DE4432442C2

DE4432442C2 - Catalyst arrangement

Info

Publication number: DE4432442C2
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: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: DE4432442A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung ge mäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a catalyst arrangement ge 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 organischen Substanzen be ladenen Abgasen Platinkatalysatoren auf Al₂O₃-be schichtetem Trägermaterial eingesetzt. In der Regel be steht das Trägermaterial aus einem dünnen Metallblech, das zur Vergrößerung der Oberfläche mit Al₂O₃ be schichtet ist, wobei die Al₂O₃-Schicht die eigentliche Trägerschicht für den Platinkatalysator darstellt. Das beschichtete Trägermaterial wird in der Regel zu im Querschnitt kreisförmigen Paketen gewickelt, wodurch in einem verhältnismäßig kleinen Volumen eine große Katalysatoroberfläche untergebracht werden kann. Derartige Pakete werden auch als Kartuschen bezeich net. 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.Among other things, catalysts are used wherever pollutant-laden exhaust gases have to be cleaned. So z. B. for cleaning of be loaded with organic substances exhaust gases platinum catalysts on Al ₂ O ₃ -be coated support material. As a rule, the support material consists of a thin metal sheet which is coated with Al ₂ O ₃ to enlarge the surface, the Al ₂ O ₃ layer being the actual support layer for the platinum catalyst. The coated carrier material is generally wound into packages which are circular in cross section, as a result of which a large catalyst surface can be accommodated in a relatively small volume. Such packages are also known as cartridges. The length of a cartridge depends on its purpose; often several cartridges are connected in series to increase the catalytic effect as they flow through the exhaust gases.

Entsprechend den Arrheniuskurven für Katalysato ren des oben genannten Aufbaus ergibt sich ein durch untere und obere Grenztemperaturen vorgegebener Temperaturbereich für die zuverlässige Funktion des Katalysators. Für einen Platinkatalysator auf Al₂O₃-be schichtetem Trägermaterial liegt die untere Grenze im Bereich von ca. 200°C, unterhalb der keine oder nur eine sehr schwache Reaktion des Katalysators zu verzeich nen ist, und einer Temperatur von ca. 650°C, oberhalb der der Katalysator zerstört wird. Die optimale Arbeits temperatur 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.Corresponding to the Arrhenius curves for catalysts of the above-mentioned structure, a temperature range given by lower and upper limit temperatures results for the reliable functioning of the catalyst. For a platinum catalyst on Al ₂ O ₃ -coated support material, the lower limit is in the range of approx. 200 ° C, below which there is no or only a very weak reaction of the catalyst and a temperature of approx. 650 ° C , above which the catalyst is destroyed. The optimal working temperature is between the lower and the upper limit temperature. When using such catalysts, care must be taken to ensure that the operating temperature is within the specified range.

Als ein erstes Beispiel für Katalysatoren des oben angegebenen Typs sei z. B. die Reinigung von lösungs mittelbeladener Abluft einer Lackiererei genannt. Ein ähnliches Einsatzgebiet ist z. B. der Trocknungsprozeß irgendeines Kunststoffes, wobei dieser Trocknungspro zeß mit der Freigabe von Lösungsmittel aus dem Kunst stoff 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 above specified type be z. B. the cleaning of solution medium-laden exhaust air from a paint shop. A Similar application is z. B. the drying process any plastic, this drying pro time with the release of solvents from art fabric can be connected. Even with a or pyrolysis process arise exhaust gases with organi substances are loaded.

Aus Umweltschutzgründen ist es nicht möglich, diese Abgase bzw. die mit entsprechenden organischen Stof fen beladene Luft in die Atmosphäre abzugeben, d. h. die entsprechenden Gase müssen nachbehandelt wer den.For environmental reasons, it is not possible to do this Exhaust gases or those with corresponding organic substances release polluted air into the atmosphere, d. H. the corresponding gases have to be post-treated the.

