專利名稱：利用整體換熱的改進型催化劑結(jié)構(gòu)件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在一系列縱向布置的、相鄰的、涂催化劑或無催化劑的通道中使用整體換熱的催化劑結(jié)構(gòu)件，也涉及在高放熱方法中，如燃燒或部分燃燒方法，使用該催化劑結(jié)構(gòu)件的一種方法。進一步說，本發(fā)明涉及一種使用整體換熱的催化劑結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件的催化和非催化通道在某些關鍵方面互不相同，從而優(yōu)化了催化通道中的放熱反應以及催化與非催化通道間的換熱，同時非催化通道中不希望的放熱反應被抑制。
背景技術：
在現(xiàn)代工業(yè)實踐中眾所周知，氣體或蒸汽反應混合物與非均相催化劑接觸可促進各種高放熱反應進行。某些情況下，這種放熱反應須在有外部冷卻的催化劑結(jié)構(gòu)件或容器中進行，部分是由于傳熱能力不足和反應需要控制在一定溫度范圍內(nèi)。在這些情況下，考慮使用一種整體催化劑結(jié)構(gòu)件是行不通的，這種結(jié)構(gòu)件中，反應混合物的未反應部分為催化反應提供冷卻。因為已有的催化劑結(jié)構(gòu)件不能提供這樣一種環(huán)境，使得希望的反應被優(yōu)化，同時在不希望的反應和催化劑過熱均可避免的條件下。用來反應的混合物通過換熱除去反應熱量。因此，若開發(fā)出的整體催化劑結(jié)構(gòu)件具有改善的反應區(qū)環(huán)境和改善的反應混合物反應部分與未反應部分之間的換熱關系，則此種催化劑結(jié)構(gòu)件用于各種催化放熱反應的適用性將明顯改善。
在整體催化劑結(jié)構(gòu)件目前使用或建議使用的場合，如燃料燃燒或部分燃燒、催化處理燃燒發(fā)動機排放物，也非常需要改善它們的可操作性，拓寬目的催化轉(zhuǎn)化反應能完成的條件。例如，在裝有催化燃燒器的氣體透平用催化燃燒除去氣體透平排放的NOx排放物的情況下，透平的催化系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)件非常需要能適應各種操作情況。氣體透平做為驅(qū)動負載的動力源，應能在一定速度和負載范圍內(nèi)使用，從而達到負載所需的動力輸出。這就是說，燃燒器應可以在一定的空氣和燃料流率范圍內(nèi)使用。若燃燒器系統(tǒng)使用某種催化劑燃燒燃料和限制排放物，則該催化劑系統(tǒng)必須能在寬的空氣流率，燃料/空氣(F/A)和壓力范圍內(nèi)使用。
特別是對發(fā)電透平，由于恒定頻率發(fā)電需要轉(zhuǎn)速恒定，空氣流率在0％到100％載荷范圍內(nèi)應近似不變。但是，燃料流率將改變以適應載荷的需要，所以F/A是變化的。此外，若動力輸出增加，壓力會增加一些。這就是說，催化燃燒器是在寬的F/A范圍，一定的壓力范圍和相對不變的質(zhì)量流率情況下使用。另一方面，不定量的空氣物流可繞過燃燒器或從氣體透平中泄出以減少空氣流率來保持較穩(wěn)定的F/A。這將使催化劑在較窄的F/A范圍和較寬的質(zhì)量流率范圍內(nèi)使用。
進一步說，對變速透平或多級透平，空氣流率和壓力在操作范圍內(nèi)變化很大。這使得總質(zhì)量流率和壓力在燃燒器內(nèi)變化很大。類似于上述發(fā)電透平的情況，空氣可繞過或泄出用以控制F/A范圍，并使燃燒器必須在一定的質(zhì)量流率范圍內(nèi)使用。
如上描述的情況致使催化劑應設計得能在寬質(zhì)量流率范圍，壓力范圍和F/A范圍中使用。
一種從催化燃燒中受益的特別應用是裝在汽車上降低排放物的氣體透平。發(fā)動機啟動后，必須運轉(zhuǎn)于空載到滿載之間，且在該全部范圍排放物應很低。即使復合汽車設計中氣體透平與蓄電單元聯(lián)合運轉(zhuǎn)，如蓄電池、飛輪等，發(fā)動機還是在空載與滿載間運轉(zhuǎn)，并能在兩者間轉(zhuǎn)換，這就要求應在這兩種條件的質(zhì)量流率和壓力情況下均能運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明使用的催化劑結(jié)構(gòu)件包含一系列相鄰布置的、涂催化劑和無催化劑通道以供反應混合物流過，這些催化和非催化通道有共用壁，從而借助整體換熱移走催化劑上產(chǎn)生的反應熱并控制或抑制催化劑的溫度。這就是說，在某一涂催化劑的通道，催化劑產(chǎn)生的熱通過共用壁流到對面的非催化表面，消失在相鄰無催化劑通道內(nèi)的反應混合物流中。本發(fā)明中，催化與非催化通道的結(jié)構(gòu)有一個或多個關鍵方面互不相同，包括流動通道的曲折度。這種不同致使在催化燃燒中，催化和均相燃燒在催化通道內(nèi)加強，在非催化通道內(nèi)未加強或基本上抑制，從而優(yōu)化了熱交換。這種獨特結(jié)構(gòu)的催化劑結(jié)構(gòu)件完全拓寬了催化燃燒和/或部分燃燒中操作參數(shù)的范圍。
在催化促進燃燒或部分燃燒中使用整體換熱催化劑支撐件是眾所周知的，Japanese Kokai 59-136，140(1984年8月4日公開)和Kokai 61-259，013(1986年11月17日公開)公開了使用整體換熱的技術，其中一種是方形載面陶瓷整體催化劑支撐件，支撐件中交替的縱向通道(或?qū)?上沉積有催化劑，另一種是由同心圓柱組成的支撐件結(jié)構(gòu)，支撐件內(nèi)交替的環(huán)狀空間涂有催化劑。在此兩種情況中，公開的催化劑結(jié)構(gòu)件設計是涂催化劑和無催化劑通道的結(jié)構(gòu)與催化和非催化流動通道相同，每種通道基本上是直的并在其全長度上截面積相同。
與兩個Japanese Kokai非常相似的公開專利是Young等人的美國專利4,870,824，該專利使用的整體換熱是在一種蜂窩型支撐件結(jié)構(gòu)，其中涂布和無催化劑通道具有相同的結(jié)構(gòu)，并且基本是直的和沿其全長度上截面積相同。
近來，一系列美國專利，包括美國專利5,183,401；5,232,357；5,248,251；5,250,489和5,259,754授權(quán)給Dalla Betta等人。這些專利描述了在各種燃燒或部分燃燒方法或系統(tǒng)中使用的整體換熱，包括在整體換熱催化劑結(jié)構(gòu)件上進行燃料部分燃燒后再在催化劑后進行完全燃燒的過程。在這些專利中，美國專利5,250,489最接近本發(fā)明，該專利涉及一種金屬催化劑支撐件，該支撐件是由耐高溫金屬制成的，該金屬形成用于通過可燃氣的一系列縱向通道。支撐件內(nèi)，涂催化劑通道催化表面上的熱是由至少部分涂催化劑的通道與無催化劑通道間進行的整體換熱移走。此專利公開的催化劑支撐件的結(jié)構(gòu)包括(圖6A和6B)其中可燃氣通道或孔道是由波紋金屬板的交替的寬、窄波紋形成的，交替的催化和非催化通道的尺寸是變化的，使得在一種情況下80％的氣體流過催化通道，20％的氣體流過非催化通道(圖6A)，另一種情況下20％的氣體流過催化通道而80％的氣體流過非催化通道(圖6B)。利用不同尺寸的通道作為設計規(guī)范，該專利表明借助整體換熱，可燃氣轉(zhuǎn)化成燃燒產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率可達到5％到95％間任何值。雖然該專利公開了利用不同轉(zhuǎn)化率的催化和非催化通道來改變轉(zhuǎn)化率，但它明顯未考慮在催化與非催化通道間利用不同的通道曲折度來優(yōu)化催化通道中的燃燒反應，基本上限制非催化通道中的均相燃燒做為一種手段用來拓寬催化劑結(jié)構(gòu)件能有效操作的工藝條件。
在整體換熱結(jié)構(gòu)件用來進行燃料部分燃燒后再進行催化劑后完全燃燒的情況下，催化劑燃燒部分燃料并產(chǎn)生足夠熱的出口氣來引發(fā)催化劑后的均相燃燒。另外，催化劑不能變得太熱，因為這將縮短催化劑壽命并抑制該方法的優(yōu)點。若改變催化劑使用條件，注意到用以上描述的先有技術的整體換熱結(jié)構(gòu)件，這類催化劑的操作范圍被限制。這就是說，為防止過熱，氣速或質(zhì)量流率僅能處于一定的范圍以內(nèi)。
因此，明顯需要改進使用整體換熱的催化劑結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件能大大拓寬這類催化結(jié)構(gòu)件可用在高放熱過程中(如催化燃燒或部分燃燒)的操作條件范圍或區(qū)域。本發(fā)明是在一種整體換熱結(jié)構(gòu)件中使用了一些關鍵性的不同的催化通道結(jié)構(gòu)和非催化通道結(jié)構(gòu)，從而大大地拓寬了該催化劑的使用范圍。
發(fā)明綜述廣義地講，本發(fā)明提供一種新型的催化劑結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件包括一系列相鄰布置的用于流過反應混合物的涂催化劑和無催化劑通道，這些通道中，至少部分涂催化劑的通道與相鄰的無催化劑通道形成換熱關系，而且涂催化劑的通道比無催化劑通道具有更曲折的流動路徑。為方便起見，本文術語“涂催化劑通道”或“催化通道”在本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件中可涉及單個通道或一組相鄰的通道，且催化劑涂布了它們的至少部分表面。事實上，一個較大的催化通道可被催化劑支撐壁或可滲透和不可滲透的阻擋物劃分成一系列較小的通道，這些阻擋物可能涂布或未涂布催化劑。類似地，“無催化劑通道”或“非催化通道”可以是完全未涂催化劑的單個通道或一組相鄰的通道。這就是說，較大的無催化劑通道可被無催化劑的支撐壁或未涂催化劑的可滲透和不可滲透的阻礙物劃分為一系列較小的通道。據(jù)此，增加涂催化劑通道的曲折度意味著涂催化劑通道被設計成流入該涂催化劑通道的至少一部分反應混合物，當其流過整個通道時，其流動方向比進入無催化劑通道中的任何類似部分反應混合物變化更多。若假設涂催化劑通道進口與出口間的縱軸是直線，增加此通道的曲折度將使反應混合物流動路徑與軸之間的偏差變大，因此沿此種偏差的運動軌跡長于沿軸的運動軌跡。
