DE4432442A1

DE4432442A1 - Simple, cost-effective control of the temp in a catalyst with air and volatile organic cpds.

Info

Publication number: DE4432442A1
Application number: DE19944432442
Authority: DE
Inventors: Erwin Glawion
Original assignee: Rieter Automatik GmbH
Current assignee: Rieter Automatik GmbH
Priority date: 1994-09-12
Filing date: 1994-09-12
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: DE4432442C2

Abstract

The catalyst system includes a cartridge (1) with a catalytic layer, and an axial cavity (3), containing a tubular body (3). The cartridge (1) and tube (2) have different coeffts. of thermal expansion. The tube (2) has a sealing collar at one end. On heating, relative axial movement between the cartridge (1) and the tube (2) opens the seal; on cooling it closes. Tube and cartridge are made as a module, and the catalyst system consists of a number of these modules.

Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a catalyst arrangement according to the preamble of claim 1.

Katalysatoren werden u. a. überall dort eingesetzt, wo schadstoffbeladene Abgase zu reinigen sind. So werden z. B. zur Reinigung von mit organi schen Substanzen beladenen Abgasen Platinkatalysatoren auf Al₂O₃-be schichtetem Trägermaterial eingesetzt. In der Regel besteht das Träger material aus einem dünnen Metallblech, das zur Vergrößerung der Oberfläche mit Al₂O₃ beschichtet ist, wobei die Al₂O₃-Schicht die eigent liche Trägerschicht für den Platinkatalysator darstellt. Das beschichtete Trägermaterial wird in der Regel zu im Querschnitt kreisförmigen Pake ten gewickelt, wodurch in einem verhältnismäßig kleinen Volumen eine große Katalysatoroberfläche untergebracht werden kann. Derartige Pakete werden auch als Kartuschen bezeichnet. Die Länge einer Kartusche richtet sich nach ihrem Einsatzzweck; häufig werden mehrere Kartuschen in Reihe geschaltet, um die Katalysatorwirkung bei ihrer Durchströmung durch die Abgase zu erhöhen.Catalysts are u. a. used wherever contaminated Exhaust gases are to be cleaned. So z. B. for cleaning with organi substances loaded exhaust gases platinum catalysts on Al₂O₃-be layered carrier material used. The carrier usually exists material made of a thin metal sheet, which is used to enlarge the Surface is coated with Al₂O₃, the Al₂O₃ layer the actual Liche carrier layer for the platinum catalyst. That coated Backing material usually becomes a circular cross-section ten wound, which in a relatively small volume large catalyst surface can be accommodated. Such packages are also known as cartridges. The length of a cartridge depends on its purpose; often several cartridges connected in series to the catalyst effect as it flows through by increasing the exhaust gases.

Entsprechend den Arrheniuskurven für Katalysatoren des oben genannten Aufbaus ergibt sich ein durch untere und obere Grenztemperaturen vorgegebener Temperaturbereich für die zuverlässige Funktion des Kataly sators. Für einen Platinkatalysator auf Al₂O₃-beschichtetem Trägermaterial liegt die untere Grenze im Bereich von ca. 200°C, unterhalb der keine oder nur eine sehr schwache Reaktion des Katalysators zu verzeichnen ist, und einer Temperatur von ca. 650°C, oberhalb der der Katalysator zerstört wird. Die optimale Arbeitstemperatur liegt zwischen der unteren und der oberen Grenztemperatur. Es muß also bei Einsatz derartiger Katalysatoren dafür Sorge getragen werden, daß die Betriebstemperatur in dem angegebenen Bereich ist.According to the Arrhenius curves for catalysts of the above Construction results from lower and upper limit temperatures specified temperature range for the reliable functioning of the Kataly sators. For a platinum catalyst on Al₂O₃ coated support material the lower limit is in the range of approx. 200 ° C, below which none or only a very weak reaction of the catalyst is, and a temperature of about 650 ° C, above which the catalyst gets destroyed. The optimal working temperature is between the lower and the upper limit temperature. So it must be when using such Catalysts are used to ensure that the operating temperature is in the specified range.

Als ein erstes Beispiel für Katalysatoren des oben angegebenen Typs sei z. B. die Reinigung von lösungsmittelbeladener Abluft einer Lackiererei genannt. Ein ähnliches Einsatzgebiet ist z. B. der Trocknungsprozeß irgendeines Kunststoffes, wobei dieser Trocknungsprozeß mit der Freigabe von Lösungsmittel aus dem Kunststoff verbunden sein kann. Auch bei einem Schwelungs- oder Pyrolyseprozeß entstehen Abgase, die mit organi schen Stoffen beladen sind.As a first example of catalysts of the type indicated above e.g. B. the cleaning of solvent-laden exhaust air from a paint shop called. A similar area of application is e.g. B. the drying process any plastic, this drying process with the release of solvent from the plastic can be connected. Also at A smoldering or pyrolysis process produces exhaust gases that are mixed with organi substances are loaded.

Aus Umweltschutzgründen ist es nicht möglich, diese Abgase bzw. die mit entsprechenden organischen Stoffen beladene Luft in die Atmosphäre abzugeben, d. h. die entsprechenden Gase müssen nachbehandelt werden.For environmental reasons, it is not possible to use these exhaust gases or air loaded with appropriate organic substances into the atmosphere deliver, d. H. the corresponding gases must be post-treated.