Ein Katalysator stellt eine Möglichkeit der Nachbe handlung derartiger Gase dar. Die Reaktion der in den Gasen enthaltenen Stoffe im Katalysator erfolgt für die angegebenen Beispiele auf einer exothermen Basis, was dazu führt, daß die Temperatur in einer Katalysatorkar tusche ansteigt. Je nach Konzentration und Zusammen setzung der im Katalysator abzureinigenden Bestand teile kann sich längs des Durchtritts der zu reinigenden Abgase durch den Katalysator bzw. eine aus mehreren hintereinander geschalteten Kartuschen bestehende Katalysatoranordnung ein ungleichmäßiges Tempera turprofil ergeben. Dieses Temperaturprofil ist nicht nur ungleichmäßig, sondern kann in Abhängigkeit von der Konzentration der abzureinigenden Bestandteile Spit zenwerte erreichen, die durchaus außerhalb des oben angegebenden Arbeitsbereiches des Katalysators lie gen, und deshalb zu vermeiden sind. Diese Temperatur spitzen können bei mehreren hintereinander geschalte ten Kartuschen einer Katalysatoranordnung relativ weit in der Nähe des Eintritts der zu reinigenden Gase sein, wenn die Bestandteile im wesentlichen niedermole kularer Struktur sind. Die Temperaturspitzen können aber auch bei weiter hinter dem Eintritt der Abgase in die in der Katalysatoranordnung angeordneten Kartu schen auftreten, wenn die abzureinigenden Bestandteile im wesentlichen höhermolekularer Struktur sind. Der technische Normalfall ist jedoch, daß verschiedene or ganische, abzureinigende Bestandteile mit unterschied licher Molekularstruktur und unterschiedlichem Mole kulargewicht auftreten, so daß nicht vorhergesagt wer den kann, an welcher Stelle einer Katalysatoranordnung mit Temperaturspitzen zu rechnen ist. Die Wärmeab fuhr erfolgt über die Reaktionsprodukte bzw. die zur Verbrennung notwendige Luftmenge und ist daher sehr begrenzt.A catalytic converter provides a possibility of after-treatment treatment of such gases. The reaction of the in the Gases contained in the catalyst is made for the given examples on an exothermic basis what causes the temperature in a catalyst car ink rises. Depending on concentration and together settlement of the stock to be cleaned in the catalyst parts can be cleaned along the passage of the Exhaust gases through the catalyst or one of several existing cartridges in series Catalyst arrangement an uneven tempera result in the door profile. This temperature profile is not only uneven, but may vary depending on the Concentration of the components to be cleaned Spit achieve maximum values that are quite outside of the above specified working range of the catalyst and should therefore be avoided. That temperature can be peaked with several connected in series th cartridges of a catalyst arrangement relative far near the entry of the gases to be cleaned be when the ingredients are essentially low mole structure. The temperature peaks can but also if the exhaust gases continue to enter the cartridge arranged in the catalyst arrangement occur when the components to be cleaned are essentially higher molecular structure. Of the However, the normal technical case is that different or ganic components to be cleaned with difference licher molecular structure and different moles Specular weight occur so that it is not predicted who at which point in a catalytic converter arrangement temperature peaks can be expected. The heat abs drove over the reaction products or Combustion necessary air volume and is therefore very limited.

Aus diesem Grunde legen die Katalysatorhersteller eine maximale Konzentration an abzureinigenden Be standteilen in einem einem Katalysator zugeführten Gas fest, um zu vermeiden, daß Temperaturspitzen jen seits der Funktionsfähigkeit, d. h. des oberen Tempera turgrenzwertes des Katalysators, auftreten. Abgasen, die höhere als die vom Katalysatorhersteller vorgege benen Grenzwerte aufweisen, z. B. höhere Werte als 50-80 g/m³, wird bei Katalysatoren des Standes der Technik vorgeheizte Luft zugeführt, einerseits um die Konzentration der zu reinigenden Gase auf den vom Katalysator vorgegebenen Grenzwert zu drücken und andererseits um zu gewährleisten, daß die untere Tem peraturgrenze für den Betrieb des Katalysators nicht unterschritten wird.For this reason, the catalyst manufacturers set a maximum concentration of components to be cleaned in a gas supplied to a catalyst, in order to avoid that temperature peaks occur on the other hand on the functionality, ie the upper temperature limit of the catalyst. Exhaust gases that have higher than the limit values specified by the catalyst manufacturer, z. B. higher than 50-80 g / m ³ , preheated air is supplied to catalysts of the prior art, on the one hand to press the concentration of the gases to be cleaned to the limit value specified by the catalyst and on the other hand to ensure that the lower temperature temperature limit for the operation of the catalyst is not fallen below.

