專利名稱：用于測試催化劑材料的方法和設備的制作方法
用于測試催化劑材料的方法和設備本發(fā)明涉及用于測試催化劑材料的方法和設備，具體地但不排他地涉及老化催化劑轉化器。催化劑材料應用在很多區(qū)域和工藝中。一個常見的實例是催化轉化器中使用的催化劑材料，其中該催化轉化器用于運載工具如汽車、摩托車、貨車等的內燃機中。其他的催化劑材料的工藝和應用包括化學和石油化學工業(yè)、發(fā)電機、通用發(fā)動機(utility engines)、海事應用(marine application)、航空應用等中的那些。已知催化轉化器最通常用于汽車排氣中以減小內燃機釋放物的毒性。其目的是通過將有毒氣體如一氧化碳(CO)、烴類(HC)和多種氮的氧化物(NOx)轉化成二氧化碳(CO2)、 水、氮氣和氧氣以降低有毒氣體的濃度。常見的催化轉化器用的催化劑材料由一種或多種貴金屬的薄層(fine layer)分散在高多孔性氧化鋁(Al2O3)基面涂層(washcoat)的載體層上構成，其中所述載體涂層依次連接至陶瓷基底。常用作氧化鋁備選物的其他載體有二氧化硅(SiO2)、二氧化鈦(TiO2) 和沸石(鋁、硅和氧的化合物)；然而氧化鋁依然是最受歡迎的選擇?；卓梢允切∏?(pellet)或整體的形式而蜂窩狀整體結構(honeycomb monolithic structure)是最為廣泛使用的。該種類型的結構中所用的材料也是可變的。一些催化劑生廠商會選擇由耐高溫的鋁所涂覆的鋼構成的金屬整體，而更多生廠商選擇陶瓷結構。在本申請中，用于這些催化劑材料的最常見貴金屬是鉬(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)和氧化釩(V2O5)。由于公眾的環(huán)境意識日益增強，政府不斷地引入更嚴格的汽車排放規(guī)則更新排放法規(guī)。因此，越來越多地關注和測試催化轉化器的性能，如催化轉化器的老化和壽命。一種測試催化轉化器的方法是在測試設備中連續(xù)運行內燃機且將催化劑置于排氣中。公用的實例包括ZDAKW老化循環(huán)(Aging cycle)(歐盟聯(lián)合研究中心(European Commi ssion Joint Research Centre))、LNT 老化循環(huán)(橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory))和STRAWMAN老化循環(huán)，生產商也研發(fā)了自己的循環(huán)，這些循環(huán)通常不屬于公用范圍且被認為是“商業(yè)秘密”。然而，燃料完全老化催化轉化器至失活點的操作費用將超過$50000。US2005/0204804A1公開了一種人工老化催化劑設備的方法，該設備用于在催化劑測試工作臺上轉化排放氣體。通過燃燒器例如燃氣渦輪提供熱的老化氣體(hot ageing gas)，以及從催化劑設備出來的氣體部分地再循環(huán)且與待供給催化劑設備的老化氣體相混
I=I οUS2005/0204804A1中所示發(fā)明的一個問題是熱的老化氣體大部分仍基于含碳燃料(如汽油、柴油或另外的汽油材料)的燃燒，其然后在燃燒器中燃燒。提供這樣的燃料仍需很大的成本。US2005/0204804A1中所示發(fā)明的第二個問題是含碳燃料的燃燒需要燃燒器，在測試工作臺環(huán)境內必須對燃燒器進行控制。在測試工作臺規(guī)模上的燃料的燃燒不能提供對進入催化劑設備中的氣體成分的比例的精確控制。本發(fā)明的目的是提供更有效和精確的老化催化劑材料的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種老化催化劑材料的方法，其至少包括以下步驟(a)加熱氣流；(b)向加熱后的氣流中加入至少一種純烴氣體以及含氧氣體；以及(c)使混合流流經催化劑材料。