DE2332955A1

DE2332955A1 - Behaelter zur behandlung eines fluids

Info

Publication number: DE2332955A1
Application number: DE19732332955
Authority: DE
Inventors: Leonard George Huggett
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1972-06-28
Filing date: 1973-06-28
Publication date: 1974-01-10
Also published as: IE37790B1; FR2191597A5; AU5728273A; GB1438761A; IE37790L; BE801410A; NL7308734A; IT992587B; JPS4957221A; LU67884A1

Description

PATENTANWÄLTE °R- -ING. H. Fl f.--τ DIPL-ING. H. D O Π.7

8 ko^henT¹¹* 2 8. JUN11973

MÜLLERSTRASSE 31 , *> Q *? O Q JT ET

23246 - Dr. K. Case B/Mb 25176

Imperial Chemical Industries Ltd. London, Großbritannien

Behälter zur Behandlung eines Fluids

Prioritäten: 28. Juni 1972 und 11. Juni 1973 - Großbritannien

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fluidbehandlung.:behalter, und zwar insbesondere zur Behandlung von Gasen, wie z.B. den Abgasen von Verbrennungsmotoren, um Reaktionen zu bewirken und/oder sie zu beruhigen.

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BAD ORlCKNAL

Bei der Behandlung eines Fluids über einem, feuerfesten Material in Systemen, welche einer Vibration und/oder großen Temperaturänderung unterliegen, treten Probleme insofern auf, als das Material gegen eine Bewegung im Behälter festgehalten werden muß, aber einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der im allgemeinen kleiner ist als derjenige des Metallbehälters, so daß ein bei einer bestimmten Temperatur vorhandener fester Sitz bei einer höheren Temperatur zu einem losen Sitz und bei einer niedrigeren Temperatur zu einem überfesten Sitz wird. Es sind bereits Anordnungen mit Metallfedern getroffen worden, um ein solches Material festzuhalten. Diese Anordnungen werden aber durch die Tatsache verkompliziert, daß die Metallfedern kalt gehalten werden müssen, da sie sonst kriechen oder ermüden. Eine gewöhnliche Faserpackung würde es wesentlich erleichtern, die Metallbehälterwandungen verhältnismäßig kühl zu halten, damit sie weniger einer Expansion unterliegen, aber sie ist mechanisch nicht stabil genug, um eine lange dauernde Kompensierung von unterschiedlichen Expansionsbewegungen zu gewährleisten, weshalb sie auch nicht die gewünschte Gasdichtheit ergeben können.

Diese Probleme treten besonders auf, wenn das Material monolithisch ist, da feuerfeste Monolithe üblicherweise spröde sind. (Der Ausdruck Monolith umfaßt Einheiten, die auch als Modelle, Matrices und Bienenwaben bezeichnet werden, die ununterbrochene durchgehende Passagen rufweisen.) Die Schwierigkeiten treten auch auf, wenn das Material teilchenförmig ist, ob es nun aus einer gesinterten Masse besteht oder lose in einer Kammer inner-

vorliegt wenn es die Form halb der Packung/oder^eines feuerfesten Innenbehälters aufweist. Der Ausdruck "feuerfestes Inneres" wird in der Folge dazu verwendet, derartige Monolithe, Teilchen oder Innenbehälter zu bezeichnen.

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ORIGINAL INSPECTED

Gegenstand der Erfindung ist nunmehr ein Mediumbehandlungsbehälter, der ein feuerfestes Inneres aufv;eist, wobei dos Kennzeichen darin liegt, daß dieses Innere durch ein im wesentlichen elastisches,thermisch isolierendes feuerfestes Packungsmaterial gehalten wird, das

Zusammenbauten aus deformierbaren feuerfesten Elementen besitzt, die homogen miteinander verbunden sind, wobei die Elastizität, das thermische Isolierungsvermögen und der Spannungszustand des Packungsmaterials derart sind, daß der Unterschied in der thermischen Expansion zwischen dem feuerfesten Inneren, welches mit dem Fluid in Berührung kommt, und dem Behälter, der sich durch Änderungen der Temperatur ergibt, durch Rückbildung oder weitere Spannung des Packungsmaterials und durch die Temperaturdifferenz, die zwischen dem feuerfesten Inneren und den Behälterwandungen des Materials aufrechterhalten wird, kompensiert wird.

"Im wesentlichen elastisch" bedeutet, daß das Packungsmaterial wiederholt dazu fähig ist, sie im Anschluß an eine Spannung zu erholen, was im Gegensatz zu den handelsüblichen faserförmigen Packungsmaterialien steht. Eine derartige Elastizität kann dadurch erhalten werden, daß man sicherstellt, daß die Spannung und die Rückbildung nur kurze' Bewegungen und keine dauerhafte gegenseitige Verschiebung der Bestandteilselemente der Packung umfassen.

