JPH0835422A - 触媒反応装置 - Google Patents

触媒反応装置

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JPH0835422A
JPH0835422A JP7034014A JP3401495A JPH0835422A JP H0835422 A JPH0835422 A JP H0835422A JP 7034014 A JP7034014 A JP 7034014A JP 3401495 A JP3401495 A JP 3401495A JP H0835422 A JPH0835422 A JP H0835422A
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catalytic
catalyst
catalytic reactor
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ウイリアム・シイー・プフエッフエルレ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 凹凸のある迅速着火の触媒コンバータを提供
する。 【構成】 炭素燃料を酸化させるための触媒反応装置
は、ミニリス触媒要素１０の集合体からなっている。こ
のミニリス触媒要素は３ミリメートルよりも短い流路を
有する。ミニリス触媒要素は流路直径が大きなモノリス
要素１１によって離隔されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、改良された触媒反応装
置およびコンパウンドを含む炭素の触媒反応のための方
法に関する。本発明は特に、排気ガス触媒コンバータで
使用される迅速着火および迅速熱応答の触媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車エミッションは、触媒コンバータ
の使用によって多くの利点がもたらされたが、多くの環
境問題がまだ残っている。触媒コンバータの作動を制限
する一つの要因は、触媒コンバータをその作動温度にす
るために必要な３０秒以上の間、汚染が制御されないこ
とにある。現在のコンバータではウォームアップは高温
のエンジン排気ガスによる触媒の加熱に依存している。
エンジン作動の前に触媒を予熱するために電気的な加熱
を行うことができるが、現在の触媒構造、すなわちセラ
ミックまたは金属に必要な動力と時間遅延が受け入れら
れない。
【０００３】触媒着火に続いて、触媒コンバータで使用
されるような慣用のモノリス触媒の表面反応は物質移動
が制限される。従って、所定の変換レベルのために必要
な触媒物質は、所定の動作状態で物質移動が制限されな
い場合よりもはるかに大きい。要求される変換レベルの
ために必要な多量の触媒物質は、電気的に加熱しても、
比較的に長い加熱時間がかかることになる。
【０００４】ウォームアップ時間のときにエミッション
を減らすために、慣用のセラミックモノリス型自動車触
媒の触媒ウォームアップ時間を短縮することが必要であ
り、そのため金属モノリス触媒が重要になってきてい
る。しかしながら、慣用のモノリス構造のセラミックの
代わりに単に金属を用いても、まだ熱容量が大きすぎ
る。本出願人の米国特許第５０５１２４１号明細書の短
い長さの流路の触媒は、小さな熱容量と、要求される高
い変換効率を生じる。自動車の用途の場合、流れ脈動に
抵抗力がある凸凹集合体に、このような触媒をまとめる
ことは、新しい100,000 マイル耐久性要求を満たす必要
がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
の米国特許の場合のような短い流路長さの触媒を使用し
て自動車エンジン排気を制御するための、凸凹のある迅
速着火の触媒コンバータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の触媒装置は、多
数のミニリス触媒要素がモノリス要素によって互いに離
隔され、このモノリス要素の流路の直径がミニリス触媒
要素の流路の直径よりも少なくとも５０％だけ大きいこ
とを特徴とする。
【０００７】本発明において、用語“モノリス”と“モ
ノリス触媒”は、慣用のモノリス構造体や慣用の触媒コ
ンバータで使用されているような触媒だけに関するもの
ではなく、編まれたスクリーンのような物質移動効率を
高めた短い通路長さ構造体にも関する。
【０００８】本発明において、用語“ミニリス(minilit
h)”は長さが３ミリメートルよりも短い流路と、１平方
センチメートルあたり４０個以上の流路を有するモノリ
