DE2224679A1

DE2224679A1 - Vorrichtung zum katalytischen Reinigen von Gasen

Info

Publication number: DE2224679A1
Application number: DE19722224679
Authority: DE
Inventors: Carl D. Summit; Mooney John J. Wyckoff; Vanmansart Louis J. Upper Saddle River; N.J. Keith (V.St.A.). FOIn 3-14
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Priority date: 1971-05-20
Filing date: 1972-05-19
Publication date: 1972-11-30
Also published as: US3692497A; SE379080B; JPS5440690B1; FR2138754B1; FR2138754A1; IT957932B; BE783734A; CA975539A; GB1387017A

Description

ENGELHARD MINERALS & CHEMICALS CORPORATION kj,0 Mountain Avenue, Murray Hill, New Jersey, V. St. A.

Vorrichtung zum katalytischen Reinigen von Gasen

Die Erfindung bezieht sich auf eine katalytisch arbeitende Vorrichtung zum Reinigen von Gasen; die Vorrichtung kann insbesondere zum Behandeln von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen mit dem Ziel, die Luftverunreinigung herabzusetzen, angewandt werden.

Verschiedenartige Gase werden häufig in die Umgebungsluft abgelassen oder ausgestoßen und häufig führen derartige Gase eine Zunahme unerwünschter Bestandteile, d.h. von Verunreinigungen der Atmosphäre herbei. Zwar werden derartige Probleme bereits seit Jährten untersucht und es sind bereits die verschiedenartigsten Arten von Vorrichtungen zur Bekämpfung dieser Schwierigkeiten empfohlen worden, aber es wird doch immer wichtiger, derartige Verunreinigungen zu vermeiden.

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Ein besonderem Problem besteht in der Reinigung der Auspuffgase von in Kraftfahrzeugen verwendeten Verbrennungskraftmaschinen. Die Abgase von Motoren, die im. allgemeinen Kohlenwasserstoff-Brennstoffe verbrennen, wozu Kohlenwasserstoff gase, Benzin oder Dieselkraftstoff gehören, können schwerwiegende Verunreinigungen der Atmosphäre hervorrufen» Zu den Verunreinigungen in diesen Abgasen rechnen Kohlenwasserstoffe und sauerstoffhaltige Verbindungen; zu den letztgenannten gehören Stickoxide und Kohlenmonoxid. Die Entfernung dieser verunreinigenden Stoffe aus den Gasen oder die Umwandlung der Verunreinigungen in weniger schädliche Stoffe ist von wesentlicher Bedeutung für das Wohlergehen der Allgemeinheit.

Die USA-Patentschrift 3 441 3 81 beschreibt eine katalytisch wirksame Vorrichtung, die zur Reinigung von Auspuffgasen und anderen Gasen benutzt worden ist und die Vorrichtung ist besonders wirksam bei der Behandlung von Auspuffgasen aus Verbrennungskraftmaschinen, die mit Kohlenwasserstoff- und anderen Brennstoffen arbeiten. Die Vorrichtung besteht, kurz gesagt, aus einem zylindrischen Gehäuseabschnitt, in dem sich ein einheitlicher Katalysator befindet, durch den eine Anzahl Kanäle oder Durchlässe für eine Gasströmung führt. Ein Gaseinlaß und ein Gasauslaß sind an den jeweiligen Enden des zylindrischen Gehäuses vorgesehen* Der Aussendurchmesser des Katalysatorelements, das ebenfalls insgesamt Zylinderform hat, ist etwas geringer als der Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses, damit das Katalysatorelement in das Gehäuse eingesetzt v/erden kann, nachdem diese beiden Teile je für sich hergestellt worden sind.

Damit das Katalysatorelement luftdicht innerhalb des Gehäuses gehalten wird, ist ein flexibles Bauteil unter Druck-

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anwendung zwischen Gehäuse und Katalysatorelement einge-r fügt· Das Katalysatorelement wird häufig aus einem feuerfesten Keramikmaterial hergestellt, während das zylindrische Gehäuse aus Metall besteht und die Vorrichtung nach dem USA-Patent 3 H41 381 bleibt unversehrt, weil beide Komponenten sich bei den erhöhten Temperaturen, unter denen die Vorrichtung bei der Reinigung eines Gases arbeitet, ausdehnen. Bei einer sehr zweckmässigen Ausgestaltung der Vorrichtung besteht das federnde, flexible Bauteil aus einem geriffelten Metallteil, das durchlöchert ist, etwa aus einem geriffelten, geflochtenen Metallgewebe.

Bei der bevorzugten Bauform der Vorrichtung nach der USA-Patentschrift 3 H41 381 stehen die Enden des Katalysatorelements jeweils in Kontakt mit dem Flansch, der von der Innenseite des zylindrischen Gehäuses nach innen vorspringt. Diese Flansche umlaufen den gesamten Innenmantel des Gehäuses und reichen so weit in die Mitte des Gehäuses, daß der Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Katalysatorelement überbrückt wird, und verlaufen ausreichend weit an den entsprechenden Seitenflächen des Katalysatorelements, um zu verhindern, daß das letztere sich in Längsrichtung in dem zylindrischen Gehäuse verlagert. Die Flanschen hindern ausserdem das zu behandelnde Gas daran, an dem Katalysatorelement vorbei zu strömen, denn sie sperren beide Enden des Zwischenraums zwischen dem Katalysatorelement und dem Gehäuse, so daß die Gase sich nur durch das Katalysatorelement bewegen können, wenn sie vom Einlaß zum Auslaß der Vorrichtung fliessen.

