DE2501241A1 - Fluidbehandlungsstruktur - Google Patents
FluidbehandlungsstrukturInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluidbehandlungsstruktur
und insbesondere auf eine Fluidbehandlungsstruktur, die sich als Filter und/oder katalytischer Reaktor eignet.
Wenn lose Fasern für die Filtration oder als Katalysatorträger verwendet werden, dann besteht die Neigung, daß sie in
den Fluidstrom aufgenommen oder zusammengedrückt werden, was in einem Fall zum Verlust von Fasern und im anderen Fall zu
einem hohen Strömungswiderstand führt. Die Verwendung von
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Bindern ermöglicht es, das Problem des Verlustes von Pasern
zu überwinden, aber hierdurch wird das Problem des Strömungswiderstands noch größer. Wenn anorganische Fasern
verwendet werden, die hohe Temperaturen aushalten müssen, wie sie beispielsweise bei der Motorabgasbehandlung auftreten,
dann wird das Problem noch akuter, da anorganische Pasern ziemlich spröde sind und beim Zusammendrücken zerbrechen.
Es ist auch bekannt, anorganische Pasern mittels anorganischer
Binder zu binden, um das Zusammendrücken zu vermeiden, aber dies führt zu einer noch größeren Sprödigkeit
und sogar Gebrauchsunfähigkeit.
Es wurde nunmehr gefunden, daß ein hoher Druckabfall an einem Faserfilter oder Faserreaktor aufgrund des Zusammendrückens
der Fasern und eines daraus resultierenden hohen Strömungswiderstands dadurch verringert werden kann, daß
man gemeinsam mit den Fasern ein gewundenes Metallnetz verwendet. Diese Kombination ist besonders vorteilhaft im Falle
von anorganischen Pasern, da diese dann nicht gebunden werden müssen und die Pasern mit einer Haltestruktur versehen
sind.
Gemäß der Erfindung wird also eine Fluidbehandlungsstruktur vorgeschlagen, die aus mindestens einer Schicht eines gewundenen
Metallnetzes und mindestens einer daran angrenzenden Schicht aus organischen oder anorganischen Fasern besteht.
Die erfindungsgemäßen Strukturen können als Filter, Absorber oder Reaktoren verwendet werden und eignen sich besonders
für Feststoff/Gas-Trennungsprozesse, beispielsweise für die Entfernung von Ruß oder Blei aus Motor- oder Abgasen. Die
Strömung des Fluids erfolgt vorzugsweise parallel zu den Schichten des Schichtgebildes.
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Für die Filtration oder für die katalytlsche Anwendung bei
Temperaturen über ungefähr 15O0C werden als Fasern vorzugsweise
anorganische Fasern gewählt, beispielsweise Asbest-, Glas- oder Aluminosilikatfasern, aber für Anwendungen, bei
denen Temperaturen von mehr als ungefähr 100O0C oder aggressive
Bedingungen auftreten, wird es bevorzugt, Fasern aus polykristallinen feuerfesten Metalloxyden zu verwenden, wie
z.B. Zirkoniumoxyd- oder Aluminiumoxydfasern. Besonders geeignete Fasern für die Verwendung gemäß der Erfindung sind
diejenigen, die unter dem Warenzeichen "Saffil" erhältlich
sind. Zwar können auch lose, willkürlich angeordnete Fasern verwendet werden, aber es wird bevorzugt, daß die Faserschichten
die Form einer laminierten Masse aufweisen, so daß die Fasern der Strömung des zu behandelnden Mediums nur einen
möglichst geringen Widerstand entgegensetzen. Die Fasern können in gewebter oder nicht-gewebter Form verwendet werden.
