SE441982B - Anordning for anvendning vid behandlingen av en gas genom katalys - Google Patents

Description

7806996-0 ytarean hos plåtarna, endast den ytarea som sannolikt kommer att kontaktas av gaserna, som skall behandlas, är användbar och att den del av ytarean hos plåtarna, som står i kontakt med andra plåtar, ej kan utnyttjas för att bära en katalysator. Upp till 30% av den totala ytarean hos plåtarna kan gå förlorad på detta sätt och detta resulterar i att man måste öka den totala storle- ken av katalysatorunderlaget för att erhålla en given effektiv ytarea. I vissa tillämpningar är det emellertid önskvärt att mins- ka den totala volymen av katalysatorbärande material, som ingår i en given volym av en katalysatoranordning, utan att minska den totala ytarean som är tillgänglig för att bära en katalysator. Ävenså är det önskvärt att finna en billigare, alternativ väg för tillverkning av katalysatorunderlaget än den med framställning av detsamma av plåt- eller bandmaterial.

Det har nu visat sig att idéerna bakom uppfinningen enligt G3-P5 1 472 138 kan utvidgas genom val och reglering av konfiguratio- nen och ytbeläggningen hos det stödjande underlaget.

Om sålunda underlaget tillverkas i trådform i en speciell, öppen, tredimensionell konfiguration, vilken nedan definieras mera full- ständigt, med vilken kontakt mellan intilliggande trådar eller delar av en tråd undvikes åtminstone till dess att ytbeläggning har genomförts, och om trådytan är slät och i huvudsak fri från avbrott (förutom vid ändarna), som exempelvis i en tråd med cirku- lär tvärsektion, så medför detta ett antal viktiga fördelar. Inom ett särskilt brett område kan reglering av viktiga parametrar, såsom exponerad ytarea, motstånd mot gas- ellet vätskeflöde, mas- sa- och värmeledningsegenskaper hos underlaget, uppnås utan den begränsning som normalt uppstår genom svårigheter med att belägga ett underlag med trådkonfiguration genom kontakt med material, som är dispergerat i ett vätskemedium. Vidare kan genom användning av ett metallunderlag en hög grad av korrosionshärdighet vid hög tem- peratur uppnås, så att exempelvis ett underlag av en aluminiumhal~ tig, ferritisk legering utan yttriumtillsatsen kan ge tillfreds- ställande verkan, och livslängd i den omilda omgivningen för ett avgassystem i ett motorfordon.

Det har vidare visat sig att dessa fördelar, medan de är av prin- cipiell betydelse vid framställning och användning av burna kata- 7806996-0 lysatorer för tillfredsställande beteende och livslängd i den katalytiska reningen av avgaser för motorfordon, även har bety- delsei varje annat system (vare sig det tillämpar katalys eller ej), där fluider, dvs vätska och gaser, skall behandlas genom att passera över och växelverka med en fast yta och reglering av ovannämnda parametrar är av betydelse. Exempel på andra sådana system, där anordningar framställda i enlighet med föreliggande uppfinning kan vara användbara, är kromatografiska separering- ar, processer där det fasta ytmaterialet har affinitet för en komponent i det fluidum, som strömmar över det, och användes för att separera ut denna komponent från fluiden, och flamuppfångare.

I en aspekt av föreliggande uppfinning ges således anvisning på en anordning för användning vid behandlingen av en gas genom ka- talys, varvid gasen ledes över en fast yta, som består av ett ka- talytiskt aktivt material, med vilket gasen växelverkar, vilken anordning är kännetecknad av att den innefattar en behållare med en därtill gående gasinloppskanal och en därifrån gående gasut- loppskanal, ett flertal i behållaren monterade, skilda komponen- ter, varvid varje komponent innefattar ett tredimensionellt tråd- aggregat, vars tråd i de yttersta delarna avgränsar öppna rum, som är tillräckligt små för att åtminstone begränsa penetreringen genom ihoptrassling av en komponent med en annan av komponenterna, varvid åtminstone ett väsentligt antal av komponenterna är fria att trassla ihop sig med varandra, om icke detta förhindrades ge- nom deras inneboende konfiguration, samt en fast ytbeläggning av ett katalytiskt aktivt material för växelverkan mellan gasen och det fasta materialet.