ス要素に関する。 本発明のために、用語“触媒ブリッ
ク”は、長さが３ミリメートルよりも短い流路と、１平
方センチメートルあたり４０個以上の流路を有し、流路
寸法が長いモノリス要素によって離隔されているモノリ
ス要素の集合体に関する。
【０００９】本発明で使用される“炭素コンパウンド”
と“炭化水素”は有機的なコンパウンドと、一酸化炭
素、有機的なコンパウンドまたはコンパウンドを含むカ
ーボンの部分酸化生成物のようなコンパウンドの形をし
た燃料価値を含むガス流に関する。
【００１０】ミニリス触媒要素の流路直径よりも少なく
とも約５０％以上、好ましくは２〜５倍の流路直径を有
する短いモノリススペーサによって、ミニリス触媒を離
隔することにより、触媒要素を離隔するために、支持さ
れていない大きなミニリス領域の不利益を生じないで、
同じ寸法のミニリスの積み重ねによる流路の閉塞を避け
ることができることが判った。従って、２個の丈夫なス
クリーンまたは短いモノリスの間にミニリス触媒集合体
を締付け固定し、凸凹のある触媒ブリックを形成するこ
とが可能である。この触媒ブリックの一つ以上をハウジ
ング内に取付けて、高効率で迅速熱応答性の触媒コンバ
ータを形成することができる。本出願人の米国特許第５
０５１２４１号明細書記載の触媒は、本発明の触媒ブリ
ックにとって特に有利である。
【００１１】高い変換効率と迅速な熱応答性と低い圧力
降下を有する本発明による凸凹のある触媒ブリックは、
慣用のモノリス触媒を使用して一酸化炭素の物質移動制
限反応の同じ変換を達成するために必要なものと比べ
て、１０倍またはそれ以上触媒物質を減少させることが
できる。上述の米国特許明細書に記載されているよう
に、モノリス触媒の流路直径に対する流路長さの比が約
５：１以下または好ましくは約２：１以下、特に約１：
１以下に縮小されるときに、物質移動率が増大すること
が判った。慣用のセラミックスまたは金属のモノリス触
媒のように、表面への反応体の物質移動は流入量に左右
されるよりもむしろ、厚い層流境界層を通る拡散量に大
きく制限される。慣用の自動車モノリス触媒の場合に
は、酸化される汚染物質の量が実質的に排気ガス流量に
依存するので、流量の増大と共に変換率が低下する。こ
れと異なり、本発明のミニリス触媒集合体では、酸化さ
れる反応体の量が、流量の増大と共に増える。従って、
流入速度が充分に速い場合には、反応率は、所定の触媒
温度での固有運動反応率に近づくことができ、耐えられ
ない圧力降下を生じることがない。これは、慣用の触媒
コンバータで達成される変換レベルよりも高い変換レベ
ルで触媒コンバータを設計することができることを意味
する。低い変換レベルの慣用の触媒コンバータよりも小
さな寸法の自動車コンバータで、９９．９％またはそれ
以上の変換率が達成可能である。毒性工業煙気を減少さ
せるのに充分高いレベルでさえも、コンパクトな反応装
置によって達成可能である。
【００１２】短い流路を有する離隔された本発明による
触媒によって、圧力降下が小さくなり、所定の圧力降下
に関して非常に小さい直径の流路を使用することが可能
になり、更に要求される触媒物質が減少する。剛性のあ
る構造の本発明の触媒ブリックは、周囲温度が低い場合
にエンジンの始動時に一層迅速に加熱するために、エン
ジン排気口の近くにコンバータを配置することを可能に
する。更に、0.1 ミリメートルまたは0.03ミリメートル
以下の薄い流路壁が、小さな流路直径と共に有利である
ことが判った。それによって、流路直径が小さい場合で
も高い開放領域が得られる。従って、１平方センチメー
トルあたりの数千個の流路またはそれ以上の流路が、流
れ方向における開放領域を６０％以下に減少させること
なく得られる。高密度通路型ミニリスの場合でも、６
５，７０または８０パーセント以上の開放領域が得られ
る。熱移動および物質移動が機能的に関連があるので、
物質移動の増大は対応する熱移動の増大をもたらす。従
って、本発明のミニリス触媒を使用することによって触
媒物質が減少するだけでなく、高温エンジン排気による
自動車排気触媒が相応して強く加熱される。
【００１３】触媒物質が減少し、熱移動率が増大するの
で、短い通路の触媒は慣用の自動車触媒よりも早く作動
温度に達する。エンジン排気マニホルドの近くに配置さ
れると、ミニリス触媒要素は電気加熱を必要とせずに１
０秒以内で作動温度に達する。ヘインズ合金２５、イン
コネル６００および或るステンレススチールを含む本発
明の金属ミニリスにとって適切である合金が数多く市販
されている。金属マイクロリスに関して、合金選択は主
として所定の用途で要求される最高温度での酸化抵抗に
よって決められる。
【００１４】本発明に基づく触媒コンバータによって発