Naß abgelegte Filze, die aus Dispersionen von losen Fasern hergestellt werden, besitzen eine gleichmäßigere
Dichte und Dicke als lose Faserdecken, weshalb sie bevorzugt werden. Benadelte, nicht-gewebte Decken eignen sich besonders
gut, da sie leicht handzuhaben sind und die Fasern ohne Verdichtung zusammengehalten werden. Die Dichte der Fasermasse
kann die verschiedensten Werte annehmen und wird für den jeweiligen Anwendungszweck ausgewählt. Bei "Saffil"
ist die Dichte der Fasermasse vorzugsweise 0,06 bis 0,26 g/cm , beispielsweise ungefähr 0,16 g/cm . Unterhalb 0,06 g/cm-* werden
die Fasern beim Gebrauch zu leicht verschoben, und über 0,26 g/cm' ist der Druckabfall für die meisten Anwendungen
ziemlich hoch.
Fasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 0,5 und 50/U eignen sich im allgemeinen für die Erfindung.
Das Metallnetz ist zweckmäßigerweise ein gewebtes oder gestricktes Metallnetz. Es kann sich auch um ein Streck-
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metallnetz handeln. Das Metallnetz wird so ausgewählt, daß es den Bedingungen entspricht, unter denen die Struktur verwendet
wird. Rostfreier Stahl oder Nickellegierungen (beispielsweise Incaloy DS oder Inconel X75O) werden für die
meisten erfindungsgemäßen Anwendungen bevorzugt. Nickel/
Eisen-Legierungen sind besonders gut für die Verwendung unter
Oxydationsbedingungen und unter hohen Temperaturen in Anwesenheit von Kohlenstoff, wie z.B. Ruß, da dabei die
Schwierigkeit der Carbonisierung des Stahls vermieden wird.
Das Netz wird vorzugsweise dadurch gewunden, daß es in einer zweckmäßigen Weise gekrimpft oder gewellt wird, indem
beispielsweise ein gestricktes Netz zwischen ineinandergreifende Rollen hindurchgeführt wird. Die Windungen müssen
nicht gleichförmig sein, aber für die meisten Ausführungsformen werden mehr oder weniger regelmäßige Wellungen bevorzugt
. Das Wellen oder Krimpfen kann auch dadurch ausgeführt werden, daß man das Netz in Windung mit einer geeigneten
Länge, die von der für die Struktur vorgesehenen Verwendung abhängt, preßt oder faltet. Beispielsweise wird in
einem Filter die Amplitude und Länge gemäß dem Druckabfall ausgewählt, der am Filter toleriert werden kann. Für die
meisten Ausführungsformen besitzen die Windungen eine Amplitude und Länge von ungefähr 3 bis 6 mm. Windungen von weniger
als 3 mm sind ziemlich schwierig herzustellen. Oberhalb
6 mm wird die Struktur für eine wirksame Filtration zu offen.
Bei einigen Ausführungsformen wird es bevorzugt, eine Schicht eines nicht-gewundenen Metallnetzes zwischen das gewundene
Netz und die Fasern zu legen. Hierdurch wird der Druckabfall weiter verringert, wenn die Struktur als Filter verwendet
wird, indem die unbeschränkte Fläche der Gaswege erhöht wird. Ein gewebtes Drahtnetz aus Stahldraht mit 2 mm Maschen und
29 Standard-Draht-Gauge eignet sich für diesen Zweck.
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Bei einigen Ausführungsformen ist es nötig, das gewundene Metallnetz
an einem geeigneten Ankerpunkt, der einen Teil der Struktur bilden kann, festzubinden. Beispielsweise kann das
Netz an einem Behälter, in dem es angeordnet ist, oder an einem geeigneten Halteteil, wie z.B. einem axialen Stab, befestigt
werden.
Bei einigen Ausführungsformen, beispielsweise wenn es erwünscht
ist, katalytische Reaktionen bei einer erhöhten Temperatur auszuführen,
können die Strukturen und/oder das Fluid durch geeignete Maßnahmen erhitzt werden. Wenn es erwünscht ist, Feststoffe,
wie z.B. Ruß, der aus dem Fluid durch die Struktur herausfiltriert worden ist, auszubrennen, kann es nötig sein,
Luft in die Struktur an irgendeinem geeigneten Punkt einzuspritzen und gleichzeitig Wärme zur Bewirkung der Verbrennung
zuzuführen.