Obwohl die Vorrichtung nach der USA-Patentschrift 3 441 ausgezeichnete Ergebnisse bei der Reinigung der Auspuffgase üblicher Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren gezeitigt hat, können Umstände eintreten, in denen das Katalysatorelement, wenn es praktisch kreisförmigen Quer-

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schnitt hat,* in Längsrichtung innerhalb des ihn umgebenden Gehäuses verlagert wird und sogar durch die öffnung in dem Halteflansch am Gasaustrittsende des Katalysatorelements gedrückt wird. Es zeigte sich, daß dieses unerwünschte Ereignis infolge Drehung des kreiszylindrischen Katalysatorelements innerhalb des zylindrischen Gehäuses während der Behandlung der Auspuffgase auftrat, obwohl das Element dichtend in dem Gehäuse festgehalten wurde. Wenn das Katalysatorelement sich dreht, tritt an der Ausgangsfläche des Elements, wo es den Halteflansch berührt, eine Schleifwirkung oder Abnützung auf. Wenn die Schleifwirkung anhält, wird die Aussenseite des Katalysatorelements im Bereich des Flanschkontakts abgetragen und infolgedessen ist das Katalysatorelement bestrebt, sich durch die Flanschöffnung am Gasaustrittsende des zylindrischen Gehäuses zu bewegen. Wenn ein grösseres Stück des Katalysatorelements durch den Austrittsflansch gepreßt wird, wird umso weniger von dem KatalysatoreIement von dem federnden Bauteil festgehalten. Die Bewegung beginnt daher und steigert sich bis zu dem Augenblick, in dem die Beschädigung oder Zerstörung des Katalysatorelements eintreten kann.

Durch die Erfindung wurde festgestellt, daß das unerwünschte Drehen und Hinauspressen des Katalysatorelements von praktisch kreisförmigem Querschnitt, wie es oben beschrieben wurde, im wesentlichen dadurch vermieden werden kann, daß mindestens ein nach innen vorspringendes Flächenstück, fest mit der Innenwand des zylindrischen Gehäuses verbunden, vorgesehen ist, das auch ausreichend weit in den Innenraum des Gehäuses vorsteht, daß eine Halteverbindung mit dem das Katalysatorelement umgebenden federndenBauteil gegeben ist. Diese Art vorspringendes

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Bauteil hat .allgemein, unter Druck das federnde Bauteil berührend, eine Oberfläche, die senkrecht oder unter einem erheblich schiefen Winkel (z.B. von mindestens etwa 30°) zum Kreisumfang des Katalysatorelements an der Berührungsstelle verläuft, um das Katalysatorelement und das federnde Bauteil an einer Verdrehung in dem Gehäuse zu hindern. Vorzugsweise beträgt dieser Winkel praktisch 90°. Ausserdem ist vorzugsweise eine Anzahl solcher vorspringender Bauteile vorgesehen und besonders empfehlenswert ist es, wenn mindestens eines dieser vorspringenden Flächenstücke an der Innenwand des zylindrischen Gehäuses gegen ein anderes solches Flächenstück um mindestens ungefähr 90 versetzt ist, von einem Ende aus gesehen und um das Querschnittszentrum gemessen. Vorzugsweise sind mindestens drei derartige vorspringende Flächen, um mindestens etwa 90° gegeneinander versetzt, vorgesehen, beispielsweise drei derartige Teile, gleichabständig um das Katalysatorelement angeordnet und somit um 120° gegeneinander versetzt. Diese Vorsprünge können beispielsweise durch einen nach innen vorstehenden Stab von Keehteckquerschnitt verwirklicht werden, der an der inneren Gehäusewand in der Nähe des Gaseinlasses befestigt ist und geradlinig zu dem Gasaustritt verläuft.

Die vorspringenden Flächen stehen von der Innenwand des zylindrischen Gehäuses aus ein deutliches Stück weit vor» mindestens etwa 1,6 )1/16 "), um das Katalysatorelement daran zu hindern, sich während des Betriebs in dem Gehäuse zu verdrehen, aber nicht so weit, daß das Katalysatorelement nicht in das Gehäuse eingeschoben und das federnde, flexible Teil nicht zwischen die vorspringenden Flächen und das Katalysatorelement eingebracht werden kann. Der Innenradius des zylindrischen Gehäuses,das im vorliegenden Fall Kreisquerschnitt hat, liegt daher etwas

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über der Sujnme aus dem Radius des Katalysatorelements, der senkrechten Entfernung, um.die die vorspringenden Flächen von der Gehäuseinnenwand zur Gehäusemitte nach innen vorstehen, und der Stärke des Teils des federnden Bauteils, der sich zwischen dem Katalysatorelement und den vorspringenden Flächen befindet.

Als zusätzliches Merkmal der Erfindung kann in dem Umfang des Katalysatorelements mindestens eine Einkerbung betrachtet werden, die im Zusammenwirken mit dem zusammengedrückten federndenTeil dazu dient, Längsbewegungen des Katalysatorelements innerhalb des Gehäuses zu verhindern oder ihnen entgegenzuwirken. Diese Einkerbung besitzt Abstand von der Gaseintrittsseite des Katalysatorelements, und daher reicht die Einkerbung nicht bis in die Gaseintrittsseite. Einkerbungen dieser Art können vollständig oder teilweise um das Katalysatorelement herumführen und können aus mindestens einer oder aus mehreren Kerben bestehen, die mit gegenseitigem Abstand an der Aussenseite des Katalysatorelements angeordnet sind. Diese Einkerbungen reichen allgemein mindestens etwa 1,6 (1/16 "), vorzugsweise mindestens 3,2 mm (1/8 ") tief von der Mantelfläche des Katalysatorelements nach innen, und vorzugsweise verlaufen die vordere und die rückwärtige Wand der ^Einkerbungen annähernd senkrecht zu dem Gehäuse. Die Weite der Einkerbungen in Längsrichtung des Katalysatorelements beträgt häufig mindestens etwa 3,2 mm (1/8 "), vorzugsweise mindestens etwa 6,4 mm (1/4 ").

