DE3128603A1 - "verfahren zur herstellung eines keramischen kontaktkoerpers und nach dem verfahren ausgefuehrter kontaktkoerper" - Google Patents
"verfahren zur herstellung eines keramischen kontaktkoerpers und nach dem verfahren ausgefuehrter kontaktkoerper"Info
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Description
- Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kontaktkörpers
- und nach dein Verfahren auseführte Kontaktkörper Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines geordneten Kontaktkörpers für Reaktionen und/oder Stoffaustausch in und zwischen strömenden gasförmigen unc.
- flüssigen Medien in Kolonnen und reaktoren, uer aus siebartigen keramischen Schichten besteht, aie unter Ausbildung von durchlaufenden Strömungskanälen sich gegenseitig abstützend miteinander verbunden sind, wobei die Schicl,ten durch mehrfache Beschichtungen eines Gewebes mit keramikbildenden Suspensionen und durch anschliessende Trocknwlgen im Luftstrom siebartige Struktur erhalten, anschliessend gefaltet, bei erhöhter Temperatur versteifte danach zum Kontaktkörper zusammengesetzt und gesintert werden.
- Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung sind satalysatoren in Keaktoren und Verbrennungsanlagen sowie ge ordnete Packungen in Stoffaustauschicolonnen /für Destillation, Rektifikation, Absorption, Extraktion, usw./, wo auf die Wirksamkeit der wontaktkörper Ihohe Burchlässigkeit und Vermischung der strömenden Medien, kleines Volumen bei grosser Oberfläche der Kontaktkörper, aeren Korrosions-und Wärmebeständigkeit, usw./ besonders hohe Ansprüche gestellt werden.
- Es ist bekannt, keramische Kontaktkörper nach zahlreichen Verfahren herzustellen. Die an sie gestellten technischen Anforderungen sind /ausser normalweise vorhandenen orrosions- und W.i.Lnlebestänuigkeit/ jeweils riur teilweise erfüllt.
- In der Regel werden die Kolonnen und Reaktoren mit grossen Burchmesser /oberhalb 60 cm /mit entsprechend grober und billiger Keramik gefüllt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Füllungen besteht in ihrer Grobheit- dem grossen Volumen zufolge ist die Burchlässigkeit für strömende Medien schlecht, der Druckabfall hoch, die Leistung /wie z.B.lrennstufenzahl/ gering und der Aufwand an Energie entsprechend gross.
- Die bekannten dünnwandigen keramischen Kontktkörper /in Porm von Honigwaben, Röhrchenbündeln, zusammengestellten Plättchen oder gefalteten oliven, usw./sind für Reaktoren mit kleinem Volumen und Durchmesser /wie z.B. Auspuffverbrenner/ vorgesehen. Derartige Kontaktkörper sind trotz normalweise guter Durchlässigkeit /parallele Strömungskanäle/ durch schlechte Vermischung der strömenden Medien benachteiligt, und deshalb für Kolonnen und Reaktoren mit grossem Durchmesser und Volumen ungeeignet.Es kann auch kostspielig und technisch schwierig sein, derartige Kontaktkörper in grossem Massstab herzustellen.
- Es ist schon vorgeschlagen worden, ge:t'altete keramische Folien in einem kontinuierlichen Prozess herzustellen,aie auch zu grossdimensionalen Kontaktkörpern zusammengesetzt und gesintert weraen können. Als Nachteil derartiger Ausführungen haben sich die ls'olgen der Undurchlässigkeit der Polien- Einschrankungen im Durchfluss, im Kontakt und in Vermischung der strömenden Medien- erwiesen.
- Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die geordneten keramischen Kontaktkörper aus siebartigen Schichten herzustellen, die für die Prozesse in strömenden Medien bedeutende Vorteile bringen.
- Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Gewebe, das nach den geforderten Abmessungen der tíaschen und nach der Struktur des Endproduktes gewählt wird, derart mit der Keramik beschichtet wird, das die keramikbildende Suspension, bestehend aus einem kristallinen und einem kolloidalen Anteil in wässrig-alkoholischer Lösung, die nach Aufbringen auf das Gewebe einer rapiden Schrumpfung des Volumens unterworfen ist und nach schnellen Trocknen im Luftstrom eine dichte und flüssigkeitslose, jedoch biegsame und verformbare Umhüllung des Gewebes ergibt.
- Diese bildet nach formgebung, anschliessender Versteifung bei Temperaturen gegen 800Q in 5 bis 15 Sekunden eine harte für die folgende mechanische Verarbeitung und für den Sinterrozess geeignete siebartige Struktur.
- Das für die erfindungsgemäSse ilerstellung brauchbare Gewebe besteht zum Beispiel aus kommerziell erhältlichen Silikatglas /wie E- oder C-glas, rit Maschenweiten von mindestens 0,4x0,4 mm und mit einem Plächengewicht zwischen 30 bis 80 g/m². Das Gewebe /vorteilhaft aus Glasseite/ wird in Bändern erforderlicher Breite gewoben und entschlichtet.
- Es funktioniert als strukturbildendes Gerüst einerseits und als Flussmittel und Beschleuniger für das Sintern anderseits.
- Es wird verhältnismässig dünn gehoben, da der Glasanteil für den Sinterprozess nicht 10 Gew.6ju überschreiten darf.
- Erfindungsgemäss verlaufen die Prozesse der ASeramikbildung und der Vormliildung gleichzeitig in drei nacheinander folgenden Stufen.
- In der ersten Stufe wird die keramische Masse als plastische Umhüllung auf das Gewebe gebracht.
- Erfindungsgemäss ist es möglich, das Gewebe mit der rapid schrumpfenden Suspension gleichmässig zu beschichten und aadurch eine siebartige Struktur /mit Löchern in der Grössenordnung von Zehntelmillimetern/ zu erhalten. Trotz rapiden Schrumpfens durch das schnelle Trocknen im 1500 heissen Luftstrom bleibt die Beschichtung verformbar.
- Erfindungsgemäss beginnt die Polymerisation der keramikbildenden kolloidalen Polysäure und der Gelpartikeln zuerst mit der thermischen Zerstörung der Ionen des Blektrolytes, welche die Polymerisation behindern.
- Um dies zu erreichen,ist die erfindungsgemässe Suspension, beispielsweise, folgendermassen zusammengesetzt: Polysiliziumsäureester in wässrig-alkoholischer Lösung wird in Gegenwart von Aluminium- unci Zirkoniumsalzen derart hydrolysiert, dass die Salze die Hydrolyse bewirken und gleicheitig zum Aufbau einer komplexen Polysiliziumaluminiumzirkoniwnsäure benützt werden. Diese Polysäure ist im Gegensatz zu den Siliziumsäuren eine starke Säure, die durch hohe Reaktivität und Polymerisationsfähigkeit gekennzeichnet ist.Um die genannte Polysäure aufzubauen, müssen die AluminXum- und Zirkoniumsalze im wässrig-alkoholischen Medium löslich sein und mindestens drei Anionen in abgestufter Stärke enthalten. Diese Salze werden zum Siliziumsäureester in wäsarig-alkoholischer Lösung in der durch die Reaktivität bestimmten Reihenfolge und Dosierung zugegeben. Ausser den genannten Salzen können auch andere Verbindungen /Ntchtsalze/ zum Aufbau der Polysäure, zum Erhalten der Stabilität der Suspension und der Plastizität der aus der Suspension stammenden Umhüllung des Gewebes verwendet werden. Die freien Jonen der gelösten Salze und die zagegebenen Säuren sind überdies so zusaamengeætellt, dass sie die Reaktion der Polysäure mit den zugefügten Gel-Komponenten behindern und die Plastizität des Systems nach Entzug der flüssigen Phase und nach dem Zusammenschrumpfen, bis zum thermischen Zerfal, erhalten.
- Die erfindungemässe Zusammensetzung und das Verhalten der Suspension werde an folgenden Beispiel näher erläutert.