在實際中，增加涂催化劑通道中流動通道的曲折度可通過對通道作各種結(jié)構(gòu)改進來完成。它包括沿其縱軸周期性地改變通道的方向和/或截面積，同時保持無催化劑通道完全是直線和不變的截面積。較好的，增大涂催化劑通道的曲折度通過改變其截面積來完成，這可通過沿通道縱軸重復地向內(nèi)和向外彎曲通道壁或者在通道縱軸方向的許多地方插入擋極、折流板或其它阻擋物以部分阻擋和/或改變反應混合物在通道中的流動方向。
一個較好的方面，本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件的進一步特征是涂催化劑通道在一個或若干個關鍵結(jié)構(gòu)單元上與無催化劑通道不同，這些單元本身又利用和延伸了增加涂催化劑通道曲折度的概念。具體地說，本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件獨特地使用了一系列至少部分內(nèi)表面涂有催化劑的縱向分布通道，即與相鄰無催化劑通道形成換熱關系的涂催化劑通道，其中(a)涂催化劑通道較無催化劑通道具有較小的平均水力學直徑(Dh)，并且/或；(b)涂催化劑通道較無催化劑通道具有較高的膜傳熱系數(shù)(h)。平均水力學直徑(Dh)被定義為催化劑結(jié)構(gòu)件中某類通道(如涂催化劑通道)的平均截面積乘以4再除以同一結(jié)構(gòu)件，同一類型通道的平均潤濕周長。由此Dh發(fā)現(xiàn)，無催化劑通道最好設計為具有較大的水力學直徑，并且比催化通道受結(jié)構(gòu)的改變影響要小。膜傳熱系數(shù)(h)是一個實驗確定的值。它關聯(lián)和表達了催化劑結(jié)構(gòu)件中涂蓋催化劑通道的平均曲折度與無催化劑通道的平均曲折度之比。
如果除了控制上面所述的平均Dh和/或h，還控制涂催化劑和無催化劑通道之間的傳熱表面積，使得此表面積與總通道的體積之比大于0.5mm-1，則本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件可被進一步優(yōu)化。
本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件裝有適當?shù)拇呋牧咸貏e適用于燃燒或部分燃燒過程，其中氣體或蒸汽形式的燃料通常在催化劑結(jié)構(gòu)件上部分燃燒后，再在催化劑下游完全燃燒。利用本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件比至今已有的先有技術的催化劑結(jié)構(gòu)件(包括使用整體換熱的結(jié)構(gòu)件)在較寬的線速度、氣體進口溫度和壓力范圍內(nèi)可在催化劑通道內(nèi)獲得更加完全的燃燒，同時在非催化劑通道內(nèi)進行最少的燃燒。因此，本發(fā)明包括了一種用于可燃燃料燃燒或部分燃燒的改進型催化劑結(jié)構(gòu)件，也包括了一種使用本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件燃燒可燃燒料和空氣或含氧氣體的混合物的燃燒方法。
附圖的簡要說明

圖1，2，3，3A，3B和3C示意地描繪了先有技術的結(jié)構(gòu)，示出了使用整體換熱催化劑結(jié)構(gòu)件的常見形式。
圖4，5，6，7和8顯示了本發(fā)明結(jié)構(gòu)件的各種結(jié)構(gòu)。
發(fā)明說明當應用于高放熱反應催化過程中，本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件通常是整體型結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種流動的氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑(涂催化劑通道)，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑(無催化劑通道)，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系，和其中涂催化劑通道在結(jié)構(gòu)上與無催化劑通道不同，這導致目的反應在催化劑通道內(nèi)促進而在非催化通道內(nèi)被抑制。當本發(fā)明結(jié)構(gòu)件用于催化燃燒或部分燃燒過程，催化與非催化通道間在設計上的關鍵差異是確保在較寬的線速度，進口氣體溫度和壓力范圍催化通道內(nèi)燃燒更完全而非催化通道內(nèi)僅有最少的燃燒。
本發(fā)明催化結(jié)構(gòu)件的催化與非催化通道間在設計上的關鍵差異基本上是催化通道應設計成由催化通道限定的反應混合物流動路徑比由非催化通道限定的相應的流動路徑有較高或增大的曲折度。此處所用的曲折度的概念被定義為給定部分反應混合物流過在流動方向和/或通道橫截面積有變化的通道流經(jīng)的路徑長度與類似部分的反應混合物流過同樣總長度而在方向或橫截面積均無變化的通道(即橫截面無變化的直通道)流經(jīng)的路徑長度之差。與直線路徑的偏離導致了更長或更大的曲折路徑，并且與直線路徑的偏離越大，流經(jīng)路徑越長。對于本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件，催化與非催化通道間曲折度的差異是通過比較結(jié)構(gòu)件中所有催化通道的平均曲折度與所有非催化通道的平均曲折度確定的。
在本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件中，對涂催化劑的通道可進行許多結(jié)構(gòu)改型以增加其相對于非催化通道的曲折度。具體地說，增大催化通道的曲折度可通過周期性地改變通道的方向，例如，使用鋸齒形或波紋形通道，或借助沿其縱軸方向周期性地向內(nèi)和向外彎曲通道壁或者是在通道縱軸的一系列位置上插入的擋板、折流板或其它阻擋物以部分地阻擋或改變反應混合物流流動方向來重復地改變通道橫截面積。在某些應用中，需要使用方向和截面積的聯(lián)合變化以達到最優(yōu)曲折度差值，但是在所有情況下，非催化通道的曲折度在平均值上小于催化通道的曲折度。
較好地，催化通道曲折度的增大是用通過改變其縱軸上一系列位置的截面積來完成。對催化通道，一種較好地實現(xiàn)改變曲折度的方法(下面將進一步詳細說明)包括使用非嵌套疊置排列的波紋板催化劑支撐件材料。這些波紋板是人字型波紋，并且某一波紋板的一邊的至少一部分面對和疊置在另一個涂有催化劑的波紋板上。因此上述疊置板形成了一系列催化通道。借助以非嵌套方式疊置在一起的波紋板，疊置板形成的通道在縱軸方向交替地擴張和收縮其截面積，這是由人字形波紋片向內(nèi)和向外彎曲形成的波峰和波谷造成的。改變涂催化劑通道截面積的另一種較好的方式包括沿縱軸方向周期性地在通道兩側(cè)交替地放置擋板或折流板，或者在催化通道的流動路徑上使用隔板或其它阻擋物。為避免不必要的經(jīng)過通道的壓力降，放置在通道流動路徑上的阻擋物不應當使通道橫截面積的減少超過其總橫截面積的40％。
如前所述，在本發(fā)明優(yōu)選的催化劑結(jié)構(gòu)件中，涂催化劑通道不同于無催化劑通道是它的平均水力學直徑(Dh)小于無催化劑通道，和/或它的膜傳熱系數(shù)(h)大于無催化劑通道的。更優(yōu)選，涂催化劑通道與無催化劑通道相比既有較低的Dh也有較高的h。
平均水力學直徑在Whitaker，F(xiàn)undamental Principles of HeatTransfer，Krieger Publishing Company(1983)中第296頁，用下列表達式定義Dh＝4[橫截面積/潤濕周長]這樣，對本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件，平均Dh可通過逐一計算每個通道沿其整個長度的平均Dh而求出結(jié)構(gòu)件中所有涂催化劑通道的平均Dh，然后將計算的每個通道的Dh乘以代表該通道前開口面積分率的權(quán)因子，再加和得到涂催化劑通道的平均Dh。按同樣的方法，可確定結(jié)構(gòu)件中無催化劑通道的平均Dh。
如上所述，涂催化劑通道最好比無催化劑通道具有較小的平均Dh能部分地被解釋成涂催化劑通道的表面積與體積比最好高于無催化劑通道的，因為水力學直徑與表面積體積比成反比例關系。進一步說，在本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件中，涂催化劑通道和無催化劑通道的平均Dh差異意味著一般無催化劑通道是更開放的通道，因此，改變其通道直徑對氣體流動的影響比在涂催化劑通道中小。部分是由于涂催化劑通道中表面積與體積比較高。較好地，涂催化劑通道與無催化劑通道的平均Dh的數(shù)值比例，也就是涂催化劑通道的平均Dh除以無催化劑通道的平均Dh是在0.15到0.9之間。更好地，涂催化劑通道與無催化劑通道的平均Dh之比是在0.3到0.8之間。
