DE69727252T2

DE69727252T2 - Katalytischer reaktor

Info

Publication number: DE69727252T2
Application number: DE69727252T
Authority: DE
Inventors: Sven Melker Nilsson
Original assignee: Kemira Metalkat Oy
Current assignee: Kemira Metalkat Oy
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: AU2795297A; DE69727252D1; CZ334499A3; KR20010005491A; ATE257904T1; US6267932B1; EP1012454B1; WO1998042964A1; JP2001516418A; EP1012454A1; CZ295523B6

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei katalytischen Reaktoren von der Art, die einen Metallsubstratkörper aufweist. Im Allgemeinen besteht ein solcher Substratkörper aus abwechselnden und gewellten dünnen Metallstreifen (Dicke = 0,05 –0,1 mm), die übereinander um eine Achse 50 gewickelt sind, um so Durchgänge zu bilden, die sich in axialer Richtung durch den Substratkörper für den Durchfluss und die katalytische Reinigung von Abgasen erstrecken.
Um die gewünschte katalytische Reinigung zu erreichen, wird eine Beschichtung (eine sogenannte Grundierung oder "washcoat") auf die Metallstreifen aufgebracht, wobei die Beschichtung gewöhnlich aus einem Aluminiumoxid und Edelmetallen (wie etwa z. B. Rhodium, Platin, Palladium) besteht.
Das so gewickelte Substrat wird mit einem umschließenden Metallmantel versehen. Gemäß der herkömmlichen Technik hat dieser Mantel eine Dicke von zwischen 1 und 1,5 mm, d. h. eine Dicke, die 10- bis 30-mal größer als diejenige der Metallstreifen ist.
Der Grund für die erheblich größere Dicke des Mantels besteht darin, dass es möglich sein muss, den Mantel durch Schweißen oder Löten einerseits mit dem Substrat zu verbinden und andererseits mit einem Gehäuse (Umhüllung), das den Mantel umgibt.
Ein Problem, dem man bei einem so strukturierten katalytischen Reaktor begegnet, ist seine unzureichende Festigkeit. Wenn heiße Gase (bis zu 1000°C) durch die Durchgänge fließen, werden die dünnen Metallstreifenwände schnell erhitzt und infolgedessen dehnt sich der Substratkörper axial und radial aus. Der umgebende Mantel ist andererseits dem Gasfluss nicht direkt ausgesetzt. Da er außerdem viel dicker ist und daher eine größere zu erhitzende Masse hat, wird er viel langsamer heiß und dehnt sich langsamer aus. Infolgedessen wird eine erhebliche Druckkraft in dem Raum zwischen der äußersten dünnen Schicht des Substrats und dem Mantel erzeugt, und der Letztere ist eine mögliche Ursache für Verformung der äußeren Wellungen in dem Substrat mit der folglichen Zerstörung von Durchgängen in der Schicht.
Wenn sich der Substratkörper abkühlt, tritt das umgekehrte Problem auf. Die dünnen Durchgangswände kühlen sich viel schneller als der erheblich dickere Mantel ab, wobei der Letztere, wie bereits erwähnt, keinen direkten Kontakt mit dem Gasfluss hat. Folglich zieht sich der Substratkörper viel schneller als der Mantel zusammen. Wenn in dieser Situation die individuellen Metallstreifen miteinander verbunden sind, wird erhebliche Spannung zwischen den Schichten in radialer Richtung als Resultat der Differenz in dem Ausmaß des Zusammenziehens zwischen dem Substratkörper und dem Mantel erzeugt.
In Substratkörpern, bei denen die Beschichtung das einzige Verbindungsmittel ist, wird die Festigkeit der Verbindung überschritten und es bilden sich Risse und Lücken, gewöhnlich in ein paar Schichten, die dem Mantel am nächsten liegen. In Substratkörpern mit einem Durchmesser von etwa 100 mm kann sich eine Lücke von etwa 1 mm bilden.
In den japanischen Patentzusammenfassungen Band 97, Nr. 2, JP-A-08 266 905 ist ein katalytischer Reaktor gemäß Anspruch 1, erster Teil, offenbart, der einen Substratkörper einschließlich eines flachen Folienstreifens aus Metallblech und eines gewellten Folienstreifens aus Metallblech, die übereinander angeordnet und spiralförmig aufgewickelt sind, um axiale Durchgänge durch den Substratkörper zu bilden, einen Metallblech-Mantelstreifen aufweist, der eine Außenumfangsfläche des Substratkörpers einhüllt und eine Dicke von etwa zwei Mal der Dicke der flachen oder gewellten Streifen hat.
