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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung
zur katalytischen Behandlung eines Gasstromes.
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STAND DER
TECHNIK
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Lösungsmittel
und andere organische Verbindungen können aus der Luft durch Oxidation
oder Verbrennung entfernt werden. Die Unreinheiten sind derart ausgebildet,
dass sie mit dem Sauerstoff in der Luft reagieren und dabei in harmloses
Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden. Normalerweise ist eine
hohe Temperatur notwendig, damit diese Reaktion stattfindet. Wurde
die Reaktion einmal durch Zündung
ausgelöst,
ist die Hitzebildung während
der Reaktion meistens ausreichend, um eine Arbeitstemperatur zu
erhalten, vorausgesetzt die Unreinheitenkonzentration überschreitet
eine untere Explosionsgrenze, die jedoch unterhalb einer oberen
Explosionsgrenze liegt. Aus Sicherheitsgründen wird jedoch in den meisten
industriellen Prozessen Vorsorge getroffen, weit unter der Explosionsgrenze
zu bleiben, wenn Luft, die Lösungsmittel
oder andere brennbare Dämpfe
beinhaltet, involviert ist. Dies bedeutet, dass der Ausstoß von Ventilationsluft,
die Unreinheiten enthält,
nahezu immer unter der Explosionsgrenze und meistens weit unter
ihr liegt. Unter solchen Umständen
ist eine Zündung
nicht ausreichend, um eine Verbrennung der Unreinheiten auszulösen, da
der Unreinheitengehalt zu niedrig ist, damit die Reaktion selbstständig abläuft. Eine
Möglichkeit,
um eine Verbrennung trotz einer geringen Unreinheitenkonzentration
zu erreichen, besteht darin, die Luft auf eine Temperatur von 750-1000° C zu erhitzen.
Dies kann mit Elektrizität
oder mit der Hilfe eines Gas- oder Ölofens erreicht werden. Dies
erhöht
jedoch die Energiekosten, auch wenn Wärmetauscher verwendet werden,
um Hitze der bereits behandelten Luft zu nutzen, um die noch nicht
behandelte einströmende Luft
zu behandeln.
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Eine
Möglichkeit,
um die Reaktionstemperatur und somit die Energieaufnahme zu verringern,
besteht darin, die Reaktion mit Hilfe von Katalysatoren ablaufen
zu lassen. Zum Beispiel der Kontakt mit Metallen der Platingruppe
kann eine gute Reaktionsrate sogar bei sehr niedrigen Temperaturen
von 200°C oder
300° C liefern.
Katalysatoren, die aus verschiedenen Gemischen von Metalloxiden
bestehen, können
ebenfalls verwendet werden. Dieses Arbeitsgebiet ist ziemlich groß und neue
Katalysatoren und Wege des Umgangs mit diesen Katalysatoren, um bessere
katalytische Aktivitäten
zu erreichen, werden kontinuierlich entwickelt. Jedoch sind normalerweise immer
noch Temperaturen deutlich über
der Raumtemperatur notwendig, um eine befriedigende Reaktionsrate
zu erreichen.
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In
der Druckschrift WO 96/04509 wird eine katalytische Reinigungsvorrichtung
offenbart, in der ein vorheizender Wärmetauscher fester Bestandteil der
Vorrichtung ist. Während
des Betriebes eines Automotors bietet die Vorrichtung gemäß der WO 96/04509
eine Wärmeersparnis
durch den Wärmeaustausch
zwischen ein- und ausgehenden Strömen in die Vorrichtung. Während der
Startzeit des Betriebes des Motors ist die Temperatur des Abgases
jedoch unzureichend, um eine katalytische Reaktion zu starten. Des
Weiteren ist während
dieser Startzeit das Abgas reich an Kohlenwasserstoffen, welche
die kalte katalytische Vorrichtung im Wesentlichen unbeeinflusst
passieren. Um den Ausstoß von
Unreinheiten während
der Kaltstartzeit zu verrin gern, ist die Vorrichtung nach der WO
96/04509 mit einem Heizelement ausgestattet, welches Wärme liefert,
um die Temperatur des Abgases zu erhöhen und die katalytische Reaktion
zu starten.
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Eine
Weitere Möglichkeit,
um das Problem mit Kaltstartemissionen zu verringern, wird in der Druckschrift
WO 96/21093 vorgeschlagen. Dementsprechend wird vorab eine katalytische
Reaktionskammer in Reihe mit einem Kohlenwasserstoffabscheider und
einer zweiten katalytischen Reaktionskammer in einer einzigen Filtereinheit
bereitgestellt. Der Kohlenwasserstoffabscheider adsorbiert Kohlenwasserstoff
während
den ersten Minuten des Betriebes, wenn das Abgas unterhalb der Zündtemperatur des
Katalysators liegt. Wenn die Temperatur ansteigt, wird der Kohlenwasserstoff
von dem Kohlenwasserstoffabscheider abgegeben und zu der zweiten
Reaktionskammer befördert.
Jedoch wird eine solche Einheit als ausgesprochen sperrig angesehen
und kann nicht bei Anwendungen genutzt werden, bei denen der Platz
beschränkt
ist. Des Weiteren weist die Vorrichtung einen hohen Druckabfall
zwischen Einlass und Auslass auf.