Bei einer nochmals abgeänderten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung können an der Innenwand des Kreisgehäuses ein oder mehrere nach innen vorstehende Flächenstücke vorgesehen werden, die senkrecht oder in einem deutlichen spitzen Winkel (d.h. mindestens etwa 30°)

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gegenüber der Längsrichtung des Katalysatorelements an der Berührungsstelle mit dem federnden Bauteil angeordnet sind. Die Längsrichtung wird durch die allgemeine oder Durchschnittsrichtung des Gasstroms durch das Katalysatorelement bestimmt. Dieses letztgenannte Flächenstück kann anstelle von oder zusätzlich zu der Einkerbung in dem Mantel des Katalysatorelements vorgesehen werden, um das federnde, flexible Bauteil zu berühren und unter Druckwirkung zu halten und eine Längsverlagerung des Katalysatorelements in dem Gehäuse zu verhindern oder ihr entgegenzuwirken; beispielsweise kann ein Ring mit Rechteckquerschnitt an der Innenseite des .den Katalysator aufnehmenden Gehäuses angebracht werden. Derartige vorspringende Flächenstücke stehen von der Innenwand des Gehäuses um ein Stück vor, das sie in die Lage versetzt, den Katalysator an einer LängsVerlagerung in dem Gehäuse zu hindern, sofern freier Raum zwischen den Flanschen und den Enden des Katalysatorelements bestehen sollte, aber sie stehen nicht so weit vor, daß das Einführen des Katalysatorelements und des federnden,.flexiblen Bauteils in das Gehäuse in der oben beschriebenen Weise im Hinblick auf die eine Drehung des Katalysatorelements verhindernden vorspringenden Flächenstücke unmöglich wird. Häufig stehen die vorspringenden Teile, die die Längsverlagerung des Katalysatorelements verhindern, von der Innenseite des Gehäuses nach innen zur Mitte hin um ein Stück von mindestens etwa 0,8 mm (1/32 "), vorzugsweise um ein Stück von mindestens etwa 1,6 mm (1/16 ") vor.

Die Erfindung soll nun anhand von Zeichnungen weiter beschrieben werden, die folgendes darstellen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung, geschnitten längs der Linie 1-1· in Fig. 2;

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Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig.2a einen Ausschnitt eines Teils von Fig. 1 bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfxndungsgemässen Vorrichtung, geschnitten längs der Linie 3-3 in Fig. 4;

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3.

Der gezeichnete katalytische Abgasreiniger 10 mit kegelstumpf artigen Abschlußteilen 12 und 13 kann mitte.ls eines Stutzens 19 an einen Abgas erzeugenden Verbrennungsmotor angeschlossen werden. Die Abgase können vor ihrem Eintritt in den Stutzen 19 mit Sauerstoff, z.B. mit Luft, vermischt werden.

Der katalytische Abgasreiniger 10 besteht aus einem Metallgehäuse 11, das im allgemeinen 50 bis 200 mm (2-8 inches) Durchmesser hat und 50 bis 300 mm (2 bis 12 inches) lang ist. Die kegelstumpfförmigen Abschlußteile 12 und 13 sind durch Schweißen oder auf andere Weise mit den entsprechenden Enden des Gehäuses 11 fest verbunden.

Das kegelstumpfförmige. Teil 12 ist so dimensioniert, daß die Abgase über zumindest praktisch die gesamte Querschnittsfläche des stromauf weisenden Abschnitts des Gehäuses 11 einströmen können, wodurch das Gas in alle oder praktisch alle Einlaßöffnungen 16 der gasdurchströmten Kanäle 4 3 in dem einheitlichen Katalysatorelement 15 eintreten kann, das Kreisquerschnitt besitzt. Diese Einlaßöffnungen 16 sind

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über die gesamte oder praktisch die gesamte Fläche 14 des einheitlichen, porösen, auf keramisches Material aufgebrachten Oxydationskatalysators 15 verteilt.

Das kegelstumpfförmige Teil 13 hat die gleichen Abmessungen wie das beschriebene kegelstumpfförmige Teil 12, d.h. solche Abmessungen, daß der freie Ausstrom des Gases aus den Auslaßöffnungen der Gaskanäle in dem Katalysator 15 ohne wesentlichen Rückstau erfolgen kann. Der Einlaßstutzen 19 bildet mit dem gezeigten kegelstumpfförmigen Teil 12 ein einheitliches Bauteil, entsprechendes gilt für den Auslaßstutzen 20 und das zugeordnete kegelstumpfförmige Teil 13.

