DE60307012T2 - Abgasreinigungskatalysatoreinheit und dessen Anordnung - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Katalysatoreinheit gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Katalysatoranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.
  • Es ist wohl bekannt, dass in Energieerzeugungs-Kraftwerken Gase produziert werden, deren Zusammensetzung einer Umwandlung bedürfen, bevor sie in die Atmosphäre freigegeben werden. Insbesondere die Abgase eines Verbrennungsprozesses sind solche Gase. Zur Bearbeitung bestimmter Bestandteile in den Abgasen, wie beispielsweise Stickoxide und Kohlenwasserstoffe, werden Katalysatoren verwendet, durch die der Abgasstrom hindurch zu führen ist. Insbesondere dann, wenn große Abgasvolumina betroffen sind, übersteigt die physische Größe der einbezogenen Strukturen leicht die gewünschte Größe.
  • Für die Betriebsweise des Katalysator ist es ebenso wesentlich, dass die Strömungsrate darin nicht zu hoch ist, d. h. dass die Rückhaltezeit des Gases in dem Katalysator für die gewünschten ablaufenden Reaktionen lange genug sein sollte. Um dies zu realisieren, wird im allgemeinen ein paralleler Anschluss von Katalysator-Elementen, oder alternativ ein Katalysator-Element mit einem ausreichend großen Durchmesser verwendet. Wenn dem in herkömmlicher Weise gefolgt wird, erhöht sich die Größe der Anlage weiter. Die DE A 1 230 617 zeigt eine Anordnung, bei der drei Katalysator-Elemente parallel angeordnet sind. Eine Verarbeitungszone ist zwischen den Gas-Einlassöffnungen und den Gas-Auslassöffnungen der Katalysator-Elemente angeordnet. Diese bekannte Anordnung scheint das Abgas effizient zwischen verschiedenen Katalysator-Einheiten zu verteilen. Das Vorsehen einer größeren Anzahl von Katalysator-Einheiten würde nichtsdestotrotz in einer extrem wuchtigen Anordnung resultieren.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Katalysator-Anordnung zu schaffen, mit der eine beträchtliche Raumeinsparung erreicht wird, insbesondere in Verbindung mit einer Verbrennungsmaschine, wobei die Länge der Abgas-Anordnung genutzt wird. Ein Ziel der Erfindung ist es ebenso, eine solche Katalysator-Einheit vorzusehen, mit der sich eine raumsparende Katalysator-Anordnung einer modularen Ausführung realisieren lasst.
  • Die Ziele der Erfindung werden im Prinzip gemäß den Ausführungen in den Ansprüchen 1 und 5, wie auch in größerem Detail in den anderen Ansprüchen erreicht.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Katalysators kann das zu verarbeitende Gas sowohl an dem in der Katalysator-Einheit angeordneten Katalysator-Element vorbeigeführt als auch durch das in der Katalysator-Einheit angeordnete Katalysator-Element hindurchgeführt werden, wobei nur ein Teil des Gasstromes verarbeitet wird und die Katalysator-Elemente hydrodynamisch parallel angeschlossen sein können. Die Einheit umfasst mehrere benachbart angeordnete Zonen, d. h. in Querrichtung der Längsachse, eine Bearbeitungszone für Gas, in der das Katalysator-Element eingepasst ist und wo eine Trennwand oder dergleichen in einem Abstand von dem Katalysator-Element angeordnet ist. Die Katalysator-Einheit umfasst ferner eine erste Transferzone und eine zweite Transferzone, die im wesentlichen an ihren gegenüberliegenden Enden verstopft sind, sowie eine oder mehrere Durchstromzonen. Die Verarbeitungszone steht ferner in einer Strömungsverbindung mit der ersten Transferzone auf der ersten Seite der Trennwand oder dergleichen, und mit der zweiten Transferzone auf der anderen Seite der Trennwand oder dergleichen. Durch diese Art und Weise eines Elements ist eine kompakte Vorrichtung aus einer modularen Struktur vorgesehen.
