JP2013226550A - 静止型ガスミキサー - Google Patents

Abstract

【課題】静止型ガスミキサーを提供する。
【解決手段】本発明はガス状の混合物の成分の混合装置に関する。本発明は、同様に、対応して適用される方法と、内燃機関の排気ガスの成分を還元剤と混合するための本発明による装置の使用と、対応して設計されるリアクタとに関する。
【選択図】図１

Description

本発明はガス状の混合物の成分の混合装置に関する。本発明は、同様に、対応して適用される方法と、内燃機関の排気ガスの成分を還元剤と混合するための本発明による装置の使用と、対応して設計されるリアクタとに関する。

ガス流れ中の特定の成分の混合は、長い歴史を有する化学工学プロセスである。混合プロセスにおいては、別個に存在する少なくとも２つの当初物質の構成成分が相対的な運動によって再配置され、それによって新しい配置パターンが生成される。この場合、混合物（混合）が発生し、特定の条件の下で新しい物質が生成される。新しい物質の要求される均質性を達成することが主たる目的である。経済的および化学工学的な側面から、混合時間と、混合プロセスに費消されるエネルギーとが重要な役割を演じる。自発的に均質に混合しない物質の場合には、ミキサーが、被混合材料に可能な最大の相対的運動を付与することが重要である。この場合、力の強さと、その導入の方向とが定常的に変化することが理想的である。

混合プロセスは、特に、被混合成分の集合状態に関して、あるいは、例えば混合方法に関して区別される。後者の分類の場合には、動的混合および静止型混合を区別できる。いわゆる静止型混合の場合には、混合の実現に必要なエネルギーの導入は、専ら、被混合成分の運動エネルギーによって与えられる。通常、このような方法の場合には、物質の流れを、特定の機械的な抵抗であって、被混合成分の可能な限りの乱流状態の渦巻き運動を惹起する、従って均質な混合をもたらす機械的な抵抗に衝突させる。

物質の流れの混合用として、上記の静止型原理に基づく多くのミキサーがすでに先行技術において提案されている（（特許文献１）〜（特許文献６））。（特許文献７）においては、被混合成分の流れを２つ以上のバッフルプレートに衝突させるが、この場合、バッフルプレートに孔を設け、隣接するバッフルプレートの孔を互いにずらして配置することが提案されている。（特許文献８）は、これとは違って、静止型ミキサーのバッフルプレートの孔の形態を変えることに基づいている。この場合、１つのバッフルプレートに中心孔を設け、その次のバッフルプレートには、２つの偏心配置される孔であって互いに１８０°ずらされた２つの孔が設けられる。この組合せユニットが、対応する良好な混合が確保され得るように繰り返される。

独国実用新案第８１１４８２２Ｕ１号明細書 独国実用新案第８６１７６６９Ｕ１号明細書 国際公開第２０１１／１３４０５９Ａ１号パンフレット 国際公開第２０１１／１１６８４０Ａ１号パンフレット 欧州特許出願公開第１０２９５８８Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第２２９２３２１Ａ１号明細書 特開２０１１−１２１０３８号公報 特開２０１１−９８３２４号公報

本発明の目的は、先行技術に比べて改善され、かつガス状の成分の相互混合を改善する結果が得られる静止型ミキサーを構成することにあった。特に、本発明による静止型ミキサーは、成分の最適の相互混合を極力短い距離において実現できるべきであり、さらに、ミキサー全体にわたる圧力の上昇が極力低く抑えられるという点も実現されるべきである。

これらの目的、および当業者には先行技術から明らかになる別の問題点は、本発明の請求項１の特徴を備えた静止型ミキサーによって解決される。本発明の有利な実施態様が、請求項１に基づく従属請求項２〜８によって保護される。請求項９は本発明による方法に関し、請求項１０は本発明によるミキサーの好ましい使用に関する。請求項１１は、本発明によるミキサーを備えたリアクタを包含する。

実施態様例としての本発明によるリアクタを側面図で示す。孔（３、３’、４）を有するバッフルプレート（１、１’、２）を見ることができる。この場合、孔（４）は、本発明に従って、先行するバッフルプレートに対してそれぞれ反対側の半分に位置するように構成される。オプションとして設けられる流入側および流出側のバッフルプレート（１、１’）は中心に配置される孔（３、３’）を有する。 バッフルプレート（２）の平面図を示す。バッフルプレートの一方の側の半分に設けられる２つの孔（４）を見ることができる。 希薄燃焼の内燃機関に対するモデル排気ガス流れ内におけるガス成分ＮＨ_３の図１のミキサーによる混合に関する計算結果を示す（さらに以下参照）。 本発明によらないミキサーの形態を示す。

