带有具有细长截面的孔的蜂窝状整体结构的制作方法
【专利说明】带有具有细长截面的孔的蜂窝状整体结构
【背景技术】
[0001] 本发明涉及一种新的蜂窝状整体结构，其特别是用于传质受限的过程中。蜂窝状 整体结构包括限定多个通道的多个孔（cell)壁，或通过所述孔壁彼此分隔的细长孔，其中， 所述多个孔壁和通道沿着沿流体流动方向从结构的入口端到出口端的共同方向平行地延 伸。整体结构通常被给予互补的形状并且并排地放置在反应器中，其中，它们的通道沿反应 器中的流动方向对准，从而完全覆盖反应器的截面面积，其结果是使流过反应器的气体完 全穿过整体结构的通道。
[0002] 蜂窝状整体件例如被用作结构化化学反应器，通过以催化材料生产整个整体结构 或通过用催化活性材料涂覆整体结构的表面，其中，内部整体结构壁包含(惰性）载体材料。 这样的整体反应器以一定范围的材料生产，通常是不同类型的金属、陶瓷或复合物，其中， 若干生产方法在本领域中是已知的。生产流程的常见示例是挤压和成型。
[0003] 蜂窝状整体催化剂可用于诱导和/或提高几种类型的化学反应的速率，例如，有 机和无机化合物的合成、氧化物的分解、化合物的氧化等。这样的整体反应器能够采用大跨 度的节距和壁厚度生产，这取决于对表面积、转化率、压降、耐堵塞性等的需求，以及涉及整 体件材料强度和生产限制的考虑。
[0004] 整体反应器的优点是低压降、相对高的表面积、合理的生产成本以及它们能够用 在具有包含特定材料(粉尘、飞灰、烟灰等）的气体混合物(例如，来自焚化炉的废气）的过程 中的事实。
[0005] 本发明涉及一种具有新的蜂窝状整体通道设计的新的蜂窝状整体结构，所述新的 蜂窝状整体通道设计能够有利地用在整体反应器中，用于进行若干物理化学过程，特别是 用于具有相对快的反应的过程，其中，转化中的限速步骤是通过反应组分到表面的传质。传 质受限的过程可以是催化的，但也可以是非催化的，例如吸附剂、吸收剂和毒气陷阱。催化 过程包括传质受限的任何异构反应，包括但不限于SCR、一氧化二氮分解、氨氧化、天然气处 理和水煤气变换反应。
[0006] 蜂窝状整体催化剂的使用的一个示例是其在从废气/烟气脱NOx中的使用，其中， 烟气常常含有具有不同粒度的颗粒物。氮氧化物可通过使用特定类型的陶瓷或金属催化剂 被催化还原成元素氮和水(称为选择性催化还原，SCR)。这些催化剂能够被挤压成整体结 构。对于脱NOx反应，到整体件表面的传质是限速步骤。
[0007] 常见的SCR催化剂由用作载体的各种陶瓷材料(例如，氧化钛)制成，并且活性催化 组分通常是贱金属(例如，钒和钨)、沸石类和各种贵金属的任一氧化物。每种催化剂组分都 有优点和缺点。氧化钛基陶瓷的蜂窝状SCR催化剂常常用于发电、石化和工业加工行业。
[0008] 蜂窝状整体结构是可获得的，其中，通道的横向截面具有不同的形状。这样的横向 截面常常被称为孔。最常见的商业上可获得的整体结构是拥有具有正方形横向截面的通道 的蜂窝状物，如例如国际专利申请WO 2012/135387 Al (Cormetech，Inc.，2012)中所示的。 此外，拥有具有矩形横向截面的通道的催化转化器是已知的。这样的矩形形状例如被公开 在公开了具有至少1. 2、优选为在1. 5至2. 5的范围中的宽/高比的矩形横向截面的美国专 利申请5, 866, 080 A (Day，1999)中，以及在公开了具有2:1的宽/高比的矩形横向截面的 美国专利 US 6,258,436 BI (Siemens AG，2001)中。
[0009] 具有六边形孔的结构也是已知的。中国实用新型CN201815314涉及一种蜂窝状催 化剂，其设有正六边形内孔道结构并且用于SCR脱硝技术。所述正六边形内孔道结合了正 方形内孔道和圆形内孔道的优点。分布在蜂窝形形状中的多个烟气流内部孔道被布置在正 方形或六边形的催化剂骨架中，并且每个内孔道的横向截面是具有大约1:1的宽高比的正 六边形。
[0010] 现有技术的整体结构中的通道的缺点是角部的高密度(每平方厘米的角部)和/或 角部中的大多数是直角的事实，即其中两个相邻壁以90°的角度相遇的角部。示例是普遍 存在的正方形通道/孔的几何构型以及六边形形状的通道/孔。
[0011] 现有技术的挑战之一是角部、特别是尖角（例如，90°或更小的角部）具有不期望 的属性，例如，低的化学转化率、较高的压降和易于因气流中的颗粒材料堵塞和结垢以及随 之后继和伴随的腐蚀问题。