Ein zweckmäßiger Weg für die Zuführung von Wärme zur Struktur besteht darin, das Metallnetz mit einer Quelle elektrischer
Energie zu verbinden, so daß es als elektrisches Heizelement wirkt.
Gegebenenfalls können Katalysatoren auf den Pasern und/oder
dem Metallnetz angeordnet werden, beispielsweise bei Ausführungsformen, bei denen die Struktur als Reaktor für die
katalytische Behandlung von Abgasen verwendet wird, von denen
schädliche Bestandteile entfernt werden müssen, wie z.B. Kamingase und Automobilabgase.
Das Metallnetz oder die Fasern der erfindungsgemäßen Struktur können in zweckmäßiger Weise mit einem Material behandelt
werden, damit es von der Umgebung geschützt wird, in welcher es verwendet wird, wie z.B. vor hohen Temperaturen
oder oxydierenden Bedingungen, beispielsweise in Auspuffanlagen
von Fahrzeugen. Ein geeigneter Belag ist beispielsweise eine feuerfeste anorganische Verbindung, wie z.B. ein
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Metalloxyd, insbesondere Aluminiumoxyd oder Siliziumdioxyd, oder ein Metallphosphat.
Beläge können auf dem Metallnetz oder den Pasern zweckmäßig
sein, um eine weitere Komponente der erfindungsgemäßen Struktur zu schaffen, welche die Filtration oder Absorptionskapazität der Struktur verbessert. Beispielsweise ergibt
ein Belag aus Aluminiumoxyd auf dem Metallnetz eine brauchbare Komponente, welche die Entfernung von unerwünschten
Materialien in Abgasen unterstützt, beispielsweise den Gestank in Dieselmotorabgasen oder das Blei in Funkenzündungsmotorabgasen.
Besonders brauchbar ist eine Struktur, bei der ein Netz aus rostfreiem Stahl, das mit Aluminiumoxyd
beschichtet ist, gemeinsam mit Aluminiumoxydfasern verwendet wird. Eine solche Kombination ist bei der Entfernung von
Blei aus Abgasen eines mit Benzin angetriebenen Motors sehr wirksam.
In zweckmäßiger Weise kann Aluminiumoxyd als Belag auf das Metallnetz oder die Pasern dadurch abgeschieden werden, daß
man dieselben mit einer Lösung eines geeigneten Aluminate, wie z.B. Natrium- oder Kaliumaluminat, kontaktiert. Es ist
günstig, die Kontaktierung bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 60 bis 1000C durchzuführen. Nach der
Kontaktierung (beispielsweise durch Eintauchen ) des Netzes und/oder der Pasern mit der Lösung wird der Lösungsüberschuß
abgewaschen, wird das Netz und/oder werden die Pasern getrocknet (beispielsweise durch Erhitzen) und wird der Belag
kalziniert, beispielsweise bei 400 bis 1000°C.
In die Beläge können Katalysatoren einverleibt werden. Die Katalysatoren können auch auf den Belägen angeordnet werden.
Dies ist besonders günstig für Ausführungsformen, bei denen die Strukturen als Reaktor für die katalytische Behandlung
von Autoabgasen verwendet werden. So können Chromverbindun-
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gen oder Phosphate verwendet werden, um die Entfernung von Blei zu unterstützen. Oxydationskatalysatoren, insbesondere
Platin oder Palladium, können zur unterstützung des Oxydationsverfahrens
bei der Behandlung der Gase verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Strukturen können mehrere gewundene Metallnetze und mehrere Faserschichten aufweisen, wobei
beispielsweise die Netze mit Faserschichten alternieren. Die jeweilige Kombination aus Faserschicht, gewundenem Metallnetz
und ungewundenem Netz (sofern verwendet) hängt von der Jeweiligen Anwendung ab, der die Struktur zugeführt werden
soll. Die Schichten aus Fasern und Netzen können eben oder gekrümmt sein. Es ist üblicherweise äußerst zweckmäßig,
daß die Struktur spiralförmig gewunden ist oder konzentrische Schichten aufweist, wie dies weiter unten gezeigt wird.