  • In der Katalysator-Einheit weist die Verarbeitungszone für Gas eine gemeinsame Trennwand auf, die sowohl von den Transferzonen für das Gas und von all den Durchstromzonen geteilt wird, wobei sie in bevorzugter Weise im Querschnitt der Katalysator-Einheit so angeordnet ist, dass sie konzentrisch durch die anderen Zonen umgeben ist. Demzufolge ist der Aufbau so ausgeführt, dass sich die erste und zweite Transferzone eine gemeinsame Trennwand teilen, d. h. sie bilden Zonen, die benachbart zueinander angeordnet sind.
  • Die zum Durchleiten des zu verarbeitenden Gases durch mehrere hydrodynamisch parallel verbundene Katalysator-Elemente vorgesehene erfindungsgemäße Katalysator-Anordnung umfasst in Querrichtung mehrere Zonen, die sich im Wesentlichen von dem Gaseinlass-Ende der Anordnung zu deren Auslass erstrecken, sowie eine Behandlungszone für Gas, in der mehrere aufeinander folgende Katalysator-Elemente angeordnet sind, und Zonen, die in der Querrichtung der Behandlungszone mit Bezug auf deren Längsachse zum Durchführen von Gas an jedes Katalysator-Element symmetrisch angeordnet sind. Diese Zonen weisen zumindest eine Zone auf, die an einem Punkt zwischen dem Gaseinlass-Ende und dem Gasauslass-Ende der Katalysator-Anordnung verstopft ist, wobei eine Strömungs-Kommunikationsverbindung über diesen Stopf-Anschluss in der Behandlungszone via dem Katalysator-Element angeordnet ist.
  • Die Behandlungszone für das Gas ist in der Katalysator-Anordnung konzentrisch angeordnet und die anderen Zonen umgeben diese. Die Katalysator-Anordnung hat vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, wobei die Behandlungszone für Gas konzentrisch in der Katalysator-Anordnung angeordnet ist und die anderen Zonen aus Sektoren gebildet sind, die diese umgeben.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere in Verbindung mit großen Kolbenmaschinen vorteilhaft, bei denen die nacheinander angeordneten Katalysator-Einheiten die Länge der Maschine nutzen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
  • – 1 den Querschnitt einer Katalysator-Einheit gemäß der Erfindung in deren Längsrichtung zeigt;
  • – 2 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Katalysator-Einheit zeigt;
  • – 3 eine Katalysator-Einheit gemäß der Erfindung von vorne zeigt;
  • – 4 ein Anschlussdiagramm der Katalysator-Einheiten gemäß der Erfindung veranschaulicht.
  • Im Folgenden ist der Aufbau einer Katalysator-Einheit 1 gemäß der Erfindung mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. Die Struktur der Katalysator-Einheit macht es möglich, den eingehenden Gasstrom in partielle Ströme zu unterteilen, von denen ein Anteil durch ein Katalysator-Element 2 geleitet werden kann, das in der Katalysator-Einheit 1 angeordnet ist, wobei die anderen an dem Katalysator-Element 2 vorbeigeführt werden. Die in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Katalysator-Einheit 1 ist aus einer Leitung 3 mit einem kreisförmigen Querschnitt gebildet und sie dient als Außenmantel. Innerhalb der den Außenmantel bildenden Leitung 3 ist eine Innenleitung 4 mit einem im Vergleich zum Außenmantel kleineren Durchmesser vorgesehen, die als Innenmantel dient, innerhalb der das Katalysator-Element 2 angeordnet ist. Selbst wenn der in den Figuren dargestellte Querschnitt kreisförmig ist, der in der Tat eine vorteilhafte Form darstellt, ist es möglich, auch eine andere Gestalt vorzusehen, wie beispielsweise ein Polygon. Es ist wesentlich, dass im Querschnitt aufgrund einer bestimmten Winkelverteilung mit Bezug auf den Mittelpunkt einheitliche Sektoren vorgesehen sind. In dem Raum zwischen dem Außenmantel und dem Innenmantel sind in Längsrichtung der Katalysator-Einheit 1 mittels bevorzugter radialer Trennwände 5 verschiedene Zonen 6 angeordnet, welche Zonen als Transferzonen 6.1 für das Gas und als Durchstromzonen 6.2 genutzt werden. Die Transferzonen 6.1 sind derart angeordnet, dass das Gas von einer Behandlungszone 7 durch diese geführt oder dort abgegeben wird, welche Behandlungszone durch den Innenmantel 4 gebildet ist, was es dem Gas erlaubt, durch das Katalysator-Element 2 zu strömen. Zu diesem Zweck sind Öffnungen 8, 9 in der Innenleitung 4 an den Transferzonen 6.1 angeordnet. Demgegenüber sind die Durchstromzonen 6.2 solche Zonen, in denen das Gas via diesen durch die Katalysator-Einheit 1 ein- und ausströmt. Die Trennwände 5 sind in regulären Intervallen bezüglich des Außenumfangs angeordnet, was es möglich macht, die erfindungsgemäße Katalysator-Einheit 1 als eine Katalysator-Anordnung vorzusehen, bei der mehrere Katalysator-Einheiten nacheinander verbunden sind, wobei die Katalysator-Elemente hydrodynamisch parallel angeschlossen sind. Dies ist nachfolgend mit Bezug auf 4 gezeigt.