ガス流れ中の成分混合用の次のような静止型ミキサーを用いることによって、きわめて驚異的に、しかし同時に有利に前記の目的を達成することができる。すなわち、ハウジング（５）を有する静止型ミキサーであって、そのハウジング（５）の中に、混合物の成分の流れの方向に互いに前後に配置される少なくとも２つのバッフルプレート（２）で、それぞれ、少なくとも２つの偏心配置された孔（４）を有する少なくとも２つのバッフルプレート（２）が配置され、その場合、先行するバッフルプレート（２）の孔（４）と、それぞれ後続するバッフルプレート（２）の孔（４）とは、相互に、次のような形態において、すなわち、先行するバッフルプレートの孔がそのバッフルプレートの一方の側の半分に位置し、一方、後続のバッフルプレートの孔はそのバッフルプレートのもう一方の側の半分に位置するような形態において、中心の縦軸の回りに角度をずらして配置される、静止型ミキサーである。本発明において選択されたバッフルプレートにおける孔（４）の反対側配置という形態の結果として、良好な乱流、従って、流入するガス流れ中の成分の最適な相互混合が明らかに実現され、それによって、ミキサーを対応して小型にできる。さらに、流入ガス流れが本発明によるミキサーから受ける対抗圧力は、満足できるほど低いことを注記しなければならない。これは、ここで想定される用途の経済的背景を考慮すると特に有利である。

本発明によるミキサーのハウジング（５）は、当業者に知られる形状を有するように形状化することができる。外側ハウジング（５）の形状化は、主として、静止型ミキサーが配置される周囲のリアクタの形状に適合するように調整される。（縦方向に見て）長方形または正方形の設計の他に、円形の基本形状が特に管状リアクタの場合に好適である。すなわち、ハウジング（５）は、周囲の管状リアクタの中に容易に挿入できかつそのリアクタに固定できる円筒状の壁面から構成するのが有利である。

すでに言及したように、本発明による静止型ミキサーは、反対側の半分に偏心して配置される少なくとも２つの孔（４）を有する少なくとも２つのバッフルプレート（２）を有する。静止型ミキサーの形状および実施態様に応じて、さらに多数のこのようなバッフルプレートをミキサーのハウジングの中に配置することも可能である。この場合は、さらにバッフルプレートを挿入することによって、混合は極力短い距離において行われるべきであり、僅かな対抗圧力しか生じさせるべきでなく、かつ、極力複雑でなくかつ有利なミキサーを用いるべきであるという事情に関して、どのような因子によって混合を改善できるかを評価することが必要である。想定される用途に対して、これらの因子間の最適のバランスを見出さなければならない。排気ガスの流れに対置されるバッフルプレートの個数は好ましくは３〜５個である。３個のみのバッフルプレート（２）を用いることが特に好ましい。明確にするために、ここで言及するバッフルプレート（２）には、流入側および流出側に配置される分は含まれないことを指摘しておく。

本発明による静止型ミキサーは、上記に述べたように、対応して設計される少なくとも２つのバッフルプレート（２）から構成される。このバッフルプレートに加えて、ミキサーの流入側および／または流出側に、バッフルプレート（１、１’）を同様に設けることが有利であると証明されている。後者のバッフルプレートは、特定の流れの方向を排気ガスの流れに付与する能力を有する。ここで好ましいものと言及されるこのバッフルプレート（１、１’）は、同様に同心に配置された孔（３、３’）でガス流れが通過する孔（３、３’）を有する。この１つの孔は、バッフルプレートの中心の回りに分布させ得る小さい複数の孔として形成してもよいことを指摘しておく。乱流流れと対抗圧力との間の適切な妥協を見出し得ることが重要である−これは、バッフルプレートのすべての孔の寸法決定について言えることである（さらに下記参照）。流入側および流出側のバッフルプレートの別の利点は、それが、ミキサーに特別な安定性を付与するという点である。これは、特に、ミキサーが、ガラス、特にクォーツガラスのような脆い材料から作製される用途において有利である。