Das Packungsmaterial kann die Form von Kissen aufweisen, die vorfabriziert und dann im Behälter zusammengefügt worden sind. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die wiederholte Herstellung, beispielsweise zur Herstellung von Äutomobilabgasbehandlungsbehältern. Vorzugsweise haften derartige Kissen an den Behälterwandungen und am feuerfesten

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Inneren, wie z.B. Innenbehälter oder Monolithe (sofern solche verwendet werden)', um zu verhindern, daß eine restliche Bewegung während des Gebrauchs stattfinden kann, und zwar trotz des dichten Sitzes der Teile.Der Bindemittelzement verhindert dabei auch wirksamer das Vorbeifließen von Fluid. Geeignete Bindemittel sind z.B. Alkalisilicate, die vorzugsweise Füllstoffmaterialien enthalten, wie z.B. fein zerteilte Mineralsilicate, und Mörtel auf der Basis von hydraulischen Zementen, wobei möglicherweise Stoffe zugesetzt sind, um Wasserrückhalteeigenschaften zu erzielen und somit einen Wasserverlust in das Packungsmaterial oder in die feuerfesten Bestandteile während des Zusammenbaus des Behälters zu vermeiden. .So kann -die Bindeschicht ein organisches Polymer oder Zersetzungsprodukte eines solchen Polymers enthalten, was auch für die Packung gilt.

Alternativ kann das Packungsmaterial einstückig sein oder die Form von Untereinheiten aufweisen, die im Behälter geformt worden sind.

Wenn das Packungsmaterial mit dem zu behandelnden Fluid in Berührung kommen soll, dann kann es eine feuerfeste Schutzschicht tragen, die in geeigneter Weise aus dem zum Verbinden der deformierbaren Einheiten verwendeten Bindemittel oder aus feuerfestem Zement bestehen kann,-wie er beispielsweise als Bindemittel zwischen der Packung und dem feuerfesten Inneren verwendet wird.

Als deformierbare feuerfeste Elemente können beispielsweise Fasern, Schnitzel, hohle Granalien, Schaumklumpen, Scheibchen, Blätter und dergleichen verwendet werden, die aus einem Material hergestellt sind, das für die Deformierbarung dünn genug ist.

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Die deformierbaren feuerfesten Elemente sind vorzugsweise faserig, aber es können auch mehr als eine Art vorhanden sein. Schließlich können auch fein zerteilte feste Füllstoffmaterialien, wie z.B. Tone, kalzinierte Tone und andere mineralische Silicate anwesend sein, um die Theologischen oder feuerfesten Eigenschaften zu modifizieren.

Als Fasermaterial kann beispielsweise Glaswolle (wie z.B.

"Fiberglas"), Aluminosilicatfaser (wie z.B. Asbest, "Cerafelt", "Fiberfrax", "Kaowool", "Kerlane" und "Triton"), eine chromoxidmodifizierte Aluminosilicatfaser (wie z.B. "Fiberchrome"), Aluminiumoxidfaser (wie z.B. "Fibral" oder "Saffil"), Siliciumdioxidfaser (wie z.B. Quarzfaser und ausgelaugte Glasfaser, wie z.B. "Refrasil"), Titandioxidfaser und Titanatfaser sowie Zirconfaser, wie z.B. "Saffil", verwendet werden. (Die oben angegebenen Namen sind vermutlich eingetragene Warenzeichen)." Die bevorzugten Fasern bestehen im wesentlichen aus Aluminiumoxid und/oder Zirconoxid und besitzen eine Dicke unter 10 /c und sind weitgehend frei von Teilchen, die als "Schrot" bezeichnet werden. In sehr geeigneter Weise sind die verwendeten Fasern Aluminiumoxid- und/oder Zirconoxidfasern, die dadurch hergestellt werden, daß man eine vjicose Zusammensetzung, die aus einer wässrigen Lösung eines Salzes von Aluminium und/oder Zirconium und einem wasserlöslichen organischen Polymer besteht, zerfasert, die gebildete Faser trocknet und erhitzt, um das Aluminium- und/oder Zirconsalz in das Oxid zu zersetzen und das Polymerzu zersetzen, insbesondere wie es in der holländischen Patentanmeldung 7108399 beschrieben ist, deren Inhalt als in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen gelten soll.

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Wenn die genannten Aluminiumoxid- und/oder Zlrconoxidfasern für zumindest 50 Gew.-% und vorzugsweise den gesamten Fasergehalt des Packungsmaterials verwendet werden, dann kann ein brauchbarer Behälter ohne anorganisches Binden der Fasern aneinander hergestellt werden, wobei beispielsweise ein organisches Polymer als flüchtiger Binder verwendet wird. Ein solcher Behälter stellt eine Abwandlung der Erfindung dar.

Das Verbinden zwischen den feuerfesten Elementen geschieht vorzugsweise mit feuerfesten oxidischen Materialien, wie z..B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid,Aluminosilicat, Alurr.inophosphat, Phosphat, Alkalisilicat, Borat, Titandioxid und Zirconoxid. Vie diesejhergestelit werden, wird weiter unten beim Verfahren zum Zusammenbau der Behälter näher beschrieben.

Die Unterzusammenstellung aus dem feuerfesten Inneren des Behälters und aus einem Teil oder dem gesamten Packungsmaterial in einem für das Einführen in eine Behälterhülse fertigen Zustand stellt ein weiteres Merkmal der Erfindung dar.

