DE69525982T2 - Turbulenzerzeuger im chemischen reaktor - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei katalytischen Wandlern zur Optimierung des Verhältnisses zwischen einem Druckabfall und einem Massenübergang von Gasen.
• In der Regel weist ein katalytischer Wandler ein Substrat auf, das aus einer beträchtlichen Anzahl von benachbarten schmalen Kanälen aufgebaut ist, durch welche ein umzuwandelndes Gas oder eine Gasmischung strömt.
• Verschiedene Materialien können dafür verwendet werden, katalytische Wandler aufzubauen, wie z. B. keramische Materialien oder Metall, z. B. rostfreier Stahl oder Aluminium.
• Der Querschnitt der Kanäle von keramischen katalytischen Wandlersubstraten ist in der Regel rechteckig oder polygonal, d. h. hexagonal. Diese Art von katalytischen Wandlern werden durch Extrusion hergestellt, ein Verfahren, das Kanäle, die längs ihrer gesamten Länge denselben Querschnitt aufweisen, und Kanalwände, die glatt und gleichmäßig sind, erzeugt.
• Bei der Herstellung von katalytischen Wandlersubstraten aus Metall wird ein gewellter/geriffelter Streifen und ein flacher Streifen üblicherweise umeinander um eine Achse gewickelt. Die resultierende Kanalquerschnittsform ist dreieckig oder trapezförmig. Die im Handel erhältlichen metallischen katalytischen Wandler sind mit Kanälen ausgebildet, die längs ihrer gesamten Länge eine gleichemäßige Querschnittsabmessung aufweisen und wie bei den keramischen katalytischen Wandlersubstraten sind ihre Kanalwände glatt und gleichmäßig.
• Das wichtigste Merkmal ist der Massenübergang, der zwischen dem durch die Kanäle strömenden Gas oder Gasmischung und den Kanalwänden des katalytischen Wandlers stattfindet. Die Massenübergangszahl, die ein Maß für die Massenübergangsrate ist, muss hoch sein, wenn eine hohe Effizienz der katalytischen Umwandlung erreicht werden soll.
• Bei katalytischen Wandlern der oben erwähnten Art, welche bei Verbrennungsmaschinen oder in der Industrie verwendet werden und deren Kanäle eine verhältnismäßig kleine Querschnittsform aufweisen, strömt das Gas mit den in diesen Umgebungen üblichen Gasgeschwindigkeiten in verhältnismäßig regelmäßigen Schichten in Richtung der Kanäle. Somit ist die Strömung hauptsächlich laminar. Nur längs einer kürzeren Strecke benachbart den Kanaleinlässen findet eine gewisse Kreuzströmung in der Richtung auf die Kanalwände zu statt. Zum Kategorisieren der Gasströmung wird die sogenannte Reynoldszahl verwendet, deren Wert in diesen Anwendungen zwischen 100 und 600 liegt. Solange die Reynoldszahl unter ungefähr 2000 bleibt, bleibt die Strömung laminar.
• Es ist in dem betreffenden technischen Bereich gut bekannt, dass bei laminaren Gasströmungen eine Grenzschicht nächst den Kanalwänden ausgebildet wird, in welcher Grenzschicht die Gasgeschwindigkeit im Wesentlichen null ist. Diese Grenzschicht reduziert die Massenübergangszahl sehr, vor allem bei einer voll ausgebildeten Strömung. Um die Massenübergangszahl zu erhöhen, muss das Gas dazu gebracht werden, auf die Kanaloberfläche zu zu strömen, was die Grenzschicht verringert und den Strömungsübergang von einer Schicht zur anderen erhöht. Dies kann durch turbulente Strömungen bewirkt werden. In glatten und gleichmäßigen Kanälen geht die laminare Strömung zu einer turbulenten über, wenn die Reynoldszahl Werte über ungefähr 2000 erreicht. Wenn man wünscht, eine Reynoldszahl dieser Größenordnung in den Kanälen der hierin behandelten Art von katalytischen Wandlern zu erreichen, werden beträchtlich höhere Gasgeschwindigkeiten benötigt als es in diesem Zusammenhang üblich ist. Bei den niedrigen Reynoldszahlenwerte, die bei katalytischen Wandlern der oben erwähnten Art vorkommen, ist es daher notwendig, eine Turbulenz durch künstliche Mittel zu erzeugen, beispielsweise durch die Anordnung spezieller Turbulenzerzeuger innerhalb der Kanäle.
• Eine große Anzahl von Turbulenzerzeugern ist bereits bekannt. Aus der SE-B- 461 018 ist ein katalytischer Wandler bekannt, der Kanäle mit Turbulenzerzeugern darin in der Form von querlaufenden Wellen aufweist. Aus der GB-A- 2001547 ist ein katalytischer Wandler mit Kanälen bekannt, in denen Turbulenzerzeuger in der Form von querlaufenden Metallflügeln vorgesehen sind, die aus dem Strukturmaterial gestanzt sind. Es gibt auch Kombinationen dieser zwei Arten von Turbulenzerzeugern.
• Ein Merkmal, das Turbulenzerzeuger dieser Art gemeinsam haben, ist ihre Fähigkeit, den Massenübergang bedeutend zu erhöhen. Jedoch erhöht sich auch der Druckabfall dramatisch. Tatsächlich hat sich herausgestellt, dass die Zunahme des Druckabfalls die Erhöhung des Massenübergangs übertrifft. Der Druckabfall als solcher hängt von der Konfiguration, den Abmessungen und der Geometrie der Turbulenzerzeuger ab. Es ist jedoch gut bekannt, dass diese Art von Turbulenzerzeugern einen Druckabfall erzeugen, der zu hoch ist, was verhindert hat, sie gewerblich in einem bedeutenden Umfang zu verwenden.
• Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Turbulenzerzeuger in den Kanälen eines katalytischen Wandlers so angeordnet und konfiguriert werden sollten, dass ein optimales Verhältnis von Druckabfalls zum Massenübergang erhalten wird. Bei der hier behandelten Anwendung wird auf den gedachten hydraulischen Durchmesser Bezug genommen, welcher ein Ausdruck ist, der das Verhältnis der durchströmten Kanalquerschnittsfläche zum Kanalumfang bezeichnet. An den Einlässen der Kanäle des katalytischen Wandlers ist die Massenübergangszahl hoch, da die Grenzschicht sehr dünn ist. Die Dicke der Grenzschicht erhöht sich in der Richtung der Hauptströmung allmählich und die Massenübergangszahl, d. h. die Rate des Massenübergangs zur Kanaloberfläche wird verringert. Um den Massenübergang zu erhöhen und folglich die Effizienz der katalytischen Umwandlung, sollten Turbulenzerzeuger an den Kanalwänden nicht zu nahe an den Einlässen angeordnet werden, da der Massenübergang in diesem Bereich bereits hoch ist. Allgemein würde das Bereitstellen von Turbulenzerzeugern in diesem Bereich nur eine Zunahme des Druckabfalls bewirken, was nicht wünschenswert ist.
• Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Lösung der oben erwähnten Aufgaben die Konstruktion des katalytischen Wandlers bestimmte Bedingungen erfüllen sollte, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
• Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen,
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Kanal eines katalytischen Wandlers zeigt, der mit Turbulenzerzeugern gemäß der Erfindung ausgebildet ist;
• Fig. 2 denselben Kanal schematisch in einer seitlichen Ansicht veranschaulicht, und
• Fig. 3 eine Querschnittsansicht durch den Kanal in dem Bereich eines Turbulenzerzeugers ist.
• In der Zeichnung sind der Einlass 1 und ein Teil eines Kanals 2 in einem katalytischen Wandler gemäß der Erfindung gezeigt. Die Zeichnung zeigt nur einen nächst dem Einlass 1 angeordneten ersten Turbulenzerzeuger 3 und einen zweiten Turbulenzerzeuger 4. Der Kanal 2 besitzt eine Höhe h. Der Abstand X&sub1; von der Einlassöffnung zur Mitte des ersten Turbulenzerzeugers 3 wird durch die folgende Formel bestimmt:
• in welcher Dh der hydraulische Durchmesser des Kanals ist,
• Re die Reynoldszahl ist,
• Sc die Schmidt'sche Zahl der Gasmischung ist.
• Es ist aus dieser Formel ersichtlich, dass X&sub1; von der Reynoldszahl abhängt und somit von der Gasgeschwindigkeit. Die optimale Position des ersten Turbulenzerzeugers 3 hängt somit von den vorherrschenden Betriebszuständen ab.
• Wie es insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, besitzen die Turbulenzerzeuger 3, 4 eine spezielle geometrische Konfiguration. Somit können sie mit einer geneigten vorderen Randfläche 5, einer flachen oberen Fläche 6 und einer schrägen hinteren Randfläche 7 ausgebildet sein.
• Gemäß der Erfindung gelten die folgenden Bedingungen:
• der Winkel θ, der die Neigung der vorderen Randfläche 5 der Turbulenzerzeuger 3, 4 relativ zum Boden 8 des katalytischen Wandlerkanals 2 definiert, liegt zwischen 35 und 50 Grad und das Verhältnis der Höhe e der oberen Fläche 6 über dem Boden 8 zum hydraulischen Durchmesser Dh des Kanals 2 liegt zwischen 0,35 und 1,0. Zusätzlich liegt das Verhältnis des Abstands P zwischen den Mitten des ersten und des zweiten Turbulenzerzeugers 3 und 4 zu der Höhendimension e zwischen 20 und 50 und das Verhältnis von der Länge B der oberen Fläche 6 von jedem Turbulenzerzeuger 3, 4 zur Höhe e der oberen Fläche über dem katalytischen Wandlerboden 8 liegt zwischen 1,5 und 4,0.
• Indem die Turbulenzerzeuger 3, 4 gemäß den Lehren der Erfindung mit einer speziellen geometrischen Konfiguration konfiguriert und in vorbestimmten Abständen voneinander und von dem Einlass 1 in Kanälen 2 angeordnet werden, die eine vorzugsweise dreieckige und/oder trapezförmige Querschnittsform aufweisen, wird ein erhöhter Massenübergang und folglich auch eine erhöhte katalytische Umwandlung erreicht, die jedoch lediglich von einer gemäßigten Zunahme des Druckabfalls begleitet wird. Wenn sich die Gasströmung dem Turbulenzerzeuger 3 nähert, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit infolge der verringerten Querschnittsfläche lokal zu, ein Merkmal, das Fig. 3 veranschaulichen soll. Wenn das Gas danach den Turbulenzerzeuger 3 passiert und den Rand verlässt, der an der Verbindung zwischen der oberen Fläche 6 und der hinteren Randfläche 7 ausgebildet ist, entsteht wegen einer solchen Ablösung und der stark divergierenden Querschnittsfläche eine starke turbulente Bewegung. Dieser Vorgang erhöht den Massenübergang sehr wirksam.