- Es besteht aus einem flüssigen und einem pulverigen Anteil.
- Im fliissigen Anteil wurde die kolloidale Polysiliziumaluminiumzirkoniumsäure aus folgenden Reagenzien /in Gew.%/ zusammengestellt: 26 Alkohol /70 Aethanol, 30 Methanoll, 55 Wasser, 1,2 Salzsäure, 1,8 Essigsäure, 12 Aethylsilikat /mit 40% SiO2/, 1,12 Aluminiumnitrat, 0,76 Zirkoniumacetytacetonat, 0,72 Aluminiumchlorid, 0,24 Zirkoniumoxynitrat, 0,03 Zirkoniumchlorid, 0,07 Aluminiumacetylacetonat, 0,36 gt.Lluminiumlaktat und 0,40 Aluminiumisopropoxyd.
- Der pulverige Anteil besteht aus feinen /bis 60 micron/ kristallinen und kolloidalen PulVern /in Gew.%/: 71,5 Zirkoniumsilikat, 3 Zirkoniumoxyd, 6,5 Quarz, 3 Korund, 5 kolloidale Kaollnmineranien /Kaolinit, Illit, Montmorillonit/, 2,5 Alumogel, 8,5 Silikagel.
- Das kristalline feuerfeste Pulver wird zuerst mit dem Sol vermischt, um in den ersten zwei Stufen des Prozesses als Träger der Polysäure zu funktionieren. Eine direkte beteiligung diesen Pulvers am Prozess beginnt beim Sintern.Demgegenüber funktionieren die gelbildenden Pulver /hier Kaolinmineralien, Silikagel und AluBogel/ zuerst als Behinderer der Polymerisation. Sie bilden.mit der Polysäure und mit den im Sol gelösten lonen gegenseltig einander abstossende Zellen, die bei rapider zentripetaler Verdichtung bis zu praktisch komplettem Plüssigkeitsverlust stabil bleiben.Diese Stabilität bleibt bis zum Anfang des thermischen Zerfalls der freien Anionen in der zweiten Stufe des Prozesses erhalten.
- Im betrachteten Beispiel werden 100 Gewichtseinheiten des pulverigen Anteils mit 42 Einheiten des flüssigen Anteils zu einer Suspension gemischt. Das Glasgewebeband mit einer Maschenweite von 0,7x0,7 mm und einem klächengewicht von 48 g/m2 wird folgendermassen beschichtet: Mit der Suspension werden 5 hintereinander angeordnete Wannen gefüllt.
- Nach jeder Wanne wird ein Luftgebläse mit dosen in 3 lteihen in Abständen von 6 mm installiert. Las Glasgewebeband wird mit einer Geschwindigkeit von 12 m/Min. durch die Wannen mit der Suspension und über die Gebläse mit einem Luftdruck von 8 atü gezogen.
- Es wird eine gleichmässige und plastische Beschichtung um die Päden des Gewebes mit offen gebliebenen Löchern erreicht. Der Anteil an flüchtigen Stoffen /Gewichtsverlust nach 1 Stunde Glühen bei 800°/ beträgt 5,4 % und der anteil an Glas /vom Gewebe/ im fertigen Produkt betragt 4,86 . Die flüchtigen Stoffe sind hier mehr als -OH Gruppen und organische Radikale und weniger als flüssige Phase zu betrachten.
- Die zweite Stufe des Prozesses- die koringebung und Versteifung- wird erfindungsgemäss unmittelbar nach der geschilderten ersten Stufe durchgeführt.
- Das durch die Wannen mit Suspension und über die Luftgebläse gezogene Band läuft in zwei ineinandergreifende Pörderbänder, wird von diesen schräggefaltet und in 7 sec.
- durch den 8000 heassen Luftstrom des Tunels gezogen, wobei es versteift wird.
- Danach wird das geformte und hart versteifte Gebilde auf iass geschnitten und für die dritte Stufe des Prozesses -für das Sintern - vorbereitet.