生する低い圧力降下は、小さな直径の要素を多数使用す
ることを可能にする。１インチの長さに２００本使用す
ることができ、そしてコンバータの直径はエンジン排気
管の直径よりも小さくすることができる。これにより、
エンジン排気マニホルドの出口または中にコンバータ触
媒を容易に配置することができ、電気加熱しないで迅速
に触媒をウォームアップすることができ、炭化水素とＮ
ＯX の両方を制御するために、異なる組成のスクリーン
を使用することができる。煙気低減用途の場合には、多
数の要素により、必要ないかなる変換レベル、例えば９
９．９９９以上のレベルも達成することができる。
【００１５】以上、主として自動車のエミッション制御
について本発明を説明したが、ミニリス触媒ブリックの
高い物質移動率により、多くの触媒変換プロセスにおい
て良好な変換と改善された選択性が得られる。特に、き
わめて短い通路のミニリス触媒を使用するミニリス触媒
ブリックは、高い放熱反応において高い能力を有する。
この放熱反応は例えば、メタンや他の炭化水素を特に酸
化したものに変換する反応や、メタンをメタノールに変
換する反応や、エタンをエチレンに変換する反応であ
る。
【００１６】
【実施例】図を参照して本発明を更に説明する。図１の
断面図に示すように、好ましい一実施例では、ミニリス
触媒ブリック１５は多数のミニリス触媒スクリーン１０
からなっている。このミニリス触媒スクリーンは１平方
センチメートルあたり１００個以上の流路を備え、６０
％以上の開放した流れ領域を備えている。ミニリス触媒
スクリーンはスペーサスクリーン１１によって分離され
ている。このスペーサスクリーンは１平方センチメート
ルあたり３５個の流路を備え、少なくとも６０％の開放
した領域を備えている。スクリーン１０は更に、スペー
サ１１によって、大きく開放した領域である締付け格子
１２からも分離されている。締付け格子１２は周囲の容
器壁１４に固定され、それによって凹凸があって大きく
開放した領域を有するミニリス触媒ブリックの触媒流路
の閉塞が最小となる。自動車の触媒コンバータのための
触媒ブリックでは、セパレータスクリーンが触媒被覆さ
れ、締付け格子が少なくとも６５％の開放領域を有する
スクリーンであると有利である。見やすくするために、
図には二三のスクリーン１０，１１だけが示してある。
触媒ブリックが流れの方向に少なくとも６０％以上、好
ましくは６５％以上の開放領域を有すると有利である。
しかしながら、５０％の低い開放領域は、或る煙気低減
用途において所望される。ミニリス触媒流路の直径は好
ましくは約１ミリメートル未満である。
【００１７】本発明の触媒は公知の触媒剤を使用して容
易に作られる。次の例はミニリス触媒を作る手段を示し
ているが、これに限定されるものではない。本発明のミ
ニリス触媒は、空気中で７５０Ｋまで加熱することによ
ってクリーンにされたステンレススチールスクリーン上
に、白金を真空スパッタリングすることによって作られ
る。典型的な場合には、白金コーティングは１００オン
グストロームより薄くすることができるが、触媒寿命を
長くするために厚くてもよい。白金を蒸着する前に、セ
リアまたはアルミナの同様に薄い層を蒸着してもよい。
パラジウム、イリジウム、ロジウムまたは他の金属を含
む触媒を同様に準備することができる。多くの用途で
は、白金ドープ合金のような触媒合金から作られたワイ
ヤスクリーンは、付加的なコーティングを持たずに充分
に作用する触媒である。金属ミニリスが好ましいが、焼
成の前にセラミック製蜂の巣状押出し成形物を薄切りす
ることによって、セラミックミニリスを作ることができ
る。このようなセラミック製蜂の巣状押出し成形物は薄
切りを容易に作るために、有機質バインダーを含んでい
ると有利である。しかしながら、セラミックミニリスは
所望のセラミック組成物、好ましくは触媒セラミックス
から紡いだ長繊維からなるスクリーンまたは繊維マット
の形をしていると有利である。充分に低い温度の触媒作
用のために必要であるときには、この技術分野でよく知
られているいろいろな技術を使用することによって、セ
ラミックおよび金属ミニリスに触媒作用を加えることが
できる。 例１ １平方センチメートルあたり２５０個の流路を有する４
０個のミニリス触媒要素を備えたマルチ要素型触媒ミク
ロリス自動車排気反応装置は、白金を被覆した直径が0.
10ミリメートルのステンレススチールワイヤの７０％開
放領域を有する網の５センチメートル幅の細片を使用し
て作られている。この各々のスクリーンは１平方センチ
メートルあたり４個の通路を有する下流のスクリーンに
よって分離されている。この下流スクリーンは直径が0.