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Ein
weiteres Beispiel einer katalytischen Reaktionskammer, die in Reihe
mit einem Kohlenwasserstoffabscheider angeordnet ist, wird in der
Druckschrift
EP 661 098 beschrieben,
welches ein konventionelles Beispiel dafür ist, wie eine adsorbierende Struktur
in einem Abgasbehandlungssystem angeordnet ist mit adsorbierendem
und katalytischem Material.
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Die
Druckschrift
EP 661 098 beschreibt
mehrere verschiedene Abgasreinigungssysteme, die alle ein nachgeschaltetes
katalytisches Element sowie ein adsorbierendes oder adsorbierendes/katalytisches
Gehäuse
beinhalten, das einströmseitig
des nachgeschalteten katalytischen Elements positioniert ist. Be vorzugt
sollte ein zweiter katalytischer Körper dem adsorbierenden oder
adsorbierenden/katalytischen Körper
vorgeschaltet sein.
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Die
EP 661 098 stellt folglich
einen konventionell modularen Aufbau eines Abgasreinigungssystems
dar, das eine Kombination aus einem adsorbierenden/katalytischen
Körper
oder adsorbierenden Körper
zusammen mit einem nachgeschalteten oder vorgeschalteten Katalysator
nutzt. Diese Modulbauweise erhöht
den Druckabfall über
die Anordnung. Des Weiteren leidet diese Anordnung unter der frühen Abgabe
der adsorbierten Unreinheiten, da der adsorbierende/desorbierende
Körper
in einer vorgeschalteten Position der Anordnung angebracht ist.
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In
Anbetracht der oben beschriebenen Defizite, in Verbindung mit der
Benutzung der bekannten Anordnungen für Vorrichtungen für die katalytische Behandlung
eines Gasstroms, ist die vorliegende Erfindung entwickelt worden,
um die Nachteile zu verringern und zusätzliche Verbesserungen für den Nutzer
zu liefern. Diese Weiterentwicklungen und Vorteile werden nachfolgend
genauer unter Berücksichtigung
verschiedener alternativer Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung in ihren verschiedenen dargestellten Ausführungsformen
verringert die Nachteile, die oben beschrieben sind, unter Berücksichtung
konventionell aufgebauter Vorrichtungen für katalytische Behandlung von
Gasströmen und
berücksichtigt
des Weiteren verschiedene zusätzliche
vorteilhafte Eigenschaften.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine katalytische
Reinigungsvorrichtung zu liefern, die geringe Kaltstartemissionen
liefert. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, eine katalytische Reinigungsvorrichtung zu liefern, die ein
kompaktes Design und eine geringe Energieaufnahme aufweist. Eine
noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
katalytische Reinigungsvorrichtung zu liefern, in welcher der Druckabfall
zwischen Einlass und Auslass niedrig ist.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine Einheit für katalytische Behandlung eines
Gasstromes vorgeschlagen, wie in Anspruch 1 angegeben.
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Allgemeiner
ausgedrückt
wirken die Trägerwände in dem
Trägerkörper als
Membrane, die einströmende
Gase von ausströmenden
Gasen trennen. Die Trägerwände sind
der Gestalt ausgeführt, dass
Hitze von dem ausströmenden
Gas zu dem einströmenden
Gas passieren kann wie in einem gewöhnlichen Wärmetauscher. Bevorzugt ist
der Gasstrom um die Trägerwände so angelegt,
dass Hitzeaustausch in einem sogenannten Gegenstromprozess auftritt,
in welchem der kälteste
Teil des ausströmenden
Stroms den eingehenden Strom an der Stelle erhitzt an dem dieser
gerade einströmt,
während der
wärmere,
noch nicht gekühlte
Teil des ausströmenden
Stroms den einkommenden Strom zu einem späteren Zeitpunkt erhitzt. Dies
erzeugt einen hohen Wärmeaustauschgrad
und eine gute Wärmeeffizienz.
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Für effizienten
Wärmeaustausch
ist es ebenfalls wichtig, dass das Gas einen guten Übertragungskontakt
mit der Oberfläche
der Trägerwände aufweist.
Des Weiteren ist ein guter Kontakt zwischen dem Gasstrom und den
Trägerwänden vorteilhaft,
um den Gasstrom in Kontakt mit den Katalysatoren und den Unreinheiten adsorbierenden/desorbierenden
Wirkstoffen zu bringen, mit denen die Trägerwände beschichtet sind. Daher
liefert ein sehr guter Kontakt zwischen den Trägerwänden und dem Gasstrom günstige Bedingungen,
um eine effiziente Reinigung des Gasstroms zu erreichen.
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Um
einen guten Kontakt mit der Trägerwand zu
ermöglichen,
werden Durchflusskanäle
zwischen den Trägerwänden durch
Versehen zumindest einer der angrenzenden Trägerwände mit einem dreidimensionalen
erhöhten
Profil, geschaffen. Solch ein Profil fungiert als ein Abstandshalter
zwischen den Trägerwandoberflächen. Der
so geschaffene Platz zwischen den Oberflächen bildet Durchflusskanäle durch
den Trägerkörper. Ein
insbesondere bevorzugtes erhöhtes
Profil ist ein Profil paralleler Sicken, die unter einem Winkel
zu dem Einlass der katalytischen Reinigungsvorrichtung angeordnet
sind.