本発明による静止型ミキサーの中に配置される少なくとも２つのバッフルプレート（２）は、少なくとも２つの偏心配置された孔（４）を有することを特徴とする。ガスは乱流状態においてこの孔を流れ、この孔の寸法は以下に詳しく規定するが、これによってこのガスは相互混合され、続いて次のバッフルプレートに流れる。本発明の範囲内においては、当業者がバッフルプレート（２）の一方の側の半分にいくつの孔（４）を配置したいと希望するかについては、当業者の裁量に任されている。この場合も、当業者は、可能最大量の乱流、従ってガス成分の良好な相互混合を、極力短い距離において、かつ、可能な最低の対抗圧力において実現することを目標とするであろう。バッフルプレート当たりの孔の個数は２〜５個であることが特に好ましく、２〜３個の孔をバッフルプレートの一方の側の半分に偏心して配置することが特に好ましい。この点に関して、特別にきわめて好ましいのは、２つの孔を対応して配置することである。

ミキサーにおいて、そのバッフルプレート上に配置される孔は、任意選択的に流入側および流出側に配置されるバッフルプレート（１、１’）の場合を除いて、バッフルプレート（２）の一方の側の半分に集中して配置される。これは、ガス流れが直線的にミキサーを通過することを防止する目的を有する。ガス流れは、直線的にではなく、ガス流れにおける乱流が増大するように、可能最大限に回旋した径路においてミキサーを通過するように導かれるべきである。従って、孔（４）をバッフルプレート（２）の一方の側の半分に配置することは、本発明に従ってガス流れの可能最良の相互混合を達成できるように、当業者によって実施される。現時点では、ある１つのバッフルプレート（２）とその次のバッフルプレート（２）との孔（４）を、縦軸の回りに１８０°の角度だけ互いにずらして配置することが特に有利であることが判明している。これは、ミキサーの平面図において、１つのバッフルプレート（２）の一方の側の半分における孔が、それに続くバッフルプレート（２）の孔でもう一方の側の半分に位置する孔に対して正確に鏡面対称になっていることを有利に意味している。孔の正確な寸法決定と、その相互の、かつハウジングに対する相対的な位置決定とに関しては、以下の実施態様において説明する。

ミキサー内に位置するバッフルプレート（２）と、ミキサーの流入側および流出側に任意選択的に装着されるバッフルプレート（１、１’）とは、その相互の相対的位置に関して、当業者が望む任意の態様において取り付けることができる。特に好ましいのは、バッフルプレートが、互いに対称配置でなく、せいぜいのところ互いにヘリカル対称配置になるような配置である。２つの隣接するバッフルプレートが形成する２つの仮想表面が、表面端部と表面の交差線との間に直角を生じるように交差する配置も好ましい。この場合、交差する表面間の角度は、当業者の所望どおりに設定することができるが、９０°を超える値になるべきではなく、好ましくは７５°を超えるべきでなく、特に好ましくは６０°を超えるべきではない。しかし、きわめて好ましい実施態様においては、バッフルプレートは互いに平行である。バッフルプレートがこのように配置される場合、当業者が、静止型ミキサーの縦の方向に導かれるガス流れに対してバッフルプレートのどのような位置決めを希望するかについては、当業者の裁量に任されている。この場合、バッフルプレートをミキサーのハウジングの縦軸に対して直角に配置することが特に望ましい。

本発明は、ガス流れ中の混合物の成分の混合方法にも関する。この方法は、以上に提案した静止型ミキサーをガス成分の混合用として用いることを特徴とする。この場合、本発明による方法は、上記のミキサーを、異なるガス状の成分を有するガス流れが導かれるリアクタ内に配置することを想定している。このガス流れは、流入側において、適切な場合に任意選択的に設けられる第１バッフルプレート（１）であって１つ以上の中心配置される孔（３）が設けられる第１バッフルプレート（１）に衝突する。ガス流れは、続いて、その第１バッフルプレート（１）とそれに設けられる孔とを通過するように導かれ、その結果として渦巻き運動する。ガス流れは、さらに、別のバッフルプレート（２）に衝突する。そのバッフルプレート（２）には、ガス流れを通過させるための孔（４）がその一方の側の半分に偏心して配置されている。ここで、ガス流れの渦巻き運動が再度惹起される。次のバッフルプレート（２）が、本発明に従って次のような態様に配置される。すなわち、そのバッフルプレート（２）の孔（４）が先行のバッフルプレート（２）に対して反対側の半分に位置するように配置される。これは、明らかに、ガスが対応して設計されるバッフルプレート（２）を通り抜けて流れる際に、極度の乱流の形成をもたらす。いずれにせよ、ガスが前記の２つのバッフルプレート（２）を通過して流れた後、ガス中に存在する成分の極度に良好な混合が前記後者のバッフルプレートの流出側において観察される。これらのバッフルプレートに、任意選択的にさらに、順次に反対側の半分に位置する孔（４）を含む別のバッフルプレート（２）を続けて設けることができる。この後続のバッフルプレート（２）はガス流れの相互混合をさらに改善する機能を有する。最後に、適切な場合に、流入側に配置されるのと同様のバッフルプレート（１’）を流出側に配置することが可能である。この後者のバッフルプレートは、相互混合に関してもかつまた流れの方向に関しても、非常に高い均質性を、すでに極度に良好に相互混合されたガス流れに付与する。ガス流れの相互混合のためのこの方法は、ガス流れ中の成分の最適の混合を、非常に短い距離において、かつ、可能最低の対抗圧力において得るのに特に好適であることが判明している。これを先行技術から導き出すことは不可能であった。

