DE60221141T2

DE60221141T2 - Monolithisches system, verfahren für stoff- und/oder wärmetausch und anlage dafür

Info

Publication number: DE60221141T2
Application number: DE60221141T
Authority: DE
Inventors: Tor Bruun; Bjornar Werswick; Kare Kristiansen; Leif Gronstad
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: DE60221141D1; ATE366907T1; EP1444475A1; NO20015134L; NO20015134D0; EP1444475B1; ES2286281T3; WO2003033985A1; JP2005505743A; US20040261379A1; NO321805B1; JP4052587B2; DK1444475T3; US7285153B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein monolithisches System, ein Verfahren zum Stoff- und/oder Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen, wobei zwei Gase in eine monolithische Mehrkanalstruktur zugeführt werden und aus dieser abgeführt werden, und eine Anlage zur Herstellung einer chemischen Zusammensetzung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 14 bzw. 17. Ein solches System, Verfahren und eine solche Anlage sind beispielsweise aus DE-A-196 53 989 bekannt. Die Gase sind üblicherweise zwei Gase mit unterschiedlichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften.
Die Gase, hier als Gas 1 und Gas 2 bezeichnet, werden in Kanäle für Gas 1 bzw. in Kanäle für Gas 2 zugeführt. Gas 1 und Gas 2 sind in dem Monolithen derart verteilt, dass wenigstens eine der Kanalwände geteilt wird oder eine gemeinsame Wand für Gas 1 und Gas 2 ist. Die Wände, bei denen es sich um gemeinsame Wände für die beiden Gase handelt, bilden dann einen Kontaktbereich zwischen den beiden Gasen, der für einen Stoff- und/oder Wärmeaustausch zur Verfügung steht. Dies bedeutet, dass die Gase in Kanäle zugeführt werden müssen, die über den gesamten Querschnittsbereich des Monolithen verteilt sind. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, den gesamten Kontaktbereich oder sämtliche Kanalwände des Monolithen direkt für einen Wärme- und/oder Stoffaustausch zwischen Gas 1 und Gas 2 zu nutzen. Dies bedeutet, dass sich bei einem Kanal für das eine Gas auf der anderen Seite seiner Kanalwände immer das andere Gas befinden wird, d.h. alle angrenzenden oder benachbarten Kanäle zu Gas 1 enthalten Gas 2 und umgekehrt. Die vorliegende Erfindung ist besonders für die Herstellung kompakter keramischer Membranstrukturen und/oder Wärmeaustauscherstrukturen, die mit Gasen mit hohen Temperaturen umgehen müssen, anwendbar. Typische Anwendungen sind Sauerstoff-leitende Keramikmembranen, Wärmeaustauscher für Gasturbinen und Wärmeaustauscher-Reformer für die Herstellung von Synthesegas.
Ein kennzeichnendes Merkmal monolithischer Mehrkanalstrukturen ist, dass sie aus einem Körper mit einer großen Zahl von inneren längslaufenden und parallelen Kanälen bestehen. Der gesamte Monolith mit all seinen Kanälen kann in einem Vorgang hergestellt werden und die verwendete Herstellungstechnik ist normalerweise Extrusion. Die Kanäle des Monolithen sind typischerweise in einer Größenordnung von 1–6 mm und die Wanddicke beträgt normalerweise 0,1–1 mm. Eine monolithische Mehrkanalstruktur mit Kanälen der angegebenen Größe erzielt einen großen Oberflächenbereich pro Volumeneinheit. Die typischen Werte für Monolithe mit den angegebenen Kanalgrößen liegen bei von 250 bis 1000 m²/m³. Ein weiterer Vorteil von Monolithen sind die geraden Kanäle, die einen geringen Strömungswiderstand für das Gas erzeugen. Die Monolithe sind normalerweise aus keramischen oder metallischen Materialien ausgebildet, die hohe Temperaturen zulassen. Dies macht sie robust und in Hochtemperaturverfahren besonders nützlich.
In industriellen oder kommerziellen Zusammenhängen werden Monolithe hauptsächlich dann verwendet, wenn durch alle Kanäle in dem Monolithen nur ein Gas strömt. Die Kanalwände in dem Monolithen können mit einem Katalysator beschichtet sein, der in dem durchströmenden Gas eine chemische Reaktion hervorruft. Ein Beispiel hierfür sind monolithische Strukturen in Kraftfahrzeugabgassystemen. Das Abgas erwärmt die Wände in dem Monolithen auf eine Temperatur, die bewirkt, dass der Katalysator die Oxidation unerwünschter Bestandteile in dem Abgas aktiviert.
Monolithische Strukturen werden außerdem verwendet, um Wärme aus Verbrennungsgasen oder Abgasen auf die ankommende Luft für Verbrennungsprozesse zu übertragen. Ein Verfahren beinhaltet zwei Gase, beispielsweise ein heißes und ein kaltes Gas, die abwechselnd durch den Monolithen strömen. Mit einem solchen Verfahren kann beispielsweise das Abgas die monolithische Struktur aufheizen und anschließend Wärme an kalte Luft abgeben. Die Luft wird dann die in dem Material der Struktur gespeicherte Wärme aufnehmen. Wenn die Wärme aus dem Material emittiert ist, wechselt der Gasfluss durch den Monolithen zurück zu Abgas und der gesamte Kreislauf wiederholt sich. Solche regenerative Wärmeaustauschverfahren mit Kreisläufen, in denen zwei Gase sich in derselben Struktur abwechseln (eines heiß, eines kalt), sind jedoch nicht geeignet, wenn eine Vermischung der beiden Gase unerwünscht ist oder wenn ein stabiler und kontinuierlicher Wärme- und/oder Stoffaustausch benötigt wird. Die industrielle Verwendung von Monolithen ist hauptsächlich auf solche Anwendungen beschränkt, in denen nur ein Gas gleichzeitig durch alle Kanäle strömt.
In der Literatur sind zahlreiche Verfahren oder Anwendungen beschrieben, bei denen Monolithe verwendet werden können, um den Wärme- und/oder Stoffaustausch zwischen zwei verschiedenen Gasströmen zu begünstigen. Experimentelle Tests in kleinem Maßstab wurden mit solchen Verfahren ebenfalls durchgeführt. Ein Beispiel dafür ist die Herstellung von Synthesegas (CO und H₂). Synthesegas wird normalerweise unter Verwendung von Steamreforming hergestellt. Dabei handelt es sich um eine endotherme Reaktion, in der Methan und Dampf unter Bildung von Synthesegas reagieren. Ein solches Verfahren kann vorteilhafterweise in einem Monolithen durchgeführt werden, in dem eine exotherme Reaktion in angrenzenden Kanälen dem Steamreforming Wärme zuführt.
Obwohl gezeigt worden ist, dass es in zahlreichen Anwendungen vorteilhaft wäre, Monolithe für einen Stoff- und/oder Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen zu verwenden, ist die industrielle Verwendung von Monolithen für solche Anwendungen nicht sehr weit verbreitet. Einer der wichtigsten Beanstandungspunkte oder Gründe, warum Monolithe in diesem Bereich nicht eingesetzt werden, besteht darin, dass die Technologie des Standes der Technik zur Zufuhr der beiden Gase in die separaten Kanäle des Monolithen bzw. zur Abfuhr aus diesen heraus sehr kompliziert und für ein Upscaling (d.h. eine Verbindung mehrerer Monolitheinheiten) nicht besonders geeignet ist, insbesondere in Anbetracht der großen Anzahl von Kanälen in einem Monolithen.
Das deutsche Patent DE 196 53 989 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Zuführen von zwei Gasen in die Kanäle des Monolithen über Zufuhrrohre. Diese Zufuhrrohre führen die beiden Gase aus den Verteilerkammern der jeweiligen Gase in die jeweiligen Kanäle des Monolithen zu. Die Verteilerkammern befinden sich außerhalb voneinander und die Rohre aus der äußeren Kammer müssen durch die innere Kammer und anschließend in die Kanäle des Monolithen zugeführt werden. Jedes Rohr muss abgedichtet werden, um eine Leckage aus den Kanälen des Monolithen und aus Durchführungen in den Wänden der Verteilerkammern zu verhindern.
Bei der Erwärmung dehnen sich der Monolith, Verteilerwände, Rohre und Dichtungsmaterial aus, und bei der Abkühlung ziehen sie sich zusammen. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit von Rissbildung und unerwünschtem Leckwerden, mit der Konsequenz einer Vermischung der beiden Gase, erhöht. Diese Wahrscheinlichkeit erhöht sich mit der Anzahl von Rohrdurchführungen.
In DE 196 53 989 werden Einlass- und die Auslasszone mit den abgedichteten Rohren gekühlt, so dass ein flexibles Niedertemperatur-Dichtungsmaterial verwendet werden kann und das Risiko von Rissbildung und Leckage verringert werden kann. Ein Kühlungssystem verteuert natürlich die monolithische Struktur und macht sie komplizierter, insbesondere bei Anwendungen in großem Maßstab, in denen der Monolith aus vielen tausend Kanälen besteht und bei denen es außerdem erforderlich ist, viele monolithische Strukturen in Reihe und/oder parallel zu verwenden, um einen ausreichenden Oberflächenbereich zu erzielen.