WO-A-9634188 beschreibt eine katalytische Trägeranordnung, die einen Katalysatorkörper bestehend aus einem Monolithen und einer Metallhülle, die einen Monolithen umschließt. Die innere Breite der Umhüllung überschreitet diejenige des Monolithen, wodurch eine Lücke zwischen der Umhüllung und dem Monolithen vorhanden ist. EP 0 212 243 beschreibt eine Montageanordnung für einen Abgaskatalysator. Eine Verbindung zwischen dem Abgaskatalysatorträgerkörper und einer rohrförmigen Buchse wird durch drei Manschetten- oder ringförmige Abstandshalter bereitgestellt. Die Abstandshalter werden durch geeignete Verbindungen an der äußeren Schicht des Katalysatorträgerkörpers befestigt.
JP 02 233 820 A beschreibt einen Mantel, der Rippen hat und in entsprechende Nuten des Katalysatorkerns zur Reduzierung des Ventilationswiderstands eingesetzt ist.
DE 23 12 794 A beschreibt ebenfalls einen Mantel, der Rippen hat und in entsprechende Nuten des Katalysatorkerns eingesetzt wird.
In Substratkörpern von der Art, bei denen die Schichten durch Löten miteinander verbunden sind, baut sich eine erhebliche Spannung auf. Besonders zwischen den äußersten Schichten des Substratkörpers und dem Mantel wird die Spannung ein solches Maß erreichen, das die Lötverbindungen in Gefahr kommen, aufzureißen. Durch diese Probleme wird die Festigkeit des katalytischen Reaktors ernsthaft gefährdet.
Der Unterschied in der Ausdehnung zwischen dem Mantel und dem Substratkörper ist die Hauptursache für die Erzeugung von Druck- oder Zugspannungen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen katalytischen Reaktor bereitzustellen, der einen Mantel hat, der sich den Bewegungen des Substratkörpers besser anpassen kann und daher in der Lage ist, zu verhindern, dass der Substratkörper schädlichen mechanischen Druck- oder Zugspannungen ausgesetzt wird. Die Merkmale, die den katalytischen Reaktor gemäß der Erfindung kennzeichnen, sind in Anspruch 1 definiert, bevorzugte optionale Merkmale sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Die Dicke des Mantels sollte von der gleichen Größenordnung wie die Dicke der Metallstreifen sein oder diese Dicke nur in einem so unerheblichen Maß überschreiten, dass jegliche Druckspannungen, die auf Metallstreifenwellungen ausgeübt werden, oder jegliche Zugspannungen, die auf die gelöteten oder geschweißten Verbindungen einwirken, die Festigkeit der Struktur nicht überschreiten. Da die Dicke der Metallstreifen in dem anfangs erwähnten Bereich liegt, d. h. 0,05 bis 0,1 mm, kann der Mantel geeigneterweise eine Dicke in dem Bereich von 0,1 bis 0,5 mm haben.
Ein zweiter Effekt, der durch einen Mantel mit erheblich reduzierter Dicke im Vergleich zu herkömmlichen in diesem technischen Feld benutzten Mänteln erzielt wird, besteht in seiner erheblich reduzierten Masse. Eine Konsequenz der reduzierten Größe besteht darin, dass der Mantel sich viel schneller erwärmt und abkühlt als herkömmliche Mäntel. Temperaturdifferenzen zwischen dem Mantel und dem Substratkörper sind nicht so groß, und daher auch nicht die Differenzen in der Ausdehnung oder dem Zusammenziehen zwischen dem Mantel und den äußersten Lagen des Substratkörpers. Dies führt ferner zu weniger Druck- und Zugspannungen. Der reduzierte Unterschied im Zusammenziehen zwischen den äußersten Schichten des Substratkörpers und dem Mantel auf Grund dessen schnellerer Abkühlung vermindert oder eliminiert Rissbildung und reduziert die Bildung von Lücken zwischen diesen Teilen. Das Resultat ist ein katalytischer Reaktor mit einer erheblich verbesserten Festigkeit/Haltbarkeit.
Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich ist, bewirkt der dünne Mantel zwei Effekte. Der Unterschied zwischen der Ausdehnung und der Zusammenziehung wird reduziert und die durch den Mantel bewirkte Kompression wird auf Grund dessen verbesserter Elastizität vermindert. Beide Effekte wirken in die gleiche Richtung und erhöhen die Haltbarkeit des katalytischen Reaktors.
Der dünne Mantel gemäß der Erfindung schafft verschiedene andere wertvolle Vorteile, wie aus der folgenden detaillierten Be schreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich wird, in denen:
1 und 2 Querschnittsansichten eines Substratkörpers sind, der abwechselnd aus flachen und gewellten Metallstreifen besteht, die spiralförmig auf sich selbst gewickelt sind, und zeigen den den Körper umschließenden Mantel in offener und geschlossener Position, und
3 eine Seitenansicht des katalytischen Reaktors ist, der teilweise von einem Gehäuse oder einer Umhüllung umgeben ist.