  • Demgemäß gibt es ein in der Behandlungszone vorgesehenes Katalysator-Element 2. Von dem Katalysator-Element 2 ist in einem Abstand hierzu in der Innenleitung 2 eine Öffnung zum Durchführen des verarbeiteten Gases weg von der Behandlungszone über die Transferzone 6.1 angeordnet. In der Nähe der Öffnung 8 weist die Behandlungszone 7 eine Trennwand oder dergleichen 10 auf, die in einem Abstand von dem Katalysator-Element 2 angeordnet ist. Mittels der Trennwand oder dergleichen kann die Vorwärtströmung des Gases in der Behandlungszone verhindert werden, und das Gas kann durch die Transferzone 6.1 geleitet werden. Mit Bezug auf das Katalysator-Element ist auf der gegenüberliegenden Seite der Trennwand oder dergleichen 10 eine weitere Öffnung 9 in der Innenleitung 4 zum Durchführen eines zweiten Gasstromes von der Transferzone 6.1 zu der Behandlungszone 7 angeordnet. Zusätzlich sind beide Transferzonen 6.1 gemäß den Darstellungen verstopft, indem sie mit einer Trennwand oder dergleichen 11, 12 versehen sind, so dass in einer Transferzone die Trennwand 11 auf derselben Seite wie das Gaseinlass-Ende der Katalysator-Einheit angeordnet ist, und in der anderen Zone die Trennwand 12 auf der selben Seite wie das Gasauslass- Ende angeordnet ist. Demzufolge sind die Transferzonen im Wesentlichen an ihren gegenüberliegenden Enden verstopft.
  • 3 zeigt, wie der Durchmesser des Katalysator-Elements 1 gemäß der Erfindung symmetrisch zu seinem Mittelpunktes vorliegt. Wie oben erwähnt, ist es möglich, der Innenleitung eine andere Gestalt zu geben, wie auch dem Außenmantel 3, beispielsweise in Form eines polygonalen Außenmantels 3', wie er in 3 durch eine gestrichelte Linie gezeigt und ebenso möglich ist. Die Trennwände 5 sind so angeordnet, dass der Querschnitt aus Sektoren besteht, die durch bestimmte Winkel a1, a2, a3, a4 bestimmt sind. Diese Winkel sind im Wesentlichen alle gleich. Damit sind sowohl die Transferzonen 6.1 als auch die Durchstromzonen 6.2 von ähnlichen Querschnitten.
  • Durch die Katalysator-Einheiten gemäß der Erfindung ist eine Katalysator-Anordnung zum Einleiten von zu verarbeitendem Gas durch mehrere hydrodynamisch parallel angeschlossene Katalysator-Elemente geschaffen. Die Katalysator-Anordnung wird im folgenden mit Bezug auf 4 aufgezeigt. Gas wird durch einen Kanal 14 an die erste Katalysator-Einheit 1.1 der Katalysator-Anordnung geführt. Wie oben erwähnt, unterteilt die Katalysator-Einheit den Strom in mehrere partielle Ströme. Das zu behandelnde Gas strömt in die erste Katalysator-Einheit 1.1 nur über eine der Transferzonen 6.1, da die andere Transferzone durch eine Trennwand 11 am Einlass-Ende verschlossen ist.
