НОСИТЕЛЬ КАТАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к носителю катализатора отработавших газов, имеющему свернутые листы, сложенные внахлест.
Уровень техники
Носители катализатора, имеющие каналы, сквозь которые проходит газ, широко применяются для обработки газов, например для очистки отработавших газов и газообразных продуктов сгорания. На поверхностях этих каналов имеются активные вещества, такие как катализаторы. Такие носители катализаторов могут быть изготовлены из металлических листов/пластин. Листы покрывают керамическим пористым слоем, в котором иммобилизуются активные металлы и металлоксиды. Изготавливают также полностью керамические носители катализатора.
Технические требования, предъявляемые к такому носителю катализатора, постоянно повышаются, вследствие ужесточения требований к защите атмосферы. Например, чтобы гарантировать удовлетворительную работу носителя катализатора для очистки отработавших газов, его устанавливают как можно ближе к двигателю. Таким образом, носитель катализатора подвергается воздействию очень высоких температур и перепадов давления. В общем, высокие температуры в носителе катализатора, установленном рядом с двигателем, связаны с необходимостью сжигания топлива при высокой температуре с минимальным количеством воздуха.
Металлический катализатор имеет низкие потери давления, большую геометрическую реакционную поверхность и, следовательно, начинает работать раньше чем керамический сотовый элемент. Керамический носитель катализатора имеет достаточно высокую механическую прочность, но при его соединении, например с корпусом, могут возникать трудности. Обычно керамические носители катализатора изготавливают только с так называемыми прямыми сотовыми элементами, в которых характеристики тепло- и массопередачи газов не являются оптимальными для обработки газа.
В металлическом носителе катализатора часто применяют гофрированные листы, причем эти листы или свернуты, или S-образно изогнуты вместе с плоскими листами. Носитель катализатора соединяют с корпусом в газоотводной трубе при помощи сварных или паяных соединений на корпусе или при помощи полос или стержней внутри корпуса. В настоящее время применяют носители катализатора, содержащие гофрированные листы, сложенные внахлест с гладкими листами, и эти листы соединены друг с другом по краям при помощи сварных соединений. Кроме того, известен носитель катализатора, содержащий гофрированные листы, соединенные друг с другом при помощи расположенных на большом расстоянии друг от друга паяных или сварных соединений.
Раскрытие полезной модели
В соответствии с полезной моделью предлагается носитель катализатора, особенно устойчивый к жестким условиям эксплуатации и пригодный для обработки газов.
Решение указанной задачи достигается с помощью полезной модели, имеющей признаки в соответствии с независимым пунктом формулы. Предпочтительные варианты осуществления изложены в зависимых пунктах.
В контексте полезной модели под листом подразумевается любой лист или пластина, или сетка, а под гофрированным листом подразумевается любой лист/пластина с гофрами и т.д. Под гофрированной подразумевается любая часть листа, поверхность которой находится на другом уровне относительно срединной плоскости листа. Гофрированный лист может содержать гофры в виде выемок или углублений. Гофрированный лист также может быть профилированным листом, изготовленным из плоского листа путем сгибания или симметричного или асимметричного сдавливания относительно срединной плоскости листа. Профили могут являться, например, гофрами, или лист может содержать V-образные профили.
В соответствии с полезной моделью, носитель катализатора отработавших газов, имеющий свернутые листы, сложенные внахлест, содержит по меньшей мере один первый сложенный внахлест гофрированный лист из проволочной сетки; по меньшей мере один дополнительный сложенный внахлест лист, выбранный из группы, состоящей из второго сложенного внахлест гофрированного листа из проволочной сетки, гофры которого расположены под углом к гофрам первого сложенного внахлест гофрированного листа из проволочной сетки, сложенного внахлест плоского листа из проволочной сетки, гофрированного перфорированного листа, сложенного внахлест плоского перфорированного листа, сложенного внахлест листа из сетки; и по меньшей мере один сложенный внахлест гладкий лист, уложенный, по меньшей мере частично, в зоне от D=0 до D=100 мм от центра носителя катализатора отработавших газов.