Wie bereits festgestellt, fließt das Fluid normalerweise bevorzugt
parallel zu den Schichten. Insbesondere wird das Fluid bevorzugt so in die Struktur eingeführt, daß es in
einer Richtung entlang der Windungen des gewundenen Netzes fließt. Bei den meisten Ausführungsformen liegen Zwischenräume
innerhalb der Windungen zwischen der Faserschicht und dem unmittelbar benachbarten Netz vor, so daß mindestens
ein Teil des Fluids in der Struktur verhältnismäßig ungehindert fließen kann, wodurch der Druckabfall auf ein Minimum
gehalten wird. Dieser Teil des Fluids geht durch die Struktur nicht vollständig unbehandelt oder !infiltriert hindurch,
da er nämlich wiederholt mit den Faseroberflächen in Kontakt kommt. Um den Weg der Fluidströmung innerhalb der
Struktur zu erhöhen und dabei die Filtration oder Heaktionswirksamkeit
zu verbessern, kann das gewundene Metallnetz so geformt werden, daß die Windungen einen einer Anzahl von alternativen
Wegen einnehmen. Dies kann zweckmäßig dadurch er-
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reicht werden, daß man den ursprünglichen Windungen ein Zick-Zack-, sinusförmiges, treppenartiges oder anderes derartiges
Muster überlagert.
Die erfindungsgemäßen Strukturen eignen sich für eine große Reihe von Fluidströmungsgeschwindigkeiten. Da der Druckabfall
im allgemeinen sehr niedrig ist, können hohe Gasgeschwindigkeiten, beispielsweise bis zu 8 m/sec leicht erreicht
werden.
Außer für eine Peststoff/Gas-Trennung können die Strukturen auch für eine Feststoff/Flüssigkeits-Trennung verwendet
werden. Beispielsweise finden sie Anwendung bei der Entfernung von festen Niederschlagen aus Schneideölen.
Beim Gebrauch werden die erfindungsgemäßen Strukturen in einem geeigneten Behälter angeordnet. Wenn sie beispielsweise
zur Behandlung von Motorabgasen verwendet werden, dann können sie in eine Metallkammer eingebracht werden,
die einem üblichen Auspufftopf ähnelt.
Drei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstands sind in den Figuren 1 bis 3 gezeigt. Es wird darauf hingewiesen,
daß die Erfindung auf diese Formen nicht beschränkt ist.
Figur 1 zeigt einen Teilschnitt durch einen rechteckigen Stapel innerhalb eines äußeren Behälters 4, an welchem
die Metallnetze 1 und 3 befestigt sind. Das Netz 1 besteht aus einem gewebten Netz aus rostfreiem Stahl in gekrimpfter
Form (9017/2 χ 33 swg/crimp 3 ex Knitmesh Limited). An jede Schicht eines Netzes 1 grenzt ein Netz 3 aus ungekrimpftem
gewebtem Netz aus rostfreiem Stahl an (2 mm, 29 swg). Zwischen der Unterseite eines jeden Netzes 3 und der Oberseite
des benachbarten Netzes 1 liegt eine Decke 2 aus "Saffil"-Aluminiumoxydfasern
mit einer durchschnittlichen Fasermassen-
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dichte von ungefähr 0,11 g/cm . Gase, die durch die Struktur
filtriert werden sollen, werden in die Zwischenräume 5, die durch die Krimpfung des Netzes 1 gebildet werden, eingeführt.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Figur 2 dargestellt, die einen Teilschnitt durch eine Struktur zeigt, welche
zur Filtration von Ruß aus Dieselabgasen verwendet wird.