  • In dieser Ausführungsform beträgt die Anzahl der Durchstromzonen 6.2 zwei, jedoch ist auch eine andere Anzahl möglich. Dies wird durch die Anzahl von Katalysator-Einheiten bestimmt, die zur Verwendung erwünscht sind. Die Anzahl der Durchstromzonen 6.2 beträgt immer zwei weniger als die Anzahl der in Verwendung stehenden Katalysator-Einheiten. Ein Anteil des Gases strömt auch in die Behandlungszone 7, wo es verarbeitet wird, während es durch das Katalysator-Element 2 strömt. Geführt durch die Trennwand 10, die in der Behandlungszone angeordnet ist, und die Öffnung 8 passiert das behandelte Gas die erste Katalysator-Einheit 1.1 zu einer der Transferzonen 6.1, die an ihrem Einlass-Ende verschlossen 11 ist. Danach durchströmt dieser Partialstrom aus behandeltem Gases in der ersten Katalysator-Einheit 1.1 die nächsten zwei Katalysator-Einheiten 1.2, 1.3 über die Durchstromzonen 6.1 und ferner in die vierte Katalysator-Einheit 1.4 durch die Öffnung 9 der Behandlungszone 7, an die gegenüberliegende Seite der Trennwand 10 bezüglich des Katalysator-Elements 2 und schlussendlich strömt es an einem Kanal 15 aus. Ein gleichartiger Strom, d. h. die Be handlung eines partiellen Gasstromes in einer Katalysator-Einheit 2 für jeden jeweiligen partiellen Gasstrom zu einer bestimmten Zeit, ist durch Anordnen der Katalysator-Einheiten 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 vorgesehen, die nacheinander angeordnet sind, so dass eine Einheit nachfolgend der vorausgehenden um deren Längsachse geschaltet ist, die durch das Winkelmaß a1, a2, a3, a4 bestimmt ist. Das Maß dieser Winkel ist durch deren Quantität bestimmt. Da alle die durch die Winkel bestimmten Sektoren im Querschnitt gleich sind, sind die angrenzenden Zonen in Rotationsrichtung immer eine nachfolgend der anderen in sukzessiven Einheiten angeordnet.
  • Aus 4 zeigt sich ferner, dass ein Teil des Gases, das durch die Transferzone 6.1 in die erste Katalysator-Einheit 1.1 strömt, durch die Öffnung 9 zur Behandlungszone 7 stromabwärts der Trennwand 10 gelassen wird, wobei dieser Anteil in dem Katalysator-Element 2 der zweiten Katalysator-Einheit 1.2 verarbeitet wird. Nach dieser Verarbeitung strömt dieser Gasanteil durch die Öffnung 8 der zweiten Katalysator-Einheit 1.2 an die Transferzone 6.1 und weiter durch die Durchstromzonen 6.2 der dritten 1.3 und vierten 1.4 Katalysator-Einheit nach außen zu dem Kanal 15. Gleichermaßen werden die Partialströme, die die Durchstromzonen in der ersten Katalysator-Einheit 1.1 passieren, in der dritten 1.3 und vierten 1.4 Katalysator-Einheit verarbeitet. Die Anordnung ist damit derart, dass in der Behandlungszone 7 mehrere aufeinander folgende Katalysator-Elemente 2 vorliegen, durch die ein partieller Gasstrom hindurchzuführen ist. In der Praxis strömt das Gas in Form von Partialströmen in die Transfer- oder Durchstromzonen, die die Behandlungszone umgeben, wobei die direkte Kommunikation in den Transferzonen unterbrochen ist und in der Behandlungszone 7 eine Strömungskommunikation über die Fließeinrichtungen via dem Katalysator-Element 2 zurück zur Transferzone 6.1 vorgesehen ist. Wie das auf der Grundlage von 4 zu entnehmen ist, muss nur eine der Transferzonen zwischen den Katalysator-Einheiten mit einer Trennwand 11, 12 versehen sein, wobei es aus praktischen Gründen sinnvoll ist, gleiche Katalysator-Einheiten 1 zu verwenden, da beide Wände an den Einlass- und Auslass-Enden der Anordnung benötigt werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen begrenzt, da mehrere andere Modifikationen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche möglich sind.