Das US-Patent 4,271,110 beschreibt ein weiteres Verfahren für die Zu- und Abfuhr von zwei Gasen. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, dass auf Rohrzuführungen aus der Verteilerkammer zu den Kanälen der jeweiligen Gase in der monolithischen Struktur vollständig verzichtet werden kann. Dies wird dadurch erzielt, dass an den Enden des Monolithen parallele Spalten eingeschnitten werden. Diese Schnitte oder Spalten führen in die Kanäle für eines der Gase hinein oder aus diesen heraus. Die eingeschnittenen Spalten entsprechen dann einer Verteilerkammer für die Reihe von Kanälen, die der Spalt durchschneidet. Indem diejenige Öffnung des Spaltes abgedichtet wird, die in Richtung des Endes des Monolithen nach außen zeigt, werden in der Seitenwand des Monolithen Öffnungen erzeugt, durch die eines der Gase ein- oder austreten kann. Das andere Gas tritt dann an dem kurzen Ende des Monolithen in die verbleibenden offenen Kanäle ein oder aus diesen aus. Der größte Nachteil dieses Verfahrens, abgesehen von der notwendigen Bearbeitung (Schneiden und Abdichten) der monolithischen Struktur selbst, besteht darin, dass nur die Hälfte das verfügbaren Bereichs für einen Stoff- und/oder Wärmeaustausch genutzt werden kann. Beispielsweise müssen quadratische Kanäle für ein Gas und das andere Gas in verbundenen Reihen liegen, so dass die Kanalstruktur für die beiden Gase einem Platten-Wärmeaustauscher entspricht. Wenn die Kanäle für die beiden Gase wie in einem Schachbrettmuster verteilt wären, wobei die schwarzen Felder Kanälen für das eine Gas entsprechen und die weißen Felder Kanälen für das andere Gas entsprechen, so könnte die maximale Ausnutzung der Fläche erzielt werden, da bei einem solchen Gasverteilungsmuster alle Wände der Kanäle für das eine Gas geteilt würden oder gemeinsame Wände mit denjenigen des anderen Gases wären. Bei Gaskanälen für dasselbe Gas in einer Reihe wie in US-Patent 4,271,110 befände sich nur grob die Hälfte der Kanalwände in Kontakt mit denjenigen des anderen Gases.
Durch Verwendung von Extrusionstechnologie für die Herstellung einer monolithischen Struktur bestehen zahlreiche Möglichkeiten zur Beeinflussung der geometrischen Form der Kanäle. Extrusion als Herstellungsverfahren bedeutet, dass die gesamte monolithische Struktur in einem Vorgang hergestellt wird. Der Querschnittsbereich der Kanäle kann sowohl in Form als auch Größe variieren. Der Querschnittsbereich der Kanäle kann mit einheitlicher Größe und Form hergestellt werden, wobei es sich am häufigsten beispielsweise um eine dreieckige, quadratische oder hexagonale Form handelt. Kombinationen verschiedener geometrischer Formen sind jedoch ebenfalls denkbar. Die geometrische Form ist zusammen mit der Größe des Kanals entscheidend für die mechanische Festigkeit und den verfügbaren Oberflächenbereich pro Volumeneinheit.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Verfahren und eine Ausstattung für die Zufuhr von zwei Gasen in eine monolithische Mehrkanalstruktur hinein und aus dieser heraus zu erreichen, so dass eine maximale Ausnutzung des Bereichs erzielt wird.
Bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, dass Einschnitte wie in US 4,271,110 beschrieben oder Zufuhrrohre wie in DE 1965398 C2 beschrieben, vorhanden sind.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein monolithisches System für den Stoff- und/oder Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen, wobei das System eine monolithische Mehrkanalstruktur und einen Verteilerkopf umfasst, worin die Kanäle in der monolithischen Struktur mindestens eine gemeinsame Wand für die beiden Gase aufweisen und der Verteilerkopf an mindestens einem Ende der monolithischen Struktur befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkopf angrenzende Sammelspalten umfasst, die mittels Trennplatten gebildet sind, die in dem Verteilerkopf derart angeordnet sind, dass sie an den Kanalwänden in der monolithischen Struktur befestigt werden können und worin der Abstand zwischen den Trennplatten an die Größe der Kanäle in der monolithischen Struktur angepasst ist, wobei ein oder mehrere Kanäle mit den angrenzenden Sammelspalten kommunizieren, so dass die Kanäle mit dem selben Gas durch die Trennplatten in dem Verteilerkopf getrennt gehalten werden und jede Sammelspalte nur ein Gas enthält.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Stoff und/oder Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen, bei dem die zwei Gase durch eines oder mehrere monolithische Systeme geführt werden, entsprechend Anspruch 14.
Die vorliegende Erfindung kann in eine chemische Anlage integriert werden. Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher eine Anlage zur Herstellung einer chemischen Zusammensetzung entsprechend Anspruch 17, wobei eines oder mehrere erfindungsgemäße monolithische Systeme in der Anlage integriert sind.
Die vorliegende Erfindung gewährt Benutzern die Freiheit, sämtliche Arten von Formen und Größen zu verwenden und die Möglichkeit, den maximal verfügbaren Oberflächenbereich für den Wärme- und/oder Stoffaustausch zu nutzen. Das in US 4,271,110 beschriebene Verfahren erfordert, dass alle Kanäle mit demselben Gas wenigstens eine Wand teilen, so dass dann, wenn die geteilte Wand entfernt oder ausgefräst wird, ein Verbindungsspalt erzeugt wird, der eine gemeinsame Sammelkammer für das Gas bildet. Die Tatsache, dass zwei benachbarte Kanäle mit denselbem Gas wenigstens eine gemeinsame Kanalwand aufweisen müssen, bedeutet, dass die zur Verfügung stehende Wärme- und/oder Stoffaustauschfläche verringert ist. In DE 196 539 89 C2 werden Rohre verwendet, die aus den Verteilerkammern der jeweiligen Gase in die monolithischen Kanäle führen, die derart verteilt sein können, dass der maximal verfügbare Bereich genutzt werden kann, d.h. die Gase werden derart verteilt zugeführt, dass das eine Gas immer eine Wand mit dem anderen Gas teilt oder gemeinsame Kanalwände mit diesem aufweist. Die beiden Gase werden nach einem Schachbrettmuster auf die Kanäle verteilt. Dies ergibt eine maximale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Stoff und/oder Wärmeaustauschbereichs.
Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Verfahren und einer Ausstattung, wobei zwei verschiedene Gase auf effiziente Weise in ihre jeweiligen Kanäle in einer monolithischen Mehrkanalstruktur eingeleitet und aus diesen abgeleitet werden können. Es ist erforderlich, dass die Kanalöffnungen für die beiden Gase über den gesamten Querschnittsbereich des Monolithen gleichmäßig verteilt oder verbreitet sind, und dass die Kanäle gemeinsame Wände aufweisen. Durch die Ausstattung wird auf effiziente, einfache Weise dieselbe Art von Gas, beispielsweise Gas 1, aus allen Kanälen, welche dieses Gas enthalten, in einer oder mehreren Sammelkammern gesammelt, so dass Gas 1 getrennt von Gas 2 gehalten werden kann und umgekehrt.
Außerdem ist eine möglichst geringe Anzahl von Teilen oder, Bestandteilen und eine möglichst geringe Anzahl von Verarbeitungs- und Anpassungsschritten dieser Teile oder Bestandteile des Monolithen im Hinblick auf Robustheit, Komplexität und Kosten vorteilhaft. Im Prinzip gilt, dass ein umso größerer Vorteil erzielt wird, je weniger einzelne Bestandteile oder Teile vorliegen. Dies trägt zur Vereinfachung der Abdichtung zwischen den beiden Gasen bei, die in die Kanäle des Monolithen zugeführt und aus diesen abgeführt werden sollen. Es ist außerdem von großem Vorteil, wenn die Ausstattung für die Zufuhr der beiden Gase in ihre jeweiligen Kanäle in der monolithischen Struktur und aus dieser heraus vorgefertigt ist und an dem Monolithen selbst in einem oder nur wenigen Schritten befestigt wird.
Außerdem kann es günstig sein, bei einer gegebenen Kanalgröße in einem Monolithen den größtmöglichen Kontaktbereich zu erzielen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die monolithische Struktur oder die Kanalwände als Membran, beispielsweise als keramische Wasserstoffmembran oder Sauerstoffmembran, verwendet werden.
Um die größtmögliche Transportkapazität des relevanten Gasbestandteils pro Volumeneinheit der Monolithstruktur zu erzielen, ist es wichtig, die größtmögliche Kontaktfläche pro Volumeneinheit zur Verfügung zu haben. Es ist daher wünschenswert, dass bei einem Gas, das in einem Kanal strömt, an allen Seitenwänden, welche den Kanal bilden, das andere Gas vorliegt. Bei Verwendung von quadratischen Kanälen müssen beispielsweise die beiden Gase durch den Monolithen in einem Kanalmuster das einem Schachbrett entspricht, strömen, d.h. ein Gas in „weißen" Kanälen und das andere Gas in „schwarzen" Kanälen. Neben der großen Bedeutung für den Stoffaustausch zwischen zwei Gasen ist der größtmögliche direkte Kontaktbereich auch für die Effizienz des Wärmeaustauschs wichtig.
Je kleiner die Kanäle sind, umso größer ist der spezifische Oberflächenbereich in dem Monolithen. Um kompakte Lösungen zu erzielen, ist es daher wünschenswert, so kleine Kanäle wie praktisch möglich zur Verfügung zu haben.
