NO750053L

NO750053L -

Info

Publication number: NO750053L
Application number: NO750053A
Authority: NO
Inventors: J A A Bradbury
Original assignee: Ici Ltd
Priority date: 1974-01-14
Filing date: 1975-01-08
Publication date: 1975-08-11
Also published as: FR2257340B3; LU71641A1; GB1501381A; JPS50106854A; FI750076A; DE2501241A1; DK7175A; BE824346A; NL7500356A; FR2257340A1; SE7500321L

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en f luidumbehanfdlings-struktur, nærmere bestemt en fluidumbehandlings-struktur som egner seg til bruk som filter og/eller katalytisk reaktor.

Løse fibre brukt for filtrering eller som kataly-satorbærere kan bli tatt med av fluidumstrømmen.og bli komprimert under bruken, hvilket fører til fibertag i første tilfelle og til høy motstand mot fluidumstrømmen i det andre tilfelle..Bruken av bindemidler hjelper til å overvinne fibertap-problemet, men gjør problemet med strømningsmotstanden enda større. Når anorganiske

fibre brukes for å tåle høye temperaturer, for eksempel tempera-

turer som man tieffer på under behandlingen av ekshaustgasser fra motorer, er problemet ennå større, da anorganiske fibre er temme-

lig sprø og har en tendens til å gå i stykker når de komprimeres. Binding av anorganiske fibre ved hjelp av anorganiske bindemidler

er foreslått for å hindre komprimering, men dette fører til enda større sprøhet og svikt under bruk.

Det er nå funnet at høyftTjtrykkfall i fiberfilteret eller reaktoren som skyldes komprimering av fibre og den derav forårsakede høye strømningsmotstand, kan minskes^ ved å bruke en bøyet korrugert eller bølget metallsikt i kombinasjon med fibrene. Denne kombinasjon er særlig fordelaktig når det gjelder anorganiske fibre, da man unngår behovet for binding, og da fibrene er forsynt med en struktur-understøttelse.

Oppfinnelsen tilveiebringer således en fluidumbehandlings-struktur omfattende minst ett lag av bøyet, korrugert eller bølget (eng. "concoluted" i det følgende betegnet "korrugert") metallsikt i laminær sammenstilling med minst ett lag organiske eller anorganiske fibre.

Strukturer i henhold til oppfinnelsen kan brukes

som filtre, absorpsjonsapparater eller reaktorer og er særlig

nyttige for separeringsprosesser av faste stoffer og gasser, for eksempel for fjernelse av sot og bly fra motor- eller ekshaust-avgasser. Fluidumstrømmen er normalt fortrinnsvis parallell med de laminærte lag.

For filtrering eller katalytiske anvendelser hvor

man bruker temperaturer på over 150°C, er fibrene fortrinnsvis anorganiske fibre, for eksempel av asbest, glass eller aluminosili-kat, men for anvendelser hvor det forekommer temperaturer på over 1000°C, eller aggressive betingelser, foretrekkes det å bruke polykrystallinske, ildfaste metalloksyd-fibre, for eksempel zirkoniumoksyd- eller aluminiumoksyd-ifiibre. Særlig egnede fibre for oppfinnelsen blir solgt under varemerket "Saffil". Skjønt man kan bruke løse, uregelmessige fibre, foretrekkes det åt fiberlagene er i form i av/ en laminiér.t matte, slik at fibrene yter minimal motstand mot strømmen av det fluidum som skal behandles. Fibrene kan brukes i vevet eller ikke-vevet form. Fuktige filtmaterialer dannet fra dispersjoner av løse fibre har bedre regulerbar tetthet og tykkelse enn løse fibermaterialer og foretrekkes. Sydde, ikke-vevede materialer er særlig fordelaktige da de lett lar seg håndtere og fibrene holdes sammen uten komprimering. Massetettheten av fibrene kan ha et vicTt] verdiområde. og velges for å passe til hver særlig bruk.

For "Saffil" er massetettheten fortrinnsvis 0,06 til 0,24 kg/dm 3

for eksempel ca. 0,15 kg/dm 3 . Under 0,06 kg/dm 3 beveger fibrene seg for lett under bruk, og over 0,24 kg/dm<3>er trykkfallet for høyt for mange anvendelser.