Ein Katalysator stellt eine Möglichkeit der Nachbehandlung derartiger Gase dar. Die Reaktion der in den Gasen enthaltenen Stoffe im Kataly sator erfolgt für die angegebenen Beispiele auf einer exothermen Basis, was dazu führt, daß die Temperatur in einer Katalysatorkartusche an steigt. Je nach Konzentration und Zusammensetzung der im Katalysator abzureinigenden Bestandteile kann sich längs des Durchtritts der zu reinigenden Abgase durch den Katalysator bzw. eine aus mehreren hintereinander geschalteten Kartuschen bestehende Katalysatoranordnung ein ungleichmäßiges Temperaturprofil ergeben. Dieses Temperaturprofil ist nicht nur ungleichmäßig, sondern kann in Abhängigkeit von der Konzentration der abzureinigenden Bestandteile Spitzenwerte erreichen, die durchaus außerhalb des oben angegebenden Arbeitsbereiches des Katalysators liegen, und deshalb zu vermeiden sind. Diese Temperatur spitzen können bei mehreren hintereinander geschalteten Kartuschen einer Katalysatoranordnung relativ weit in der Nähe des Eintritts der zu reinigenden Gase sein, wenn die Bestandteile im wesentlichen nieder molekularer Struktur sind. Die Temperaturspitzen können aber auch bei weiter hinter dem Eintritt der Abgase in die in der Katalysatoranordnung angeordneten Kartuschen auftreten, wenn die abzureinigenden Bestand teile im wesentlichen höhermolekularer Struktur sind. Der technische Normalfall ist jedoch, daß verschiedene organische, abzureinigende Be standteile mit unterschiedlicher Molekularstruktur und unterschiedlichem Molekulargewicht auftreten, so daß nicht vorhergesagt werden kann, an welcher Stelle einer Katalysatoranordnung mit Temperaturspitzen zu rechnen ist. Die Wärmeabfuhr erfolgt über die Reaktionsprodukte bzw. die zur Verbrennung notwendige Luftmenge und ist daher sehr begrenzt.A catalyst provides an option for the aftertreatment of such Gases. The reaction of the substances contained in the gases in the catalyze for the examples given, sator is made on an exothermic basis, which causes the temperature in a catalyst cartridge to rise increases. Depending on the concentration and composition of the in the catalyst components to be cleaned can along the passage of the cleaning exhaust gases through the catalyst or one of several existing cartridges existing catalyst arrangement result in an uneven temperature profile. This temperature profile is not only uneven, but can vary depending on the Concentration of the components to be cleaned reach peak values, which is definitely outside the area of work of the Catalyst are, and should therefore be avoided. That temperature can tip with several cartridges connected in series a catalyst arrangement relatively far near the entrance to the cleaning gases when the ingredients are essentially low molecular structure. The temperature peaks can also be further behind the entry of the exhaust gases into the in the catalyst arrangement Arranged cartridges occur when the inventory to be cleaned parts are essentially higher molecular structure. The technical Normally, however, is that various organic Be components with different molecular structure and different Molecular weight occur so that it cannot be predicted which point of a catalyst arrangement with temperature peaks to calculate. The heat is dissipated via the reaction products or the amount of air required for combustion and is therefore very limited.

Aus diesem Grunde legen die Katalysatorhersteller eine maximale Kon zentration an abzureinigenden Bestandteilen in einem einem Katalysator zugeführten Gas fest, um zu vermeiden, daß Temperaturspitzen jenseits der Funktionsfähigkeit, d. h. des oberen Temperaturgrenzwertes des Kata lysators, auftreten. Abgasen, die höhere als die vom Katalysatorhersteller vorgegebenen Grenzwerte aufweisen, z. B. höhere Werte als 50-80 g/m³, wird bei Katalysatoren des Standes der Technik vorgeheizte Luft zu geführt, einerseits um die Konzentration der zu reinigenden Gase auf den vom Katalysator vorgegebenen Grenzwert zu drücken und ande rerseits um zu gewährleisten, daß die untere Temperaturgrenze für den Betrieb des Katalysators nicht unterschritten wird.For this reason, the catalyst manufacturers set a maximum con concentration of components to be cleaned in a catalyst supplied gas tightly to avoid temperature peaks beyond functionality, d. H. the upper temperature limit of the kata lysators, occur. Exhaust gases higher than those from the catalyst manufacturer have predetermined limits, e.g. B. higher values than 50-80 g / m³, becomes preheated air in prior art catalysts led, on the one hand, to the concentration of the gases to be cleaned to press the limit set by the catalytic converter and others on the other hand to ensure that the lower temperature limit for the Operation of the catalyst is not undershot.

Für die Vorwärmung der den zu reinigenden Gasen zuzugebenden Luft ist Energie erforderlich, wobei ganz erhebliche Luftmengen erforderlich sein können, um die vom Katalysatorhersteller angegebenen maximalen Konzentrationswerte durch Verdünnung der Schadstoffbelastungen bei Eintritt in den Katalysator einzuhalten.For preheating the air to be added to the gases to be cleaned energy is required, which requires considerable amounts of air can be the maximum specified by the catalyst manufacturer Concentration values by diluting the pollution levels Maintain entry into the catalytic converter.

Um die geschilderten technischen Probleme zu lösen, wäre es denkbar, ein kompliziertes Regelsystem einzusetzen, das auf der Basis von zahlrei chen Temperaturmeßsonden längs der Katalysatoranordnung zur Bestim mung des Temperaturprofils über den Katalysator, zahlreichen Konzen trationssonden zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in den zu reinigenden Gasen vor einem Eintritt und nach einem Austritt aus dem Katalysator sowie Temperatursonden für die vorgewärmte Luft arbeitet, um zu gewährleisten, daß der Katalysator im optimalen Betriebsbereich arbeitet, ein gleichmäßiges Temperaturprofil längs des Katalysators vorhan den ist und eine hohe Lebensdauer der Katalysatoranordnung gewähr leistet wird. Da neben den erwähnten Sensoren zahlreiche Stellglieder erforderlich wären, die auch im höheren Temperaturbereich zuverlässig arbeiten müßten, würde ein derartiges Regelsystem erhebliche Kosten nachteile mit sich bringen.In order to solve the technical problems described, it would be conceivable to use a complicated control system based on numerous Chen temperature measuring probes along the catalyst arrangement for determination temperature profile across the catalyst, numerous concentrations tration probes for determining the concentration of pollutants in the cleaning gases before entering and after exiting the Catalyst and temperature probes for the preheated air works, to ensure that the catalyst is in the optimal operating range works, a uniform temperature profile along the catalyst existing is and guarantee a long life of the catalyst assembly is achieved. There are numerous actuators in addition to the sensors mentioned would be required, which is reliable even in the higher temperature range would have to work, such a control system would involve considerable costs bring disadvantages.