Das Packungsmaterial kann in Kombination mit Einrichtungen verwendet werden, die bereits zum Halten des feuerfesten Materials in Metallhülsen bekannt sind, wie z.B. Metallnetze, Metallfedern und die Verwendung von Metallteilen ■ mit kompensierenden Expansionen.

Die äußere Hülse des erfindungsgemäßen Behälters ist vorzugsweise so geformt, daß sie dem feuerfesten Inneren und dem Packungsmaterial entspricht. Bei einem erfindungsgemäßen Behälter besitzt die Hülse einen Querschnitt, der in dem Bereich glatt abnimmt, der die Unterzusammenstellung aufnehmen soll. Hierdurch wird die Unterzusammenstellung mit oder ohne umgebende Zementschicht in einen

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wirksamen vollständigen Kontakt unter Umständen auch unter Kompression gebracht, wenn sie vom weiteren Ende dieses Bereichs eingeführt wird. Bei einem zweiten Behälter wird ein ähnliches Resultat dadurch erzielt, daß doe Packung in zwei· Schichten vorliegt, die aneinander anliegen und miteinander verzementiert sind, wobei die äußere Schicht aus den Hülsenwη ndungen besteht, beispielsweise durch Stampfen oder Eingießen rund um einen Kern, und wobei die innere Schicht die Außenseite der Unterzusammenstellung bildet. Wenn die Unterzusammenstellung eingeführt wird, vorzugsweise mit einer dazwischenliegenden Zementschicht, dann liegt ausreichend Elastizität vor, einen weitgehend gasdichten Sitz zu erzeugen. Um sich nicht allzuviel auf die Elastizität zu verlassen oder um allgemein einen sichereren gasdichten Sitz zu erzielen, können sich die beiden Packungsmaterialschichten komplementär verjüngen. Bsi Verwendung von zwei Packungsschichten ist es nicht nötig, sich verjüngende Hülsenwandungen zu verwenden.

Bei einem dritten erfindungsgemäßen Behälter können die Wandungen im Bereich, wo das feuerfeste Innere und das Packungsmaterial gehalten werden, zusammengedrückt werden, beispielsweise wenn sie die Form von zwei Halbzylindern aufweisen. Eine solche Konstruktion ist auf parallele Wandungen oder auf sich verjüngende Wandungen anwendbar, und zwar insbesondere mit einem kleineren Querschnitt an jedem Ende des- Bereichs. Sie ist weiter unten in Zusammenhang mit den Verfahren zum Zusammenbau des Behälters beschrieben. Gewünschtenfalls können auch zwei Kegelstümpfe mit halber Länge verwendet werden.

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Ein vierter erfindungsgemäßer Behälter umfaßt ein oder mehrere öffnungen in der Hylse, durch welche Zement eingeführt werden kann oder eingeführt worden ist, um einen Raum zwischen dem Packungsmaterial und den Wandungen aufzufüllen. Für diese Art von Behälter werden das Packungsmaterial und/oder die Wandungen vorzugsweise mit ein oder mehreren Kanälen versehen, damit der eingespritzte Zement ausreichend den Raum zwischen dem Packungsmaterial und den Wandungen und möglichst auch den gesamten Umfang auffüllen kann. Nachdem der eingespritzte Zement getrocknet ist, können Schrumpfungskavitäten in den Kanälen anwesend sein, aber eine ausreichende Dichtung kann dabei in den engeren Räumen in der Nachbarschaft der Kanäle erzielt werden, zu denen, der Zement ausreichend Zugang hat. Die Kanäle können um den Umfang laufen (sie können auch spiralenförmig sein), oder sie können längsgerichtet sein oder dazwischen liegen oder sie können auch kombinierte Formen besitzen.

Bei jedem erfindungsgemäßen Behälter ist das Packungsmaterial vorzugsweise unter Druck.

Die Erfindung umfaßt auch Verfahren zum Zusammenbau der Behälter gemäß der Hauptausführung der Erfindung, indem deformierbare feuerfeste Elemente in solche Packungsmaterialformen gebracht werden, die erforderlich sind, um den Raum zwischen dem feuerfesten Inneren und der Behälterhülse zu füllen, und indem die Elemente homogen miteinander verbunden werden. Die Elemente und das Bindemittel können vor der Formungsstufe gemischt werden, oder das Bindemittel kann in die Formstücke nach der Ausformung eingespritzt werden. Bei Verwendung der Abwandlung der Erfindung kann das Packungsmaterial trocken geformt oder mit einem

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flüchtigen Bindemittel, wie z.B. einem organischen PoIymer^ geformt werden, und zwar vorzugsweise in Behälter-Wenn das feuerfeste Innere mehrere Teile aufweist, dann umfaßt das Verfahren auch, das Formen der Packung in Formstücke, um die Räume zwischen den Teilen aufzufüllen, oder das Zusammenfügen der Teile durch feuerfesten Klebstoff.

