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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft verbesserte Katalysatorstrukturen und Tragstrukturen
für das
Befestigen und radiale Zentrieren monolithischer Katalysatorstrukturen,
welche bei Hochtemperaturreaktionen, wie z.B. katalytische Verbrennung,
in einer Reaktionskammer oder einem Reaktor verwendet werden. Ferner
ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Verwendung der
verbesserten Katalysator- und Tragstrukturen in katalytischen Hochtemperaturprozessen,
wie katalytischer Verbrennung für
Gasturbinenkraftwerke, gerichtet.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Es
sind eine Vielzahl von Hochtemperaturprozessen bekannt, welche monolithische
Katalysatorstrukturen zur Förderung
der erwünschten
Reaktionen einsetzen, zum Beispiel teilweise Oxidation von Kohlenwasserstoffen,
vollständige
Oxidation von Kohlenwasserstoffen zur Emissionsbegrenzung, Katalysatoren
bei der Begrenzung von Kraftfahrzeugemissionen und die katalytische
Verbrennung von Brennstoffen zur weiteren Verwendung in Gasturbinen, Öfen und
dergleichen. Typisch für
solche katalytischen Anlagen sind die in Wärmeverbrennungsanlagen für Gasturbinen
verwendeten Katalysatoren zur Ermöglichung niedriger Emissionen
und eines hohen Verbrennungswirkungsgrads. Zur Verwirklichung eines
hohen Turbinenleistungsgrads ist typischerweise eine hohe Gastemperatur
erforderlich. Dies setzt den verwendeten Katalysatormonolithen natürlich einer
hohen thermischen Spannung aus. Ein Beispiel für eine monolithische Katalysatorstruktur
ist eine einheitliche oder verbundene Metall- oder Keramikstruktur,
welche aus vielen in Längsrichtung angeordneten
Kanälen
für das
Durchströmen
des Verbrennungsgasgemisches besteht. Zumindest ein Teil der Kanäle sind
an ihren Innenflächen
mit einem Verbrennungskatalysator beschichtet.
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Neben
der hohen thermischen Belastung üben
die hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten, welche
für Verbrennungsanlagen
in Gasturbinen charakteristisch sind, eine signifikante axiale Last oder
Kraft auf die Katalysatorstruktur aus, welche aufgrund des Widerstands
gegen die Gasströmung d.h.
der Reibung, in Richtung der Gasströmung in den in Längsrichtung
angeordneten Kanälen
der Katalysatorstruktur schiebt. Wenn zum Beispiel eine mehrstufige
monolithische Katalysatorstruktur, wie sie in dem U.S. Patent Nr.
5,183,401 für
Dalla Betta et al. beschrieben wird, als Katalysator mit 50,8 cm (20
Zoll) Durchmesser in einem katalytischen Verbrennungsreaktor eingesetzt
wird, bei dem die Geschwindigkeit des Luft-/Brennstoffgemisches
bei etwa 22,5 kg/s (50 Ibs/Sekunde) bei einem Druckabfall durch
den Katalysator von 0,276 bar (4 psi) liegt, würde die gesamte axiale Last
an dem Katalysator etwa 5,67 kN (1.260 Ibs) betragen.
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Die
Verbindung von Einwirkung hoher Temperaturen, z.B. Temperaturen,
welche sich 1.000°C annähern oder
sogar übersteigen,
bei denen Metallmonolithen allmählich
an Festigkeit verlieren, und den erwähnten großen axialen Lasten (von den
hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten)
können
eine beträchtliche
Bewegung oder Verformung des Katalysatorträgers in Richtung der Gasströmung bewirken.
In Fällen,
da ein Katalysatormonolith aus gewellter Metallfolie verwendet wird,
bei welchem die gewellte Folie in nicht ineinander ruhender Weise
zu einer zylinderartigen, spiralförmigen Struktur gerollt ist, bei
welcher die Folienschichten nicht miteinander verklebt sind, kann
die hohe Temperatur und die große
axiale Last durch die hohe Gasströmung zusammen ein Ineinanderschieben
der ganzen Struktur in Richtung der Gasströmung verursachen, insbesondere
wenn die axiale Kraft in der gewickelten Struktur den Gleitwiderstand
von Folie zu Folie übersteigt.
Somit besteht Bedarf am Vorsehen eines Trägers für die Katalysatorstruktur,
um diese gegen Bewegung und/oder Verformung entlang ihrer Achse
in Richtung der Gasströmung
mittels einer Tragstruktur zu sichern, welche bei hohen Temperaturen
die erforderliche Tragfunktion vorzugsweise ohne Beeinträchtigung
des Wirkungsgrads und der Wirksamkeit der katalytischen Verbrennung
als Quelle der Bewegungskraft für
eine Gasturbine liefert.
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Monolithische
Katalysatorstrukturen können durch
Anordnen von Streben oder Balken in der Nähe des Auslassendes der Katalysatorstruktur
getragen werden. In dem U.S. Patent Nr. 5,461,864 für Dalla
Betta et al. wird die Verwendung von innen gekühlten Tragstreben oder -balken
am Auslass der Katalysatorstruktur als Mittel zum Tragen des Katalysators
beschreiben. Dieses Vorgehen hat jedoch den Nachteil, dass die Tragstreben
eine Kühlluftquelle benötigen, und
dies führt
zu einer komplizierteren Verbrennungssystemauslegung oder erfordert
den Einsatz von Druckluft, welche in der Gasturbinenmaschine eventuell
nicht vorhanden ist. Da zudem die luftgekühlten Streben recht weit über der
Fläche
des Katalysators beabstandet sind, können sich große lokale
Kontaktkräfte
oder -spannungen ergeben. In bestimmten Teilen der Katalysatorkonstruktion
können diese
Kontaktkräfte
die Streckgrenze der relativ dünnen
Folie der Katalysatorstruktur übersteigen,
was zu einer Verformung der Folie führt. Dies wäre offensichtlich kein erwünschtes
Ergebnis und würde
den Gebrauch der luftgekühlten
Tragstreben in Anwendungen mit hoher axialer Last beeinträchtigten.
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Um
die Nachteile der innen gekühlten Tragstreben
oder -balken zu überwinden,
kann ein monolithischer Wabenkörper
oder eine monolithische offenzellige Tragstruktur zum Tragen der
monolithischen Katalysatorstruktur verwendet werden. Die gleichzeitige
U.S. Patentanmeldung Seriennr. 08/462,639 für Dalla Betta et al., eingereicht
am 5. Juni 1995 (Attorney Docket Nr. P-1074) beschreibt eine solche
monolithische offene Tragstruktur. Die Tragstruktur umfasst mehrere
in Längsrichtung
angeordnete parallele Kanäle,
welche ähnlich
wie bei einer Wabenkörperstruktur
benachbart angeordnet sind. Die Tragstruktur wird durch relativ
dünne Streifen
oder Rippen eines hochtemperaturbeständigen Metalls oder Keramikmaterials
gebildet, welche zu einer einheitlichen Struktur miteinander verbunden werden.
Die Tragstruktur liegt an der gesamten Auslassfläche der Katalysatorstruktur
an und erstreckt sich über
diese. Die Kanäle
ermöglichen
das Strömen
des strömenden
Gasgemisches durch die Tragstruktur. Die Umfangskante der Tragstruktur
ist so an der Reaktionskammerwand befestigt, dass die auf die Tragstruktur
wirkende axiale Last auf die Reaktionskammerwand übertragen
wird, zum Beispiel durch einen an der Reaktionskammerwand ausgebildeten
sich radial nach innen erstreckenden Steg.
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Es
wurde festgestellt, dass während
des Betriebs des Gasturbinenreaktors die darin erzeugten hohen Temperaturen
eine thermische Ausdehnung der relativ dünnwandigen monolithischen offenzellige Tragstruktur
und der Katalysatorstruktur in einem signifikant größeren Maß als bei
der relativ dickwandigen Reaktionskammerwand bewirken. Zur Lösung dieses
Problems und zur Vermeidung eines Brechens oder einer Verformung
der Katalysator- und der Tragstrukturen sollten die Tragstruktur
und die Katalysatorstruktur so bemessen sein, dass ihre Außendurchmesser
kleiner als der Innendurchmesser der Reaktionskammerwand sind, um
eine thermische Ausdehnung der Tragstruktur während dieses Hochtemperaturbetriebs
zuzulassen. Wenn der Außendurchmesser
der Tragstruktur zu groß ist,
kann sich die Tragstruktur verformen oder nach außen gegen die
Katalysatorstruktur ausbauchen, was zu einer erheblichen Beschädigung der
Folien der Katalysatorstruktur führt.