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, eine Katalysatoranordnung mit einem Regelsystem zu schaffen, welches stets eine Funktion des Katalysators im optimalen Betriebsbereich gewährleistet und welches kostengünstig her stellbar ist.It is therefore an object of the invention to provide a catalyst arrangement with a To create control system, which is always a function of the catalyst in the ensures optimal operating range and which is inexpensive is adjustable.

Dieses Ziel wird durch eine Katalysatoranordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 realisiert.This goal is achieved by a catalyst arrangement with the features realized according to claim 1.

Danach weist eine Katalysatoranordnung gemäß der Erfindung eine mit einer Katalysatorschicht versehenen Kartusche auf, welche einen in ihrem Inneren angeordneten, axial sich erstreckenden Hohlraum aufweist, in welchem ein hülsenförmiger Körper angeordnet ist. Die Materialien des hülsenförmigen Körpers und das der Kartusche weisen voneinander ver schiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Darüber hinaus hat der hülsenförmige Körper mindestens an einer Stirnseite einen Dichtungsbund, der mit einem Anschlag versehen ist und bei Erwärmung bewirkt, daß eine relative Bewegung von Kartusche und Körper axial gegeneinander aus einer abdichtenden Position in eine geöffnete Position erfolgt, und daß bei Abkühlung die Bewegung in umgekehrter Richtung von der geöffneten in die abdichtende Position erfolgt.Thereafter, a catalyst arrangement according to the invention has one a catalyst layer provided cartridge, which one in its Has internally arranged, axially extending cavity, in which is arranged a sleeve-shaped body. The materials of the sleeve-shaped body and that of the cartridge point from each other ver different coefficients of thermal expansion. In addition, the sleeve-shaped body at least on one end face a sealing collar, which is provided with a stop and when heated causes a relative movement of the cartridge and body axially against each other from a sealing position to an open position, and that when cooling, the movement in the opposite direction from the opened into the sealing position.

Vorzugsweise sind mehrere Kartuschen hintereinandergeschaltet, so daß in ihrem Innern auch mehrere hintereinandergeschaltete hülsenförmige Körper modulartig angeordnet sind und somit die Katalysatoranordnung aus einer Vielzahl von Kartuschen- und Körpermodulen besteht.Preferably, several cartridges are connected in series, so that inside it also several cascaded cascades Bodies are arranged in a modular manner and thus the catalyst arrangement consists of a variety of cartridge and body modules.

Vorzugsweise weist der hülsenförmige Körper einen Ringflansch auf, welcher bei Nichtbetriebstemperatur von der jeweiligen Stirnseite benach barter Kartuschenmodule beabstandet ist. Der hülsenförmige Körper ist von einem Kühlmittel durchströmt. Wird der Katalysator betriebsmäßig mit einem abzureinigende Bestandteile enthaltenden Gas beaufschlagt, so wird durch die exotherme Reaktion, welche in dem Katalysator statt findet, die Temperatur in den Kartuschen schneller ansteigen als in den in den Kartuschen angeordneten Körpern. Außerdem wird sich ein Kartuschenmodul stärker ausdehnen als ein durch ein Kühlmittel durch strömter hülsenförmiger Körper, wenn bei einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel die Kartusche einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizien ten als der Körper hat und zudem der Körper durch das Kühlmittel kühlgehalten wird. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur in dem Kartu schenmodul auf eine vorbestimmte Temperatur wird aufgrund der Wär medehnung das Kartuschenmodul das ihm zugeordnete hülsenförmige Körpermodul an seinem Ringflansch berühren und bei weiterer Aus dehnung bewirken, daß jeweils eine Dichtfläche der modulartig hinter einander angeordneten, hülsenförmig ausgebildeten Körper vorzugsweise einen Ringspalt in der geöffneten Position freigibt, durch welchen Kühl mittel in im wesentlichen radialer Richtung den Stirnseiten der Kartu schenmodule zugeführt wird. Die Spaltöffnung der Dichtfläche wird um so größer sein, je höher die auftretende Temperatur ist. Je größer der Spalt ist, um so mehr Kühlmittel wird zur jeweiligen Katalysatorkartusche geleitet. Je mehr Kühlmittel in die Katalysatorkartusche geleitet wird, um so rascher wird sich die betreffende Katalysatorkartusche auf die gefor derte Temperatur herunterkühlen. Durch diese Abkühlung wird erreicht, daß sich die Kartusche wieder zusammenzieht und schließlich bei Unter schreiten der erwähnten vorbestimmten Temperatur den Ringflansch des hülsenförmigen Körpers wieder freigibt, so daß es zu einem erneuten Schließen der Dichtfläche zwischen den einzelnen hülsenförmigen Körpern kommt.The sleeve-shaped body preferably has an annular flange, which is adjacent from the respective end face at non-operating temperature barter cartridge modules is spaced. The sleeve-shaped body is flows through a coolant. The catalytic converter becomes operational acted upon with a gas containing components to be cleaned, so is caused by the exothermic reaction that takes place in the catalyst finds the temperature in the cartridges rise faster than in the bodies arranged in the cartridges. In addition, a Expand the cartridge module more than through a coolant flowed sleeve-shaped body, if in a preferred embodiment Example, the cartridge has a larger coefficient of thermal expansion than the body and also the body through the coolant is kept cool. As the temperature in the carto increases further rule module to a predetermined temperature is due to the heat medehnung the cartridge module the associated sleeve-shaped Touch the body module on its ring flange and on further off stretch cause a sealing surface of the module-like behind mutually arranged, sleeve-shaped body preferably an annular gap in the open position releases through which cooling medium in the substantially radial direction of the end faces of the carto Is fed modules. The gap opening of the sealing surface is around be higher the higher the temperature that occurs. The bigger the Gap, the more coolant becomes to the respective catalyst cartridge headed. The more coolant is led into the catalyst cartridge to the faster the catalyst cartridge in question will be on the gefor cool down. With this cooling, that the cartridge contracts again and finally at Unter exceed the predetermined temperature mentioned the ring flange of the sleeve-shaped body releases again, so that there is a renewed Closing the sealing surface between the individual sleeve-shaped bodies is coming.