Der in 1 in Querschnittsansicht gezeigte Substratkörper 1 ist ein Beispiel für eine herkömmliche Struktur, in der abwechselnd flache und gewellte Metallstreifen 2 und 3 spiralförmig gewickelt sind und daher Durchflusskanäle 4 durch den Substratkörper 1 bilden. Wenn diese Metallstreifen 2, 3 vor dem Wickeln zunächst oxidiert werden und dann eine katalytische Beschichtung (Grundierung) aufgebracht wird, was selbst vorteilhaft ist, um eine optimale Reaktoreffizienz sicherzustellen, ergibt sich der Nachteil, dass, sobald das Aufwickeln der Metallstreifen 2 und 3 abgeschlossen ist, es notwendig ist, die Beschichtung auf dem äußersten Bereich 2a des flachen Metallstreifens 2 wie auch auf dem benachbarten Bereich des gewellten Metallstreifens 3 abzukratzen, um zu ermöglichen, dass die Streifen durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden werden. Außerdem muss auch die oxidierte Schicht abgeschliffen werden. Nach dem Aufsetzen eines herkömmlichen dickeren Mantels um den Substratkörper 1 durch Pressen, wird der Mantel durch Schweißen oder Löten mit den so freigelegten Streifenbereichen verbunden.
Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen auf der einen Seite darin, dass es relativ kompliziert und zeitaufwendig ist, und andererseits darin, dass relativ teures Beschichtungsmaterial entfernt werden muss.
Mit dem Aufkommen des dünnen Mantels gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung kann das oben beschriebene Verfahren vereinfacht werden. Nach dem Wickeln des Substratkörpers 1, auf dem eine Beschichtung aufgebracht ist, werden die Streifen 2, 3 an den Endbereichen 2a mit Hilfe von 35 Klammern, nicht gezeigt, miteinander verklammert, um zu verhindern, dass die Metallstreifen 2, 3 auseinanderbiegen. Der Substratkörper 1 kann nun aus der Maschine, in der der Wickelvorgang durchgeführt wurde, entnommen werden, und ein dünner Mantel 6 kann auf den Substratkörper 1 mit ausgezeichneter Fassung aufgesetzt werden, woraufhin der Mantel 6 entlang einer Längsverbindung zusammengeschweißt wird.
Wie klar ersichtlich sein sollte, ist dieses Verfahren bequemer, schneller und folglich weniger teuer als die herkömmlichen Verfahren. Außerdem wird es möglich, andere Vorteile, die durch den dünneren Mantel 6 geboten werden, auszunutzen, wie im Folgenden noch beschrieben wird.
Wenn der Substratkörper 1 aus abwechselnden flachen und gewellten Metallstreifen 2, 3 in einer Weise hergestellt wird, bei der in den gewellten Streifen 3 gebildete Laschen dazu verwendet werden, um die Streifen zusammenzuhalten, indem die Laschen in Kanäle, die in den flachen Streifen 2 durch Walzen gebildet sind, eingreifen, hat der Substratkörper 1 das in 3 dargestellte Erscheinungsbild, d. h. er zeigt umlaufende Vertiefungen oder Nuten 7 auf seiner Umfangsfläche. Da der Mantel 6 in diesem Fall dünn ist, können daran leicht scharfkantige Rippen 8 gebildet werden. Die Rippen passen in die Nuten 7, die in der Umfangsfläche des Substratkörpers 1 gebildet sind. Die Verbindung zwischen den Nuten und den Rippen fixiert den Mantel 6 axial relativ zu dem Substratkörper 1, wie erforderlich ist, und diese Verbindung wird erhalten, ohne dass der Mantel 6 separat befestigt werden muss, z. B. durch Schweißen, Löten, Nieten oder auf andere Weise.
Wie auch aus 3 ersichtlich, zeigt der Mantel 6 ebenfalls einige Bereiche 9, die durch Walzen erzeugt sind, und die in an sich bekannter Weise ringförmige Vorsprünge 9 bilden, die in Umfangsrichtung um den Mantel 6 verlaufen. In herkömmlichen Mänteln dienten diese ringförmigen Vorsprünge nur dazu, um einen Zwischenraum oder eine Lücke 10 zwischen dem Mantel 6 und einem äußeren Gehäuse 11 (Umhüllung) in dem katalytischen Reaktor zu schaffen, um die Wärmeübertragung auf das Gehäuse 11 zu reduzieren. Als ein weiteres charakteristisches Merkmal der Erfindung können diese ringförmigen Vorsprünge 9 in dem dünnen Mantel 6 dazu angewendet werden, um dem dünnen Mantel 6 Elastizität zu geben, damit jegliche axiale Spannung minimiert wird, die zwischen dem Substratkörper und dem Mantel 6 auftreten kann, wenn der katalytische Reaktor erwärmt und abgekühlt wird.