Claims (8)

  1. Katalysator-Einheit (1) zur sukzessiven Anordnung mit anderen Katalysator-Einheiten derselben Art, welche Einheit (1) einen Außenmantel (3) und einen Innenmantel (4) innerhalb des Außenmantels (3), sowie mehrere Zonen (6.1, 6.2) aufweist, die in dem Raum zwischen dem Außenmantel (3) und dem Innenmantel (4) mittels bevorzugter radialer Trennwände (5) der Längsrichtung der Katalysator-Einheit angeordnet sind, wobei diese Zonen als Transferzonen (6.1) verwendet werden, die zum Führen von zu behandelndem Abgas durch ein Katalysator-Element (2) vorgesehen sind, das innerhalb des Innenmantels (4) angeordnet ist, sowie als Durchstromzonen (6.2), die zum Vorbeiführen an dem Katalysator-Element (2) dienen, – wobei eine Behandlungszone, die durch den Innenmantel (4) gebildet ist und eine Durchströmung des Katalysator-Elements (2) mit dem Abgas ermöglicht, und eine Trennwand (10) vorgesehen sind, die in einem Abstand von dem Katalysator-Element (2) angeordnet ist, und in deren Nähe Öffnungen (8, 9) innerhalb des Innenmantels (4) an den Transferzonen (6.1) angeordnet sind, – wobei die Transferzonen durch eine erste Transferzone (6.1) und eine zweite Transferzone (6.1) gebildet sind, die im Wesentlichen an ihren gegenüberliegenden Enden verstopft sind, wobei die erste und zweite Transferzone (6.1) derart angeordnet sind, dass Abgas jeweils durch sie von der Behandlungszone (7) durch die besagten Öffnungen (8, 9) geführt und abgegeben wird, – wobei eine oder mehrere Durchstromzonen (6.2) angeordnet sind, derart, dass Abgas über diese durch die Katalysator-Einheit (1) ein- und ausströmt, und die dazu vorgesehen sind, das zu behandelnde Abgas an aufeinanderfolgende Katalysator-Einheiten zu liefern.
  2. Katalysator-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszone (7) für Gas eine gemeinsame erste Trennwand (4) aufweist, die von beiden Transferzonen (6.1) und all den Durchstromzonen (6.2) geteilt wird.
  3. Katalysator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszone (7) im Querschnitt der Katalysator-Einheit derart angeordnet ist, dass sie konzentrisch von den anderen Zonen (6.1, 6.2) umgeben ist.
  4. Katalysator-Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und zweite Transferzone (6.1) eine gemeinsame zweite Trennwand (5) teilen.
  5. Katalysator-Anordnung, bestehend aus einer Folge von Katalysator-Einheiten (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) zum Durchführen des zu behandelnden Gases durch mehrere Katalysator-Elemente (2) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, wobei die Transfer- und Durchstromzonen (6.1, 6.2) im Querschnitt der Behandlungszone symmetrisch bezüglich deren Längsachse angeordnet sind, und wobei sich die Durchstromzonen (6.2) und Transferzonen (6.1) in Abfolge der Katalysator-Einheiten (1.1 bis 1.4) zum Durchführen von Gas in hydrodynamisch parallelen Strömen an jedes der Katalysator-Elemente (2) abwechseln.
  6. Katalysator-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der besagten Zonen (6.1) verstopft (11) ist, an einem Punkt zwischen dem Gaseinlass-Ende und dem Gasauslass-Ende der Katalysator-Anordnung, und eine Strömungskommunikationsverbindung über diesen Verschluss in der Behandlungszone (7) via dem Katalysator-Element (2) angeordnet ist.
  7. Katalysator-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszone (7) für Gas in der Katalysator-Anordnung (1) konzentrisch angeordnet ist, und dass die anderen Zonen (6.1, 6.2) diese umgeben.
  8. Katalysator-Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen kreisförmigen Querschnitt hat, und dass die Behandlungszone (7) für Gas konzentrisch in der Katalysator-Anordnung angeordnet ist, und dass die anderen Zonen (6.1, 6.2) aus Sektoren gebildet sind, die diese umgeben.
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