JP6218251B2 - 物質移動が制限されるプロセスにおいて使用されるハニカムモノリス構造並びにこれを含む触媒構造及び反応器 - Google Patents

Description

本発明は、特に物質移動が制限されるプロセスにおいて使用される新規のハニカムモノリス構造に関する。ハニカムモノリス構造は、複数のセルの壁であって、当該セルの壁によって互いから隔てられる複数のチャネル又は細長いセルを画定する複数のセルの壁を備え、複数のセルの壁及びチャネルは、共通の方向に沿ってハニカムモノリス構造の入口端から出口端に流体の流れ方向に平行に延びている。モノリス構造は通常、相補的な形状が与えられており、反応器内に並んで配置され、それらのチャネルは反応器内で流れ方向に沿って位置合わせされ、反応器の断面積を完全に覆い、その結果、反応器を通って流れるガスがモノリス構造のチャネル全体に通される。

ハニカムモノリスは、例えば、モノリス構造全体を触媒材料で製造することによって、又は、モノリス構造の表面を触媒活性材料でコーティングすることによって、構造化された化学反応器として使用され、内部のモノリス構造壁が（不活性）担体材料を含む。そのようなモノリス反応器は様々な材料、通常は異なるタイプの金属、セラミック又は複合材料で製造され、幾つかの製造方法が当該技術分野において公知である。製造方法の一般的な例は押出及び成形である。

ハニカムモノリス触媒を使用して、有機化合物及び無機化合物の合成、酸化物の分解、化合物の酸化等のような幾つかのタイプの化学反応を誘発及び／又はその速度を上げることができる。そのようなモノリス反応器は、表面積、変換、圧力損失、閉塞抵抗等の要件、並びに、モノリス材料の強度及び製造の制約を含む考慮事項に応じて、広範なピッチ及び壁厚で製造することができる。

モノリス反応器の利点は、低い圧力損失、比較的広い表面積、妥当な製造コスト、及び、モノリス反応器を、焼却炉からの排ガスのような特定の物質（塵埃、フライアッシュ、すす等）を含有するガス混合物の処理において使用することができることである。

本発明は、幾つかの物理化学的プロセス、特に、変換における速度制限ステップが反応構成要素による表面への物質移動である比較的速い反応を伴うプロセスを行うモノリス反応器において有利に使用することのできる新規のハニカムモノリスチャネル設計を有する新規のハニカムモノリス構造に関する。物質移動が制限されるプロセスは、触媒的であってもよいが、吸着剤、吸収剤及び毒トラップのように非触媒的であってもよい。触媒プロセスは、限定はされないがＳＣＲ、亜酸化窒素分解、アンモニア酸化、天然ガス処理及び水−ガスシフト反応を含む、物質移動が制限される任意の不均一反応を含む。

ハニカムモノリス触媒の使用の一例は、排ガス／煙道ガスからのＮＯ_ｘの除去におけるその使用であり、煙道ガスは多くの場合に種々の粒径の特定の物質を含有する。酸化窒素は、特定の種類のセラミック又は金属触媒の使用により、元素の窒素及び水に触媒的に還元することができる（選択触媒還元、ＳＣＲと呼ばれる）。これらの触媒は、モノリス構造に押出することができる。ＮＯ_ｘ除去反応の場合、モノリス表面への物質移動は速度制限ステップである。

一般的なＳＣＲ触媒は、酸化チタンのような担体として使用される種々のセラミック材料から作製され、活性触媒構成要素は通常、バナジウム及びタングステンのような卑金属の酸化物、ゼオライト並びに種々の貴金属である。各触媒構成要素は、利点及び欠点を有する。酸化チタンベースのセラミックハニカムＳＣＲ触媒は多くの場合に、発電、石油化学産業及び工業処理産業に使用される。