Ein Ringspalt 30 von überall gleicher Weite ist zwischen der Innenseite 31 des zylindrischen Gehäuses 11 und der Aussenseite des Träger-Oxydationskatalysators 15 ausgespart. Der Spalt 30 erstreckt sich vollständig um den Trägerkatalysator 15 und über die gesamte Länge des Katalysatorgebildes. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Ringflansch 34 vorgesehen, der den Ringspalt 30 zwischen der Innenwandfläche 31 und dem stromauf gerichteten Randteil des einheitlichen Trägers des Oxydationskatalysators 15 am Anfang des Ringspalts 30 überbrückt, und so eine zusammenhängende Sperre am Umfang des Katalysatorträgers gegen einen Durchstrom ungereinigter Gase in den Raum 30 bildet, ohne eine unzweckmässig grosse Zahl von Einlaßöffnungen 16 abzudecken. Nötigenfalls können einige dieser öffnungen versperrt werden um das federnde Teil und das Gehäuse gegen die Wärme der zu behandelnden Gase zu isolieren. Nach der Zeichnung hängt der Ringflansch ,34 baulich mit dem kegelstumpfförmigen Teil 12 zusammen und kann als dünner, schmaler Flansch von praktisch gleichmässiger Stärke und Breite ausgeführt sein, der durch Einwärtsbiegen des inneren Randteils des kegelstumpfförmigen Teils 12 herge-

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stellt wird; der Rand des Teilsr 12 wird ausreichend weit nach innen umgebogen, so daß ein Ringflansch entsteht, dessen Ebene senkrecht zu der Hauptachse des Gehäuses 11 verläuft. Die Breite des Ringspalts 30 beträgt üblicherweise 3,2 mm (1/8 "), die Breite des Flansches 34 6,4 mm

Der Ringflansch 36 überbrückt den Ringspalt 30 an der Gasaustrittsfläche des einheitlichen Oxydationskatalysators 15 und zwischen der Irinenwandfläche 31 und der stromab zeigenden Flächenkante des einheitlichen Katalysatorträgers, so daß er eine zusammenhängende Sperre am Umfang des Katalysatorträgers bildet, ohne die Gasaustrittsöffnungen einer merklichen Anzahl von StrÖmungskanälen in dem Katalysatorelement zu versperren, entsprechend den Verhältnissen bei dem Flansch 34. Unabhängig davon, ob ein Flansch 34 vorhanden ist oder nicht, sperrt somit der Flansch 36 den Gasdurchtritt durch den Ringspalt 30. Der Ringflansch 36 kann baulich mit dem kegelstumpfförrnigen Teil 13 zusammenhängen, er kann als dünner, schmaler Flansch von praktisch gleichförmiger Stärke und Breite ausgebildet sein, der durch Einwärtsbiegen des inneren Randabschnitts des kegelstumpf förmi gen Teils 13 in gleicher Weise wie der Flansch hergestellt wird. Der Ringflansch 36 hat die gleiche Breite wie der Ringflansch 34, und die Ebene des Ringflansches 36 steht insgesamt senkrecht auf der Hauptachse des kegelstumpfförmigen Teils 13. Die Ringflanschen 34 und 36 dienen dazu, den auf einem Träger befindlichen Oxydationskatalysator 15 gegen eine Längsverlagerung in dem Gehäuse 11 zu sichern, und die Verwendung des Flansches 36 ist besonders vorteilhaft, weil die Richtung des Gasstroms das Katalysatorelement in Richtung auf das Gasaustrittsende der Vorrichtung zu drücken sucht. Die Schicht 38, beispielsweise aus "Fiberfax cement", einem faserigen Aluminiumsilikat be-_

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stehend, wird, vorzugsweise an der Aussenseite des Kata-. lysators."15 angeordnet, damit die Poren an der Aussenseite des Katalysators abgedichtet werden; die Schicht dient ausserdem als Schutzüberzug oder Polster für den Oxydationskatalysator.

Das Teil 33, das an beiden Seiten eine unebene oder gerippte Oberfläche aufweist und vorzugsweise geriffelt ist, legt sich eng um den auf einem feuerfesten Tragelement befindlichen Oxydationskatalysator 15 und berührt ihn und die Innenseite des Gehäuses 11, um mechanische Erschütterungen zu absorbieren und Unterschiede der Wärmeausdehnung zwischen der Gehäusewand aus Metall und dem aus feuerfester Keramik bestehenden Träger des Katalysators 15 zu kompensieren. Vorzugsweise stellt das Teil 33 ein geriffeltes Metallgewebe dar, weil ein Metallgewebe wesentlich grössere Flexibilität und Festigkeit hat als etwa ein geriffeltes Blech. Das Metallgewebe bietet zahlreichere Berührungspunkte mit dem auf einem Träger gehaltenen Oxydationskatalysator 15 und entsprechend besser ist die Stoßabsorption und die Kompensation der Wärmeausdehnung bei dem Metallgewebe.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind vier Rippen 60 vorgesehen, die von der Innenseite des Gehäuses 11 nach innen in Richtung auf das Katalysatorelement 15 verlaufen. Die Rippen sind an dem Gehäuse fest angebracht und ziehen in Längsrichtung und parallel an der Gehäusewand entlang. Die Rippen 60 enden ganz kurz vor den jeweiligen Flanschen 34 und 36. Die Rippen 60 bestehen im allgemeinen aus Metall und sind im wesentlichen unverbiegbar unter der Krafteinwirkung, der. sie während des Betriebs der Vorrichtung ausgesetzt sind._%J Die Rippen können an die Gehäusewand geschweißt sein, sie,?..,?,.. können auch auf andere Weise gebildet sein, z.B. durch ..^ ...... Herstellen von Einbuchtungen in dem Gehäuse, so daß dessen