Der wesentliche Vorteil eines derartigen Systems besteht darin, daß es gleich einem PI-Regler selbst regulierend ist und ohne jegliche Tempera tursensorik auskommt. Durch die Auswahl entsprechender Materialkom binationen zwischen der Kartusche und dem in der Kartusche angeord neten Körper sowie durch entsprechende Dimensionierung des Spieles zwischen der Kartusche und dem Körper bei Raumtemperatur erfolgt je nach Temperaturprofil, d. h. also je nach Konzentration der Schadstoffe, eine selbsttätige Regelung der Zufuhr von Kühlmittel zu den Katalysator modulen.The main advantage of such a system is that it is self-regulating like a PI controller and without any tempera door sensors get along. By choosing the appropriate material binations between the cartridge and that arranged in the cartridge neten body and by appropriate dimensioning of the game occurs between the cartridge and the body at room temperature by temperature profile, d. H. depending on the concentration of the pollutants, an automatic control of the supply of coolant to the catalytic converter modules.

Die Anforderungen an den hülsenförmigen Körper innerhalb der Kartu sche bestehen darin, daß das Körpermaterial einen Wärmeausdehnungs koeffizienten aufweist, welcher vorzugsweise niedriger als der der Kartu sche ist, und welches auch bei Hintereinanderschaltung mehrerer hülsen förmiger Körpermodule die Dichtigkeit der Körper zueinander bzw. einen entsprechenden Dichtsitz gewährleistet.The requirements for the sleeve-shaped body within the cartouche cal are that the body material has a thermal expansion coefficient which is preferably lower than that of the carto is, and which also when several sleeves are connected in series shaped body modules the tightness of the body to each other or a appropriate sealing seat guaranteed.

Vorzugsweise werden für den hülsenförmigen Körper Keramik und für die Katalysatorkartusche in an sich bekannter Weise Metallträgermaterial verwendet.Ceramic and preferably are used for the sleeve-shaped body the catalyst cartridge in a manner known per se metal carrier material used.

Damit im Nichtbetriebszustand, d. h. in einem Zustand, bei dem keine Zufuhr eines Kühlmittels in die jeweiligen Katalysatorkartuschen erforder lich ist, ein zuverlässiges Schließen der Dichtflächen der hülsenförmigen Körper, die durch ein Kühlmittel durchströmt werden, gewährleistet wird, ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein die hülsenförmigen Körper in axialer Richtung zusammendrückendes Federelement vorgese hen.So that in the non-operating state, d. H. in a state where none Supply of a coolant in the respective catalyst cartridges required is a reliable closing of the sealing surfaces of the sleeve-shaped Body that is flowed through by a coolant is guaranteed is the sleeve-shaped in a preferred embodiment Body spring element compressing in the axial direction hen.

Zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Katalysatoranord nung sind in den Ansprüchen 7 bis 18 definiert.Appropriate further developments of the catalyst arrangement according to the invention tion are defined in claims 7 to 18.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnung aufgeführt.Further advantages, features and possible uses of the invention are in the detailed description below with reference to the Drawing listed.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Anordnung zweier Katalysatorkartuschen mit dem hohlen hülsenförmigen Körper im Innern mit einer Teilschnittansicht des Dichtungsbereichs zweier aneinander stoßender hülsenförmiger Körper; Figure 1 shows an arrangement of two catalyst cartridges with the hollow sleeve-shaped body inside with a partial sectional view of the sealing area of two abutting sleeve-shaped bodies.

Fig. 2-4 Ausführungsbeispiele eines im Innern des hülsenförmigen Körpers angeordneten Stützträgers; Fig. 2-4 embodiments of a support bracket arranged in the interior of the sleeve-shaped body;

Fig. 5 die Draufsicht auf einen Ringflansch eines hülsenförmigen Körpers; Figure 5 is a plan view of an annular flange of a sleeve-shaped body.

Fig. 6 eine Katalysatoranordnung mit Durchströmung des Kühlmittels in einer Richtung; und Fig. 6 shows a catalytic converter arrangement with through-flow of the coolant in one direction; and

Fig. 7 eine Katalysatoranordnung mit Durchströmung des Kühlmittels in zwei Richtungen. Fig. 7 shows a catalyst arrangement with a flow of coolant in two directions.

In Fig. 1 sind zwei Kartuschen bzw. Kartuschenmodule 1, lose in einem Rohr 9 steckend, mit einem axial sich erstreckenden und zentral an geordneten Hohlraum 3 dargestellt, in welchem hülsenförmige Körper 2 angeordnet sind, welche im Bereich des Dichtbundes einen Ringflansch 4 und eine diametral sich erstreckende Dichtfläche 5 aufweisen, wobei die Dichtflächen 5 benachbarter Körper 2 derart ausgebildet ist, daß sie ähnlich einem Ventilsitz exakt zueinander passen, so daß im geschlosse nen Zustand eine entsprechende Dichtfunktion realisiert wird.In Fig. 1 two cartridges or cartridge modules 1 , loosely inserted in a tube 9 , with an axially extending and centrally arranged cavity 3 are shown, in which sleeve-shaped body 2 are arranged, which in the area of the sealing collar an annular flange 4 and one have diametrically extending sealing surface 5 , the sealing surfaces 5 of adjacent body 2 being designed such that they fit exactly to one another similar to a valve seat, so that a corresponding sealing function is realized in the closed state.