Det trådformiga underlaget avgränsar företrädesvis vid periferin av den öppna tredimensionella konfigurationen öppna rum vid pe- riferin som är tillräckligt små i förhållande till formen och dia- metern hos det trådformiga underlaget för att undvika eller be- gränsa inträngning av en komponent i det inre öppna rummet hos en annan komponent i mångfalden av komponenter som förts samman.

Med andra ord undvikas i varje komponent kontakt mellan angrän- sande delar av tråden.

Man föredrager att tillverka det trådformiga underlaget i en spi- ralformig konfiguration, i vilken rummet mellan intilliggande lind- ningar är mindre än diametern hos trådformen. Det trådformiga un- 7806996-0 IP- derlaget kan tillverkas i en spiralformig konfiguration från kor- rugerat trådformigt underlag. Företrädesvis är den spiralformiga konfigurationen en spiralformig spole med dess lindningar sträc- kande sig fortskridande utefter en gemensam axel. Korrugeringen kan påläggas utefter längden hos trådformen, så att i varje varv hos spolen rummet mellan angränsande delar hos det trådformiga underlaget varierar som en konsekvens av korrugeringen. Delningen hos korrugeringen kan arrangeras i relation till diametern hos spo- len och delningen hos varvet hos spolen så, att topparna eller åsar- na hos korrugeringen i varje varv uppträder angränsande till en topp i nästa efterföljande varv hos spolen.

Den föredragna användningen av anordningen är sålunda vid behand- ling av en gas genom katalys, varvid i detta fall åtminstone en yta hos komponenten eller varje komponent består av ett kataly- tiskt aktivt material.

En mångfald av komponenterna kan-sammanföras för att bilda en gasgenomtränglig kropp, genom vilken gasen, som skall behandlas, kan strömma i kontakt med ytorna hos komponenterna.Företrädesvis är dessa komponenter fördelade slumpvis i en behållare och kvar- hålles inuti behållaren för att bilda den gasgenomträngliga krop- pen. Alternativt kan komponenten, eller varje sådan, läggas (vec- kad eller lindad) på sig själv, eller på andra sådana komponenter, för att bilda den gasgenomträngliga kroppen genom vilken gasen, som skall behandlas, kan strömma i kontakt med ytan hos komponen- ten eller komponenterna.

Företrädesvis göres tråden av en aluminiumhaltig järnlegering (erhållbar i Storbritannien under GB-registrerat varumärke FECRALLOY). En sådan metallegering som är lämplig att användas i föreliggande uppfinning, kan återfinnas inom legeringsspecifi- kationen för en sammansättning, uttryckt i vikt-%: 10-30% Cr, 1-10% Al, 0-0,5% C och resten Fe.

När härdighet mot varmsprödhet_är viktig, framställes sådana le- geringar inom en sammansättningsspecifikation i vikt-% av: upp till 20% Cr, 1-10% A1, 0,1-3,0% Y och resten Fc. Här en viss varmsprödhet kan tolereras, som exempelvis när en spiralformigt spolad tråd användes, kan högre kromhalt upp till 25 vikt-% använ- 7806996-0 das. Den speciellt föredragna sammansättningen är en FECRALLOY- legering med 15,50-16,50% Cr, 4,6-5,6% Al, 0,3-1,0% Y och resten Fe.

Ovannämnda legeringar kan inbegripa tillsatser av Co och/eller Ni, och det tillrådes att sådana tillsatser begränsas till 0-3 vikt-% av varje element. Acceptabel verkan kan emellertid uppnås med dessa tillsatser inom området 0-5% Co och 0-53 Ni.

En alternativ legering är den såld under GB-varumärket KANTHAL DSD.

Ett typiskt exempel på en sådan legering har en ungefärlig sam- mansättning i vikt-% av 22,5% Cr, 4,5% Al, 2,0% Co, 0,1% C och resten Fe.