Fibre med gjennomsnittlig diameter mellom 0,5 og

50 mikron egner seg vanligvis for oppfinnelsen. Metallsikten kan

hensiktsmessig være en vevet eller strikket trådsikt eller kan være av den type som normalt er kjent som ekspandert metallsikt. Metallsikten blir valgt for å passe til de betingelser under

hvilke strukturen skal brukes. Rustfritt stål eller nikkel-'legeringer (for eksempel Incaloy DS eller Inconel X750) fore-

trekkes for de fleste utførelsesformer av oppfinnelsen. Nikkel/ , jern-legeringer er særlig gode for bruk under høytemperatur-oksyderende betingelser i nærvær av karbon, for eksempel sot, da man derved unngår de problemer som er forbundet med karbonisering av stål.

Sikten blir tildannet i sin spesielle form fortrinnsvis ved å kruse, krympe eller korrugere den på hvilken som helst passende måte, for eksempel ved å føre en .strikket sikt mellom ruller i inngrep med hverandre og forsynt med tenner. Korrugeringene be-høver ikke være ensartet, skjønt for de fleste anvendelser foretrekker man en mer eller mindre regelmessig korrugerihg. Korrugering eller krusing kan også utføres ved å folde sikten til bøl-ger med passende amplitude og lengde, som vil være avhengig av den bruk strukturen er bestemt for. For eksempel for et filter,

vil amplituden og lengden velges i samsvar med Set trykkfall som kan tillates i filteret. For de fleste utførelsesformer har bølgene ca. 3 til 6 mm amplitude og lengde. Korrugering eller bølger på mindre enn 3 mm lar seg temmelig vanskelig fremstille, og over 6 mm er strukturen for åpen for effektiv filtrering.

For noen utførelsesformer foretrekker man å an-bringe et lag av ikke-korrugert metallsikt mellom den korrugerte sikt og fibrene. Dette er fordelaktig for å senke trykkfallet ytterligere når strukturen brukes som filter, ved å øke det uinn-snevrede område- av gassbanene. En vevet trådduk av rustfritt stål med 2 mm masker og 29 standard trådkaliber (swg) egner seg for dette formål.

Ved noen utførelsesformer er det nødvendig å feste deri korrugerte metallsikt til et passende forankringspunkt som kan danne en jdjel av strukturen. For eksempel kan sikten være forbundet med en beholder eller en passende understøttelsesdel, for eksempel en aksiell stav.

Ved hoen utførelsesformer, for eksempel når man ønsker å utføre katalytiske reaksjoner ved høye temperaturer, kan strukturene og/eller fluidet opphetes ved hjelpQav hvilke som helst passende midler. Hvis man ønsker å forbrenne fast mataiale, for eksempel sot som er filtrert ut av fluidumet ved hjelp av strukturen, kan det være nødvendig å innsprøyte luft i strukturen ved et passende punkt samt å tilføre iviarme for å tilveiebringe forbrgnning.

En fordelaktig måte å tilføre varme til strukturen

på består i å forbinde metallsikten med en kilde for elektrisk energi, slik at den kan virke som elektrisk varme-element.

Katalysatorer kan, om ønsket, avsettes på fibrene og/eller på metallsikten, for eksempel i utførelsesformer hvor strukturen brukes som reaktor for katalytisk behandling av avgasser som krever fjernelse av skadelige bestanddeler, for eksem-

pel gasser fra piper og ekshaustgasser fra biler.

Metallsikten eller fibrene i strukturen ifølge oppfinnelsen kan med fordel behandles med et materiale som beskytter dem fra de omgivelser de skal brukés i, for eksempel fra høytempe-ratur- eller oksyderende betingelser for eksempel i motorekshaust-gasser. Et passende belegg er en ildfast anorganisk forbindelse,

for eksempel et metalloksyd, særlig aluminiumoksyd1eller et metallfosfat.

Belegging av metallsikten eller fibrene kan være fordelaktig for å tilveiebringe en ytterligere komponent av strukturen ifølge oppfinnelsen som forbedrer filtrerings- eller absorpsjonskapasiteten av strukturen. For eksempel danner et be-

legg av aluminiumoksyd på metallsikten en fordelaktig komponent som letter fjernelsen av uønskede materialer i avgasser, for eksempel lukter i Diesel-ekshaustgasser eller bly i ekshaustgasser fra forbrenningsmotorer. Særlig fordelaktig er en struktur hvor en [siktl-av rustfritt stål belagt med aluminiumoksyd er brukt i forbindelse med aluminiumoksydfibre. En slik kombinasjon er meget effektiv for å fjerne bly fra eksthaustgasser av bensindrevne motorer.

