Brevet FR2472415A1 — publié le 19810703

1.- 247241 5 L'invention concerne un dispositif pour la réduction des pointes de température à l'intérieur d'un cataly- seur, ce dernier pouvant être détruit par ces pointes. L'application d'éléments métalliques comme renforçateurs de structure pour les catalyseurs destinés a l'épuration des gaz d'échappement de voitures, est déjà connue. Ainsi, il existe une série de documents (US-PS 3 920 583, DE-OS 2 302 746, DE-OS 2 450 664) décrivant une matrice de catalyseur en acier inoxydable à-chaud, constituée par un support métallique étendu, o des plaques d'acier d'une épais- seur déterminée sont disposées avec alternance d'une plaque lisse et d'une plaque ondulée. On a décrit en outre des matrices de support pour catalyseurs, constituées par des couches super- posées en acier inoxyd.ie à chaud, résistant aux températures élevées, les couches étant constituées par une toile métallique lisse, dans laquelle des écarteurs de plus grand diamètre que la toile sont incorporés par tissage, suivant des directions parallèles, dans le sens des canaux d'écoulement souhaités, ou bien, des couches en toile métallique lisse ou en plaque ondulée étant alternées avec des couches en toile lisse ou ondulée. Les couches peuvent être empilées en botte, ou enroulées en une spirale cylindrique, ovale, rectan- gulaire ou polygonale. La couche ondulée peut avoir différentes conformations. Il est préférable qu'elle ait une forme sinu- soldale, ou la forme d'une développante, ou encore une forme rectangulaire ou carrée. Les avantages que présentent les éléments métalliques comme renforçateurs de structure pour catalyseurs destinés à l'épuration des gaz d'échappement de voitures, par rapport à des renforçateurs à base céramique, comme la cordierite ou la mullite, sont caractérisés entre autrespar le faible poids et l'économie de place. Par suite de la bonne conductivité ther- mique des substrats métalliques et de la faible capacité calo- rique, il apparait encore des avantages à la mise en route des catalyseurs pour gaz d'échappement. Cette propriété est parti- culièrement importante, car en régime de fonctionnement à froid d'un moteur, la plupart des éléments polluants sont émis, et une mise en oeuvre rapide des réactions catalytiques diminue ces émissions. Il a été également proposé d'entourer les catalyseurs de gaz d'échappement à base de renforçateurs de structure métalliques par une gaine isolante. Ce dispositif évite le dégagement de la chaleur vers l'extérieur, et conduit ainsi à un réchauffement plus rapide du catalyseur, assurant de ce fait une mise en route plus rapide de la réaction catalytique. Par ltisolation des surfaces extérieures de catalyseur, on assure à l'intérieur du catalyseur, dans des conditions normales, une répartition uniforme de la température. Par conditions normales on entend un régime de moteur à combustion interne o le rapport air/carburant est ajusté au domaine de fonctionnement optimal d'un catalyseur mis en oeuvre. Bien que ce type de régime soit le plus courant, il peut apparaître, même dans le cas de moteurs à combustion interne modernes, des, fonîtionnements défectueux, dont l'action influence l'activité d'un catalyseur de gaz d'échap- pement, et qui peut même détruire le catalyseur lui-même. Ainsi par exemple il est possible que le dispositif de départ à froid automatique, après échauffement du moteur, ne soit plus remis à l'état de la formation de mélange normal, mais que son réglage soit maintenu pour un mélange air/carburant fortement enrichi. A ce moment, le catalyseur reçoit, pour des températures de gaz dréchappement normales, la chaleur produite par la réaction de carburant non utilisé, non brûlé, ce qui conduit à une surchauffe du catalyseur. Si la température dépasse le point de transformation de l'oxyde d'aluminium y en' oxyde d'aluminium utilisé par exemple comme support pour la phase de métaux nobles, le catalyseur est alors amené, selon le degré de transformation, à une perte d'activité correspondante. En cas de transformation complète de loxyde d'aluminium$'en oxyde d'aluminium , l'activité catalytique est réduite à tel point, que le cataly- seur ne peut plus répbndre aux exigences