DE3042843A1

DE3042843A1 - Verfahren und vorrichtung zur katalytischen oxidierung von verunreinigungssubstanzen in einem abgasstrom

Info

Publication number: DE3042843A1
Application number: DE19803042843
Authority: DE
Inventors: John Edward Monroeville Pa. Aiken
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1979-12-21
Filing date: 1980-11-13
Publication date: 1981-07-02
Also published as: GB2065629A; BE886763A; IT8068962A0; FR2471805A1; JPS5697525A

Description

Ticrvrifc - Rflui iur - tfiMMc Patentanwälte und

IEDTKE DÜHLING IVINNE Vsrtreter beim EPA Grupe - Pellmann

Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

13. November 1980 DE 0805 / case 1838

USS ENGINEERS AND CONSULTANTS, INC. 10

Pittsburgh/Pennsylvania /USA

Verfahren und Vorrichtung zur katalytischen Oxidierung von Verunreinigungssubstanzen in einem Abgasstrom

Es ist bekannt, daß Edelmetalle als Katalysatoren zur Oxidierung von Verunreinigungssubstanzen in Abgasströmen eingesetzt werden. Diese Katalysatoren benötigen jedoch hohe Entzündungstemperaturen und können daher den Einsatz von großen Wärmeaustauschern für die Vorerhitzung des Abgases notwendig machen. Außerdem sind die Materialkosten für den Oxidations-Reaktionsbehälter wegen der hohen Temperaturen sehr hoch.

Um einige dieser Probleme zu überwinden, wurde ein System zur katalytischen Oxidierung entwickelt, bei dem Oxide von Mangan und Kupfer eingesetzt werden. Wenn der Abgasstrom oxidierbare Verunreinigungssubstanzen in Form von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen enthält, ist eine Vorerhitzung auf die relativ niedrige Entzündungstemperatur, die zur Oxidierung des CO erforderlich ist, möglich. Die Wärme, die durch die Oxidierung des

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XI/rs

Deulscno Bank (Munciiun) KIo. 51/61070 Dresdner Bank (Mur.chnn) KIo 3939 844 Posischeck (Munchun) KIo 670-43-804

CO freigesetzt wird, erhitzt das Gas auf die Entzündungstemperatur der Kohlenwasserstoffe.

Die niedrigere Vorerhitzungstemperatur und die c niedrigere Betriebstemperatur des Katalysatorbettes führen zu Einsparungen in bezug auf die Kosten der Vorerhitzung und die Materialkosten, da der Reaktionsbehälter beispielsweise mit billigerem Kohlenstoffstahl anstelle von rostfreiem Stahl hergestellt werden kann.

Dieser Oxidkatalysator kann jedoch sehr hohen

Temperaturen nicht widerstehen, was insbesondere dann zu Problemen führt, wenn die Konzentration der Verunreinigungssubstanzen so hoch ist, daß die Gastemperatur bei der Verbrennung auf 25 0 ⁰C oder mehr ansteigt.

Gegenstand der Erfindung ist das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur katalytischen Oxidierung von Verunreinigungssubstanzen in einem Abgasstrom. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine Kammer, die ein gasdurchlässiges Katalysatorbett mit einer ersten Katalysatorschicht aus Oxiden von Mangan und Kupfer und einer getrennten, zweiten Katalysatorschicht, die mindestens ein Edelmetall enthält, aufweist.

Es wurde festgestellt, daß der Einsatz des im erfindungsgemäßen Verfahren angewandten Katalysatorbettes im Vergleich mit dem Einsatz eines nur aus Oxiden von Mangan und Kupfer zusammengesetzten Katalysatorbettes bedeutende Vorteile hat. Es ist eine vollständigere Entfernung der oxidierbaren Verunreinigungssubstanzen aus dem Abgasstrom möglich. Das im erfindungs·

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gemäßen Verfahren eingesetzte Katalysatorbett weist auch eine bessere Beständigkeit gegenüber einer auf überhitzung beruhenden Schädigung des Katalysators auf, da durch die erste Katalysatorschicht nur ein Teil der

_ in dem Gasstrom enthaltenen, brennbaren Substanzen oxidiert wird, während die Edelmetallschicht die Verbrennung vervollständigt und viel höheren Temperaturen widerstehen kann als die erste Katalysatorschicht.

