DE2525660A1

DE2525660A1 - Gasreinigungsvorrichtung, insbesondere zur katalytischen gasreinigung

Info

Publication number: DE2525660A1
Application number: DE19752525660
Authority: DE
Inventors: Victor Rosynsky
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Priority date: 1974-06-10
Filing date: 1975-06-09
Publication date: 1975-12-18
Also published as: FR2273943A1; CA1029204A; IT1035978B; AU8195875A; FR2273943B1; JPS5110216A; GB1507164A

Description

Dr- ΗΓ.Γ.3-Α. Brauns

8 Munch«] £3, heuiiiiauamf. 28

9. Juni 1975 74-64

ENGELHARD MINERALS & CHEMICALS CORPORATION 430 Mountain Avenue, Murray Hill, N.J. 07974, V.St.A,

Gasreinigungsvorrichtung, insbesondere zur katalytischen Gasreinigung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine katalytische Einrichtung, die sich zur Reinigung von Gasen eignet, und welche insbesondere für die Behandlung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen verwendbar ist, um die Verunreinigung der Umgebungsatmosphäre zu verringern.

Gase aus unterschiedlichen Quellen treten häufig in die Umgebungsatmosphäre aus und verunreinigen die Atmosphäre mit unerwünschten Teilchen. Dieses Problem wird seit

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Jahren untersucht, und es wurden bereits viele unterschiedliche Arten von Einrichtungen vorgeschlagen, um es zu Überwinden, jedoch wird die Verhinderung einer derartigen Verunreinigung immer dringender.

Eine besondere Schwierigkeit stellt die Reinigung von Abgasen dar, die aus Verbrennungskraftmaschinen, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet werden, austreten. Die Abgase der Motoren, welche gewöhnlich Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffgase, Benzin oder Dieseltreibstoff, verwenden, können eine erhebliche Verunreinigung der Atmosphäre verursachen. Unter den in diesen Abgasen vorhandenen Verunreinigungen befinden sich Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff enthaltende Verbindungen, wobei die letztgenannten Stickoxide und Kohlenmonoxid enthalten. Die Entfernung dieser Verunreinigungen aus den Abgasen oder die Umwandlung dieser Verunreinigungen in weniger gefährliche Stoffe ist von erheblicher Bedeutung für das allgemeine Wohlbefinden.

Die US-PS 3 441 38I betrifft eine katalytische Einrichtung, die zur Reinigung verschiedener Gase, wie beispielsweise Abgase, verwendet wurde und welche sich als besonders wirksam bei der Behandlung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen erwiesen hat, welche Kohlenwasserstoffe oder andere Brennstoffe verwenden. Die Einrichtung besitzt einen Gehäuseabschnitt, in welchem ein einteilig aufgebauter Katalysator angeordnet ist, welcher eine Anzahl von Gasströmungskanälen aufweist. An den Enden des Gehäuses ist jeweils ein Gaseinlass bzw. ein Gasauslass vorgesehen. Der Aussendurchmesser des Katalysators, welcher im wesentlichen den gleichen Querschnitt wie das Gehäuse besitzt, ist etwas kleiner

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als die Innenabmessung des Gehäuses, um ein Einsetzen des Katalysators in das Gehäuse zu ermöglichen, nachdem diese Teile getrennt voneinander hergestellt wurden.

Um den Katalysator fest innerhalb des Gehäuses zu halten, ist ein elastisches, biegsames Element unter Druck in dem Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Katalysator angeordnet. Der Katalysator besteht zumeist aus einem feuerfesten keramischen Material, während das Gehäuse aus Metall gefertigt ist. In einer sehr zweckmässigen Ausbildung der Anordnung ist das elastische biegsame Element als welliges Metallelement ausgebildet, welches durchlässig ist, wie etwa ein wellenförmig angeordnetes Metallgestrick.

Gemäss einer bevorzugten AusfUhrungsform der Anordnung nach der US-PS 3 441 jj8l steht jedes Ende des Katalysators in Berührung mit einem Flansch, welcher sich vom Gehäuse nach innen erstreckt. Diese Plansche sind am Innenumfang des Gehäuses angeordnet, überbrücken den Raum zwischen dem Gehäuse und dem Katalysator und ragen ausreichend über die jeweiligen Stirnseiten des Katalysators hinaus, um diesen gegen eine Längsbewegung innerhalb des Gehäuses zu sichern. Es ist ferner erwünscht, dass die Flansche das zu behandelnde Gas daran hindern, den Katalysator zu umgehen, indem sie jedes Ende des zwischen dem Katalysator und dem Gehäuse vorhandenen Ringraums absperren, so dass die Gase gezwungen sind, durch den Katalysator hindurchzutreten, wenn sie vom Einlass zum Auslass der Anordnung strömen.