Företrädesvis har den aluminiumhaltiga legeringen ett keramiskt skikt på dess yta. Företrädesvis är det keramiska materialet bun- det till ytan hos trådformen genom värmebehandling. De keramiska materialen kan inbegripa aluminiumoxid, ceriumoxid, yttriumoxid, oxider av metaller ur grupperna 4-6 och kiselsyror. Det föredrag- na keramiska materialet består av aluminiumoxid, som bindes till trådformen genom värmebehandling.

Företrädesvis genomföres värmebehandling, antingen före eller ef- ter eller sâväl före som efter beläggning med det porösa, kera- miska materialet, i närvaro av syre för att bilda ett i huvud- sak av aluminiumoxid bestående skikt på ytan av legeringstràden från aluminium kommande inifrån legeringen.

Katalytiskt aktivt material kan avsättas eller utfällas på ett flertal komponenter, vilka därefter sammanföres för att bilda en katalysatoranordning. Det katalytiskt aktiva materialet kan av- sättas antingen efter en föregående beläggning av underlagslege- ringen med poröst keramiskt material eller också kan det avsät- tas samtidigt med det porösa,keramiska materialet.

Det finns många sätt att anbringa de katalytiska materialen på ett underlag, exempelvis sprutning med användning av gasurladdning, plasmasprutning, flamsprutning, vâtbeläggning, ångavsättning och sintring. Det föredragna sättet att avsätta en katalysator på spolen är det som beskrives i DE-A-26 47 702. 7806996-0 Exempel på utföringsformer enligt föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas under hänvisning till bifogade ritningar, i vilka: fig. 1, 2 och 4 visar tre komponenter för användning i en kata- flysatoranordning, konstruerad i enlighet med föreliggande uppfin- ning, fig. 3 visar den trådform, som användes för att framställa kompo- nenterna enligt fig. 2, fig. 5 och 6 visar två katalysatoranordnnrmr,framställda från ett antal komponenter av den typ, som är visad i fig. 1, 2 eller 4, arrangerade i förhållande till varandra för att avgränsa en kropp, genom vilken en gas, som skall behandlas, kan strömma, och fig. 7 och 8 visar ytterligare två former av katalysatoranordning, tillverkad av en enda komponent liknande den i fig. 1, 2 eller 4 visade.

I följande utföringsformer av uppfinningen skall den färdiga pro- dukten användas för behandlingen av avgaser från förbränningsmoto- rer genom katalys. Det bör emellertid förstås, att katalysatoran- ordningarna enligt föreliggande uppfinning kan vara användbara i andra industriella processer, som erfordrar uppburet, katalytiskt aktivt material.

Pig. 1 visar en komponent, bestående av en spiralformig spole 10, gjord av en tråd 11 med 1,0 mm diameter och cirkulär tvärsektion lindad utefter en axel för att bilda en spole 76,2 mm lång X 6,4 mm ytterdiameter. Delningen hos varven är cirka 1,0 mm.

Tråden är gjord av FECRALLOY-legering (I GB registrerat varumär- ke) med en sammansättning i vikt-% av 4,6-5,6% Al, 15,50-16,50% Cr, 0,3-1,0% Y och rest Fe. Ett till övervägande del av aluminium- oxid bestående skikt bildas på ytan hos tråden och en katalysator avsättes på aluminiumoxidskiktet, såsom beskrives i DE-A-26 47 702.

I ett speciellt exempel, beskrivet i nämnda DE-A lämpligtför an- vändningwfid framställning av katalysatoranordningar enligt före- liggande uppfinning, beredes aluminiumoxid, framställd genom en ångkondenseringsmetod, till en sol genom blandning med vatten och solen blandas med en lösning av yttriumnitrat i vatten för att bil- da en "blandad sol". Ett platinasalt sättas till den blandade so- len för att bilda en dispersion, som anbringas på ett i förväg oxi- derat underlag av FECRALLOY-legering. Det så belagda underlaget -7806996-0 brännes därefter för att åstadkomma en beläggning, innehållande platina som det katalytiskt aktiva materialet. Annan teknik för att anbringa en katalysator på spolen 10 kan användas.