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 Schad stoffbelastungen bei Eintritt in den Katalysator einzu halten.For preheating the gases to be cleaned Air to be added requires energy, being whole significant amounts of air may be required to control the maximum specified by the catalyst manufacturer Concentration values by diluting the harmful material loads when entering the catalyst hold.

Um die geschilderten technischen Probleme zu lösen, wäre es denkbar, ein kompliziertes Regelsystem einzu setzen, das auf der Basis von zahlreichen Temperatur meßsonden längs der Katalysatoranordnung zur Be stimmung des Temperaturprofils über den Katalysator, zahlreichen Konzentrationssonden zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in den zu reinigenden Gasen vor einem Eintritt und nach einem Austritt aus dem Katalysator sowie Temperatursonden für die vorge wärmte Luft arbeitet, um zu gewährleisten, daß der Ka talysator im optimalen Betriebsbereich arbeitet, ein gleichmäßiges Temperaturprofil längs des Katalysators vorhanden ist und eine hohe Lebensdauer der Katalysa toranordnung gewährleistet wird. Da neben den er wähnten Sensoren zahlreiche Stellglieder erforderlich wären, die auch im höheren Temperaturbereich zuver lässig arbeiten müßten, würde ein derartiges Regelsy stem erhebliche Kostennachteile mit sich bringen.To solve the technical problems described, it would be conceivable to implement a complicated control system put that on the basis of numerous temperature measuring probes along the catalyst arrangement for loading tuning the temperature profile over the catalyst, numerous concentration probes for determining the Pollutant concentration in the gases to be cleaned before entering and after leaving the Catalyst and temperature probes for the pre warmed air works to ensure that the Ka talysator works in the optimal operating range uniform temperature profile along the catalyst is present and the catalytic converter has a long service life Gate arrangement is guaranteed. There next to him sensors mentioned numerous actuators required that would also verver in the higher temperature range Such a rules system would have to work casually bring considerable cost disadvantages.

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, eine Katalysatoran ordnung mit einem Regelsystem zu schaffen, welches stets eine Funktion des Katalysators im optimalen Be triebsbereich gewährleistet und welches kostengünstig herstellbar ist.It is therefore an object of the invention to provide a catalyst to create order with a control system which always a function of the catalyst in the optimal loading drive area guaranteed and which cost-effective can be produced.

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

Danach weist eine Katalysatoranordnung gemäß der Erfindung eine mit einer Katalysatorschicht versehene Kartusche auf, welche einen in ihrem Inneren angeord neten, axial sich erstreckenden Hohlraum aufweist, in welchem ein hülsenförmiger Körper angeordnet ist. Die Materialien des hülsenförmigen Körpers und das der Kartusche weisen voneinander verschiedene Wärme ausdehnungskoeffizienten 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 Bewe gung von Kartusche und Körper axial gegeneinander aus einer abdichtenden Position in eine geöffnete Posi tion erfolgt, und daß bei Abkühlung die Bewegung in umgekehrter Richtung von der geöffneten in die abdich tende Position erfolgt.Thereafter, a catalyst arrangement according to the Invention provided with a catalyst layer Cartridge on, which one arranged inside neten, axially extending cavity, in which is arranged a sleeve-shaped body. The Materials of the tubular body and that of Cartridges have different heat from each other expansion coefficient. In addition, the sleeve-shaped body at least on one end face a sealing collar with a stop and when heated causes a relative movement between the cartridge and the body axially against each other from a sealing position to an open position tion takes place, and that when cooling the movement in reverse direction from the open to the abdich position.

Vorzugsweise sind mehrere Kartuschen hintereinan dergeschaltet, so daß in ihrem Innern auch mehrere hin tereinandergeschaltete hülsenförmige Körper modular tig angeordnet sind und somit die Katalysatoranord nung aus einer Vielzahl von Kartuschen- und Körper modulen besteht.Preferably, several cartridges are in a row switched, so that there are also several inside interconnected sleeve-shaped body modular are arranged and thus the catalytic converter from a variety of cartridges and bodies modules exists.

