren 14 und den Rippen 15 sowie der Katalysatorbeschichtung zu halten, sind diese Teile in einem schematisch mit 21 bezeichneten Gehäuse in Fig. 2 untergebracht, das einen Eingang 22 für die Fluidmischung 19 und eine Ausgang 23 Er die Reaktionsprodukte 20 aufweist.
Die Katalysatorbeschichtung 16 kann aus jedem festen Katalysator bestehen, der geeignet ist, die gawUnsehte reaktion zwischen den Bestandteilen der Fluidmischung 19 zu beschleunigen, was selbstverständlich von der rt der Fluidmischung abhängt. Solche Katalysatoren und die Katalysatorreaktionen sind gründlich erforscht und dem @achmann bekannt.
Ein Katalysatorsysten, das zur Zeit sehr wirkungsvoll und brauchbar ist, ist für die Oxidation von teilweise verbrannten @ohlenwasserstoffen aus Auspuffgasen von @rennkraftmaschinen wie z.B. Personenwagen, Dastwagen oder Zugmaschinen geeignet, um die Verschmutzung der Atmosphäre zu verringern.
Bei diesem Systemtyp werden die bei 19 angeseigten Gase in das System eingeleitet, wobei der in den Gasen vorhandene oder zugefühte Sauerstoff chemisch mit den unverbrannten Kohlenvasserstoffen feagiert, so daß die austretenden Gase 20 im wasentlichen frei von unverbrannten Kohlenwasserstoffen sind und deshalb frei sind von Verunreinigungen der Atmosphäre.
Die auf den Oberflächen der K@@alysatorträger angewandten Oxidations-Katalysatoren, die hier beschrieben sind, können aus Metall wie z.B. Palladium, Platin, Nickel, Silber o.@.
bestehen, die auf den Trägern in der zur Ablegerung dieser Katalysatoren auf Keramik@ubstratflächen üblichen Weise abgelagert sind. Oxide wie z.B. Vanadiumoxide, Chromoxide, Chronite, Kobaltite, gemischte Kupferoxide und ähnliche Oxide können ebenfalls a@gewendet und in ähnlicher Weise abgelagert oder in die Oberfläche der Katalysatorträger in bekannter Weise eingelagert werden.
Bei einer Ausführungsform sind die Katalysator-Trägerrohre 14 und Rippen 15 aus Stahl hergestellt und die Rippendichte beträgt etwa 50 bis 100 Rippen pro 2,5 cm Längenausdehnung. Die Rippen sind mit den Rohren 14 durch Hartlöten oder Schveißen verbunden. Die Temperaturen,auf denen die Katalysatorbeschichtung 16 des Wärmeaust@uschers für Abgase von Kraftfahrseugen gehalten werden, betragen 760 bis 870°C, was ausreichend ist, un die katalytische Oxidation der Kohlenwasserstoffe zu fördern. Die tatsächliche Reaktionstemperatur für diesen Typ einer katalytischen Reaktion liegt über diesen Temperaturen, so daß die Metallteile 14 und 15 durch die übermäßige Hitse leicht serstört werden könnten.
Um dies zu vermeiden, wird die über@chüssige Hit@e durch die Kühlrohre 13 und das Kühlmittel, welches durch diese Rohre und die Kammern 11 und 12 strömt, abgeleitet.
Die Geschwindigkeit, mit der die Wärme abgeleitet wird, muß übervacht werden, um den Katalysator auf seiner Reaktionstemperatur zu halten. Um ein Abkühlen des Katalysators unter die Reaktionstemperatur zu vermeiden, enthalten die Zwischenräume zwischen den konsentrischen Rohren 13 und 14 ein Isoliermittel zur Uberwachung und Aufrechterhaltung der Katalysatortemperatur, die im @alle der Oxidation van unverbrannten Kohlenwasserstoffen von Brennkraftmaschinen, wie oben erwähnt, zwischen 760 und 870°C liegt. Bei der Ausführungsform nach dan Fig. 1 bis 3 enthalten diese Zwischenräume ein Isoliermittel 26 mit beschränkter Wärmeleitfähigkeit.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht das Isoliermaterila mit kontrollierter Wärmoleitfähigkeit aus gewebten Metallitzen, wodurch ein begren@ter Kontakt zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Rohre 13 und 14 vorhanden ist, die den Raum 25 begranzen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 kann die Wärmebarriere27 mit begrensten Wär@eübertragungseigenschaften aus einem halbleitenden Medium bestehen, wofür asbest ein gutes Beispiel ist. Andere Barrieren, die hier zur Anwendung kommen können, sind ruhende Luft, Aluminiumfolie, Tone wie z.B. Kaolin und Kieselgur @owie verschiedene andere Materialien, die dem Fachmann bekannt sind.