• Der Turbulenzerzeuger 4 ist in einem berechneten Abstand P von dem ersten Turbulenzerzeuger 3 angeordnet, um zu ermöglichen, dass die so erzeugte Turbulenz so vollständig wie möglich ausgenützt wird, und damit sich ein Rekontaktierungsbereich ausbildet, der in Fig. 1 durch O angedeutet ist, bevor das Gas den Turbulenzerzeuger 4 passiert. Auf diese Weise wird ein unnötiger übermäßiger Druckabfall ohne eine signifikante Erhöhung des Massenübergangs in der bereits turbulenten Gasströmung verhindert. In dem Rekontaktierungsbereich O wird das Gas wieder in hohem Maße benachbart der glatten Fläche strömen, bevor es den Turbulenzerzeuger 4 erreicht.
• Es ist wichtig, dass die Ränder der Turbulenzerzeuger 3, 4 ausreichend scharf sind, um die Ablösungspunkte (Verschiebungspunkte) zu erzeugen. Der Radius r, siehe Fig. 2, sollte so bemessen sein, dass das Verhältnis r : Dh zwischen 0,04 und 0,2 liegt.
• Durch Konfigurieren der Turbulenzerzeuger gemäß den Lehren der Erfindung werden sie auch bei den hohen Gasgeschwindigkeiten wirksam, bei welchen sich eine turbulente Strömung auch bei einem glatten Kanal ausbilden würde. Die sich natürlich ausbildende Turbulenz wird durch den Konvergierungs/- Divergierungseffekt und durch die Mechanismen von Ablösung und Rekontaktierung des Gases verstärkt.
• Die Steigerung des Massenübergangs gemäß der Erfindung kann auf die folgende Weise verwendet werden. Der Massenübergang j wird üblicherweise bestimmt durch die Formel
• J = ρ·hM·A(W1S - W1W)
• in welcher hM die Massenübergangszahl ist
• A die übertragende Oberfläche ist
• W1S der Massenanteil der Substanz 1 in dem Gas ist (Massenwert)
• W1W der Massenanteil der Substanz 1 an der Oberfläche ist
• ρ die Dichte des Gases ist.
• Die Formel W1S - W1W ist ein Maß der Konzentration von nicht umgewandeltem Gas. Wenn sich hM erhöht, erhöht sich die katalytische Umwandlung für eine konstante Größe der Fläche A. Wenn es andererseits nicht notwendig ist, j zu erhöhen und stattdessen der Massenübergang konstant gehalten wird, kann die Fläche der Kanaloberfläche verringert werden. Es wird dann möglich, auch die Menge an Trägermaterial (rostfreier Stahl bei metallischen katalytischen Wandlern und Washcoat (Zwischenschicht)) und die sehr teueren Edelmetalle in den katalytischen Wandlern zu verringern und auf diese Weise können beträchtliche wirtschaftliche Gewinne gemacht werden.
• Wenn es für eine gegebene vordere Fläche des katalytischen Wandlers statt dessen erwünscht ist, die Fläche der Kanaloberfläche zu verringern, kann eine solche Flächenverringerung durch eine Erhöhung des hydraulischen Durchmessers erreicht werden. Dies verringert den Druckabfall, welcher für den zusätzlichen Druckabfall verwendet werden kann, der aus der Erzeugung der Turbulenz resultiert. In diesem Fall kann die Zunahme des Druckabfalls begrenzt werden, ungeachtet der Erhöhung des Massenübergangs (hM nimmt zu). Folglich macht die höhere Massenübergangszahl den verringerten Kanaloberflächeninhalt wett. Die Menge an Trägermaterial und Washcoat und die teueren Edelmetalle in dem katalytischen Wandler können somit wiederum verringert werden und folglich können beträchtliche wirtschaftliche Gewinne erzielt werden.
• Angenommen, man hat einen geraden glatten Kanal mit vorbestimmten Abmessungen. Bezüglich des sogenannten voll ausgebildeten Strömungsbereichs ist der Druckabfall (für eine vorgegebene Gasgeschwindigkeit) umgekehrt proportional zum hydraulischen Durchmesser. Wenn der hydraulische Durchmesser erhöht wird, beispielsweise um einen Faktor 2, fällt der Druckabfall entsprechend ab. Bei voll ausgebildeten Strömungs- und Massenanteilsfeldern ist die Massenübertragungsfläche jedoch umgekehrt proportional zum hydraulischen Durchmesser. Somit wird auch die Übertragung verringert. Wenn ein ziemlich großer Kanal mit Turbulenzerzeugern gemäß der Erfindung versehen ist, wird sich der Druckabfall und der Massenübergang erhöhen. Ohne den Massenübergang zu verringern wird sich der Druckabfall auf die Werte erhöhen, die zu einem kleineren Kanal passen. Der exakte Zahlenwert des Massenübergangs hängt von der Geometrie der Turbulenzerzeuger ab. Wenn die Massenübergangszahl Werte erreicht, die doppelt so hoch liegen wie jene, die zu dem kleineren Kanal passen, kann dieselbe katalytische Umwandlung erreicht werden, während man fast nur die Hälfte der Materialmenge (Trägermaterial, Washcoat und Edelmetalle) verwendet.