Fig. 2 visar en alternativ form av spolad trådform, framställd från samma typ av legeringstråd 0,5 mm i diameter och lindad till en spole 3,0 mm i diameter och 40 mm lång med en delning av 2,8 mm. Den tråd, som användes för att göra spolen 10 i fig. 2, visas i fig. 3. Av fig. 3 framgår det, att tråden 11 utefter dess längd pålagts en korrugering 12, innan den lindas till en spole. Korru- geringen 12 har en delning av normalt 3,5 mm och dimensionen, mätt från topp till topp 14, är i ett normalfall 1,0 mm. Korrugeringar- na 12 förlänar styrka åt den tunna tråden 11 och topparna 13, 14 hos korrugeringen 12 hos varje varv arrangeras för att sammanträffa med toppar 13, eller 14, i nästa intilliggande varv för att för- hindra att angränsande spolade delar kryper in i varandra. I detta fall anbringas en ytbeläggning och ett katalytiskt aktivt material på tråden 11 på exakt samma sätt som beskrivits i samband med fig. 1.

De i fig. 1 och 2 visade komponenterna kan ha likformig delning, såsom visas i fig. 1 och 2, eller också kan delningen variera utef- ter spolens längd såsom visas i fig. 4. I fallet med den i fig. 2 visade komponenten kan delningen för korrugeringarna förändras så att topparna 13, 14 hos varje varv sammanträffar.

I fig. 5 och 6 visas ett antal spolar 10 av den typ, som är visad i fig. 1-4, sammanförda i en lämplig hållare 15 för att bilda oli- ka katalysatoranordningar. I fig. 5 användes exempelvis ett antal skikt 16, 17 av spolar 10. Den längsgående axeln hos varje spole 10 i varje skikt 16, 17 sträcker sig i en gemensam riktning, men var- je skikt 16 är anordnat i förhållande till angränsande skikt 17, så att de längsgående axlarna hos spolarna 10 hos varje skikt 16 bildar en vinkel till de längsgående axlarna hos spolarna 10 i an- gränsande skikt 17. Trådar 18 användes för att förhindra spolarna att falla ut från hållaren 15.

I fig. 6 är samtliga spolar 10 samlade i en hållare 15 med deras längsgående axlar sträckande sig i en gemensam riktning. Tvärsek- tionsformen hos hållaren 15 kan vara rektangulär (som visat) eller cirkulär, elliptisk eller ha varje annan form, som kan inrymma spo- 7806996-0 larna 10. Gasen, som skall behandlas, bringas att strömma i en riktning i huvudsak parallell med de längsgående axlarna hos spo- larna 10 (pil A). Alternativt kan en annan hållare 15 användas, som tillåter gasen att strömma vinkelrätt mot de längsgående ax- larna hos spolarna 10.

Trådar 18 användes för att kvarhålla bunten av spolar 10 i hålla- ren 15 i katalysatoranordningen enligt fig. 5 och 6.

I stället för att lägga upp ett flertal spolar 10 för att bilda katalysatoranordningen som är visad i fig. 5 eller 6, kan eventu- ellt en eller flera långa längder av spole av den typ som är visad i fig. 1, 2 eller 4, vikas ovanpå sig själv för att åstadkomma en liknande, skiktad effekt. ' En kontinuerlig längd av spolad tråd, såsom visas i någon av fig. 1, 2 eller 4, kan lindas på sig själv för att bilda en katalysa- toranordning. Två exempel på en sådan anordning visas i fig. 7 och 8. Katalysatoranordningen enligt fig. 7 bildas genom lindning av den spolade delen 10 på en bobin eller spolhylsa 19 för att åstadkomma ett eller flera skikt. Katalysatoranordningen enligt fig. 8 bildas genom att linda den spolade delen 10 till en spiralform.

'Ett antal spirallindade skikt kan staplas sida vid sida för att bilda ett fullständigt katalysatorsystem.