Такая механическая конструкция особенно устойчива к жестким условиям эксплуатации и пригодна для обработки газов, содержащих высокую концентрацию серы. Эта конструкция препятствует внутреннему сгоранию сажи и механически очень устойчива в сложных условиях, при запусках, перерывах в работе и остановках. Предпочтительно указанные сложенные внахлест гладкие листы являются светоотражающими или теплоотражающими плоскими листами, толщина которых составляет от 0,05 до 0,5 мм. Предпочтительно эти листы в носителе катализатора отработавших газов являются металлическими листами. Предпочтительно указанный сложенный внахлест дополнительный лист является сложенным внахлест плоским листом из проволочной сетки или сложенным внахлест вторым гофрированным листом из проволочной сетки, гофры которого расположены под углом к первому сложенному внахлест гофрированному листу из проволочной сетки. Эти варианты осуществления полезной модели дают механические преимущества.
Обычно сложенные внахлест листы и сетчатые пластины или только сетчатые пластины, по меньшей мере частично, покрыты пористым слоем. Это дает преимущества механической конструкции. Предпочтительно первый сложенный внахлест гофрированный лист (или листы) из проволочной сетки и сложенный внахлест дополнительный лист (или листы) (пластины, сетки), по меньшей мере частично, покрыты пористым слоем, выполняющим функцию термобарьерного покрытия для защиты проволоки от перегрева и предотвращения разрушения металла. Это дает преимущества механической конструкции. Этот пористый слой может быть, например покрытием из пористого оксида на основе окиси алюминия с цеолитами, обладающим хорошими адгезионными свойствами.
Носитель катализатора отработавших газов в соответствии с полезной моделью дополнительно содержит обводную часть, содержащую сложенный внахлест гофрированный лист (или листы) из проволочной сетки, установленный, по меньшей мере частично, в зоне D>100 мм от центра носителя катализатора отработавших газов. Эти листы в обводной части (частях) предпочтительно не покрыты пористым слоем. Предпочтительно эта обводная часть содержит от 1 до 5 слоев гофрированных листов из проволочной сетки. Эти листы могут быть необработанными или предпочтительно могут быть покрыты пористым слоем. Такая конструкция дает механическое и функциональное преимущество в особенно жестких условиях эксплуатации, она действует как обводная часть и в то же время является частью корпуса.
2
В соответствии с полезной моделью, носитель катализатора, имеющий свернутые листы, сложенные внахлест, содержит сложенные внахлест гофрированные листы из проволочной сетки с диаметром проволоки, составляющим от 0,06 до 0,18 мм, и номер сетки сложенного внахлест первого гофрированного листа из проволочной сетки составляет от 25 до 160, и эти сложенные внахлест листы, по меньшей мере частично, покрыты пористым слоем в количестве от 2 до 15 г/м. Такая конструкция особенно предпочтительна для низкой и умеренной концентрации серы.
2
В соответствии с полезной моделью, носитель катализатора, имеющий сложенные внахлест свернутые листы, содержит сложенные внахлест гофрированные листы из проволочной сетки с диаметром проволоки от 0,18 до 0,24 мм и номером сетки первого сложенного внахлест гофрированного листа из проволочной сетки от 25 до 160, и сложенные внахлест листы, по меньшей мере частично, покрыты пористым слоем в количестве от 18 до 50 г/м. Такая конструкция особенно предпочтительна для высокой и очень высокой концентрации серы.
Гофрированный лист имеет более высокую механическую жесткость и прочность чем плоский лист. Гофры на листе могут также снизить резонансы в носителе катализатора, вызванные, например, газовым потоком. Гофры на листе увеличивают контактную поверхность носителя катализатора, таким образом повышая эффективность его работы. Кроме того, профилированный лист обладает собственным свойством внутренней податливости, например в случае теплового расширения. Следовательно, соединения не ломаются так легко, как соединения на поверхностях плоских листов.
Листы могут быть соединены при помощи механического соединения (соединений). Соединение листов друг с другом может также осуществляться путем сварки, например контактной или электроннолучевой сварки. Такие сварочные технологии особенно пригодны для изготовления носителя катализатора, поскольку они позволяют быстро и локально соединить большое количество листов. Листы также могут быть соединены путем пайки.
