SE503172C2

SE503172C2 - Katalytisk reningsanordning

Info

Publication number: SE503172C2
Application number: SE9402630A
Authority: SE
Inventors: Bjoern Heed
Original assignee: Bjoern Heed
Priority date: 1994-08-04
Filing date: 1994-08-04
Publication date: 1996-04-15
Also published as: DE69518425D1; SE9402630L; JPH10504884A; DE69518425T2; EP0774099A1; CA2196196A1; WO1996004509A1; SE9402630D0; AU3088595A; ATE195584T1; JP3527742B2; EP0774099B1; ES2149368T3; CA2196196C

Description

10 15 20 25 30 35 2 tre hundra grader C. Man använder också allmänt kata- lysatorer bestående av olika blandningar av metalloxider.

Området är mycket stort och nya katalysatorer och be- handlingar av dessa för att ge allt bättre katalytisk aktivitet utvecklas ständigt. Fortfarande behövs dock normalt temperaturen betydligt över rumstemperatur för att reaktionshastigheten skall bli tillfredsställande.

Föreliggande uppfinning gäller en anordning för kata- lytisk oxidation där en förvärmande värmeväxlare är en integrerad del av anordningen. Förutom för oxidation av organiska ämnen är anordningen även lämpad för annan kom- binerad värmeväxling och katalytisk behandling av gaser till exempel för s k selektiv reduktion av kväveoxider med ammoniak eller andra reducerande kväveföreningar. Anord- ningen lämpar sig väl för behandling av motoravgaser an- tingen dessa har hög syrehalt (dieselmotorer) eller låg syrehalt (Ottomotorer). Detta gäller särskilt när av- gasernas temperatur eller katalysatorns egenskaper är sådana att ett tillfredsställande resultat inte kan uppnås utan uppvärmning.

Centralt i uppfinningen är ett membran som avdelar ingående luft eller gasblandning från utgående luft eller gasblandning. Membranet är sådant att värme kan övergå från utgående luft till ingående luft som i en vanlig re- kuperativ värmeväxlare. Företrädesvis är luftflödena kring membranet så anordnade att värmeväxlingen sker i s k mot- strömsförfarande där den kallaste delen av det utgående flödet värmer det just inkommande flödet, medan den varmare ännu inte kylda delen av det utgående flödet värmer det ingående flödet på ett sent stadium. Härigenom kan hög värmeväxlingsgrad och god värmeekonomi åstad- kommas.

God värmeväxling kräver också att gasen har god över- föringskontakt med membranets yta; Enligt uppfinningen är membranets yta belagd med lämplig katalysator, som då också får god kontakt med gasflödet, vilket ger gynnsamma förutsättningar för att god reaktionsgrad skall kunna uppnås. 10 15 20 25 30 35 505 172 3 Membranet har alltså enligt föreliggande uppfinning tre huvudsakliga uppgifter: 1. Åtskiljande av inkommande och utgående flöden. 2. Överföring av värme från utgående luft (gas) till utgående. 3. Vara bärare av katalysator som ges god kontakt med passerande luft (gas).

Membranet kan med fördel vara tillverkat av en tunn metallplåt eller folie t ex av rostfritt stål, som belagts med ett tunt lager katalysator. Membranet kan även bestå av keramik som impregnerats eller belagts med katalysator.

Antingen bara ena eller båda sidorna av membranet kan vara belagda med katalysator.

Teknik för att belägga ytor med tunna och kostnadsbe- sparande beläggningar av katalysator är väl utvecklad och används t ex vid tillverkning av konventionella bilkata- lysatorer.

Ett utförande av uppfinningen visas i figurerna l och 2. Membranet är här tillverkat av ett långt metallband la, som formats medelst pressning, valsning eller dylikt så att det blivit korrugerat. Korrugeringen går snett över bandet. Bandet är sedan omvikt i sicksackform så att det bildar en packe lb. Korrugeringarna i närliggande lager kommer därvid att ligga korsvis mot varandra, fungera som distanshållare, och ge upphov till av bandet från varandra skilda kanaler där luft (gas) kan strömma (se fig 3).

Strömningsvägarna i dessa kanaler blir sådana att flödet i kanalen hela tiden omblandas och får god kontakt med kanalens väggar. För att underlätta omvikningen av bandet kan, som visas i figur l, korrugeringen med jämna mellan- rum avbrytas för att ersättas med ömsevis riktade big- ningsanvisningar 2 och 3.