Ein gewundenes gewebtes Netz 1 aus rostfreiem Stahl (9017/2 x 33 swg/crimp 3 ex Knitmesh Limited) ist entlang einer Seite
an einer Stange 4 aus rostfreiem Stahl befestigt, und besitzt die Form einer spiralförmigen Rolle, die koaxial zur
Stange 4 verläuft. Eine Decke 2 aus "Saffillf-Zirkoniumoxydfasern
mit einer durchschnittlichen Fasermassendichte von ungefähr 0,16 g/cm , die ebenfalls die Form einer spiralförmigen
Rolle aufweist, welche koaxial zur Stange 4 verläuft, ist innerhalb der Spiralen des Netzes 1 angeordnet.
Ein gewebtes Drahtnetz 3 aus rostfreiem Stahl (2 mm, 29 swg) liegt zwischen dem Netz 1 und der Faserdecke 2 innerhalb
der Spirale und ist ander Stange 4 befestigt.
Beim Gebrauch werden Dieselabgase axial über die Zwischenräume
5, die durch die Windungen des Netzes 1 gebildet werden, durch die Spirale hindurchgeführt und dadurch filtriert.
Bei einer alternativen Anwendung, beispielsweise bei der Entfernung von Blei aus Autoabgasen, wird die Faserdecke 2
durch eine Decke aus "Saffil"-Aluminiumoxydfasern ersetzt.
Figur 3 zeigt eine Struktur, die derjenigen von Figur 1 analog ist, wobei aber die Schichten koaxial angeordnet
sind, so daß eine zylindrische Struktur entsteht. Die Schichten sind konzentrisch um eine zentrale Stange 4 angeordnet,
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und zwar in der folgenden Reihenfolge: Faserdecke 2, ungekrimpftes
Metallnetz 3, gekrimpftes Netz 1, wobei von der Stange 4 begonnen wird. Die Faserdecke und die Metallnetze
sind denjenigen der Figur 1 ähnlich. Auch hier werden durch die Krimpfung Zwischenräume 5 für den Durchgang von Gasen
oder anderen Materialien, beispielsweise bei der Anwendung in der Filtration, geschaffen.
Eine Vielzahl von Strukturen können verwendet werden, um die Filtrationsfläche zu schaffen, die zur Bewirkung der
gemischten Filtration unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Abgasströmung erforderlich ist.
Die Figuren 4 bis 7 zeigen schematisch alternative Wege, wie die Windungen des gewundenen Netzes durch die Struktur
im Verhältnis zur Strömungsrichtung des Mediums hindurchgehen können. Figur 8 zeigt schematisch die Form von Windungen
entlang des Schnitts "A"-"A" für jede der Figuren 4
bis 7.
Die Figuren 9 bis 12 zeigen schematisch vier verschiedene Kombinationen aus gewundenem Metallnetz 1, Faserschicht 2
und ungewundenem Metallnetz 3.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Strukturen wird durch die folgenden Beispiele erläutert.
Die folgenden beiden Beispiele erläutern die Verringerung des Rußes in Dieselmotorabgasen durch eine erfindungsgemäße
Fluidbehandlungsstruktur.
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Beispiel 1
Es wurde die in Figur 2 gezeigte Struktur verwendet, um Ruß aus den Abgasen eines stationären 4,1 Ltr. Dieselmotors zu
entfernen, der mit 3000 U/min 16 Std. lang lief. Der Filter
(bestehend aus 1,1 kg "Saffil"-Zirkoniumoxydfasern und 2,1
kg eines 7,6 cm breiten gewundenen Netzes)befand sich in einer zylindrischen Kammer von 33 cm Durchmesser und 13 Ltr.
Fassungsvermögen. Das Gas wurde durch das Filter in axialer Richtung hindurchgeführt. Während des 16 Std. dauernden
Tests war der maximale Druckabfall 1,2 kN/m (90 mm Hg), war die Maximaltemperatur 6800C und wurde eine 25 S&ge Verringerung des Rauche (basierend auf der Bosch-Skala) erreicht
.