チャネルの横断方向断面が異なる形状を有するハニカムモノリス構造が利用可能である。そのような横断方向断面は多くの場合にセルと称される。最も一般的な市販のモノリス構造は、例えば国際公開第２０１２／１３５３８７号明細書（コーメテック社，２０１２年）に示されるような正方形の横断方向断面を有するチャネルを備えたハニカムである。また、矩形の横断方向断面を有するチャネルを備えた触媒コンバータが公知である。そのような矩形の形状は例えば、幅／高さの比が少なくとも１．２、好ましくは１．５〜２．５の範囲である矩形の横断方向断面を開示している米国特許第５，８６６，０８０号明細書（デイ，１９９９年）と、幅：高さの比が２：１である矩形の横断方向断面を開示している米国特許第６，２５８，４３６号明細書（シーメンス社，２００１年）とに開示されている。

６角形セルを有する構造も公知である。中国実用新案第２０１８１５３１４号明細書は、規則的な６角形の内部細孔通路構造が設けられるとともにＳＣＲ脱硝技術に使用されるハニカム触媒に関する。規則的な６角形の内部細孔通路は、正方形の内部細孔通路及び円形の内部細孔通路の利点を組み合わせる。ハニカム形状内で分散する複数の煙道ガス流の内部細孔通路は、正方形又は６角形の触媒骨格で配置され、各内部細孔通路の横断方向断面は、約１：１の幅：高さ比を有する規則的な６角形である。

従来技術のモノリス構造におけるチャネルに関連する欠点は、高密度の角部（ｃｍ^２あたりの角部）、及び／又は、角部の大部分が直線的な角部、すなわち、２つの隣接する壁が９０度の角度で合流する角部であることである。例としては、遍在的な正方形チャネル／セルの幾何学的形状、及び、６角形形状のチャネル／セルである。

従来技術に関連する課題のうちの１つは、角部、特に鋭利な角部（例えば９０度以下の角部）が、低い化学変換、より高い圧力損失のような望ましくない特性を有し、ガス流中の粒状物質が閉塞及び付着しやすく、結果として浸食の問題が伴うことである。

例えば、僅かに湾曲した壁及び２つの隣接する壁の間に平滑な角度を有する６角形のハニカム構造を開示する米国特許出願公開第２０１０／００６２２１３号明細書（デンソー，２０１０年）と、丸みを帯びた角部を有する６角形形状を開示する米国特許第５７１４２２８号明細書（ゼネラルモーターズ，１９９９年）に記載されるような、構造強度を高めた構造を得るために、モノリス構造の壁及び角部を平滑にすることに関する公開された特許文献も存在する。

円形のチャネルのみを有するモノリス構造は、平面内の「密な充填」がないという主な欠点を有し、これは、円形のチャネルの場合、例えば正方形のチャネルに比してはるかに低い開口面積率（ＯＦＡ）を与える。低い開口面積率は、特に、望ましくない高い圧力損失と、流入するガス流中の流動化粒子によるより頻繁な衝突とを引き起こす。

モノリス構造はフィルタにおいても使用される。国際公開第２０１０／１４９９０８号明細書（セイント−ゴーバイン，２０１０年）では、凸状の多角形形状のチャネルを含む、ガス濾過用のモノリス構造が記載されている。そのチャネルは、濾過されるガスの入口チャネル及び出口チャネルを画定するように構造の端部の一方又は他方に交互に栓がされている。入口チャネル及び出口チャネルは、同じ構造内に異なる形状を有している。壁は触媒を更に含むことができる。そのようなフィルタシステムは、国際公開第２００５／１１５５８９号明細書（ロバート ボッシュ，２００５年）及び米国特許出願公開第２００７／０２２７１０９号明細書（イビデン，２００７年）にも記載されている。そのような構造には、異なる形状のために異なるチャネル内に異なる流れ特性及び異なる滞留時間がある。記載のようなフィルタでは、圧力損失に大きく寄与するのは、流体が壁を通って移動しなければならないため、入口チャネルと出口チャネルとの間のセルの壁によって形成されるフィルタエリアである。本発明の目的は、大きい表面積と組み合わせられる平行なチャネル内への及び平行なチャネルに沿う流体の流れの圧力損失を制限することと、塵埃蓄積の低いリスクとである。この問題は、従来技術において記載されるようなフィルタによっては解決されていない。