Bandet är belagt med katalysator och inneslutet i en värmeisolerad ytterbehållare 4 (isoleringen visas ej i figurerna). Bandpacken lb är avtätad mot de två med strömningen parallella sidorna 5 och 6 samt vid inlopps- -utloppsänden 7. Däremot är andra änden av bandpacken inte 50% 10 15 20 25 30 35 4 anvtätad utan slutar i en vändkammare 8 (fig 2). vid inlopps-utloppsänden 7 är ytterbehållaren 4 försedd med en stos 9 för anslutning av inkommande luft (gas) och en stos 10 för anslutning av utgående luft (gas). Genom bandets omvikning sker anslutning till alla kanaler på ena sidan av bandpacken lb lätt från packens sida så att de två stosarna 9 och 10 ansluter till var sin sida av bandet.

I vändkammaren 8 finnes även en anordning för upp- I det visade utförandet består den av elvärmeslingor, men även andra uppvärmningsanordningar kan värmning ll. användas t ex gas- eller oljebrännare. Alternativt kan vändkammaren och den behandlade gasströmmen värmas genom tillförsel av varm luft eller gas utifrån.

Nedan beskrives funktionen av anläggningen med ut- gångspunkt från figur 2: Före start av anläggningen värms vändkammaren 8 medelst uppvärmningsanordningen ll upp till en temperatur som ligger strax över den temperatur som, med hänsyn till använd katalysator, behövs för avsedd reaktion. Tempera- turen i vändkammaren hålls därefter vid denna temperatur genom reglering av det värme, som tillföres med hjälp av uppvärmningsanordningen ll, eller genom det värme som upp- kommer ur kemiska reaktioner vid drift av anläggningen.

Förorenad luft tillförs genom tilloppsstosen 9 och passerar in mot vändkammaren ll genom kanalerna på ena sidan av bandpacken lb och värms därvid upp till reak- tionstemperatur. Samtidigt som kall luft (gas) förs in mot vändkammaren 11 föres varm luft motströms ut mot utlopps- blir till stosen 10 på andra sidan av bandpacken. Resultatet att värme överföres från den utgående luftströmmen den ingående. Luft som passerar anordningen värmes successivt upp till vändkammartemperatur medan den går in till vändkammaren och medan den sedan går ut från vänd- kammaren sänkes temperaturen successivt.

Genom god värmeväxling mellan utgående och ingående luft (gas) kan de lokala temperaturerna på dessa flöden fås att ligga nära varandra. Därigenom behövs inte mycket 10 15 20 25 30 35 505 172 5 tillsats av värme i vändkammaren ll. Driften av anlägg- ningen blir därigenom mycket ekonomisk. När den kemiska reaktionen utvecklar tillräckligt med värme behövs ingen tillsats alls.

Samtidigt med att luften (gasen) värmebehandlas till rätt temperatur i anläggningen föres den över katalysator- belagd yta av huvudsakligen samma temperatur. Strömningen förbi katalysatorytan är dessutom genom bandets korruge- ring sådan att flödet hela tiden blandas om i kanaltvär- snittet så att luften (gasen) får god kontakt med kata- lysatorn. Härigenom blir betingelserna för reaktion goda och anordningen får god reningsgrad.

När det utvecklas mycket värme från reaktionen i anordningen, till exempel på grund av hög koncentration av ämnen som oxideras, behövs inte någon extra tillsats av värme i vändkammaren 11. Samtidigt blir temperaturen i vändkammaren i viss mån beroende av koncentrationen av ämnen i luften. Detta gäller särskilt om bandet är belagt med katalysator bara på utgångssidan, så att uppvärmningen av ingående förorenad luft sker utan kontakt med kata- lysator och reaktion sker först efter att flödet har passerat vändkammaren.

En stor värmeutveckling därinne ger då en hög temperatur i vändkammaren ll och de delar av bandpacken som ligger närmast den. Om bandpacken däremot har belägg- ning av katalysator på bägges sidor eller åtminstone på ingångssidan av bandpacken blir denna temperaturverkan mindre. Här sker i stället uppvärmningen under ständig kontakt med katalysatoryta och reaktion sker när flödet nått rätt temperatur. överskott av värme överföres hela tiden till utgående luft (gas) på andra sidan av band- packen. När allt som kan reagera redan har reagerat, sker ingen vidare temperaturhöjning och den vidare färden in mot vändkammaren sker utan ytterligare temperaturstegring.

Anordningen blir på det viset självreglerande i temperatur och ställer själv in sig till en arbetstemperatur som ligger lämpligt strax över den temperatur där den huvud- 5G? 10 15 20 25 30 35 172 6 sakliga reaktionen sker. Temperaturen blir något högre vid hög flödeshastighet än vid låg.

Vid höga och varierande halter av ämnen som skall oxideras kan det alltså vara en fördel att ingångssidan av bandpacken är belagd med katalysator. Härigenom skyddas anläggningen för höga temperaturer som kan vara skadliga för bl a katalysatorn. En beläggning av även utloppssidan medför då reservkapacitet och bidrar till ökad renings- grad.

