DE202004020845U1

DE202004020845U1 - Kompositpackung

Info

Publication number: DE202004020845U1
Application number: DE202004020845U
Authority: DE
Original assignee: DR TAUCHNITZ ENGINEERING und MEMBRANSYSTEME GmbH; TAUCHNITZ ENGINEERING und MEMB
Current assignee: DR TAUCHNITZ ENGINEERING und MEMBRANSYSTEME GmbH; TAUCHNITZ ENGINEERING und MEMB
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2014-11-12

Abstract

Kompositpackung zur Durchführung von katalytischen Reaktionen zur Abluft- und Abgasreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Mantel (4) wechselweise Strömungsgleichrichter (1) und Aktivschichten (2) übereinander gestapelt sind und die Strömungsgleichrichter (1) und die Aktivschichten (2) im Mantel (4) fest jedoch auswechselbar platziert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine strömungstechnisch optimierte Kompositpackung, die zur Durchführung katalytischer Reaktionen geeignet ist und einen modularen Aufbau aufweist.
Es ist bekannt, dass katalytisch aktive Packungen, beispielsweise in Form von Füllkörpern oder wie in DE 4243079 C2 beschrieben, als katalytisch aktivierte Waben oder Einbauten angewandt werden, die beispielsweise zur Rußfilterung aus Automobilabgasen eingesetzt werden. Weitere technische Lösungen werden in DE 693 14 881 T2 und DE 3783880 T2 beschrieben, die als katalysatortragender Kolonnenboden bzw. strukturierte Kolonnenpackung ausgeführt sind. Bekannt sind weiterhin alternierend angeordnete Stofftrennelemente entsprechend DE 10050625.9 , Strukturpackungen mit katalysatorführenden Schichten in Festbettreaktoren, bei denen wie in DE 10159816 A1 beschrieben, die Katalysatorkörper unter dem Einfluss der Strömung in Schwebe gehalten werden oder Katalysatorträgerkörper aus einer Vielzahl verschlungener Blechstapel, wie in EP 0430945 B1 dargelegt.
Nachteil dieser, den Stand der Technik repräsentierenden Packungen ist, dass strömungstechnische Aspekte unzureichend Berücksichtigung finden. Sofern diese berücksichtigt werden, wie beim Einsatz von keramischen Wabenkörpern, müssen die katalytisch wirksamen Komponenten nach aufwändigen Verfahren (beispielsweise als wash-coat) aufgebracht werden. Wenn die Wabenkörper verbraucht sind, d. h. die katalytische Wirksamkeit nicht mehr den Anforderungen des jeweiligen technischen Prozesses entspricht, sind diese zu entfernen und zu erneuern.
Ein weiterer Nachteil der Packungen gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass diese aufgrund ihrer Kanal- oder Plattenstruktur keine Quervermischung zulassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Packung für die Reaktionsführung vorzuschlagen, die bei geringerem Druckverlust gleichzeitig eine optimale Quervermischung gewährleistet. Wenn die katalytische Wirkung nicht mehr den Anforderungen entspricht, sollen die verbrauchten Komponenten mit geringem Aufwand auswechselbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Schutzanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Schutzansprüchen 2 bis 6.
Zur Darlegung der Erfindung sollen weitere Ausführungen erfolgen.
Es wird eine Kompositpackung in modularer Bauweise vorgeschlagen, indem Strömungsgleichrichter in einem Mantel stapelförmig angeordnet werden. Zwischen diesen Strömungsgleichrichtern befinden sich Aktivschichten, die vorzugsweise als Gitter, Gewebe, Flies, Gestrick oder in jeder anderen Form eines durchlässigen, semipermeablen oder porösen Materials ausgebildet sind. Die Strömungsgleichrichter und/oder die dazwischen platzierten Aktivschichten sind katalytisch aktiviert, wobei die Aktivschichten auf den jeweils durchzuführenden Prozess abgestimmt sind. In den Öffnungen der Strömungsgleichrichter können Adsorbentien wie Aktivkohlen, Zeolite, Alumosilikate eingelagert sein.
Die Strömungsgleichrichter haben vorteilhafterweise quadratische Öffnungen im Ein- und Austrittsbereich der Kompositpackung und haben eine geringe Wandstärke, damit ein geringer Druckverlust und eine günstige Quervermischung gegeben ist. Das Verhältnis der Öffnungsfläche soll im Vergleich zur Wandstärkenfläche bei erforderlicher Stabilität der Strömungsgleichrichter möglichst groß sein. Abgesehen von der Forderung an das Material der Strömungsgleichrichter, dass die katalytisch wirksamen Komponenten nach an sich bekannten Verfahren aufgebracht und entfernt werden können, sind grundsätzlich keine besonderen Voraussetzungen an das Material zu stellen, d. h. zum Beispiel, dass Kunststoff- oder Metallgitter geeignet sind.
Die Kompositpackung ist derart ausgeführt, dass verbrauchte Aktivschichten mit einfachen Mitteln ersetzt werden können.
Wie schon gesagt, besitzt die erfindungsgemäße Kompositpackung einen modularen Aufbau. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Kompositpackung auch an sich nur einen Baustein darstellen kann und mehrere in einem Gehäuse übereinander gestapelte Kompositpackungen für den Einbau in einem Reaktionsapparat verwendet werden können.
Die Kompositpackung mit ihrem geschlossenen Mantel ist auch dafür geeignet, dass zur Unterstützung ihrer Wirksamkeit flüssige Reaktionskomponenten dem Prozess hinzugegeben werden, z. B. Wasserstoffperoxid.
Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Die 1 zeigt die Kompositpackung in Prinzipdarstellung.
Die verwendeten Positionszeichen bedeuten:

1: Strömungsgleichrichter
2: Aktivschichten
3: Spanneinrichtung
4: Mantel
5: Eintrittsbereich
6: Austrittsbereich
7: Öffnungen der Strömungsgleichrichter

Der Aufbau der Kompositpackung:
Die Kompositpackung besteht aus Strömungsgleichrichtern 1, zwischen denen die Aktivschichten 2 platziert sind, welche katalytisch aktiviert sind. Der modulare Aufbau der Kompositpackung ist gegeben, indem eine Packung, die wechselweise aus Strömungsgleichrichtern 1 und Aktivschichten 2 besteht, in einem Mantel 4 angeordnet und durch eine Spanneinrichtung 3 (man könnte auch sagen durch einen Sprengring) gehalten wird.
Die Strömungsgleichrichter 1 sind unter Beachtung der Stabilitätsanforderungen, möglichst dünnwandig ausgeführt, so dass sich bei einem großen Verhältnis der Fläche der Öffnungen 7 der Strömungsgleichrichter 1 zu der Fläche der Wandungen der Öffnungen 7 ein möglichst geringer Druckverlust ergibt. Mit den Positionszeichen 6 und 7 sind der Ein- und Austrittsbereich des strömenden Mediums bezeichnet, welches beispielsweise Abgas oder Abluft darstellt.
Die nachfolgenden 7 Beispiele zeigen die vorteilhaften Ergebnisse bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Kompositpackung im Vergleich zum Stand der Technik.
Es wird zum Beispiel deutlich, dass bei der erfindungsgemäßen Verwendung von 20 Strömungsgleichrichtern (und damit 19 Aktivschichten) eine optimale Quervermischung und ein geringer Druckverlust erreicht wird. Diese Quervermischung verhindert eine für Vollraumreaktoren sehr oft nicht zu unterbindende Kanalbildung.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel gemäß dem Stand der Technik)
Der Druckverlust einer Drahtgestrickpackung wurde in Abhängigkeit von 3 nachfolgend aufgeführten Gasgeschwindigkeiten bestimmt, wobei als strömendes Medium Luft bei einer Temperatur von 20 °C eingesetzt wurde und eine gewickelte Drahtgestrickpackung zur Anwendung kam, die folgendermaßen dimensioniert war:
In Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit wurden folgende Druckverluste bestimmt:
Beispiel 2 (erfindungsgemäß)

Der Druckverlust einer Kompositpackung der beschriebenen Anordnung wurde in Abhängigkeit von den in Beispiel 1 angegebenen Gasgeschwindigkeiten bestimmt, wobei als Gas Luft mit einer Temperatur von 20 °C eingesetzt wurde. Die Kompositpackung war folgendermaßen dimensioniert:

Anströmfläche:	7,85·10^–3 m²
Packungshöhe:	3,00·10^–1 m

Strömungsgleichrichter 1:

Anzahl:	20,00 Stück
Höhe:	1,50·10^–2 m
Material:	Kunststoff
Wandstärke:	2,00·10^–4 m
Fläche der Öffnungen 7:	1,00·10^–4 m²
Packungsdichte:	60,00 kg·m³

Aktivschicht 2:

Anzahl:	19,00 Stück (Doppellage)
Drahtdurchmesser:	2,50·10^–4 m
Metalldichte:	8.900,00 kg·m^–3
Maschenweite:	5,00·10^–3 m
Packungsdichte:	9,50 kg·m^–3
Packungsdichte gesamt:	69,50 kg·m^–3

In Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit wurden folgende Druckverluste bestimmt:
Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel gemäß dem Stand der Technik)
Ein Abgas- bzw. Abluftstrom, belastet mit überwiegend Methanol und Toluol im Verhältnis 1:1, wurde mit einer Nennlast von 200 Nm³·h^–1 und einem Gesamtkohlenstoffgehalt von 400 mg·Nm³ über die in Beispiel 1 beschriebene Gestrickpackung geleitet, wobei das eingesetzte Packungsmaterial aus katalytisch aktivierten ferritischen Legierungen ausgeführt wurde.
Zugleich wurde die Packung mit 300,00 l·h^–1 eines Absorptionsmittels, bestehend aus 99,90 Ma.-% Wasser und 0,10 Ma.-% Wasserstoffperoxid, beaufschlagt. Die Wasserstoffperoxidkonzentration wurde konstant gehalten. Durch Absorption des lösungsvermittelnden Methanols sowie katalytisch initiierter Chemisorption wurde im Abgas- bzw. Abluftstrom eine Konzentration von 100,00 mg·Nm^–3 erreicht. Die Konzentration an Toluol und Methanol in der flüssigen Phase betrug nach einer Betriebsdauer von 4 Wochen 1,00 g·l^–1.
Beispiel 4 (erfindungsgemäß)
Ein Abgas- bzw. Abluftstrom, belastet mit überwiegend Methanol und Toluol im Verhältnis 1:1, wurde mit einer Nennlast von 200 Nm³·h^– ¹ und einem Gesamtkohlenstoffge halt von 400 mg·Nm³ über die in Beispiel 2 beschriebene Kompositpackung geleitet, wobei die Aktivschichten 2 als Gestricklagen, bestehend aus katalytisch aktivierten ferritischen Legierungen, ausgeführt wurden.
Diese Packung wurde mit 300,00 l·h^– ¹ eines Absorptionsmittels, bestehend aus 99,90 Ma.-% Wasser und 0,10 Ma.-% Wasserstoffperoxid, beaufschlagt. Die Wasserstoffperoxidkonzentration wurde wie in Beispiel 3 konstant gehalten. Durch Absorption des lösungsvermittelnden Methanols sowie katalytisch initiierter Chemisorption wurde im Abgas- bzw. Abluftstrom eine Konzentration von 50,00 mg·Nm^–3 erreicht. Die Konzentration an Toluol und Methanol in der flüssigen Phase betrug nach einer Betriebsdauer von 4 Wochen 0,75 g·l^– ¹.
Beispiel 5 (erfindungsgemäß)
Ein Abgas- bzw. Abluftstrom belastet mit überwiegend Methanol und Toluol im Verhältnis 1:1, der bei der Fertigung von Polyesterfolien anfällt, wurde mit einer Nennlast von 200 Nm³·h^–1 und einem Gesamtkohlenstoffgehalt von 400 mg·Nm³ über die in Beispiel 2 beschriebene Kompositpackung geleitet, die so ausgeführt wurde, dass ein dem Beispiel 1 entsprechender Druckverlust eingestellt wurde, indem 3 Aktivkohleschichten in drei im gleichen Abstand befindliche Strömungsgleichrichter 1 eingefüllt wurden, wobei vorzugsweise Aktivkohlestränge eingesetzt wurden, die von den Aktivschichten 2, in Form von Gestricklagen, bestehend aus katalytisch aktivierten ferritischen Legierungen, fixiert wurden.
Die so ausgeführte Packung wurde mit 300,00 l·h^–1 eines Absorptionsmittels, bestehend aus 99,90 Ma.-% Wasser und 0,10 Ma.-% Wasserstoffperoxid, beaufschlagt. Die Wasserstoffperoxidkonzentration wurde wie in den Beispielen 3 und 4 konstant gehalten. Durch Absorption des lösungsvermittelnden Methanols sowie katalytisch initiierter Chemisorption wurde im Abgas- bzw. Abluftstrom auf diese Weise eine Konzentration von 10,00 mg·Nm^– ³ erreicht.
Die Konzentration an Toluol und Methanol in der flüssigen Phase betrug nach einer Betriebsdauer von 4 Wochen 0,025 g·l^–1.
Beispiel 6 (Vergleichsbeispiel gemäß dem Stand der Technik)
Ein Gas mit einer Temperatur von 20 °C und einer Stickoxidkonzentration von 270 Vppm bei einem NO:NO₂-Verhältnis von 2 wird mit einer Nennlast von 200 Nm³·h^– ¹ über die in Beispiel 1 beschriebene Gestrickpackung geleitet, wobei das eingesetzte Packungsmaterial aus katalytisch aktivieren austenitischen Legierungen ausgeführt wurde.
Zugleich wurde die Packung mit 300,00 l·h^–1 einer wässrigen Lösung beaufschlagt, die 5,00 Ma.-% Salpetersäure und 0,10 Ma.-% Wasserstoffperoxid enthielt. Die Wasserstoff peroxidkonzention dieser Lösung wurde durch Nachführen einer wässrigen Wasserstoff peroxidlösung, die zwischen 30,00 bis 75,00 Ma.-% Wasserstoffperoxid enthalten kann, konstant gehalten.
Durch Messung der Stickoxidkonzentrationen am Eintrittsbereich 5 und Austrittsbereich 6 der Packung wurden nachfolgend aufgeführte Konzentrationen bestimmt:
Beispiel 7 (erfindungsgemäß)
Ein Gas mit einer Temperatur von 20 °C und einer Stickoxidkonzention von 270 Vppm bei einem NO:NO₂-Verhältnis von 2 wird mit einer Nennlast von 200 Nm³·h^–1 über die in Beispiel 2 beschriebene Kompositpackung geleitet, wobei die Lagen der gestrickförmigen Aktivschichten 2 aus katalytisch aktivierten austenitischen Legierungen ausgeführt wurden.
Diese Anordnung wurde mit 300,00 l·h^– ¹ einer wässrigen Lösung beaufschlagt, die 5,00 Ma.-% Salpetersäure und 0,10 % Wasserstoffperoxid enthielt. Die Wasserstoffperoxidkonzentration dieser Lösung wurde durch Nachführen einer wässrigen Wasserstoffperoxidlösung, die zwischen 30,00 bis 75,00 Ma.-% Wasserstoffperoxid enthalten kann, konstant gehalten.
Durch die Messung der Stickoxidkonzentrationen am Eintrittsbereich und Austrittsbereich der Packung wurden nachfolgend aufgeführte Konzentrationen bestimmt:

Claims

Kompositpackung zur Durchführung von katalytischen Reaktionen zur Abluft- und Abgasreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Mantel (4) wechselweise Strömungsgleichrichter (1) und Aktivschichten (2) übereinander gestapelt sind und die Strömungsgleichrichter (1) und die Aktivschichten (2) im Mantel (4) fest jedoch auswechselbar platziert sind.
Kompositpackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgleichrichter (1) und/oder die Aktivschichten (2) derart ausgeführt sind, daß sie katalytisch aktiviert sind.
Kompositpackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, eine Reaktionskomponente darstellt.
Kompositpackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgleichrichter (1) derart ausgeführt sind, daß die Öffnungen (7) mit Adsorbentien, nämlich Aktivkohlen, Aluminosilikaten und/oder Zeolithen gefüllt sind.
Kompositpackung nach Anspruch 1, dadwurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der Reaktionsführung die Strömungsgleichrichter (1) eine unterschiedliche Höhe aufweisen.
Kompositpackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivschichten (2) vorzugsweise katalytisch aktivierte metallische Gestricke, Gewebe und/oder fliesartige Matten, erzeugt aus austenitischen und/oder ferritischen Legierungen, darstellen.