使用至少一種純烴氣體和含氧氣體使本發(fā)明可以最大化來自催化劑材料的出口流的再循環(huán)以進行再利用，同時保持提供在混合流中的C、H和0的正確比例以重復實際使用的催化劑材料。本發(fā)明也通過放熱反應減少了氣流接觸催化劑材料之前所需的對氣流進行的加熱，其中該放熱反應在至少一種純烴氣體和含氧氣體接觸催化劑材料并燃燒之后進行。這降低了運行本發(fā)明方法所需的成本。催化劑材料可以是任何合適的單一材料或材料混合物，意在催化一種或多種包含氣流和/或混合流的氣體中的化學變化。一個常見實例是催化轉化器用的催化劑材料，其中該催化轉化器用于運輸工具(如汽車、摩托車、貨車等)中的內燃機的排放氣流。其他的催化劑材料工藝和應用包括化學和石油化學工業(yè)、發(fā)電機、通用發(fā)動機、海事應用、航空應用等中的那些，其中包括實驗室的化學反應。催化劑材料通常與載體一起提供，任選地分散在載體層上，且任選地由如上文所述但不限于上文的那些基底所支持。本發(fā)明不受催化劑材料的形狀、尺寸、支持(support)、 性質、形式或供應的限制，只要其可以本領域的技術人員已知的方式用于老化循環(huán)即可。熟知的催化劑材料的實例包括汽車等使用的三效催化劑(three-way catalyst)、柴油氧化催化劑、LNT (貧NOx捕集器)催化劑、SCR催化劑等。本發(fā)明也可用于老化發(fā)動機后處理部件(after-treatment component)例如各種傳感器等，并且本發(fā)明擴展至使用本文所述的相同的步驟和實施方案測試這些組件的方法和設備。氣流可以包含任何單一氣體或氣體混合物。通常，氣流包含一種或多種成分，其已知是流經或將要流經所用催化劑材料的氣流的一部分。例如，在汽車催化劑轉化器中，發(fā)動機排氣流通常包含含碳材料(例如一氧化碳、烴類以及一種或多種氮的氧化物(NOx))的混合物，其中背景是N2、H2O和ω2。在本發(fā)明的一實施方案中，氣流包含一種或多種合成氣體例如二氧化碳和氮氣， 它們由一種或多種氣體源提供。合成氣體或人造氣體在本領域中是熟知的，通常以瓶裝形式供應即用。本文中使用的術語“純烴氣體”涉及含不大于3%或2%或的惰性雜質(例如氮氣或氬氣)的烴氣體，以及該烴氣體含不大于0. 5%或0.4(%或0.3(%或0.2(%或0.1(%的活性雜質，活性雜質即已知將危害催化劑材料的成分或試劑如油、鉛、硫或磷等。純烴氣體可以加熱后的氣流的0. 1體積％至10體積％的量加入加熱后的氣流中， 優(yōu)選0. 1體積％至5體積％，更優(yōu)選0. 3體積％至1. 5體積％。含氧氣體可以與烴氣體反應的正確量加入加熱后的氣流中，并且促進RAT老化實驗方案的貧循環(huán)和富循環(huán)(lean and rich cycling)。本領域技術人員知道如何基于烴氣體等的量得到所需的含氧氣體的量。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實施方案中，在步驟(a)中將氣流加熱至300-100(TC ；即以不燃燒的方式加熱氣流至合適的溫度如300-1000°C的范圍。并且優(yōu)選的是，本發(fā)明的步驟(a)包括電加熱(electrically heating)氣流，以及可以通過一種或多種本領域已知的電加熱器和/或熱交換器加熱氣流，優(yōu)選使用電爐加熱。以此方式，本發(fā)明避免直接使用燃燒器或燃氣渦輪，如在US2005/0204804A1中所用的那些，以及避免了其他燃燒單元、裝置和設備的需求。與涉及通過燃燒提供氣流的催化-老化設備相比，這極大地簡化了本發(fā)明的方法，。