25ミリメートルの白金被覆ワイヤを備えている。この集
合体は１平方センチメートルあたり一つの通路を有する
直径が1.5ミリメートルのワイヤからなる２個の丈夫な
スクリーンの間で締付けられ、触媒ブリックを形成して
いる。４シリンダ型自動車エンジンの排気マニホルド出
口に設置される、触媒はエンジン始動１０秒内に着火さ
れ、従って排気エミッションはエンジンの初期動作の間
制御される。例２ ６センチメートルの長さの煙気低減反応装置は、１００
要素の網から構成されている。この網は白金被覆された
ニクロムの0.050 ミリメートルのワイヤを１平方センチ
メートルあたり約３０本を有する（１平方センチメート
ルあたり９００個の流路を有する）。各要素は１平方セ
ンチメートルあたり0.10ミリメートルのワイヤを９本有
するスクリーンによって、先行する要素から分離されて
いる。空気中にベンゼンを５０ｐｐｍ含む煙気は、７０
０Ｋまで予熱され、ミクロリス反応器を通過する。ベン
ゼンが99.9パーセント以上二酸化炭素や水に変換され
る。
【００１８】
【発明の効果】本発明による触媒反応装置は、ミニリス
触媒要素の流路直径よりも少なくとも約５０％以上、好
ましくは２〜５倍の流路直径を有する短いモノリススペ
ーサによって、ミニリス触媒を離隔したので、触媒要素
を離隔する不利益を生じないで、同じ寸法のミニリスの
積み重ねによる流路の閉塞を避けることができる。従っ
て、２個の丈夫なスクリーンまたは短いモノリスの間に
ミニリス触媒集合体を締付け固定し、凸凹のある触媒ブ
リックを形成することが可能である。この触媒ブリック
の一つ以上をハウジング内に取付けて、高効率で迅速熱
応答性の触媒コンバータを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ミニリス触媒要素から離隔して示した本発明に
よる触媒ブリックの断面図である。
【図２】内燃機関の排気マニホルド内に取付けられた触
媒ブリックを示す図である。
【符号の説明】
１０ ミニリス触媒スクリーン １１ スペーサ １２ 締付け格子 １４ 容器壁 １５ ミニリス触媒ブリック

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コンパウンドを含む炭素の化成処理のた
    めの触媒反応装置において、多数のミニリス触媒要素が
    モノリス要素によって互いに離隔され、このモノリス要
    素の流路の直径がミニリス触媒要素の流路の直径よりも
    少なくとも５０％だけ大きいことを特徴とする触媒反応
    装置。
  2. 【請求項２】 ミニリス触媒要素が触媒ブリックを形成
    するためにモノリス端板の間に締付け固定され、この端
    板が少なくとも６５％の開放領域を有することを特徴と
    する請求項１の触媒反応装置。
  3. 【請求項３】 ミニリス触媒要素の流路の直径が約１ミ
    リメートルよりも小さいことを特徴とする請求項１の触
    媒反応装置。
  4. 【請求項４】 ミニリス触媒流路の密度が１平方センチ
    メートルあたり１００個の通路を有する密度よりも大き
    く、流れ方向における触媒ブリックの開放領域が約６０
    パーセントよりも大きいことを特徴とする請求項３の触
    媒反応装置。
  5. 【請求項５】 流路の密度が、１平方センチメートルあ
    たり少なくとも９００個の流路を有することを特徴とす
    る請求項３の触媒反応装置。
  6. 【請求項６】 ミニリス要素が１平方センチメートルあ
    たり少なくとも約２５０個の流路を有し、開放領域が流
    れの方向において約６５％よりも大きいことを特徴とす
    る請求項１の触媒反応装置。
  7. 【請求項７】 流路が１ミリメートルよりも短いことを
    特徴とする請求項６の触媒反応装置。
  8. 【請求項８】 セパレータ要素がミニリス要素の流路直
    径の少なくとも約２倍の直径の流路を備えていることを
    特徴とする請求項１の触媒反応装置。
  9. 【請求項９】 エンジン初期動作のときに自動車エミッ
    ションを制御するための方法において、エンジン排気ガ
    スがミニリス触媒要素の集合体を通され、このミニリス
    触媒要素がその流路直径の少なくとも約２倍の流路を有
    するモノリスによって離隔されていることを特徴とする
    方法。
  10. 【請求項１０】 ミニリス触媒要素がエンジン排気マニ
    ホルド内に取付けられていることを特徴とする請求項９
    の方法。
JP7034014A 1994-02-23 1995-02-22 触媒反応装置 Pending JPH0835422A (ja)

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US08/200630 1994-02-23
US08/200,630 US5417933A (en) 1994-02-23 1994-02-23 Catalytic method

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EP0669156B1 (en) 1998-01-21
DE69501474D1 (de) 1998-02-26
CA2142674A1 (en) 1995-08-24
ATE162421T1 (de) 1998-02-15
DE69501474T2 (de) 1998-08-13
EP0669156A3 (en) 1995-12-13
EP0669156A2 (en) 1995-08-30
US5417933A (en) 1995-05-23

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