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Somit
haben die Trägerwände drei
Hauptfunktionen: den einströmenden
Gasstrom von dem ausströmenden
Gasstrom zu trennen; Hitze zwischen einströmendem und ausströmendem Gasstrom
zu übertragen
sowie den Katalysator und die adsorbiereden/desorbierenden Mittel
zu tragen, die somit in einen engen Kontakt mit dem hindurchtretenden
Gasstrom gebracht werden. In diesem Zusammenhang wird der Ausdruck
Gas für
jedes Gas oder jede Gasmischung genutzt, wie z. B. Abgase eines Automotors,
die Verunreinigung oder andere Bestandteile beinhalten, die vorteilhafterweise
durch das Hindurchführen
des Gases durch eine katalytischen Reinigungseinrichtung entsprechend
der vorliegenden Erfindung entfernt werden.
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Die
Wärme übertragenden
Membrane, welche durch die Trägerwände gebildet
werden, können aus
einem Metallblech oder einer Metallfolie hergestellt sein, z. B.
aus rostfreiem Stahl, der mit einer dünnen Schicht aus Katalysatoren
beschichtet ist und in einen Trägerkörper umgeformt
wird, z. B. durch Falten oder anderes. Der Katalysator kann aufgebracht
sein als eine unterbrochene Beschichtung oder als eine durchgehende
Schicht. Die Membran kann alternativ aus einem mit dem Katalysator
getränkten
oder beschichteten keramischen Material bestehen. Der Katalysator
kann auf nur einer Seite der Membran oder auf beiden Seiten angebracht sein.
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Des
Weiteren wird ein adsorbierendes/desorbierendes Mittel auf die Trägerwände aufgebracht.
Das adsorbierende/desorbierende Mittel ist ein Material, das Unreinheiten,
wie üblicherweise Wasserstoffe
und Stickoxyde (NOX), bei einer ersten geringeren
Temperatur adsorbiert und diese Unreinheiten bei einer zweiten höheren Temperatur
abgibt. Dies impliziert, dass während
einer Startphase des Betriebes der Reinigungsvorrichtung, wenn das
einströmende
Gas eine niedrige Temperatur hat, Unreinheiten durch die adsorbierenden/desorbierenden Mittel
aufgenommen werden. Das Aufnehmen findet kurz nach dem Eintritt
des Gases durch die Eintrittsöffnung
statt. Nach einiger Zeit, wenn die Temperatur des einströmenden Gases
die Desorptionstemperatur des Ad-/Desorptionsmittels erreicht hat,
werden die Unreinheiten freigegeben. Zu Beginn wird das einströmende Gas
Wärme verlieren,
während
es die kalte Reinigungsvorrichtung in der Eintrittsphase durchläuft, was
bedeutet, dass die Unreinheiten wiederum stromabwärts der
Reinigungsvorrichtung adsorbiert werden. Letztendlich wird der gesamte
Trägerkörper der
Reinigungsvorrichtung erhitzt sein und die abgegebenen Unreinheiten
werden somit in reaktiven Kontakt mit dem Katalysator gebracht.
Bevorzugt ist die Desorptionstemperatur des Adsorptions-/Desorptionsmittels
zumindest so groß wie
die Zündtemperatur
des Katalysators. Auf diese Weise bleiben Unreinheiten gebunden
bis die Temperatur ausreichend hoch ist, um eine kata lytische Reaktion zu
erreichen, die in einem hohen Reinigungsgrad und in niedrigen Emissionen
während
der Kaltstartperiode resultiert.
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Für den Fall,
dass die Temperatur des einströmenden
Gases unter der benötigten
Temperatur des Katalysators liegt, nicht nur während der Kaltstartzeit, sondern
während
einer ausgedehnten Betriebszeit, wird der Wärmeaustausch trotzdem funktionieren
und eine Reaktion in dem erwärmten
Teil der Vorrichtung auslösen.
Dieser Teil kann auf einer ausreichenden Temperatur gehalten werden,
entweder durch die Reaktion der Wärme alleine oder, falls diese
unzureichend ist, durch eine zusätzliche
Wärme, die
durch eine externe Heizung geliefert wird.
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Das
Adsorptions-/Desorptionsmittel kann jedes adsorptive Material aufweisen,
das gewöhnlicherweise
genutzt wird, um Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren, wie zum Beispiel
Aktivaluminium, poriges Glas, Silikatgel und Aktivkohle. Eine insbesondere
verwendbare Klasse von Materialien sind die Zeolitgruppen, die als
molekulares Sieb fungieren und eine porige Struktur aufweisen. Das
Adsorptions-/Desorptionsmittel kann mit dem Katalysator vermischt,
oder direkt auf die Trägerwände aufgebracht werden,
in Bereichen, die makroskopisch von den Katalysator tragenden Gebieten
getrennt sind. Die Art des Adsorptions-/Desorptionsmittels wird unter Berücksichtigung
der Bestandteile gewählt,
die aus dem behandelten Gasstrom entfernt werden sollen. Zwei oder
mehr unterschiedliche Adsorptions-/Desorptionsmittel können gemischt werden, um einen Absonderungseffekt
für unterschiedliche
Arten von Bestandteilen zu erreichen. In einigen Fällen kann das
gleiche Material sowohl als Katalysator als auch als ein Adsorptions-/Desorptionsmittel
verwendet werden.