膜傳熱系數(shù)h是無單位數(shù)值，是通過下列步驟實驗測定的氣體，即空氣或空氣/燃料混合物，在給定入口溫度下，流過一個具有特定通道結(jié)構(gòu)和溫度的適當試驗結(jié)構(gòu)件，并測量出口氣體溫度，h可由實驗測定的數(shù)值用下面的方程式計算。該方程式用路徑增量Δx來描述傳熱(見Whitaker，lbid.第13頁和14頁，方程式1.3-29和1.3-31。
FCp(ΔTgas)＝hA(Twall-Tgas)Δx其中F是氣體流率；Cp是氣體熱容；h是傳熱系數(shù)；A是單位通道長度的壁面積；ΔTgas是經(jīng)過距離增量Δx的氣體物流中的溫升；Twall是位置x處的壁溫度；Tgas是位置x處氣體溫度。
從該實驗結(jié)構(gòu)件的入口到出口積分此方程式可確定膜傳熱系數(shù)h，該系數(shù)給出一個與實驗吻合的計算出口氣體溫度。
在本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件中，因為在催化和非催化通道中的氣體組成、流率、壓力和溫度非常相似，膜傳熱系數(shù)提供了有效表征不同流動形狀的手段，該流動形狀是由各種流動通道結(jié)構(gòu)確定的，該結(jié)構(gòu)可區(qū)別本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件中的涂催化劑通道和無催化劑通道。
因為這些不同的流動形狀本身是又與通道形成的流動路徑的曲折度有關，膜傳熱系數(shù)用于本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件中提供了曲折度的測量方法。本領域技術人員可設計出各種方法測定或確定本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件的h。一種簡便的方法可包括制備一個實驗檢測結(jié)構(gòu)件，例如一個固體厚金屬結(jié)構(gòu)件，通過機械加工其內(nèi)部空間摸擬目的通道的形狀，然后在下列情況下進行測試，其中壁溫可以是從入口到出口間基本恒定或者變化，并沿此結(jié)構(gòu)件中通道長度的若干點上測量壁溫度。對圖1描述的直線通道整體結(jié)構(gòu)件(見下面討論)，試驗結(jié)構(gòu)件可以是一個通道或一組線性排列的通道。對如圖2所示的人字型波紋整體件(也見下面討論)，試驗結(jié)構(gòu)件可以是含有非嵌套人字型結(jié)構(gòu)通道的線性區(qū)域的一部分，這種通道是處在兩個足夠?qū)捯詫⒈谛抵磷畹偷慕饘侔逯g。
通過制備所需要的實驗結(jié)構(gòu)件如上所述的技術可用于本文描述的任何一種結(jié)構(gòu)件。在催化劑結(jié)構(gòu)件是由幾種不同通道結(jié)構(gòu)組分的情況下，每種通道結(jié)構(gòu)可分別測試，并且h(cat)/h(non-cat)數(shù)值比是通過對結(jié)構(gòu)件中每種通道類型的h(乘以表示前開口面積分率的權(quán)因子)求和，然后用催化通道的h和除以非催化通道的h和確定的。
用來表征本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件中涂催化劑和無催化劑通道結(jié)構(gòu)差異的h(cat)/h(non-cat)比值可進一步定義為在h(cat)/h(non-cat)大于1的情況下，涂催化劑通道以平均水力學直徑(Dh)除以無催化劑通道的平均水力學直徑(Dh)的數(shù)值比小于涂催化劑通道的前開口面積除以無催化劑通道的前開口面積的數(shù)值比。此處所用的前開口面積指某給定類型(即催化或非催化)通道在所述催化劑結(jié)構(gòu)件中的平均截面積；該截面積是對通道中反應混合物流開放的區(qū)域，在垂直反應混合物流方向上測量的截面積。引入此種基于前開口面積的數(shù)值比反映出的事實是本發(fā)明涂催化劑通道較無催化劑通道有足夠大的曲折度差值以明顯地區(qū)別于已有技術中使用整體換熱的結(jié)構(gòu)件，在已有技術結(jié)構(gòu)件中，流過催化和非催化通道的流體比值是由使用同樣結(jié)構(gòu)的不同通道大小來控制的。這就是說，在已有技術結(jié)構(gòu)件中，若少于50％的反應混合物流通過催化通道，則催化通道的平均Dh小于非催化通道的，并且h(cat)/h(non-cat)的比值超過1。通過引入催化通道平均Dh除以非催化通道平均Dh的比值必須小于催化通道前開口面積除以非催化通道前開口面積的比值這一概念，這樣本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件能明顯區(qū)別于已有技術結(jié)構(gòu)件。
另一方面，本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件區(qū)別于已有技術結(jié)構(gòu)件的特征是使用了高于已有技術的催化與非催化通道間的傳熱膜系數(shù)(h)比，已有技術結(jié)構(gòu)件是指使用大小不同而結(jié)構(gòu)相同的催化和非催化通道的結(jié)構(gòu)件。在已有技術直線通道結(jié)構(gòu)件中，催化通道占有20％的前開口面積，非催化通道占有80％的前開口面積，催化通道的傳熱系數(shù)是非催化通道的1.5倍左右。本發(fā)明結(jié)構(gòu)件中，催化通道的傳熱系數(shù)與非催化通道的傳熱系數(shù)比值遠遠大于1.5倍。更確切地說，對于在催化和非催化通道間有各種反應物流動分布情況的催化劑結(jié)構(gòu)件，下表定義了本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件。
在任何情況中，若h(cat)/h(non-cat)的比值大于1，這就意味著，涂催化劑通道的h大于無催化劑通道的，則此催化劑結(jié)構(gòu)件在本發(fā)明范圍內(nèi)。較好地，本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件的h(cat)/h(non-cat)比值在1.1到7之間，更好地，此比值在1.3到4之間。
如前所述，若涂催化劑和無催化劑孔道被設計成涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積除以催化劑結(jié)構(gòu)件中全部通道體積大于0.5mm-1，本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件的性能可進一步被優(yōu)化。較好地，在本發(fā)明結(jié)構(gòu)件中，催化通道和非催化通道之間的傳熱面積除以催化劑結(jié)構(gòu)件總通道體積的比值R是在0.5mm-1到2mm-1之間，更好地，R值在0.5mm-1到1.5mm-1之間。利用傳熱表面對總體積的高比值R，優(yōu)化了從通道壁上催化劑一邊到非催化一邊并擴散到流動反應混合物中的傳熱。由于利用整體換熱優(yōu)化了催化劑表面上的散熱，此催化劑可在更苛可的條件下使用，并且不會引起催化劑過熱。因為它擴展了催化劑使用情況的范圍，因此它是有益的。
本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件可被設計成在催化和非催化通道間有寬反應混合物物流分布的情況下使用。通過控制催化劑結(jié)構(gòu)件中催化通道與非催化通道的大小和數(shù)量，依據(jù)催化反應的放熱特征和目的轉(zhuǎn)化率范圍，10％到90％的總物流可被導入催化通道。較好地，在高放熱過程中，像燃料燃燒或部分燃燒，流過催化劑結(jié)構(gòu)件反應混合物物流的比值被控制在35％到70％的物流量通過催化通道，更好地控制50％的物流量通過催化劑結(jié)構(gòu)件的催化通道。在本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件僅用催化通道的平均Dh小于非催化通道來表征，反應混合物物流分布被控制在催化通道的前開口面積為總前開口面積的20％到80％，同時催化和非催化通道的結(jié)構(gòu)滿足催化通道與非催化通道平均Dh的比值小于催化通道與非催化通道前開口面積的比值。如上所述，前開口面積指某給定類型(即催化或非催化)通道在所述催化劑結(jié)構(gòu)件中的平均截面積。該截面積是對通道中反應混合物流開放的，在反應混合物流垂直方向測量的截面積。
對僅由催化通道的h大于非催化通道表征的本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件。當催化通道在該結(jié)構(gòu)件中占有20％到80％的總前開口面積時，h(cat)/h(non-cat)的比值應大于1.5。優(yōu)選的此類型結(jié)構(gòu)件的h(cat)/h(non-cat)的比值在1.5到7之間。
在一個優(yōu)選的方面，本發(fā)明涉及專用于燃料的催化燃燒或部分燃燒的催化劑結(jié)構(gòu)件。這些催化劑結(jié)構(gòu)件的典型特性是整體性且包括許多由耐熱支撐材料構(gòu)成的共用壁，這些共用壁形成了一系列相鄰布置的縱向通道以供可燃混合物，如與含氧氣體(像空氣)混合形成的氣體或蒸汽燃料流通。相鄰布置的通道被設計成至少部分通道的至少部分內(nèi)表面涂有適合氧化可燃混合物的催化劑，即涂催化劑通道，而其余通道未涂催化劑，即無催化劑通道，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰無催化通道的內(nèi)表面是換熱關系。在本發(fā)明這個優(yōu)選的方面，上述的催化劑結(jié)構(gòu)件的特征在于涂催化劑通道或催化通道與無催化劑通道或非催化通道在結(jié)構(gòu)上有一個或多個如上描述的關鍵方面互不相同，因此目的燃燒或氧化反應在催化通道內(nèi)被促進而在非催化通道內(nèi)基本上被抑制。其它控制反應的因素與強化傳熱聯(lián)合將使催化燃燒過程適用于更寬的操作參數(shù)范圍，如線速度，入口氣體溫度和壓力。