Vorzugsweise weist der hülsenförmige Körper einen Ringflansch auf, welcher bei Nichtbetriebstemperatur von der jeweiligen Stirnseite benachbarter Kartuschen module beabstandet ist. Der hülsenförmige Körper ist von einem Kühlmittel durchströmt. Wird der Katalysa tor betriebsmäßig mit einem abzureinigende Bestand teile enthaltenden Gas beaufschlagt, so wird durch die exotherme Reaktion, welche in dem Katalysator statt findet, die Temperatur in den Kartuschen schneller an steigen als in den in den Kartuschen angeordneten Kör pern. Außerdem wird sich ein Kartuschenmodul stärker ausdehnen als ein durch ein Kühlmittel durchströmter hülsenförmiger Körper, wenn bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Kartusche einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Körper hat und zudem der Körper durch das Kühlmittel kühlgehal ten wird. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur in dem Kartuschenmodul auf eine vorbestimmte Temperatur wird aufgrund der Wärmedehnung das Kartuschenmo dul das ihm zugeordnete hülsenförmige Körpermodul an seinem Ringflansch berühren und bei weiterer Aus dehnung bewirken, daß jeweils eine Dichtfläche der mo dulartig hintereinander angeordneten, hülsenförmig ausgebildeten Körper vorzugsweise einen Ringspalt in der geöffneten Position freigibt, durch welchen Kühl mittel in im wesentlichen radialer Richtung den Stirnsei ten der Kartuschenmodule zugeführt wird. Die Spaltöff nung 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 Katalysator kartusche geleitet. Je mehr Kühlmittel in die Katalysa torkartusche geleitet wird, um so rascher wird sich die betreffende Katalysatorkartusche auf die geforderte Temperatur herunterkühlen. Durch diese Abkühlung wird erreicht, daß sich die Kartusche wieder zusammen zieht und schließlich bei Unterschreiten der erwähnten vorbestimmten Temperatur den Ringflansch des hülsen förmigen Körpers wieder freigibt, so daß es zu einem erneuten Schließen der Dichtfläche zwischen den ein zelnen hülsenförmigen Körpern kommt.The sleeve-shaped body preferably has one Ring flange, which at non-operating temperature from the respective face of adjacent cartridges module is spaced. The sleeve-shaped body is flows through a coolant. If the cat gate operationally with a stock to be cleaned parts containing gas is acted upon by the exothermic reaction which takes place in the catalyst finds the temperature in the cartridges rise faster rise as in the basket arranged in the cartridges pern. In addition, a cartridge module will become stronger expand as a coolant sleeve-shaped body, if in a preferred Embodiment the cartridge a larger Coefficient of thermal expansion than the body has and the body is kept cool by the coolant will. If the temperature in the Cartridge module to a predetermined temperature due to thermal expansion, the cartridge mo dul the associated sleeve-shaped body module touch on its ring flange and on further off stretch cause a sealing surface of the mo arranged in a row like a sleeve trained body preferably an annular gap in the open position releases through which cooling medium in the radial direction of the forehead the cartridge modules is fed. The gap opening The sealing surface will be larger the higher the occurring temperature is. The bigger the gap is the more coolant becomes the respective catalyst cartridge directed. The more coolant in the catalytic converter gate cartridge is passed, the faster the relevant catalyst cartridge to the required Cool down the temperature. By this cooling it is achieved that the cartridge comes together again moves and finally falls below the mentioned predetermined temperature the ring flange of the sleeves shaped body releases so that it becomes a again closing the sealing surface between the one individual sleeve-shaped bodies comes.

Der wesentliche Vorteil eines derartigen Systems be steht darin, daß es gleich einem PI-Regler selbst regulie rend ist und ohne jegliche Temperatursensorik aus kommt. Durch die Auswahl entsprechender Material kombinationen zwischen der Kartusche und dem in der Kartusche angeordneten Körper sowie durch entspre chende Dimensionierung des Spieles zwischen der Kar tusche 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 Katalysatormodulen.The main advantage of such a system be is that it regulates itself like a PI controller rend and without any temperature sensors is coming. By choosing appropriate material combinations between the cartridge and the one in the Cartridge arranged body and by corre appropriate dimensioning of the game between the Kar ink and the body at room temperature takes place by temperature profile, d. H. depending on the concentration pollutants, an automatic regulation of the supply from coolant to the catalyst modules.

Die Anforderungen an den hülsenförmigen Körper innerhalb der Kartusche bestehen darin, daß das Kör permaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher vorzugsweise niedriger als der der Kartusche ist, und welches auch bei Hintereinander schaltung mehrerer hülsenförmiger Körpermodule die Dichtigkeit der Körper zueinander bzw. einen entspre chenden Dichtsitz gewährleistet.The requirements for the sleeve-shaped body inside the cartridge are that the Kör permaterial has a coefficient of thermal expansion which is preferably lower than that of Cartridge is, and which also in a row circuit of several sleeve-shaped body modules Tightness of the body to each other or a correspond appropriate sealing seat guaranteed.