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Die
Technik des Beschichtens von Oberflächen mit dünnen und günstigen Beschichtungen aus Katalysatoren,
ist weit entwickelt und wird z. B. in der Herstellung von konventionellen
Automobilkatalysatoren verwendet.
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Zusätzlich zu
der Oxidation organischer Substanzen, ist die Vorrichtung ebenfalls
geeignet für
andere kombinierte Wärmeaustausch-
und katalytischen Behandlungen von Gasen, z. B. für die selektive
Reduktion von Stickoxiden (NOX) mit Ammoniak oder
anderen reduzierenden Stickstoffbestandteilen. Die Vorrichtung ist
gut geeignet für
die Behandlung von Motorabgasen sowohl mit hohem Oxidanteil (Dieselmotoren)
als auch niedrigem Oxidanteil (Ottomotoren). Dies ist insbesondere
zutreffend, wenn die Temperatur des Abgases oder die Eigenschaften
des Katalysators derart sind, dass befriedigende Ergebnisse nicht
ohne eine Erhitzung erreicht werden können.
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Die
oben beschriebenen vorteilhaften Effekte sind generell anwendbar
auf die beispielhaften Vorrichtungen und Mechanismen der katalytischen Reinigungsvorrichtung,
die hier offengelegt wird. Der genau Aufbau, durch den diese Vorteile
geliefert werden, wird unten genauer beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die angehängten Zeichnungen
näher beschrieben,
in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht ist, welche die katalytische Reinigungsvorrichtung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 die
katalytische Reinigungsvorrichtung aus 1 zeigt,
wobei die Richtung des Gasstromes in der Vorrichtung durch Pfeile
gekennzeichnet ist;
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3 die
angrenzenden Schichten des Wärmeaustauschträgermaterials
zeigt;
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4a-4e schematische
Ansichten von verschiedenen Anordnungen des Einlasses und des Auslasses
in einer katalytischen Reinigungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung
darstellen; und
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5 eine
Teilansicht eines Blechbandpakets in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
DER ERFINDUNG
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Wie
gefordert, werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung anbei offengelegt. Jedoch ist zu verstehen, dass die ausgeführten Ausführungsbeispiele
lediglich exemplarisch für die
Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden
können.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt, einige Ausprägungen können übertrieben
oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten
aufzuzeigen. Dahingehend sind bestimmte Strukturen und funktionale
Details, die hier offengelegt werden, nicht als begrenzend zu verstehen,
sondern vielmehr eine Basis für
die Ansprüche und
eine beispielhafte Grundlage für
den Fachmann, um die vorliegende Erfindung in unterschiedlicher
Art auszuführen.
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1 und 2 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Ein Trägermaterial, in der Form eines
langen Metallbandes 1a, wird durch Pressen, Walzen oder ähnliche
Prozesse geformt, um Sicken zu erzeugen, die quer zur Längsachse
des Bandes 1a verlaufen. Das Metallband 1a wird
dann wiederholt in sich selber in einer Zickzackform gefaltet, so
dass es ein Paket 1b bildet. Normalerweise werden die Faltlinien
quer zu den Sicken verlaufen. Auf diese Weise werden die Sicken
der benachbarten Schichten kreuzweise zueinander ausgerichtet und
dienen damit als Abstandshalter und bilden Durchflusskanäle 3 zwischen
den gefalteten Schichten des Bandes 1a. Dieser Zusammenhang kann
am besten 3 entnommen werden. Die Strömungswege
in diesen Durchflusskanälen 3 sind
der Gestalt, dass das durch die Kanäle 3 strömende Gas, kontinuierlich
durchmischt wird und somit einen guten Kontakt mit den Kanalwänden erreicht.
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Wie
in 1 dargestellt, können die Sicken in regelmäßigen Abständen unterbrochen
werden, um das Falten des Bandes zu erleichtern, und hinterlassen
somit enge sickenfreie Faltbereiche 4 und 5. Zusätzlich können wechselseitig
ausgerichtete Faltkerben in den Faltbereichen 4 und 5 angebracht
werden, um das Falten des Metallbandes 1a zu erleichtern.
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Das
Band ist mit katalytischem Material und einem Adsorptions-/Desorptionsmittel
beschichtet und von einem wärmeisolierten äußerem Behälter 6 umhüllt. Wie
dargestellt, hat der äußere Behälter eine rechteckige
Form mit zwei Stirnwänden 6a, 6b,
zwei Seitenwänden 6c, 6d,
einer unteren Wand 6e und einer oberen Wand 6f.
Das Blechbandpaket 1b ist an den zwei Seiten 7 und 8,
die derart ausgerichtet sind, dass sie parallel zu einem Gasfluss
durch das Blechbandpaket 1b sind, abgedichtet. Die Enden
des Pakets 1b sind nicht abgedichtet, sondern enden stattdessen
in Umkehrkammern 9 und 10, wie in 2 dargestellt.
Aus Darstellungsgründen
sind die Umkehrkammern 9 und 10 in den Zeichnungen
als ausgesprochen große
Räume an
den Enden des Metallbandpakets 1b dargestellt. Tatsächlich kann
jedoch die Distanz von jedem Ende des Blechbandpakets zu der korrespondierenden
Stirnwand 6a, 6b des äußeren Behälters 6 sehr klein
sein, in der Größenordnung
von 1 mm oder weniger.