An den Enden des Monolithen, an denen die Kanäle des Monolithen ihre Einlässe und Auslässe haben, ist über den Kanalöffnungen des Monolithen ein Verteilerkopf befestigt. Für einige Anwendungen kann es notwendig sein, nur an einem Ende des Monolithen einen Verteilerkopf zu befestigen. Der Verteilerkopf umfasst Trennplatten, die in einem Abstand, der an die Größe der Kanäle in dem Monolithen angepasst ist, befestigt sind. Der Abstand oder Raum zwischen den Platten sammelt Gas aus den Kanälen, die in derselben Reihe liegen. Dieser Raum wird als Sammelspalte bezeichnet. Die Reihen von Kanälen verlaufen vorzugsweise schräg über das gesamte kurze Ende des Monolithen und umfassen entweder Einlass- oder Auslasskanäle für dasselbe Gas. Diese Reihen von Gaskanälen mit demselben Gas werden durch die befestigten Trennplatten in dem Verteilerkopf beabstandet gehalten. Die beiden Gase werden dann in ihren jeweiligen Sammelspalten gesammelt. Bei Reihen von Kanälen für dasselbe Gas befindet sich von einer Sammelspalte für das eine Gas auf der anderen Seite der Trennplatte die Sammelspalte für das andere Gas. In einem Monolithen mit quadratischen Kanälen, in dem dasselbe Gas in Reihen angeordnet ist, müssen die Trennplatten an den Kanalwänden in dem Monolith befestigt werden. Anstelle der direkten Befestigung der Trennplatten an den Kanalwänden in dem Monolith kann alternativ eine Platte zunächst an dem kurzen Ende des Monolithen befestigt werden. Dabei handelt es sich um eine Platte mit Löchern (Lochplatte), durch welche die Kanalöffnungen in dem Monolith herausführen, d.h. so dass Gas aus den verschiedenen Kanälen, die dasselbe Gas enthalten durch die Öffnungen der Platte abgeführt und in die Sammelspalten hinein geführt werden kann. Dies bedeutet, dass die Trennplatten in dem Verteilerkopf an der Lochplatte zwischen den Reihen von Löchern befestigt sind und nicht direkt an den Kanalwänden des Monolithen, welche die beiden Gase trennen.
Indem eine Lochplatte an dem Ende des Monolithen mit Öffnungen, die für Gas 1 und Gas 2 geeignet sind, befestigt wird, kann der beschriebene Verteilerkopf verwendet werden, wenn die Gaskanäle für Gas 1 und Gas 2 in einem Schachbrettmuster im Monolith verteilt sind. Dies stellt ein Verfahren und eine Ausstattung für die Zu- und Abfuhr von zwei getrennten Gasen dar, durch die eine maximale Ausnutzung des Oberflächenbereichs in dem Monolith ermöglicht wird. Die Gase werden aus einem schachbrettartig verteilten Muster in dem Monolith an Reihen von Löchern in der an dem Monolith befestigten Platte übertragen. Außerdem werden Gas 1 und Gas 2 aus diesen Reihen von Löchern aus den Kanälen des Monolithen abgeführt oder in diese hineingeführt, wobei Gas 1 und Gas 2 in einem Schachbrettmuster verteilt sind, wobei die quadratischen Kanalöffnungen für dasselbe Gas nur an den Ecken einen gemeinsamen Kontaktpunkt besitzen. Die Lochplatte ermöglicht, dass Gas, welches in einem Schachbrettmuster verteilt ist, in Sammelspalten abgeführt wird, die durch Trennplatten unterteilt sind, welche Gas 1 und Gas 2 voneinander trennen können. Die Löcher der Platte müssen eine geringfügig kleinere Öffnungsfläche aufweisen als die Kanalöffnungen, an denen sie befestigt sind. Zusätzlich zu einem verringerten Auslassbereich im Verhältnis zu dem Kanalbereich müssen die Öffnungen in der Platte, die an der Kanalstruktur des Monolithen befestigt ist, und die Trennplatten in dem Verteilerkopf außerdem so konzipiert und positioniert werden, dass der Abstand zwischen den Löchern, die in die Kanäle der beiden Gase hinein oder aus diesen herausführen, derart ist, dass es möglich ist, die Trennplatten zwischen die Reihen von Löchern mit Einlässen und/oder Auslässen für dasselbe Gas anzuordnen. Verwendet man das Beispiel quadratischer Kanäle, in denen die beiden Gase wie in einem Schachbrettmuster verteilt sind, so folgen die Trennplatten zwischen den beiden Gasen einer geraden diagonalen Linie zwischen Reihen von Löchern mit demselben Gas, d.h. die quadratischen Kanalöffnungen für dasselbe Gas besitzen einen gemeinsamen Kontaktpunkt an den Ecken.
Es ist nun möglich, zwei Gase, die in einer monolithischen Struktur verteilt sind, aus getrennten Sammelspalten heraus oder in diese hinein zu führen. Damit die beiden Gase getrennt gehalten werden können, wenn sie in die Sammelspalten in dem Verteilerkopf gelangen oder diese verlassen, kann dasselbe Gas zu Öffnungen in den Sammelspalten in einer Seitenkante des Verteilerkopfs geführt werden und entsprechend werden alle Sammelspalten für das andere Gas aus der zu dem ersten Gas gegenüberliegenden Kante des Verteilerkopfs abgeführt.
In einem System, in dem nicht eine einzelne Lochplatte vorliegt, welche das Gas aus jedem Kanal durch die Löcher in der Platte hinaus und direkt in die Sammelpalten des Verteilerkopfs (den Raum zwischen den Trennplatten in dem Verteilerkopf) ableitet, sondern bei einem System aus mehreren Platten, kann möglicherweise durch eine dickere Platte mit diagonalen Durchgangskanälen der Abstand zwischen den Trennplatten in dem Verteilerkopf weit größer gestaltet werden, als die Kanalöffnungen in dem Monolith.
Dies erfolgt, indem das Gas aus einem Kanal hinüber in den Fluss aus dem benachbarten Kanal geführt wird, durch diagonale Kanäle, die innerhalb des Lochplattensystems zwischen dem Monolith und dem Verteilerkopf ausgebildet sind. Gas aus einem oder mehreren benachbarten Kanälen in dem Monolith muss dann durch einen gemeinsamen Auslass zu den Sammelspalten in dem Verteilerkopf abgeführt werden. Diese gemeinsamen Auslässe/Einlässe sind in einem System so angeordnet, dass Auslässe für dasselbe Gas zusammengefasst sind und entsprechend die Auslässe für das andere Gas ebenfalls zusammengefasst sind. Diese Ansammlungen von Auslässen für dasselbe Gas sind so zusammengefasst, dass sie ein Muster erzeugen, welches bewirkt, dass die Trennplatten in dem Verteilerkopf einen viel größeren Abstand voneinander besitzen, als wenn die Platten direkt an dem Verteilerkopf befestigt wären, wobei dann die Seiten der einzelnen Kanäle in dem Monolith den Abstand bestimmen würden.
Der wirkungsvollste Wärmeaustausch pro Volumeneinheit der Monolithstruktur wird mit kleinen Kanälen und einer Gasverteilung im Schachbrettmuster erreicht. Dabei können fast 100 % des verfügbaren Oberflächenbereichs in dem Monolith genutzt werden. Je kleiner die Kanäle, um so spezifischer der Oberflächenbereich pro Volumeneinheit, aber durch kleine Kanäle wird es auch komplizierter, die Gase durch den Verteilerkopf zu den Kanälen des Monolithen zuzuführen oder aus diesen abzuführen. Durch ein oben beschriebenes Lochplattensystem wird die Zufuhr in die kleinen Kanäle und aus diesen heraus vereinfacht und es wird ermöglicht, die Gasverteilung in einem Schachbrettmuster beizubehalten.
Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, durch das es ebenfalls einfacher wird, zwei verschiedene Gase in kleine Kanäle zuzuführen und aus diesen abzuführen. Dies wird erreicht, indem Kanäle für kaltes und heißes Gas so angeordnet werden, dass der Strahlungseffekt genutzt werden kann. Dies erfolgt, indem Wände in der monolithischen Struktur innerhalb oder zwischen den Kanälen für das kalte Gas eingepasst werden, welche Strahlung von den Kanälen mit heißerem Gas aufnehmen können. Eine solche Verteilung der Gaskanäle in der monolithischen Struktur ist besonders relevant, wenn der Monolith als Wärmeaustauscher verwendet wird, vorzugsweise bei hohen Gastemperaturen, die die effizienteste Strahlungsverteilung ergeben. Obwohl durch ein solches Gasverteilungsmuster die Verteilung der beiden Gase in einem reinem Schachbrettmuster nicht möglich ist, so ist es dennoch möglich, eine Wärmeaustauscheffizienz zu erzielen, die sehr nahe bei derjenigen liegt, die bei einer Gasverteilung im Schachbrettmuster erzielt werden kann. Die Verteilung der Gaskanäle in der monolithischen Struktur, die oben beschrieben wurde, welche den Effekt der Strahlung ausnutzt, ermöglicht es, die Trennplatten in dem Verteilerkopf mit größerem Abstand voneinander anzuordnen, als der Größe des Querschnitts der Kanäle. Gleichzeitig wird durch ein solches System ein Wärmeaustauscheffekt erzielt, der näher bei demjenigen liegt, der bei einer Gasverteilung mit Kanälen derselben Querschnittsgröße erzielt wird, als bei dem eines Systems mit einer einfachen Verteilung von Kanälen für kaltes und heißes Gas (siehe Beispiel 1).