légales. En cas d'admission extrême de mélange air/carburant, comme c'est le cas par exemple en cas de défauts d'allumage, des fusions peuvent se produire dans le catalyseur. Un catalyseur abimé de cette façon, non seulement perd son efficacité, mais encore il augmente, par suite de la fusion, ou d'autres incidents, la résistance à l'écoulement à l'intérieur du système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Il stnsuit une perte de capacité et une consommation accrue en carburant. L'invention concerne un dispositif pour réduire les pointes de température à l'intérieur d'un cataly- seur avec renforçateur de structure métallique, pour l'épuration de gaz de rejet industriels ou de gaz d'échappement de voitures. Elle permet d'éviter des températures d'un niveau indésirable, qui pourraient conduire à la désactivation ou la destruction du catalyseur. Le dispositif de l'invention est caracté- risé par au moins un tube thermique disposé au centre du catalyseur, avec des surfaces de refroidissement externes. Le système de catalyseur selon l'invention est constitué par un tube thermique, autour duquel est disposé par exemple un catalyseur à support métallique monolithique. Les catalyseurs à support métallique monolithiques sont le plus souvent constitués par des plaques métalliques lisses ou ondulées, voire pliées, en alliages inoxydables à température élevée et résistants aux températures élevées, les plaques étant empilées ou bien enroulées en spirale, avec des canaux d'écoulement longitudinaux formés à l'intérieur. Les couches intérieures de ces monolithes métalliques doivent être en contact intime avec le tube, afin de permettre un transfert de chaleigr satisfaisant. Le tube thermique peut cependant être disposé au milieu d'un lit fluidisé de catalyseur à support métallique. Dans le cas d'unités de catalyseurs à grand volume, on peut prévoir plusieurs tubes thermiques. Les tubes thermiques sont des vases clos étanches au vide, par exemple des tubes, dont la face intérieure est revêtue dtune structure capillaire, par exemple de rainures. Après y avoir fait le vide, on les remplit d'une faible quantité de liquide porteur de chaleur, de façon que la structure capillaire soit saturée. Le liquide de la structure capillaire est en équilibre avec sa phase vapeur, à l'intérieur de l'espace disponible. Si-un des c8té du tube est chauffé (zone de chauf- fage), l'autre refroidi( zone de refroidissement), alors le liquide s'évapore en absorbant la chaleur d'évaporation. La vapeur afflue dans la zone de refroidissement et s'y condense, 4.- 2472415 en dégageant la chaleur de condensation. Le condensat afflue dans la structure capillaire, de nouveau, dans la zone de chauffage. La force de propulsion nécessaire au reflux du condensat est la force capillaire. La capacité élévêe de transfert calorique d'un tube thermique est basée sur la chaleur d'évaporation élevée d'un liquide lors d'un changement de phase. La différence de température entre les zones de chauffage et de refroiUssement reste minimale même en cas de capacités élevées de transfert calorique, car les changements de phase s'effectuént à température constante. La chaleur soutirée au catalyseur par le tube thermique, est évacuée vers l'atmosphère extérieure, au- moyen d'ailettes de refroidissement ou de plaques de refroidis- sement en forme de nageoires, soudées sur le tube thermique. La surface de la zone de refroidissement doit avoir une confor- mation adaptée à l'écoulement de chaleur attendue. On peut utiliser tous les matériaux présentant une bonne conductivité thermique et permettant une liaison intime avec le matériau du tube thermique. Comme véhicule de la chaleur dans le domaine de la catalyse des gaz d'échappement, c'est-à-dire à des températures relativement élevées, on peut choisir les éléments. suivants: césium, potassium, sodium et lithium. On prendra de préférence'le potassium et le sodium. Le sodium convient spéciale- ment pour l'application selon l'invention, car avec le sodium, le transfert de chaleur commence à environ 6000 C. Pour l'exploitation optimale du comporte- ment au démarrage, le catalyseur peut être isolé, sans crainte d'élever la température au-dessus de la