När flödet som skall renas innehåller något ämne som behöver högre behandlingstemperatur än den huvudsakliga delen av föroreningarna kan det däremot vara fördelaktigt att belägga endast utloppssidan av bandpacken med kata- lysator. Då kan man även med ett lättreagerat bränsle åstadkomma höga temperaturer. En motsvarande effekt kan även fås med olika katalysatorer på bandets båda sidor, där den katalysator som används för den värmealstrande reaktionen placeras på bandets utloppssida och den kata- lysator som behövs för den temperaturkrävande reaktionen placeras på bandets inloppssida.

Huvuddelen av den kemiska reaktionen sker i den varma delen av bandpacken lb. Den del 7 av bandpacken som ligger närmast in- och utloppsstosarna har normalt låg temperatur och är därmed inte katalytiskt aktiv utan tjänar bara som värmeväxlare. För att spara dyrbar katalysator kan man därför inskränka sig att belägga bara den del av bandet som ligger närmast vändkammaren med katalysator. Vid höga halter av värmealstrande föroreningar innebär det emeller- tid, precis som vid beläggning bara på utloppssidan av bandet, att temperaturen i anläggningen kan bli hög.

Uppfinningen avser en anordning där man på ett kost- nadsbesparande sätt kan kombinera värmeväxlare med kata- lysatorbärare där den aktiva ytan är stor inom en be- gränsad volym och där man genom utformningen av processen kan styra temperaturen på önskat sätt. Möjligheten att genom omvikning av ett formmönstrat band enkelt och billigt åstadkomma många och lätt anslutbara ömsevisa 10 15 20 25 30 35 (IW CD CN ._\ “\'| f Ö 7 kanaler med stor yta och därmed få god driftsekonomi är beskrivet ovan. Den beskrivna sneda korrugeringen är emellertid inte det enda sättet att åstadkomma en lämplig distanshållning mellan de olika lagren i bandpacken. Många andra mönster med omväxlande utbuktningar och inbuktningar kan åstadkomma detsamma. Man kan få ett lågt tryckfall för strömningen genom anläggningen om korrugeringen eller motsvarande anordnas så att vinkeln mot strömningsrikt- ningen blir liten. Därmed minskar emellertid vanligen värmeöverföringen till väggen, vilket får kompenseras med ökad yta. En sådan större yta kan beroende av omständig- heterna ändå vara önskvärd för att få plats med tillräck- lig mängd katalysator.

Claims

LH CD ~I 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

l. Anordning för katalytisk behandling av gasbland- ningar, k ä n n e t e c k n a d därav, att: a) katalysatorn är utbredd på en bärare (1a;b) som samtidigt utgör skiljande vägg i en rekuperativ värme- växlare, b) den skiljande väggen består av ett formmönstrat band (la), som är omvikt till en packe (lb), c) packen formar ömsevist liggande kanaler med värme- av metall eller keramik, växling mellan kanalerna där kanalernas geometri bestäms av bandets omvikning och formmönstring, d) de ömsevisa kanalerna i packen är anslutna till in- respektive utloppsstosar (9, 10) vid packen sidor i dess ena ände och till en vändkammare (8) i dess andra ände, så att gasflöde genom anordningen sker under värme- växling mellan in- och utgående flöden.
2. Anordning för katalytisk behandling av gaser att vänd- kammaren (8) innehåller en uppvärmningsanordning (11). enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av,
3. Anordning för katalytisk behandling av gaser enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av, att upp- värmningsanordningen (ll) består av en elektrisk värmare.
4. Anordning för katalytisk behandling av gaser en- ligt krav 2, ningsanordningen (11) består av en brännare för gas eller flytande bränsle.
5. Anordning för katalytisk behandling av gaser k ä n n e t e c k n a d av, att uppvärm- enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att värme- kammaren (8) kan värmas genom tillförsel av varm gas.
6. Anordning för katalytisk behandling av gaser att bandet är belagt med katalysator på bandets inloppssida enligt krav 1 t o m 5, k ä n n e t e c k n a d av, och eventuellt dess utloppssida. 10 15 20 25 30 35 LT! c) w .-_\ \1 r o 9
7. Anordning för katalytisk behandling av gaser enligt krav 1 t o m 5, k ä n n e t e c k n a d av, att bandet är belagt med katalysator bara pá bandets utlopps- sida.
8. Anordning för katalytisk behandling av gaser enligt krav l t o m 5, k ä n n e t e c k n a d av, att bandets båda sidor är belagda med olika slags katalysa- torer.
9. Anordning för katalytisk behandling av gaser enligt krav 1 t o m 8, k ä n n e t e c k n a d av, att bandet är belagt med katalysator bara pà den del som ligger närmast vändkammaren (ll).
10. Anordning för katalytisk behandling av gaser enligt krav 1 t o m 9, k ä n n e t e c k n a d av, att bandets formmönstring med jämna mellanrum är avbruten av bigningsanvisningar (2, 3).