Die Kartuschen sind in einem axialen Abstand zueinander angeordnet, der durch die Dicke des Ringflansches 4 einschließlich Auflageschultern sowie eines genau definierten Spiels bestimmt wird. Die Dichtflächen 5 der sich berührenden hülsenförmigen Körper 2 werden durch ein Feder element 8 zusammengedrückt, welches an einer Seite der Katalysator anordnung auf einer Zufuhrleitung für das Kühlmittel sitzt und gegen den äußeren Rand des äußersten Ringflansches drückt.The cartridges are arranged at an axial distance from one another, which is determined by the thickness of the ring flange 4 including support shoulders and a precisely defined play. The sealing surfaces 5 of the contacting sleeve-shaped body 2 are pressed together by a spring element 8 , which is arranged on one side of the catalyst arrangement on a supply line for the coolant and presses against the outer edge of the outermost ring flange.

Je nach Einsatzzweck kann das durch die hülsenförmigen Körper 2 einer Katalysatoranordnung strömende Kühlmedium Wasser, Luft, ein inertes Gas oder irgendein an den jeweiligen Einsatzzweck angepaßtes Kühlmedi um sein. Zwischen dem durch den ein Kühlsystem bildenden hülsenförmi gen Körper 2 strömenden Kühlmedium und den in den Katalysatorkartu schen 1 zu behandelnden Gasen ist eine positive Druckdifferenz vorhan den, so daß gewährleistet wird, daß beim Öffnen der Dichtflächen 5 Kühlmittel in den Zwischenraum zwischen den Katalysatorkartuschen 1 strömt.Depending on the intended use, the cooling medium flowing through the sleeve-shaped body 2 of a catalyst arrangement can be water, air, an inert gas or any cooling medium adapted to the respective intended use. Between the flowing through the cooling system forming a sleeve-shaped body 2 cooling medium and in the catalyst's rule 1 gases to be treated is a positive pressure difference before the, so that it is ensured that when opening the sealing surfaces 5 coolant flows into the space between the catalyst cartridges 1 .

Die Materialien der Kartuschen 1 und der hülsenförmigen Körper 2 sind so gewählt, daß sie voneinander verschiedene Wärmeübergangskoeffizien ten aufweisen. Vorzugsweise weist die Kartusche 1 einen größeren Wär meausdehnungskoeffizienten als der hülsenförmige Körper 2 auf. Wenn sich durch die im Katalysator ablaufende exotherme Reaktion die Tem peratur des Katalysatorelementes, d. h. der Kartusche 1 erhöht, wird diese sich ausdehnen. Diese thermische Ausdehnung ist wegen des höheren Wärmeübergangskoeffizienten größer als die thermische Expansion des hülsenförmigen Körpers 2, welcher von einem Kühlmedium durchströmt wird, wobei das Kühlmedium selbstverständlich eine niedrigere Tempera tur als das im Katalysator behandelte Gas hat.The materials of the cartridges 1 and the sleeve-shaped body 2 are selected so that they have different heat transfer coefficients from one another. Preferably, the cartridge 1 has a larger coefficient of thermal expansion than the sleeve-shaped body 2 . If the temperature of the catalyst element, ie the cartridge 1, increases due to the exothermic reaction taking place in the catalyst, this will expand. This thermal expansion is due to the higher heat transfer coefficient greater than the thermal expansion of the sleeve-shaped body 2 , which is flowed through by a cooling medium, the cooling medium of course has a lower temperature than the gas treated in the catalyst.

Das Spiel zwischen den Stirnflächen der Katalysatorkartusche 1 und den axialen Stirnflächen des Ringflansches 4 des hülsenförmigen Körpers 2 ist so gewählt, daß die Stirnfläche der Kartusche 1 die axiale Ringfläche des Ringflansches 4 erst berührt, wenn eine gewünschte, d. h. vorbestimmte optimale Betriebstemperatur der Kartusche 1 erreicht bzw. überschritten wird. Diese optimale Betriebstemperatur liegt bei den in der Einleitung aufgeführten Platinkatalysatoren auf Al₂O₃-beschichtetem Trägermaterial im Bereich von ca. 300°-500°C, d. h. zwischen der unteren Grenztem peratur von 200°C und der oberen Grenztemperatur von 650°C. Kon struktiv kann der erwähnte Spalt zwischen den Stirnflächen des Ringflan sches 4 und denen der Kartuschen 1 so gewählt werden, daß unter Beachtung der Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien für die Kartusche 1 und den hülsenförmigen Körper 2 eine vorbestimmte Öffnungstemperatur realisiert wird. Somit sind beliebige Einsatzfälle denkbar, und die Katalysatoranordnung gemaß der Erfindung ist für unterschiedlichste Katalysatortypen, unterschiedlichste Konzentrationen an Schadstoffen, unterschiedlichste Temperaturbereiche und Einsatzfälle anwendbar. Es ist auch möglich, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des hülsenförmigen Körpers größer ist als der der Kartusche 1.The play between the end faces of the catalyst cartridge 1 and the axial end faces of the ring flange 4 of the sleeve-shaped body 2 is selected so that the end face of the cartridge 1 only touches the axial ring face of the ring flange 4 when a desired, ie predetermined, optimal operating temperature of the cartridge 1 is reached or is exceeded. This optimum operating temperature is in the platinum catalysts listed on Al₂O₃-coated support material in the introduction in the range of about 300 ° -500 ° C, ie between the lower limit temperature of 200 ° C and the upper limit temperature of 650 ° C. Constructively, the mentioned gap between the end faces of the ring flange 4 and those of the cartridges 1 can be chosen so that, taking into account the expansion coefficients of the different materials for the cartridge 1 and the sleeve-shaped body 2, a predetermined opening temperature is realized. Any application is conceivable, and the catalyst arrangement according to the invention can be used for a wide variety of catalyst types, a wide variety of concentrations of pollutants, a wide variety of temperature ranges and use cases. It is also possible that the coefficient of thermal expansion of the sleeve-shaped body is greater than that of the cartridge 1 .