Vorzugsweise werden für den hülsenförmigen Kör per Keramik und für die Katalysatorkartusche in an sich bekannter Weise Metallträgermaterial verwendet.Preferably for the sleeve-shaped body by ceramic and for the catalyst cartridge in itself known metal carrier material used.

Damit im Nichtbetriebszustand, d. h. in einem Zu stand, bei dem keine Zufuhr eines Kühlmittels in die jeweiligen Katalysatorkartuschen erforderlich ist, ein zuverlässiges Schließen der Dichtflächen der hülsenför migen Körper, die durch ein Kühlmittel durchströmt werden, gewährleistet wird, ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein die hülsenförmigen Körper in axialer Richtung zusammendrückendes Federelement vorgesehen.So that in the non-operating state, d. H. in one move stood, with no supply of a coolant in the respective catalyst cartridges is required reliable closing of the sealing surfaces of the sleeve body that flows through a coolant is guaranteed is at a preferred Embodiment in the sleeve-shaped body axially compressing spring element intended.

Zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemä ßen Katalysatoranordnung sind in den Ansprüchen 7 bis 18 definiert.Appropriate developments of the invention ßen catalyst assembly are in claims 7 to 18 defined.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmög lichkeiten der Erfindung sind in der nachfolgenden de taillierten Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnung aufgeführt.Further advantages, features and possible applications Opportunities of the invention are in the following de waisted description 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 hül senförmigen Körpers; Figure 5 is a plan view of an annular flange of a sleeve-shaped body.

Fig. 6 eine Katalysatoranordnung mit Durchströ mung des Kühlmittels in einer Richtung; und Fig. 6 shows a catalytic converter arrangement with mung Durchströ the coolant in one direction; and

Fig. 7 eine Katalysatoranordnung mit Durchströ mung des Kühlmittels in zwei Richtungen. Fig. 7 shows a catalyst arrangement with flow through the coolant in two directions.

In Fig. 1 sind zwei Kartuschen bzw. Kartuschenmo dule 1, lose in einem Rohr 9 steckend, mit einem axial sich erstreckenden und zentral angeordneten Hohlraum 3 dargestellt, in welchem hülsenförmige Körper 2 ange ordnet sind, welche im Bereich des Dichtbundes einen Ringflansch 4 und eine diametral sich erstreckende Dichtfläche 5 aufweisen, wobei die Dichtflächen 5 be nachbarter Körper 2 derart ausgebildet ist, daß sie ähn lich einem Ventilsitz exakt zueinander passen, so daß im geschlossenen Zustand eine entsprechende Dichtfunk tion realisiert wird.In Fig. 1 two cartridges or Kartuschenmo module 1 , loose 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 region of the sealing collar an annular flange 4 and have a diametrically extending sealing surface 5 , the sealing surfaces 5 be adjacent body 2 is formed such that they exactly match a valve seat Lich, so that a corresponding sealing function is realized in the closed state.

Die Kartuschen sind in einem axialen Abstand zuein ander angeordnet, der durch die Dicke des Ringflan sches 4 einschließlich Auflageschultern sowie eines ge nau definierten Spiels bestimmt wird. Die Dichtflächen 5 der sich berührenden hülsenförmigen Körper 2 werden durch ein Federelement 8 zusammengedrückt, welches an einer Seite der Katalysatoranordnung auf einer Zu fuhrleitung für das Kühlmittel sitzt und gegen den äuße ren Rand des äußersten Ringflansches drückt.The cartridges are arranged at an axial distance to each other, which is determined by the thickness of the ring flange 4 including support shoulders and a precisely defined game. The sealing surfaces 5 of the contacting sleeve-shaped body 2 are compressed by a spring element 8 which sits 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 hülsenför migen Körper 2 einer Katalysatoranordnung strömende Kühlmedium Wasser, Luft, ein inertes Gas oder irgend ein an den jeweiligen Einsatzzweck angepaßtes Kühl medium sein. Zwischen dem durch den ein Kühlsystem bildenden hülsenförmigen Körper 2 strömenden Kühl medium und den in den Katalysatorkartuschen 1 zu be handelnden Gasen ist eine positive Druckdifferenz vor handen, so daß gewährleistet wird, daß beim Öffnen der Dichtflächen 5 Kühlmittel in den Zwischenraum zwi schen den Katalysatorkartuschen 1 strömt.Depending on the purpose can cooling medium flowing water, air, an inert gas or any adapted to the respective purpose of cooling medium through the hülsenför be-shaped body 2, a catalytic converter arrangement. Between the flowing through the cooling system forming sleeve-shaped body 2 cooling medium and the gases to be treated in the catalyst cartridges 1 be a positive pressure difference before, so that it is ensured that when opening the sealing surfaces 5 coolant in the space between the catalyst cartridges rule. 1 flows.