Obwohl die Vorrichtung gemäss der US-PS 3 441 581 sich bei der Reinigung von Abgasen von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren ausgezeichnet bewährt hat, gibt es Fälle, in wel-

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chen der Katalysator beim Betrieb beschädigt wird. Die ausgangsseitige Stirnfläche des Katalysators wird gelegentlich infolge einer Schleifwirkung beschädigt, welche dadurch entsteht, dass sich der Katalysator drehen oder in anderer Weise innerhalb des Gehäuses in Anlage mit seinem Halteflansch bewegen kann. Die US-PS 3 692 497 zeigt eine katalytische Reinigungsvorrichtung, welche eine Einrichtung zur Verhinderung einer Drehung des Katalysators innerhalb eines zylindrischen Gehäuses aufweist, wodurch eine Schleifwirkung mit einer daraus resultierenden Beschädigung verhindert oder verringert wird. Jedoch können Beschädigungen aus anderen Ursachen auftreten. Während des Betriebs der katalytischen Reinigungsvorrichtung flir die Abgase treten hohe Betriebstemperaturen auf, die beispielsweise bis zu 800°C und höher erreichen. Bekanntermassen dehnen sich viele Stoffe mit steigender Temperatur aus. Da verschiedene Stoffe sich unterschiedlich stark ausdehnen, erfolgt die Ausdehnung des Gehäuses und des Katalysators um unterschiedliche Beträge. Die Vorrichtung gemäss der US-PS 3 441 381 hält eine ausreichende Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Katalysator während einer radialen Ausdehnung bei erhöhten Temperaturen aufrecht, jedoch tritt eine Ausdehnung in Längsrichtung ebenfalls auf. Diese Ausdehnung in Längsrichtung bewirkt, dass die Halteflansche nicht länger fest gegen die Stirnseiten des Katalysators anliegen. Dabei treten zwei unerwünschte Effekte auf. Erstens kann ein Teil der Abgase in den Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Katalysator eintreten und ist damit nicht der katalytischen Wirkung unterworfen. Zweitens kann eine Schwingung des Katalysators zu einer Beschädigung der Enden des Katalysators führen, welche an den Halteflanschen anstossen. Die US-PS 3> 692

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zeigt eine Einrichtung zur Verhinderung einer Längsbewegung des Katalysators innerhalb eines zylindrischen Gehäuses. Diese Patentschrift betrifft jedoch in erster Linie einen Durchtritt des Katalysators durch den Plansch am Gehäuseauslass und braucht eine geringe Längsbewegung als Folge von Schwingungen oder Stössen an der Reinigungsvorrichtung nicht zu verhindern. Daher wird durch die Lehre der genannten Patentschrift nicht mit Sicherheit eine Beschädigung der Stirnseiten des Katalysators verhindert, welche dadurch entsteht, dass diese Stirnseiten als Folge von Schwingungen während des Betriebs bei hohen Temperaturen gegen die Halteflansche stossen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine katalytische Gasreinigungsvorrichtung der vorausgehend beschriebenen Art und umfasst ausdehnbare und/oder elastische keramische Faserelemente, um die unerwünschten Folgen zu verhindern, die sonst als Folge von Unterschieden in der thermischen Ausdehnung verschiedener Bauteile der Vorrichtung und als Folge von mechanischen Stössen, denen die Vorrichtung während des Betriebs ausgesetzt ist, auftreten können.

Gemäss der vorliegenden Erfindung ist ein ausdehnbares und/oder elastisches keramisches Faserelement zwischen einer Stirnseite des Katalysators und dem zugeordneten Halteflansch angeordnet. Vorzugsweise sind ein keramisches Faserelement und ein Halteflansch neben jeder Stirnseite des Katalysators vorgesehen, obwohl sie lediglich neben einer der beiden Stirnseiten vorgesehen sein können. Das keramische Faserelement wird vorzugsweise beim Einbau unter Druckspannung zwischen dem Halteflansch und der benachbarten

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Stirnseite des Katalysators eingesetzt. Während des Betriebs bei höheren, aber schwankenden Temperaturen vergrössert sich der Abstand zwischen dem Halteflansch und der Stirnseite des Katalysators als Folge der Unterschiede in der Wärmeausdehnung der einzelnen Bauteile, wobei sich bei einer derartigen Abstandsvergrösserung das keramische Faserelement ausdehnt, um die Berührung mit dem Halteflansch und der Stirnseite des Katalysators im wesentlichen bei allen Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. In der anschliessenden Beschreibung wird das ausdehnbare Element gelegentlich als elastisches Element bezeichnet. Diese keramischen Paserelemente sind in ihrer Formgebung und Werkstoffauswahl derart ausgebildet, dass bei ihrer Ausdehnung ein Ausgleich für die Unterschiede der thermischen Wärmeausdehnung zwischen Katalysator und Gehäuse ermöglicht wird. Daher wird über den gesamten Betriebstemperaturbereich der katalytischen Gasreinigungsvorrichtung ein erheblicher Anpressdruck gewünschter Grosse am Katalysator aufrechterhalten und damit eine Beschädigung des Katalysators verhindert, die sonst als Folge einer Berührung der Katalysatorstirnseite mit dem Halteflansch bei einer Schwingung der Gasreinigungsvorrichtung während des Betriebs bei hohen Temperaturen auftreten könnte. Darüberhinaus verhindern die ausdehnbaren keramischen Faserelemente in Verbindung mit den Halteflanschen einen Durchtritt der Abgase in den Raum zwischen dem Katalysator und dem Gehäuse über den gesamten Betriebstemperaturbereich und gewährleisten dadurch, dass im wesentlichen alle Abgase durch den Katalysator strömen. Die keramischen Faserelemente können ferner im Zusammenwirken mit anderen Elementen eingesetzt werden, die zwischen dem Ende des Katalysators und dem Halteflansch angeordnet sind.