米国特許第３５０２５９６号明細書（ソワーズ，１９６５年）には、化学処理容器における充填材料としての、及び化学反応器における触媒の担体としてのハニカム構造の使用が記載されている。ハニカム自体は規則的なＬ_Ｌ／Ｌ_Ｓ＝１であるが、各要素は立方体又は角柱として切削されている。

従来のハニカムモノリス構造に関連する問題は、触媒構造の前後の圧力差として規定される、望ましくない大きな圧力損失（又は背圧）であり、これは、焼却炉又は発電所のような排ガスを伴うシステムのような、比較的低い超過圧力が存在するシステムにおいて特に重要である。

また、化学反応のための広い表面積を提供し、高い機械的強度及び安定性を有し、準備が簡単であるハニカムモノリス構造を提供することが望ましい。

また、良好な塵埃削減特性と、特に角部における粒状物質（塵埃）の少ない蓄積とを提供するハニカムモノリス構造を提供することが望ましい。

したがって、本発明の主な目的は、優れた（すなわち低い）圧力損失及び塵埃削減特性を有し、並びに、現在のハニカムモノリス構造に比して等しいか又はより良好な化学変換率を有するハニカムモノリス構造を提供することである。更なる目的は、高い機械的強度を有する構造を得ることである。

本発明のこれら及び他の目的は、添付の特許請求の範囲において記載されるようなハニカム構造（モノリス構造又はハニカムモノリス構造とも称される）によって得られる。

本発明によるハニカムモノリス構造を、添付の図面を参照して更に説明する。

正方形のチャネルの幾何学的形状（壁厚＝０．７ｍｍ、Ｌ_Ｓ＝４．２ｍｍ)を有する従来技術のハニカムモノリスを示す図である。 本発明による細長い６角形のチャネルの幾何学的形状（壁厚＝０．７ｍｍ、Ｌ_Ｓ＝３．２ｍｍ）を有するハニカムモノリスを示す図である。 所与のＬ_Ｌ及びＬ_Ｓを有する従来技術の正方形のチャネルの幾何学的形状を示す図である。 本発明による５角形のチャネルの幾何学的形状を示す図である。 本発明による細長い６角形としてのチャネルの幾何学的形状を示す図である。 本発明による丸みを帯びた角部を有する細長い６角形としてのチャネルの幾何学的形状を示す図である。 最密な本発明による細長い６角形を示す図である。 最密な本発明による細長い５角形を示す図である。 本発明による１２個の内側角部を有する細長い凸状の多角形を示す図である。 平滑な凸状の表面が得られるように角部が丸みを帯びている細長い凸状の多角形を示す図である。 互い違いの構成の丸みを帯びた角部を有する細長い凸状の多角形（嚢）を示す図である。 直径比（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ）及びチャネルの幾何学的形状の関数としての圧力損失を示す図であり、チャネルの壁厚は一定に保たれている。基準＝正方形のチャネルの幾何学的形状。 直径比（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ）及びチャネルの幾何学的形状の関数としての化学変換を示す図であり、チャネルの壁厚は一定に保たれている。基準＝正方形のチャネルの幾何学的形状。 （９．０８／３．２０）＝２．８４のＬ_Ｌ／Ｌ_Ｓ比と、０．７ｍｍのセルの壁厚と、１．８６セル／ｃｍ^２のセル密度とを有する細長い６角形のチャネルを有する、本発明によるハニカムモノリス構造の１つの特定の実施形態を示す図である。 （１３．８７／３．２０）＝４．３３のＬ_Ｌ／Ｌ_Ｓ比と、０．７ｍｍのセルの壁厚と、２．８７セル／ｃｍ^２のセル密度とを有する細長い６角形のチャネルを有する、本発明によるハニカムモノリス構造の別の特定の実施形態を示す図である。 フライアッシュに４８時間暴露された後の基準モノリスの写真である。 フライアッシュに４８時間暴露された後の６角形モノリスの写真である。 時間の関数としてのモノリスの開口面積率のグラフである。 正方形又は細長い６角形のチャネルを有するモノリスを用いて行った圧力損失実験からの結果を示す図である。

本発明は、従来技術の反応器に比して変更されたチャネルの横断方向断面形状を有する多チャネルハニカムモノリス反応器から、物質移動が制限される反応に関して改善された性能を得ることができるという発見に基づく。

本発明によるハニカムチャネル構造は、凸状の多角形の形状である横断方向断面形状を有し、２つの隣接する壁の間の内角の少なくとも５０％が９０度よりも大きく、セルの直径比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓが１．５よりも大きい。この規定は、従来技術の矩形形状のセル構造を排除するが、５角形、６角形、７角形、８角形、９角形、１０角形及びより多くの角度を有する多角形の構造を含む。

本発明の文脈では、ハニカムモノリス構造は、複数のチャネル又はセル又は通路を含む構造として規定され、複数のチャネル又はセル又は通路は、共通の方向に沿って構造の入口端から出口端に、当該複数のチャネル又はセル又は通路を通って流れる液体又はガスのような流体の方向（長手方向軸／流体の流れ方向）に平行に延びる薄い壁によって隔てられている。チャネルは両端が開口している。

本発明の文脈では、凸状の多角形は、２つの隣接する壁の間の全ての内角が９０°〜１８０°の範囲にある多角形として規定され、これは、２つの隣接する壁の間の内角の１つ又は複数が９０°よりも小さい凹状の多角形とは対照的である。

本発明の文脈では、セルの直径比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓは、セルの最小の内径（Ｌ_Ｓ）に対する最長の内径（Ｌ_Ｌ）の比として規定され、双方の直径は、構造の入口端から出口端への流体の流れ方向に共通の方向に対して垂直に測定され、双方の直径は、セルの境界を定める壁に始点及び終点を有する、セルの重心を通る直線の長さとして測定される。

ハニカムモノリス構造のチャネルの全て又は大部分が同じ流れ抵抗（水力直径）を有することが好ましい。チャネルの大部分又はバルクとは、構造の外面にあるチャネルを除いたチャネルのほとんどを意味する。これらの幾つかは、図面において分かるようにセルの部分からなる。セルのバルクが同じ横断方向断面形状及び寸法を有し、全ての壁が同じ厚さを有することが好ましいが、モノリスの壁の幾つかがより厚い場合に構造的な利点があり得る（機械的強度を高める）こと、又は、横断方向断面形状の寸法が構造の入口端から出口端に流体の流れ方向に共通の方向に沿って変化できることが認識される。しかし、全てのチャネルは、両端が開口していなければならず、チャネルの全て又は主な部分は等しいかほぼ同じ形状及び同じ流れ抵抗（水力直径）を有している。

驚くべきことに、本発明によるチャネルの断面に細長い形状を選択することによって、変換率を依然として維持するか又は更には高めながらも、従来技術に比して圧力損失を大幅に低減することが可能であることが分かった。加えて、より大きい総内角（全ての内角の和）と組み合わせた、これらのチャネル設計の増大した水力直径のために、新規の設計では塵埃の堆積が少なく、耐浸食性がより高いため、新規のチャネルの幾何学的形状が、モノリス反応器の従来技術に勝って、特定の物質（多くの塵埃、フライアッシュ、すす）を含有する煙道ガスの処理も改善できることが分かった。

所与の壁厚に合わせて選択される、セルの幅に実質的に等しい最長の直径（Ｌ_Ｌ）に対する制限は、概してモノリス構造の必要な材料強度及び構造特性によって規定され、すなわち、モノリス構造の壁に選択される材料に依存する。セルの高さに実質的に等しい最小の直径（Ｌ_Ｓ）に対する制限は、概してガス流中の任意の特定の物質の寸法に関連付けられる。

本発明によると、特に物質移動が制限されるプロセスにおいて使用されるハニカムモノリス構造であって、複数の多角形チャネルを画定する複数のセルの壁を備え、複数のセルの壁及びチャネルは、共通の方向に沿って構造の入口端から出口端に流体の流れ方向に平行に延び、多角形チャネルの横断方向断面は凸状の多角形の形状を有し、凸状の多角形の２つの隣接する壁の間の内角の少なくとも５０％は９０度よりも大きく、セルの直径比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓは１．５よりも大きいハニカムモノリス構造が提供される。チャネルは両端が開口している。チャネルの全て又は主な部分は、等しいかほぼ同じ形状及び同じ流れ抵抗（水力直径）を有している。