Носитель катализатора в соответствии с полезной моделью также может быть изготовлен из сравнительно тонких листов, что уменьшает его теплоемкость. Таким образом, носитель катализатора быстрее разогревается и, следовательно, раньше начинает действовать. Следовательно, такой носитель катализатора имеет очень хорошую производительность при исключительно жестких условиях эксплуатации. Потери давления в катализаторе в соответствии с полезной моделью, изготовленном из тонких листов, также являются низкими. Толщина листов может составлять, например от 0,01 до 0,2 мм, например от 0,02 до 0,05 мм. Высота гофров может составлять, например от 0,1 до 10 мм, предпочтительно от 0,5 до 3 мм, например 1,0, 1,2, 1,3 или 1, 65 мм.
Носитель катализатора в соответствии с полезной моделью также содержит другой сложенный внахлест лист (листы). Этот другой лист может быть любым другим листом, который может быть соединен с гофрированным листом. Этот другой сложенный внахлест лист может быть гофрированным гладким листом или, например, плоским гладким листом, перфорированным листом или листом из сетки. Этот другой сложенный внахлест лист также может быть листом, изготовленным из гофрированного листа путем изгибания или сворачивания.
Гофры гофрированного листа могут иметь разные формы и размеры в разных точках отдельного гофрированного листа. В отдельных гофрированных листах гофры также могут иметь разные формы и размеры. Это позволяет собрать носитель катализатора, имеющий в центре плотно гофрированные листы, расположенные очень близко друг к другу, а по краям редко гофрированные листы, расположенные дальше друг от друга. Такое решение позволяет регулировать потоки в носителе катализатора.
В контексте настоящей заявки под направлением гофрирования подразумевается направление, в котором плоскость поверхности гофров наиболее отличается от плоскости прилегающей к гофрам поверхности листа. В профилированном листе направление гофрирования является направлением гофров или канавок профиля. Направления гофрирования определяют направления каналов, образованных между листами. Таким образом, гофрирование по существу влияет на поток газа, подлежащего обработке в каналах носителя катализатора.
2
2
Формы, размеры и направления гофров листов носителя катализатора, а также плотность отверстий в поперечном сечении носителя катализатора, выбирают в зависимости от предполагаемого применения. Носитель катализатора может также иметь много разных форм, например он может быть спиральным, изогнутым S-образным, J-образным или V-образным, или собранным в пакет, или изогнутым. Плотность отверстий может составлять, например, от 1 до 300 отверстий на см, предпочтительно от 1 до 10 или от 10 до 50, или от 50 до 100, или от 100 до 300 отверстий на см. Толщина листа также может варьироваться. Таким образом, может быть получен носитель катализатора, обладающий очень разными свойствами потока. Поперечное сечение корпуса может свободно варьироваться в соответствии с предполагаемым применением. Например, оно может быть круглым, овальным или иметь форму полупараллелограмма. Предпочтительно могут применяться размеры и формы корпусов, обычные в данной области техники.
Для обработки отработавших газов материалом листов носителя катализатора может быть, например, ферритный железохромалюминиевый сплав, например WI.4767. Сотовый элемент также может быть изготовлен из так называемого аустенитного жаропрочного сплава W2.4633, имеющего, например высокое содержание никеля и хрома.
Носитель катализатора в соответствии с полезной моделью может быть помещен в корпус, имеющий форму, соответствующую форме носителя катализатора. Таким образом, количество так называемых мертвых точек или обводных точек в корпусе сводится к минимуму. Такое решение также улучшает эксплуатационные качества носителя катализатора. Это повышает универсальность применения полезной модели.
3
3
В соответствии с полезной моделью, гофрированный лист носителя катализатора, соединен, по меньшей мере по одному гофру, с другим листом при помощи близкорасположенных соединений таким образом, что между листами образованы каналы. Соединение листов по гофрам повышает жесткость и механическую прочность носителя катализатора даже при жестких условиях эксплуатации. Механическая прочность носителя катализатора особенно значительно повышается, если соединения гофров расположены как можно ближе друг к другу. Этого можно достичь, например путем соединения листов при помощи от 10 до 1000 соединений на см, предпочтительно от 10 до 50 или от 50 до 200, или от 200 до 500, или от 500 до 1000 соединений на см носителя катализатора.