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Obgleich die ausdehnbaren und/oder elastischen keramischen Pasereleraente erfindungsgemäss ohne ein elastisches biegsames Element verwendet werden können, welches den Katalysator innerhalb des Gehäuses umgibt, und ferner ohne eine Einrichtung, um entweder eine Drehbewegung oder eine merkliche Längsbewegung des Katalysators innerhalb des Gehäuses zu verhindern, eignen sich die ausdehnbaren und/oder elastischen keramischen Faserelemente auch zur Verwendung mit derartigen Einrichtungen, die vorzugsweise in der Gasreinigungsvorrichtung vorgesehen werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der anschliessenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen

Figur 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe katalytische Gasreinigungsvorrichtung und

Figuren 2 und 3 vergrösserte Teilschnittansichten des Abschnitts A-A der Figur 1, welche bevorzugte Ausführungsformen eines elastischen Elements darstellen, welches erfindungsgemäss in der katalytischen Gasreinigungsvorrichtung vorgesehen werden kann.

Die in Figur 1 beispielsweise dargestellte katalytische Gasreinigungsvorrichtung 10 weist einen zylindrischen Mittelabschnitt 12 und kegelstumpfförmige Endabschnitte 14 und 16 auf. Eine Einlassleitung 18 ist einstückig mit dem kegelstumpfförmigen Endabschnitt 14 ausgebildet, während eine Auslassleitung 20 einstückig mit dem kegelstumpfförmigen Endabschnitt 16 hergestellt ist. Die Leitungen 18 und ermöglichen den Anschluss der katalytischen Gasreinigungsvorrichtung 10 an einer Abgasquelle, die beispielsweise

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aus einer Verbrennungskraftmaschine austritt. Die Abgase können mit Sauerstoff vermischt sein, welcher beispielsweise den Abgasen, bevor sie in die Leitung 18 eintreten, durch eine Luftquelle zugeführt wird.

Der Mittelabschnitt der katalytischen Gasreinigungsvorrichtung 10 umfasst ein Metallgehäuse 22, welches vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist, wobei der Durchmesser in der Grössenordnung zwischen etwa 5 und 20 cm liegt, während die Länge des Gehäuses in der Grössenordnung zwischen etwa 5 und JO cm liegt. Die kegelstumpfförmigen Endabschnitte 14 und 16 grenzen an das Gaseinlass- und Gasauslassende des Gehäuses 22 an und sind damit beispielsweise durch Schweissen verbunden. Die Endabschnitte können auch einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

Der kegelstumpfförmige Endabschnitt 14 ist derart bemessen, dass er eine Verteilung oder einen Durchtritt der Abgase über den gesamten oder im wesentlichen den gesamten Querschnitt sbere ich des Einströmteils des Gehäuses 22 ermöglicht, so dass die Abgase in alle oder im wesentlichen in alle Einlassöffnungen 24 der Gasströmungskanäle 26 in dem einteiligen Katalysator 28 eintreten, welcher innerhalb des Gehäuses 22 angeordnet ist und welcher einen Querschnitt besitzt, der geringfügig kleiner als jener des Gehäuses 22 ist. Die Einlassöffnungen 24 verteilen sich über den gesamten oder im wesentlichen den gesamten Bereich der einlassseitigen Stirnseite 30 des porösen, auf Keramik gebundenen Oxidationskatalysators 28.

Der kegelstumpfförmige Endabschnitt 16 weist ähnliche Ab-

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messungen wie der kegelstumpfförmige Endabschnitt 14 auf und ist daher derart ausgebildet, dass er den freien Austritt des Gases aus den Strömungskanälen 26 durch die Austritts öffnungen 32 an der auslassseitigen Stirnfläche 34 des Katalysators 28 ermöglicht. Als Folge einer derartigen freien Gasströmung aus den Strömungskanälen wird die Ausbildung eines merklichen Rlickdrucks vermieden.

Die Aussenflache 40 des Katalysators 28 ist vorzugsweise mit einer Beschichtung 43 versehen, die beispielsweise aus Piberfaxzement, einem faserartigen Aluminiumsilikat, besteht, wodurch die Poren an der Aussenflache des Katalysators verschlossen werden und ferner ein Schutzliberzug erhalten wird. Zwischen der Innenfläche 38 des Gehäuses 22 und der Aussenf lache 40 des Katalysators 28 ist ein Zwischenraum 36 von im wesentlichen gleichförmiger Breite vorhanden. Dieser Zwischenraum 36 erstreckt sich vollständig um den Katalysator 28 über die gesamte Länge desselben. In der bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung ist im Zwischenraum 36 ein elastisches, biegsames Element 42 vorgesehen und unter Druck zwischen der Innenfläche 38 des Gehäuses 22 und der Aussenfläche 40 des Katalysators 28 angeordnet. Das elastische, biegsame Element 42 kann beispielsweise aus einer gewellten, gasdurchlässigen Metallanordnung, wie etwa einem gewellten Metallgestrick, bestehen, wie es in der US-PS 3 441 381 beschrieben ist. Ein ringförmiger Halteflansch 44 erstreckt sich innerhalb des Gehäuses 22 radial nach innen, um den Spalt des Ringraums 36 zwischen der Innenwand 38 und dem randseitigen Bereich der eingangsseitigen Stirnseite 30 des Katalysators 28 zu überbrücken.