I stället för att montera ett flertal spolar 10 av den typ, som vi- sas i fig. 1, 2 och 4, i ett ordnat mönster, som visas i fig. 5 och 6, kan spolarna hällas ned slumpvis i en behållare. Närmare be- stämt lindas en tråd av FECRALLOY-legering med 0,25 mm diameter till en spole med en total diameter av 2,7 mm och med en samman- hängande längd. Den så formade spolen hackas sedan för att ge spo- lar med en längd av 6,4 mm och ett flertal av spolarna hälles ned i en behållare med öppen ände eller ett rör, som har ett fint nät i en ände. Behållaren eller röret kan ha godtycklig form. Behål- laren kan skakas för att tillförsäkra, att spolarna sjunker ner i behållaren och bildar en gasgenomtränglig kropp, och när behålla- ren fyllts med de hackade spolarna, påsättes ett andra trådnät för att behålla spolarna i behållaren. Under drift bringas avgaserna, som skall behandlas, att strömma genom den så bildade gasgenom- trängliga kroppen. 7806996-0 Spolarna 10 hos katalysatoranordningarna enligt fig. 5-8 har företrädesvis en ytbeläggning och en katalysator, anbringad på dem, innan de samlas i behållaren 15. I vissa fall kan det vara möjligt att belägga dem, sedan de samlats i hållaren 15.

,Diametern hos tråden och storleken hos spelarna 10 (dvs längd, diameter och delning hos spolen) kan variera för att passa varje speciell process. I synnerhet kan dessa parametrar varieras för att uppfylla önskade tryckfallsspecifikationer för det avsedda användandet av katalysatoranordningen. Genom att variera dessa parametrar kan man effektivt variera den totala, effektiva ytare- an, som är tillgänglig för att bära en katalysator.

Tvärsektionsformen hos hålet hos spolarna är företrädesvis cirku- lär, även om den kan vara av varje önskad form, t.ex. triangulär, rektangulär eller polygonal, erhållen genom lindning av trådfor- men spiralformigt utefter någon lämpligt formad dorn. Uttrycken "spiral" och "spiralformig", som här användes, avser att omfatta spolar, lindade utefter en axel oberoende av formen hos hålet hos spolen. Spolarna kan formas på en vanlig fjäderlindningsmaskin.

Spolarna kan ha likformig diameter eller vara avsmalnande.

Det föredrages att göra trâdformen av en metall, t.ex. stål, eld- fasta metallkarbider, WC, TiC, TaC, rostfria stål och rostfria järn. Trådformen kan vara dragen tråd eller en strängsprutad tråd.

Det kan vara möjligt att i vissa fall använda en keramisk fiber, även om det anses att en sådan framställningsväg ej skulle vara så lätt som att framställa komponenterna av metalltråd på grund av behovet att fabricera komponenterna i ett rått (plastiskt) till- stånd och sedan bränna dem för att åstadkomma den färdiga formen.

Katalysatoranordningar, framställda enligt föreliggande uppfin- ning, är användbara för behandling av avgaser från förbränninge- motorer genom katalys och i synnerhet för instängning och behand- ling av sotprodukter i avgaserna från dieselmotorer genom kata- lys, och den katalytiska reduktionen av kväveoxider och den kata- lytiska oxidationen av kolväten och kolmonoxid i en motors avgaser.

En viktig fördel, som erhålles genom att framställa katalysator- anordningarna i form av ett antal spolar i enlighet med förelig- 7806996-0 10 gande uppfinning, är den att man kan anbringa olika katalytiskt aktiva material på olika spolar, om man så önskar. Exempelvis kan man åstadkomma en sammansatt katalysatoranordning under använd- ning av två eller flera satser av identiska spolar, sammanförda till att bilda en kropp med olika katalytiskt aktiva material, avsatta på varje sats av spolar. Exempelvis kan en katalysatoran- ordning liknande den visad i någon av fig. 5-8 framställas med en *del av spolarna bärande en metall från platinagruppen av metaller (platina, osmium, irridium, palladium, rodium, rutenium), medan de andra bär en helt annan metall från platinagruppen.

I ett specifikt exempel kan en katalysatoranordning, framställd i enlighet med föreliggande uppfinning för behandling av avgaser från förbränningsmotorer genom katalys, ha en del spolar belagda med platina och de andra belagda med rodium] Tidigare har det va- rit vanligt att anbringa platinan och rodiumet som en gemensam be- läggning med platinalägen tätt intill rodiumlägena. Förevarande uppfinnare har iakttagit, att platinan efter förlängd användning blir mindre effektiv när det gäller att katalysera oxidationen av kolvätena. Undersökning av ytan hos katalysatorn avslöjar, att aktiva platinalägen gått förlorade, men det visade sig, att denna förlust ej uppträder i samma omfattning, när rodiumet och platinan avsättes på separata spolar.