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Aussenseite geriffelt aussieht. Die Rippen 60 stehen in das Gehäuse 11 um einen Betrag vor, der das Einschieben des einheitlichen Katalysatorelements 15 und des Teils erlaubt, aber die Rippen berühren das Kontaktteil 33 zumindest an einigen Punkten im Längsverlauf jeder Rippe. Die Berührungspunkte können sich an hochstehenden Punkten des Bauteils 33 ausbilden. Der Spalt 30 kann beispielsweise 3,2 mm (1/8 ") breit sein, das geriffelte Teil kann eine Metallstärke von 1,6 mm (1/16 ") besitzen, wobei die Riffelungen eine Gesamtstärke von 6,4 mm (1/4 ") im nicht zusammengedrückten Zustand besitzen, und die Rippen 60 greifen um 1,6 mm (1/16 ") von der Innenseite aus nach , innen aus.

Durch die Ausbildung von Rippen 60 wird die Drehbewegung des einheitlichen Katalysators 15 auf ein Minimum herabgesetzt, und der Katalysator bleibt während des Betriebs der Vorrichtung in unveränderter Lage, unabhängig auch von der Bewegung des Fahrzeugs,_ an dem er angebracht ist. Da die Drehung des Katalysators 15 geringfügig ist, entsteht nur sehr geringer oder überhaupt kein Verschleiß der Seiten durch die Flanschen, und das Hinauspressen des Katalysators durch die von dem Flansch 36 gebildete Öffnung wird vermieden.

Eine weitere, in den Fig. 1 und 2 gezeigte Verbesserung stellt der Kreisring 61 dar, der vollständig um die Innenwand des Gehäuses 11 verläuft und dabei die Rippen 60 in etwa der Hälfte ihrer Länge (Fig. 1) unterbricht. Die Rippen 60 können aber auch den Ring 61 unterbrechen, aber in jedem Fall ist der Ring 61 ähnlich ausgebildet wie die Rippen 60, indem er das geriffelte Bauteil 33 berührt und das Katalysatorelement 15 während des Betriebs der Vorrichtung vor Längsbewegungen innerhalb des Gehäuses 11 bewahrt.

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Anstelle des Rings 61 oder zusätzlich hierzu kann eine Kerbe 69 vollständig um die Umfangsflache des Katalysatorelements und senkrecht zu dessen Längserstreckung geführt werden (vgl. Fig. 2a). Die Kerbe kann beispielsweise 1,6 mm (1/16 ") tief und 6,4 mm (1/4 ") breit sein. Wegen des engen Sitzes und der auf das federnde Bauteil 3 3 ausgeübten Druckkraft, wird das Bauteil 33 teilweise in die Kerbe 69 gedrückt und mit ihr verzahnt.

Bei der in den Fig. 3 und 4 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der Erfindung reichen die Ansätze 62 in das Gehäuse 11 hinein, berühren das geriffelte Bauteil 3 3 und drücken es an einer Anzahl Punkte am Umfang und in der Längserstreckung des Katalysatorelements 15 zusammen. Die Ansätze 62 können durch Eindrücken von Vertiefungen in das Gehäuse 11 hervorgebracht werden, aber auf jeden Fall stehen sie so weit in das Gehäuse vor, daß sie mit dem geriffelten Bauteil 33 zusammenwirken und das einheitliche Katalysatorelement im Betrieb gegen Dreh- und LängsVerlagerungen schützen. Die Ansätze 62 dürfen daher ebenso weit vorstehen, wie es oben für die Rippen 60 und den Ring 61 angegeben ist. Die Form der Ansätze 62 kann als hügelartig bezeichnet werden.

Die erfindungsgemässe Reinigungsvorrichtung wurde, abgesehen von dem einheitlichen, von einem feuerfesten Gerüst getragenen Oxydationskatalysator, aus Eisenblech hergestellt, sie kann aber auch aus anderen Metallen fabriziert werden, soweit diese die hohen Temperaturen aushalten, denen die Vorrichtung ausgesetzt ist, nämlich bis zu 800⁰C und mehr. Der auf einem Träger befindliche Oxydationskatalysator kann ein zusammenhängendes festes Gerüst aus beispielsweise Polychroit aufweisen. Das Gerüst kann an seinem Innenteil Poren aufweisen und es können auch Oberflächenporen vorkom-

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men, die in Verbindung mit den Gaskanälen 4 3 stehen, die das Traggerüst durchsetzen. Die Kanäle H3 haben, wie aus den Figuren ersichtlich ist, trapezförmigen Querschnitt und werden durch die Riffel 49 und die insgesamt waagerecht verlaufenden Schichten 50 des Gerüsts begrenzt. Ein aktiviertes hitzebeständiges Metalloxid, beispielsweise eine Gamma-Systern- oder aktivierte Tonerde kann an der Oberseite der GasStrömungskanäle 43 ausgebildet werden, ebenso auf den Flächen der oberflächlichen, mit den Kanälen Ί3 in Verbindung stehenden Poren. Die Metallkomponente des Oxydationskatalysators kann von einem aktiven hitzebeständigen Metalloxid getragen werden. Die Metallkomponente des Katalysators kann beispielsweise ein Metall der Platingruppe, Nicht-Edelmetall oder Kombinationen beider auf dem aktiven hitzebeständigen Metalloxid niedergeschlagen, sein. Etwas Katalysatormetall kann auch unmittelbar auf den Gerüstflachen niedergeschlagen werden.

Das einheitliche Traggerüst des erfindungsgemässen Oxydationskatalysators ist ausgezeichnet durch eine grosse Zahl von Strömungskanälen, die sich in der mittleren Gasströmungsrichtung durch den Katalysator ziehen. Der Katalysatorträger ist in dem Reiniger derart angebracht, daß seine zusammenhängende Struktur den grösseren Teil der Querschnittsfläche des Reaktionsbereichs einnimmt, wobei der schmale Spalt 30 zwischen dem Gerüst und der Wand der Reinigungsvorrichtung verbleibt. Vorzugsweise wird das einheitliche Traggerüst so geformt, daß es in die Reaktionszone des Gehäuses der Reinigungsvorrichtung paßt, in das es gesetzt werden soll, und der einheitliche Katalysatorträger wird mit seinen Gaskanälen in Längsrichtung eingesetzt, d.h. die Kanäle verlaufen in der mittleren Gasströmungsrichtung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Reinigungsvorrichtung, so daß die Gase während des Durchströmens des Umwandlungsgeräts durch die

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Kanäle fließen. Die Strömungskanäle brauchen nicht geradlinig durch das Katalysatorgerüst zu verlaufen und können Strömungsumlenker und Stauvorrichtungen aufweisen.

Das Traggerüst besteht vorzugsweise aus einem chemisch vollständig und katalytisch relativ inerten, starren, festen Material, das seine Form und Festigkeit bei hohen ■ Temperaturen, d.h. beispielsweise bei 1100 C und mehr, beibehält. Das Gerüst soll einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, gute Temperaturwechselfestigkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen. Das Traggerüst ist häufig porös, aber die Oberfläche soll verhältnismässig porenarm sein und es kann sich als zweckmässig erweisen, die Oberfläche aufzurauhen, so daß die Katalysatorbeschichtung besser gehalten wird, vor allem, wenn der Träger verhältnismässig porenarm ist. Als Träger kann eine Glaskeramik dienen, die aber vorzugsweise unglasiert ist und im wesentlichen kristallin und durch das Fehlen nennenswerter Mengen glasiger oder amorpher Matrix, wie sie sich beispielsweise bei Porzellanwerkstoffen finden, ausgezeichnet ist. Ferner kann das Traggerüst eine deutliche zugängliche Porosität besitzen, wodurch es sich von dem praktisch nicht-porösen Porzellan für elektrische Verwendung unterscheidet, das sich durc eine verhältnismässig geringfügige zugängliche Porosität auszeichnet. Die Wände der Kanäle des einheitlichen Traggerüsts können eine Vielzahl grosser Oberflächenporen aufweisen, die mit den Kanälen verbunden sind und eine erheblich vergrösserte erreichbare Katalysatoroberfläche darbieten, wobei kleine Poren wegen der Hochtemperaturbeständigkeit und Festigkeit fehlen. Die Oberflächengrösse solcher Träger kann in der GrossenOrdnung zwischen 0,001 und 0,01 m /g liegen, wobei die Kanäle eingeschlossen sind, während aber die Gesamtoberfläche vorzugsweise ein Vielfaches dieser Zahl beträgt, so daß die Katalysatorreaktionen in grossem Umfang in den grossen Poren ablaufen kön~

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Die geometrische oder scheinbare Oberfläche des Trägers einschließlich der Wände der Gaskanäle, dürfte häufig zwischen 0,5 und 6, vorzugsweise bei 1 bis 2,5 m je Liter Träger liegen. Die den einheitlichen Baukörper durchziehenden Kanäle können beliebige Form und Grosse haben, soweit das mit der verlangten Oberflächengrösse in Einklang zu bringen ist; sie sollten so groß sein, daß das Gemisch aus Auspuffgasen und sauerstoffhaltigem Gas ungehindert passieren kann. Die Kanäle können parallel oder ungefähr parallel verlaufen und von einer zur anderen Seite reichen, wobei diese Kanäle voneinander durch vorzugsweise dünne Wände getrennt werden. Die Kanäle können auch nach mehreren Richtungen führen und können auch mit einem oder mehreren benachbarten Kanälen zusammenlaufen. Die Einlaßöffnungen der Kanäle können über praktisch die gesamte Fläche oder den Gesamtquerschnitt des Trägers, die anfänglich mit dem umzusetzenden Gas in Berührung kommt, verteilt sein. Die bevorzugten Traggerüste bestehen aus Polychroit, Polychroit-Alpha-Tonerde, Zirkon-Mullit, Spodumen, Tonerde-Kieselerde-Magnesiumoxid allein oder in Verbindung miteinander, und Trägerwerkstoffe, die anstelle der vorzugsweise eingesetzten Materialien verwendet werden, sind Fibrolith, Magnesiumsilikate, Zirkon, Petalit, Alpha-Tonerde und Aluminosilikate.

Die Gaskanäle des auf einein einheitlichen Träger befindlichen Katalysators können als dünnwandige Kanäle ausgebildet sein, die einen verhältnismässig grossen Oberflächenbereich darbieten. Die Kanäle können QuerSchnittsformen und -grössen einer oder mehrerer Arten aufweisen. Die Kanäle können beispielsweise die Querschnittsform eines

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Trapezes, eines Rechtecks, eines Quadrats, eines Kreises oder einen sinusartigen Querschnitt haben, so daß die Querschnitte des Trägers ein sich wiederholendes Muster aufweisen, das als wabenförmig, geriffelt oder gitterartig bezeichnet werden kann. Die Wände der zellenartigen Kanäle haben insgesamt eine Stärke, die zur Bildung eines festen einheitlichen Baukörpers erforderlich ist, und die Stärke liegt häufig im Bereich zwischen etwa 0,05 und 0,25 nun (2 bis 10 mils). Bei dieser Wandstärke können die Traggerüste zwischen etwa 100 und 2500 oder mehr Gaseinlaßöffnungen je Quadratzoll (6, 45 cm ) aufweisen und eine entsprechende Zahl an Gaskanälen, vorzugsweise zwischen etwa 150 und 500 Gaseinlaßöffnungen je Quadratinch (6,45 cm ) Die offene Fläche des Querschnitts kann 60 % der Gesamtflächengrösse überschreiten. Grosse und Abmessungen des erfindungsgemässen einheitlichen Traggerüsts aus hitzebeständigem Material können variiert werden.

Das hitzebeständige Metalloxid in der bevorzugten Ausführungsform des Katalysators wird auf dem einheitlichen Träger als kontinuierlicher oder nichtkontinuierlicher dünner Niederschlag in einer bevorzugten Stärke von etwa 0,01 bis 0,25 mm (0,0004 bis 0,001 ") abgelagert. Ein solches katalytisch wirksames Oxid kann ein geglühtes hitzebeständiges Metalloxid sein, das seinerseits eine poröse Struktur und ein verhältnismässig grosses inneres Porenvolumen und entsprechend grosse Gesamtoberfläche besitzt.

Im allgemeinen beträgt die Gesamtoberfläche des aktiven

hitzebeständigen Metalloxids mindestens 25 m /g, vorzugs-

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weise mindestens etwa 100 m /g. Derartige Oxide lassen sich durch Dehydrieren der Hydratform des Oxids durch Glühen bei Temperaturen, die üblicherweise zwischen etwa 150 und 800⁰C liegen, herstellen. Die bevorzugten aktiven Metalloxide enthalten Stoffe aus der Gruppe der aktivierten

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Tonerde, die beispielsweise durch Ausfällen von wasserhaltigem Tonerdegel und anschliessendes Trocknen und Glühen zum Austreiben von Hydratwasser und Bereiten der aktiven Tonerde gebildet werden können. Ein besonders zu bevorzugendes aktives hitzebeständiges Metalloxid wird durch Trocknen und Glühen (bei Temperaturen von etwa 300 bis 800 C) eines Gemischs aus wasserhaltigen Tonerdevorstufen, die als kristallines Trihydrat vorherrschen, gewonnen, d.h. mit einem Oberschuß in der gesamten Tonerdehydratverbindung von ungefähr 50 %, vorzugsweise mindestens ungefähr 65 % der Trihydratformen Hydrargillit, Bayerit oder Nordstrandit oder mehrerer von ihnen, bestimmt durch Röntgenbeugung. Als Ausgleich des Hydrats kann amorphe wasserhaltige oder Böhmit-Tonerde oder eine Mischung beider dienen. Zu den sonstigen aktiven Oxiden sind beispielsweise zu rechnen: aktives oder geglühtes Berylliumoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Siliciumoxid, Spinelle usw. und Kombinationen von Oxiden, etwa Boroxid-Aluminiumoxid, Thoriumoxid-Aluminiumoxid, Zirkonoxid-Aluminiumoxid, Siliziumoxid-Aluminiumoxid usf». Vorzugsweise herrschen in dem aktivierten hitzebeständigen Oxid Oxide von mindestens einem Metall der Gruppen II, III und IV mit einer Ordnungszahl von höchstens 40 vor. Der Niederschlag von aktivem hitzebeständigen Oxid kann beispielsweise ungefähr 10 bis 150 g/l des einheitlichen Trägers ausmachen, vorzugsweise etwa 30 bis 120 g/l.

Die hier bevorzugten Oxydationskatalysatoren enthalten Metalle der Platingruppe, z.B. Platin, Rhodium, Palladium oder Iridium, Nicht-Edelmetalle oder Kombinationen dieser Metalle. Die ebenfalls verwendbaren Oxydationskatalysatoren umfassen beispielsweise Cr, Mn, V, Cu, Fe, Co, Ni oder andere Metalle und deren Verbindungen einzeln oder in Kombinationen. Das katalytisch wirkende Metall kann eine Kombination der genannten Metalle oder ihrer Oxide oder kombi-

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nierter Formen sein. Das Metall liegt in katalytisch . wirksamer Menge vor und umfaßt häufig nur einen geringen Gewichtsanteil des gesamten Katalysatorelements 15, aber vor allem von den Nicht-Edelmetallen können grössere Mengen benutzt werden.