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Der Halteflansch 44 stellt eine kontinuierliche Absperrung um den Umfang des Katalysators 28 dar, um eine Strömung des nicht-gereinigten Abgases in den Zwischenraum 36 zu verhindern» ohne eine zu grosse Anzahl der Einlassöffnungen 24 zu blockieren. Es ist erwünscht, dass einige Einlassöffnungen 24 blockiert werden, um das elastische Element 42 und das Gehäuse 22 gegenüber der Reaktionswärme der behandelten Abgase zu isolieren und die Wärme im Katalysator zurückzuhalten. In der in den Zeichnungen dargestellten AusfUhrungsform ist der ringförmige Flansch 44 einstückig mit dem kegelstumpfförmigen Endabschnitt 14 ausgebildet und kann aus einem dünnen, kurzen Plansch bestehen, welcher im wesentlichen eine gleichmässige Stärke und radiale Erstreckung aufweist und welcher hergestellt wird, indem das innere Ende des kegelstumpfförmigen Endabschnitts 14 ausreichend umgebogen wird, damit der radiale Ringflansch 44 entsteht, dessen Ebene im wesentlichen normal zur Hauptachse des Gehäuses verläuft. Der Zwischenraum 356 kann beispielsweise eine Stärke in der Grössenordnung von 3 mm besitzen, während der ringförmige Flansch 44 sich vom Gehäuse etwa um einen Betrag in der Grössenordnung von 6 mm nach innen erstrecken kann.

Ein entsprechender ringförmiger Flansch 44 erstreckt sich vom Gehäuse 22 radial nach innen, um den Zwischenraum 36 an der auslassseitigen Stirnseite 34 des Katalysators 28 zu überbrücken. Dieser Flansch 44 bildet ebenfalls eine kontinuierliche Sperre am Umfang des Katalysators 28, um eine Gasströmung durch den Zwischenraum 36 zu verhindern,

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ohne die Auslassöffnungen 32 einer zu grossen Anzahl der Strömungskanäle 26 im Katalysator 28 zu verschliessen. Der ringförmige Flansch 44 kann ebenfalls einstückig mit dem kegelstumpfförmigen Endabschnitt 16 ausgebildet sein und kann aus einem dünnen, kurzen Flansch mit im wesentlichen gleichmässiger Stärke und radialer Erstreckung bestehen, welcher durch Umbiegen des inneren Endes des kegelstumpfförmigen Endabschnitts gebildet wird. Dieser ausgangsseitige ringförmige Flansch 44 erstreckt sich von der Innenfläche 38 des Gehäuses um einen entsprechenden Betrag nach innen, wie der eingangsseitige ringförmige Endflansch 44, und seine Ebene liegt ebenfalls im wesentlichen senkrecht zur Gehäuseachse .

Das elastische, biegsame Element 42 ist an beiden Seiten mit einer ungleichmässigen oder mit Rippen versehenen Oberfläche ausgestattet und ist vorzugsweise gewellt. Das Element 42 umgibt den Katalysator 28 in enger Anlage und steht in Berührung mit der Innenfläche 38 des zylindrischen Gehäuses 22, um mechanische Stösse zu absorbieren und Unterschiede in der thermischen Ausdehnung der metallischen Gehäusewand und des keramischen Trägers des Katalysators 28 in radialer Richtung auszugleichen. Vorzugsweise besteht das Element 42 aus einem gewellten Metallgestrick, welches eine beträchtlich grössere Biegsamkeit und Elastizität als beispielsweise ein gewelltes Metallblech aufweist. Vorzugsweise wird ferner beim Einbau des Elements 42 in die katalytische Gasreinigungsvorrichtung 10 dieses einer Druckspannung ausgesetzt. Das zusammengedrückte, gewellte Gestrick gewährleistet eine grössere Anzahl von Berührungspunkten mit dem Katalysator 28 und ergibt daher eine verbesserte Absorption von StÖssen sowie einen verbesserten Ausgleich der

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Wärmedehnungen. Dabei kann eine Einrichtung vorgesehen werden, um eine Drehbewegung des Katalysators 28 innerhalb des Gehäuses auf ein Mindestmass zu beschränken, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 692 497 beschrieben ist.