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Des
Weiteren hat der äußere Behälter 6 einen
Einlass, der mit einem Anschluss ausgestattet ist, um einströmende Gase
anzuschließen,
und einen Auslass, der mit einem anderen Anschluss versehen ist,
um ausströmende
Gase anzuschließen.
Aufgrund der Art, nach der das Band gefaltet ist, kann eine Verbindung
zu allen Kanälen
auf einer Seite des Pakets 1b leicht realisiert werden,
so dass die beiden Anschlüsse 11 und 12 jeweils
mit einer Seite des Blechbandes verbunden sind. In dem Ausführungsbeispiel nach 2 sind
der Einlass und der Auslass jedoch an den direkt gegenüberliegenden
Seitenwänden
angeordnet. Der Einlass 11 und der Auslass 12 sind zentral
an den Seitwänden 6c, 6d des äußeren Behälters 6 angeordnet,
was bedeutet, dass der Einlass 11 und der Auslass 12 in
einem gleichen Abstand von den Stirnwänden 6a, 6b des
Behälters
positioniert sind.
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Ein
optionales Heizelement 13 wird wie aufgezeigt in jeder
der Umkehrkammern 9 und 10 vorgesehen. In der
dargestellten Ausführung
besteht das Heizelement aus elektrischen Heizspulen, jedoch können ebenfalls
andere Heizvorrichtungen, wie zum Beispiel Gas- oder Ölheizungen,
verwendet werden. Alternativ kann die Umkehrkammer und der behandelte
Gasstrom durch die Zufuhr warmer Luft oder warmen Gases von externen
Quellen erhitzt werden.
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Die
Funktionsweise der Einheit wird nun im Folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben
werden. Bevor die Einheit gestartet wird oder die Benutzung beginnt,
können
die Umkehrkammern 9 und 10 durch das Heizelement 13 auf
eine Temperatur erwärmt werden,
die gerade über
der Temperatur liegt, die für die
katalytische Reaktion gebraucht wird. Die Temperatur in den Umkehrkammern
wird im Anschluss auf dieser Temperatur durch Regeln der durch das
Heizelement 13 zur Verfügung
gestellten Wärme
oder durch die Wärme
gehalten, die durch die chemische Reaktion während des Betriebes der Einheit
erzeugt wird.
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Ein
Gas, das Unreinheiten enthält,
wird durch einen Einlassanschluss 11 zugeführt und
in zwei halbe Ströme 14 und 15 aufgeteilt,
die in verschiedene Richtungen durch den Durchflusskanal auf der
Einlassseite von Paket 1b in Richtung der Umkehrkammern 9 und 10 strömen. Falls
das bereitgestellte Gas ein Abgas, von z.B. einem Automotor ist,
wird es anfänglich
während
der Startphase kalt sein. Während
der Kaltstartphase ist die Temperatur des bereitgestellten Gases
derart klein, dass Unreinheiten nahezu sofort durch die Adsorptions-
und Desorptionswandbeschichtungsmittel aufgenommen werden. Wenn
die Temperatur des einströmenden Gases
die Desorptionstemperatur für
das Adsorptions-/Desorptionsmittel erreicht, werden die Unreinheiten
wieder an den Gasstrom abgegeben.
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Da
während
der Anfangsphase des Betriebes der Einheit die katalytische Reaktion
noch nicht gestartet ist, und der ausströmende Fluss keine ausreichende
Menge an Hitze zu dem einströmenden Gas überträgt, wird
sich die Temperatur des einströmenden
Gases verringern während
sich das Gas in Richtung der Umkehrkammern 9 und 10 fortbewegt. Dies
bedeutet, dass die abgegebenen Unreinheiten wiederum weiter stromabwärts der
Einheit adsorbiert werden. Jedoch wird letztendlich der gesamte
Trägerkörper der
Reinigungsvorrichtung erhitzt sein und die abge gebenen Unreinheiten
werden somit in reaktiven Kontakt mit dem Katalysator gebracht.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Desorptionstemperatur des Adsorptions-/Desorptionsmittels
zumindest so hoch wie die Zündtemperatur
des Katalysators. Auf diese Weise werden Unreinheiten gebunden bleiben,
bis die Temperatur ausreichend hoch ist, um unverzüglich eine katalytische
Reaktion zu erreichen, was somit in einem hohen Grad von Reinheit
und geringen Emissionen während
der Kaltstartphase resultiert. Gute Ergebnisse werden jedoch ebenfalls
erzielt, wenn die Desorptionstemperatur des Adsorptions-/Desorptionsmittels
geringer ist als die Zündtemperatur
des Katalysators. In einem solchen Fall werden die Unreinheiten
an einer ersten Stelle in der Einheit desorbiert und dann weiter
in die Einheit zu einem zweiten Ort transportiert, an dem die Temperatur
hoch genug ist, um eine katalytische Reaktion zu ermöglichen.