Aluminiumoksyd kan hensiktsmessig avsettes som

belegg på metallsikten eller fibrene ved å bringe dem i kontakt med en løsning av løselig aluminat, for eksempel natrium- eller kaliumaluminat. Det er best å gjennomføre kontakten ved for-

høyet temperatur, for eksempel 60 - 100°C. Etter kontakt (for eksempel.ved gjennombløting) av sikten pg/eller firbrene med løsningen/H5Tir overskuddet av løsningen vasket bort, sikten og/eller fibrene tørret (for eksempel ved opphetning) og belegget kalsinert, for eksempel ved 400°C til 1000°C.

Katalysatorer kan innføres i eller på de her beskrevne belegg særlig for utførelsesformer-hvor strukturen brukes som reaktor for katalytisk behandling av ekshaustgasser fra biler. Således kan.kromforbindelser eller fosfater brukes for å fjerne bly, eller oksydasjons-katalysatorer, særlig platina eller palladium, kan brukes ved oksydative prosesser for behandling av gasser.

Strukturer ifølge oppfinnelsen kan: omfatte et flertall korrugerte metallsikter og et flertall fiberlag i hvilke for eksempel sikter alternerer med fiberlag. Den .særlige kombinasjon av fiberlag,;korrugert metallsikt og ikke-korrugert sikt (dersom brukt) vil være avhengig av den særlige anvendelse strukturen skal brukes for. Fiberlagene og sikten kan være plane eller krumme. Det er vanligvis mest fordelaktig at strukturene er dannet fra spiral-viklede eller konsentriske lag som vist i det følgende.

Som nevnt tidligere, er fluidumstrømmen normalt fortrinnsvis parallell med lagene. Fluidumet blir helst innført slik i strukturen at det strømmer i retning langs bølgene av den korrugerte sikt. I de fleste utførelsesformer finnes det mellomrom i korrugeringene mellom fiberlaget og den sikt som umiddelbart støtter til fiberlaget, slik at idet minste en del fluidum kan strømme innenfor strukturen forholdsvis uforstyrret og derved holde trykkfallet på et minimum. Denne del av fluidumet passerer imidlertid ikke gjennom strukturen fullstendig ubehandlet eller ufiltrert, idet den gjentatte ganger blir i kontakt med overflaten,av fibrene.

For å øke fluidumstrømbanen innenfor strukturen og derved forbedre effektiviteten av filtreringen eller reaksjonen,kan den korrugerte metallsikt formes på en slik måte at viklingene følger en av et antall forskjellige veier gjennom strukturen. Dette kan hensiktsmessig oppnås ved å overlagre et siksakformet, buktet, avtrappet eller annet lignende mønster i sikten på de opprinnelige viklinger, som vist i det følgende.

Strukturene ifølge oppfinnelsen egner seg for et vidt område av fluidum-strømningshastigheter, og da trykkfallet.i strukturene vanligvis er lavt, kan høye gasshastigheter, for eksempel Opptil 8 meter/sek., lett brukes.

I tillegg til bruk ved separering av faste stoffer og gasser, kan strukturene brukes for å separere faste stoffer og væsker. De finner således anvendelse ved fjernelse av faste avleiringer fra maskinolje.

Under bruk, anbringes strukturene ifølge oppfinnelsen i hvilken som helst passende beholder, for.eksempel når de brukes for å behandle ekshaustgasser fra motorer, kan de anbringes i et metallkammer som ligner en konvensjonell ekshaust-lyddemper.

Tre utførelsesformer av oppfinnelsen er vist på figur 1-3. Det vil forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til disse utførelsesformer.

Figur 1 er et delsnitt av en rektangulær anordning eller stabel innenfor en utvendig beholder 4 som metallsiktene 1 og 3 er festet til. Sikt 1 består av vevet tråd av rustfritt stål i kruset form (9017/2 x 33 swg/korrug. 3 ex Knitmesh Limited). Hvert lag i sikten 1 er satt'sammen med sikten 3 som er en ikke-korrugert, vevet trådduk av rustfritt stål (2 mm, 29 swg).

Mellom undersiden av hver sikt 3 og toppsiden av den tilstøttende sikt 1 er det innsatt en duk 2 av "Saffil"-aluminiumoksydfibre som har en gjennomsnittlig massetetthet på ca. 0,1 kg/dm 3.

Gasser som skal filtreres av strukturen må bringes til å passere inn i åpningene 5 dannet ved krympning eller krusing av sikten 1.

En foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen er illustrert på figur 2 som er et delsnitt av en struktur brukt for filtrering av sot fra Diesel-ekshaustgasser.

En korrugert sikt 1 av vevet trådduk av rustfritt stål (9017/2 x 33 swg/korrug. 3 ex Knitmesh Limited) er festet langs én kant til en stang 4 av rustfritt stål og er utformet som en spiralrull som er koaksial med stangen 4. En duk 2 av "Saffil"-zirkoniumoksydfibre med en gjennomsnittlig massetetthet på ca.

15 kg/dm 3 også i form av en spiralrull som er koaksial med stangen 4, er anbragt innenfor spiralene i sikten 1. En vevet trådduk 3

av rustfritt stål (2 mm, 29 swg) er innlagt mellom sikten 1 og fiberduken 2 inSenfor spiralen og festet til stangen 4.

I bruk strømmer Diesel-ekshaustgassene aksielt gjennom spiralen ved hjelp av åpningene 5 som er dannet av korrugeringen i sikten 1 og blir derved filtrert. '

I en alternativ anvendelse, for eksempel-for å fjerne bly fra ekshaustgasser fr al. ib 11 er, blir fiberduken 2 erstattet med en duk av "Saffil"-aluminiumoksydfibre.

Figur 3 viser en struktur analog med fig. 1, men hvor lagene er anordnet koaksialt for å danne ,en sylindrisk struktur. Lagene er anordnet konsentrisk rundt en .sentral stang 4 i følgende rekkefølge: fiberduken 2, ikke-korrugert tfådsikt 3,

korrugert sikt 1, når man begynner fra stangen 4. Fiberduken og metallsiktene ligner dem som er beskrevet i den på figur 1- viste utførelsesform, og igjen danner korrugeringen mellomrom 5 for pa^s>sje av gass eller andre materialer, for eksempel når strukturen brukes for filtrering.

Det kan brukes flere strukturer for å skaffe den filtreringsoverflate som er nødvendig for å oppnå den ønskede filtreringsgrad som er forenlig- med strømningshastigheten for ekshaustgass. Figur 4 til 7 viser skjematisk alternative baner som bølgene i den korrugerte sikt kan innta i strukturen i forhold til retningen av fluidumstrømmen. Figur 8 viser skjematisk formen av korrugeringen efter et snitt 'A'-'A' på hver av figurene 4 til 7. Figur 9 til 12 viser skjematisk fire forskjellige kombinasjoner av korrugert metalliskt (1), fiberlag,(2) og ikke-korrugert metallsikt (3).

Anvendelsen av strukturen ifølge oppfinnelsen er illustrert ved hjelp av følgende eksempler.

De følgende to eksempler av sot i Dieselmotor-ekshaustgasser ved hjelp av en fluidumbehandlings-struktur ifølge oppfinnelsen.

Eksempel 1

Den på figur 2 viste struktur ble b,rukt for å fil-trere sot fra ekshaustgasser av en 4,1-liter statisk Diesel-maskin drevet ved 3000 omdreininger pr. minutt i et tidsrom av 16 timer. Filteret (bestående av 1,1 kg "Saffil"-zirkoniumoksydfibre og 2,1

kg av en 7,6 cm bred sammenrullet sikt ble installert i et sylindrisk kammer med en diameter på 33 cm, og et volum på 13 liter. Gassen ble ført gjennom filteret i aksiell retning. Under den 16 timer lange prøve var det maksimale trykkfall 1,2 kgN/m (90 mm Hg), den maksimale temperatur var 680°C og man oppnådde en 25%ig reduksjon av røk (basert på Bosch-skala).