Wenn im Betrieb aufgrund der exothermen Energiefreisetzung, bedingt durch die thermische Expansion die Kartusche 1, die axiale Ringfläche des Ringflansches 4 die Kartuschenstirnfläche berührt, wird der hülsenför mige Körper 2 gegen die Wirkung der Federkraft 8 in axialer Richtung gedrückt, wodurch die Dichtungsflächen der in axialer Richtung hinterein ander angeordneten hülsenförmigen Körper 2 außer Eingriff gelangen und einen Ringspalt freigeben. Dieser Ringspalt ist in Fig. 1 diametral an geordnet, um die Strömungsgeschwindigkeit durch die Kartuschen 1 zu berücksichtigen, d. h. einen im wesentlichen radialen Austritt des Kühlme diums aus dem Hohlraum 3 in den Zwischenraum zwischen den Kartu schen 1 zu realisieren. Die diametrale Neigung der Dichtungsflächen kann je nach den vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten und Geometrien in der Katalysatoranordnung realisiert werden. Konstruktiv kann dieser Dichtungsbereich so gestaltet werden, daß das Kühlmedium radial nach außen gespritzt wird, sich entsprechend verteilen kann und somit eine optimale Kühlwirkung in der jeweiligen Katalysatorkartusche entfalten kann.If in operation due to the exothermic release of energy due to the thermal expansion of the cartridge 1 , the axial ring surface of the ring flange 4 touches the end face of the cartridge, the hülsenför shaped body 2 is pressed against the action of the spring force 8 in the axial direction, whereby the sealing surfaces in the axial Direction behind each other arranged sleeve-shaped body 2 disengage and release an annular gap. This annular gap is arranged diametrically in Fig. 1 in order to take into account the flow velocity through the cartridges 1 , ie to realize a substantially radial exit of the cooling medium from the cavity 3 into the space between the cartridges 1 . The diametrical inclination of the sealing surfaces can be realized depending on the prevailing flow velocities and geometries in the catalytic converter arrangement. In terms of construction, this sealing area can be designed in such a way that the cooling medium is sprayed radially outwards, can be distributed accordingly and thus can develop an optimal cooling effect in the respective catalyst cartridge.

Je größer die Wärmefreisetzung in der jeweiligen Katalysatorkartusche 1 ist, um so stärker wird sich diese ausdehnen und um so stärker wird sich nach Erreichen der vorbestimmten, durch den oben genannten Abstand zwischen der axialen Ringfläche des Ringflansches 4 und der Stirnseite der Kartusche 1 festgelegten bedingten Öffnungstemperatur der Ringspalt im Dichtungsbereich zwischen den hülsenförmigen Körpern 2 erweitern, und um so mehr Kühlmittel wird in den Bereich zwischen die Katalysatorkartuschen 1 strömen. Das in diesen Bereich strömende Kühlmittel wird von dem die Katalysatorkartuschen 1 durchströmenden zu reinigenden Gas mitgerissen und führt zu einer Absenkung der Reak tionstemperatur im Katalysator. Da es sich bei dem vorliegenden System um ein selbsttätig arbeitendes Regelsystem handelt, wird auch an der Stelle, an der die höchsten Temperaturen in den Katalysatorkartuschen 1 auftreten, die größte Menge an Kühlmittel zugeführt werden. Die Verringerung der Temperatur der Katalysatorkartuschen führt unmittelbar zu einem Nachlassen der Reaktion, was wiederum eine Temperaturabsen kung mit sich bringt. Dadurch entsteht ein einigermaßen gleichmäßig ver teiltes Temperaturprofil längs der gesamten Katalysatoranordnung, ohne daß komplizierte Temperatursensorik und weitere Stellmechanismen und Regelglieder verwendet werden müssen.The larger the heat release in the respective catalyst cartridge 1 is, the more will they expand and the stronger will, after reaching the predetermined fixed by the above-mentioned distance between the axial annular surface of the annular flange 4 and the end face of the cartridge 1 due opening temperature the annular gap in the sealing area between the sleeve-shaped bodies 2 widen, and the more coolant will flow into the area between the catalyst cartridges 1 . The coolant flowing into this area is entrained by the gas to be cleaned flowing through the catalyst cartridges 1 and leads to a reduction in the reaction temperature in the catalyst. Since the present system is an automatically operating control system, the greatest amount of coolant is also supplied at the point where the highest temperatures occur in the catalyst cartridges 1 . The reduction in the temperature of the catalyst cartridges leads directly to a decrease in the reaction, which in turn leads to a decrease in temperature. This creates a reasonably evenly distributed temperature profile along the entire catalyst arrangement without the need for complicated temperature sensors and other adjusting mechanisms and control elements.

Das geschilderte selbsttätige Regelsystem bestimmt also durch die vorheri ge Auswahl der Materialpaarung zwischen hülsenförmigem Körper 3 und Katalysatorkartusche 1 und damit der Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie des Spiels zwischen beiden Teilen den Öffnungszeitpunkt, d. h. die Öffnungstemperatur. Diese Katalysatoranordnung bestimmt also selbsttätig, an welchen Stellen der Katalysatoranordnung die Temperatur zu stark angestiegen ist und wieviel Kühlmittel dementsprechend diesen Stellen zur Absenkung der Prozeßtemperatur im Katalysator zugeführt werden muß. The described automatic control system thus determines the opening time, ie the opening temperature, by the selection of the material pair between the sleeve-shaped body 3 and the catalyst cartridge 1, and thus the coefficient of thermal expansion and the play between the two parts. This catalytic converter arrangement therefore automatically determines at which points in the catalytic converter arrangement the temperature has risen too much and how much coolant must accordingly be supplied to these points in order to lower the process temperature in the catalytic converter.