- Der schnelle Verlauf des Prozesses in der zweiten Stufe -- beschichtetes Gewebe kann in 5 Sekunden bei Temperaturen gegen 8000 versteift werden - ist eine Folge des Verlaufs in der ersten Stufe.Die extrem kurze Zeit der versteifenden Polymerisation ist eine Folge des niedrigen Gehaltes an flüchtigen Stoffen, die in der ersten Stufe auf cca 5, reduziert werden, ohne dass die Umhüllung ihre Plastizität verliert. Die Fähigkeit des erfindungsgemässen Systems, unter intensivem Flüssigkeitsverlust zu schrumpfen, bedeutet, dass eine zellartig geordnete zentripetale Kompaktierung der geladenen Teilchen erfolgen kann, d.h. eine günstige Voraussetzung für beschleunigte Polymerisation sowie für beschleunigtes Sintern nach der thermischen Zerstörung des Gleichgewichtes zwischen den geladenen kolloidalen Teilchen, die als dichte Beschichtung um die Fäden des Gewebes geordnet sind. Die gelbildenden Partikeln /hier Kaolinmineralien, Silikagel und Alumogel/ kann man auch als Halbprodukte der Polymerisation betrachten. Sie bilden inheitnn, die bei der Polymerisation mit der kolloidalen Polysäure und miteinander schnell reagieren und eine feste struktur bilden.
- Diese Komponente bewirkt also eine Beschleunigung der Polymerisation und eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit.
- Die Polymerisation beginnt bei Temperaturen über 1500 G mit der Entfernung und dem Zerfall der den plastischen Zustand aufrecht haltenden Ionen. Zum Vorteil des licht Verlaufes in dieser Stufe werden leicht entfernbare und leicht zersetzbare Bestandteile des Elektrolyten gewählt.Die Versteifung verläuft vorteilhaft bei Temperaturen gegen 8000 in 5 bis 15 Sekunden; bei tieferen Temperaturen ist der Verlauf langsamer und das Produkt mechanisch schwächer. Bei höheren Temperaturen werden die technischen Ansprüche erhöht, jedoch keine wesentliche Verkürzung der Zeit der Versteifung erzielt.
- Das geformte und bei b000 versteifte netzartige Gebilde ist mechanisch fest und hart, und enthält an flüchtigen Stoffen noch gegen 1,5 qÓ /Gewichtsverlust nach 1 Stunde Glühen bei 8000/, Die Polymerisation wur.de bei der Versteifung in ausreichendem Masse durchlaufen und das Gebilde ist für die weiter folgenden Behandlungen eeeignet.as gefaltete Gebilde wird geschnitten, zum Kontaktkörper zusammengesetzt und gesintert.
- In der erfindungsgemässen Anordnung ist der Anfang des Sintern, das bei Temperaturen oberhalb 8000 verläuft, als kontinuierliche Fortsetzung der Polymerisation zu betrachten.
- Dies bedeutet einen vollständigen Ablauf der Reaktion zwischen den polymerisierenden Komponenten /hier im SiO2-A1205--ZrO2 -System/ in wesentlich kürzerer Zeit und bei tieferen Temperaturen als es bei Reaktionen zwischen denselben Komponenten der Fall wäre, die im Sinne der Erfindung vor dem Sintern nicht polymerisiert sind. Das Endprodukt ist danach durch erhöhte mechanisahe Festigkeit gekennzeichnet. Es ist deshalb erlaubt, zum pulverigen Ausgangsanteil solche Komponenten hinzuzufügen, die beim Sintern keine konstruktive Wirkung haben /wie z.B. Silizide, Karbide, Boride, Metale/, aber dem fertigen Produkt vorteilhafte Eigenschaften /wie z.B. Benetzbarkeit, katalytische Aktivität, Porosität,mechanische und thermische Beständigkeit/ verliehen.
- Im betrachteten Beispiel wurde das schräggefaltete und versteifte Band geschnitten,zum Kontaktkörper mit 480 mm Durchmesser und 600 mm Höhe zusammengesetzt und 45 ltinuten bei 13600 gesintert.