Das Binden der feuerfesten Elemente wird vorzugsweise mit Hilfe einer Flüssigkeit durchgeführt, die eine kolloidale oder gelöste anorganische Sauerstoffverbindung enthält, welche thermisch in ein feuerfestes Oxid überführt werden kann. Unter geeigneten kolloidalen Sauerstoffverbindungen finden sich .-hydratisierte Oxidsole von Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Zirconoxid, Gemische aus zwei oder mehr derselben und Aluminiumsilicate. Silicasole, wie sie im Handel unter dem Namen "Syton" oder unter dem Bezugszeichen NIO3O oder NIO5O (NaIfloc Ltd.) erhältlich sind, und Aluminiumoxidsole, wie sie unter dem Namen "Baymal" oder "Cerasol" erhältlich sind, sind besonders geeignet.

Unter geeignet/ gelösten Sauerstoffverbindungen finden sich Alkalimetallsilicate, organische Ester von anorganischen Säuren, wie z.B. Alkylsilicate und Alkyltitanate, lösliche Verbindungen von Aluminium und Zirconium und Vorläufer von Aluminiumphosphat.

Nachdem die gelöste oder kolloidale anorganische Sauerstoffverbindung auf die Elemente aufgebracht worden ist, wird das Gemisch geformt und gehärtet. Weiteres Trocknen (beispielsweise bei 100 bis 40O⁰C) reicht aus, um Festigkeit zu erzielen, aber die Temperatur kann so hoch sein, daß die dimensioneilen Änderungen auftreten, die beim anschließenden Gebrauch auftreten können.

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Das Härten des Packungsmaterials kann gleichförmiger durchgeführt werden, wenn die Bindeflüssigkeit vor dem Trocknen des Materials in eine nicht-fließfähige Zusammensetzung überführt wird. Dies geschieht vorzugsweise durch eine chemische Behandlung, beispielsweise wie folgt:

Für hydratisierte Oxidsole: Behandlung mit organischen Säuren und/oder Ammoniumsalzen, wie es beispielsweise in der GB-PS 4-184-6/69 beschrieben ist. Pur Alkalimetallsilicate: Behandlung mit Säure unter Gelbildungsbedingungen.

Solche Behandlungen sind zweckmäßigerweise langsam wirkend, beispielsweise wenn eine Verbindung, die langsam Säure in Freiheit setzt, in Fasern und Silicat eingemischt wird. Geeignete Verbindungen sind Silicofluoride und hydrolysierbare organische Ester, wie z.3. Äthylacetat. Eine zweckmäßige chemische Behandlung, die rascher verläuft, erfolgt mit Kohlendioxid. Für Ester von anorganischen Säuren: Hydrolyse, insbesondere in Gegenwart einer starken Säure, wie z.B. Salzsäure in einer katalytischen Menge.

Bei der chemischen Behandlung können normale oder erhöhte Temperaturen verwendet werden.

Wenn eine chemische Umwandlung in die nicht-fließfähige Zusammensetzung nicht verwendet wird, dann erfolgt die Behandlung des Packungsmaterials vorzugsweise durch gleichförmige Erhitzung, wie z.B. Mikrowellen-, dielektrische oder Infrarotheizung.

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Um die Form und die Abmessungen des Packungsmaterials wirksamer zu kontrollieren, wird es unter Zusammenpressen geformt, und zwar in äußerst zweckmäßiger Weise während der chemischen Behandlung, um die nicht-fließfähige Zusammensetzung herzustellen, und vor dem Trocknen. Als Resultat des nicht-fließenden Zustande wird eine Wanderung von Flüssigkeit herabgesetzt oder vermieden. Der Grad des Zusammenpressens hängt von einer Ausgewogenheit des Grads der Fluiddichtheit und der für die Produkte erforderlichen dimensioneilen Stabilität und der Notwendigkeit, Risse als Folge von während der Trocknung entwickelten Spannungen zu vermeiden, ab. Das Zusammenpressen auf 50% &eT nominalen Dicke ergibt ein Produkt mit einer weiten Verwendbarkeit. 20 bis 70% können als normaler Bereich angesehen werden. Zwar sind Packungen, die nur mäßig zusammengepreßt worden sind, durchlässig, aber es geht nur wenig Medium hindurch, und zwar auf Grund des labyrinthartigen Wegs, den das Medium durch die Packung einnehmen muß. Nach der chemischen Behandlung unter Zusammenpressen ist das Material für eine Handhabung stark genug. Ein gleichförmiges Erhitzen kann während des Zusammenpressens drchgeführt werden.

Wenn die deformierbaren Elemente faserig sind, so können sie in einer trocken geformten Form, wie z.B. Papier, Tuch, Decken oder Filze, oder in statistischer Form, wie z.B. gemahlene oder geriebene Fasern, verwendet werden, sie werden aber vorzugsweise in Form einer Decke verwendet, die mäßig lange Fasern aufweist. Solche trockengeformte Formen werden bevorzugt, wenn die Packung über einer Fläche aufgebaut werden soll, beispielsweise durch Wickeln um ein einheitliches feuerfestes Inneres direkt oder in Kombination mit Kissen aus Packungsmaterial. Statistische Fasern sind zum Stampfen oder Formen zufriedenstellend, ob sie nun beim Zusammenbau

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eines vollständigen Behälters oder bei der Herstellung von vorfabrizierten Kissen verwendet werden.

Wenn das Packungsmaterial hohen Temperaturen ausgesetzt werden soll, und zwar insbesondere bei hohen Gasgeschwindigkeiten, dann kann es nach dem Formen und Härten noch weiter gehärtet werden, und zwar durch eine zweite Imprägnierung mit einem Bindemittel, Trocknen und Erhitzen. Wenn zusätzlich oder anstelle davon (beispielsweise bei der erfindungsgernäßen Abwandlung) eine stärker feuerfeste Oberfläche erwünscht ist, dann kann ein Belag aus einem Zement, wie er für die Fixierung des Packungsmaterials verwendet wird, auf das feuerfeste Innere angewendet werden. Dies ist nützlich,* wenn die Packung selbst die inneren Wandungen einer Kammer für teilchenförmiges feuerfestes Material darstellt.

Um einen fluiddichten Sitz im Behälter sicherzustellen, kann bei dem Zusammenbauverfahren dafür gesorgt werden, daß der Querschnitt der Behälterwandungen und des geformten Packungsmaterials oder der Querschnitt von zwei Schichten eines Verpackungsmaterials abnimmt, wobei das feuerfeste Innere und das umgebende Packungsmaterial anschließend eingeführt werden. Weiterhin kann das Verfahren auch Einspritzen von Zement in den Raum zwischen das Packungsmaterial und die Behälterwandungen oder zwischen Packungsmaterialschichten umfassen.

Weiterhin kann das Verfahren einen Schritt umfassen, bei dem die Behälterwandungen um das Packungsmaterial zusammengedrückt werden und eine fluiddichte Verbindung, u.U. durch Schweißen, ausgeführt wird. Diese Merkmale des Zusammenbau-

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verfahrene ergeben.sich aus der Behälterstruktur, die bereits beschrieben worden ist.

Es wird bevorzugt, daß das Packungsmaterial an dem feuerfesten Inneren oder an den Behälterwandungen oder an beiden haftet, und zwar insbesondere wenn eine trockene oder mit einem verflüchtigbaren Mittel gebundene Packung bei der Vorfabrizierung von Kissen verwendet wird. Dies kann durch das Bindemittel geschehen, aber es ist besser, einen Klebstoff auf die zusammenzufügenden Oberflächen aufzubringen. Eine geeignete Klebstoffzusammensetzung ist eine Alkalisilicatlösung, die ein fein zerteiltes Füllstoffmaterial enthält, wie z.B. ein Aluminosilicatmaterial oder Bariumsulfat, oder ein Mörtel auf der Basis eines hydraulischen Zements. Wenn die Packung oder das feuerfeste Innere trocken ist, dann besteht die Neigung, daß Wasser aus dem Zement herausgesaugt wird, bevor sich die erforderliche Haftung entwickeln kann, aber die Klebst off zusammensetzung kann so formuliert werden, daß sie einem Wasserverlust widersteht, indem man ein wasserlösliches Polymer einverleibt, wie z.B. alkylierte Zellulose, Alginat, Stärke, Polyvinylalkohol oder Polyacrylat. In ähnlicher Weise kann die Wasseraufnahme der Packung oder des feuerfesten Inneren herabgesetzt werden, wenn ein solches Polymer zumindest auf ihrer Oberfläche vorliegt. Das zugesetzte organische Material kann nötigenfalls durch Oxidation entfernt werden, nachdem der Behälter zusammengebaut worden ist und dient somit als flüchtiger Binder für die Fasern.

Bei der Herstellung irgendeines Behälters gemäß der Erfindung wird das Packungsmaterial einer Verdichtung unterworfen, und zwar vorzugsweise nach dem Binden. Dies m&cht

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es elastischer. Dies kann vor oder während des Einbaus des Materials in den Behälter geschehen. Mit oder ohne eine solche Verdichtung wird das Material vorzugsweise als Teil des Zusammenbauvorgangs in einen Druckzustand gebracht .

Feuerfeste Innere, die in den Behältern gemäß der Erfindung verwendet werden, können irgendwelche Materialien tragen, die für die Verwendung bei der Pluidbehandlung bekannt sind, wie z.B. Übergangsmetalle und ihre Oxide, basische Verbindungen von Alkalimetallen and. Erdalkalimetallen und Kombinationen aus zwei oder mehr derselben. Als Katalysatoren sind Metalle und Oxide aus den Gruppen Ib und VIII des Periodensystems und Oxide aus den Gruppen Va, VIa und VIIa besonders brauchbar für die Abgasbehandlung. Das feuerfeste Innere kann aus ein oder mehreren Monolithen mit niedriger spezifischer Oberfläche (unter 40 m /g) bestehen, welche eine Schicht aus einem Katalysatorträger mit verhältnismäßig hoher Oberfläche tragen, wie z.B. aktives Aluminiumoxid und/oder Erdalkalioxide.

Eine Anzahl bevorzugter Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in den beigefügten Zeichnungen zu sehen. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 in perspektivischer Ansicht einen quadratischen Behälter mit vorfabrizierten Kissen aus einem

Isolierungsmaterial;
Figur 2 in perspektivischer Ansicht einen Behälter mit elliptischem Querschnitt, der eine zweiteilige Schicht aus Packungsmaterial um einen elliptischen keramischen Monolith aufweist;

Figur 3

und 4 in perspektivischer Ansicht bzw. in axialem Schnitt einen elliptischen Behälter mit Bindemitteleinspritzkanälen;

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Figur 5 in. perspektivischer Ansicht bzw. in axialem ^und ° Schnitt einen Behälter mit elliptischem Querschnitt, der einen rechteckigen keramischen Monolith enthält;

Figur 7 in perspektivischer Ansicht einen ähnlichen Behälter wie in Figur 5 und 6, der aber für eine direkte Verbindung mit einem Motorzylinderblock modifiziert ist; und

Figur 8 in perspektivischer Ansicht einen zusammengesetzten Block aus keramischen Monolithen, der durch das Packungsmaterial festgehalten wird.

Die gezeigten Behälter eignen sich für die katalytische Behandlung von Verbrennungsmotorabgasen.

Gemäß Figur 1 ist ein keramischer Monolith 10 bei 12 durch ein geeignetes Bindemittel "Fortafix" (ein wässriges Natriumsilicat mit fein zerteiltem Bariumsulfat als Füllstoff) zwischen den vier festen Kissen 14 aus Packungsmaterial befestigt, welche ihrerseits durch das gleiche Bindemittel bei 16 miteinander verbunden worden sind. Die Bindemittelschichten 12, 1A- sind durch Erhitzen auf 150⁰C gehärtet worden. An den äußeren Oberflächen der Kissen '14- ist eine Schicht 18 aus dem gleichen Bindemittel aufgebracht.worden. Die äußeren Behälterwandungen 20, die aus ferritischem rostfreiem Stahl mit 13% Chrom hergestellt worden sind, werden gerode um die Kissen 14 festgeklammert und durch nicht gezeigte Mittel zusammengehalten. Es ist jedoch sehr einfach, diesen Behälter dicht zusammenzubauen und dabei einen guten Kontakt an den Verbindungsstellen zu erhalten und, sofern nötig, die Packung zusammenzudrücken. Die Kombination aus 10 und 14 mit gegebenenfalls 12 und 18 ist eine UnterZusammenstellung gemäß der Erfindung. Der ganze Behälter oder die Unterzusammenstellung werden bei 150⁰C gebrannt, um das Bindemittel zu härten.

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In Figur 2 besitzt der keramische Monolith 10 einen elliptischen Querschnitt'. Packungsmaterial ist in zwei Hälften durch das an Hand von Figur 1 beschriebene Verfahren geformt worden, wobei aber die Decke in einer Form auf $0% ihrer nominalen Dicke gequetscht worden ist. Der Behälter ist bis zu dem Punkt zusammengebaut, bei dem Bindemittel 12 auf die äußere Oberfläche des Monoliths und die langen Kanten 15 der beiden Hälften des Packungsmaterials aufgebracht wird. Hierauf wird das Packungsmaterial festgehalten, . bis das Bindemittel abgebunden ist, worauf dann weiteres Bindemittel 18 auf die äußere Oberfläche der Packung aufgebracht wird. Die äußeren Wandungen 20 in den beiden halb-elliptischen Hälften sollen gerade um- das Packungsmaterial 14 gepreßt werden. Anschließend werden die Flanche 22 zusammengeschweißt. Die Durchmesser der äußeren Wandungen werden so gewählt, daß ein guter Kontakt an den mit Bindemittel versehenen Verbindungsstellen sichergestellt wird und die Packung zusammengepreßt wird. Die Kombination aus und 14 und möglicherweise 15 oder 18 ist eine Unterzusammenstellung gemäß der Erfindung.

Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Behälter mit einem keramischen Monolith 10, einer Bindemittelschicht 12 und einer Packung 14, die derjenigen von Figur 2 ähnlich ist, die aber in einer äußeren Hülse 20 befestigt ist, die Kanäle 24 aufweist, in welche Bindemittel durch öffnungen 26 eingeführt werden kann.

Ein Behälter, der demjenigen von Figur 3 ähnlich war, aber einen kreisförmigen Querschnitt und keine Einrichtung zum Einspritzen von Bindemittel aufwies, wurde dadurch hergestellt, daß eine kreisförmige feuerfeste

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Matrix, die durch Extrusion einer Cordierit bildenden Zusammensetzung durch eine Düse mit 288 rechtwinklig-

2 dreieckigen Durchgängen je 6,45 cm hergestellt worden war, in einer zylindrischen Reaktorhülse befestigt wurde und sie gleichförmig mit Zirconoxidfasern, die einen Durchmesser unter 1Oy^ aufwiesen und frei von Schrot waren, eingepackt wurde, wobei diese Fasern durch Zerfasern einer viskosen Zusammensetzung aus einem wässrigen Aluminiumsalz und einem organischen Polymer, Trocknen und Kalzinieren hergestellt worden waren. Die Matrix besaß einen Durchmesser von 10 cm und eine Länge

■χ von 13,5 cm. Die Dichte des Packungsmaterials war 0,18 g/cm Der Behälter wurde in den Abgas eines 2' l~Pinto-Vierzylindermotors eingesetzt, der 50 st bei 71O⁰C betrieben wurde. Am Ende dieser Zeit hatte die Matrix keine sichtbare Beschädigung erlitten.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Unterzusammenstellung aus einem keramischen Monolith und einem Packungsmaterial, welche sich für die Verwendung in einem Behälter eignet, der in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigt ist. Der keramische Monolith 10 ist bei 12 zwischen den flachen Innenflächen des Packungsmaterialsblocks 14 einzementiert und liegt in der Ebene der elliptischen Hauptachse. Platten 15 aus Packungsmaterial sind bei 16 einzementiert, um entgegengesetzte Seiten des keramischen Monoliths abzudecken und das in Figur 6 gezeigte Gasströmungoschema zu erzeugen. Für diesen Behälter kann eine äußere Hülse in vier Teilen verwendet werden, um eine Anfangskompression entlang der Hauptachse der Ellipse zu ermöglichen, wenn die Verbindungen 12 hergestellt werden.

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Es ist darauf hinzuweisen, daß die in den Figuren 5 und 6 gezeigte Struktur in äußerst günstiger Weise aus Packungr;-materialkissen aufgebaut wird, die vorher gehärtet worden sind. Da das Packungsmaterial mit heißen, rasch strömenden Gasen in Berührung kommt, trägt es vorzugsweise eine Innonschicht aus einem feuerfesten Zement, wie z.B. eine Schicht in einer Stärke von 0,8 mm aus Natriumsilicatzement, v/elcher inerte Füllstoffe wie pulverisiertes Zircondioxid enthält;, oder aus kalziniertem Silimanitton. Die Schicht kann auch durch Härten der Oberfläche durch ein oder mehrere Behandlungen mit Siliciumdioxid- oder Aluminiumoxidsol und anschließendes Trocknen hergestellt worden sein.

Andere Anordnungen, wie z.B. solche, die einen nicht-axialen keramischen Monolith aufweisen oder die den Eintritt und der». Austritt für das Gas am gleichen Ende besitzen, können ebenfalls verwendet werden.

Figur 7 zeigt eine weitere Abwandlung von Figur 6, bei der der Eintritt des Gases durch Seitenöffnungen 28 erfolgt, die jeweils mit Packungsmaterial ausgekleidet sind, das an Metall Abzweigrohre in der gleichen Weise wie an die Innenseite des Behälters gebunden ist. Die Endplatten (in Figur 5 und 6 mit 15 bezeichnet) werden so aufzementiert, daß sie den oberen Kanal des Hohlraums bedecken.

Figur 8 zeigt 32 keramische Monolithe 10, die bei 12 an 5 dünne parallele Schichten 14 aus dem Packungsmaterial anzementiert sind. Zwischen den keramischen Monolithen ist keine Verbindung in rechten.Winkeln zu diesen Schichten vorgesehen, aber der Abstand der Monolithe liegt in der Größenordnung der Breite der Durchgänge in den Monolithen. Durch diese Anordnung wird die Schwierigkeit der Herstellung großer Monolithe und der Vermeidung von Spannungen an ihnen stark herabgesetzt imo. wird der kleine Betrag der Deformierbarkeit des Packung;;: -

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materials zum Vorteil dazu verwendet, Spannungen auf den kleinen Monolithen herabzusetzen. Für diese Anordnung sollte katalytisches Material auf der Außenseite wie auch auf der Innenseite, der Monolithe angeordnet sein.

Beispiele für anorganisch febundene Faserpaekungen

Die folgenden Beispiele beziehen sich insbesondere auf feste Kissen 14, die bei dem Behälter von Beispiel 1 verwendet werden. Sie können aber auch allgemein auf andere erfindungsgemäße Behälter angewendet werden.

1. Feste Kissen 14 wurden dadurch hergestellt, daß eine "Kerlane"-AluminosilicatT-Industriedecke mit einer nominalen Dichte von 0,096 g/cm und einer nominalenDicke von 25,4- mm in ein gelierendes Silicasol von niedrigem Alkaligehalt ("Nalfloc N1030", welches 30 Gew.-% SiO₂ enthielt) eingetaucht, zwischen mit Silicon beschichteten Stahlplatten auf eine Dicke von 10,2 mm ausgequetscht, unter Druck bis zum Abbinden auf 110 bis 115⁰C erhitzt, von den Stahlplatten entfernt, 1.'st bei 200⁰C gebrannt, auf Größe gesägt und auf eine Dicke von 95% verdichtet wurde. Die Dichte der Kissen war 0,8 g/cm und· ihre thermische Leitfähigkeit war 3,09 Kcal/m².

(Das Silicasol war deshalb gelierend, weil 10 Vol.-% einer Lösung zugegeben worden waren, die 58,5 g/l Zitronensäure und 160 g/l Ammoniumacetat enthielt. Ein solches Gelierungsmittel ist durch die Nalfloc Ltd. in der britischen Patentanmeldung 41846/69 beschrieben.

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2. Zwei Schichten einer Decke aus feuerfesten Fasern ("Fiberfrax H") mit einer Schichtdichte von 25,4 mm wurden speziell leicht aufgerauht und mit ihren aufgerauhten Oberflächen zusammengebracht. Diese Kombination wurde mit einem Silicasol von niedrigem Alkaligehalt ("Nalfloc N1050", welches 50 Gew.-% SiO₂ enthielt) gesättigt, wozu 5 Vol.-% von dem Gelierungsmittel zugegeben worden waren. Hierauf wurde die Kombination auf eine Dicke von 12,7 mm gepreßt und 20 min bei 90 bis 100⁰G in diesem komprimierten Zustand gehalten. Die erhaltene Platte war stark genug, daß sie gehandhabt werden konnte. Sie wurde 2 st bei 110⁰C getrocknet und konnte dann auf Größe gesägt werden.

aus

3. Beispiel 2 wurde wiederholt, wobei eine Schicht |"Ker-

lane F"-Decke und eine Schicht "Fiberchrome"-Decke verwendet wurde. Die erhaltene Platte wurde so verwendet, daß die "Fiberchrome"-Decke mit der Matrix in Berührung kam, und zwar wegen ■ der größeren Wärmebeständigkeit der "Fiberchrome"-Decke.

4. Beispiel 2 wurde wiederholt, wobei eine Schicht aus den Zirconoxidfasern ähnlichen Aluminiumoxidfasern trocken in einem zylindrischen Behälter verwendet wurde, der demjenigen von Beispiel 3 ähnlich war. Die zunächst losen Fasern wurden unter einem Druck von 0,035 kg/cm gepreßt, bevor das Siliciumdioxidsol zugegeben wurde. Die erhaltene Platte besaß eine Dicke von 6,3

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Claims

Patentansprüche

rU Fluidbehandlungsbehälter, der ein feuerfestes Inneres aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Innere durch ein im wesentlichen elastisches, thermisch isolierendes feuerfestes Packungsmaterial gehalten wird, das im wesentlichen homogene Zusammenbauten aus deformierbaren feuerfesten Elementen besitzt, die anorganisch miteinander verbunden sind, wobei die Elastizität, das thermische Isolierungsvermögen und der Sp-.nnungszustand des Packungsmaterials derart sind, daß der Unterschied in der thermischen Expansion zwischen dem feuerfesten Inneren, welches mit dem Fluid in Berührung kommt, und dem Behälter, der sich durch Änderungen der Temperatur ergibt, durch Rückbildung oder weitere Spannung des Packungsmaterials und durch die Temperaturdifferenz, die zwischen dem feuerfesten Inneren und den Behälterwandungen des Materials aufrechterhalten wird, kompensiert wird.
2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste Packung mit dem zu behandelnden Fluid in Berührung kommt und eine feuerfeste Schutzschicht trägt.
3· Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die deformierbaren feuerfesten Elemente Fasern enthalten.

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4·. Behälter nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß das Packungsmaterial Fasern aufweist,
die weitgehend aus Aluminiumoxid und/oder Zirconoxid bestehen und eine Dicke unter 10A aufweisen und weitgehend frei von Schrot sind.
5. Behälter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er . eine äußere Hülse aufweist, deren Querschnitt glatt in dem Bereich abnimmt, der die Unterzusammenstellung aus dem feuerfesten Inneren und dem Packungsmaterial aufnimmt.
6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet,_vdaß die Packung in zwei Schichten vorliegt, die aneinander anliegen und miteinander verzementiert sind.
7. Behälter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen ■ in dem Bereich verdichtbar sind, in dem das feuerfeste Innere und die Packungsmaterialien gehalten werden.
8. Abwandlung eines Behälters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Packungsmaterial der Definition von Anspruch 7 oder Anspruch 8 entspricht und daß kein anorganisches Bindemittel anwesend ist.
9· Verfahren zum Zusammenbau eines Behälters

nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß man deformierbare feuerfeste Elemente in die Packunrcsmaterialformen bringt, die erforderlich sind, den Raum zwischen dem feuerfesten Inneren und der Behälterhülse aufzufüllen, und daß man die Elemente miteinander im wesentlichen homogen miteinander verbindet.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Binden mit Hilfe einer Flüssigkeit erfolgt, die eine kolloidale, oder gelöste anorganische Sauerstoffverbindung enthält, die thermisch in ein feuerfestes Oxid überführbar ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Packungsmaterial unter Druck geformt wird.
12. Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Packungsmaterial der Definition von Anspruch 4 entspricht und trocken oder mit einem flüchtigen Bindemittel geformt . wird.
13. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis δ, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Innere eine feuerfeste Matrix mit einer Vielzahl von Durchgängen umfaßt, die ein Material trägt, das für die Abgasbehandlung von Verbrennungsmotoren katalytisch ist.
14. Verfahren zur Behandlung der Abgase von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator verwendet wird,^ der das feuerfeste Innere eines Behälters nach Anspruch 13 darstellt.

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