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Wenn
die Einheit ihren Betriebszustand erreicht hat, strömt kaltes
Gas in den Durchflusskanal auf der Einlassseite des Blechbandpakets 1b in
Richtung der Umkehrkammern 9, 10. Warmes Gas strömt diesem
entgegengesetzt in Richtung des Auslassanschlusses 12 auf
der Auslassseite des Pakets 1b aus. Dies resultiert darin,
dass Wärme
kontinuierlich von dem ausströmenden
Gasstrom zu dem einströmenden
Gasstrom übertragen
wird. Demnach wird Gas, das durch die Vorrichtung durchgeführt wird, sukzessive
auf die Temperatur der Umkehrkammern 9 und 10 erwärmt. Danach
wird die Temperatur sukzessive reduziert, nachdem es die Umkehrkammern 9 und 10 verlassen
hat.
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Durch
die Bereitstellung eines guten Wärmeaustauschs
zwischen dem ausströmenden
und dem einströmenden
Gasstrom werden die lokalen Temperaturen dieser Ströme dazu
veranlasst, nahe bei einander zu sein. Folglich ist es normalerweise
nicht notwendig, den Kammern 9 und 10 zusätzliche
Hitze zuzuführen,
um die katalytische Reaktion während
des Betriebes der Reinigungseinheit zu unterstützen. Daher ist der Betrieb
der Einheit besonders ökonomisch ausgestaltet.
Bei einigen Anwendungen jedoch, z. B. wenn die Temperatur des einströmenden Gases
sehr gering ist oder wenn magere Gasmischungen behandelt werden,
kann die Hitze, die durch die katalytische Reaktion produziert wird,
nicht ausreichend sein, um den einströmenden Gasstrom auf die katalytische
Reaktionstemperatur zu erhitzen. Unter solchen Bedingungen kann
das Heizelement 13 genutzt werden, um die zusätzlich notwendige
Wärme zuzuführen.
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Zur
selben Zeit, zu welcher der Gasstrom auf die gewünschte Temperatur in der Einheit
erwärmt wird,
bewegt er sich ebenfalls über
die mit einem Katalysator beschichtete Oberfläche, die im Wesentlichen die
gleiche Temperatur hat. Des Weiteren durchflutet der Fluss aufgrund
der Sicken 3 in dem Band 1b die katalytische Oberfläche in gewundenen Stromwegen,
was in einer konstanten Durchmischung in einer Querschnittsrichtung
der Durchflusskanäle
resultiert, so dass das Gas in wiederholtem engen Kontakt mit dem
Katalysator gebracht wird. Dies erzeugt günstige Bedingungen für die Reaktion und
entsprechend liefert die Reinigungseinheit einen hohen Reinigungsgrad.
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Wenn
viel Hitze durch die Reaktion in der Vorrichtung entwickelt wird,
z. B. durch eine hohe Konzentration von Substanzen, die oxidieren,
ist keine zusätzliche
Wärme notwendig,
die den Umkehrkammern 9 und 10 zugeführt werden
muss. Gleichzeitig ist die Temperatur in den Umkehrkammern 9, 10 in
einem gewissen Maße
abhängig
von der Konzentration der Substanzen in dem Gasfluss. Dies ist insbesondere
zutreffend, wenn das Trägerband 1a nur
an der Auslassseite mit Katalysatoren beschichtet ist.
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In
diesem Fall erfolgt die Erhitzung des einströmenden unreinen Gasstroms ohne
Kontakt mit dem Katalysator und die Reaktion tritt nur auf, nachdem
der Fluss die Umkehrkammern 9 und 10 passiert
hat.
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Die
Generierung einer großen
Menge an Wärme
erzeugt dann eine hohe Temperatur in den Umkehrkammern 9, 10 und
in den Bereichen des Blechbandpakets 1b, die an die Umkehrkammern 9, 10 angrenzen.
Falls das Blechbandpaket 1b jedoch eine katalytische Beschichtung
auf beiden Seiten oder zumindest auf der Einlassseite des Pakets
aufweist, wird die Temperatur in den gegenüberliegenden Kammern 9, 10 geringer
sein. In diesem Fall tritt die Erwärmung unter konstantem Kontakt
mit der katalytischen Fläche
auf und die Reaktion findet statt, wenn der Fluss die richtige Temperatur
erreicht hat. Die überschüssige Wärme, die
produziert wird, wird konstant zu dem ausströmenden Gasfluss an der Ausflussseite
des Paketes 1b übertragen.
Wenn alle was reagieren kann reagiert hat, tritt keine zusätzliche
Temperaturerhöhung
auf und die nachfolgende Bewegung in Richtung der Umkehrkammern 9 und 10 tritt
ohne zusätzliche
Temperaturerhöhung
auf. Dahingehend ist die Vorrichtung selbstregulierend hinsichtlich
der Temperatur und passt sich selbstständig an eine Arbeitstemperatur
an, die entsprechend direkt über
der Temperatur liegt, bei der die Hauptreaktion auftritt. Die Temperatur
ist geringfügig höher bei
einer hohen Flußrate
als bei einer geringen Flußrate.
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Der
Katalysator und/oder das Adsorptions-/Desorptionsmittel können in
verschiedenen Konzentrationen und verschiedenen Gebieten entlang
des Strömweges
auf die Trägerwände aufgebracht
werden. Bei einigen Anwendungen, wie z. B. bei Dieselmotoren, ist
es wichtig, dass die katalytische Reaktion hauptsächlich in
der Nähe
der Umkehrbereiche 9, 10 stattfindet, um die Tem peratur
so hoch wie möglich
zu halten. Dementsprechend sollte der Katalysator bei solchen Anwendungen
in diesen Gebieten des Wärmeaustausch-Katalysatorträgerpakets 1b konzentriert
sein. Andere Anwendungen können
es erfordern, dass der Katalysator entfernt von den Umkehrbereichen 9, 10 konzentriert
ist.