3
В соответствии с полезной моделью, гофрированные листы соединены по гофрам сложенных внахлест листов при помощи соединений, расположенных по меньшей мере на некоторых гофрах каждого из гофрированных листов и расположенных на расстоянии от 0,5 до 10 мм друг от друга, причем количество указанных соединений между каждым из сложенных внахлест гофрированных листов составляет от 10 до 1000 на см.
В соответствии с полезной моделью, носитель катализатора содержит соединительный штырь (штыри). Количество и форма штырей могут варьироваться в зависимости от формы носителя катализатора и эксплуатационных требований.
В соответствии с полезной моделью, листы предварительно оксидируют. Также было обнаружено, что предварительное оксидирование листов улучшает их соединение, особенно путем контактной сварки. Такое предварительное оксидирование листов может быть осуществлено, например путем предварительного отжига или химического оксидирования. Лист может быть предварительно оксидирован путем отжига в течение, например от 0,1 до 10 часов при температуре от 500°C до 1000°C, предпочтительно в течение от 1 до 3 часов при температуре от 600°C до 900°C. Таким образом, на листах, содержащих алюминий, образуется алюмооксидный слой. Этот тонкий алюмооксидный слой повышает эффективность контактной сварки. Оксидный слой может быть также образован из других элементов или соединений, отличных от алюминия.
В соответствии с полезной моделью, носитель катализатора имеет сложенные внахлест листы, сложенные внахлест гофры которых расположены под углом друг к другу. Наложение гофрированных листов и соединение их таким образом, чтобы гофры сложенных внахлест листов находились в контакте друг с другом, и помещение этих гофров с разной ориентацией относительно друг друга позволяет получить стойкий и эффективный носитель катализатора. Такой носитель катализатора имеет большую область контакта между поверхностями листа и подлежащим очистке отработавшим газом и высокую производительность.
Сложенные внахлест гофрированные листы, соединенные между собой и имеющие гофры, расположенные под углом друг к другу, могут быть профилированными листами. Соединенные профилированные листы находятся в контакте друг с другом только в местах соединений гофров. Носитель катализатора является особенно прочным, вследствие соединения профилированных листов под углом относительно направлений гофров при помощи, например, сварных или паяных соединений, находящихся на расстоянии от 1 до 5 мм друг от друга.
Профилированные листы, имеющие гофры, соединенные под углом друг к другу, могут быть получены, например из профилированной полосы, имеющей профили, расположенные под углом к ее краям. Из этой полосы вырезают листы, имеющие форму носителя катализатора и укладывают их друг на друга поперечно относительно профилей, поворачивая каждый второй лист перед укладыванием. Из такой полосы могут быть изготовлены профилированные листы путем складывания полосы на себя попеременно в разных направлениях. Профили полосы обычно могут лежать под углом от 8 до 45 градусов к ее краям, предпочтительно под углом от 5 до 30 градусов. Таким образом, направляющий угол между гофрами соединенных профилированных листов предпочтительно составляет от 10 до 60 градусов.
Газ, подлежащий обработке в носителе катализатора, изготовленном из сложенных внахлест профилированных листов, соединенных под углом, проходит также в поперечном направлении листов. Вследствие этого, газ смешивается, и распределение потока в сотовом элементе уравнивается.
В носителе катализатора, изготовленном из профилированных листов, направляющий угол между гофрами может составлять, например от 5 до 90 градусов. Чем больше этот угол, тем ближе к точечным являются области контакта между гофрированными листами. Таким образом, реакционная поверхность листов является максимальной. С другом стороны, большой профильный угол может привести к потерям давления в потоке вещества или соединения, подлежащего обработке, вследствие избыточной турбулентности. Направляющий угол гофров сложенных внахлест профилированных листов предпочтительно составляет от 20 до 60 градусов в направлении потока газа, подлежащего обработке, при обработке, например отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Равномерное распределение потока уравнивает температуры в носителе катализатора, и, соответственно, снижает внутренние тепловые напряжения. Равномерное распределение потока улучшает работу носителя катализатора в целом. Оно благоприятно для нормального функционирования. Последовательное соединение нескольких носителей катализатора, содержащих листы с разной ориентацией, обеспечивает отличное уравнивание газовых потоков. Несколько таких сотовых элементов также могут быть соединены последовательно. Такой последовательный носитель катализатора, содержащий листы, по меньшей мере частично поперечно ориентированные относительно друг друга, может иметь спиральную структуру, изогнутую S-образную структуру или может содержать сложенные в стопку гофрированные листы.