特に好ましい一実施態様において、静止型ミキサーの形態の本発明のミキサー要素が、内燃機関の排気ガス中に含まれるような排気ガス成分と、還元剤との相互混合用として用いられる。本発明によるミキサーは、還元剤、例えばアンモニアと、希薄燃焼のガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの窒素酸化物含有排気ガスとの混合用として有利に用いることが可能である。このガス成分の良好な混合は、ミキサーの流出側に配置されるいわゆるＳＣＲ触媒コンバータ（独国特許出願公開第１０２０１１０１２７９９Ａ１号明細書、国際公開第２０１２０３４９２２Ａ１号パンフレット、国際公開第２０１１０９８４５０Ａ１号パンフレット、国際公開第２０１００９７１４６Ａ１号パンフレット、国際公開第２０１００３４４５２Ａ１号パンフレットおよびこれらにおける引用文献）における還元剤による窒素酸化物の引き続く還元に関して、特に重要である。成分が良好に混合された状態で前記の触媒コンバータに衝突する場合にのみ、好ましくはアンモニアから形成される還元剤による窒素酸化物の最適の化学量論的還元が生起し得る。本発明によるミキサーは、特に、対応する原型のＳＣＲ触媒コンバータを試験したモデルガスシステムにおける使用において実証された。

従って、本発明のさらなる最終主題事項は、本発明による静止型ミキサーを備えた、対応して設計されるリアクタによって構成される。この場合、このリアクタは、ミキサーの上流側において、個別のガス成分をリアクタの中に下方からおよび／または側方から注入するように構成するのが望ましい。ガス成分は、続いて、本発明によるミキサーを通って導かれ、このミキサー内でガス成分の混合が行われる。相互混合されたガスの転化は、引き続いて、用いられるＳＣＲ触媒コンバータにおいて生起する。

ここに記述するリアクタは多様な方式において構成することができる。モデルガスシステムの構成部分として、リアクタは、そして本発明によるミキサーも、例えばガラス、好ましくはクォーツガラスから構成することができる。このリアクタは、さらに、円筒形状であることが望ましく、かつ、ミキサーの上流側の側方に位置するアンモニアの注入装置を有することが望ましい。モデル排気ガスは、このリアクタに流入し、アンモニアリッチ状態にされ、ミキサーによって混合された後、触媒コンバータに衝突して、そこで還元される。ここに記述するミキサーは、対応する適応形態において、ＳＣＲ触媒コンバータを備えた自動車における実際の排気システム（リアクタ）の構成部分としても使用し得ることが指摘される。

本明細書における言明は、希薄燃焼のディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの排気系において通常用いられるガス速度を対象として想定している。すなわち、容積流量速度は、０．５〜１０ｍ^３／ｈ、好ましくは０．５〜６ｍ^３／ｈ、特に好ましくは１〜４ｍ^３／ｈの範囲内である。しかし、本明細書に記述するミキサーは工業用途における使用にも適している。当業者は、対応する良好な混合性能を実現可能にするために、本発明によるミキサーの寸法決定を、ここに有効な条件にどのようにすれば適応させ得るかを知悉している。従って、本発明によるミキサーのバッフルプレートの孔の相対的な位置から結果的に生じるガス流れの特別に良好な相互混合は、驚くほど簡単に実現されたのである。いずれにせよ、これに相当する配置は、既知の先行技術によって示されていない。

相対的な寸法決定
ミキサーの個々の構成部分の寸法決定に関しては、実施例として提示する図１および２を参照する。この場合、バッフルプレートおよび孔の寸法は、実施例として、高さが１０ｃｍで、直径が約２．２５ｃｍのミキサーに基づいて表現されている。以下の数値は、選択されたミキサーの直径に対して変化し得ることを指摘しておく。