Die Materialien der Kartuschen 1 und der hülsenför migen Körper 2 sind so gewählt, daß sie voneinander verschiedene Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen. Vorzugsweise weist die Kartusche 1 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der hülsenförmige Körper 2 auf. Wenn sich durch die im Katalysator ablau fende exotherme Reaktion die Temperatur des Kataly satorelementes, d. h. der Kartusche 1 erhöht, wird diese sich ausdehnen. Diese thermische Ausdehnung ist we gen des höheren Wärmeübergangskoeffizienten größer als die thermische Expansion des hülsenförmigen Kör pers 2, welcher von einem Kühlmedium durchströmt wird, wobei das Kühlmedium selbstverständlich eine niedrigere Temperatur als das im Katalysator behandel te Gas hat.The materials of the cartridges 1 and the hülsenför shaped body 2 are selected so that they have different heat transfer coefficients from each other. The cartridge 1 preferably has a greater 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 in the catalytic converter, this will expand. This thermal expansion is because of 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 having a lower temperature than the gas treated in the catalyst.

Das Spiel zwischen den Stirnflächen der Katalysator kartusche 1 und den axialen Stirnflächen des Ringflan sches 4 des hülsenförmigen Körpers 2 ist so gewählt, daß die Stirnfläche der Kartusche 1 die axiale Ringflä che des Ringflansches 4 erst berührt, wenn eine ge wünschte, d. h. vorbestimmte optimale Betriebstempe ratur 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 Grenztempe ratur von 200°C und der oberen Grenztemperatur von 650°C. Konstruktiv kann der erwähnte Spalt zwischen den Stirnflächen des Ringflansches 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 reali siert wird. Somit sind beliebige Einsatzfälle denkbar, und die Katalysatoranordnung gemäß der Erfindung ist für unterschiedlichste Katalysatortypen, unterschied lichste Konzentrationen an Schadstoffen, unterschied lichste Temperaturbereiche und Einsatzfälle anwend bar. Es ist auch möglich, daß der Wärmeausdehnungs koeffizient des hülsenförmigen Körpers größer ist als der der Kartusche 1.The game between the end faces of the catalyst cartridge 1 and the axial end faces of the Ringflan cal 4 of the sleeve-shaped body 2 is selected so that the end face of the cartridge 1 only touches the axial Ringflä surface of the ring flange 4 when a desired ge, ie predetermined optimal operating temperature the cartridge 1 is reached or exceeded. This optimum operating temperature for the platinum catalysts on Al ₂ O ₃ -coated support material listed in the introduction is in the range of approx. 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 a predetermined opening temperature is realized taking into account the expansion coefficients of the different materials for the cartridge 1 and the sleeve-shaped body 2 . 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 Energie freisetzung, 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 Dichtungsflä chen der in axialer Richtung hintereinander angeordne ten hülsenförmigen Körper 2 außer Eingriff gelangen und einen Ringspalt freigeben. Dieser Ringspalt ist in Fig. 1 diametral angeordnet, um die Strömungsge schwindigkeit durch die Kartuschen 1 zu berücksichti gen, d. h. einen im wesentlichen radialen Austritt des Kühlmediums aus dem Hohlraum 3 in den Zwischen raum zwischen den Kartuschen 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 au ßen gespritzt wird, sich entsprechend verteilen kann und somit eine optimale Kühlwirkung in der jeweiligen Ka talysatorkartusche entfalten kann.When in operation due to the exothermic energy release 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 one behind the 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 speed of flow 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. Structurally, this sealing area can be designed so 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 Ka talysatorkartusche 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 beding ten Öffnungstemperatur der Ringspalt im Dichtungsbe reich zwischen den hülsenförmigen Körpern 2 erwei tern, 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 reinigen den Gas mitgerissen und führt zu einer Absenkung der Reaktionstemperatur 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 Kataly satorkartuschen führt unmittelbar zu einem Nachlassen der Reaktion, was wiederum eine Temperaturabsen kung mit sich bringt. Dadurch entsteht ein einigermaßen gleichmäßig verteiltes Temperaturprofil längs der ge samten Katalysatoranordnung, ohne daß komplizierte Temperatursensorik und weitere Stellmechanismen und Regelglieder verwendet werden müssen.The greater the heat release in the respective Ka talysatorkartusche 1 , the more this will expand and the stronger after reaching the predetermined by the above-mentioned distance between the axial annular surface of the annular flange 4 and the end face of the cartridge 1 conditional th opening temperature of the annular gap in the sealing area between the sleeve-shaped bodies 2 , 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 lowering of 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 Kataly sator cartridges leads directly to a decrease in the reaction, which in turn brings 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 vorherige Auswahl der Materialpaarung zwischen hülsenförmigem Körper 3 und Katalysator kartusche 1 und damit der Wärmeausdehnungskoeffi zienten sowie des Spiels zwischen beiden Teilen den Öffnungszeitpunkt, d. h. die Öffnungstemperatur. Diese Katalysatoranordnung bestimmt also selbsttätig, an welchen Stellen der Katalysatoranordnung die Tempe ratur 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 by the previous selection of the material pairing 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 the opening time, ie the opening temperature. This catalyst arrangement thus automatically determines at which points of the catalyst 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 catalyst.