В соответствии с полезной моделью предлагается соединение листов и носителя катализатора с корпусом. Поверхность корпуса в зоне носителя катализатора может содержать соединительные канавки, соединяющие листы носителя катализатора с внутренней поверхностью корпуса. Если в корпусе имеется носитель катализатора с соединительными канавками, края листов должны быть ориентированы параллельно корпусу. Это стабилизирует соединение между корпусом и носителем катализатора. В этом случае необязательно соединять листы носителя катализатора друг с другом. Кроме того, соединительные канавки также препятствуют возникновению обходных потоков газа, параллельных внутренней стенке корпуса.
Количество соединительных канавок может составлять, например от 2 до 8. Соединительные канавки предпочтительно расположены близко друг к другу, обеспечивая минимальное тепловое расширение между носителем катализатора и корпусом. Обычно расстояние между соединительными канавками составляет от 10 до 30 мм, глубина и ширина канавок составляют от 0,5 до 2,0 мм. Соединительные канавки предпочтительно расположены по существу в средней части корпуса катализатора или на входном конце корпуса относительно направления потока подлежащих обработке газов.
В соответствии с полезной моделью, соединительная канавка ориентирует лист носителя катализатора параллельно внутренней стороне корпуса, и указанный лист также соединен с корпусом при помощи одного или нескольких сварных соединений, выполненных на дне соединительной канавки сквозь корпус.
Носитель катализатора также может быть соединен с корпусом при помощи сварных соединений, например путем приваривания носителя катализатора к корпусу снаружи. Особенно стабильное соединение между листами и носителем катализатора и корпусом обеспечивает сварка, осуществляемая на дне соединительной канавки сквозь корпус. Предпочтительно может быть использована лазерная сварка, но также применимы сварочные технологии TIG (дуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в середе инертного газа) и MIG (дуговая сварка металлическим плавящимся электродом в среде инертного газа).
В соответствии с полезной моделью сотовый элемент соединяют с корпусом или его частью при помощи сварных соединений, выполненных путем контактной сварки. Контактная сварка может предпочтительно осуществляться одновременно с соединением листов путем контактной сварки. Контактная сварка может осуществляться таким образом, что сотовый элемент устанавливают внутри корпуса и весь элемент и весь корпус сваривают друг с другом. Контактная сварка также может предпочтительно осуществляться таким образом, что половину сотового элемента устанавливают внутри половины корпуса и их сваривают друг с другом. После этого, сотовый элемент и корпус могут быть соединены путем сварки двух соединенных половин.
Одной из задач полезной модели является вставление носителя катализатора в конический корпус. Носитель катализатора может также быть собран в этом коническом корпусе путем применения листов, разрезанных или изогнутых в форме конического корпуса. Стенки конического корпуса повышают жесткость конструкции носителя катализатора, поскольку носитель катализатора принимает клиновидную форму в соответствии со стенками корпуса в конической зоне. Носитель катализатора прочно удерживается в корпусе коническими стенками даже при отсутствии канавок на поверхности корпуса или сварных соединений. Конический корпус может иметь форму усеченного конуса, усеченного заостренного конуса или цилиндра. Его форма может быть симметричной или асимметричной.
В коническом корпусе в направлении газового потока, поскольку поперечное сечение входного конца корпуса меньше, чем поперечное сечение его срединной части, турбулентность на входном конце корпуса является низкой. Это повышает эффективность работы носителя катализатора и создает сравнительно низкое сопротивление потоку. Угол конусности конического корпуса обычно составляет от 3 до 30 градусов.
Второй конический корпус может быть соединен с первым коническим корпусом впритык или два примыкающих друг к другу конических носителя катализатора могут быть вставлены в корпус, сходящий на конус к обоим концам. Изготовление таких носителей конденсатора особенно эффективно при применении в носителе конденсатора гофрированных листов, соединенных под направляющим углом к гофрам и при соединении носителя таким образом, что эти листы ориентированы, по меньшей мере частично, поперечно.