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Während des
Betriebs des Reaktors können die
Temperaturen des Gasgemisches, der Katalysatorstruktur, der Tragstruktur
und der Reaktionskammer schwanken, was zu unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungsgeschwindigkeiten der Katalysatorstruktur, der Tragstruktur
und der Reaktionskammerwand führt.
Der Reaktor kann zum Beispiel einen stromaufwärts des Katalysators angeordneten
Vorbrenner aufweisen. Der Vorbrenner dient zum Starten des Reaktors
und zum Erzeugen einer erforderlichen Katalysatoreinlasstemperatur.
Anfangs wird dem Vorbrenner Brennstoff zugeführt, um ein Hochtemperaturgas
zu erzeugen, welches durch den Katalysator und zur Turbine strömt, um den
Motor zu starten. Da der Vorbrenner relativ schnell reagieren kann,
steigt die Temperatur des aus dem Vorbrenner austretenden und in
die Katalysatorstruktur einströmenden
Gases relativ schnell an. Das Katalysatorsubstrat weist eine relativ
geringe Wärmekapazität auf und
erwärmt
sich auch schnell. Analog erwärmt sich
die Tragstruktur aufgrund der relativ dünnen monolithischen Metallstruktur
recht schnell. Der schnelle Temperaturanstieg der Katalysatorstruktur
und der Tragstruktur bewirkt eine schnelle thermische Ausdehnung
in diesen. Aufgrund der Dicke der Reaktionskammerwand und dem Einwirken
kühlerer
Luft an der Außenseite
derselben erwärmt
sich aber die Reaktionskammerwand langsamer und dehnt sich thermisch
langsamer als die Katalysatorstruktur und die Tragstruktur aus.
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Um
eine Verformung und ein Brechen der Katalysatorstruktur und der
Tragstruktur zu vermeiden, können
die Maße
des Außendurchmessers
des Katalysators und der Tragstruktur sowie der Katalysatorstruktur
und der Innendurchmesser der Reaktionskammerwand so ausgelegt werden,
dass es beim anfänglichen
Aufheizen des Reaktors im Wesentlichen keinen Spalt zwischen diesen
gibt. Sobald jedoch der Reaktor einen Leerlaufzustand erreicht und die
Temperatur der Reaktionskammerwand steigt, würde ein Spalt zwischen der
Reaktionskammerwand und den Katalysator- und Tragstrukturen bestehen.
Nach dem Leerlaufzustand wird der Vorbrenner abgeschaltet und die
Katalysatorstruktur und die Tragstruktur würden abkühlen und sich von der Reaktionskammerwand
weg thermisch zusammenziehen, wodurch der Raum zwischen diesen vergrößert wird.
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Zwar
können
der Außendurchmesser
des Katalysators und der Tragstruktur sowie der Katalysatorstruktur
reduziert werden, um die thermische Ausdehnung auszugleichen, doch
dies führt
zu einem relativ großen
ringförmigen
Spalt oder Raum zwischen dem Innendurchmesser der Reaktionskammerwand
und den Außendurchmessern
der Katalysator- und Tragstrukturen während der verschiedenen Gasturbinenzyklen.
Aufgrund des relativ großen
ringförmigen
Raums kann eine beträchtliche Menge
Gasgemisch an der Katalysatorstruktur vorbeiströmen, was zu nicht gleichmäßigen Temperaturen
und Gaszusammensetzungen am Auslass der Katalysatorstrukturen führt. Dies
kann wiederum recht hohe unerwünschte
Emissionen, wie z.B. Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe
(UHC), erzeugen und/oder zu höheren
Verbrennungstemperaturen in der homogenen Verbrennungszone stromabwärts des
Katalysators führen, wodurch
höhere
Stickoxidemissionen (NOx) erzeugt werden. Es wurde festgestellt,
dass das Anordnen der Tragstruktur an dem sich radial nach innen
erstreckenden Steg, welcher an der Reaktionskammer ausgebildet ist, eventuell
keine ausreichende Abdichtung dazwischen erzeugt und eine unannehmbare Menge
an Gas durch den ringförmigen
Raum strömen
lassen kann.
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Es
wurde ferner herausgefunden, dass sich die Katalysatorstruktur und
die Tragstruktur in seitlicher Richtung in ungleichmäßiger Weise
thermisch ausdehnen können,
insbesondere wenn die Tragstruktur einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
als die Katalysatorstruktur hat. Die seitliche Bewegung kann ein
Kratzen der Auslassfläche
der Katalysatorstruktur an der Einlassfläche der Tragstruktur bewirken,
was zu einer Beschädigung
der Katalysatorfolien führt.
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WO-A-97/47926
offenbart einen katalytischen Reaktor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird ein
katalytischer Reaktor zur Verwendung bei kontinuierlichen Hochtemperaturreaktionen,
die ein strömendes
Reaktionsgasgemisch verwenden, an die Hand gegeben, wobei der Reaktor
umfasst:
- a) eine Reaktionskammer, die durch
eine röhrenförmige Wand
definiert ist, die eine Längsachse definiert;
- b) eine monolithische Katalysatorstruktur, die in der Reaktionskammer
angeordnet ist, wobei die Katalysatorstruktur eine äußere Umfangsfläche und
mehrere longitudinal angeordnete Kanäle besitzt, wobei die Kanäle ein Einlass-
und ein Auslassende für
den Durchgang des strömenden
Reaktionsgasgemisches besitzen;
und
- c) eine Tragstruktur, die in der Reaktionskammer angeordnet
ist, um die Katalysatorstruktur an der Reaktionskammer zu befestigen,
wobei die Tragstruktur mehrere zellenförmige Öffnungen oder Durchlässe besitzt,
die in einer axialen Richtung parallel zu der beabsichtigten Gasströmung verlaufen;
dadurch
gekennzeichnet, dass der Reaktor ferner umfasst:
- d) mehrere flexible Flansche, die sich von der äußeren Umfangsfläche der
Katalysatorstruktur zu der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wand der Reaktionskammer
erstrecken, um die Strömung
des Reaktionsgasgemisches durch einen ringförmigen Raum zwischen der äußeren Umfangsfläche der
Katalysatorstruktur und der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wand der Reaktionskammer
im Wesentlichen zu blockieren, wobei die Flansche ausreichend biegsam
sind, um sich biegen zu können,
wenn die Katalysatorstruktur einer thermischen Ausdehnung unterliegt,
und um eine lokale Verformung der Katalysatorstruktur dort, wo die
Flansche mit der Katalysatorstruktur in Kontakt sind, zu verhindern.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Tragstruktur eine einlassseitige Tragstruktur und eine
auslassseitige Tragstruktur und das Tragmittel ist gegen eine Verformung,
die durch die axiale Last verursacht wird, die während des Durchgangs des strömenden Reaktionsgasgemisches
auf die Fläche
der auslassseitigen Tragstruktur in einer Richtung parallel zu der Längsachse
der Katalysatorstruktur ausgeübt
wird, durch ein mittiges Tragelement stabilisiert, das an der Mitte
der Stirnfläche
der auslassseitigen Tragstruktur befestigt ist und sich hiervon
durch die Mitte der Katalysatorstruktur in einer Längsrichtung
zur Mitte der Stirnfläche
der einlassseitigen Tragstruktur erstreckt, wo es ebenfalls befestigt
ist, wodurch die auf die auslassseitige Tragstruktur durch das strömende Reaktionsgasgemisch
ausgeübte
Kraft über
das mittige Tragelement auf die einlassseitige Tragstruktur übertragen
wird.
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Bevorzugte
Ausführungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden nun lediglich beispielhaft unter Bezug auf die nachstehend
beschriebenen Zeichnungen beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine schematische Querschnittdarstellung eines katalytischen Verbrennungsreaktors zur
Verwendung in einer Gasturbinenbrennkammer.
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2A und 2B zeigen
die Herstellung einer monolithischen Katalysatorstruktur, welche
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Tragstrukturelemente in
einem Reaktor brauchbar befestigt werden kann.
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3 ist
eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen katalytischen
Reaktors.
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4 ist
eine schematische Endansicht der in 3 gezeigten
wabenartigen oder offenzelligen Traghaltestruktur.
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5 ist
eine schematische Darstellung eines Teils des in 3 veranschaulichten
katalytischen Reaktors, wobei sich die katalytische Struktur in
einer radialen Richtung nach außen
hin zur Reaktionskammerwand thermisch ausgedehnt hat.
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6 ist
eine Vorderansicht eines Streifens, welcher zur Bildung der in 3 gezeigten
Flansche verwendet wird.
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7A bis 7D zeigen
Teilschnittansichten verschiedener Konfigurationen der in der Reaktionskammerwand
ausgebildeten und zum Haltend der Flansche verwendeten ringförmigen Nut.
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8 ist
eine schematische Darstellung eines katalytischen Reaktors, welche
unterschiedliche Konfigurationen von Flanschen zeigt.
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9 ist
eine Vorderansicht eines Streifens, welcher zur Bildung der in 8 gezeigten
Flansche verwendet wird.
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10 ist
eine Vorderansicht eines Paars überlappender
Streifen, welche zum Ausbilden überlappender
Flansche verwendet werden können.
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11A bis 11D zeigen
Teilschnittansichten verschiedener Profile von Flanschen zur Verwendung
in dem katalytischen Reaktor von 8.
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12 ist
eine Schnittansicht entlang der Linien 12-12 von 3,
welche die radiale Zentrieranordnung für die Traghaltestruktur zeigt.
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13 bis 15 sind
Schnittansichten, welche andere Ausführungen der radial zentrierenden
Anordnungen sowohl für
die Traghaltestruktur als auch die Katalysatorstruktur zeigen.
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16 ist
eine perspektivische Ansicht eines Außenbands für das Einfassen einer monolithischen
offenzelligen Traghaltestruktur.
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17 ist
eine schematische Darstellung einer anderen Ausführung eines katalytischen Reaktors
mit einem mittleren Tragelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
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18 ist
eine schematische Darstellung einer noch anderen Ausführung eines
katalytischen Reaktors mit einem mittleren Tragelement gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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EINGEHENDE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Bezug nun auf die Zeichnungen wird in 1 schematisch
ein typischer katalytischer Verbrennungsreaktor gezeigt, welcher
allgemein unter (10) gezeigt wird. Der Reaktor umfasst
eine Reaktionskammer (12), welche stromabwärts eines
Vorbrenners (14) liegt. Der Reaktor umfasst weiterhin einen
Kompressor (16), welcher Luft ansaugt, die Luft mit Druck
beaufschlagt und dann die unter Druck stehende Luft in die Reaktionskammer
befördert.
Der Brennstoff, welcher über
eine Brennstoffeinspritzdüse
(18) in die Reaktionskammer (12) eingeleitet wird, und
die Luft werden gemischt und entzündet, was deren Ausdehnung
bewirkt, so dass die heißen
Gase die Reaktionskammer (12) verlassen und in eine Antriebsturbine
(20) eindringen.
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Eine
Katalysatorstruktur (22) ist in der Reaktionskammer (12)
angeordnet. Die Katalysatorstruktur (22) ist mit ihren
Längsdurchlässen parallel
zur Strömung
eines sauerstoffhaltigen Gases wie Luft und Brennstoffgemisch angeordnet.
Die Katalysatorstruktur ist auf diese Weise angeordnet, um ein gleichmäßiges Strömen des
Luft-/Brennstoffgemisches durch die Katalysatorstruktur zu erhalten.
Das Gemisch strömt
durch die Längsdurchlässe oder
Kanäle,
welche in der Katalysatorstruktur ausgebildet sind. Fall erwünscht können die
mehreren Katalysatorstrukturen in Reihe in der Reaktionskammer angeordnet
werden. Um die Katalysatorstruktur in einer stabilen Position in
dem Reaktor zu halten, ist es erforderlich, eine Art von Tragmittel
oder -struktur zur Befestigung der Katalysatorstruktur an dem Reaktor einzusetzen,
was als eine Möglichkeit
eine Tragstruktur einschließt,
welche an dem Auslassende (24) der Katalysatorstruktur
(22) anliegt.
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Der
Begriff „Auslassende", so wie er hier
verwendet wird, bezeichnet das stromabwärts gelegene Ende der beschriebenen
Komponente, wo das teils oder vollständig verbrannte Luft-/Brennstoffgemisch aus
der Komponente austritt. Der Begriff „Einlassende" bezeichnet das stromaufwärts gelegene
Ende der beschriebenen Komponente, wo das nicht verbrannte Luft-/Kraftstoffgemisch
zunächst
in die Komponente eingeleitet wird.
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Die
Katalysatorstruktur kann nach einer beliebigen gut bekannten Konstruktion
gefertigt werden, zum Beispiel als monolithische Katalysatorstruktur,
welche mehrere parallele Längskanäle oder-durchlässe umfasst,
welche zumindest teilweise mit einem Katalysator beschichtet sind.
Typische Katalysatorstrukturen werden in einer Vielzahl veröffentlichter
Quellen offenbart, so in den U.S. Patenten Nr. 5,183,401; 5,232,351;
5,248,251; 5,250,489 und 5,259,754 für Dalla Betta et al. sowie
U.S. Patent Nr. 4,870,824 für
Young et al. Die Katalysatorstruktur kann aus einem Metall- oder Keramiksubstrat
in Form von Wabenkörpern,
Wellblechspiralrollen, säulenförmigen (bzw. „eine Handvoll
Strohhalme") oder anderen
Konfigurationen mit Längskanälen oder -durchgängen hergestellt
werden, welche hohe Gasraumgeschwindigkeiten bei minimalen Druckabfällen über der
Katalysatorstruktur zulassen. Zum Beispiel kann eine spiralförmige Katalysatorstruktur
(26), wie sie in den 2A und 2B gezeigt
wird, in geeigneter Weise verwendet werden. Die Katalysatorstruktur
(26) wird durch Wellen eines Metallfolienblechs (28)
zu einem gewellten Muster mit Vertiefungen (30) und Stegen
(32) hergestellt. Das Wellblech aus Metallfolie wird dann
zusammen mit einem flachen Metallblech (34) gerollt, um
eine große
Spirale (36) abwechselnder Schichten aus Wellfolie (28)
und flachem Blech (34) als eine im Allgemeinen zylinderförmige Einheit
zu bilden. Die Vertiefungen und die Stege der Folie bilden zusammen
mit dem Blech mehrere Längsdurchgänge bzw.
-kanäle
(37). Zur Erzeugung der katalytischen Struktur werden die
gewellten und/oder flachen Bleche typischerweise vor dem gemeinsamen
Rollen zur Bildung der spiralförmigen Katalysatorstruktur
(26) an einer oder an beiden Seiten mit einem Metall der
Platingruppe, vorzugsweise Palladium und/oder Platin beschichtet.
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Zwar
beinhaltet die gezeigte Katalysatorstruktur (26) eine zu
einer geraden Kanalstruktur gewellte Metallfolie kombiniert mit
einer flachen Folie, doch schließen andere geeignete spiralförmige Katalysatorstrukturen
Strukturen ein, die erhalten werden, wenn zwei oder mehr Wellfolien
mit geraden oder Fischgrätwellmustern
in nicht ineinander greifender Weise zusammengewickelt werden. Die
erfindungsgemäße Katalysatortragstruktur,
welche nachstehend eingehend beschrieben wird, ist vor allem bei spiralförmigen Metallkatalysatorstrukturen
brauchbar, da diese zum Ineinanderschieben oder zur Verformung in
Richtung der Gasströmung
neigen, wenn hohe Gasströmungsgeschwindigkeit
bei ausreichend hohen Temperaturen auf sie einwirken, z. B. 1.000°C oder mehr,
welche die Metallstruktur erweichen oder anderweitig schwächen.
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Unter
Bezug nun auf 3 wird ein Teil eines katalytischen
Reaktors gezeigt, welcher allgemein bei (40) angezeigt
wird. Der Reaktor umfasst eine Reaktionskammer (42), welche
durch eine eine Längsachse
X ausbildende, im Allgemeinen zylinder- oder röhrenförmige Reaktionskammerwand (40)
gebildet wird. Ein gasförmiges
Reaktionsgemisch bzw. ein Gasstrom, welcher durch die Pfeile (46)
angezeigt wird, strömt
durch die Reaktionskammer. Eine im Allgemeinen zylinderförmige monolithische
offenzellige oder wabenkörperartige
Tragstruktur (48) ist für
das Tragen einer Katalysatorstruktur, zum Beispiel der in 2A gezeigten
Katalysatorstruktur (26), in der Reaktionskammer angeordnet.
Die Katalysatorstruktur (26) weist ein Einlassende (50)
und ein Auslassende (52) auf. Die Tragstruktur (48)
besitzt ein Einlassende (54) und ein Auslassende (56) auf.
Die Katalysatorstruktur und die Tragstruktur sind so in der Reaktionskammer
angeordnet, dass das Auslassende (52) der Katalysatorstruktur
an dem Einlassende (54) der Tragstruktur anliegt. Die Tragstruktur
wird mittels einer ringförmigen
Lippe oder Wulst (58), welche sich von der Wand (44)
der Reaktionskammer radial nach innen erstreckt, in der Reaktionskammer
gehalten und befestigt. Die ringförmige Wulst (58) bildet
einen Sims, auf welchem die äußere oder
periphere Kante der Tragstruktur sitzt oder ruht, wodurch die Bewegung
der Tragstruktur entlang der Längsachse
beschränkt
wird. Auf diese Weise wird jede durch die Gasströmung (46) durch die
Katalysatorstruktur auf die Tragstruktur ausgeübte axiale Last von der Tragstruktur
auf die Wand (44) übertragen.
Wie nachstehend eingehend erläutert
wird, wird die Tragstruktur durch mehrere zusammenwirkende Streben
(60) und Keilnute in der Reaktionskammer zentriert.
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Die
Tragstruktur (48) kann jede geeignete monolithische offenzellige
Struktur sein, wie sie z.B. in der gleichzeitigen Anmeldung U.S.
Seriennr. 08/462,639 mit dem Titel „Improved Support Structure
For A Catalyst" beschrieben
wird. Die Tragstruktur kann durch jedes herkömmliche Verfahren für das Bilden
monolithischer wabenkörperartigen
Strukturen oder Zellen, welche zur Bildung einer unitären Struktur
aus zusammengeklebten Streifen oder Rippen aus Keramik- oder Metallmaterial
bestehen, konstruiert oder hergestellt werden. Die Tragstruktur kann
zum Beispiel als eine Einheit in der entsprechenden Gießform gegossen
werden oder die Struktur kann durch Zusammenkleben einer Reihe von Streifen
oder Rippen gebildet werden, welche zuvor geformt oder gebogen wurden,
um im zusammengeklebten Zustand die gewünschte Zellöffnungskonfiguration zu bieten.
Wie in 4 gezeigt, weist die Tragstruktur (48)
mehrere Zellöffnungen
oder Durchgänge
(64) auf, welche sich in einer axialen Richtung parallel
zu der Gasströmung
(46) erstrecken. Zwar werden die Zellöffnungen in hexagonaler Form
gezeigt, doch können
die Öffnungen
jede geeignete Form wie kreisförmig,
dreieckig oder trapezförmig aufweisen.
Die Tragstruktur kann ein kreisförmiges Außenband
(66) beinhalten, welches die Umfangsfläche der Tragstruktur einfasst.
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Die
Querschnittfläche
der Katalysatorstruktur (26) in einer Richtung senkrecht
zur Längsachse des
Reaktors ist so bemessen, dass sie kleiner als die Querschnittfläche der
Reaktionskammerwand (44) ist, so dass ein Spalt oder ein
ringförmiger
Raum (68) dazwischen besteht. Dieser ringförmige Raum ist
so bemessen, dass er die thermische Ausdehnung der Katalysatorstruktur
(26) und der Tragstruktur (48) aufnimmt, welche
bei Kontakt mit der Hochtemperaturgasströmung eintritt. Die Katalysatorstruktur
wird koaxial durch mehrere biegsame Flansche (70) in der Reaktionskammer
angeordnet. Die Flansche erstrecken sich von einer in der Innenfläche der
Reaktionskammerwand (44) ausgebildeten ringförmigen Nut (72)
zu der Außenumfangsfläche der
Katalysatorstruktur. Vorzugsweise überlappen sich die mehreren Flansche
und erstrecken sich um den gesamten Umfang der Katalysatorstruktur,
um im Wesentlichen den Gasstrom abzusperren, welcher ansonsten durch
den ringförmigen
Raum an der Katalysatorstruktur vorbei strömen würde.
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Die
Flansche (70) sind so biegsam, dass sich die Flansche biegen,
wenn sich die Katalysatorstruktur thermisch ausdehnt, wie in 5 gezeigt
wird, ohne dass so große
Spannung auf die Katalysatorstruktur ausgeübt wird, dass eine örtliche
Verformung der Katalysatorstruktur an den Punkten verursacht wird,
an denen die Flansche die Außenwand
der Katalysatorstruktur berühren.
Die Flansche können
aus jedem geeigneten biegsamen Material mit einer relativ hohen
Elastizität,
zum Beispiel Federstahllegierungen, Legierungen auf Eisenbasis,
Edelstähle,
Legierungen auf Kobalt- und Nickelbasis und reine Metalle wie Aluminium
oder Nickel, gefertigt sein. Bei Hochtemperaturanwendungen ist unter
Umständen eine
oxidationsbeständige
Legierung wie eine FeCrAI-Legierung wünschenswert. Bei Bedarf können die
Flansche mit Aluminium beschichtet werden, um eine Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit
zu verleihen.
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Neben
dem Abdichten des ringförmigen Raums
zentrieren die mehreren Flansche (70) die im Allgemeinen
zylinderförmige
Katalysatorstruktur zu der zylinderförmigen Reaktionskammerwand
radial so, dass sie im Allgemeinen eine gemeinsame Achse teilen.
Wenn die Tragstruktur ebenfalls radial zentriert wird, dehnen sich
sowohl die Katalysatorstruktur als auch die Tragstruktur von ihren
jeweiligen Mitten thermisch radial nach außen aus. Diese gleichzeitige
radiale thermische Ausdehnung trägt
dazu bei, den Betrag seitlicher Bewegung zwischen dem Auslassende
(52) der Katalysatorstruktur (26) und dem Einlassende
(54) der Tragstruktur (48) zu reduzieren, wodurch
die Kratz- bzw. relative Reibbewegung zwischen diesen gemindert
wird. Dies trägt
zur Verhinderung einer Beschädigung
der Katalysatorfolien der Katalysatorstruktur bei.
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Die
mehreren Flansche können
separate Komponenten sein oder können
aus einem einzigen Streifen (74) gebildet sein, wie er
beispielsweise in 6 gezeigt wird. Der Streifen
weist mehrere in diesem ausgebildete Schlitze (76) auf,
wodurch mehrere Laschen (78) gebildet werden, welche als
die Flansche (70) fungieren. Vorzugsweise erstrecken sich die
Schlitze ganz knapp nicht über
die gesamte Breite des Streifens, so dass der Streifen eine intakte Kante
(80) aufweist. Der Streifen (74) ist in der Brennkammer
so angeordnet, dass die intakte Kante (80) an der Außenumfangsfläche der
Katalysatorstruktur angebracht ist. Nach Anbringen wird der Streifen
zu einer konischen Form ausgebildet, so dass der Durchmesser der
intakten Kante kleiner als der durch die Laschenenden gebildete
Durchmesser ist.
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Wie
in 6 gezeigt weist der Streifen (74) eine
Breite W auf, welche der Länge
der Flansche (70) entspricht. Die Breite W des Streifens
(74) ist so bemessen, dass er den Durchmesser der Katalysatorstruktur
relativ zum Durchmesser der Reaktionskammer aufnimmt. Bei Anwendungen,
bei denen der ringförmige
Raum relativ groß ist,
sollte die Breite W so groß sein,
dass eine relativ große
radiale Bewegung der Laschen (78) zur Wahrung des Kontakts
mit der Katalysatorstruktur ermöglicht
wird. Bei Katalysatorstrukturen, welche typischerweise in der katalytischen
Verbrennung eingesetzt werden, liegt die Breite W des Streifens
geeignet in dem Bereich von etwa 25 mm bis 101 mm (etwa 1 Zoll bis
etwa 4 Zoll) und vorzugsweise in dem Bereich von etwa 38 mm bis etwa
101 mm (etwa 1,5 Zoll bis etwa 4 Zoll).
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Die
Laschen haben eine Breite Wt, welche bevorzugt
so bemessen ist, dass ein guter Abdichtkontakt mit der Katalysatorstruktur
gewahrt wird. Bei Katalysatorstrukturen mit relativ kleinem Durchmesser
ist zum Beispiel die Breite Wt vorzugsweise
relativ klein, so dass die flache Kante der die Krümmung des
Außendurchmessers
der Katalysatorstruktur berührenden
Lasche eine im Allgemeinen gute Abdichtung bietet. Bei Katalysatorstrukturen
mit größerem Durchmesser
kann die Breite Wt der Laschen größer sein,
da der Außendurchmesser
der Katalysatorstruktur eine geringere Krümmung aufweist. Bei einer Katalysatorstruktur
mit einem Außendurchmesser von
76,2 mm bis 127 mm (3 bis 5 Zoll) liegt die Breite Wt der
Laschen vorzugsweise in dem Bereich von etwa 2,54 mm bis etwa 7,62
mm (etwa 0,1 Zoll bis etwa 0,3 Zoll). Bei einer Katalysatorstruktur
mit einem Außendurchmesser
von 25,4 cm bis 50,8 cm (10 bis 20 Zoll) liegt die Breite Wt der Laschen vorzugsweise in dem Bereich
von etwa 6,35 mm bis etwa 25,4 mm (etwa 0,25 Zoll bis etwa 1,0 Zoll).
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Die
Schlitze (76) haben eine Breite WS,
welche vorzugsweise so schmal bemessen ist, dass das Austreten von
vorbeiströmender
Luft zwischen den Schlitzen minimiert wird. Ein bevorzugter Bereich
für die
Breite WS der Schlitze liegt innerhalb des
Bereichs von etwa 0,00254 mm bis etwa 0,762 mm (etwa 0,0001 Zoll
bis etwa 0,030 Zoll) und bevorzugter in dem Bereich von etwa 0,0254
mm bis etwa 0,51 mm (etwa 0,001 Zoll bis etwa 0,020 Zoll).
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Die
Dicke des Streifens und der Laschen sollte so groß sein,
dass eine angemessene Abdichtkraft gegenüber dem Außendurchmesser der Katalysatorstruktur
geboten wird. Die Dicke des Streifen sollte aber auch so dünn sein,
dass die Kraft keine örtliche
Verformung der Katalysatorstruktur an den Punkten verursacht, wo
die Flansche die Außenwand der
Katalysatorstruktur berühren,
vor allem da die Katalysatorstruktur bei hohen Temperaturen arbeiten kann
und unter Umständen
keine relativ hohe Zugfestigkeit besitzt.
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Unter
Bezug nun auf 7A bis 7D kann
die in der Reaktionskammerwand (44) ausgebildete ringförmige Nut
(72) jede geeignete Querschnittform aufweisen, welche das
Ende des Flansches hält.
Eine Nut (82) wird zum Beispiel wie in 7A gezeigt
in der Wand mit einem krummlinig geformten Kontaktprofil ausgebildet,
welches die Fläche
des Flansches kontaktiert. Die krummlinige Form trägt dazu
bei, die auf den verformten Flansch während der thermischen Ausdehnung
der Katalysatorstruktur ausgeübte
Spannung zu minimieren. Wie in 7B gezeigt
wird, kann bei Flanschen mit einer kürzeren Länge die Bogenlänge des
krummlinig geformten Profils einer Nut (84) verkürzt sein.
Das Kontaktprofil der ringförmigen
Nut muss aber nicht krummlinig sein, sondern kann gerade sein, wie
die Kontaktprofile der Nute (86) und (88), die
jeweils in 7C und 7D gezeigt
werden. Zu beachten ist, dass die Nut (86) den Flansch
bei einem ausgeprägteren
Winkel zur Außenfläche der
Katalysatorstruktur als die die Nut (88) anordnet, um zum
Beispiel eine größere Breite
des ringförmigen
Raums aufzunehmen.
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In 8 wird
eine Katalysatorstruktur (26) mit mehreren Flanschen (90)
gezeigt, welche um die Außenfläche der
Katalysatorstruktur angeordnet sind. Die Flansche (90)
bieten die gleichen Funktionen wie die Flansche (70), z.B.
Aufnehmen der thermischen Ausdehnung der Katalysatorstruktur, radiales
Zentrieren der Katalysatorstruktur zu der Reaktionskammerwand und
Ausbilden einer ausreichenden Abdichtung für den ringförmigen Raum zwischen der Innenfläche der
Reaktionskammerwand (44) und der Außenumfangsfläche der
Katalysatorstruktur. Wie in 9 gezeigt,
können
die Flansche (90) aus einem Streifen (92) ähnlich dem
Streifen (74) von 6 gebildet
werden. Der Streifen weist mehrere in diesem ausgebildete Schlitze
(94) auf, wodurch mehrere Laschen (96) gebildet
werden, welche als Flansche (90) fungieren. Ein ungeschlitzter
Teil (98) ist um den Umfang der Katalysatorstruktur gewickelt und
vorzugsweise daran befestigt. Der Streifen kann durch jedes geeignete
Verfahren befestigt werden, zum Beispiel durch Verkleben oder Punktschweißen des
ungeschlitzten Teils an dem Außenumfang
der Katalysatorstruktur. Der Streifen (92) muss aber nicht unbedingt
an der Katalysatorstruktur befestigt werden. Die Kante des ungeschlitzten
Teils kann zum Beispiel benachbart zum Auslassende der Katalysatorstruktur
so angeordnet werden, dass die Tragstruktur den Streifen (92)
hält.
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Die
Laschen (96) sind nach außen verformt, um mit der Innenwand
der Reaktionskammer zu greifen. Da die Laschen nach außen verformt
sind, werden die Schlitze geöffnet,
wodurch dazwischen ein kleiner Spalt erzeugt wird. Um eine verbesserte
Abdichtung vorzusehen, kann ein Paar überlappender Streifen (92a)
und (92b) verwendet werden, wie in 10 gezeigt
wird. Die überlappenden
Streifen werden so angeordnet, dass die Laschen eines Streifens
quer über
die Schlitze des anderen Streifens gelegt werden.
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Die
Laschen (96) können
zu jeder geeigneten Form gebogen werden, welche eine gute Abdichtung
zwischen der Katalysatorstruktur und der Tragstruktur bietet. Diesbezüglich zeigen 11A bis 11D verschiedene
geeignete Formen für
die Laschen (96). 11A und 11B zeigen jeweils Laschen (100) und
(102) mit gebogenen Teilen (100a) und (102a)
sowie geraden Teilen (100b) und (102b). Die geraden
Teile (100b) und (102b) enden jeweils an Kanten
(100c) und (102c), welche die Innenwand der Reaktionskammer
bei einem scharflinigen Kontakt berühren. Wie in 11C gezeigt wird, weist eine Lasche (104)
einen axial abstehenden Teil (104a) auf, welcher eine größere Kontaktfläche für mögliches
verbessertes Abdichten aufweist. Ferner neigt der axial abstehende
Teil (104a) weniger als die scharten Kanten (100c)
und (102c) der Laschen (100) und (102)
dazu, an der Reaktionskammerwand zu haften, wenn sich die Katalysatorstruktur
in Einlassrichtung thermisch ausdehnt. Wie in 11D gezeigt wird, weist eine Lasche (106)
einen im Allgemeinen abgerundeten Teil auf, welcher eine größere Kontaktfläche bietet
und eine noch geringere Wahrscheinlichkeit eines Haltens besitzt
als die Lasche (104) von 11C.
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Zwar
wurden die Flansche (70) und (90) zusammenwirkend
mit den Katalysatorstrukturen beschrieben, doch können die
Flansche auch mit der Tragstruktur zusammenwirkend verwendet werden.
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Unter
Bezug nun auf 12 wird die in der Reaktionskammerwand
(44) angeordnete und durch mehrere der zusammenwirkenden
Streben (60) und Keilnute (62), welche eine radiale
Zentrieranordnung bilden, gehaltene Tragstruktur (48) gezeigt.
In der in 12 gezeigten Ausführung sind
die Streben (60) an der Innenfläche der Reaktionskammerwand
befestigt. Die Keilnuten (62) sind an der Tragstruktur (48)
befestigt und sind bevorzugt an dem kreisförmigen Band (66) angebracht,
welches die Umfangsfläche
der Tragstruktur einfasst. Jede Keilnut (62) weist eine
darin ausgebildete, sich radial erstreckende Rille (108)
für das
Aufnehmen der zugehörigen
Strebe auf. Die radiale Höhe
der Rillen und der Streben ist so bemessen, dass eine thermische
Ausdehnung der Tragstruktur zur thermischen Ausdehnung der Reaktionskammerwand
berücksichtigt
wird. Somit besteht ein Spalt zwischen dem Boden der Rillen und
der Kante der Strebe, wie in 12 gezeigt
wird, wenn die Tragstruktur und die Reaktionskammerwand keinen hohen
Temperaturen ausgesetzt sind. Die Keilnute und Streben zentrieren
zusammen die Tragstruktur radial in der Reaktionskammerwand, um einen
ringförmigen
Raum (110) zwischen dem Außenumfang der Tragstruktur
und der Innenfläche
der Reaktionskammerwand auszubilden. Somit ist die Breite des ringförmigen Raums
(110) um den gesamten Umfang der Tragstruktur im Wesentlichen
gleich. Bei Betrachtung von zum Beispiel 12 verhindern die
oberen und unteren Streben und Keilnute im Allgemeinen ein Bewegen
der Tragstruktur nach links oder rechts. Analog verhindern die linken
und rechten Streben und Keilnute im Allgemeinen ein Bewegen der
Tragstruktur nach oben oder unten. Die Streben und Keilnute verhindern
mit anderen Worten ein Drehen der Tragstruktur in Umfangsrichtung,
lassen aber ein thermisches Ausdehnen der Tragstruktur radial nach
außen
zu, so dass sich bei Ausdehnen der Tragstruktur die Streben weiter
in die Rillen der Keilnute vorbewegen. Es ist vorteilhaft, die Tragstruktur ebenso
wie die Katalysatorstruktur radial zu zentrieren, um zu einer Verringerung
des Betrags der relativen seitlichen Bewegung zwischen dem Auslassende
der Katalysatorstruktur und dem Einlassende der Tragstruktur beizutragen,
um das Kratzen zwischen diesen, welches die Katalysatorfolien beschädigen kann,
zu reduzieren.
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Zwar
weist die Ausführung
der in 12 gezeigten Tragstruktur vier
zusammenwirkende Streben und Keilnute auf, doch versteht sich, dass
eine beliebige Anzahl an Streben und Keilnuten größer als eins
verwendet werden kann. Vorzugsweise sind die zusammenwirkenden Streben
und Keilnute gleichmäßig um den
Umfang der Tragstruktur beabstandet. Bei Bedarf können die
Streben und Keilnute umgekehrt vorgesehen werden, wobei die Streben
(60) an der Tragstruktur (48) befestigt und die
Keilnute (62) an der Reaktionskammerwand (44)
befestigt werden, wie in 13 gezeigt
wird. Die Anordnung der Streben und Keilnute kann auch abgewechselt
werden, so dass benachbarte zusammenwirkende Streben und Keilnute
eine umgekehrte Ausrichtung aufweisen.
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Unter
Bezug auf 14 wird eine andere Ausführung einer
radialen Zentrieranordnung für
die Tragstruktur (48) und die Reaktionskammerwand (44)
gezeigt. Ein Bolzen oder Stift (112) steht von der Tragstruktur
nach außen
ab und ist in einem in der Reaktionskammerwand ausgebildeten Schlitz
(114) gleitend angeordnet. Der Stift und der Schlitz wirken in ähnlicher
Weise zusammen wie die Streben (60) und die Keilnute (62),
wie vorstehend beschrieben wurde, und gelten als deren Entsprechungen.
Eine noch andere Ausführung
einer radialen Zentrieranordnung wird in 15 gezeigt.
Ein Bolzen oder Stift (116) steht von der Reaktionskammerwand
radial nach innen ab und ist in einem in der Tragstruktur ausgebildeten
Schlitz (118) gleitend angeordnet. Wenn die Katalysatorstruktur
zum Beispiel aus Keramik wäre,
könnte
der Schlitz (118) in die Keramikkatalysatorstruktur geschnitten
werden.
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Zwar
wurden die Streben und Keilnute in Kombination mit der Tragstruktur
verwendet beschrieben, doch versteht sich, dass die Streben- und Keilnutanordnung
auch mit der Katalysatorstruktur verwendet werden kann.
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Unter
bestimmten Bedingungen kann es wünschenswert
sein, dass die Tragstruktur ein kreisförmiges Außenband mit einer Dicke aufweist,
welche größer als
die Wände
der Zellen der offenzelligen monolithischen Tragstruktur ist. Das
Außenband kann
aus jedem geeigneten Material wie z.B. Metall gefertigt sein. Das
dickere Metallband würde
Festigkeit für
Befestigungspunkte wie die oben beschriebenen Streben und Keilnute
bieten. Das dickere Metallband würde
auch in axialer Richtung Festigkeit für mehrere Katalysatorstrukturen
verleihen. Da aber das Metallband eine größere Dicke als die Zellwände der
Tragstruktur aufweist, würden
sich die Zellwände schneller
als das Band thermisch ausdehnen. Somit könnten bedingt durch die Ausdehnung
die Zellwände
verformt und beschädigt
werden. Zum Ausgleich dieser Geschwindigkeit der thermischen Ausdehnung
kann das Außenband
mehrere darin ausgebildete Schlitze aufweisen, damit sich das Außenband biegen
kann. Zum Beispiel wird in 16 ein
Außenband
(120) mit mehreren darin ausgebildeten Schlitzen (122) gezeigt.
Die Schlitze (122) können
in einem um den Umfang des Außenbands
beabstandeten abwechselnden Muster gebildet sein, so dass benachbarte
Schlitze durch gegenüberliegende
Kanten gebildet werden, wie in 16 gezeigt
wird. Das Außenband
sollte so biegsam sein, dass es die thermische Ausdehnung der Zellwände der
Tragstruktur absorbiert, ohne eine Verformung der Zellwände zu bewirken,
dabei fest genug sein, um der Tragstruktur Steifigkeit zu verleihen.
Die Schlitze sind so bemessen, dass das Austreten von Gasstrom durch
diese minimiert wird. Bei den erfindungsgemäßen Tragstrukturen liegt die
Breite der Schlitze geeignet in einem Bereich von etwa 0,0254 mm
bis etwa 1,27 mm (etwa 0,001 Zoll bis etwa 0,050 Zoll) und vorzugsweise
in einem Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 0,51 mm (etwa 0,002 Zoll
bis etwa 0,020 Zoll). Die Schlitze sind voneinander beabstandet,
um unter gleichzeitiger Wahrung der Unversehrtheit des Außenbandes
genügen
Entspannung zu ermöglichen. Die
Bogenlänge
zwischen den Schlitzen liegt geeignet in dem Bereich von etwa 12,7
mm bis 15,2 cm (etwa 0,5 Zoll bis etwa 6 Zoll) und vorzugsweise
in dem Bereich von etwa 2,54 cm bis etwa 7,62 cm (etwa 1 bis 3 Zoll).
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Zwar
wurde das Außenband
(120) zusammenwirkend mit der Tragstruktur beschrieben,
doch kann ein Außenband
mit ähnlichen
Merkmalen wie das Außenband
(120) mit der erfindungsgemäßen Katalysatorstruktur verwendet
werden.