Tester, inbegripande oxidationen av propan, genomfördes genom att låta en blandning av propan/syre, buren i en kväveströmning, ström- ma över två typer av buren katalysator. En buren katalysator var en Pt/Rh blandad katalysator på ett keramiskt belagt under- lag av FECRALLOY-legering (visad som katalysator A nedan), var- vid den andra bestod av separata Pt- och Rh-katalysatorer på se- parata spolar, gjorda av keramiskt belagd FECRÅLLOY-legering, sam- manförda för att bilda en gemensam katalysator (visad som kata- lysator B nedan). Katalysatorvolymen genomträmfihs 100 000 gånger per timme av propan/syre~blandningen. Resultaten visas nedan.

Temperatur erforderlig för Typ av uppburen 100% oxidation av propan ïïšaåšïïïor Ny katalysator Katalysator efter värmging i luft vid 1000 C under 12 tim.

A 35o°c 5oo°c B o 4oo°c 4oo°c 7806996-0 11 Det torde vara så att problemet med försämring av effektiviteten hos platinan som en katalysator även kan föreligga vid den kom- mersiella framställningen av salpetersyra från ammoniak, där pla- tina och rodium användes som katalysatorerna. Därför kan en kata- lysatorbädd, gjord av tvâ satser spolar, av vilka varje sats an- tingen bär platina eller rodium, vara värdefull för framställning av salpetersyra.

Föreliggande uppfinning kan givetvis finna användning vid en mång- fald kemiska processer, inbegripande behandling av gaser och väts- kor genom växelverkan med en fast yta.

Claims (7)

-7806996-0 12 Patentkrav

1. l. Anordning för användning vid behandlingen av en gas genom katalys, varvid gasen ledes över en fast yta, som består av ett katalytiskt aktivt material, med vilket gasen växelverkar, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar en behållare (l5) med en därtill gående gasinloppskanal och en därifrån gående gasutloppskanal, ett flertal i behållaren (15) monterade, skilda komponenter (10), varvid varje komponent (10) innefattar ett tredimensionellt trådaggregat, vars tråd (ll) i de yttersta de- larna (l3,l4) avgränsar öppna rum, som är tillräckligt små för att åtminstone begränsa penetreringen genom ihoptrassling av en komponent (10) med en annan av komponenterna (10), varvid åtminstone ett väsentligt antal av komponenterna (10) är fria att trassla ihop sig med varandra, om icke detta förhindrades genom deras inneboende konfiguration, samt en fast ytbeläggning av ett katalytiskt aktivt material för växelverkan mellan gasen och det fasta materialet.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att i varje komponent (10) undvikes kontakt mellan angränsande de- lar av tråden (ll).

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att varje komponent (10) har en spiralkonfiguration, vari utrymmet mellan angränsande varv är mindre än trädens (ll) dia- metêl' .

4. Anordning enligt ett eller flera av föregående krav, k ä n- n e t e o k n a d av att var och en av komponenterna (10) är tillverkad i en spiralkonfiguration av en vågformig trâdform, varigenom i varje varv hos spiralkonfigurationen utrymmet mellan angränsande delar av tråden (ll) varierar som en följd av korrugeringen.

5. Anordning enligt ett eller flera av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att komponenterna (10) är slumpvis fördelade i behållaren (15). 7806996-0 15

6. Anordning enligt ett eller flera av kraven 3-5, k ä n - n e t e c k n a d av att en korrugering är överlagrad längs varje tråds (ll) längd.

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att stigningen hos korrugeringen är arrangerad i relation till spiralkonfigurationens diameter och stigningen hos spiral- konfigurationens lindning så, att âsarna hos korrugeringen i varje varv uppträder angränsande en ås i nästa efterföljande varv hos spiralkonfigurationen.