１つの実施形態によると、凸状の多角形の２つの隣接する壁の間の内角の５０％超は９０度よりも大きい。

１つの実施形態によると、凸状の多角形の２つの隣接する壁の間の内角の全てが９０度よりも大きい。

１つの実施形態によると、セルの直径比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓは２以上であり、より好ましくは２．５以上である。１つの実施形態によると、セルの直径比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓの範囲は２〜１０、好ましくは２〜６、最も好ましくは２．５〜４である。原則として、セルの直径比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓは１．５よりも大きい任意の値を有することができる。しかし、最大の幅は、細長いチャネルの得ることができる安定性及び機械的強度、したがって、壁が作られる材料、製造方法等の選択によって決まる。

１つの実施形態によると、壁厚の範囲は０．０１ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜１．５ｍｍ、最も好ましくは０．２ｍｍ〜１．１ｍｍであり、境界値を含む。

１つの実施形態によると、Ｌ_Ｓの範囲は０．５ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜１０ｍｍ、最も好ましくは２ｍｍ〜６ｍｍであり、境界値を含む。

１つの実施形態によると、Ｌ_Ｌの範囲は０．７５ｍｍ〜２００ｍｍ、好ましくは１．５ｍｍ〜１００ｍｍ、最も好ましくは６ｍｍ〜６０ｍｍであり、境界値を含む。

１つの実施形態によると、多角形チャネルの横断方向断面は、５角形、６角形又は８角形の形状を有する。５角形形状の例が図３ｂに示されており、６角形形状の例が図３ｃに示されている。

１つの実施形態によると、凸状の多角形は、最密な充填モザイクで配置される。図５ａは最密な６角形を示しており、図５ｂは最密な５角形を示している。最密な配置を使用して開口面積率（ＯＦＡ）が最大になる。

１つの実施形態によると、長手方向スロットは１つ又は複数の丸みを帯びた内側角部も有することができる。断面の多角形の内側角部が丸みを帯びている場合、丸みを帯びた角部の曲率半径（Ｌ_Ｒ）は、最小の直径（Ｌ_Ｓ）の半分以下であり、すなわち、２つの曲率半径に関して図４に示されるようにＬ_Ｒ≦１／２Ｌ_Ｓであり、左の枠ではＬ_ＲはＬ_Ｓの約半分であり、右の枠ではＬ_ＲはＬ_Ｓよりもはるかに小さい。好ましくは、全ての内側角部が丸みを帯びている。図６ａには、１２個の内側角部を有する細長い凸状の多角形が示されており、一方で図６ｂは、平滑な凸面が得られるように角部が丸みを帯びている細長い凸状の多角形を示している。図６ｃは、互い違いの構成の丸みを帯びた角部を有する細長い凸状の多角形（嚢）を示している。

図９に示される１つの特定の実施形態によると、本発明によるハニカムモノリス構造は、（９．０８／３．２０）＝２．８４のＬ_Ｌ／Ｌ_Ｓ比と、０．７ｍｍのセルの壁厚と、１．８６セル／ｃｍ^２のセル密度とを有する細長い６角形のチャネルを有している。

図１０に示される別の特定の実施形態によると、本発明によるハニカムモノリス構造は、（１３．８７／３．２０）＝４．３３のＬ_Ｌ／Ｌ_Ｓ比と、０．７ｍｍのセルの壁厚と、２．８７セル／ｃｍ^２のセル密度とを有する細長い６角形のチャネルを有している。

本発明による新規のハニカムモノリス構造は、触媒、又は、１つ又は複数の触媒の担体、又は、１つ又は複数の非触媒プロセス用の固体、又は、非触媒プロセスにおいて使用される１つ又は複数の化学物質の担体であってもよい。好ましくは、本発明による新規のハニカムモノリス構造は、酸化窒素の選択触媒還元（ＳＣＲ）における触媒として使用することができる。