Zur Sicherstellung der für die Öffnung eines Spaltes zwischen zwei hülsenförmigen Körpern erforderlichen elastischen Dehnung ist ein Federelement 8, vorzugs weise Tellerfedern, vorgesehen. Dieses Federelement 8 kann nur in dem heruntergekühlten Zustand der Kataly satorkartuschen 1 wirken, da die thermischen Expan sionskräfte der Kartuschen 1 bei überhitztem 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 cartridges 1 , since the thermal expansion forces of the cartridges 1 in the overheated state are substantially greater than the spring force.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im Hohlraum 3 im Innern des hülsenförmigen Kör pers 2 ein Stützträger 6 angeordnet, der den inneren Hohlraum 3 in verschiedene Strömungssegmente, d. h. Teilkanäle 7 unterteilt. Dieser Stützträger 6 erstreckt sich über die gesamte Länge aller hintereinanderge schalteten 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 subchannels 7 . This support bracket 6 extends over the entire length of all connected sleeve-shaped body modules 2nd 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 Ausrichtung zu fixieren, damit eine zuverlässige Dichtung an den Dichtflächen der aneinander anstoßen den hülsenförmigen Körper 2 realisiert wird, und hat zum anderen die Funktion, Kühlmittel im Gleichstrom prinzip 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, of fixing the sleeve-shaped body 2 connected in series in a 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 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 hülsenförmigen Körpers 2 in drei etwa gleich gro ße Ringsegmentteilkanäle und einen zentralen kreisför migen Kanal unterteilt. Dieser Stützträger wird für das bevorzugte Gegenstromprinzip benutzt, wobei der Kühlmittelvorlauf im zentralen kreisförmigen Kanal, der Rücklauf in den Ringsegmentkanälen 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 ring segment sub-channels of approximately the same size and a central circular channel. This support bracket is used for the preferred countercurrent principle, the coolant supply being provided in the central circular channel and the return in the ring segment channels (see also FIG. 7).

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterteilt den Hohlraum 3 eines hülsenförmigen Körpers 2 in vier gleichgroße Kreissegmentabschnitte und einen quadra tischen zentralen Abschnitt und ist ebenso für das Ge genstromprinzip anwendbar.The embodiment of FIG. 4 divides the cavity 3 of a sleeve-shaped body 2 into four circle 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 Distanzschultern 10 gezeigt.In Fig. 5 the top view of the annular flange of a body 2 is shown with the necessary for an unhindered exit of the coolant distance shoulders 10.