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，步驟(a)包括電加熱氣流，所述氣流部分地、基本上或完全地包含一種或多種合成氣體(優(yōu)選為二氧化碳和氮氣)。使用不同于燃燒的一種或多種簡化的加熱氣體的形式也使得可以更加精確地提供和確定氣流的形成和組成。氣流可以由一種或多種預定的所述一種或各種構成氣體的來源構成，使用控制機制例如閥、調節(jié)器和流量控制器以準確地確定每種構成氣體的量和比例/比率以形成最終氣流。這不可能通過燃料的燃燒實現(xiàn)。通過使用電加熱可以更好地控制氣流的溫度，從而實現(xiàn)更好的平衡和穩(wěn)定性，以及特別是當氣流朝向催化劑材料供給時可以實現(xiàn)較小的溫度變化。這可以與完全或主要通過燃料的燃燒實現(xiàn)高氣流溫度相比較，在后者中不能精密地控制溫度變化。由于可以在步驟(b)之前準確地提供和確定氣流的溫度，并且也可以緊密地和/ 或精確地控制在步驟(b)中加入的純烴氣流的量，從而當混合氣體流經過催化劑材料時實現(xiàn)所需的混合氣體的溫度。因此，本發(fā)明可以提供一個非常穩(wěn)定的體系，其包含所需的很少量的額外烴氣體以及因此存在其很少的額外燃燒，保持了對整個過程和催化劑材料處的溫度的較高水平的控制和穩(wěn)定性。在本發(fā)明的另一實施方案中，混合流流經催化劑材料的通路提供了出口流，以及本發(fā)明方法另外包括步驟(d)將大于50體積％的出口流再循環(huán)作為所述氣流。更優(yōu)選至少70體積％、80體積％、90體積％，再更優(yōu)選大于95體積％或甚至大于 97體積％、大于98體積％或大于99體積％、或任選全部的出口流再循環(huán)為所述氣流。以此方式，由于不連續(xù)生成和排除( / 混合物，本發(fā)明可以顯著減少所需的氣流量，且因此顯著降低運行本發(fā)明的方法和設備的成本。具體地，再循環(huán)氣流多次以最小化額外氣體的需求，例如3-20次或更多次。在本發(fā)明另一實施方案中，該實施方案涉及至少一些如上述的出口流的再循環(huán)， 本發(fā)明方法進一步包括以下步驟(e)選擇至少一種純烴氣體和含氧氣體，使得在步驟(C)后得到反應產物能夠在步驟(d)的再循環(huán)后最小化步驟(b)中的混合流的組成和/或溫度的變化(variation)。優(yōu)選地，本發(fā)明可以最小化混合流的組成和溫度的變化。優(yōu)選地，選擇混合流混合物以最小化用于再循環(huán)至步驟(b)的下游混合物的組成，從而得到穩(wěn)定的混合物。接著，再循環(huán)和爐可以提供穩(wěn)定的溫度。具體地，本發(fā)明可以維持催化劑材料測試用的穩(wěn)定環(huán)境，降低了完全老化測試催化劑材料的成本。本發(fā)明提供了穩(wěn)定的環(huán)境使得在循環(huán)期間提供給催化劑材料的原料流或混合流的濃度和/或溫度的變化優(yōu)選為< 士5%或< 士4%或< 士3%或< 士2%或< 士 1%，通常為恒定的溫度循環(huán)。因此，本發(fā)明另外提供了老化催化劑材料的方法，其包括控制向加熱后的氣流中添加純烴氣體、含氧氣體或兩者以提供混合流(用于流經催化劑材料)，其包括以下步驟(i)監(jiān)控加熱后的氣流、催化劑和催化劑出口流的溫度；以及(ii)控制純烴氣體、含氧氣體或兩者的體積以將催化劑的溫度維持在預定的范圍內。優(yōu)選地，步驟(ii)包括在再循環(huán)至少一些來自催化劑材料的出口流至步驟(a)的氣流中之后，控制向加熱后的氣流中加入的純烴氣體、含氧氣體或兩者的體積以保持催化劑的溫度在預定的范圍內。