Wie oben beschrieben wird der Strahlungseffekt von der Wand im Inneren der Kanäle ausgenutzt, die kaltes Gas führen, das von Kanalwänden, welche dasselbe Gas auf der anderen Seite führen bestrahlt wird. Die Erwärmung der Wand im Inneren von Kanälen mit kaltem Gas trägt zur Erwärmung des kalten Gases bei. Das kalte Gas wird daher heißer, als es ohne eine solche Strahlungswand wäre. Es ist außerdem denkbar, ein solches System mit mehr als einer inneren Wand zwischen Kanälen für kaltes Gas zu verwenden, d.h. bei dem die Wand direkt Strahlung von der Wand des Kanals mit heißem Gas aufnimmt, selbst wiederum zur Erwärmung der nächsten Wand im Inneren zwischen dem nächsten kälteren Gaskanal beiträgt etc. Der Strahlungseffekt nimmt dann selbstverständlich mit der Anzahl der Innenwände in den kalten Gaskanälen immer mehr ab. Das Strahlungsprinzip kann auf dieselbe Weise wie oben für kaltes Gas beschrieben auch verwendet werden, indem Wände in Kanäle eingefügt werden, die heißes Gas führen.
Dieses Verfahren, welches den Strahlungseffekt über die Gasverteilung in den Kanälen nutzt, kann vorteilhafterweise mit dem oben beschriebenen Lochplattensystem kombiniert werden, um eine weitere Vereinfachung des Verteilerkopfs zu erzielen, d.h. die Anzahl der Trennplatten in dem Verteilerkopf kann verringert werden und der Abstand zwischen ihnen kann dementsprechend verringert werden. Dadurch wird es möglich, den Effekt sehr kleiner Kanaleinheiten (<2 mm) in der monolithischen Struktur zu nutzen.
Im Folgenden wird ein System ohne Verteilerkopf beschrieben, zur Zufuhr von zwei verschiedenen Gasen in die monolithischen Strukturen und aus diesen heraus. Das Verfahren beruht darauf, dass Gaskanäle für dasselbe Gas in Reihen angeordnet sind, in denen sie gemeinsame Wände teilen. Auf ähnliche Weise wie in US 4,271,110 beschrieben können diese gemeinsamen Wände auf eine bestimmte Tiefe des Monolithen abgeschnitten werden und anschließend an dem Ende verschlossen werden, so dass Öffnungen in den Seitenwänden des Monolithen erzeugt werden, durch die eines der Gase zugeführt oder abgeleitet werden kann.
Anders als das in US-Patent 4,271,110 beschriebene Verfahren beruht dieses Verfahren darauf, dass die Gaskanäle in Reihen nicht nur parallel entlang der Seitenwände in einer Richtung verlaufen, sondern dass in beide Richtungen ein Reihenmuster gebildet wird (senkrecht zueinander). Dies bedeutet, dass die Schnitte zu diesen sich kreuzenden Reihen führen und nach dem Verschließen (wie oben beschrieben) liegen im Ergebnis Öffnungen in allen vier Seitenwänden des Monolithen, und nicht nur in zwei Seitenwänden vor, wie es der Fall ist, wenn die Reihen nur parallel in eine Richtung verlaufen. Dies ergibt eine größere Flexibilität für die Zufuhr von Gasen in den Monolith und aus diesem heraus. Es ist dann möglich, die Gaskanäle in sich wiederholenden Einheiten von 3 × 3 anzuordnen, mit dem einem Gas in den Eckkanälen und dem anderen Gas in den zwei mittig überschneidenden Reihen (Kreuz). Ebenso ist es möglich, eine sich wiederholende Einheit von 4 × 4 Kanälen zu erhalten, wobei die mittig sich überschneidenden verbundenen Reihen ein Kreuz bilden. Die sechs anderen Kanäle werden dann ebenfalls angeordnet, jeweils einer in jede Ecke (die Spitze des Kreuzes) und zwei in die entsprechenden äußeren Kanten auf jeder Seite an dem Boden des Kreuzes.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, auf einfache und wirkungsvolle Weise, zwei verschiedene Gase aus einzelnen Kanälen einer Multikanalstruktur abzuführen und in diese hineinzuführen. Dies erfolgt mittels eines monolithischen Systems, welches eine monolithische Struktur und einen Verteilerkopf umfasst, wobei der Verteilerkopf an dem kurzen Ende oder den Seiten des Monolithen, an denen sich die Kanalöffnungen befinden, befestigt wird. Das Verfahren beruht auf der Nutzung des Systems in dem Monolith, bei dem Kanalöffnungen, welche dasselbe Gas zuführen, in Reihen angeordnet sind, wenn die beiden Gase gleichmäßig verteilt sind. Die Reihen von Kanallöchern mit demselben Gas führen zu Sammelspalten in dem Verteilerkopf. Die Sammelspalten können auch so mit Öffnungen angeordnet sein, dass die zwei verschiedenen Gase an jeder Seite des Verteilerkopfs abgeleitet werden können. Dies bedeutet, dass getrennte Gasströmungen aus den einzelnen Kammern oder in die einzelnen Kammern in dem Monolith aus getrennten Sammelkammern (d.h. dem zwischen zwei Trennplatten gebildeten Raum) vorliegen können. Dies bedeutet, dass es nicht erforderlich ist, Rohre zu verwenden, welche die beiden Gase in den Monolith zuführen oder aus diesem abführen, oder Schnitte oder Spalten in dem Monolithen selbst vorzunehmen. Außerdem ist es möglich, mehrere Monolithe parallel zu stapeln, d.h. Seitenoberfläche auf Seitenoberfläche, und so die Gase aus einem äußeren Behälter heraus oder in diesen hinein zu führen über Kanäle, die durch schräge Wände an den Verteilerköpfen gebildet sind.
Wenn der Verteilerkopf rechteckig mit geraden Wänden in Verlängerung der Seitenwände des Monolithen gebildet ist, so kann ein Gas an der geraden Seitenwand in dem Verteilerkopf ein- oder austreten, während das andere Gas in Öffnungen in dem kurzen Ende ein- oder austritt, d. h. direkt in Verlängerung der Strömungsrichtung im Inneren des Monolithen.
Die Monolithe müssen in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet werden, so dass die Gase an den Seitenöffnungen ein- oder austreten können. Durch Einpassen von Dichtungsplatten zwischen den Monolithen, so dass die Gase aus den verschiedenen Einlass-/Auslass-Öffnungen nicht vermischt werden, werden Sammelkammern gebildet, die verwendet werden können, um die Gase in die einzelnen Monolithe zuzuführen oder aus diesen abzuführen. Anstelle des beschriebenen Systems können ähnliche Systeme mit Schnitten verwendet werden, die ebenfalls Öffnungen sowohl in dem kurzen Ende in Verlängerung der Flussrichtung als auch senkrecht zu der Flussrichtung in dem Monolith, d.h. in den Seitenwänden des Monolith, erzeugen.
Außerdem ermöglicht die vorliegende Erfindung, auf dieselbe Weise wie oben beschrieben, mit den angegebenen Verteilerköpfen, zwei Gase in Gaskanäle in einem Schachbrettmuster in einen Mehrkanalmonolith und/oder aus diesem heraus zu verteilen, d.h. die quadratischen Kanalöffnungen für das gleiche Gas weisen nur an den Ecken einen gemeinsamen Kontaktpunkt auf.
Wenn der Verteilerkopf direkt mit dem Monolith verbunden wird, so muss der Abstand zwischen den Trennplatten in dem Monolithkopf kleiner sein als die Kanalöffnungen in dem Monolithen. Die Untergrenze des Abstandes zwischen den Trennplatten bestimmt daher, wie klein die Kanäle in dem Monolith ausgebildet sein können. Ein System von Lochplatten zwischen dem Monolith und dem Verteilerkopf ermöglicht es, die Gase in die Kanäle in dem Monolith zuzuführen und aus diesen abzuführen, die eine Größe haben, die viel kleiner ist als der Abstand zwischen den Trennplatten des Verteilerkopfs. Außerdem ermöglicht dieses Lochplattensystem auch, die Gaskanäle, die in einem Schachbrettmuster verteilt sind, in einem solchen Muster anzuordnen, in dem die Auslasskanäle für dasselbe Gas in einer Reihe liegen.
Außerdem wird es durch ein Lochplattensystem zwischen dem Monolithen und dem Verteilerkopf möglich, dass zwischen den Trennplatten ein größerer Abstand liegt als die Größe der Kanalöffnungen in dem Monolith.
Eine Verteilung der Gaskanäle in einem Schachbrettmuster führt zu einer maximalen Nutzung des Kontaktbereichs zwischen den zwei Gasen in dem Monolith. Eine Platte, die alle Kanäle abdeckt, wird an dem Ende des Monolithen und an dem Verteilerkopf befestigt. Die Platte weist außerdem ein Lochmuster auf, das gleich dem Kanalmuster in dem Monolith ist. Das Kanalmuster in dem Monolith und das Lochmuster in der Platte sind so angepasst, dass die Löcher für dasselbe Gas Reihen von Löchern bilden können, über denen die Sammelspalten angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung erfordert keine Bearbeitung des Monolithen selbst, wenn die Planarität an dem kurzen Ende die Anforderungen an die Abweichungstoleranz zur Befestigung der Lochplatte an dem Kanalende des Monolithen erfüllt. Wenn dies nicht der Fall ist, so kann die Erfindung verwendet werden, wenn die endseitigen Oberflächen des Monolithen bearbeitet werden, beispielsweise oberflächlich geschliffen werden, um die Anforderungen an die Abweichungstoleranz zur Befestigung der Lochplatte an dem Kanalende zu erfüllen.
Durch die Reihen von Löchern eines Gases in der Platte wird das Gas durch Sammelspalten in das, was nun einen Verteilerkopf bildet, zu- oder abgeführt und durch Öffnungen in der Seitenwand in denselben Verteilerkopf ab- oder zugeführt. Dementsprechend wird das andere Gas durch Öffnungen in der gegenüberliegenden Seitenwand des Verteilerkopfs zu- oder abgeführt. Die zwei Gase werden so aus ihren jeweiligen Kanälen in dem Monolith abgeführt, sodass die beiden Gase relativ einfach in getrennten Sammelspalten gesammelt werden können.
Die beschriebenen Lochplatten, die über den Kanalöffnungen in dem Monolith befestigt sind, können aus demselben Material wie der Monolith selbst ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass sie bei Temperaturschwankungen in demselben Ausmaß wie der Monolith selbst expandieren und schrumpfen können. Es ist auch möglich, ein Dichtungsmaterial, beispielsweise ein Glassiegel, zu verwenden, das hohe Temperaturen aushält. Die Dichtung sollte aus einem Material bestehen, dessen Expansionskoeffizienten an das Material in dem Monolith und der Lochplatte angepasst sind. Es ist dann nicht erforderlich, die Dichtungen in den Einlass- und Auslassenden des Monoliths zu kühlen.
Dies bedeutet, dass eine solche Lochplatte verwendet werden kann, um Monolithen Kanalende an Kanalende in der gewünschten Länge anzuordnen. Wenn die beiden Monolithe, die miteinander verbunden werden sollen, aus unterschiedlichen Materialien mit verschiedenen Expansionskoeffizienten ausgebildet sind, so können mehrere Lochplatten zwischen den Monolithen angeordnet werden. Diese Platten bestehen Materialien mit einem schrittweisen Übergang zu dem Expansionskoeffizienten des Materials, das am nächsten zu dem Monolith liegt, mit dem der andere Monolith verbunden werden soll.
Wenn der Monolith mit dem beschriebenen Verteilerkopf ausgestattet ist, so können zwei Monolithe auch über die Oberseiten der Verteilerköpfe, die gegeneinander angeordnet werden, verbunden werden. Es muss möglich sein, ein flexibles Dichtungsmaterial zwischen den dicht beieinander liegenden Oberflächen der Verteilerköpfe, die gegeneinander angeordnet werden, zu verwenden.
Außerdem wird ein Gasverteilungsmuster in den Monolithkanälen beschrieben, welches den Strahlungseffekt zur Erwärmung von Wänden zwischen Kanälen mit kaltem Gas nutzt, welches dann wirkungsvoller erwärmt wird. Dies ermöglicht es, viel größere Heizeffizienzen zu erzielen, als ohne solche Wände im Inneren des kalten Gases möglich ist.
Ein Kanalreihenmuster im Inneren des Monolithen ist ebenfalls gezeigt, durch welches es möglich wird, die beiden verschiedenen Gase ohne Verwendung eines Verteilerkopfes in die Monolithe zuzuführen und daraus abzuführen, über Öffnungen in allen vier Seitenwänden des Monoliths.
Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten Figuren und das Beispiel ausführlicher erläutert und veranschaulicht.
1
Die Figur zeigt einen Mehrkanalmonolith mit quadratischen Kanälen. Ein solcher Monolith wird üblicherweise mittels Extrusion hergestellt. Wir sehen den Monolith in der Perspektive von einem kurzen Ende aus, an dem die Kanäle in den Monolith eintreten. Die Auslässe der Kanäle befinden sich an dem anderen kurzen Ende. Die Kanalstruktur des Monoliths wird durch ein Extrusionswerkzeug bestimmt. Mehrere verschiedene geometrische Formen von Kanälen können hergestellt werden. Beispielsweise können alle Kanäle Dreiecke, Quadrate oder Sechsecke mit gleicher Größe sein oder sie können verschiedene Formen und Größen aufweisen. Die Kanäle für einen Monolithen sind normalerweise parallel und mit einheitlicher Form entlang der gesamten Längsrichtung des Monolithen. Die Figur zeigt einen Monolith, in dem die Wände der quadratischen Kanäle parallel zu den Seitenwänden des Monolithen sind. Dabei handelt es sich um die üblichste Art und Weise zur Anordnung der Kanäle für diese Art von Monolith.
2
Die 2.1, 2.2 und 2.3 zeigen einen ähnlichen Monolithen zu dem in 1, aber nun direkt von der Vorderseite am kurzen Ende des Monoliths betrachtet, d.h. nur die Kanalöffnungen sind erkennbar. In der Figur ist ein Gasverteilungsmuster gezeigt. Die dunklen oder schraffierten Kanäle sind für das eine Gas, hier als Gas 1 angegeben, und die weißen Kanäle sind für das andere Gas, hier als Gas 2 angegeben. Die Gase können beide in dieselbe Richtung und in einander gegenüberliegende Richtungen strömen. Bei dem bevorzugten Strömungsmuster strömen sie normalerweise in entgegengesetzten Richtungen.
In 2.1 sind die Gase in kontinuierlichen Reihen verteilt, d.h. so, dass die Kanäle für dasselbe Gas eine gemeinsame Wand aufweisen. Dadurch wird es möglich, Wände, die dasselbe Gas auf jeder Seite aufweisen, zu einer bestimmten Tiefe des Monoliths auszufräsen, so dass dasselbe Gas in der gebildeten Sammelspalte gesammelt werden kann. Dies ist das System, das in US 4,271,110 verwendet wird und dort ausführlicher beschrieben ist. Wenn Kanäle für dasselbe Gas gemeinsame Wände teilen, so tritt ein Verlust an Kontaktbereich mit dem anderen Gas auf. Wie 2.1 zeigt, ist der Kontaktbereich zwischen den beiden verschiedenen Gasen dann, wenn Gaskanäle desselben Gases zwei der Wände teilen, in etwa die Hälfte desjenigen, der theoretisch möglich ist.
2.2 zeigt denselben Monolith wie 2.1, aber hier sind die Gase in einem Schachbrettmuster angeordnet. Mit einer solchen Verteilung der beiden Gase wird der verfügbare Kontaktbereich in dem Monolith maximal genutzt. Der Kanal für Gas 1 hat mit Gas 2 gemeinsame Wände, d.h. keine gemeinsamen Wände mit demselben Gas wie in 2.1 gezeigt.
Ebenso wie 2.2 zeigt 2.3 die beiden Gase in einer Schachbrettmusterverteilung, durch die es möglich wird, den verfügbaren Kontaktbereich in dem Monolith maximal zu nutzen. Das Merkmal, welches den Monolith in 2.3 von dem Monolith in 2.2 unterscheidet, besteht darin, dass die Wände in den inneren Kanälen des Monoliths nicht mehr parallel zu den äußeren Wänden des Monoliths sind, sondern um 45 ° relativ zu den Seitenwänden des Monoliths gedreht sind. Es ist erkennbar, dass die Linien, die in 2.2 diagonal waren, nun in 2.3 parallel zu der Seitenwand in dem Monolith verlaufen.
Dies bedeutet, dass Kanäle mit demselben Gas sich in parallelen Reihen zu den Seitenwänden befinden, aber dass Gase aus demselben Kanal nun nur in den Eckpunkten in Kontakt sind. Wir erzielen dann eine ähnliche Anordnung wie diejenige in 2.1, aber ohne dass der verfügbare Kontaktbereich verringert wird. Wie 2.3 zeigt, weisen die Kanäle, die in Kontakt mit den Außenwänden des Monoliths stehen, die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf, wenn die Wände gerade sind. Die Wände müssen nicht notwendigerweise gerade sein und es ist denkbar, dass die Wände den Wänden der äußeren Kanäle mit voller Größe folgen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn mehrere Monolithe gestapelt werden und eine Dichtung zwischen den Monolithwänden notwendig ist. 3 zeigt ein solches System.
3
3.1 zeigt einen Monolith, in dem die Außenwände den Wänden der Kanäle mit voller Größe in dem Monolith folgen. Quadratische Kanäle, die wie in der Figur gezeigt angeordnet sind, bewirken, dass die Wände des Monoliths ein Zickzackmuster annehmen, da die quadratischen Kanäle in parallelen Reihen und entlang der gesamten Länge der Seitenwände verlaufen. Der Kontaktpunkt für Kanäle desselben Gases sind dann die Ecken.
Ein in 3.1 gezeigter extrudierter Monolith ermöglicht es, mehrere unabhängige Monolithe zusammen anzuordnen, wie in 3.2 gezeigt ist. 3.2 zeigt eine Zusammensetzung, in der nur die äußeren Wände des Monoliths gezeigt sind. Ein solches System ermöglicht es, alle Gaskanäle zu nutzen, während die Monolithe stabilisiert werden oder sie aneinander „arretieren".
4
4 zeigt einen ähnlichen Monolithen und eine ähnliche Verteilung wie in 2.3 gezeigt. Ebenso wie in 2.3 sind die Kanäle für Gas 1 dunkel, während die Kanäle für Gas 2 hell oder weiß sind. Die Figur zeigt außerdem zwei Lochplatten mit Öffnungen, die über die Kanalöffnungen in dem Monolith passen. Diese Lochplatten werden an dem Monolith befestigt und die beiden Gase (hier als Gas 1 und Gas 2 angegeben) werden dann in diese Löcher zugeführt und/oder aus diesen abgeführt, wie in der Figur mit Pfeilen gezeigt ist. In 4 sind die Löcher mit einer ovalen Form gezeigt. Die Löcher können auch rund sein oder eine andere Form aufweisen. Der wichtige Faktor ist, dass die Löcher für die beiden Gase relativ zueinander so angeordnet sind, dass es möglich ist, eine Trennplatte zwischen den Reihen von Löchern für Gas 1 und Gas 2 anzuordnen. Die äußere Kante der Löcher sollte innerhalb der durch die Trennwand festgelegten Grenze liegen, so dass keine Leckage zwischen den beiden Gasen auftritt.
5
5 zeigt einen ähnlichen Monolith mit demselben Lochplattenmuster wie in 4 gezeigt ist. 5.1 zeigt den Monolith mit den Lochplatten, die an dem kurzen Ende des Monoliths befestigt werden müssen. Die Öffnungen in der Platte sind so angeordnet, dass das Gas aus einem Kanal in ein bestimmtes Loch abgführt wird, d.h. so, dass bei einer Befestigung der Platte an dem Ende des Monoliths alle Löcher so angeordnet sind, dass Gas aus den Kanalöffnungen durch seine jeweiligen Löcher abgeleitet werden kann. 5.2 zeigt den Monolith mit der an dem kurzen Ende des Monoliths über den Kanalöffnungen befestigten Lochplatte.
6
6 zeigt einen ähnlichen Monolith zu dem in 5. Zusätzlich zu der Lochplatte zeigt die Figur die Form eines Verteilerkopfs, der Gas 1 und Gas 2 in die jeweiligen Reihen von Löchern der Gase in der Lochplatte zu- oder abführen kann. Jede Reihe von Löchern (die dieselbe Art von Gas abgegeben oder aufnehmen) ist zwischen zwei Wänden eingeschlossen und der Abstand zwischen den Wänden ist an die Größe der Löcher angepasst. Dieser Raum, der zwischen den Trennplatten gebildet ist, enthält nur eine Art von Gas und wird als Sammelspalte bezeichnet. Die Platten können einzeln hergestellt werden und zwei oder mehrere können miteinander wie in 6 gezeigt verbunden werden, so dass Sammelspalten gebildet werden. Eine oder mehrere Sammelspalten bilden somit zusammengenommen wie in 6a gezeigt den Verteilerkopf, wie in 6b gezeigt ist.
6a zeigt Platten mit Abstandselementen oder Kanten, die zu äußeren Wänden in dem Verteilerkopf werden und somit die Sammelspalten einschließen, wenn einzelne Trennplatten Platte an Platte befestigt werden. 6a zeigt, dass eine Seite der Platten keine Kante oder kein Abstandselement aufweist. An jeder anderen Platte fehlt diese Seitenkante auf der gegenüberliegenden Seite. Wenn die Trennplatten aneinander befestigt werden, erzeugt die fehlende Seitenkante eine Öffnung, durch die Gas ein- oder ausströmen kann. Gas in der angrenzenden Sammelspalte hat dann seine Öffnung in der gegenüberliegenden Seitenkante, an der das andere Gas ein- oder ausströmt. Das eine Gas wird nun an einer Seite zu- oder abgeführt, während das andere Gas entsprechend an der anderen Seite ab- oder zugeführt wird. In dem Verteilerkopf besitzen Gas 1 und Gas 2 ihre Auslässe auf einer Seite des Verteilerkopfs, siehe 7 und 8.
Der Verteilerkopf muss nicht notwendigerweise aus Platten ausgebildet sein, die aneinander befestigt sind. Andere Herstellungstechniken, wie beispielsweise Extrusion, können ebenfalls verwendet werden. Wichtig ist, dass der Verteilerkopf so ausgebildet ist, dass er die Gase aus den verschiedenen Reihen von Löchern sammelt und trennt, ohne dass die Gase vermischt werden und so dass sie separat aus dem Verteilerkopf abgeführt werden.
7
7 zeigt den Gasdurchfluss in zwei ausgewählten Gasreihen durch das monolithische System, d.h. den Monolith selbst mit seinen Kanälen und einem Verteilerkopf an jedem kurzen Ende, für die Zufuhr und Ableitung der beiden Gase in und aus dem Monolith. Um den Gasdurchfluss deutlicher zu zeigen, sind die Teile in der Figur auseinander gezogen und die Kanäle für das eine Gas (Gas 1) sind dunkel, während die Kanäle für das andere Gas (Gas 2) hell sind. Der Gasdurchfluss ist mit Pfeilen gezeigt und die Gase strömen in der Figur in zueinander entgegengesetzten Richtungen. Die Figur zeigt auch, dass die Gase an der Seite austreten, die derjenigen gegenüberliegt, an der sie eintreten. Wenn ein Verteilerkopf umgedreht wird, befinden sich die Einlass- und Auslassseite für dasselbe Gas auf derselben Seite des Monoliths.
8
8 zeigt ein ähnliches System wie das in 7, aber 8 zeigt einen Monolith, in dem die quadratischen Kanäle in Reihen angeordnet sind, in denen die Kanäle in derselben Reihe gemeinsame Wände aufweisen. Wenn diese Reihen von Kanälen dasselbe Gas enthalten, so kann der Verteilerkopf direkt, ohne Verwendung einer Lochplatte, an den Kanalwänden befestigt werden. In der Figur ist der Verteilerkopf von dem Monolith entfernt gezeigt, um deutlicher zu zeigen, wie die Gase strömen. Ein Gas wird durch helle oder weiße Kanalöffnungen zugeführt, während das andere Gas durch Öffnungen mit dunklen oder schraffierten Kanalöffnungen zugeführt wird. Für zwei ausgewählte Reihen von Kanälen sind Pfeile verwendet, um zu zeigen, wie die beiden Gase strömen. Das Beispiel zeigt Gase, die in entgegengesetzte Richtungen strömen. Der Nachteil eines solchen Gasverteilungssystems besteht, wie oben erwähnt, darin, dass der Kontaktbereich zwischen den beiden Gasen im Verhältnis zu einer Verteilung der Gase in einem Schachbrettmuster halbiert ist. Der Vorteil besteht darin, dass der Druckverlust in dem System verringert wird, wenn keine Lochplatte verwendet wird. Für Anwendungen in Verfahren, in denen ein hoher Druckverlust kritisch ist, ist ein System wie das in 8 gezeigte nützlich. Es ist außerdem vorteilhaft, so wenige Systembestandteile wie möglich zu haben.
9
Mehrere verschiedene Formen des Verteilerkopfs sind denkbar. Die Richtung der Strömung der Gase kann ebenfalls variieren. 9 zeigt zwei verschiedene Gase, die in entgegengesetzte Richtungen strömen (hier mit A und B bezeichnet). Die Gase können jedoch auch in dieselbe Richtung strömen. Die Seitenwände in dem Verteilerkopf können sowohl parallel als auch diagonal zu den Wänden des Monoliths sein. Gerade Wände, wie in einem Rechteck, sind am besten geeignet, wenn die Gase direkt in nur einen Monolith zugeführt oder aus diesem abgeleitet werden. Wenn viele Monolithe verbunden werden sollen, sind Verteilerköpfe mit diagonalen Wänden am besten geeignet, da dann Längskanäle zwischen den Monolithen, die benachbart zueinander gestapelt sind, ausgebildet werden. Die Gase können durch diese Kanäle in den Monolithen zugeführt oder aus diesem abgeleitet werden.
Das System bietet die Freiheit, Gas 1 und Gas 2 an dem gegenüberliegenden Ende des Monoliths umzuschalten, d.h. Gas 2 kann in Spalten auf der zu seinem Einlass gegenüberliegenden Seitenwand abgeführt werden und umgekehrt.
10
10 zeigt, wie Lochplatten verwendet werden können, um mehrere Monolithe in Längsrichtung zu den Kanälen aneinander zu befestigen. Dies bringt die Freiheit mit sich, Monolithe mit derselben Standardgröße zu verbinden, so dass die Gesamtkanallänge eine beliebige gewünschte Länge ausmachen kann. Prinzipiell können die verbundenen Monolithe als ein Monolith angesehen werden und Sammelkammern können an jedem Ende der verbundenen „Monolithsäule" angebracht werden, auf dieselbe Weise wie für einen Monolith in den 7 und 8 gezeigt.
11
11.1 zeigt ein System verbundener Monolithe wie in 10 gezeigt, nun aber mit angebrachten Verteilerköpfen. Ein solches System von Monolithen kann in einem geschlossenen Behälter angeordnet werden, beispielsweise in einem Drucktank. Wir sehen, wie eine große Anzahl von Monolithen Wand an Wand miteinander verbunden werden kann, während die Möglichkeit, dass die beiden Gase auf dieselbe Weise wie für den einzelnen Monolith in den Verteilerkopf zugeführt und aus diesem abgeleitet werden können, beibehalten wird. Der beschriebene Verteilerkopf bietet daher eine einfache Möglichkeit zum Upscaling, d.h. ein System, in dem viele einzelne Monolithe miteinander verbunden sind, und es möglich ist, Gase in alle der verbundenen Monolithe zuzuführen und aus diesen abzuleiten. Dies ist wichtig, um in der Lage zu sein, große Mengen von Gas zu bewältigen. 11.2 zeigt dasselbe System wie in 11.1, aber mit einer Höhe von nur einem Monolith.
12
Ebenso wie 11 zeigt 12 ein System verbundener Monolithe. Hier werden Pfeile verwendet, um zu zeigen, wie die beiden Gase aus den Kanälen zwischen den Verteilerköpfen abgeführt und auf jeweils einer Seite abführt werden können. In einem fertigen System muss die vollständige Monolithstruktur in einem geschlossenen, isolierten Reaktor/Tank/Behälter angeordnet werden. Dieser Behälter muss mit einem Einlass und einem Auslass für Gas 1 und einem entsprechenden Einlass und Auslass für Gas 2 ausgestattet sein. Die Figur zeigt, wie die schrägen Wände in dem Verteilerkopf Kanäle für dasselbe Gas bilden, wenn die Monolithe Wand an Wand gestapelt werden. Innerhalb des Behälters, in dem die vollständige Monolithstruktur angeordnet ist, befinden sich getrennte Sammelspalten für die Gase in und aus dem Behälter/der monolithischen Struktur, für die vier Gasströmungen (Einlass und Auslass für jedes Gas). Diese Sammelspalten werden abgedichtet, so dass kein Gas in dem Behälter von einer Sammelspalte zu einer anderen entweichen kann.
Die Figur zeigt außerdem ein alternatives Verfahren zur Verbindung der Monolithe (in Bezug auf das in 10 gezeigte) Kanalende an Kanalende. Wir sehen hier, dass die Monolithe unter Verwendung der Verteilerköpfe verbunden werden. Wir sehen, dass die dicht liegende Oberfläche parallel zu dem kurzen Ende des Monoliths verwendet wird. Wenn Boden und Oberseite des Verteilerkopfs einander gegenüberliegend angeordnet werden, wie in der Figur gezeigt, so erzeugt dies eine dichte Oberfläche zwischen den beiden Gasen. Es ist beispielsweise denkbar, dass eine flexible Dichtung zwischen den beiden Oberflächen angeordnet werden könnte. Eine solche Verbindungstechnik ist eine Möglichkeit, wenn Monolithe mit verschiedenen Expansionskoeffizienten miteinander verbunden werden sollen. Das heißt, das System ermöglicht, dass Monolithe aus unterschiedlichen Materialien verbunden werden können, beispielsweise eine keramische Membranstruktur und eine Wärmeaustauscherstruktur.
13
Die Figur zeigt, wie fünf Platten zwischen dem Monolith und den Trennplatten des Verteilerkopfs Gas 1 und Gas 2 in getrennten Reihen abführen können, so dass der Abstand zwischen den zwei Gasflüssen zunimmt. Dies erfolgt, indem Gas aus benachbarten Kanälen zusammen in einen gemeinsamen Auslass oder Einlass geführt wird, so dass die Auslässe oder Einlässe für dasselbe Gas kombiniert werden. Solche Reihen von Auslässen oder Einlässen desselben Gases können dann mit einem Verteilerkopf voneinander getrennt werden, mit einem größeren Abstand zwischen den Trennplatten als bei einer direkten Verbindung zu dem Monolith. 13 zeigt nur eine kleine Anzahl von Monolithkanälen. Normalerweise liegt in einem tatsächlichen Monolith eine viel größere Zahl von Kanälen vor. In der Figur sind die Löcher kreisförmig gezeigt.
Es sind jedoch andere Lochformen ebenfalls denkbar, beispielsweise sind quadratische Löcher, die besser an die Querschnittsbereiche angepasst sind, möglich. Solche Löcher besitzen einen größeren Querschnittsbereich und erzeugen einen geringeren Druckabfall. Die Figur zeigt 5 Platten, es ist aber auch denkbar, dass die Platten 2 und 3 als eine Platte ausgebildet sind und dasselbe trifft für 4 und 5 zu.
14
14 zeigt, wie man unter Verwendung von 6 Platten die Bereiche der Auslasskanäle in einem Schachbrettmuster in Platte 6 fast vervierfachen kann, bezogen auf die Einzelfläche in dem Monolith. Dadurch wird es wiederum möglich, den Abstand zwischen den Trennplatten in dem Verteilerkopf zu erhöhen, im Verleich zu dem Zustand, wenn sie direkt an dem Monolith befestigt werden. Es ist außerdem denkbar, dass die Platten 2 bis 5 aus 13 auf Platte 6 angeordnet werden, so dass die Auslass- und Einlasslöcher in Reihen angeordnet sind. Dadurch wird der Abstand zwischen den Trennplatten in dem Verteilerkopf weiter erhöht und ihre Anzahl verringert.
Bei chemischen Verfahren sind der Transport von Verbindungen, Vermischen, chemische Reaktion, Trennung und Wärmeaustausch zentrale Vorgänge, für die ständig effektivere, finanziell günstigere Lösungen gesucht werden.
15
15 zeigt einen Ausschnitt aus dem Monolith, parallel zu der Längsrichtung der Kanäle. Gasströmungen sind mit dicken Pfeilen angezeigt. T4 zeigt die Temperatur von heißem Gas und T3 zeigt die Temperatur von kaltem Gas. Wände zwischen heißem und kaltem Gas sind mit Temperatur T1 bezeichnet, während die Wand zwischen den beiden Kanälen mit kaltem Gas mit Temperatur T2 angegeben ist. Wie ebenfalls in der Figur gezeigt ist, sind die Temperaturen von hoch nach niedrig: T4 > T1 > T2 > T3. Die Wand T2 wird durch Strahlung (T3) von der heißen Wand T1 erwärmt, die wiederum von dem heißen Gas T4 erwärmt wird. Kaltes Gas T3 wird sowohl von der weißen Wand T1 als auch von der erwärmten Wand T2 erwärmt, was durch die dünnen Pfeile P1 und P2 angezeigt ist.
16
16 zeigt verschiedene Gasverteilungsmuster, die alle den Strahlungseffekt nutzen, wobei eine Wand, die zwei Kanäle von kaltem Gas trennt, durch eine Wand, die von einem heißeren Gas erwärmt wird, bestrahlt werden kann. Wie im Text beschrieben, zeigt die Figur auch solche Möglichkeiten, bei denen verschiedene innere Trennwände zwischen den Kanälen für kaltes Gas vorliegen. Der Strahlungseffekt allmählich mehr ab, ergibt aber noch immer eine Erwärmung, die größer ist als ohne innere Wände zwischen Kanälen für kaltes Gas.
17
Die Figur zeigt eine Gasverteilungsanordnung in den Kanälen, die es ermöglicht, dass Gas im Inneren des Monoliths ohne einen Verteilerkopf zu- und abgeführt werden kann. Wie im Text beschrieben ist, müssen Wände zwischen den Kanälen mit demselbem Gas, die in Reihen angeordnet sind, auf eine bestimmte Tiefe in dem Monolith eingeschnitten werden und dann bei einer geringeren Tiefe als der Einschnitttiefe verschlossen werden, sodass Öffnungen in den Seitenwänden des Monoliths gebildet werden. Wie mit weißen Quadraten gezeigt, ist dasselbe Gas hier in Reihen angeordnet, die einander überschneiden (senkrecht) und es ist somit möglich, Öffnungen in allen vier Seitenwänden des Monoliths auszubilden.
Beispiel 1
Tabelle 1 zeigt zwei Alternativen, die berechnet wurden, um den Strahlungseffekt zu zeigen, wenn eine Innenwand zwischen zwei kälteren Gaskanälen durch eine heißere Wand bestrahlt wird. T₃ und T₄ geben die mittlere Gastemperatur für kaltes Gas bzw. heißes Gas an.
Tabelle 1 Verwendete numerische Werte für die Berechnung des Strahlungseffekts von einer heißen Wand auf eine Wand zwischen zwei Gaskanälen mit kälterem Gas.
Eine Wandtemperatur T₁ wird mittig zwischen der heißen und der kalten Gastemperatur angenommen und es ergibt sich folgendes:

λ = 0,1 W/mK (Wärmekapazität des Gases)

b = 2,0 mm (Abstand zwischen Wänden)

ε_o = 5,6710^-8 W/m²K (Stefan Bolzmann-Konstante)

ε_r = 0,9 (Emissionsvermögen der Wände)

P1 = λ/b·3,75·(T1–T3) = 3,2 kW/m2 P2 = λ/b·3,75·(T2–T3) P3 = εo·εr·(T1 4–T2 4)
Wenn P₂ = P₃, erhält man T₂ = 1406 °K (1133 °C) mit P₂ = P₃ = 2,4 kW/m² für Alternative 1 und T₂ = 1019 °K (746 °C) mit P₂ = P₃ = 3,6 kW/m² für Alternative 2.
Durch Extrusion des Monolithen mit 2 mm quadratischen Kanälen und Anordnen der Kanäle mit demselben Gas in doppelten Reihen wird es möglich, Enden zu erzielen, die 4 mm quadratischen Kanälen entsprechen. Wie das Beispiel zeigt, wird eine Wärmeaustauscheffizienz von 88 % und 76 % im Inneren der monolithischen Struktur und in den Enden erzielt, im Vergleich zu einzelnen Reihen von 2 mm quadratischen Kanälen.
Das Beispiel beruht auf Wänden zwischen den Kanälen für kaltes Gas. Die Temperaturgradienten über die Wand werden nicht berücksichtigt. Dementsprechend wird auch Wärmeaustausch durch Strahlung direkt von der Wand auf das Gas nicht berücksichtigt. Diese beiden Effekte sind jedoch von geringer Signifikanz.
Die vorliegende Erfindung bietet Möglichkeiten zur Verbesserung und Vereinfachung der Vorgänge zum Wärme- und Stoffaustausch (Trennung), indem die Kompaktheit der monolithischen Strukturen (d.h. der große Oberflächenbereich pro Volumeneinheit bei kleinen Kanälen), geringer Strömungswiderstand für Gase und Hochtemperaturbeständiges keramisches Material, das mit einem Katalysator beschichtet sein kann, genutzt werden.
Diese Verbesserungen sind verbunden mit der Verwendung der Monolithe zum Stoff- und Wärmeaustausch zwischen zwei verschiedenen Gasen und der Tatsache, dass diese Arbeitsschritte in der monolithischen Struktur mit einer chemischen Reaktion verbunden werden können. Eine solche Kombination von Stoff- und Wärmeaustausch und chemischer Reaktion (Arbeitsschritte) in den Monolithen tragen zu einer Erzeugung kompakter Lösungen bei, in denen Transport und Trennung vereinfacht sind. Eine Anwendung ist eine Kombination endothermer und exothermer Reaktionen, beispielsweise Steamreforming von Erdgas oder anderen Substanzen, die Kohlenwasserstoff enthalten, zu Synthesegas (Wasserstoff und Kohlenmonoxid) mit endothermem Steamreforming in Katalysator-beschichteten Kanälen und exothermer Verbrennung in benachbarten Kanälen (Gase strömen in entgegengesetzte Richtungen). Solche monolithischen Strukturen können sehr kompakte Reformer bilden und beispielsweise für die Wasserstoffherstellung in kleinem Maßstab genutzt werden. Synthesegas kann jedoch auch zu zahlreichen anderen Produkten weiterverarbeitet werden, beispielsweise Methanol, Ammoniak und Synthesebenzin/-diesel.
Ein weiteres Beispiel könnten kompakte Reformer sein, die für die partielle Oxidation von Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen verwendet werden. In diesem Fall wird Luft oder Sauerstoff durch den Verteilerkopf in die jeweiligen Ausgangskanäle in dem Monolith zugeführt und durch ausströmendes Synthesegas in den benachbarten Rückwegskanälen erwärmt. Das Synthesegas wird getrennt von der ankommenden Luft oder Sauerstoff aus dem Verteilerkopf abgeführt. Am anderen Ende des Monolithen zu demjenigen, an dem sich der Verteilerkopf befindet, muss sich eine Mischungs- und Umkehrkammer befinden, in der Luft/Sauerstoff mit Erdgas vermischt wird. Dieses Gasgemisch strömt in einen Katalysator-beschichteten Bereich der Rückwegskanäle, wo das Gasgemisch unter Bildung von Synthesegas reagiert (partielle Oxidation). Die Reaktion erzeugt Wärme und das Synthesegas in den Rückwegskanälen erwärmt daher die Luft/den Sauerstoff in den Auswärtskanälen (Gase strömen in entgegengesetzte Richtungen).
Im Hinblick auf das thermodynamische Gleichgewicht werden viele chemische Reaktionen durch höhere Temperaturen begünstigt als die Tepmperaturen, bei der das metallische Material in einem Reaktor/Wärmeaustauscher betrieben werden kann (8–900 °C). Bei solchen Verfahren können keramische Monolithe, die sowohl mit Katalysator beschichtet sein können als auch höhere Temperaturen tolerieren können, von großem Vorteil sein. Sowohl das Steamreformingverfahren als auch die partielle Oxidation von Erdgas unter Bildung von Synthesegas sind Beispiele für Verfahren, bei denen solche hohen Temperaturen vorteilhaft sind.
Eine weitere relevante Anwendung ist bei der Ammoniakherstellung, die eine Wassergas-Umwandlungsreaktion einschließt (Cl + H₂O <=> CO₂ + H₂). Diese Reaktion wird bei der Herstellung von Ammoniak verwendet, um CO aus dem Synthesegas vor der Ammoniaksynthese selbst zu entfernen. Die Reaktion ist leicht exotherm (- 41,1 kj/kmol). Dies bedeutet, dass die Gleichgewichtskonstante mit der Temperatur abnimmt und dass die Reaktion somit durch niedrigere Temperaturen begünstigt wird. Bei adiabatischen Bedingungen in dem Katalysatorbett wird durch die Reaktion die Temperatur erhöht und somit die gleichgewichtsbezogene Reaktionsgeschwindigkeit begrenzt. In heutigen Verfahren wird dieses Problem vermieden, indem die Reaktion in zwei Schritten durchgeführt wird, den sogenannten Hochtemperatur (HT)- und Niedrigtemperatur (LT)-Verschiebungen. Die Reaktionswärme wird zwischen den HT- und LT-Reaktoren abgeführt, so dass die letzte Stufe, die LT-Verschiebung, mit höherer Reaktionsgeschwindigkeit stattfinden kann. Mit dem Monolith-basierten System ist es möglich, Reaktionswärme direkt abzuführen, indem in benachbarten Kanälen zu denen, in denen die Reaktion stattfindet (Katalysator-beschichtet), ein Kühlungsgas vorhanden ist. Es kann somit ein kompakter Reaktor hergestellt werden, der unter günstigeren Gleichgewichtsbedingungen betrieben werden kann, als die gegenwärtigen zweiteiligen Systeme.
Ammoniak könnte außerdem ein relevantes Ausgangsmaterial für die Wasserstoffherstellung sein und monolithische Strukturen könnten beispielsweise zur endothermen Ammoniakspaltung unter Bildung von Wasserstoff verwendet werden. Der monolithische Reaktor oder Reformer besteht abwechselnd aus Katalysatorbeschichteten Ammoniakgaskanälen und einem heißen Gas in benachbarten Kanälen, welches Energie für die Ammoniakspaltung zuführt.
Monolithische Strukturen könnten außerdem auf dem Energiemarkt verwendet werden (Stromerzeugung), beispielsweise als Wärmeaustauscher in Mikroturbinen, um diese Energie-effizienter zu machen. Solche Wärmeaustauscher sind daher sowohl zur stationären Stromerzeugung als auch für sämtliche turbinenbetriebenen Herstellungsanlagen an Land, im Wasser und in der Luft anwendbar. Sie profitieren dann von kompakten monolithischen Wärmeaustauschern für einen energieeffizienteren Betrieb. Die monolithischen Wärmeaustauscher übertragen Wärme aus dem Abgas auf an der Verbrennungskammer ankommende Luft/Sauerstoff und verringern somit den Treibstoffverbrauch.
Monolithische Wärmeaustauscher könnten auch in der Schmelzindustrie verwendet werden (Aluminium, Magnesium, Stahl, Glas etc.), um Wärme von dem Ofengas (Verbrennungsgas) an die Luft für die Brenner zu übertragen und somit zur Energieeinsparung beitragen.
Monolithische Wärmeaustauscher könnten außerdem für die Zerstörung organischer Bestandteile verwendet werden, beispielsweise für die Zerstörung von Dioxinen, die bei höheren Temperaturen abläuft. Gas mit dem ungewünschten Bestandteil wird in seine jeweiligen Kanäle zugeführt, während ein Wärme-zuführendes Gas in angrenzende benachbarte Kanäle zugeführt wird.

Claims

Monolithisches System zum Stoff- und/oder Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen, wobei das System eine Mehrkanal-monolithische Struktur und einen Verteilerkopf umfasst, worin die Kanäle in der monolithischen Struktur mindestens eine gemeinsame Wand für die zwei Gase aufweisen und der Verteilerkopf an mindestens einem Ende der monolithischen Struktur befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkopf angrenzende Sammelspalten umfasst, die mittels Trennplatten gebildet sind, die in dem Verteilerkopf derart angeordnet sind, dass sie an den Kanalwänden der monolithischen Struktur befestigt werden können und worin der Abstand zwischen den Trennplatten an die Größe der Kanäle in der monolithischen Struktur angepasst ist, wobei ein oder mehrere Kanäle mit den angrenzenden Sammelspalten kommunizieren, so dass die Kanäle mit dem selben Gas durch die Trennplatten in dem Verteilerkopf getrennt gehalten werden und jede Sammelspalte nur ein Gas enthält.
Monolithisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatten direkt an den Kanalwänden des Monolithen befestigt sind.
Monolithisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lochplatte mit einer bestimmten Loch-Konfiguration zwischen dem Verteilerkopf und der monolithischen Struktur angeordnet ist.
Monolithisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Trennplatten an die Größe der Löcher mindestens einer Lochplatte angepasst ist.
Monolithisches System nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatten an mindestens einer Lochplatte befestigt sind.
Monolithisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkopf nur an einem Ende der monolithischen Struktur befestigt ist.
Monolithisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkopf an beiden Enden der monolithischen Struktur befestigt ist.
Monolithisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angrenzenden Sammelspalten mit Öffnungen versehen sind, die mit der Außenseite des Verteilerkopfes kommunizieren.
Monolithisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen durch eine fehlende seitliche Kante der Trennwand gebildet sind.
Monolithisches System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die angrenzenden Sammelspalten die Öffnungen jeweils an den gegenüberliegenden seitlichen Kanten aufweisen.
Monolithisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Kanalwände in der monolithischen Struktur mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Substanzen beschichtet sind.
Monolithisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalöffnungen für die zwei Gase gleichmäßig über die Querschnittsfläche der monolithischen Struktur verteilt sind.
Monolithisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalöffnungen für die zwei Gase wie ein Schachmuster über die ganze Querschnittsfläche des Monolithen verteilt sind, wobei die viereckigen Kanalöffnungen für das selbe Gas nur an den Ecken einen gemeinsamen Kontaktpunkt aufweisen.
Verfahren zum Stoff- und/oder Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Gase in ein oder mehrere monolithische Systeme nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Gasströme in und aus dem gleichen Verteilerkopf zu- bzw. abgeführt werden, wobei beide Gase zueinander in der gleichen Richtung strömen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Gasströme in und aus den an den gegenüberliegenden Endseiten der monolithischen Struktur befestigten Verteilerköpfen zu- bzw. abgeführt werden, wobei die Gase zueinander in der gegengesetzten Richtung strömen.
Anlage zur Herstellung einer chemischen Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage ein oder mehrere monolithische Systeme nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingebaut sind.