Ein weiterer Vorteil derartiger Stützträgers 6 gemäß Fig. 3 oder 4 liegt darin, daß die gesamte Einheit der hintereinander angeordneten hülsenförmigen Körper 2 und der Katalysatorkartuschen 1 vormontierbar sind und von einer Seite in ein von den Abgasen durchström tes Rohr einschiebbar 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 inserted from one side into a tube through which the exhaust gases flow.

Die Größe des Spaltes zwischen der axialen Ringflä che des Ringflansches 4 und den Stirnflächen der Kata lysatorkartuschen 1 in Zusammenhang mit der Größe der einzelnen Module des Katalysators bestimmt letzt lich die Fertigungsgenauigkeit. Kleinere Module erfor dern selbstverständlich viel kleinere elementbezogene Wärmedehnungswege, die einen größeren Verlegungs aufwand und eine höhere Fertigungspräzision erfor dern.The size of the gap between the axial Ringflä surface of the ring flange 4 and the end faces of the Kata lysatorkartuschen 1 in connection with the size of the individual modules of the catalyst ultimately Lich Lich 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 Be reich von 50-200 mm auf. Vorzugsweise Durchmesser bereiche des hülsenförmigen Körpers 2 liegen im Be reich 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. Preferably diameter areas of the sleeve-shaped body 2 are in the range of about 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 hülsenförmigen Körper ebenso zu drehen, da mit das Kühlmedium auf der strömungszugewandten Seite der Kartusche 1 austritt.When the direction of flow of the gas flow is reversed, the sleeve-shaped bodies are also to be rotated, since the cooling medium emerges on the side of the cartridge 1 facing the flow.

Da die Anforderungen an den hülsenförmigen Kör per 2 darin bestehen, daß dieser einen möglichst großen Unterschied bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten der Katalysatorkartusche aufweist und daß das Material zur Herstellung von Dichtungen an den Stoßstellen zwi schen den sich berührenden, axial hintereinander ange ordneten Körpern 2 geeignet sein muß, kann außer Ke ramik z. B. noch Glas verwendet werden.Since the requirements for the sleeve-shaped body per 2 are that this has the greatest possible difference in terms of the expansion coefficient of the catalyst cartridge and that the material for the production of seals at the joints between the touching, axially arranged one behind the other bodies 2 must be suitable , can in addition to ceramics z. B. glass can still be used.

Der Einsatz von Gummi an den Dichtungsflächen 5 der axial hintereinander angeordneten hülsenförmigen Körper 2 ist nur dann vorteilhaft, wenn die Temperatu ren in dem entsprechenden Katalysator z. B. 200°C nicht übersteigen.The use of rubber on the sealing surfaces 5 of the axially successively arranged sleeve-shaped body 2 is only advantageous if the temperatu ren 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 ) from each other ver have different coefficients of thermal expansion; and
d) the sleeve-shaped body ( 2 ) has at least on 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 large number of cartridge and body modules.

3. A catalyst arrangement according to claim 2, characterized in that the sealing collar of the mo-shaped sleeve-shaped body ( 2 ) has a sealing surface ( 5 ) through which an annular gap is released in the open position when he heats the cartridge and closed when cooling like that becomes.

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

5. A catalyst arrangement according to one of Ansprü che 1-4, characterized in that the Materi al of the body (2) has a smaller Wärmeausdeh expansion coefficient than that of the cartridge (1) has on, so that with increasing temperature, the specific Kartu (1) a greater expansion than the body ( 2 ) experiences.

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

7. Catalyst arrangement according to one of Ansprü che 1-6, characterized in that in the sleeve-shaped body ( 2 ) a support bracket ( 6 ) is easily seen, 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 ) leads a continuous flow of coolant.

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. A catalyst arrangement according to one of Ansprü che 1-10, characterized in that in the axial cavity ( 3 ) of the sleeve-shaped body ( 2 ) inert gas or water flows, a po sitive pressure difference between the media in the body ( 2 ) and in the cartridge ( 1 ) is present.

12. A 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. A 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 he heats the cartridges ( 1 ) there is a substantially radial leakage of coolant into the cartridges ( 1 ).

15. A 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 50-200 mm and the diameter of the sleeve-shaped body ( 2 ) in the area from 20-30 mm.

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

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

18. Catalytic converter arrangement according to claim 7, characterized in that the support carrier ( 6 ) has a circular hollow cross-section with star-shaped struts, so that the support carrier ( 6 ) has a central circular partial channel ( 7 ) and three cross-sectional ge-sub-channels ( 7 ) creates.