Zur Sicherstellung der für die Öffnung eines Spaltes zwischen zwei hülsenförmigen Körpern erforderlichen elastischen Dehnung ist ein Feder element 8, vorzugsweise Tellerfedern, vorgesehen. Dieses Federelement 8 kann nur in dem heruntergekühlten Zustand der Katalysatorkartuschen 1 wirken, da die thermischen Expansionskräfte der Kartuschen 1 bei über hitztem Zustand wesentlich größer sind als die Federkraft.To ensure the elastic expansion required for opening a gap between two sleeve-shaped bodies, a spring element 8 , preferably disc springs, is provided. This spring element 8 can only act in the cooled-down state of the catalyst cartridge 1, since the thermal expansion forces of the cartridge 1 at about superheated state are substantially larger than the spring force.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im Hohlraum 3 im Innern des hülsenförmigen Körpers 2 ein Stützträger 6 angeordnet, der den inneren Hohlraum 3 in verschiedene Strömungssegmente, d. h. Teilka näle 7 unterteilt. Dieser Stützträger 6 erstreckt sich über die gesamte Länge aller hintereinandergeschalteten hülsenförmigen Körpermodule 2. In den Fig. 2-4 sind verschiedene Ausführungsformen des Stützträgers 6 dargestellt.In a further preferred exemplary embodiment, a support beam 6 is arranged in the cavity 3 in the interior of the sleeve-shaped body 2 and divides the inner cavity 3 into different flow segments, ie sub-channels 7 . This support bracket 6 extends over the entire length of all cascaded sleeve-shaped body modules 2 . In FIGS. 2-4, various embodiments of the support bracket 6 are shown.

Fig. 2 zeigt einen sog. Trilobalstützträger, welcher den Hohlraum 3 des hülsenförmigen Körpers 2 in drei vorzugsweise gleich große Teilkanäle 7 unterteilt. Der Stützträger 6 hat zum einen die Funktion, die hinterein ander geschalteten hülsenförmigen Körper 2 in genauer axialer Ausrich tung zu fixieren, damit eine zuverlässige Dichtung an den Dichtflächen der aneinander anstoßenden hülsenförmigen Körper 2 realisiert wird, und hat zum anderen die Funktion, Kühlmittel im Gleichstromprinzip durch die Teilkanäle 7 des Hohlraumes 3 der hülsenförmigen Körper 2 zu schicken, wie es z. B. in Fig. 6 angedeutet ist. Fig. 2 shows a so-called. Trilobalstützträger which divides the cavity 3 of the tubular body 2 in three preferably equally large part channels 7. The support bracket 6 has the function on the one hand to fix the other connected sleeve-shaped body 2 in more precise axial alignment, so that a reliable seal on the sealing surfaces of the abutting sleeve-shaped body 2 is realized, and on the other hand has the function of coolant in the direct current principle to send through the sub-channels 7 of the cavity 3 of the sleeve-shaped body 2 , as z. B. is indicated in Fig. 6.

Fig. 3 zeigt einen Stützträger, welcher den Hohlraum 3 des hülsenförmi gen Körpers 2 in drei etwa gleich große Ringsegmentteilkanäle und einen zentralen kreisförmigen Kanal unterteilt. Dieser Stützträger wird für das bevorzugte Gegenstromprinzip benutzt, wobei der Kühlmittelvorlauf im zentralen kreisförmigen Kanal, der Rücklauf in den Ringsegmentkanä len vorgesehen ist (siehe auch Fig. 7). Fig. 3 shows a support beam, which divides the cavity 3 of the sleeve-shaped body 2 into three approximately equal ring segment sub-channels and a central circular channel. This support bracket is used for the preferred countercurrent principle, the coolant supply in the central circular channel, the return in the ring segment channels is provided (see also FIG. 7).

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterteilt den Hohlraum 3 eines hülsenförmigen Körpers 2 in vier gleichgroße Kreissegmentabschnitte und einen quadratischen zentralen Abschnitt und ist ebenso für das Gegen stromprinzip anwendbar.The embodiment of FIG. 4 divides the cavity 3 of a sleeve-shaped body 2 into four circular segment sections of equal size and a square central section and can also be used for the countercurrent principle.

In Fig. 5 ist die Draufsicht auf den Ringflansch eines Körpers 2 mit den für einen ungehinderten Austritt des Kühlmittels erforderlichen Distanz schultern 10 gezeigt.In Fig. 5 the top view of the annular flange of a body 2 is shown with the shoulders required for an unobstructed escape of the coolant distance 10 .

Ein weiterer Vorteil derartiger Stützträgers 6 gemäß Fig. 3 oder 4 liegt darin, daß die gesamte Einheit der hintereinander angeordneten hülsen förmigen Körper 2 und der Katalysatorkartuschen 1 vormontierbar sind und von einer Seite in ein von den Abgasen durchströmtes Rohr ein schiebbar sind.Another advantage of such support beam 6 as shown in FIG. 3 or 4 is that the entire unit of the sleeve-shaped body 2 and the catalyst cartridges 1 arranged one behind the other can be preassembled and can be pushed from one side into a tube through which the exhaust gases flow.

Die Größe des Spaltes zwischen der axialen Ringfläche des Ringflansches 4 und den Stirnflächen der Katalysatorkartuschen 1 in Zusammenhang mit der Größe der einzelnen Module des Katalysators bestimmt letztlich die Fertigungsgenauigkeit. Kleinere Module erfordern selbstverständlich viel kleinere elementbezogene Wärmedehnungswege, die einen größeren Verlegungsaufwand und eine höhere Fertigungspräzision erfordern.The size of the gap between the axial ring surface of the ring flange 4 and the end faces of the catalyst cartridges 1 in connection with the size of the individual modules of the catalyst ultimately determines the manufacturing accuracy. Of course, smaller modules require much smaller element-related thermal expansion paths, which require more installation work and higher manufacturing precision.

Vorzugsweise weisen die Elemente Längen im Bereich von 50-200 mm auf. Vorzugsweise Durchmesserbereiche des hülsenförmigen Körpers 2 liegen im Bereich von etwa 20-30 mm. Je nach Einsatzzweck und geforderter Genauigkeit sind selbstverständlich sowohl kürzere als auch größere Elemente möglich. The elements preferably have lengths in the range of 50-200 mm. Diameter ranges of the sleeve-shaped body 2 are preferably in the range of approximately 20-30 mm. Depending on the application and the required accuracy, both shorter and larger elements are of course possible.