在本發(fā)明這個優(yōu)選方面，催化劑結(jié)構(gòu)件是一種在陶瓷或金屬整材上的鉑族金屬基催化劑。該整材支撐件的安裝使得催化和非催化通道從支撐件一端縱向延伸到另一端，這樣可使可燃氣從一端通過整個通道長度流到另一端。至少部分內(nèi)表面涂催化劑的催化通道無需涂布其全長。未涂催化劑的通道或非催化通道的內(nèi)壁上沒有催化劑或僅有無活性或者極低活性的涂層在其壁上。
適宜用于催化劑結(jié)構(gòu)件中的支撐件材料可以是常見耐熱、惰性材料，如陶瓷，耐熱無機氧化物，金屬互化物，碳化物，氮化物或金屬材料。優(yōu)選的支撐件是耐高溫金屬互化物或金屬材料。這些材料是有強度且可延展的，易于安裝和聯(lián)接而形成結(jié)構(gòu)件以及由于它們比陶瓷材料更易制成較薄的壁而使單位截面積可提供更大的流動空間。優(yōu)選的金屬互化材料包括金屬鋁化物，如鎳鋁化物和鈦鋁化物，而適宜的金屬支撐件材料包括鋁，耐高溫合金、不銹鋼，含鋁鋼和含鋁合金。耐高溫合金可以是鎳或鈷合金或其它可用于高溫的合金。若使用耐熱無機氧化物作為支撐件材料，適宜的選擇可以是氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯和這些材料的混合物。
優(yōu)選的材料是含鋁鋼，例如下面專利中公開的材料，Aggen等人的美國專利4,414,023，Chapman等人的美國專利4,331,631，和Cairns等人的美國專利3,969,082。這些鋼和出售的其他鋼Kawasaki steel Corporation(River Lite 2-5-SR)，VereinigteDeutchse Metallwerke AG(Alumchrom I RE)和Allegheny LudiumSteel(Alfa-V)含有足夠的溶解鋁以致于當氧化時，鋁形成了氧化鋁晶須，晶體或鋼表面上的膜層，它們提供了一種粗糙的和有化學反應活性的表面以更好地粘連催化劑或催化劑基層。
對于本發(fā)明優(yōu)選方面的催化劑結(jié)構(gòu)件，可用通常的技術加工金屬或金屬互化物支撐件材料，以形成蜂窩結(jié)構(gòu)、波紋板的螺旋卷或疊置型結(jié)構(gòu)，用平板或其它結(jié)構(gòu)的板形成內(nèi)層壓結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)和其它形式的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相鄰縱向通道，這些通道是按照前述設計標準設計成的流動通道。若使用金屬互化物或金屬薄板或波紋板，則僅在薄板或板的一邊涂催化劑，或者在某些情況下依據(jù)設計催化劑結(jié)構(gòu)的要求不在板或薄板上涂催化劑。僅對板或薄板的一邊涂催化劑然后制造催化劑結(jié)構(gòu)件是利用了整體換熱的概念，這將使催化劑上產(chǎn)生的熱流過結(jié)構(gòu)件壁并與在相對一邊非催化壁上流動的氣體接觸，從而促進熱量移出催化劑并保持催化劑溫度低于完全絕熱反應溫度，在此，絕熱燃燒溫度是指完全反應且氣體混合物無熱量損失時氣體混合物的溫度。
在許多情況下，對用于燃燒過程的催化劑結(jié)構(gòu)件，在沉積催化劑之前，在支撐件壁上涂一個基層是有用的，并能改善催化劑的穩(wěn)定性和性能。涂布這種基層可使用本領域描述的方法，例如，涂布γ-氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氧化鈦材料(較好為溶膠)或含下列物質(zhì)的至少二種氧化物的混合溶膠鋁、硅、鈦、鋯和添加劑如鋇、鈰、鑭、鉻或各種其他組分。為更好地粘附基層，可在支撐件壁上涂含有水合氧化物如Chapman等人在美國專利4,729,782中描述的假一水軟鋁氧化鋁稀釋懸浮液的底涂層。涂底涂層的表面可先涂布γ-氧化鋁懸浮液，再干燥，然后熔燒以在金屬表面產(chǎn)生高表面積附著氧化膜。然而，最好使用氧化鋯溶膠或懸浮液做為基層。其它耐火氧化物，如氧化硅和氧化鈦也是適用的。對一些鉑族金屬如鉑，最優(yōu)選的是氧化鋯/氧化硅混合溶膠，其中兩者在涂到支撐件上前混合。
可用與涂漆到表面上相同的方式涂布基層，例如，噴涂，直接涂或?qū)⒅渭牖鶎游镔|(zhì)中等方法。
鋁結(jié)構(gòu)件也適宜用于本發(fā)明，并且基本上可用同樣的方式進行處理或涂布。鋁合金有些過于可塑，并且在本方法的應用溫度范圍內(nèi)可能變型或甚至熔化。因此，它很少用作支撐件，但若溫度條件適宜便可使用。
對含鋁鐵類金屬，金屬板可在空氣中進行熱處理，從而導致其表面生長晶須。此種晶須可增大后續(xù)膜的附著力或增加了催化劑直接涂布的表面積。隨后，在此金屬板上噴涂氧化鋁、氧化硅、氧化鋯、氧化鈦和一種耐熱金屬氧化物懸浮液或一種或幾種氧化硅、氧化鋯、氧化鈦或耐熱金屬氧化物材料而形成的混合物，并經(jīng)干燥和熔燒形成了一種具有高表面積的基層。然后，按同樣方式在基層上涂催化劑，即通過向金屬板的基層上噴涂、浸涂或涂抹催化組分的溶液、懸浮液或混合物。
催化劑物質(zhì)也可以混合在基層物質(zhì)中并涂布在支撐件上，從而部分地省略了另外加入催化劑的步驟。
在催化燃燒應用中，當相當大部分燃燒是在氣體離開催化劑后進行時，催化劑結(jié)構(gòu)件可制做成滿足離開催化劑的氣體溫度不高于1000℃，優(yōu)選在700℃到950℃之間。該優(yōu)選的溫度取決于燃料、壓力和特定的燃燒器設計。催化劑可在催化材料上含有一種非催化擴散阻擋層，如美國專利5,232,357中所述。
復合物即催化劑結(jié)構(gòu)件中催化金屬含量一般很少，例如，0.01％到15％(重量)，優(yōu)選0.01％到10％(重量)。雖然許多氧化催化劑在這種應用中是適宜的，但VIII族貴金屬或鉑族金屬(鈀、釕、銠、鉑、鋨和銥)是優(yōu)選的。更好地是鈀(由于其自我限制燃燒溫度的能力)和鉑。這些金屬可單獨或混合使用。鈀和鉑的混合物是符合需要的，這是因為它們生成的催化劑具有鈀的限制溫度能力，雖然限制溫度值不同；并且該混合物很少因與燃料中雜質(zhì)反應或者與催化劑支撐件反應而失活。
可通過各種不同的方法使用貴金屬配合物、化合物或金屬分散體在本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件的支撐件上加入鉑族金屬或元素。這些化合物或配合物是烴類可溶解的水溶液。金屬可從溶液中析出。一般地，利用蒸發(fā)或分解可將載液從催化劑載體中除去，同時將金屬以分散的形式留在支撐件上。
適宜的鉑族金屬化合物是氯鉑酸、鉀鉑氯化物、硫氰酸鉑銨、氫氧化四銨鉑，鉑族金屬氯化物、氧化物、硫化物、硝酸鹽、氯化四銨鉑、亞硝酸鉑銨、氯化四銨鈀，氯化銠和氯化六胺銥。當制備本發(fā)明催化劑時，若需用金屬混合物，它們可以是水溶解形式，例如像氫氧化胺或像氯鉑酸和硝酸鈀的形式。在催化劑組合物中，鉑族金屬可以元素或化合形式如氧化物或硫化物存在。在后續(xù)處理中，如焙燒或使用時，基本上全部鉑族金屬都轉(zhuǎn)化成元素形式。
此外，在催化劑結(jié)構(gòu)件中首先接觸可燃氣體的部分放置更高活性的催化劑，較好地是鈀，催化劑將更被“激活”(light off)且在結(jié)構(gòu)件的后來區(qū)域不產(chǎn)生“熱點”(hot spots)。由于在引導位置施用較多的催化劑和具有較大的表面積或其它措施，引導位置的活性較高。
在催化燃燒應用中，本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件的尺寸和結(jié)構(gòu)應滿足氣體通過催化劑結(jié)構(gòu)件中縱向通道的平均線速度在整個催化結(jié)構(gòu)中大于0.2m/second，但不超過80m/second。此下限大于甲烷在350℃空氣中火焰前部速度而上限是目前可獲得的商業(yè)支撐件的實際值。這些平均速度對不是甲烷的燃料而言稍有不同。低速燃燒的燃料允許使用較小的最小和最大線速度。
依據(jù)反應混合物的特性，在催化劑結(jié)構(gòu)件中使用的通道平均尺寸變化很大。對催化燃燒，適宜的催化劑結(jié)構(gòu)件每平方英寸含有50到600個通道。較好地，催化劑結(jié)構(gòu)件每平方英寸含有150到450個通道。
使用本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件的本發(fā)明催化燃燒方法可適用于各種燃料且可在很寬的工藝條件下操作。
雖然通常的氣體烴類，即甲烷、乙烷和丙烷是本方法的最好燃料源，大多數(shù)在如下討論的工藝溫度下能氣化的燃料都是可適用的，例如，在室溫和常壓下是氣體或液體的燃料。實例包括了上述低分子量烴類和丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、汽油，芳香烴類，如苯、甲苯、乙基苯、二甲苯、石腦油、柴油機燃料、煤油、噴氣燃料，其它中等餾分、重質(zhì)餾分燃料(較好為氫化處理除去含氮和含硫化合物)，含氧燃料，如醇類，包括甲醇、乙醇、異丁醇、丁醇或其它醇，醚類，如二乙基醚，乙基苯基醚，MTBE等。低BTU氣，如家用煤氣或合成氣，也可用做燃料。
通常，燃料以一定量混合在燃燒空氣中，該量應能產(chǎn)生的混合物具有理論絕熱燃燒溫度Tad大于用于本發(fā)明方法中催化劑的溫度或催化劑中氣相溫度。優(yōu)選此絕熱燃燒溫度高于900℃，最優(yōu)選高于1000℃。非氣體燃料應在它們接觸初始催化劑區(qū)以前被汽化。燃燒空氣可被壓縮到500psig或更高的壓力。固定氣體透平常運轉(zhuǎn)在150psig壓力附近。
本發(fā)明方法可在使用本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件的單個催化反應區(qū)域或使用專為每個催化階段設計的催化劑結(jié)構(gòu)件的多個催化反應區(qū)，通常是2或3進行。在大多數(shù)情況下，催化反應區(qū)后跟著一個均相燃燒區(qū)，在這里離開前面催化燃燒區(qū)的氣體在非催化、無火焰的條件下燃燒以提供氣體透平所需要的較高的氣體溫度，例如1000到1500℃范圍內(nèi)的溫度。
均相燃燒區(qū)的尺寸應設計成實現(xiàn)完全燃燒并將一氧化碳減少到期望的濃度。催化劑后反應區(qū)的氣體停留時間是2到100ms，較好地是10到50ms。
現(xiàn)在參見附圖，圖1和2描述了二個常規(guī)的使用整體換熱催化劑結(jié)構(gòu)件的重復單元端視圖。所示的重復單元在完整的催化劑結(jié)構(gòu)件中將以疊置或?qū)訅籂钚问匠霈F(xiàn)。圖1中，支撐件由二個金屬板或帶組成。一個(10)具有起伏的或波紋的結(jié)構(gòu)形式，另一個(12)是平板。波紋形成的波峰和波谷沿縱向擴展跨過板的寬度，并且上下兩側(cè)的波紋板堆靠在平板上以形成直線縱向通道(14和16)，該通道擴展跨過疊置或堆靠板的寬度。此處所示的起伏或正弦波紋形式僅為示意。此波紋可是正弦的、三角的或其它常規(guī)形式。起伏板(10)底部和平板(12)頂部涂催化劑或基層加催化劑(18)，從而當各板按所示疊置在一起時，涂催化劑通道(14)和無催化劑通道(16)是整體換熱關系。如上指出，所形成的催化通道(14)和非催化通道(16)基本上是直線和不變橫截面積的。此結(jié)構(gòu)件提供的催化和非催化通道中，催化通道與非催化通道的平均Dh的比值為1，并且h(cat)/h(non-cat)比值也是1。
圖2所示重復單元包括二個具有人字型波紋、沿縱向擴展跨過板長的波紋金屬板(20和22)。一個波紋板(22)在其頂部一測涂有催化劑，另一個波紋板底部一測涂有催化劑，以致于當這些板以非嵌套疊置在一起時，涂催化劑通道(26)與無催化劑通道(28)形成了整體換熱。
圖3進一步顯示了人字型波紋形式金屬板的細節(jié)。這種板適宜用在以上圖2所示的結(jié)構(gòu)件中或者當人字波紋是用于將曲折度引入催化通道時，它也可適用于本發(fā)明結(jié)構(gòu)件中。從圖3示意的側(cè)視圖、頂視圖和俯視圖中可見，該板是起伏的以產(chǎn)生波峰(30)和波谷(32)，它們沿板寬度形成了人字形式。圖2和3所示三角波紋形式僅為示意。此波紋可是三角形的，正弦形的或其它本領域可預見的波紋形式。
圖2所示的波紋板的非嵌套性質(zhì)和人字型波紋的效果以及催化和非催化通道沿其長度上各點的形狀在圖3A、3B和3C中進一步說明。這些圖顯示了重復單元端視圖(圖3A，它與圖2一樣)的截面圖，也顯示了通道縱軸增量點的截面圖(圖3B和3C)，在這里疊置人字型波紋的方向取向差異引起每塊板上波紋形成的波峰和波谷的位置相對于該重復單元中直接在該板上下兩側(cè)的波紋的波峰和波谷的位置發(fā)生變化。在圖3A中，催化通道(26)和非催化通道(28)具有重復的V形截面積，圖3B中，由相鄰人字型波紋的波峰和波谷的取向不同而引起的通道壁取向的變化導致通道(26和28)是方形橫截面。最后，在圖3C中，在某給定板人字波紋形成的波峰和波谷分別直接與相鄰上下板的波谷和波峰接觸，這就是說，相鄰板上的人字波紋跨在另一板上，催化通道(26)和非催化通道(28)具有鉆石形的橫截面。當然，這種通道截面形狀變化的模式將反復重復直到非嵌套人字波紋限定的通道全長度。在這種情況下，即使非嵌套人字波紋導致通道沿其長度有一個變化的截面積，催化和非催化通道沿其長度顯示了相同的變化。因此，圖2所示結(jié)構(gòu)件提供的催化和非催化通道中，催化通道的平均Dh等于非催化通道的平均Dh，并且h(cat)/h(non-cat)比值是1。
圖4顯示了本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件重復單元的端視圖，其中一系列各種結(jié)構(gòu)的金屬板疊置在一起并使催化通道在結(jié)構(gòu)上與非催化通道不同。重復單元包括二個平板(40)的組合，一個形成直線通道的直線波紋板(42)和二個有人字波紋的波紋板(44)。利用選擇性地在二平板的一側(cè)和波紋板之一的一側(cè)涂催化劑，從而形成了催化通道(46)和非催化通道(48)。從圖中可見，非催化通道是通過將二個直線通道板平板疊置形成以提供開放通道。相反，催化通道是在兩個平板間非嵌套疊置人字波紋薄板或板形成的，從而使通道具有曲折的流動路徑并有一個較小的Dh。具有下列實施例2給出尺寸的本結(jié)構(gòu)件提供了催化通道與非催化通道的平均Dh之比值是0.66，且h(cat)/h(non-cat)比值是2.53的催化和非催化通道。在這種情況下，催化通道與非催化通道間的傳熱面積除以結(jié)構(gòu)件中總體積的比值0.30mm-1。
圖5描繪了本發(fā)明優(yōu)選的催化劑結(jié)構(gòu)件重復單元的端視圖，重復單元疊置形成催化劑結(jié)構(gòu)件。該重復單元由三種不同類型的波紋金屬板組成(52，54a和54b)。第一種類型的波紋板(52)基本上是一個平板，平板延伸的平坦區(qū)域周期性地被尖波峰的波紋隔斷，并且該波紋直線跨過平板形成了直線波紋。第二種類型的波紋板(54a和54b)由一系列人字型波紋組成。在所示重復單元中，兩個人字波紋板以非嵌套形式疊置在具有寬的平板區(qū)域的被尖波峰波紋分開的平板頂部。此外，第二塊有尖峰波紋的平板疊置在以非嵌套波紋人字型疊置的在一起的上部的波紋板的頂部。催化劑(56)涂在每個有尖波峰波紋板底部和下面人字形波紋板的頂部，從而形成了具有小水力學直徑和曲折流動通道的催化通道(58a和58b)和基本上是直線波紋的、更大、更開放的非催化通道(60)。若該催化劑結(jié)構(gòu)件制做成實施例3中給定尺寸的結(jié)構(gòu)件，則催化通道與非催化通道的平均Dh的比值是0.41，同時h(cat)/h(non-cat)比值是1.36。進一步說，催化和非催化通道間傳熱面積除以實施例3給定尺寸結(jié)構(gòu)件中的總通道體積的比值是0.74。
圖5所示的優(yōu)選的催化劑結(jié)構(gòu)件很容易通過在二個具有尖波峰波紋平板間插入其它人字形波紋的波紋板改型以增加催化通道的數(shù)量和曲折度。若在此重復單元中插入另外的波紋板(將圖中所示兩塊板以非嵌套形式疊置)，依據(jù)催化劑結(jié)構(gòu)件的要求可涂其中一塊板的一邊或不涂。
圖6顯示了另一種本發(fā)明結(jié)構(gòu)件重復單元的進口端視圖。如圖所示，支撐件由二個基本平的金屬板(62)其中水平平坦區(qū)域被豎板周期性地隔開以形成大的、開放的區(qū)域和在二個基本平的板之間以非嵌套形式疊置的三個人字波紋金屬波紋板(64，66，68)制成。這三個波紋板波紋程度不同，也就是單位寬度的波紋數(shù)目不同，在頂部和中部的波紋板(64和66)波紋程度大于底部的波紋板(68)。催化劑(70)涂在二個基本為平板(62)底部，頂部波紋板(64)的底部，底部波紋板(68)的頂部。從而產(chǎn)生了基本為直線結(jié)構(gòu)的、大的、開放的非催化通道(72)和具有很小平均Dh及曲折流動路徑結(jié)構(gòu)的三個催化通道(74，76和78)。此結(jié)構(gòu)件中，板(62)的高是1.6mm，平坦區(qū)域為3.3mm；板(68)的高是0.41mm，波峰到波峰的間隔是0.66mm；板(66)的高是0.69mm，波峰到波峰的間隔是0.31mm；催化通道與非催化通道的平均Dh的比值是1.5而且h(cat)/h(non-cat)比值是2.72。在這情況下，催化通道和非催化通道間的換熱面積除以結(jié)構(gòu)件中全部通道體積的比值是0.91mm-1。
依據(jù)前述設計規(guī)范，本領域技術人員可制做本發(fā)明范圍內(nèi)的各種催化劑結(jié)構(gòu)件。其它可能的結(jié)構(gòu)件可見圖7，圖8，其中示出的重復單元的端視圖。圖7中，人字形波紋的金屬波紋板(80和82)以非嵌套形式疊置在波紋板(84)之間，波紋板(84)具有在整板長度上沿縱向直線方向擴展的波峰和波谷。催化劑(86)涂在頂部波紋板(80)的底部和底部波紋板(82)頂部，從而使小平均Dh和大曲折度的催化通道(88)與較大的、更開放的基本直線流動路徑的非催化通道(90)之間形成整體換熱關系。
圖8中，三個人字波紋型的金屬波紋板(92.94和96)以非嵌套形式疊置在與圖7結(jié)構(gòu)件所用波紋板結(jié)構(gòu)相似的直線通道金屬波紋板之間。催化劑(100)涂在頂部波紋板(92)的底部和底部波紋板(96)的頂部，從而使具有小平均Dh和曲折度的涂催化劑通道(102)與較大的、開放的基本直線流動路徑的無催化劑通道(104)之間形成整體換熱關系。
實施例如下實施例通過與常規(guī)使用整體換熱的催化劑比較證明使用本發(fā)明催化劑結(jié)構(gòu)件取得的進步。
實施例1利用圖2所示常規(guī)催化劑結(jié)構(gòu)件，按如下方法制備催化劑并在汽油型燃料的燃燒中測試該催化劑。
首先將20.8g原硅酸四乙基酯與4.57cc的2mM硝酸以及12.7g乙醇混合后制備SiO2/ZrO2粉末。將此混合物加到比表面積為100m2/gm的100g氧化鋯粉末中。此制得固體物在密封玻璃容器中陳化一天并干燥。一部分在1000℃空氣中焙燒，另一部分在1000℃空氣中焙燒。
將152g，1000℃下焙燒的SiO2/ZrO2粉末與15.2g，500℃下焙燒的SiO2/ZrO2粉以及3.93g，98％的H2SO4和310cc的蒸餾水混合制備溶膠。用ZrO2研磨劑研磨此混合物8小時以制作SiO2/ZrO2粉溶膠。
將76mm寬的Fe/Cr/Al合金(Fe/20％Cr/5％Al)板帶按人字型制成波紋狀以形成1.20mm高的波紋和波峰到波峰2mm的間隔，并且人字型有20mm長的通道和6°的通道角，從而形成了每平方英寸有185穴的整體結(jié)構(gòu)件。該板在900℃空氣中熱處理以形成粗糙的氧化物覆蓋表面。
將SiO2/ZrO2溶膠噴涂在人字型波紋板的一側(cè)并達到40微米厚，并且在950℃空氣中焙燒該涂布板。Pd(NH3)2(NO2)2和Pt(NH3)2(NO2)2溶解在水和過量硝酸中以形成含有0.1g Pd/ml和Pd/Pt比值是6的溶液；將此溶液噴涂在涂SiO2/ZrO2的波紋上，最終形成的Pd載量為0.25g Pd/g.SiO2/ZrO2，然后在950℃空氣中焙燒。
對面折疊一條上述板使其有催化劑的一面面對著自己，卷此結(jié)構(gòu)件以形成直徑50mm的螺旋整體結(jié)構(gòu)件。催化劑(卷成50mm直徑的螺旋卷結(jié)構(gòu)件)放入上述測試設備中。安置熱電偶用以測量基質(zhì)溫度和催化劑下游氣體溫度。此外，水冷氣體樣品探頭被安置在反應器中用以測量催化劑下游25cm處氣體物流的組成。
測試程序如下1.設定空氣流率與氣體透平空載情況一致。
2.設定空氣溫度值在氣體透平空載循環(huán)時空氣溫度的范圍內(nèi)。
3.增大燃料流率直到絕熱燃燒溫度為1200℃。
4.增加空氣溫度以找到由催化劑過熱決定的催化劑使用上限。在該測試過程中，催化劑使用溫度上限是1050℃基質(zhì)溫度。
5.類似地，減小空氣溫度直到找到催化劑使用下限溫度，該溫度是由排放物增加到超過規(guī)定值來決定的。在本測試過程中，當CO排放物在催化劑后25cm處超過5ppm(體積，干)時，入口氣體溫度作為下限溫度。
6.在氣體透平滿載運轉(zhuǎn)的通?？諝饬髁肯?，重復步驟1到5。
Indolene Clear規(guī)格汽油做為燃料。這是符合排放物標準的標準常規(guī)無鉛氣油。燃料通過噴嘴被注入到加熱空氣的主體流動物流中并在經(jīng)過靜態(tài)混合器前汽化以在催化劑進口形成均勻的燃料/空氣混合物。燃料和空氣物流被連續(xù)地實時測量，并且由自動反饋系統(tǒng)控制。
此催化劑結(jié)構(gòu)件的測試結(jié)果和檢試所用條件如下表1所示表1
總結(jié)空載條件下，入口溫度在230到400℃范圍內(nèi)，催化劑在等價于絕熱燃燒溫度1150℃的F/A比值下操作。在Tad為1200℃下，入口溫度范圍縮小到220～260℃，在1250℃下，催化劑不過熱將不能操作。
滿載條件下，催化劑系統(tǒng)在540到＞620℃，Tad是1200℃和420到570℃，Tad是1300℃的使用范圍內(nèi)均使用得相當好。
此催化劑系統(tǒng)在空載下不具有寬的操作范圍，并且不能用于必須從空載到滿載情況下使用的透平，除非燃料/空氣比值被控制在很窄的范圍內(nèi)。
實施例2
為將低空氣流率下非催化通道中燃料的燃燒降到最低，用與實施例1中同樣的燃料評價圖4所示的催化劑結(jié)構(gòu)件。直線波紋通道具有1.65mm高的波紋和波峰到波峰間隔3.90mm的近似三角形狀。人字型波紋板與實施例1中描述的類似，不同之處在于兩塊板高分別是0.76mm和0.91mm，波峰到波峰間隔分別是1.84和2.45。催化涂層(Pd-Pt/SiO2/ZrO2)的制備和涂布實施例1中所述。用實施例1中描述的同樣方法測試此催化劑結(jié)構(gòu)件的性能，結(jié)果見表2表2
總結(jié)空載下此結(jié)構(gòu)件比實施例1中的結(jié)構(gòu)件性能好得多。在很低的空氣流率下，催化劑基質(zhì)不易過熱。然而，滿載下的操作范圍下降，并且此結(jié)構(gòu)件不能提供優(yōu)化性能所需的在1200和1300℃Tad下的入口溫度操作范圍。明顯地，使用開放的、大的非催化通道使催化劑在非常低質(zhì)量流速下能更好操作，但是，此特定設計有些抑制催化通道和非催化通道之間的換熱。這導致在高質(zhì)量流率下離開催化劑的出口氣體溫度低和在滿載條件下不能獲得優(yōu)化性能。
實施例3圖5的催化劑結(jié)構(gòu)件用實施例1中描述的方法來制備和測試。在測試用催化劑結(jié)構(gòu)件中，人字型波紋板與實施例1中描述的類似，除了兩個人字波紋板的高分別為0.76mm和1.2mm，間隔分別為1.84和2.90，chevron角為6°，和直線峰形波紋板高1.63mm，波峰到波峰間隔4.52mm，平坦區(qū)域長度為3.7mm。催化劑是按實施例1制備的Pd-Pt/SiO2/ZrO2，并且按圖5所示涂布。用Indolene Clear汽油進行實驗，測試范圍條件和結(jié)果在如下表3中顯示表3
總結(jié)該催化劑結(jié)構(gòu)件在空載和滿載條件下均有非常寬的操作范圍?？蛰d時，此催化劑可在入口溫度160℃，1200℃Tad條件下和210℃1300℃Tad條件的范圍內(nèi)使用。滿載時，此范圍是＞50℃，1200℃Tad條件。這些操作范圍是充分的Tad和在1200℃Tad下＞50℃，在1300℃Tad＞150℃。這些操作范圍足以使該催化劑結(jié)構(gòu)件適用于實際氣體透平。與實施例1的常規(guī)技術比較表明實施例3的催化劑可在空載和滿載條件下從1200到1300℃的Tad范圍內(nèi)使用。然而實施例1中的常規(guī)催化劑僅可在從1150℃到1200℃的Tad和空載時非常窄的催化劑入口溫度范圍內(nèi)使用。此外，實施例1的常規(guī)技術需要將燃料/空氣比控制在非常窄的范圍內(nèi)，這可能是非常困難的和昂貴的。實施例3的技術有非常廣泛的使用范圍，并且更易在實際中應用。在滿載時，實施例3催化劑的使用范圍幾乎與實施例1催化劑一樣寬。
本發(fā)明已通過一般描述和實施例說明。實施例不希望以任何方式限制在后面的權(quán)利要求書中定義的發(fā)明。它們僅僅是示例性的，此外，本領域技術人員可發(fā)現(xiàn)等價的方式實現(xiàn)這些權(quán)利要求中描述的發(fā)明。這些等價被認為是在權(quán)利要求發(fā)明的精神內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種流動的氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中涂催化劑通道結(jié)構(gòu)形成的供反應混合物用的流動路徑比由無催化劑的通道形成的流動路徑更曲折。
2.權(quán)利要求1的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道通過沿其縱軸方向橫截面的變化、方向的變化或橫截面和方向的變化的組合而周期性地變化，以使得當氣體反應混合物流過涂催化劑通道時在涂催化劑通道中的至少一部分氣體反應混合物的流動方向在至少多個點發(fā)生變化，而無催化劑的通道沿其縱軸方向基本上為直的且無橫截面的變化，使得流過無催化劑通道的氣體反應混合物的流動方向基本上無變化。
3.權(quán)利要求2的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑的通道通過沿通道的縱軸向通道壁重復的向內(nèi)或向外彎曲或通過使用沿通道縱軸向的多個位置放置的擋板、折流板或其它阻擋物改變橫截面以部分地妨礙氣體反應混合物的流動方向。
4.權(quán)利要求3的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的壁的重復向內(nèi)和向外彎曲是使用非嵌套形式疊置的波紋板形成的人字型波紋涂催化劑通道完成的。
5.權(quán)利要求4的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道和無催化劑通路是由一個重復的三層結(jié)構(gòu)形成的，該三層結(jié)構(gòu)包括一個波紋板的第一層，該波紋板帶有被平坦區(qū)隔開的縱向峰，這些平坦區(qū)疊置在一個由波紋板組成的第二層，其中波紋形成相鄰縱向峰和谷，這些峰和谷沿板長度形成人字型，第二層以非嵌套方式疊置在由波紋金屬板組成的第三層，其中波紋形成縱向峰和谷，這些峰和谷沿板長度形成人字型，和用反應混合物用催化劑涂第一層的底部和第三層的頂部以使得當重復結(jié)構(gòu)的第一層置于下一個相鄰的疊置型重復三層結(jié)構(gòu)的第三層下方時形成無催化劑通道，和涂催化劑通道在重復三層結(jié)構(gòu)的第一層的底部和第二層的頂部之間和在第二層的底部和第三層的頂部之間形成。
6.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑的通道比無催化劑通道有更小的平均水力學直徑(Dh)；(b)涂催化劑的通道比無催化劑通道有更高的膜傳熱系數(shù)(h)；和(c)涂催化劑通道形成的流動路徑比無催化劑通道形成的流動路徑更曲折。