Ein im wesentlichen ringförmiges, dehnbares und/oder elastisches keramisches Faserelement 48 ist zwischen dem einlassseitigen Flansch 44 und dem Einlassende J>Q des Katalysators 28 angeordnet. Ein zweites ausdehnbares und/oder elastisches keramisches Faserelement 48 liegt zwischen dem auslassseitigen Flansch 44 und dem auslassseitigen Ende des Katalysators 28. Die Elemente 48 gleichen Unterschiede in der thermischen Ausdehnung in Längsrichtung zwischen dem metallischen Gehäuse 22 und dem keramischen Träger des Katalysators aus. DarUberhinaus absorbieren die keramischen Faserelemente 48 Stösse, besonders während des Betriebs der katalytischen Gasreinigungsvorrichtung 10 bei hohen Temperaturen. Vorzugsweise erstrecken sich die Flansche 44 gemäss Figur 1 von der Innenfläche 38 geringfügig weiter radial nach innen als die keramischen Faserelemente 48, um einen Durchtritt von unbehandelten Abgasen durch die ausdehnbaren Elemente und damit durch den ringförmigen Zwischenraum 36 zwischen dem Gehäuse 22 und,dem Katalysator 28 zu verhindern.

Die Figur 2 stellt ein keramisches Faserelement 48 dar, welches einen ersten becherförmigen Abschnitt 48a sowie einen zweiten becherförmigen Abschnitt 48b aufweist. Die Abschnitte 48a und 48b bestehen vorzugsweise jeweils aus einem keramischen Fasermaterial. Da dieses Material verhältnismässig undurchlässig gegenüber unbehandelten Abgasen ist,

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sperren die Abschnitte 48a und 48b den Durchtritt dieser Gase durch den Zwischenraum 36, so dass im wesentlichen alle nicht behandelten Abgase durch den Katalysator 28 strömen. Gemäss Figur 2 sind die Querschnitte der Abschnitte 48a und 48b L-förmig ausgebildet. Die Abschnitte 48a und 48b können etwa 6 mm vom Gehäuse 22 in radialer Richtung des L neben dem Flansch 44 nach innen ragen. Die gesamte Dicke dieses Bereichs des L-Abschnittes beider Abschnitte 48a und 48b zwischen Flansch 44 und der einlassseitigen Stirnseite 30 des Katalysators 28 kann etwa 2,5 ram betragen. Das keramische Fasermaterial der Abschnitte 48a und 48b kann aus einem Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Fasermaterial, wie etwa einer Thermotec-Keramikfaserplatte, bestehen.

Gemäss einer vorteilhaften Ausflihrungsform der Erfindung ist das zweite oder innere becherförmige Element 48b genügend weich oder elastisch, um sich an Unebenheiten der benachbarten Stirnseite des Katalysators 28 oder seiner Beschichtung 43 anzupassen, um eine wirksame Abdichtung gegen einen Gasdurchtritt zu gewährleisten. Das äussere becherförmige Element 48a kann verhältnismässig fest oder weniger elastisch als das Element 48b ausgebildet sein, um ein sicheres axiales Erfassen des Katalysators zu gewährleisten und die Ausübung einer verhältnismässig grossen axialen oder in Längsrichtung wirkenden Kraft gegen den Katalysator zu ermöglichen. Das innere Element 48b kann elastischer als das äussere Element 48a sein, beispielsweise mindestens zweimal so elastisch, um die gewünschte Dicht- und Haltewirkung zu ergeben. Beispielsweise kann das Element 48b nur etwa halb so steif als das Element 48a sein.

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Um das Erfassen des Katalysators 28 weiter zu verbessern, kann das Element 42 gegebenenfalls eine grössere Länge aufweisen als der Katalysator 28, so dass beim Zusammenbau gemäss Figur 1 das Element 42 geringfügig in Längsrichtung zusammengedrückt wird, wobei es am ausdehnbaren Element 48 entweder unmittelbar gemäss Figur 2 oder gegen ein Zwischenstück anliegt.

Obgleich die Figur 1 eine bevorzugte AusfUhrungsform der Erfindung darstellt, gemäss welcher ein Halteflansch 44 und ein ausdehnbares keramisches Faserelement 48 sowohl am einlassseitigen Ende als auch am auslassseitigen Ende des Katalysators 28 vorhanden sind, so lässt sich eine zufriedenstellend arbeitende katalytische Gasreinigungsvorrichtung erzielen, welche nur mit einem einzigen Flansch und einem einzigen ausdehnbaren keramischen Faserelement ausgestattet ist, vorausgesetzt, dass das einzige ausdehnbare keramische Faserelement eine ausreichende Elastizität besitzt, um den Katalysator 28 bei erhöhten Betriebstemperaturen festzuhalten. Falls ein einziger Flansch und ein einziges keramisches Faserelement verwendet werden, so sind sie vorzugsweise benachbart dem Gasauslassende 34 des Katalysators 28 angeordnet, da die Gasströmung durch den Katalysator das Bestreben hat, eine Bewegung desselben in dieser Richtung zu verursachen und das keramische Faserelement als Dämpfungselement wirkt.