孔（３、３’）（円形、楕円形、多角形）の寸法および形状は、６〜８．５ｍｍであることが有利であり、好ましくは６．５〜８ｍｍ、特に好ましくは約７．３ｍｍである。各バッフルプレート上の孔（４）は、同寸法または異なる寸法のものとすることができ、またその形状に関して変えることができる（円形、楕円形、多角形）。この孔の直径は、一般的に３〜７ｍｍであり、好ましくは４〜６ｍｍ、きわめて好ましくは約５ｍｍである。

個々のバッフルプレートの厚さは、当業者の所望どおりに選択すればよい。その材料および強度は、当業者の検討の中に間違いなく組み込まれなければならない。バッフルプレート（１、１’）の厚さは１〜４ｍｍであることが有利であり、好ましくは１．５〜３ｍｍ、きわめて好ましくは約２ｍｍである。バッフルプレート（２）は、同じ寸法にすることができるが、あるいはそれと違って、バッフルプレート（１、１’）の場合とは異なる１〜４ｍｍの厚さ、好ましくは１．５〜３ｍｍ、きわめて好ましくは約２ｍｍの厚さとすることもできる。またこの場合、これらの数値は、図１に実施例として表現したミキサーについても当てはまる。高さまたは直径を変更する場合には、当業者は、これらの値をそれに応じて適合させなければならない。

実施例
触媒コンバータへの流入部の上流側におけるガス流れの混合の均質性を、ＣＦＤ（計算流体力学：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｅ−Ｎｅｗｓ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、Ａｉｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｂｌｅｎｄｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ、８００−５２３−５７０５；ｈｔｔｐ：／／ｄｅ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｎｕｍｅｒｉｓｃｈｅ＿Ｓｔｒ％Ｃ３％Ｂ６ｍｕｎｇｓｍｅｃｈａｎｉｋ）によって計算した。ガスの流れの場と濃度分布とに対する混合の影響を数学的に決定した。このため、ミキサーの所定の形状データを数学モデルに変換し、３次元ＣＦＤ計算を、１組の境界条件（質量流量、温度）について実施した。

ガス混合物の組成は次のとおりである。
側流からのＮＨ_３（Ｎ_２中への１０％のＮＨ_３注入）： ４５０ｐｐｍ
ＮＯ： ５００ｐｐｍ
Ｏ_２： ５％
Ｈ_２Ｏ： ５％
残部はＮ_２

１、１’：それぞれ流入側および流出側のバッフルプレート
２： 少なくとも２つの孔を備えたバッフルプレート
３、３’：それぞれ流入側および流出側のバッフルプレートの孔
４： 少なくとも２つの孔を備えたバッフルプレートの孔
５： ミキサーの壁面／ハウジング

Claims (11)

1. ガス流れ中の成分を混合するための静止型ミキサーであり、混合物の成分の流れの方向に互いに前後に配置される少なくとも２つのバッフルプレート（２）であって、それぞれ、少なくとも２つの偏心配置された孔（４）を有する少なくとも２つのバッフルプレート（２）がその中に配置されるハウジング（５）を有する静止型ミキサーであって、先行するバッフルプレートの孔と、それぞれ後続するバッフルプレートの孔とが、相互に、中心の縦軸の回りに角度をずらして配置される静止型ミキサーにおいて、
   前記先行するバッフルプレートの孔がそのバッフルプレートの一方の側の半分に位置するのに対し、それぞれ後続のバッフルプレートの孔は、そのバッフルプレートのもう一方の側の半分に位置する、
   ことを特徴とする静止型ミキサー。
2. 前記ハウジング（５）が円筒形に構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の静止型ミキサー。
3. 前記ミキサーの流入部および／または流出部が、同心の孔（３、３’）を備えたバッフルプレート（１、１’）によって形成される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の静止型ミキサー。
4. ３つのバッフルプレート（２）が互いに前後に配置される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の静止型ミキサー。
5. バッフルプレート（２）が、それぞれ、２つの偏心配置された孔を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の静止型ミキサー。
6. １つのバッフルプレート（２）およびその次のバッフルプレート（２）の孔が、縦軸の回りに１８０°の角度だけ互いにずらして配置される、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の静止型ミキサー。
7. 前記バッフルプレートが互いに平行に配置される、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の静止型ミキサー。
8. 前記バッフルプレートが、前記ハウジングの縦軸に直角に配置される、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の静止型ミキサー。
9. ガス流れ中の混合物の成分を混合する方法において、
   混合物の１つの成分を、他の成分と共に、請求項１〜８のいずれか一項に記載のミキサーの中に導入する、
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のミキサーの使用において、
    前記ミキサーが、内燃機関の排気ガス中に存在するガス成分と還元剤とを混合するために使用される、
    ことを特徴とする使用。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の静止型ミキサーを備えるリアクタ。