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Somit
kann es bei hohen und unterschiedlichen Bestandteilen von Substanzen,
die oxidiert werden sollen, von Vorteil sein, die Einlassseite des
Trägerblechpakets
mit einem katalytischen Material zu beschichten. Dies schützt die
Vorrichtung vor hohen Temperaturen, die den Katalysator schädigen können. Eine
Beschichtung der Auslassseite erzeugt zusätzliche Leistungsfähigkeit
und trägt
zu einem verbesserten Reinigungsgrad bei.
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Andererseits,
falls der Fluss, der gereinigt werden soll, Substanzen enthält, die
eine höhere
Behandlungstemperatur benötigen
als der Hauptteil der Unreinheiten, kann es von Vorteil sein, nur
die Auslassseite des Trägerblechpakets 1b mit
katalytischem Material zu beschichten. Dadurch können hohe Temperaturen sogar
mit leicht reagierendem Treibstoff erreicht werden. Ein ähnlicher
Effekt kann ebenfalls erzielt werden durch die Benutzung verschiedener
Katalysatoren an den zwei Seiten des Pakets, wobei der Katalysator,
der für
die wärmeerzeugende
Reaktion genutzt wird, an der Auslassseite des Pakets 1b und
der Katalysator, der für
eine Hochtemperaturreaktion benötigt
wird, an der Einlassseite des Pakets 1b aufgebracht wird.
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Die
chemische Reaktion findet hauptsächlich in
den warmen Bereichen des Blechbandpakets 1b statt. Der
Teil des Pakets, der am nächsten
zu den Einlass- und Auslassanschlüssen 11 und 12 liegt,
besitzt normalerweise eine geringe Temperatur und ist somit nicht
katalytisch aktiv, sondern dient als Wärmetauscher. Um teuere Katalysatoren
einzusparen, ist es folglich möglich,
die katalytische Beschichtung auf die Teile des Trägerbleches
zu beschränken,
die am nächsten
zu den Umkehrkammern 9 und 10 liegen. Bei einem
hohen Gehalt wärmeerzeugender Unreinheiten
bedeutet dies jedoch, dass die Temperatur in der Reinigungsvorrichtung
hoch werden kann, entsprechend dem Fall, in dem die Beschichtung
nur an der Auslassseite des Bleches aufgebracht wird.
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Die
Sicken 3 im Blechträgermaterial
sind in 3 dargestellt. Die Sicken sind
in einem spitzen Winkel längs
der Ausdehnung des nicht gefalteten Trägerbleches 1a ausgerichtet.
Wenn das Blech gefaltet wird, verlaufen die Sicken der benachbarten Schichten
quer zueinander, wie in 3 abgebildet. In dem sich ergebenden
Blechbandpaket, wenn der Gasstrom die Sicken unter einem großen Winkel
passiert, wird der Strömungswiderstand
relativ groß und der
Wärmeaustausch
hoch. Ein kleiner Winkel zwischen den Sicken und dem Strom wird
bevorzugt, wenn ein niedriger Strömungswiderstand gewünscht ist.
Daher ist es möglich,
durch eine sorgfältige
Auswahl des Winkels der Sicken die Reinigungsvorrichtung für eine bestimmte
Anwendung zu optimieren.
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Daher
kann ein geringer Druckabfall im Strom durch die Reinigungsvorrichtung
entsprechend der Erfindung erreicht werden, wenn die Sicken oder
andere dreidimensionale Strukturen in einer solchen Art ausgerichtet
sind, dass der Winkel bezüglich
der Stromrichtung klein ist. Wie oben erwähnt resultiert dies normalerweise
in einer Verringerung der Wärmeübertragung
zu den Wänden.
Jedoch kann die Verringerung der Wärmeübertragung durch zusätzliche
Oberflächenbereicht
kompensiert werden. Abhängig
von den Umständen
kann solch ein größerer Bereich
sogar wünschenswert
sein, um Platz für
einen zusätzlichen
Katalysa tor und für
ein zusätzliches
Adsorptions-/Desorptionsmaterial zu schaffen.
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Folglich
wird es durch die Bereitstellung eines dreidimensionalen erhöhten Musters
auf einer oder beiden Flächen
des Trägerbandes
möglich,
einen kombinierten Wärmetauscher
und eine katalytische Reaktionskammer zu erhalten, welche eine aktive
Oberfläche
aufweist, die innerhalb eines begrenzten Volumens groß ist. Jedoch
sind die beschriebenen winkelförmigen
Sicken nicht das einzige Mittel, um einen geeigneten Abstand zwischen
den verschiedenen Lagen im Paket zu erzeugen. Viele andere Muster
mit alternierenden Erhöhungen
und Vertiefungen können
die gleichen Resultate erzeugen.
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4a-4e zeigen
verschiedene Ausführungsformen
der Reinigungsvorrichtung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, in welchen der Einlass und der Auslass
an verschiedenen Stellen eines äußeren Behälters, der
einen Wärmetauscher-Katalysatorträgerkörper enthält, angeordnet sind.