Figur 3 zeigt eine, abgeänderte AusfUhrungsform,'gemäss welcher der kegelstumpfförmige Endabschnitt 14 in einen Ringflansch 44a mündet, welcher sich radial nach aussen zur Innenfläche 38 des Gehäuses 22 erstreckt, in Anlage mit dem keramischen Faserelement 48 steht und sich anschliessend in Längsrichtung nach aussen unter Ausbildung eines Randab-

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Schnitts 14a erstreckt, welcher am Gehäuse 22 anliegt. Somit erstreckt sich der Plansch 44a vom Gehäuse 22 radial nach innen, wie dies auch für den Flansch 44 der Figur 2 zutrifft.

Die erfindungsgemässe Reinigungsvorrichtung kann, abgesehen von dem Oxidationskatalysator 28, welcher als einstückiges, feuerfestes Element ausgebildet ist, aus Eisen- oder Nicht-Eisenmetallen bestehen, welche für die hohen Temperaturen geeignet sind, die beim Betrieb auftreten, beispielsweise bis zu 800°C und höher. Der auf einem Träger aufgebrachte Oxidationskatalysator 28 kann aus einem einstückigen, starren Trägergerüst bestehen, wobei als Träger beispielsweise Kordierit verwendet wird. Die Kanäle 2.6 können einen Querschnitt aufweisen, der beispielsweise trapezförmig, rechteckförmig oder hexagonal ausgebildet ist und werden durch Wellungen und im wesentlichen horizontale Schichten der Trägeranordnung gebildet. Ein aktiviertes, feuerfestes Metalloxid, beispielsweise ein Aluminiumoxid aus der Gammafamilie bzw. vom aktivierten Typ kann an der Oberfläche der Gasströmungskanäle 26 vorgesehen werden. Die metallische Komponente des Oxidationskatalysators kann von dem aktiven feuerfesten Metalloxid getragen werden. Die katalytische Metallkomponente kann beispielswiese ein Metall der Platingruppe, ein unedles Metall oder Kombinationen hiervon enthalten, die am aktiven feuerfesten Metalloxid aufgebracht sind. Als Alternative hierzu kann das katalytische Metall auch unmittelbar auf den Trägerflächen aufgebracht sein.

Der einteilige, skelettartige Träger für den Oxidationskatalysator, welcher in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist durch eine grosse Anzahl von Strömungskanälen gekennzeichnet, welche sich durch den Träger erstrecken. Der aufgebrachte Katalysator ist in der Reinigungs-

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vorrichtung in solcher Weise aufgebracht, dass das einstückige Trägerskelett den Hauptteil des Querschnittsbereichs der Reaktionszone einnimmt, wobei ein enger Zwischenraum zwischen dem Träger und der Wand der Reinigungsvorrichtung vorhanden ist. Vorzugsweise ist das einteilige Trägerskelett derart geformt, dass es in die Reaktionszone des Gehäuses der Reinigungsvorrichtung passt, und der auf dem einteiligen Träger aufgebrachte Katalysator ist dabei in Längsrichtung, bezogen auf die zellenförmigen Gasströmungskanäle, angebracht, d. h., die Strömungskanäle erstrecken sich in der allgemeinen Richtung der Gasströmung, so dass die Gase während ihres Durchtritts durch die Reinigungsvorrichtung durch die Strömungskanäle fHessen. Die Strömungskanäle brauchen sich nicht geradlinig durch die Katalysatoranordnung zu erstrecken, sondern können Umlenkanordnungen aufweisen.

Die skelettförmige Trägeranordnung besteht vorzugsweise aus einem im wesentlichen chemisch und vergleichsweise katalytisch inerten starren Pestkörpermaterial, welches seine Form und Festigkeit bei hohen Temperaturen, beispielsweise bis zu'etwa 1100⁰C und mehr, beibehält. Der Träger hat zweckmässig einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, eine gute Beständigkeit gegenüber thermischen Schockzuständen und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Der Träger kann metallisch oder keramisch sein oder aus einer Kombinationsanord-

nung bestehen. Obgleich der Träger aus Glaskeramik bestehen kann, ist er vorzugsweise unglasiert und kann im wesentlichen vollständig kristallin ausgebildet sein, wobei die Abwesenheit eines merklichen Anteils von einer glasartigen oder amorphen Matrix, wie sie beispielsweise in Porzellanmaterialien vorhanden ist, von Bedeutung ist. Ferner kann der skelettartige Träger eine beträchtliche verfügbare Porosität

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aufweisen, im Gegensatz zu dem im wesentlichen nicht-porösen Porzellan, welches für elektrische Anwendungen, beispielsweise zur Herstellung von Zündkerzen, verwendet wird und welches durch eine verhältnismässig geringe verfügbare Porosität gekennzeichnet ist. Während der äussere Oberflächenbereich derartiger Anordnungen in der Grössenordnung von 0,001 bis 0,01 m /g liegt, wobei die Strömungskanäle eingeschlossen sind, ist die gesamte Oberfläche vorzugsweise mehrfach grosser, so dass ein grosser Teil der katalytischen Reaktion in den grösseren Poren stattfinden kann.