- Die Erfindung ist nicht auf dals geschilderte Ausführungs beispiel beschränkt, sondern lässt sich im Sinne des ihr zugrunde liegenden Leitgedankens abwandeln.
- So kann das strulcturbildende Gewebe aus feuerfesten Oxyden oder Mineralien /wie Quarz, Korund, Böhmit, Asbest, etc/oder aus brennbaren Fasern /aus Baumwolle, Kustststoff, etc/ bestehen. Statt Glasfasern kann Glasmehl oder ein Plussmittel für das Sintern /wie Feldspat, Erdalkaliverbindungen, etc/ eingesetzt werden. Das Sintern kann auch ohne Glas und lussmittel durchgeführt werden.
- Weiterhin kann die kolloidale:;Polysäure aus Gruppen von oxydischen Verbindungen von Germanium, Vanadin, Titan, Wolfram, Molybdän und Phosphor bestehen.
- Bei der Beschichtung kann das Gewebe durch Suspensionen mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Verdünnung gezogen werden. So kann zum Beispiel die letzte /oder auch iruiere/ aus wässrigen Suspensionen oder durch Sprühen eingetragene Beschichtung keine erfindungsgemäss polymerisierenae Wirkung aufweisen, aber von den polymerisierenden Besehichtungen bis zur Versteifung mitgetragen werden; beim Sintern wird sie dann mit dem Grundmaterial fest verbunden und verlieht dem Kontaktkörper speziefische Bigenschaften.
- Die äusseren. Beschichtungen können mit porenbildenden Partikeln /wie Graphit, zersetzbare Stoffe/ versehen werden.
- Auf dieser Weise kann eine hohe äussere Porosität mit kompaktem und mechanisch festem Inneren kombiniert werden.
- Das erfindungsgemässe Verfahren zum zentripetalen Aufbringen der Beschichtungen mit differenzierter Zusammensetzung auf die fladen des Gewebes bedeutet eine Möglichkeit zur Herstellung von Kontaktkörpern aus siebartiger Keramik mit besten Eigenschaften.
Claims (5)
- Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers für Stoffaustauschkolonnen und Reaktoren, der aus geformten keramischen Schichten besteht, die an gegenseitig sich stützenden Stellen zusammengefügt sind und durchlaufende Strömungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine siebartige Struktur der Schichten durch mehrfache Beschichtungen des Gewebebandes mit Suspensionen und anschliessende grocknungen im Luftstrom bei Temperaturen bis 1500 zuerst als plastische UmhulIung des Gewebes gebildet wird, wobei die Suspension aus einerPolysäure, welche sich aus feuerfeste Oxyde bildenden Verbindungen in wässrig-alkoholischer Lösung zusammensetzt, sowie aus mindestens drei freien Anionen mit abgestufter Stärke im flüssigen Anteil und aus gelbildenden und kristallinen feuerfesten Komponenten im pulverigen Anteil besteht, und dass anschliessend das Band fortlaufend geformt wird und: bei Temperaturen im Bereich von 8000 in 5 bis 15 Sekunden gehärtet wird, danach zum geordneten keramischen Körper zusammengesetzt und bei Temperaturen oberhalb 8000 gesintert wird.
- 20 Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kolloidale.Polysäure in wässrig-alkoholischer Lösung und der pulverige Anteil aus oxydischen Verbindungen von Si, Al und Zr bestehen.
- 3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen zur Bildung der Keramik aus mindestens zweien der Elemente Si, Zr, Ti, Ge, Al, Cr, P, V, W und Mo bestehen.
- 4. Verfahren nach Patentansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zu einzelnen Beschichtungen um das Gewebe speziefische Eigenschaften des Kontaktkörpers bildende und porenbildende Substanzen zugegeben werden.
- 5. Siebartiger Körper ausgeführt nach dem Verfahren gemäss Patentansprüchen 1, 2, 3 und 4.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: GROCHOL, KAZIMIR, CESKY TESIN, CS |
|
8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: GROCHOL, JAN, DR., WINTERTHUR, (VERSTORBEN), CH |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |