[发明专利]带有具有细长截面的孔的蜂窝状整体结构

说明书

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 A1（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 B1（Siemens AG，2001）中。

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。

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。

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。

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 A1（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。