Um jegliche radial gerichtete Kräfte, denen der Mantel 6 ausgesetzt sein kann und die durch die Starrheit des Gehäuses verursacht sein können, zu minimieren, ist der Mantel 6 an jeder Stirnfläche mit einer Manschette 12 versehen, die von dem Substratkörper 1 in dessen Verlängerung vorstehen. Die Manschette 12 erleichtert den Vorgang des Schweißens des fertigen katalytischen Reaktors an das Gehäuse 11. Vor der Montage können die Manschetten mit einer leicht kegelstumpfförmigen Gestalt versehen werden, die sich in Richtung weg von dem Substratkörper 1 aufweitet, eine Gestaltung, die eine zufriedenstellende Anlage der Manschette 12 gegen die Innenfläche des Gehäuses 11 sicherstellt, wenn der Reaktor in das Letztere eingepasst wird, was ein Merkmal darstellt, das den Schweißvorgang weiter vereinfacht.
Die Verbindung des katalytischen Reaktors mit dem Gehäuse 11 über die Manschette 12 an jeder Seite bietet den zusätzlichen Vorteil, dass Vibrationen und andere Bewegungen, wie auch leichte Deformationen in dem Gehäuse 11 durch die flexiblen Manschetten 12 reduziert oder eliminiert werden und sich daher nicht vollständig in den Substratkörper fortpflanzen. Folglich trägt diese Gestaltung zur Erhöhung der Stabilität/Haltbarkeit des Reaktors bei.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ist der dünnwandige Mantel 6 gemäß der Erfindung wesentlich für die Erhöhung der Stabilität, Haltbarkeit des katalytischen Reaktors in verschiedener Weise. Eine Konsequenz der flexiblen Umhüllung des Substratkörpers 1, die durch den Mantel 6 bereitgestellt wird, besteht darin, dass das Risiko der Verformung des Substratkörpers 1, die in der Bildung von Rissen in dem katalytischen Reakormaterial resultiert, minimiert ist, und das daher die Betriebslebensdauer des katalytischen Reaktors erhöht ist.

Claims

Katalytischer Reaktor von der Art, die einen Substratkörper (1) aus dünnem Metallblech, der durch abwechselnde flache und gewellte Metallstreifen (2, 3) gebildet ist, die spiralförmig umeinander gewickelt sind, um Durchflusskanäle (4) zu bilden, die axial durch den Substratkörper (1) verlaufen, und einen Mantel (6), der den Substratkörper (1) umschließt, aufweist, wobei der flache Streifen (2) und der gewellte Streifen (3) eine Dicke von etwa 0,1 mm haben und wobei ein Metallblechmantelstreifen (6) eine äußere Umfangsfläche des Substratkörpers (1) umfasst und eine Verbindung damit hat, wobei der Mantelstreifen (6) eine Dicke hat, die der Dicke der flachen und der gewellten Metallstreifen (2, 3) gleich ist oder nur einige Male größer ist, dadurch gekennzeichnet, dass einer von dem Mantelstreifen und der äußeren Umfangsfläche (2) darin gebildete Vertiefungen (7) hat und der andere von dem Mantelstreifen (6) und der äußeren Umfangsfläche (8) Vorsprünge hat, die in jeweilige der Vertiefungen (7) hineinragen, um die Verbindung zwischen dem Mantelstreifen (6) und dem Substratkörper (1) zu definieren und relativen axialen Bewegungen zwischen dem Substratkörper (1) und dem Mantelstreifen (6) entgegenzuwirken, und dass wenigstens ein Bereich (9), erzeugt durch Walzen, in dem Mantel (6) gebildet ist, wobei der Bereich einen ringförmigen Vorsprung bildet, der nach außen von der Oberfläche des Mantels (6) zu dem Zweck vorsteht, jegliche axiale Krafterzeugung zwischen dem Substratkörper (1) und dem Mantel (6) als Resultat der Erwärmung und der Abkühlung des katlytischen Reaktors zu reduzieren.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm hat.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stirnendflächen des Mantels (6) mit einer Manschette (12) versehen ist, die weg von dem Substratkörper (1) in dessen Verlängerung vorsteht, wobei der Mantel dazu angepaßt ist, mit dem Gehäuse (11), der sogenannten Umhüllung, die den katalytischen Reaktor umschließt, durch die Manschette (12) verbunden zu werden.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (12) sich kegelförmig in Richtung von dem Substratkörper (1) nach außen leicht auf weitet.