[0012] 公开的专利文献还存在整体结构中的平滑的壁和角以获得具有增强的结构强度 的结构，如例如在公开了在两个相邻的壁之间具有略弯的壁和平滑的角的六边形蜂窝状结 构的美国专利申请2010/0062213 Al (Denso Corporation，2010)和公开了具有圆角的六 边形形状的美国专利5714228 (General Motors，1999)中所描述的。
[0013] 具有仅圆形通道的整体结构将存在的主要缺点是：在平面上没有"紧密堆积"，这 与例如正方形的通道相比给出了采用圆形通道的低得多的正面开口面积（0FA)。低的正面 开口面积除了别的之外还导致不希望有的高压降和进入的气体流中的流化颗粒的更频繁 的冲击。
[0014] 整体结构还用在过滤器中。在TO2010/149908 (Saint-Gobain，2010)中，描述了 包括凸多边形形状的通道的用于气体过滤的整体结构。所述通道在结构的一端或另一端被 交替地堵塞以为要过滤的气体限定入口通道和出口通道。所述入口和出口通道在相同的 结构内具有不同的形状。所述壁可进一步包括催化剂。这种过滤系统也在W02005/115589 (Robert Bosch，2005)和 US2007/0227109 (Ibiden，2007)中进行了描述。在这种结构中， 将有不同的流动特性和由于不同的形状在不同的通道中的不同的停留时间。在所描述的滤 波器中，对压降的显著贡献将是由如流体必须流经壁的孔壁在入口通道和出口通道之间形 成的过滤器面积。我们的发明的目的是限制流体流入以及沿与大的表面积和低风险的粉尘 积累相结合的平行通道的压降。这一问题未通过现有技术中所述的滤波器得到解决。
[0015] 在US 3 502 596 (Sowards，1965)中，描述了蜂窝状结构作为装填材料在化工容 器中的使用，以及作为催化剂载体在化学反应器中的使用。所述蜂窝本身是规则的U/Ls=l， 但每个元件被切割为立方体或棱柱。
【发明内容】
[0016] 常规蜂窝状整体结构的问题是不期望的大的压降(或背压)，其限定为催化剂结构 前后的压差，这在其中存在相对低的超压的系统中是特别重要的，例如，在具有废气的系统 中，例如焚化炉或发电厂。
[0017] 此外，需要提供如下蜂窝状整体结构，即：其为化学反应提供大的表面积，具有高 的机械强度和稳定性并且制备简单。
[0018] 此外，需要提供如下蜂窝状整体结构，即：其提供良好的粉尘磨损性能和颗粒物质 (粉尘）特别是在角部中的较少的积累。
[0019] 因此，本发明的主要目标在于提供一种具有优越的（即，低的）压降和粉尘磨损性 能以及与目前的蜂窝状整体结构相比具有等同的或更好的化学转化率的蜂窝状整体结构。 另外的目标在于获得具有高机械强度的结构。
[0020] 本发明的这些和其它目的利用如所附权利要求中所述的蜂窝状结构(也称为整体 结构或蜂窝状整体结构）来获得。
【附图说明】
[0021] 根据本发明的蜂窝状整体结构将参考附图来进一步描述，附图中： 图1示出了现有技术的具有正方形通道几何形状(壁厚度=0. 7 mm，Ls=4. 2 mm)的蜂窝 状整体件； 图2示出了根据本发明的具有细长的六边形通道几何构型(壁厚=0. 7 mm，Ls=3. 2 mm) 的蜂窝状整体件； 图3a示出了现有技术的具有给定的LjP Ls的正方形通道几何构型； 图3b示出了根据本发明的五边形通道几何构型； 图3c示出了根据本发明的为细长的六边形的通道几何构型； 图4示出了根据本发明的为具有圆角的细长六边形的通道几何构型； 图5a示出了根据本发明的处于最紧密堆积中的细长六边形； 图5b示出了根据本发明的处于最紧密堆积中的细长五边形； 图6a示出了根据本发明的具有12个内角的细长凸多边形； 图6b示出了其中角是圆整的以便获得平滑的凸面的细长凸多边形； 图6c示出了交错配置中的具有圆角（allentoids)的细长凸多边形； 图7示出了压降为直径比（Ivls)和通道几何构型的函数，其中，所述通道壁厚保持恒 定。基准=正方形的通道几何构型； 图8示出了化学转化为直径比（U/Ls)和通道几何构型的函数，其中，所述通道壁厚度 保持恒定。基准=正方形的通道几何构型； 图9示出了根据本发明的具有细长的六边形通道(其中，U/Ls比为（9. 08/3. 20)=2. 84， 细孔壁厚度为