, ~ Weiterhin wird im erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich mit einem Verfahren, bei dem nur ein Edelmetallkatalysator eingesetzt wird, bei der Vorerhitzung des Abgasstromes vor dem Inberührungbringen des Abgasstromes mit dem Katalysator eine geringere Wärmeüber-

■jc tragungsoberflache benötigt. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung können außerdem im Vergleich mit einer Vorrichtung, bei der nur Edelmetalle eingesetzt werden, billigere Materialien eingesetzt werden, da niedrigere Oxidationstemperaturen möglich sind. Beispielsweise

2Q kann aus einem Abgas unter Anwendung des im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Katalysatorbettes mit einem Temperaturanstieg von 100 ⁰C beim Eintritt in das Katalysatorbett auf 400 ⁰C beim Verlassen des Katalysatorbettes die gleiche Menge an Verunreinigungssubstanzen entfernt werden, wie im Fall der alleinigen Verwendung eines Edelmetallkatalysators mit einem Temperaturanstieg über das Katalysatorbett von 400 ⁰C auf 700 ⁰C entfernt werden könnte. Dies bedeutet, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung billigerer Kohlenstoffstahl anstelle des kostspieligeren, rostfreien Stahls oder anderer Legierungen eingesetzt werden könnte. Andererseits können die kostspieligeren Materialien eingesetzt werden, wenn die Möglichkeit besteht, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung häufig hohen Temperaturen ausgesetzt wird, damit die Vorrichtung solchen Tempe-

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■j ratüren widersteht. Dadurch wird die Notwendigkeit einer Notentlüftung usw. vermieden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines

c Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer

erfindungsgemäß konstruierten Abgas-IQ reinigungsvorrichtung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer

Abgasreinigungsvorrichtung, die eine .. Ausführungsform der Erfindung darstellt und eine Vielzahl von Katalysatorbetten

enthält.

In den in Fig. 1 dargestellten Reaktionsbehälter 1 tritt ein oxidierbare Verunreinigungssubstanzen enthaltender Abgasstrom durch einen Einlaß 2 einer Kammer 3 hindurch ein. Der Gasstrom strömt dann durch ein Katalysatorbett 4 hindurch, das aus einer ersten, oberen Schicht 5, die Oxide von Mangan und Kupfer enthält, und einer zweiten Schicht, einer Edelmetallschicht 6, besteht. Zwischen den Schichten 5 und 6 befindet sich vorzugsweise eine inerte Zwischenschicht 7. Nachdem der Gasstrom durch das Katalysatorbett 4 hindurchgeströmt ist, verläßt er die Kammer 3 durch einen Auslaß 8.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Maleinsäureanhydrid-Dämpfe und andere oxidierbare Verunreinigungssubstanzen enthaltender Abgasstrom bei 10 in eine Waschvorrichtung 11 eintritt, wo der Abgasstrom mit einer Waschflüssigkeit in Berührung gebracht wird, um das Maleinsäureanhydrid

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zu entfernen, wobei geringe Mengen von Maleinsäure zurückbleiben, die in Tröpfchen der Waschflüssigkeit, die in dem Abgasstrom dispergiert sind, aufgelöst ist. Der Abgasstrom strömt dann durch eine Leitung 12 hindurch c zu einem Wärmeaustauscher 13, in dem der Abgasstrom mit einer Vielzahl von in einem geringen Abstand voneinander angeordneten, dünnen Rippen-Heizelementen in Berührung kommt, auf denen die Waschflüssigkeit aus den Tröpfchen verdampft, während sich die Feststoffe, die