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Unter
Bezug nun auf 17 wird eine andere Ausführung eines
katalytischen Verbrennungsreaktors gezeigt, welcher allgemein unter
(130) gezeigt wird. Der Reaktor umfasst eine Reaktionskammer (132),
welche durch eine im Allgemeinen zylinderförmige Reaktionskammerwand (134)
gebildet wird. Ein gasförmiges
Reaktionsgemisch bzw. ein Gasstrom, welcher durch die Pfeile (136)
angezeigt wird, strömt durch
die Reaktionskammer. Der Reaktor umfasst ferner eine Katalysatorstruktur
(138), welche der Katalysatorstruktur (26) von 3 ähneln kann.
Die Katalysatorstruktur (138) weist ein Einlassende (140) und
ein Auslassende (142) auf. Die Katalysatorstruktur weist
eine in dieser ausgebildete axiale Bohrung (143) auf, welche
sich zwischen dem Einlassende und dem Auslassende erstreckt. Die
Katalysatorstruktur wird durch monolithische offenzellige Einlass-
und Auslasstragstrukturen (144) und (146) in der
Kammer gehalten. Die Tragstrukturen (144) und (146)
können
der Tragstruktur (48) von 3 ähneln. Die
Einlass- und Auslasstragstrukturen (144) und (146)
weisen darin ausgebildete axiale Bohrungen (148) bzw. (150)
auf. Die Einlasstragstruktur (144) weist ein Einlassende
(152) und ein Auslassende (154) auf. Die Auslasstragstruktur
(146) weist ein Einlassende (156) und ein Auslassende
(158) auf. Die Einlass- und die Auslasstragstrukturen (144)
und (146) sind durch Anliegen an nach innen abstehenden
ringförmigen
Wulsten (160) bzw. (162), welche sich von der
Wand (134) der Reaktionskammer radial nach innen erstrecken,
in der Reaktionskammer gehalten. Ein mittiges Tragelement (164)
ist in den axialen Bohrungen der Katalysatorstruktur und der Einlass-
und Auslasstragstrukturen angeordnet. Das mittige Tragelement (164)
weist radial nach außen abstehende
Flansche (166) und (168) auf, welche an dessen
Enden ausgebildet sind. Der Flansch (166) liegt an der
Fläche
des Einlassendes der Einlasstragstruktur an. Der Flansch (168)
liegt an der Fläche des
Auslassendes der Auslasstragstruktur an.
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Die
Hauptfunktion des mittigen Tragelements (164) besteht darin,
einen Teil der Kraft oder axialen Last, welche auf die Auslasstragstruktur wirkt,
auf die Einlasstragstruktur zu übertragen.
Im Einzelnen übt
die Strömung
des Gases (136) eine axiale Last auf die Auslasstragstruktur
aus. Da die Auslasstragstruktur um ihren Umfang durch die Wulst (162)
gestützt
wird, wird der mittige Teil der Auslasstragstruktur durch diese
axiale Kraft nach außen
vorgespannt. Die auf die Mitte der Auslasstragstruktur wirkende
Kraft wird über
den Flansch (168) auf das mittige Tragelement (164) übertragen.
Die auf das mittige Tragelement wirkende Kraft wird über den Flansch
(166) auf den mittigen Teil der Einlasstragstruktur übertragen.
Zu beachten ist, dass die auf den Umfang der Einlasstragstruktur
wirkenden Kräfte über die
Wulst (160) auf die Reaktionskammerwand übertragen
werden. Die Einlasstragstruktur trägt daher zum Halten der Auslasstragstruktur
mittels des mittigen Tragelements bei.
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Die
Auslasstragstruktur trägt
typischerweise eine schwerere Last als die Einlasstragstruktur,
da die Auslasstragstruktur in einem Bereich der Brennkammer mit
einer Gasströmung
höherer
Geschwindigkeit und einem größeren Druckabfall
angeordnet ist. Ferner ist das Auslasstragelement in einem Bereich
der Brennkammer mit einer höheren
Temperatur angeordnet und somit weist die Auslasstragstruktur weniger
Festigkeit als die Einlasstragstruktur auf. Zudem trägt die Tragstruktur
das Katalysatortragelement. Der Vorteil des mittigen Tragelements
liegt darin, dass die Auslasstragstruktur in der Mitte, nicht nur
an ihrem Umfangteil gestützt
wird, wodurch die strukturelle Unversehrtheit der Auslasstragstruktur verbessert
wird.
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Unter
Bezug nun auf 18 wird eine noch weitere Ausführung eines
katalytischen Verbrennungsreaktors gezeigt, welcher allgemein unter
(170) gezeigt wird und dem Reaktor (130) von 17 ähnelt. Der
Reaktor (170) umfasst eine Katalysatorstruktur (172)
mit einem Einlassende (173) und einem Auslassende (174).
Die Katalysatorstruktur (172) ist in einer zylinderförmigen Wand
einer Reaktionskammer (175) angeordnet. Die Katalysatorstruktur
weist auch eine in dieser ausgebildete axiale Bohrung (176)
auf, welche sich zwischen dem Einlassende und dem Auslassende erstreckt.
Die Katalysatorstruktur wird durch monolithische offenzellige Einlass-
und Auslasstragstrukturen (178) und (180) in der
Kammer gehalten. Die Einlass- und Auslasstragstrukturen (178)
und (180) weisen darin ausgebildete axiale Bohrungen (182)
bzw. (184) auf. Die Einlasstragstruktur (178)
weist ein Einlassende (185) und ein Auslassende (186)
auf. Die Auslasstragstruktur (180) weist ein Einlassende
(188) und ein Auslassende (190) auf. Die Einlass-
und die Auslasstragstrukturen (178) und (180)
sind durch Anliegen an nach innen abstehenden Schultern (192)
bzw. (194), welche sich von der Wand der Reaktionskammer
radial nach innen erstrecken, in der Reaktionskammer gehalten. Die
Katalysatortragstruktur und die Einlass- und Auslasstragstrukturen
sind so zwischen den Schultern (192) und (194)
sandwichartig angeordnet, dass die Katalysatorstruktur zwischen der
Einlass- und der Auslasstragstruktur angeordnet ist. Ein mittiges
Tragelement (196) ist in den axialen Bohrungen der Katalysatorstruktur
und den Einlass- und Auslasstragstrukturen angeordnet. Das mittige Tragelement
(196) weist radial nach außen abstehende Flansche (197)
und (198) auf, welche an dessen Enden ausgebildet sind.
Der Flansch (197) liegt an der Fläche des Einlassendes der Einlasstragstruktur
an. Der Flansch (198) liegt an der Fläche des Auslassendes der Auslasstragstruktur
an.
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Die
Katalysatortragstruktur und die Einlass- und Auslasstragstrukturen
können
um diese ausgebildete dickwandige Metallaußenringe oder-bänder (200),
(202) bzw. (204) aus Metall aufweisen, welche an
deren Umfang zusätzliche
Festigkeit verleihen. Die Katalysatortragstruktur und die Einlass-
und Auslasstragstrukturen können
ebenso dickwandige Rohre (206), (208) bzw. (210)
aufweisen, welche die axialen Bohrungen (176), (182)
und (184) jeweils auskleiden, um in diesen Bereichen zusätzliche
Festigkeit zu verleihen.
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Diese
Konfiguration des katalytischen Verbrennungsreaktors (170)
stützt
bei jeder umgekehrt strömenden
Last in der Richtung entgegengesetzt zur normalen Gasströmung (212),
welche in der Reaktionskammer auftreten kann. Bei diesem Szenario drückt die
Gasströmungslast
die Katalysatorstruktur und die Einlass- und Auslassstrukturen gegen
die Schulter (192).
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Die
oben beschriebenen verschiedenen erfindungsgemäßen Tragelemente können in
einem Prozess für
die katalytische Verbrennung eines kohlenwasserstoffhaltigen oder
anderen brennbaren Brennstoffs, z.B. Methan, Ethan, H2 oder
CO/H2-Gemische,
verwendet werden. Bei diesem Prozess wird ein sauerstoffhaltiges
Gas wie Luft mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff gemischt,
um ein brennbares Sauerstoff-/Brennstoffgemisch zu bilden. Dieses
Sauerstoff-/Brennstoffgemisch wird als strömendes Gas durch eine monolithische
Katalysatorstruktur geleitet, welche in einer Reaktionskammer angeordnet
ist, um das Sauerstoff-/Brennstoffgemisch zu verbrennen und ein
heißes,
teils oder vollständig
verbranntes Gasprodukt zu erzeugen.