7.權(quán)利要求6的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的平Dh與無催化劑通道的平均Dh的數(shù)值比在約0.15到約0.9之間。
8.權(quán)利要求7的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh的數(shù)值比在約0.3到約0.8之間。
9.權(quán)利要求6的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑的通道的膜傳熱系數(shù)(h)與無催化劑通道的膜傳熱系數(shù)(h)之比(h(cat)/h(non-cat))在約1.1到約7之間。
10.權(quán)利要求9的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中(h(cat)/h(non-cat))是在約1.3到約4之間。
11.權(quán)利要求6的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積與結(jié)構(gòu)件中總通道體積之比大于約0.5mm-1。
12.權(quán)利要求11的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積與結(jié)構(gòu)件中總通道體積之比在約0.5到約2mm-1。范圍內(nèi)。
13.權(quán)利要求12的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積與結(jié)構(gòu)件中總通道體積之比在約0.5到約1.5mm-1。范圍內(nèi)。
14.權(quán)利要求11、12和13的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中h(cat)/h(non-cat)在約1.1到約7之間和涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道平均Dh之比在約0.15到約0.9之間
15.權(quán)利要求11、12和1 3的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中h(cat)/h(non-cat)在約1.3到約4之間和涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道平均Dh之比在約0.3到約0.8之間
16.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中涂催化劑通道的膜傳熱系數(shù)(h)比無催化劑通道的h大至少1.5倍，涂催化劑通道占催化劑結(jié)構(gòu)件中的總的前開口面積的約20％到約80％。
17.權(quán)利要求16的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的h與無催化劑通道的h之比約1.5和約7之間。
18.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中涂催化劑的平均水力學直徑(Dh)比無催化劑通道的小，涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh之比小于涂催化劑的前開口面積與無催化劑通道的前開口面積之比。
19.權(quán)利要求18的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的前開口面積占催化劑結(jié)構(gòu)件中總前開口面積的約20％到約80％。
20.權(quán)利要求1，6，14和15的催化劑，其中涂催化劑通道的尺寸和數(shù)目與無催化劑通道的尺寸和數(shù)目相比使得約35％到約70％的反應混合物可流過的通道體積在涂催化劑通道中。
21.權(quán)利要求20的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中約50％的反應混合物可流過的通道體積在涂催化劑通道中。
22.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑通道比無催化劑通道有更高的膜傳熱系數(shù)(h)；(b)涂催化劑通道比無催化劑通道有更小的平均水力學直徑(Dh)；和(c)涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh之比小于涂催化劑通道的前開口面積與無催化劑通道前開口面積之比。
23.權(quán)利要求22的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh之比在約0.15和約0.9之間。
24.權(quán)利要求23的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh之比在約0.3和約0.8之間。
25.權(quán)利要求22的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的膜傳熱系數(shù)(h)與無催化劑通道的膜傳熱系數(shù)(h)之比(h(cat)/h(non-cat))在約1.1和約7之間。
26.權(quán)利要求25的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中h(cat)/h(non-cat)在約1.3和約4之間。
27.權(quán)利要求22的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積與結(jié)構(gòu)件中總通道體積之比大于約0.5mm-1。
28.權(quán)利要求27的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積與結(jié)構(gòu)件中總通道體積之比在約0.5到約2mm-1范圍內(nèi)。
29.權(quán)利要求28的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積與結(jié)構(gòu)件中總通道體積之比在約0.5到約1.5mm-1范圍內(nèi)。
30.權(quán)利要求27，28和29的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中h(cat)/h(non-cat)在約1.1到約7之間和涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道平均Dh之比在約0.15到約0.9之間
31.權(quán)利要求27，28和29的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中h(cat)/h(non-cat)在約1.3到約4之間和涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道平均Dh之比在約0.3到約0.8之間
32.權(quán)利要求22和27的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的尺寸和數(shù)目與無催化劑通道的尺寸和數(shù)目相比使得約35％到約70％的反應混合物可流過的通道體積在涂催化劑通道中。
33.權(quán)利要求32的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中約50％的反應混合物可流過的通道體積在涂催化劑通道中。
34.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑通道比無催化劑通道有更高的膜傳熱系數(shù)(h)；(b)大于50％的全部反應混合物流過涂催化劑通道。
35.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑通道的膜傳熱系數(shù)(h)是無催化劑通道的1.2倍或更大；和(b)大于40％但小于50％的全部反應混合物流過涂催化劑通道。
36.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑通道的膜傳熱系數(shù)(h)是無催化劑通道的1.2倍或更大；和(b)大于30％但小于40％的全部反應混合物流過涂催化劑通道。
37.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑的通道的膜傳熱系數(shù)(h)是無催化劑通道的1.5倍或更大；和(b)大于20％但小于30％的全部反應混合物流過涂催化劑通道。
38.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種氣體反應混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于反應混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑的通道的膜傳熱系數(shù)(h)是無催化劑通道的2.0倍或更大；和(b)大于10％但小于20％的全部反應混合物流過涂催化劑通道。