本発明による複数のハニカムモノリス構造は、それらの共通の流れ方向に沿って積み重ねて、積み重ねられた構造の反応器を作ることもできる。

本発明によるハニカム構造は、当業者に公知の任意の適切な手段を使用して製造することができる。特に、本発明によるハニカム構造を製造する方法は、少なくとも押出成形ステップと、切削ステップと、乾燥ステップと、焼成ステップとを含んでいる。特に、押出成形ステップは、本発明による多角形セルのハニカム構造におけるセルの壁の配置の形状に対応して配置される複数のスリット溝を有する押出成形ダイを使用する。

押出成形ステップでは、最初に、所望の組成を有するセラミック原料粉末を準備する。次に、セラミックペーストを作るために、水と、セラミックバインダと、所定の量の他の添加剤とをセラミック材料に加え、続いて一緒に混合する。このセラミックペーストを、成形ダイを使用して押出し、本発明による多角形セルのハニカム構造を製造する。

切削ステップでは、ハニカム構造を有する形作られた本体を、所定の長さの複数の部分に切削する。

焼成ステップでは、乾燥させたハニカム構造の部分を、所定の温度、例えば所与のセラミック材料の場合は１４００℃で焼成する。焼成ステップの完了後、図２に示されるような本発明の多角形のハニカム構造を製造する。

代替的には、ハニカム構造は、国際公開第２０１２／０３２３２５号明細書（ジョンソン マチュー ＰＬＣ，２０１２年）に開示されるように層の付加製造によって作ることもできる。

ここで、本発明を以下の実施例によって更に説明するが、その実施例に縛られることはない。

実施例１：変換特性及び圧力損失特性の改善（ＣＦＤシミュレーション（計算流体力学））
図７及び図８は、酸化窒素（ＮＯ）を元素の窒素及び水に触媒的に還元するのに使用される、（図１及び図３ａに示されるような）従来技術の基準の正方形チャネルの幾何学的形状と同じ壁厚を有する、図５ａ、図５ｂ及び図６ｂに示されるセルのような細長い６角形及び５角形を有するハニカムモノリス構造の関連する例の、セルの直径比（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ）の範囲に関する等しいか又は増大したＮＯ変換と組み合わせた、より低い圧力損失を示している。内側高さは、基準の正方形チャネルにおける４．２ｍｍから、細長い６角形及び５角形における３．２ｍｍに（すなわち２５％だけ）低減する。約２．５のセルの直径比（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ）において、圧力損失は、基準の正方形チャネルの幾何学的形状の圧力損失に比してはるかに低減され、本発明による全てのハニカムモノリスの場合にセルの直径比（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ）の値の増大とともに更に低下することが分かる。さらに、ＮＯ変換は、基準の正方形チャネルの幾何学的形状の場合と同じか又はほぼ同じレベル（８２％）である。圧力損失を犠牲にして、基準の正方形チャネルの幾何学的形状の場合よりも更により高いＮＯ変換をハニカムモノリス構造によって得ることができ、これは比較的高い超過圧力を有するシステムに価値があり得ることも観察できる。

実施例２：ＯＦＡの増大／触媒体積の低下
ＣＦＤシミュレーションが、セルの直径比（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ）＝２．５を有する細長い６角形形状のチャネルに関して同様のＮＯ変換率を維持しながらも圧力損失の低減を示した実施例１における場合、更なる利点が認識される。

第１に、開口面積率（ＯＦＡ）は、（図１に示されるような）従来技術の基準の正方形チャネルモノリスと比較した場合に７３．５％から７６．３％に増大する。ＯＦＡの増大は、塵埃の多い煙道ガスの塵埃粒子が当たる正面エリアの量を低減し、塵埃の堆積及び汚染のリスクを低下させる。同様に、水力直径が１４％増大し、また、全ての内角が９０°から１２０°に増大し、これは同様に、塵埃堆積のリスク及び浸食のリスクも低下させる。

第２に、増大したＯＦＡの別の利点は、ハニカムモノリスにおける触媒の総量が７．５％低下し、これによって、本発明によるハニカムモノリス構造を押出するときの材料コストが低下することである。

実施例３：フライアッシュ抵抗
モノリスの異なる幾何学的形状に関連する塵埃削減特性を実証するために実験を行った。同じ材料及び同じ製造方法で製造されたモノリスに対して比較研究を行い、この場合、正方形チャネルの幾何学的形状（Ｌ_Ｓ＝４．２ｍｍ）を有する基準の構造と、細長い６角形チャネルの幾何学的形状（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ＝３．２）とを有するモノリスを用いた。付着物及び削減に関連する実験を機器に対して行い、この場合、関連範囲の空塔速度（通常はサンプルの正面では約５ｍ／秒）の固形のフライアッシュ粒子を含有する空気が、鉛直に直立するモノリスサンプルに上部から入って通る。固体濃度は、石炭発電所における塵埃の多い用途に関連し、すなわち１０ｇ／Ｎｍ^３〜３０ｇ／Ｎｍ^３である。実験において使用される固形粒子は、石炭発電所において電気集塵装置によって捕捉されたフライアッシュ、すなわちポルトランドセメントに一般的に加えられるフライアッシュである。

実験設定は、乾燥空気（４℃の露点）を電熱器を通して吹き飛ばすファンと、エダクターへのフライアッシュのスクリューフィーダであって、給送される量が重りセルによって監視されるスクリューフィーダと、モノリスサンプルホルダーの後のガスサイクロンとからなる。モノリスサンプルを収容するホルダーは、ＣＦＤシミュレーションによって確認されたような十分に発展された流れを達成するために必要な長さの直線的な壁を有する。圧力損失をサンプルホルダーにわたって測定し、暴露されるモノリスを、重量測定及び規則的に撮影される写真によって監視する。様々なモノリスの開口面積率、又は単に閉塞されるチャネルの数のようなパラメータを監視するために画像分析を使用する。

モノリスの後分析によって、閉塞の深さ及びモノリスの表面上の付着物の量を測定する。結果が図１１ｃに示されており、ここで、開口面積率は時間の関数として示されている。閉塞率は経時にわたってかなり直線的である。開口面積率は新たな設計ではより高く、これが僅かにより低い閉塞を与える。写真１１ａ及び１１ｂは、４８時間後の結果を示している。

実施例４：圧力損失リグにおいて試験したモノリスの圧力損失
モノリスを通しての圧力損失の測定のために、モノリスサンプルを圧力損失試験システムに設置する。システムは３つの部分、すなわちファンと、コントローラと、測定部分とからなる。ファンは、モノリスサンプルの正面のある範囲の空塔速度につながる空気流量の範囲を得るために使用される。通常の試行では、モノリスサンプルを、一般的には１５ｃｍ×１５ｃｍのサイズを有するが試験されるそのモノリスサイズに関して変えることのできるダクト内で、０ｍ／秒〜１０ｍ／秒の範囲における圧力損失について試験する。モノリスサンプルを、十分に発展された流れを達成するのに十分に直線的である測定ダクトに配置する。コントローラを、所定のガスの空塔速度を達成するように調整する。ガスの空塔速度を確認するために、速度メータプローブを、モノリスサンプルの前に位置するサンプリング孔に挿入する。静圧プローブも同じサンプリング孔において使用してその上流の静圧を測定する。下流の静圧は、モノリスサンプルの後に位置する別のサンプリング孔を通して測定することができる。差圧を、これらの２つの静圧によって決めることができる。概して、測定は種々のガス流量で繰り返される。

図１２は、正方形又は細長い６角形のチャネルを有するモノリスを用いて行った圧力損失実験からの結果を示している。実施例１に記載されるような同じ構造及び寸法を使用したが、６角形チャネルの試験には２つのセルの直径比（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ）、２．７９及び４．２９を選択した。グラフは、上記で説明したガスの空塔速度の関数としての圧力損失を示している。結果から、従来の基準の正方形チャネル形状に比して、圧力損失の観点から、実施例１に記載されるようなＣＦＤシミュレーションによって見出された細長い６角形の構造的な利点が確認される。

Claims (24)

1. ハニカムモノリス構造であって、
   複数の多角形チャネルを画定する複数のセルの壁であって、該複数のセルの壁及び前記複数の多角形チャネルは、共通の方向に沿って前記ハニカムモノリス構造の入口端から出口端に流体の流れ方向に平行に延び、前記多角形チャネルは両端が開口し、
   多角形チャネルの横断方向断面は、凸状の多角形の形状を有し、該凸状の多角形の２つの隣接する壁の間の内角の少なくとも５０％が９０度よりも大きく、セルの直径比ＬＬ／ＬＳ（最小の直径に対する最長の直径）は１．５よりも大きく、前記多角形チャネルの全て又は主な部分が同じ流れ抵抗を有することを特徴とするハニカムモノリス構造。
2. 前記凸状の多角形の２つの隣接する壁の間の前記内角の５０％超が９０度よりも大きい、請求項１に記載のハニカムモノリス構造。
3. 前記凸状の多角形の２つの隣接する壁の間の前記内角は全て９０度よりも大きい、請求項１又は２に記載のハニカムモノリス構造。
4. 前記セルの直径比ＬＬ／ＬＳの範囲は２〜１０である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
5. 前記セルの直径比ＬＬ／ＬＳの範囲は２〜６である、請求項４に記載のハニカムモノリス構造。
6. 前記セルの直径比ＬＬ／ＬＳの範囲は２．５〜４である、請求項５に記載のハニカムモノリス構造。
7. 前記壁の厚さの範囲は０．０１ｍｍ〜５ｍｍであり、境界値を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
8. 前記壁の厚さの範囲は０．１ｍｍ〜１．５ｍｍであり、境界値を含む、請求項７に記載のハニカムモノリス構造。
9. 前記壁の厚さの範囲は０．２ｍｍ〜１．１ｍｍであり、境界値を含む、請求項８に記載のハニカムモノリス構造。
10. 前記ＬＳの範囲は０．５ｍｍ〜２０ｍｍであり、境界値を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
11. 前記ＬＳの範囲は１ｍｍ〜１０ｍｍであり、境界値を含む、請求項１０に記載のハニカムモノリス構造。
12. 前記ＬＳの範囲は２ｍｍ〜６ｍｍであり、境界値を含む、請求項１１に記載のハニカムモノリス構造。
13. 前記ＬＬの範囲は０．７５ｍｍ〜２００ｍｍであり、境界値を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
14. 前記ＬＬの範囲は１．５ｍｍ〜１００ｍｍであり、境界値を含む、請求項１３に記載のハニカムモノリス構造。
15. 前記ＬＬの範囲は６ｍｍ〜６０ｍｍであり、境界値を含む、請求項１４に記載のハニカムモノリス構造。
16. 多角形チャネルの横断方向断面は５角形、６角形又は８角形の形状を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
17. 前記凸状の多角形は最密な充填モザイクで配置される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
18. セラミック材料の押出によって作られる、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
19. 前記内側角部の少なくとも１つが丸みを帯びている、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
20. 曲率半径ＬＲが前記最小の直径ＬＳの半分にほぼ等しい、請求項１９に記載のハニカムモノリス構造。
21. 触媒、又は、１つ又は複数の触媒の担体、又は、１つ又は複数の非触媒プロセス用の固体、又は、非触媒プロセスにおいて使用される１つ又は複数の化学物質の担体として使用される、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のハニカムモノリス構造。
22. 酸化窒素の選択触媒還元（ＳＣＲ）における触媒として使用される、請求項２１に記載のハニカムモノリス構造。
23. 請求項１〜２２のいずれか一項に記載の少なくともハニカムモノリス構造を含む触媒構造であって、前記セルは５角形又は６角形の形状を有する触媒構造。
24. 請求項１〜２２のいずれか一項に記載の複数のハニカムモノリス構造を含むことを特徴とする積み重ねられた構造の反応器であって、
    複数のハニカムモノリス構造の共通の流れ方向に沿って積み重ねられる反応器。

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