Bei Umkehr der Strömungsrichtung des Gasstroms sind die hülsenförmi gen Körper ebenso zu drehen, damit das Kühlmedium auf der strö mungszugewandten Seite der Kartusche 1 austritt.When the direction of flow of the gas stream is reversed, the sleeve-shaped bodies must also be rotated so that the cooling medium emerges on the side of the cartridge 1 facing the flow.

Da die Anforderungen an den hülsenförmigen Körper 2 darin bestehen, daß dieser einen möglichst großen Unterschied bezüglich des Ausdeh nungskoeffizienten der Katalysatorkartusche aufweist und daß das Material zur Herstellung von Dichtungen an den Stoßstellen zwischen den sich berührenden, axial hintereinander angeordneten Körpern 2 geeignet sein muß, kann außer Keramik z. B. noch Glas verwendet werden.Since the requirements for the sleeve-shaped body 2 are that this has the greatest possible difference with respect to the expansion coefficient of the catalyst cartridge and that the material for the production of seals at the joints between the touching, axially arranged bodies 2 may be suitable except ceramic z. B. glass can still be used.

Der Einsatz von Gummi an den Dichtungsflächen 5 der axial hinterein ander angeordneten hülsenförmigen Körper 2 ist nur dann vorteilhaft, wenn die Temperaturen in dem entsprechenden Katalysator z. B. 200°C nicht übersteigen.The use of rubber on the sealing surfaces 5 of the axially one behind the other arranged sleeve-shaped body 2 is only advantageous if the temperatures in the corresponding catalyst z. B. do not exceed 200 ° C.

Claims

1. catalyst arrangement with at least one cartridge ( 1 ) which has a catalyst layer,
characterized in that

a) the cartridge ( 1 ) has an axial cavity ( 3 );
b) at least one sleeve-shaped body ( 2 ) is arranged in the cavity ( 3 );
c) the material of the sleeve-shaped body ( 2 ) and the cartridge ( 1 ) have different coefficients of thermal expansion; and
d) the sleeve-shaped body ( 2 ) has at least one end face a sealing collar which, when heated by a relative movement of the cartridge ( 1 ) and body ( 2 ) axially against one another from a sealing position into an open position and upon cooling from the open position is movable into the sealing position.

2. Catalyst arrangement according to claim 1, characterized in that the cartridge ( 1 ) and the sleeve-shaped body ( 2 ) are modular and that the catalyst arrangement consists of a plurality of cartridge and body modules.

3. A catalyst arrangement according to claim 2, characterized in that the sealing collar of the modular sleeve-shaped ausgebil Deten body ( 2 ) has a sealing surface ( 5 ) through which an annular gap is released in the open position when the cartridge is heated and is closed again when it cools down.

4. Catalyst arrangement according to one of claims 1-3, characterized in that the sleeve-shaped body ( 2 ) has a ring flange ( 4 ) with shoulders for abutment on an end face of the cartridge ( 1 ) after increasing the temperature to a predetermined temperature.

5. A catalyst arrangement according to any one of claims 1-4, characterized in that the material of the body ( 2 ) has a lower coefficient of thermal expansion than that of the cartridge ( 1 ), so that with increasing temperature the cartridge ( 1 ) has a greater expansion than that Body ( 2 ) experiences.

6. Catalyst arrangement according to one of claims 1-5, characterized in that the sleeve-shaped body ( 2 ) consists of ceramic or glass.

7. Catalyst arrangement according to one of claims 1-6, characterized in that in the sleeve-shaped body ( 2 ) a support carrier ( 6 ) is provided, which the axial cavity ( 3 ) of the body ( 2 ) in axially extending sub-channels ( 7 ) under divides.

8. A catalyst arrangement according to claim 7, characterized in that the support carrier ( 6 ) has a star-shaped cross section.

9. A catalyst arrangement according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped body ( 2 ) in its axial cavity ( 3 ) carries a continuous coolant flow.

10. A catalyst arrangement according to claim 7, characterized in that coolant flows in at least one subchannel ( 7 ) in one direction and in at least one other subchannel in the other direction.

11. Catalyst arrangement according to one of claims 1-10, characterized in that in the axial cavity ( 3 ) of the sleeve-shaped body ( 2 ) inert gas or water flows, a positive pressure difference between the media in the body ( 2 ) and in the Cartridge ( 1 ) is present.

12. Catalyst arrangement according to one of claims 1-11, characterized in that the cartridges ( 1 ) can be preheated in a temperature range of 300 ° -500 ° C by means of heated air which is added to a pollutant-laden exhaust gas.

13. Catalyst arrangement according to one of claims 1-11, characterized in that the cartridges ( 1 ) can be preheated by means of electrical energy.

14. A catalyst arrangement according to claim 3, characterized in that the sealing surface ( 5 ) of the respective sealing collars is designed such that when the cartridges ( 1 ) are heated, a substantially radial escape of coolant into the cartridges ( 1 ) takes place.

15. Catalyst arrangement according to one of claims 1-14, characterized in that the length of a module consisting of sleeve-shaped body ( 2 ) and cartridge ( 1 ) is approximately 50-200 mm and the diameter of the sleeve-shaped body ( 2 ) in Range of about 20-30 mm.

16. A catalyst arrangement according to claim 2, characterized in that the sleeve-shaped body ( 2 ) are biased at one end by means of a spring element ( 8 ).

17. A catalyst arrangement according to claim 7, characterized in that the support carrier ( 6 ) has a hollow square cross section.

18. A catalyst arrangement according to claim 7, characterized in that the support carrier ( 6 ) has a circular hollow cross section with struts extending in a star shape, so that the support carrier ( 6 ) creates a central circular sub-channel ( 7 ) and three sub-channels ( 7 ) with a circular segment cross section .