IQ aufgelöst waren, auf den Heizelementen abscheiden. Der erhitzte Abgasstrom, der von mitgerissenen Tröpfchen und aufgelösten Feststoffen befreit ist, strömt dann durch eine Leitung 14 hindurch zu einem zweiten Wärmeaustauscher 1/5, der seine Wärme vorzugsweise von einer Einheit für die katalytische Oxidierung 17 erhält, nachdem diese Einheit in Betrieb genommen worden ist. Der vorerhitzte Gasstrom verläßt den Wärmeaustauscher 15, strömt durch eine Leitung 16 hindurch und strömt in die Einheit für die katalytische Oxidierung 17 hinein, die eine Vielzahl von Kammern 21 enthält, die jeweils horizontal angeordnete, parallele Katalysatorbetten 23 mit entsprechenden Verteilerplatten 22 aufweisen. Jede Verteilerplatte 22 enthält öffnungen, durch die in der Verteilerplatte eine offene Fläche von insgesamt weniger als etwa 10 % geschaffen wird. Die Außenwand 18 des Reaktionsbehälters umgibt Verteilungs- bzw. Sammelrohre 19, durch die der Abgasstrom in die Einlasse 20 der Kammern 21 hinein- bzw. aus den Auslassen 24 der Kammern

21 abgeführt wird. Der Abgasstrom, in dem oxidierbare Verunreinigungssubstanzen enthalten sind, tritt durch die Einlasse 20 ein, strömt über die Verteilerplatten

22 durch die gasdurchlässigen Katalysatorbetten 23 hindurch und tritt dann durch die Auslässe 24 hindurch aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für irgend-

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ι welche Abgasströme angewendet werden, in denen Verunreinigungen enthalten sind, die durch katalytisch^ Oxidierung entfernt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind jer doch besonders geeignet für Abgasströme, die aus Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bestehende, oxidierbare Verunreinigungssubstanzen enthalten, beispielsweise für die Abgasströme, die bei der Herstellung von Maleinsäureanhydrid gebildet werden. Typische Kohlenwasserstoff-

IQ Verunreinigungssubstanzen können aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen und aromatische Kohlenwasserstoffe sein. Beispiele für Kohlenwasserstoffe sind Benzol, Maleinsäure, Ameisensäure und Formaldehyd. Ein.'.Beispiel für einen Abgasstrom enthält

ic die folgenden Mengen von Verunreinigungen in Gewichtsteilen pro 200000 Gewichtsteile des Abgases: Benzol (200)·, Maleinsäure (21), Ameisensäure (17), Formaldehyd (75) und Kohlenmonoxid (4000). Der Rest des Abgasstromes besteht typischerweise aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf, wobei der Stickstoff in einer Menge von etwa 76 bis 80 Volumen-%, der Sauerstoff in einer Menge von etwa 10 bis 15 Volumen-%, der Wasserdampf in einer Menge von etwa 5 bis 15 Volumen-% und das Kohlendioxid in einer Menge von etwa 2 bis 8 Volumen-% vorhanden ist.

Die erste Katalysatorschicht 5, die Oxide von Mangan und Kupfer enthält und bei der es sich vorzugsweise um einen Hopcalit-Katalysator handelt, wird vorzugsweise auf einer Temperatur von 95 bis 25 0 ⁰C und insbesondere von 110 bis 180 ⁰C gehalten. Die erste Katalysatorschicht hat geeigneterweise eine Dicke von 6 bis 203 mm, vorzugsweise von 13 bis 76 mm und insbesondere von 25 bis 38 mm.

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■j Bei der Schicht 6 des Katalysatorbettes, die einen Edelmetallkatalysator wie Palladium oder Platin oder beide enthält, ist das Edelmetall auf einer inerten Trägersubstanz wie Aluminiumoxid abgeschieden. Die

c Schicht 6 kann in Form von Körnchen oder als starre Struktur, beispielsweise in Form einer Wabenstruktur, vorliegen. Die bevorzugte Temperatur quer über diese Schicht beträgt 200 bis 700 ⁰C und insbesondere 260 bis 500 ⁰C.