Claims (5)

1. Katalytischer Wandler zur Optimierung des Verhältnisses von Druckabfall zu Massenübergang von Gasen, die durch den katalytischen Wandler strömen, wobei der letztere für diesen Zweck mit Kanälen (1) versehen ist, die mit Turbulenzerzeugern (3, 4) ausgebildet sind, die sich quer im Strömungsweg der Gase erstrecken und eine vordere Randfläche (5), eine obere Fläche (6) und eine hintere Randfläche (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des katalytischen Wandlers, um den Anforderungen gerecht zu werden, die folgenden Bedingungen zu erfüllen hat: dass der Abstand X&sub1; von dem katalytischen Wandlereinlass (1) zu der Mitte des Turbulenzerzeugers (3), der nächst dem Einlass angeordnet ist, definiert ist durch die Formel:

in welcher Dh der hydraulische Durchmesser des Kanals ist,

Re die Reynoldszahl ist,

Sc die Schmidt'sche Zahl der Gasmischung ist,

wobei der Winkel θ, der die Neigung der vorderen Randfläche (5) der Turbulenzerzeuger (3, 4) relativ zum Boden (8) des katalytischen Wandlerkanals (2) definiert, zwischen 35 und 50º liegt,

wobei das Verhältnis von der Höhe e der oberen Fläche (6) über dem Boden (8) zum hydraulischen Durchmesser Dh des Kanals (2) zwischen 0,35 und 1,0 liegt,

wobei das Verhältnis vom Abstand P zwischen den Mitten des ersten und des zweiten Turbulenzerzeugers (3, 4), vom Einlass (1) aus gesehen, zu der Höhe e zwischen 20 und 50 liegt, und

wobei das Verhältnis der Länge B der oberen Fläche (6) von jedem Turbulenzerzeuger (3, 4) zur Höhe e der Fläche über dem katalytischen Wandlerboden (8) zwischen 1,5 und 4,0 liegt.

2. Katalytischer Wandler gemäß Anspruch 1, wobei der Kanal eine dreieckige Querschnittsform besitzt.

3. Katalytischer Wandler gemäß Anspruch 1, wobei der Kanal eine trapezförmige Querschnittsform besitzt.

4. Katalytischer Wandler gemäß Anspruch 1, wobei jeder Kanal eine Erweiterung umfasst, die gegenüber jedem Turbulenzerzeuger angeordnet ist.

5. Katalytischer Wandler gemäß Anspruch 1, wobei die hintere Fläche nach hinten auf den Boden zu geneigt ist.