Потери давления на входном конце носителя катализатора особенно велики. В цилиндрическом носителе катализатора потери давления на входном конце могут даже составлять половину от общих потерь давления в носителе катализатора. Потери давления на входном конце конуса принципиально зависят от отношения поперечного сечения линии подвода к поперечному сечению входного конца носителя катализатора. Это отношение благоприятно в носителе катализатора, сходящем на конус к входному концу. В этом случае турбулентность потока уменьшается, и потери давления значительно снижаются.
Носители катализатора и корпусы других форм можно комбинировать с коническими корпусами. Например, предполагается применение корпуса, сходящего на конус к обоим концам и имеющего прямую срединную часть.
Гофрированные листы в коническом носителе катализатора предпочтительно имеют гофры, высота которых на одном конце больше, чем на другом. Такие листы могут, например, иметь на одном конце U-образные канавки с низкими профилями, которые непрерывно изменяют свою форму, образуя V-образные канавки с более высоким профилем по направлению к другому концу листа. Путем выбора подходящей разницы высоты гофров носитель катализатора может быть собран из цельных листов, сваренных друг с другом, таким образом обеспечивая носитель катализатора, обладающий высокой механической прочностью, который может быть изготовлен простым способом.
Краткое описание графических материалов
Далее со ссылками на прилагаемые упрощенные чертежи, данные не в масштабе, будут подробно описаны некоторые варианты осуществления полезной модели.
На фиг.1 представлен разрез конструкции, имеющей корпус и обводную часть.
На фиг.2 представлен разрез второй конструкции, имеющей корпус и обводную часть.
На фиг.3 представлена часть носителя катализатора, имеющего корпус.
Осуществление полезной модели
Носитель 1 катализатора по фиг.1, содержащий свернутые листы, сложенные внахлест, содержит один первый сложенный внахлест гофрированный лист 2 из проволочной сетки; один дополнительный сложенный внахлест лист 3, выбранный из группы, состоящей из: второго сложенного внахлест гофрированного листа из проволочной сетки, гофры которого расположены под углом к первому сложенному внахлест гофрированному листу из проволочной сетки, гофрированного перфорированного листа, сложенного внахлест плоского перфорированного листа, сложенного внахлест листа из сетки; и один сложенный внахлест плоский гладкий лист 4, уложенный в зоне от D=0 мм до D=200 мм от центра носителя катализатора отработавших газов. Кроме того, носитель 1 катализатора содержит обводную часть 6, содержащую дополнительные гофрированные листы, и корпус 5.
На фиг.2 представлен носитель 1 катализатора, который содержит свернутые листы, сложенные внахлест, содержащий один первый сложенный внахлест гофрированной лист 2 из проволочной сетки; один дополнительный сложенный внахлест лист 3, выбранный из группы, состоящей из: второго сложенного внахлест гофрированного листа из проволочной сетки, гофры которого расположены под углом к первому сложенному внахлест гофрированному листу из проволочной сетки, сложенного внахлест плоского листа из проволочной сетки, гофрированного перфорированного листа, сложенного внахлест плоского перфорированного листа, сложенного внахлест листа из сетки; и один сложенный внахлест плоский гладкий лист 4, уложенный в зоне от D=0 мм до D=100 мм от центра носителя катализатора отработавших газов. Кроме того, носитель 1 катализатора содержит обводную часть 6, содержащую дополнительные гофрированные листы, и корпус 5.
На фиг.3 представлен носитель 1 катализатора, который содержит свернутые листы, сложенные внахлест, содержащий один первый сложенный внахлест лист 2 гофрированной проволочной сетки; один дополнительный сложенный внахлест лист 3, выбранный из группы, состоящей из второго сложенного внахлест гофрированного листа из проволочной сетки, гофры которого расположены под углом к первому сложенному внахлест гофрированному листу из проволочной сетки, сложенного внахлест плоского листа из проволочной сетки, гофрированного перфорированного листа, сложенного внахлест плоского перфорированного листа, сложенного внахлест листа из сетки; и один сложенный внахлест плоский гладкий лист 4, уложенный в зоне от D=40 мм до D=80 мм от центра носителя катализатора отработавших газов. Кроме того, носитель 1 катализатора содержит корпус 5.