Der geometrische Oberflächenbereich des Trägers einschliesslich der Wände der Gasströmungskanäle beträgt häufig etwa 0,5 bis 6 und vorzugsweise 1 bis 2,5 m je dnr des Trägers. Die Kanäle, welche sich durch den einteiligen Körper bzw. die Skelettanordnung erstrecken, können jede beliebige Form und Grosse aufweisen, welche mit der gewünschten geometrischen Oberfläche verträglich ist und sollten gross genug sein, um einen freien Durchtritt der Gasmischung aus Abgas und Sauerstoff enthaltendem Gas zu" gestatten. Die Kanäle können parallel oder im wesentlichen parallel verlaufen und erstrecken sich durch den Träger von einer S xrnseite desselben zur anderen, wobei die Kanäle vorzugsweise durch dünne Wände voneinander getrennt sind. Die Kanäle können ferner viele verschiedene Richtungen aufweisen und sogar mit einem oder mehreren der benachbarten Kanäle in Verbindung stehen. Die Einlassöffnungen der Kanäle können im wesentlichen an der gesamten Stirnseite bzw. Querschnitt des Trägers verteilt sein, welcher den ersten Kontakt mit dem zu reinigenden Gas aufweist. Eine bevorzugte Skelettanordnung besteht aus einem

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oder mehreren folgender Stoffe, nämlich Kordierit, Ko rdierit-Alpha-Aluminiumoxid, Zirkon-Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Magnesiumoxid, wobei anstelle der bevorzugten Werkstoffe für den Träger noch Sillimanit, Magnesiumsilicate, Zirkon, Petalit, Alpha-Aluminiumoxid und Aluminosilikate in Frage kommen*

Die Gasströmungskanäle des Katalysators, welcher einen einteiligen Skelettartigen keramischen Träger aufweist, können dünne Wände aufweisen, welche eine verhältnismässig grosse Oberfläche besitzen. Die Kanäle können eine bestimmte Querschnittsform oder mehrere Querschnittsformen aus einer Vielzahl von Querschnittsformen und -grössen aufweisen. Die Kanäle können beispielsweise einen trapezförmigen, rechteckförmigen, quadratischen, sinusförmigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen, so dass die Querschnitte des Trägers in einem einheitlichen Muster angeordnet ist, welches als Honigwaben-, als Wellen- oder Gittermuster bezeichnet werden kann. Die Wände der zellenförmigen Kanäle weisen im allgemeinen eine Dicke auf, die zur Erzielung eines einteiligen Körpers grosser Festigkeit erforderlich ist, wobei die Wanddicke zumeist im Bereich zwischen 0,05 und 0,25 mm (2 bis 10 mils) liegt. Bei dieser Wandstärke kann die Anordnung etwa 16 bis 400 oder mehr Gaseintrittsöffnungen für die Strömungskanäle

pro cm aufweisen sowie eine entsprechende Anzahl von Gasströmungskanälen, vorzugsweise etwa 24 bis 80 Gaseinlässe

und Strömungskanäle pro cm . Der offene Bereich des Querschnitts kann mehr als 60# des Gesamtquerschnitts betragen. Die Grosse und die Abmessungen des einteiligen skelettartigen feuerfesten Trägers gemäss der Erfindung können in weiten Grenzen verändert werden.

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Bei der bevorzugten Ausflihrungsform des Katalysators wird das feuerfeste Metalloxid auf den einteiligen skelettförraigen Träger als kontinuierliche oder diskontinuierliche dünne Ablagerung aufgebracht, welche vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,001 bis 0,025 mm (0,0004 bis 0,001 Zoll) aufweist. Ein derartiges katalytisch aktives Oxid kann ein kalziniertes, feuerfestes Metalloxid sein, welches eine poröse Struktur aufweist und ein verhältnismässig grosses inneres Porenvolumen und eine grosse Gesamtoberfläche besitzt. Im allgemeinen beträgt die Gesamtoberfläche des aktiven feuerfesten Metalloxides mindestens etwa 25 m /g. Derartige Oxide können durch Abtrennen des Wassers aus dem Hydrat des Oxids durch Kalzinieren bei Temperaturen von gewöhnlich etwa 150°C bis 800°C erhalten werden. Die bevorzugten aktiven Metalloxide enthalten Elemente aus Aluminiumoxid aus der Gammafamilie bzw. vom aktivierten Typ, welche beispielsweise durch Ausscheiden eines wasserhaltigen Aluminiumoxidgels und anschliessendes Trocknen und Kalzinieren zum Entfernen des Hydratwassers zwecks Bildung des aktiven Aluminiumoxids hergestellt werden können.