Falls das Katalysatorbett eine inerte Zwischenschicht 7 aufweist, hat diese Zwischenschicht vorzugsweise eine Dicke von bis zu 102 mm und insbesondere von 25 bis 51 mm.. Die inerte Zwischenschicht kann in Form von Körnchen oder als starre Struktur vorliegen. Die bevorzugte Temperatur quer über diese inerte Schicht beträgt 190 bis 440 ⁰C und insbesondere 200 bis 260 ⁰C.

Wenn Körnchen eingesetzt werden, haben diese vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 4 mm.

Der Druckabfall vom Einlaß zum Auslaß des Katalysatorbettes 4 beträgt vorzugsweise 2,7 bis 25,3 mbar. Wenn eine Verteilerplatte eingesetzt wird, beträgt der kombinierte Druckabfall über der Verteilerplatte und dem Katalysatorbett im allgemeinen 5,3 bis 28,0 mbar.

Wenn eine Verteilerplatte eingesetzt wird, beträgt der Abstand zwischen der Auslaßseite der Verteilerplatte und der Einlaßseite des Katalysatorbettes vorzugsweise 46 bis 152 cm.

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Die Geschwindigkeit des Abgasstromes an der Einlaßoberfläche des Katalysatorbettes beträgt vorzugsweise 15 bis 122 cm/s und insbesondere 24 bis 37 cm/s.

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Claims

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IEDTKE DÜHLING KINNE Vertreter beim EPA

Grupe - Pellmann

Dipl.-Ing. R. Kinne 3042843 Dipl.-Ing. R Grupe

Dipl.-Ing. B. Pellmann

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Tel.: 089-539653

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Patentansprüche

Iy Verfahren zur katalytischen Oxidierung von Verunreinigungssubstanzen in einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch ein gasdurchlässiges Katalysatorbett hindurchgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Katalysatorbett einsetzt, das eine erste Katalysatorschicht aus Oxiden von Mangan und Kupfer und eine getrennte, zweite Katalysatorschicht, die mindestens ein Edelmetall enthält, aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der zweiten Katalysatorschicht mindestens ein Edelmetall in Form von Palladium und/oder Platin einsetzt, die auf einer inerten Tragersubstanz getragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Katalysatorbett einsetzt, das zwischen der ersten und der zweiten Katalysatorschicht zusätzlich eine inerte Schicht aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß "der Abgasstrom dem Katalysatorbett durch eine Verteilerplatte hindurch zugeleitet wird, wobei man eine Verteilerplatte einsetzt, die Öffnungen enthält, durch die in der Verteilerplatte eine offene Fläche von insgesamt weniger als 10 % geschaffen wird.

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Deutsche Bank (München) Klo. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939844 Postscheck (München) KIa 670-43-804
5. Vorrichtung zur katalytischen Oxidierung von Verunreinigungssubstanzen in einem Abgasstrom, enthaltend eine Kammer, die ein gasdurchlässiges Katalysatorbett enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett (4; 23) eine erste Katalysatorschicht (5) aus Oxiden von Mangan und Kupfer und eine getrennte, zweite Katalysatorschicht (6), die mindestens ein Edelmetall enthält, aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Edelmetall Palladium und/ oder Platin ist, die auf einer inerten Tragersubstanz getragen werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett (4; 23) zwischen der ersten Katalysatorschicht (5) und der zweiten Katalysatorschicht (6) zusätzlich eine inerte Schicht (7) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine stromaufwärts von dem Katalysatorbett (4; 23) befindliche Verteilerplatte (22), die Öffnungen enthält, durch die in der Verteilerplatte eine offene Fläche von insgesamt weniger als 10 % geschaffen wird.

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