limite permise, à l'intérieur du catalyseur, en régime normal. Le système ainsi constitué permet une répartition uniforme de la température et ainsi une meilleure exploitation des surfaces de catalyseur. En emp4chant les surchauffes du catalyseur, on obtient des durées de vie plus élevées, et tout le système gagne en endurance. Comme matériau pour les tubes thermiques selon l'invention, il convient d'utiliser des métaux particu- lièrement résistants à la chaleur et à l'oxydation à tempéra- ture élevée, ou leurs alliages, qui peuvent être mis en oeuvre dans l'atmosphère corrosive des gaz d'échappement. Des exemples de tels alliages sont constitués par les Kanthal D, Fecralloy, 5._ 2472415 Aluchron W, Nirosta, Hastelloy et autres aciers résistant aux températures élevées. - Pour le support étendu entourant le tube thermique, il convient d'utiliser des plaques et des toiles métalliques spéciales, constituées par des alliages à base de fer, chrome, aluminium.et éventuellement du cérium et ythrium, et les oligo-éléments habituels des alliages, ou par d'autres matériaux résistant aux températures élevées et inoxydables à ces températures. Pour l'isolation du catalyseur c'est-à- dire du tube thermique, on peut utiliser tous les matériaux isolants habituels résistant aux températures élevées, comme l'amiante, la laine de verre ou la laine minérale. Un matériau commercialisé sous la marque "Microtherm" s'est avéré particu- Fièrement adapté à ce type d'application. Les catalyseurs du dispositif selon l'invention peuvent être garnis selon les procédés habituels, par exemple par galvanisation ou par imprégation directe, avec des métaux nobles ou non. On peut également les transformer en 20. une matrice de support revêtue de matériaux de support habituels pour catalyseurs, que l'on peut imprégner d'une solution active de catalyseur métallique. A cet effet, les couches individuelles sont revêtues en surface d'un matériau de support favorisant la catalyse, le plus souvent un oxyde métallique à grande surface spécifique, comme du Al 203 actif. Comme additifs favorisant la catalyse, on peut encore incorporer dans cet oxyde métallique, les éléments cérium, zirconium, fer, nickel, terres rares, ou une combinaison de ces éléments. La couche intermédiaire en matériau de support est alors pourvue, selon les procédés courants, du catalyseur proprement dit. Avec le dispositif selon l'invention, il est possible de maintenir la température à l'intérieur d'un catalyseur, toujours de façon optimale. Les températures dépas- sant le niveau admis sont promptement et complètement réduites, et l'on évite ainsi une.désactivation ou destruction du cata- lyseur. L'invention sera mieux comprise à l'aide d'un mode de réalisation décrit ci-après, et représenté sur les dessins annexés, dans lesquels: 4o - la figure 1 est deux vues de haut du dis- positif selon l'invention, comprenant le tube thermique 1 utilisé 6.- 2472415 pour le transfert de chaleur, le renforçateur de catalyseur métallique 2 entourant le tube thermique, l'isolation thermique 3 et les ailettes de refroidissement 4 pour l'évacuation de la chaleur vers 1l:atmosphère environnante; - la figure 2 est une représentation agrandie du coeur de la matrice métallique; - la figure 3 est un schéma de fonction- nement d'un tube thermique. L'énergie est amenée à partir d'une source de chaleur 1 à la zone de vaporisation. Le milieu véhicule calorique se trouvant ici est évaporé et il est amené, sous forme d'un flux de vapeur 3, à travers la zone d'isolation 4, dans la chambre à vapeur 5 de la zone de condensation. Le milieu véhicule calorique condensé 8 est ramené de nouveau dans la zone d'éva- poration, à travers la structure capillaire 9.du récipient (tube thermique) 10. La zone d'isolation est isolée au moyen de l'isolant 11. 7.- 4X44 h/ S REVENDICATION Dispositif pour la réduction des pointes de température à l'intérieur d'un catalyseur avec renforçateur de structure métallique, caractérisé par au moins un tube thermique (1) de transfert de chabeur entre une zone de chauffage et une zone de refroidissement, pourvu de surfaces extérieures de refroidissement, disposé au centre du lit de catalyseur (2) entouré d'une enveloppe (3).