催化劑材料的預定溫度范圍取決于正老化的催化劑材料的性質和其他所需的工藝條件，但是一般在400-1100°C的范圍，可能在500-1000°C的范圍，偶爾更高或峰值更高。本發(fā)明從所述一種構成氣體或各種構成氣體的一種或多種已知來源提供氣流的能力或控制其在最終氣流中的量、比例和/或比率的能力，也使得可以從已知的或簡單的來源提供氣流的所述一種或各種構成氣體。這樣的來源可以是常規(guī)氣缸或其他已知的比燃料(如汽油)供應更易提供、維持和保持安全的供應單元。供應和使用燃料的避免以及燃料的避免，降低了操作成本且降低了已知的危險。純烴氣體可以包括以下的一種或多種甲烷、乙烷、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷等和一氧化碳。純烴氣體優(yōu)選是丙烷。含氧氣體可以是任何含氧的合適氣體，包括但不限于純氧或空氣。氣流和至少一種純烴氣體和含氧氣體可以使用任何合適的方法和/或本領域已知的設備進行混合。這包括專用混合器(combiner)或混合容器(mixing volume)，以及簡單的管道工程例如一個或多個T型管(T-pieces)。本發(fā)明包括了本文所記載發(fā)明的各個實施方案或方面的所有組合。要理解的是本發(fā)明的任何和所有實施方案可以結合任何其他的實施方案至本發(fā)明記載的額外實施方案。 另外，實施方案的任何要素可以組合任何實施方案的任何要素和所有其他要素以描述另外的實施方案。因此，本發(fā)明的一具體實施方案是老化催化劑材料的方法，其包括至少以下步驟(a)電加熱氣流，所述氣流部分地、基本上或完全地包含一種或多種合成氣體；(b)向加熱后的氣流中加入至少一種純烴氣體和含氧氣體以提供混合流；(c)使混合流流經催化劑材料；以及(d)將大于50體積％的來自催化劑材料的出口流再循環(huán)至步驟(a)的氣流中。本發(fā)明的優(yōu)勢包括以下優(yōu)勢中的一種或多種1.流動的再循環(huán)大部分的混合流、一般為98體積％至99體積％的混合流可以進行再循環(huán)，且僅需加入少量的額外烴氣體和例如空氣來實現(xiàn)正確的催化劑材料的溫度曲線。這意味著老化方法或工藝中的氣流得到了再利用，通常多次再利用，而不僅僅是生成然后排出。2.可以在開始時向老化過程充入(X)2和氮氣的背景氣體混合物，然后當系統(tǒng)到一定溫度時完全地進行再循環(huán)。
3. 一旦老化過程達到背景溫度時，可以加入烴氣體/氧氣(例如空氣)混合物以在催化劑材料或催化劑床中產生所需的催化劑放熱。加入作為平衡混合物(balanced mix) 的烴氣體和例如空氣可以維持正確的背景濃度，而不需復雜的監(jiān)控和控制系統(tǒng)?？梢詢H需放出小量的混合物進行排氣以維持運行壓力。該情況的平衡方程是C3H8+502+18. 8N2 = > 3C02+4H20+18. 8N24.可以將老化過程的控制設計成不含與熱氣體接觸的控制閥或移動機制(moving mechanism)。由于烴/空氣可以平衡地(in balance)加入從而不改變混合物的平衡，因此可以將過程設計成固有穩(wěn)定的。本發(fā)明提供了老化催化劑的方法，其可以適用于任何合適的老化方案，包括已知的老化循環(huán)例如上述的ZDAKW老化循環(huán)、LNT老化循環(huán)和STRAWMAN老化循環(huán)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了老化催化劑材料用的設備，其至少包括(a) 一種或多種用于加熱氣流的加熱器；(b)混合器，用于將至少一種純烴氣體和含氧氣體混合至加熱后的氣流以提供混合流；以及(c)使混合流流經催化劑材料的通路(pattway)。