Die Ausführungsformen
dargestellt in den 4a und 4c weisen
exzellente Reinigungseigenschaften während einer Kaltstartphase
auf. Die Ausführungsformen
dargestellt in 4d und 4e besitzen
eine geringe Fähigkeit,
Unreinheiten während
der Kaltstartphase zu bereinigen und die Ausführungsform dargestellt in 4b besitzt
ein dazwischen liegendes Reinigungsvermögen.
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Die
Vorrichtung in 4a besitzt Gasflusseinlass-
und Gasflussauslassanschlüsse 11 und 12, die
auf den gegenüberliegenden
Seiten des äußeren Behälters 6 an
den Längsseitwänden 6c, 6d angeordnet
sind mit einem Abstand von jedem Behälterende 6a, 6b,
der dem halben Abstand zwischen den Enden entspricht. Solch eine
Anordnung der Einlass-/Auslassanschlüsse 11, 12 kann
den 1 und 2 entnommen werden. Ein Vorteil,
die Ein lass- und Auslassverbindungen 11, 12 mittig
des äußeren Behälters 6 anzuordnen,
besteht darin, dass der Strömungswiederstand
in der Reinigungsvorrichtung minimiert wird. Des Weiteren, wenn
dies mit einer Ausführungsform
verglichen wird, bei der die Einlass-/Auslassanschlüsse an einem
Ende der Reinigungsvorrichtung angeordnet sind, ist ein weiterer Vorteil,
dass die Einlass- und Auslassenden des Wärmetauscher-Katalysatorträgerkörpers nicht abgedichtet werden
müssen.
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Die
Vorrichtung in 4b weist die Einlassverbindung 11 in
Richtung eines ersten Endes 6a des äußeren Behälters 6 versetzt und
die Auslassverbindung 12 in Richtung des zweiten Endes 6b des äußeren Behälters versetzt
angeordnet. Die Einlass- und Auslassanschlüsse sind
symmetrisch an den Seitenwänden 6c, 6d des äußeren Behälters 6 angeordnet. Solch
eine Anordnung bietet einen relativ geringen Druckwiderstand in
der Vorrichtung und zur gleichen Zeit verhältnismäßig gute Wärmetauscheigenschaften.
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In 4c sind
die Einlass- und Auslassanschlüsse 11 und 12 an
einem Ende 6b des äußeren Behälters 6 angeordnet
und bedingen einen guten Wärmeaustausch,
aber einen hohen Druckwiderstand. In dieser Ausführungsform muss der Wärmetauscher-Katalysatorenträgerkörper an
dem Einlass- und Auslassende 6b abgedichtet werden.
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4d zeigt
eine Vorrichtung, die den Einlassanschluss 11 an einem
Ende 6a und den Auslassanschluss 12 an dem gegenüberliegenden
Ende 6b aufweist. Solch eine Vorrichtung bietet eine exzellente
Durchmischung eines behandelten Gasstroms und stell eine katalytische
Reaktionskammer ohne Wärmetauschvermögen dar.
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Die
Reinigungsvorrichtung in 4e besitzt einen
Wärmetauscher-Katalysatorträgerkörper, der aufgebaut
ist aus zwei in Reihe angeordneten Teilen 1b', 1b'',
die um 90° bezüglich einer
durch die Vorrichtung verlaufenden Längsachse zueinander gedreht
angeordnet sind. Wie in der Vorrichtung in 4d sind
die Einlass- und Auslassanschlüsse 11, 12 an
gegenüberliegenden
Stirnwänden 6a, 6b der Vorrichtung
angeordnet. Daher verläuft
der Gasstrom durch die Vorrichturg in nur einer Hauptrichtung. Verglichen
mit der Vorrichttung in 4d bietet
die Vorrichtung in 4e eine zusätzliche verbesserte Durchmischung
eines behandelten Gasstroms.
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5 zeigt
eine alternative Möglichkeit,
einen Umkehrraum an einem Ende eines Trägerblechbandpakets 1b zu
schaffen. Das Trägerband
ist ausgestattet mit Perforationen 16, die den Durchgang
eines umkehrenden Gasstromes ermöglichen.
Ein Trägerblechbandpaket,
wie in 5 dargestellt, kann dicht in einen äußeren Behälter, ohne
Platz zwischen den Behälterendwänden und
den Enden des Trägerblechpakets,
eingebaut werden.
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Ein
Wärmetauscher-Katalysatorträgerkörper zur
Verwendung in einer Reinigungsvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung kann abweichend von der hier beschriebenen rechteckigen
Form jede passende Form besitzen. Folglich können Wärmetauscher-Katalysatorträgerkörper mit einem zylindrischen,
ovalen, hexagonalen, dreieckigen oder einem anderen Querschnitt
benutzt werden.
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Eine
katalytische Reinigungsvorrichtung für Gasströme und deren Bestandteile sind
vorliegend beschrieben worden. Diese und andere Variationen, die
von dem Fachmann genutzt werden, liegen innerhalb des beabsichtigten
Rahmens dieser Erfindung, wie unten beansprucht. Wie vorher angegeben
werden detaillierte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung hier offenbart. Jedoch ist dies dahingehend zu
verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft
für die
Erfindung sind, die in verschiedenen Formen ausgeführt werden
kann.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Die
vorliegende Erfindung findet Anwendung in der Emissionsbeschränkungsindustrie.