Beim Betrieb strömen die Abgase aus einem Verbrennungsmotor, zum Beispiel von einem fremdgezündeten Verbrennungs-Hubkolbenmotor eines Kraftfahrzeugs oder eines Gabelstaplers mit einem Gehalt an verbrennbaren luftverunreinigenden Bestandteilen, beispielsweise an Kohlenwasserstoffen, oxygenierten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, mit hoher Geschwindigkeit aus dem Auslaßsystem des Motors, vermischt mit einer Menge Sauerstoff, die für die Verbrennung der verbrennbaren Bestandteile erforderlich ist, vorzugsweise in einer grösseren Menge als sie der stöchiometrisch für die Verbrennung erforderlichen Menge entspricht. Der Sauerstoff kann in den Auspuffgasen vorliegen, weil der Motor ein mageres Kraftstoffgemisch verbrannt hat, oder man kann Sauerstoff, etwa als Luft, dem Auspuffgas zumischen. Die sauerstoffhaltigen Auspuffgase gelangen bei erhöhter Temperatur in den Eintrittsstutzen 19 des katalytisch arbeitenden Reinigers,10 und in und durch die Vielzahl von Strömungskanälen ^3, die durch den auf einem Träger befindlichen Katalysator 15 verlaufen. Die gasförmige Mischung kommt"in Berührung mit der katalytisch wirkenden aktiven Komponente in den oberflächlichen Großporen des auf einem porösen Träger befindlichen Katalysators 15 und auf der Oberfläche der Strömungskanäle 4 3 bei einer Temperatur des Trägerkatalysators von üblicherweise etwa 150 bis 750 C, wodurch die verbrennbaren luftverunreinigenden Bestandteile zu weniger schädlichen Gasen, beispielsweise CO₂ und U^O oxydiert werden. Die derart gereinigten Gase gelangen dann aus der Reinigungsvorrichtung 10 durch den Austrittsstutzen 20 entweder unmittelbar in die Atmosphäre

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oder in ein Auspuffrohrende, durch das sie endgültig in die Umgebungsluft austreten. Während dieses Vorgangs wird das Katalysatorelement in seinem Gehäuse 11 festgehalten.

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Claims

B-108 2 19. Mai 1^g 24679 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Reinigen, von Gasen, mit einem im wesentlichen kreiszylindrischen Gehäuse, einen abgeschlossenen Raum darstellend, gekennzeichnet durch einen mit dem Gehäuse (11) verbundenen Gaseinlaß (12) und einen mit dem Gehäuse (11) verbundenen Gasauslaß (13),

einen im wesentlichen kreiszylindrischen, einheitlichen Oxydationskatalysator (15), dessen Durchmesser geringer ist als der von dem Gehäuse (11) umschlossene Raum und der zwischen Gaseinlaß (12) und Gasauslaß (13) angeordnet ist, wobei der Katalysator (15) ein festes Trägergerüst mit einer Anzahl Gaseintrittsöffnungen (16) und einer Anzahl Gasaustrittsöffnungen sowie gasdurchströmten Kanälen (43) in dem Trägergerüst von dem Gaseinlaß zum Gasauslaß aufweist soviie einen Oxydationskatalysator auf den Oberflächen an diesen Gasströmungsbahnen,

einen engen Ringraum (30) zwischen dem einheitlichen Oxydationskatalysator und der Wandinnenseite des Gehäuses (11),

eine Gassperre am stromab gelegenen Teil des Gehäuses (11), das den Zwischenraum zwischen der Innenseite des Gehäuses (11) und dem stromab gelegenen Randteil des Katalysatorträgers überbrückt, aber doch den Gasaustritt aus dem einheitlichen Katalysator ermöglicht,

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ein federndes Bauteil (33), das den einheitlichen Oxydationskatalysator druckausübend umgibt, zwischen dem Katalysator und der Wandinnenseite des Gehäuses (11), ein nach innen vorspringendes Teil (60) an der Wandinnenseite des Gehäuses (11), wobei die Oberfläche dieses Teils (60) das fendernde Bauteil (33) druckaus-. übend berührt, um das federnde Bauteil (33) und den Katalysator gegen Verdrehung in demGehäuse (11) zu schützen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wandinnenseite des Gehäuses (11) eine Anzahl nach innen vorspringender Teile (60) vorgesehen sind, und daß mindestens eines dieser Teile (60) an der Wandinnenseite des Gehäuses (11) um mindestens ungefähr gegen die Mitte des Gehäuses (11) versetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wandinnensite des Gehäuses (11) ein nach innen vorspringendes Teil (61) vorgesehen ist, das das federnde Bauteil (33) berührt, um den Katalysator gegen eine Längsverlagerung in dem Gehäuse (11) zu sichern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umfangsflache des Katalysators eine Kerbe (69) vorgesehen ist, die den Katalysator gegen eine Längsverlagerung in dem Gehäuse (11) sichert.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei nach innen vorspringende Teile (60) vorgesehen sind, die um mindestens 90 gegeneinander, gemessen an der Gehäusemitte, versetzt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen vorspringenden Flächen (60) in Längsrichtung und im wesentlichen parallel zueinander und zur Längsrichtung des Gehäuses (11) verlaufen.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine nach innen vorspringende Fläche (62) an der Wandinnenseite des Gehäuses (11) in Kontakt mit dem federnden Bauteil (33) vorgesehen ist, welche Fläche den Katalysator gegen eine Längsverlagerung in dem Gehäuse (11) sichert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen vorstehenden Flächen als hügelartige VorSprünge (6 2) an der Wandinnenseite des Gehäuses (11) ausgeführt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach innen vorspringendes, den Gasdurchtritt verhinderndes Bauteil (34) an dem stromauf gelegenen Abschnitt des Gehäuses (11) vorgesehen ist, welches absperrende Bauteil (34) den Zwischenraum (30) zwischen der Wandinnenseite des Gehäuses (11) und dem stromauf

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gerichteten Randabschnitt des Katalysatorträgers überbrückt aber das Gas in den einheitlichen Katalysator eintreten läßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem federnden Bauteil (3 3) um ein flexibles, geriffeltes Metallgewebe handelt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß aktive Tonerde auf den Oberflächen des Katalysatorträgers angebracht ist, die mit den Gaskanälen (43) in Verbindung sind, und daß ein Metall der Platingruppe als Oxydationskatalysator von der aktivierten Tonerde aufgenommen ist.

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