39.權(quán)利要求34，35，36，37和38的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道有比無催化劑的通道小的平均水力學直徑(Dh)。
40.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種可燃混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于氧化可燃混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑通道有比無催化劑通道更高的膜傳熱系數(shù)(h)；(b)涂催化劑通道有比無催化劑通道更小的平均水力學直徑(Dh)；和(c)涂催化劑通道形成的供可燃混合物流動路徑比無催化劑通道形成的流動路徑更曲折。
41.一種催化劑結(jié)構(gòu)件，包括一種由多個共用壁組成的耐熱支撐件材料，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種可燃混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于氧化可燃混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(a)涂催化劑通道有比無催化劑通道更高的膜傳熱系數(shù)(h)；(b)涂催化劑通道有比無催化劑通道更小的平均水力學直徑(Dh)；和(c)涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh之比小于涂催化劑通道的前開口面積與無催化劑通道前開口面積之比。
42.權(quán)利要求40和41的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中約35％到約70％的全部可燃混合物流過涂催化劑通道。
43.權(quán)利要求40和41的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中約50％的全部可燃混合物流過涂催化劑通道。
44.權(quán)利要求40和41的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積與結(jié)構(gòu)件中總通道體積之比大于約0.5mm-1。
45.權(quán)利要求44的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh的數(shù)值比在約0.15到約0.9之間。
46.權(quán)利要求45的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh的數(shù)值比在約0.3到約0.8之間。
47.權(quán)利要求45的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑的通道的膜傳熱系數(shù)(h)與無催化劑通道的膜傳熱系數(shù)(h)之比(h(cat)/h(non-cat))在約1.1到約7之間。
48.權(quán)利要求46的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中涂催化劑的通道的膜傳熱系數(shù)(h)與無催化劑通道的膜傳熱系數(shù)(h)之比(h(cat)/h(non-cat))在約1.3到約4之間。
49.權(quán)利要求42的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中支撐件材料選自陶瓷材料，耐熱無機氧化物，金屬間互化物材料，碳化物，氮化物和金屬材料。
50.權(quán)利要求49的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中無機氧化物選自二氧化硅、氧化鎂、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯和它們的混合物，金屬材料選自鋁，耐高溫金屬合金，不銹鋼，含鋁鋼和含鋁合金。
51.權(quán)利要求49的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中催化劑是一種或多種鉑族元素。
52.權(quán)利要求51的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中催化劑包括鈀或鈀和鉑的混合物。
53.權(quán)利要求51的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中支撐件材料在其上至少一部分還包括一種氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、二氧化硅或其它耐火金屬氧化物的基層。
54.權(quán)利要求53的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中基層包括氧化鋁、二氧化硅或氧化鋁和二氧化硅的混合物。
55.權(quán)利要求53的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中基層包括氧化鋯。
56.權(quán)利要求53的催化劑結(jié)構(gòu)件，其中催化劑是在基層上的鈀或鈀和鉑的混合物。
57.一種可燃混合物的燃燒方法，包括下列步驟(a)將燃料和含氧氣體混合以形成可燃混合物；(b)將混合物與一種由多個共用壁組成的耐熱催化劑支撐件材料接觸，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種可燃混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于氧化可燃混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(i)涂催化劑通道有比無催化劑通道更高的膜傳熱系數(shù)(h)；(ii)涂催化劑通道有比無催化劑通道更小的平均水力學直徑(Dh)；和(iii)涂催化劑通道形成的供可燃混合物流動路徑比無催化劑通道形成的流動路徑更曲折。
58.一種可燃混合物的燃燒方法，包括下列步驟(a)將燃料和含氧氣體混合以形成可燃混合物；(b)將混合物與一種由多個共用壁組成的耐熱催化劑支撐件材料接觸，這些壁形成一系列相鄰布置的縱向通道以供一種可燃混合物流過，其中至少一部分通道在它們的內(nèi)表面的至少一部分涂有用于氧化可燃混合物的催化劑，余下的通道在它們的內(nèi)表面不涂催化劑，這樣涂催化劑通道的內(nèi)表面與相鄰的無催化劑的通道的內(nèi)表面形成熱交換關系和其中(i)涂催化劑通道有比無催化劑通道更高的膜傳熱系數(shù)(h)；(ii)涂催化劑通道有比無催化劑通道更小的平均水力學直徑(Dh)；和(iii)涂催化劑通道的平均Dh與無催化劑通道的平均Dh之比小于涂催化劑通道的前開口面積與無催化劑通道前開口面積之比。
59.權(quán)利要求57和58的方法，其中涂催化劑通道和無催化劑通道之間的傳熱表面積與結(jié)構(gòu)件中總通道體積之比大于約0.5mm-1。
60.權(quán)利要求59的方法，其中流過催化劑支撐件的可燃混合物的分布使得約35％到約70％的可燃混合物流過涂催化劑的通道。
61.權(quán)利要求60的方法，其中約50％的可燃混合物流過涂催化劑通道。
62.權(quán)利要求57，58，59和60的方法，其中催化劑支撐件包括陶瓷材料，耐熱無機氧化物，金屬間互化物材料，碳化物，氮化物或金屬材料。
63.權(quán)利要求62的方法，其中催化劑支撐件包括金屬材料，選自鋁、耐高溫合金、不銹鋼、含鋁合金和含鋁的鐵合金。
64.權(quán)利要求63的方法，其中催化劑支撐件包括含鋁的鐵或非鐵合金。
65.權(quán)利要求64的方法，其中催化劑支撐件在其上至少一部分還包括一種氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、二氧化硅或耐火金屬氧化物的基層。
66.權(quán)利要求65的方法，其中催化劑金屬支撐件在其上至少一部分還包括一種氧化鋯基層。
67.權(quán)利要求66的方法，其中催化劑材料是一種或多種鉑族元素。
68.權(quán)利要求67的方法，其中催化劑材料包括鈀。
69.權(quán)利要求68的方法，其中催化劑可燃混合物的理論絕熱燃燒溫度大于900℃。
70.權(quán)利要求57和58的方法，其中可燃混合物在與催化劑結(jié)構(gòu)件接觸時部分燃燒，在可燃混合物流過催化劑結(jié)構(gòu)件后于均相燃燒區(qū)中完全燃燒。
全文摘要
本發(fā)明是一種改進型催化劑結(jié)構(gòu)件和該結(jié)構(gòu)件在高放熱過程如催化燃燒中的用途。此改進型催化劑結(jié)構(gòu)件在一系列縱向布置的相鄰反應通道中使用整體換熱，這些通道是涂催化劑的(14)或無催化劑的(16)，其中涂催化劑通道(14)的結(jié)構(gòu)與無催化劑通道(16)不同，從而當其應用在放熱反應過程時，如催化燃燒，目的反應在催化通道(14)內(nèi)被強化而在非催化通道(16)內(nèi)被基本上抑制。
文檔編號F23D11/40GK1147287SQ95192318
公開日1997年4月9日 申請日期1995年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月2日
發(fā)明者R·A·達拉比塔, T·肖基, D·K·伊, S·A·馬格諾 申請人:卡塔魯逖克公司, 田中貴金屬工業(yè)株式會社