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In
diesem Prozess können
eine Vielzahl von Katalysatorstrukturen verwendet werden. Zum Beispiel
können
in dieser Erfindung ein Katalysator mit integralen Wärmetauschflächen, wie
er in dem U.S. Patent Nr. 5,250,489 mit dem Titel „Catalyst
Structure Having Integral Heat Exchange" beschrieben wird, oder ein abgestufter
palladiumhaltiger Teilverbrennungsprozesskatalysator, wie er in
den U.S. Patenten Nr. 5,248,251 und 5,258,349, beide mit dem Titel „Graded
Palladium-Containing
Partial Combustion Catalyst And Process For Using It", beschrieben wird,
verwendet werden. Daneben kann der Prozess die vollständige Verbrennung
des Brennstoffs oder die teilweise Verbrennung des Brennstoffs beinhalten,
wie in der gleichzeitigen Anmeldung U.S. Seriennr. 08/088,614 mit
dem Titel „Process
For Burning Combustible Mixtures" beschreiben
wird. Weiterhin kann der Prozess ein mehrstufiger Prozess sein,
bei welchem der Brennstoff schrittweise unter Verwendung bestimmter
Katalysatoren und Katalysatorstrukturen in den verschiedenen Stufen
verbrannt wird, wie in dem U.S. Patent Nr. 5,232,357 mit dem Titel „Multistage
Process For Combusting Fuel Mixtures Using Oxide Catalyst In The
Hot Stage" beschrieben
wird.
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Dieser
Vorgang umfasst auch das Stabilisieren und radiale Zentrieren der
Position der Katalysatorstruktur und einer monolithischen offenzelligen Tragstruktur,
was eine axiale Bewegung der Katalysatorstruktur verhindert. Die
Katalysatorstruktur kann aus vielen in Längsrichtung angeordneten Kanälen bestehen,
wobei die Kanalwände
durch ein dünnes Metallsubstrat
gebildet werden, welches sich bei Hitzeeinwirkung in der Hochtemperaturreaktion
ausdehnt. Die Kanäle
weisen Einlass- und Auslassenden für das Durchströmen eines
strömenden
Reaktionsgasgemisches auf. Die Tragstruktur kann aus Zellen mit
Wänden
bestehen, welche durch Streifen aus hochtemperaturbeständigem Metall
oder Keramikmaterial gebildet werden. Die Zellenöffnungen stehen mit den Auslassenden
der Kanäle
in der Katalysatorstruktur in Fluidverbindung. Die Tragstruktur ist
an dem Auslassende der Katalysatorstruktur so angeordnet, dass sie
an dem Auslassende der Katalysatorstruktur anliegt, so dass der
Querschnitt der Tragstruktur im Wesentlichen die Stirnfläche der
Katalysatorstruktur bedeckt. Es kann auch eine zweite Tragstruktur
verwendet werden, welche am Einlassende der Katalysatorstruktur
so angeordnet ist, dass sie an den Einlassenden der Kanäle in der
Katalysatorstruktur anliegt.
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Die
Katalysatorstruktur ist so bemessen, dass sie gegenüber der
Querschnittfläche
der Reaktionskammer eine verkleinerte Querschnittfläche in einer
Richtung senkrecht zu ihrer Längsachse
aufweist, so dass zwischen dem Außenumfang der Katalysatorstruktur
und der Innenfläche
der Reaktionskammer, welche durch die Reaktionskammerwand gebildet
wird, ein ringförmiger
Raum ausgebildet ist. Der ringförmige
Raum ist so bemessen, dass eine thermische Ausdehnung, welche während der
Hochtemperaturreaktion auftritt, zugelassen wird, ohne dass ein Zusammendrücken und
Verformen der Katalysatorstruktur durch Drücken gegen die Reaktionskammerwand
bewirkt wird.
-
Das
Strömen
des Reaktionsgasgemisches durch den ringförmigen Raum wird durch Einfügen von
ein oder mehreren biegsamen Flanschen, welche sich von der Außenumfangfläche der
Katalysatorstruktur zur Innenfläche
der Reaktionskammerwand erstrecken, behindert. Vorzugsweise sperren die
Flansche den Strom des Reaktionsgasgemisches, welcher ansonsten
an der Katalysatorstruktur vorbeiströmen würde, im Wesentlichen ab. Die
Flansche sind so biegsam, dass sich die Flansche biegen, wenn die
Katalysatorstruktur eine thermische Ausdehnung durchläuft, ohne
dass soviel Spannung auf die Katalysatorstruktur ausgeübt wird,
dass an den Kontaktpunkten zur Katalysatorstrukturwand eine örtliche
Verformung der Katalysatorstruktur verursacht wird.
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Die
Katalysatorstruktur und die Tragstruktur sind in einer stabilen
Position in der Reaktionskammer radial zentriert, so dass der ringförmige Raum zwischen
dem Außenumfang
der Katalysatorstruktur und der Innenfläche der Reaktionskammer um
den gesamten Umfang der Katalysatorstruktur im Wesentlichen gleich
ist. Die Katalysatorstruktur und die Tragstruktur werden mittels
dreier oder mehrerer aneinander angepasster radialer Keilnute und
Streben, welche an der Umfangsfläche
der offenzelligen Tragstruktur benachbart zur Innenwandfläche der Reaktionskammer
und/oder an der Umfangsfläche der
Katalysatorstruktur angebracht sind, radial zentriert, wobei die
entsprechende angepasste Keilnut oder Strebe an der Innenfläche der
Reaktionskammerwand gegenüber
der Keilnut oder Strebe an der Tragstruktur und/oder der Katalysatorstruktur
angebracht ist. Die Strebe greift in die durch die Keilnut gebildete
entsprechende Rille, um die Katalysatorstruktur festzuhalten. Die
Tiefe der Rille in der Keilnut und/oder die Höhe der Strebe sind so bemessen, dass
eine thermische Ausdehnung der offenzelligen Tragstruktur und/oder
der Katalysatorstruktur, die während
der Hochtemperaturreaktion auftritt, möglich ist und dabei die zentrierte
Position der Katalysatorstruktur in der Reaktionskammer gewahrt
wird.
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Die
Tragstruktur wird mittels eines mittigen Tragelements gegenüber Verformung
stabilisiert, welche durch die auf die Fläche der Tragstruktur in einer
Richtung parallel zur Längsachse
der Katalysatorstruktur während
des Durchgangs des strömenden
Reaktionsgasgemisches ausgeübte
axiale Last bewirkt wird. Das mittige Tragelement ist an der Mitte der
Stirnfläche
der auslassseitigen Tragstruktur befestigt und erstreckt sich davon
durch die Mitte der Katalysatorstruktur in eine Längsrichtung
zur Mitte der Endfläche
der einlassseitigen Tragstruktur, wo es ebenfalls befestigt ist.
Die durch das strömende
Reaktionsgasgemisch auf die Auslassseite der Tragstruktur ausgeübte Kraft
wird über
das mittige Tragelement auf die einlassseitige Tragstruktur übertragen.
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Zusätzliche
strukturelle Festigkeit wird der offenzelligen Tragstruktur, welche
an den Einlass- und Auslassenden der Katalysatorstruktur angeordnet
ist, auch mittels eines massiven, hochtemperaturbeständigen Außenbands
verliehen. Vorzugsweise ist das Band an der Umfangsfläche der
offenzelligen Tragstruktur angeklebt. Das Band weist eine größere Dicke
als die Streifen aus hochtemperaturbeständigem Metall oder Keramikmaterials
auf, welche die Zellwände
der offenzelligen Tragstruktur bilden. Das Band weist in seinen
Außenumfangteil
geschnittene Schlitze auf, um in dem Metallband genügend Biegsamkeit
zum Absorbieren der thermischen Ausdehnung der dünneren offenzelligen Struktur
vorzusehen, welche während
der Hochtemperaturreaktion auftritt, ohne eine Verformung der offenzelligen Tragstruktur
aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der offenzelligen
Struktur und des daran angeklebten Metallbands zu bewirken.