Eksempel 2

Et lignende filter som brukt i eksempel 1 ble

brukt for en 3,6 liters Diesel-maskin drevet med 2160 omdreininger pr. minutt under de betingelser som hersker under rulling på vei. Røkmengden i ekshaustgassen ble minsket til 0,5 Bosch-enheter fra opprinnelig 2,2 Bosch-enheter.

De følgende to eksempler illustrerer minskingen av

bly i ekshaustgasser fra en bensindrevet maskin ved hjelp av flui-dumbehandlingsstrukturen ifølge oppfinnelsen.

Eksempel 3

Den på figur 2 beskrevne struktur ble brukt for å minske blyinnholdet i ekshaustgasser fra en 1600 c, m 3- bensindrevet motor som arbeidet med en syklus av 4 minutters tomgang ved 700 omdreininger pr. minutt, og 16 minutter ved 400.0 omdreininger pr. minutt tilsvarende en marsjhastighet av 112 kg/time. Gasstempera- turen under de to deler av syklusen var henholdsvis 360°og 670°C.

Filtrene (bestående av 860g "Saffil"-aluminiumoksyd-fibrer og 2,0 kg sammenrullet sikt med 7,6 cm bredde) ble anftjxagt i en 13 liters sylindrisk beholder med en diameter ;på 33 cm. Under forsøket var det maksimale trykkfall i filteret 2 kgN/m. 2og bly-filtreringseffektiviteten var 55%.

Eksempel 4

Et filter lignende det som ble brukt i eksempel 3, men med mindre størrelse var anbragt i en 3 liters beholder med en diameter på 10 cm og undersøkt på motoren beskrevet i eksempel 3, som arbeidet kons tan tj-nned 2750 omdreininger pr. minutt, hvilket svarer til en marsjhastighet på 80 kg/time. Det inneholdt 100 g "Saffil"-åluminiumoksydfibre og 430 g av en sammenrullet sikt med 7,6 cm bredde. Under et 60-timers forsøk, var det maksimale trykkfall i filteret 42 kgN/m<2>, temperaturen på gassen som strømmet inn i filteret, var 460°C og blyf iltreringsef f ektiviteten var 4990.

Claims

1. Fluldumbehandlings-struktur,karakterisertved at den omfatter minst ett lag av korrugert (convoluted") metallsikt i laminær sammenstilling med manst ett lag av organiske eller anorganiske fibre.

2. Fluidumbehandlings-struktur som angitt i krav 1,karakterisert vedat fibrene er asbest-, glass-eller aluminosilikatfibre.

3. Fluidumbehaidlings-struktur som angitt i krav 1,karakterisert vedat fibrene er polykrystallinske metalloksydfibre.

4. Fluidumbehandlings-struktur som angitt i krav 3,karakterisert, ved at metalldksydet er zirkoniumoksyd eller aluminiumoksyd.

5. Fluidumbehandlings-struktur som angitt i hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat fibrene foreligger i form av en laminert matte.

6. f] Fluidumbehandlings-struktur som angitt i hvilket som hels.t av de foregående krav,karakterisert vedat den korrugerte metallsikt er en strikket trådsikt.

7. Fluidumbehandlings-struktur som angitt i hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat metallet i den korrugerte sikt er rustfritt stål eller en nikkel/- jernlegering. ' •

8. Fluidumbehandlings-struktur som angitt i hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat det omfatter et lag av ikke-korrugert metallsikt mellom den korrugerte metallsikt og fibrene.

9. Fluidumbehandlings-struktur som angitt i hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat metallsikten eller fibrene er belagt med aluminiumoksyd, silicium-oksyd eller et metallfosfat.

10. Fluidumbehandlings-struktur som angitt i hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat en katalysator blir avsatt på fibrene og/eller på metallsikten.

11. C) Fluidumbehandlings-struktur som angitt i krav 10,karakterisert vedat katalysatoren er en krom-forbindelse,. platina eller palladium.

12. Fluidumbehandlings-struktur som angitt i hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat det omfatter et flertall korrugerte metallsdkter og et flertall fiberlag i hvilke siktene alternerer med fiberlagene.

13. Fluidumbehandlings-struktur som angitt 1 hvilket som ,helst av de foregående krav,karakterisertvedat sikten og fiberlagene foreligger i spiralviklet eller konsentrisk form..