Beim Betrieb des katalytischen Wärmeaustauschers nach der Erfindung werden die Abgase von Personenwagen-Brennkraftmaschinen,falls notwendig, unter Zufügung von Sanerstoff in das Gahäuse 21 durch den Ernlaß 22, wie dies bei 19 angedeutet ist, hineingeleitet und gleichzeitig Mühlwasser aus dem Kühlsysten des Kraftwagens durch den Wärmetauscher geleitet, wie dies mit dem Pfeil 24 angedeutet ist. Die Oxidationsreaktion beginnt unmittelbar nach dem Kontakt mit der Platinbeschichtung 16 oder mit einem anderen Katalysator, worauf die Temperatur des Katalysators unmittelbar eine Reaktionstemperatur von ungefähr 760 bis 870°C erreicht.
Diese Temperatur wurde aufgrund der begrenzten Leitfähigkeit aufrechterhalten, welche die überschüssige Wärme über die Rippen 15, die Rohre 14 und 13 und das Isoliermaterial 26 mit begrenzter Leitfähigkeit ableitet.
Patentansprüche

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Katalytische @eaktorvorrichtung für eine reaktionsfähige @luidmischung, gekennzeichnet durch ein Metallglied (14, 15), einen hierauf abgalagertan Katalysator (16), der bei einer Betriebstemperatur wirksam ist, die geringer ist als die Zer@törungstomperatur für dieses Metallglied, ein Kühlglied (13), eine Isolierung (26, 27) zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur des Metallgliedes und gekennzeichnet durch eine Einrichtung (21, 22, 23), durch die die reaktionsfähige Fluidmischung in Reaktionakontakt mit dem Katalysator (16) auf dem Metallglied (14, 15) kommt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallglied eine Vielsahl von Rippen (15) und ein Tragelement (14) aufweist, auf dem die Rippen mit Abstand zueinander angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Länge von 2,5 cm 50 bis 100 Rippen auf dem Tragelement (14) angeordnet zind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlglied ein Kühlrohr (13) aufweist, das mit dem Metallglied (14, 15) durch das Isoliermittel (26, 27) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadruch gekennzeichnet, daß das Kühlglied ein Kühlrohr (13) und das Tragelement ein im wesentlichen das Kühlrohr (13) konsentrisch umgebendes Rohr (14) umfaßt und daß das Isoliermittel (26, 27) zwischen beiden Rohren angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kühlrohren (13) jeweils mit dem Metallglied (14) und den Rippen (15) angeordnet sind und daß die Kühlrohrs (13) parallel zueinander angeordnet sind, die das Kühlmittel in parallelen Strömen durchströmt.
7. Verfahren zur Durchführung einer katalytischen Roaktion eines exothermisch reaktionsfähigen Fluidgenisches, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Metallgliedes und eines Katalysators hierauf, der bei einer Betriebstemperatur @rbeitefähig ist, die geringer ist als die Zerstörungstemperatur des Metallgliedes, weiter durch die Anordnung eines Kühlgliedes und eines Isoliermateriales zwischen dem Metallglied und dem Kühlglied, wobei das Isoliermaterial eine beschränkte Wärmeleitfähigkeit zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur am Metallglied aufweist und dadurch gekennzeichnet, daß men das reaktionsfähige Pluidgemisch in Reaktionskontekt mit dem Katalysator auf dem Metallglied bringt.