Ein ähnlicher Filter, wie derjenige von Beispiel 1, wurde
mit einem 3,6 Ltr. Dieselmotor verwendet, der mit 2160 tf/min
unter den Bedingungen des Gebrauchs auf einer Landstraße lief. Der Rußgehalt im Abgas wurde von 2,2 Bosch-Einheiten auf
0,5 Bosch-Einheiten verringert.
Die folgenden Beispiele erläutern die Verringerung des Bleis im Abgas eines Benzinmotors durch eine erfindungsgemäße
Fluidbehandlungsstruktur.
Es wurde die in Figur 2 gezeigte Struktur verwendet, um den Bleigehalt aus dem Abgas eines 1600 cnr Benzinmotors zu reduzieren,
der mit einem Zyklus lief, der aus 5 Min. Leerlauf mit 700 U/min und 16 Min. Lauf bei 4000 U/min, was einer Land-
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Straßengeschwindigkeit von 120 km/st entspricht, bestand. Die Gastemperaturen während der beiden Teile des Zyklusses
waren 36O0C bzw. 67O0C.
Die Filter (bestehend aus 860 g "Saffil"-Aluminiumoxydfasern
und 2,0 kg eines 7»6 cm breiten gewundenen Netzes) befanden sich in einem 13 Ltr. fassenden zylindrischen Behälter
von 33 cm Durchmesser. Während des Tests war der maximale Druckabfall am Filter 2 kN/m und die Bleifiltrationswirksamkeit
55 ^.
Ein Filter ähnlich dem von Beispiel 3, der aber eine kleinere Größe aufwies, wurde in einem 3 Ltr. fassenden Zylinder von
10 cm Durchmesser angeordnet und mit dem in Beispiel 3 beschriebenen Motor getestet, der mit 2750 U/min lief, was
einer Landstraßengeschwindigkeit von 90 km/st entspricht. Er enthielt 100 g "Saffil"-Aluminiumoxydfasern und 430 g
eines 7»6 cm breiten gewundenen Netzes. Während eines 60 Std. dauernden Tests war der maximale Druckabfall am Filter
42 kN/m , war die Temperatur des den Filter betretenen Gases 46O0C und betrug die Bleifiltrationswirksamkeit 49 #.
PATENTANSPRÜCHE:
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Claims (12)
- PATENTANSPRÜCHEFluidbehandlungsstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß sie auβ mindestens einer Schicht eines gewundenen Metallnetzes und mindestens einer daran angrenzenden Schicht aus organischen oder anorganischen Fasern besteht.
- 2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Asbest-, Glas- oder Aluminosilikatfa-8em. bestehen.
- 3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern polykristalline Metalloxydfasern sind.
- 4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxyd aus Zirkoniumoxyd oder Aluminiumoxyd besteht.
- 5. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern die Form einer laminierten Matte aufweisen.
- 6. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gewundene Metallnetz aus einem gestrickten Drahtnetz besteht.509829/0895-H-
- 7. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des gewundenen Metallnetzes aus rostfreiem Stahl oder einer Nickel/Eisen-Legierung besteht.
- 8. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schicht eines nichtgewundenen Metallnetzes zwischen dem gewundenen Metallnetz und den Fasern aufweist.
- 9. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallnetz oder die Fasern mit Aluminiumoxyd, Siliciumdioxyd oder einem Metallphosphat beschichtet sind.
- 10. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator auf den Fasern und/oder dem Metallnetz abgeschieden ist.
- 11. Struktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator aus einer Chromverbindung, Platin oder Palladium besteht.
- 12. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gewundene Metallnetze und mehrere Faserschichten alternierend angeordnet sind.13· Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Netz- und Faserschichten spiralförmig gewunden sind oder eine konzentrische Form aufweisen.WHHITANWaLTB MHNO.KFINaC& PIPL-ING. H. K)MS509829/0895
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