Bei Betrieb der Anordnung gelangen die Abgase aus einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einer mit Kerzenzündung und hin- und herbewegten Kolben arbeitenden Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder Gabelstaplers, welche verbrennbare, luftverunreinigende Bestandteile wie Kohlenwasserstoffe, oxidierte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid enthalten, mit hoher Geschwindigkeit aus dem Auspuff der Maschine und sind mit einer Sauerstoffmenge vermischt, die zur Verbrennung der verbrennbaren Bestandteile notwendig ist, wobei vorzugsweise ein Sauerstoffanteil vorliegt,

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welcher die für die Verbrennung erforderliche stöchiometrische Menge Überschreitet. Der Sauerstoff kann in den Abgasen als Folge der Verbrennung eines mageren Brennst off gemisches vorliegen, oder Sauerstoff kann, beispielsweise in Form von Luft, den Abgasen zugeführt werden. Die Sauerstoff enthaltenden Abgase treten mit erhöhter Temperatur in den Einlass 18 der katalytischen Gasreinigungsvorrichtung 10 ein und fliessen durch eine Vielzahl von Strömungskanälen 26, die sich durch den Oxidationskatalysator 28 erstrecken. Die gasförmige Mischung gelangt in Berührung mit der aktiven Katalysatorkomponente innerhalb der Makroporen des porösen aufgebrachten Katalysators sowie an der Oberfläche der Strömungskanäle 26, wobei die Temperatur des aufgebrachten Katalysators üblicherweise zwischen 150⁰C und 700⁰C liegt, so dass die verbrennbaren, die Luft verunreinigenden Anteile in weniger schädliche Gase, wie beispielsweise COp und HpO, oxidiert werden. Die auf diese Weise gereinigten Gase gelangen dann aus der Gasreinigungsvorrichtung 10 Über die Auslassleitung 20 entweder unmittelbar in die Atmosphäre oder in eine Anschlussleitung, aus welcher sie in die Atmosphäre austreten. Bei diesem Vorgang wird das Katalysatorelement stationär innerhalb des Gehäuses 22 gehalten.

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Claims

74-64 9- Juni 1975

Patentansprüche

1· Gasreinigungsvorrichtung mit einem Gehäuse, welches einen umschlossenen Raum begrenzt, und mit einem Gaseinlass sowie einem Gasauslass, welcher jeweils mit dem umschlossenen Raum in Verbindung steht, gekennzeichnet durch eine in dem umschlossenen Raum angeordnete keramische Anordnung, welche einen einteiligen, skelettartigen Aufbau besitzt und eine Anzahl von Gaseinlässen (24), eine Anzahl von Gasauslässen (j52) und Gasströmungswege (26) aufweist, die sich von den Gasauslässen durch den skelettartigen Aufbau zu den Gasauslässen erstrecken, wobei die keramische Anordnung im Gehäuse unter Ausbildung eines Zwischenraums (j56) angeordnet ist, durch einen ersten Flansch (44), welcher neben dem Umfang eines ersten Endes der keramischen Anordnung angeordnet ist und den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse (22) und der keramischen Anordnung überbrückt, und durch ein erstes ausdehnbares keramisches Faserelement (48), welches unter Druckspannung zwischen dem ersten Flansch (44) und der keramischen Anordnung eingesetzt ist, um eine elastische Verbindung zwischen dem ersten Flansch (44) und der keramischen Anordnung über den Betriebstemperaturbereich der Anordnung zu schaffen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Faserelement einen ersten Abschnitt (48a) aufweist, welcher neben dem ersten Flansch (44, 44a) angeordnet ist, sowie einen zweiten Abschnitt (48b), welcher neben der keramischen Anordnung liegt.

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J. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt
des Paserelementes jeweils becherartig ausgebildet
sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (48a) und der zweite Abschnitt (48b) des keramischen Paserelements jeweils einen
L-förmigen Querschnitt besitzen.

5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Faserelement (48) aus einem Alu-

miniumoxid-Siliziumdioxid-Pasermaterial besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein elastisches Element (42), welches die keramische Anordnung umgibt und in dem Zwischenraum (j56) zwischen der keramischen Anordnung und dem Gehäuse (22) angeordnet ist.

7· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Plansch (44) neben den Gasauslassöffnungen £52) der keramischen Anordnung liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass der «rste Plansch (44) und der Gasauslass (16)
einstückig ausgebildet sind.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (16) aus einem kegelstumpfförmigen Abschnitt besteht, dessen breiteres Ende am Gehäuse
(22) anliegt und anschliessend zur Ausbildung des

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ersten Flansches (44) radial nach innen gerichtet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch. 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (16) aus einem kegelstumpfförmigen Abschnitt besteht, dessen breiteres Ende radial nach aussen umgebogen ist, um den ersten Plansch (44) zu bilden, welcher am Gehäuse (22) anliegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Flansch (48), welcher neben dem Umfang des zweiten Endes der keramischen Anordnung angeordnet ist und den Zwischenraum 06) zwischen dem Gehäuse (22) und der keramischen Anordnung überbrückt, und durch ein zweites ausdehnbares keramisches Faserelement (48), welches unter Druck zwischen dem zweiten Flansch (44) und der keramischen Anordnung eingesetzt ist, um eine elastische Verbindung zwischen dem zweiten Flansch (44) und der keramischen Anordnung über den Betriebstemperaturbereich der Anordnung zu schaffen,

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator von der genannten keramischen Anordnung getragen wird.

IJ. Vorrichtung nach Anspruch J5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, neben der keramischen Anordnung liegende Abschnitt (48b) des keramischen Faserelementes elastischer ist als der erste neben dem Flansch (44) liegende Abschnitt (48a).

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