優(yōu)選地，設備包括(a) 一種或多種電爐加熱器，其用于加熱氣流，所述氣流部分地、基本上或完全地包含一種或多種合成氣體；(b)混合器，其將至少一種純烴氣體和含氧氣體混合至加熱后的氣流以提供混合流；(c)使混合流流經催化劑材料的通路；以及(d)將大于50體積％的來自催化劑材料的出口流再循環(huán)至步驟(a)的氣流的通路?，F(xiàn)在僅通過實例以及參考附圖對本發(fā)明的實施方案進行說明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的老化催化劑材料的方法的示意圖；圖2是圖1方法的第二個示意圖；圖3是本發(fā)明的實施方案所用的催化劑材料分支管(manifold)的分解透視圖；圖4是向本發(fā)明實施方案提供的丙烷和氧的體積對時間的圖示；圖5是貫穿本發(fā)明所測催化劑材料的溫度對時間的圖示；圖6a和6b是圖5的催化劑材料的上游氣體濃度和下游氣體濃度；以及圖7是多種老化催化劑材料的方法的成本/小時的分析圖示。為了此說明書的目的，將管線以及該管線中輸送的流命名為單一的附圖數(shù)字標記。參見附圖，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的老化催化劑材料的方法的示意圖。圖1示出了提供氣流10。如下文所述，優(yōu)選大于50體積％的氣流10由出口流40 形成。氣流10在一種或多種加熱器9中進行加熱以提供加熱后的氣流10a。優(yōu)選地，一種或多種加熱器9是電加熱器，從而相比較燃燒燃料而言可以更安全地以及更好控制地加熱氣流10。合適電加熱器的一個實例是本領域已知的紅外管式爐(infra-red tube furnace)，且可以將氣流10的溫度提高至至少450°C，例如500-800°C的范圍。向加熱后的氣流IOa中通過第一供應線12加入至少一種純烴氣體12例如丙烷。純烴氣體可以由來源13提供，所述來源13例如為本領域已知的一種或多種氣缸(gas cylinder)。還向加熱后的氣流IOa中沿著供應線14加入含氧氣體14例如空氣?？諝饪梢杂傻诙碓?5供應，所述第二來源15例如為本領域內已知的一種或多種氣缸或空氣管道/空氣壓縮機。本文中所述的每種管道、流、單元等可以包括能夠控制氣體經管道等的量和/或流量和/或體積的一種或多種流量或體積控制手段，例如閥?？刂剖侄稳玳y的提供和控制在本領域中是熟知的，因此本文中不對它們進行特別說明或另外說明。加熱后的氣流10a、純烴氣體12和含氧氣體14的混合物提供了混合流20，其進入裝有催化劑材料22的催化劑材料分支管24。催化劑材料22可以是任何已知的或新型的催化劑材料，需要測試其動態(tài)老化以協(xié)助進一步認識或理解所用的催化劑材料的性能。這樣的老化也被定義為“人工老化”且意在提供強化方法以再現(xiàn)所用的催化劑材料的老化。一個合適的催化劑材料是在汽車中使用的三效催化劑。催化劑材料分支管M可以具有能夠將催化劑材料22與混合流20協(xié)調(in line) 安置的任何合適的形狀、尺寸或設計。優(yōu)選地，催化劑材料分支管M包含多個催化劑材料容器，從而多種催化劑試樣可以同時老化。這將在下文中參考附圖3進一步進行說明。在混合流20流經催化劑材料22時，來自催化劑材料分支管M提供了出口流30。 本發(fā)明的具體特征如下出口流30的一部分可能進入大氣中，如不返回流32，至少大于50 體積％或更大、任選所有的出口流30進行再循環(huán)用作再循環(huán)流40以提供至少大部分的氣流10、任選所有的氣流10。任選地，出口流40流經壓力-改變閥如文丘里噴嘴42或其他有利于計算氣體流速的合適的流量測量設備。 來自文丘里噴嘴42的再循環(huán)流40a可以提供至貯器8。貯器8提供了供應具有已知的一種或多種氣體的組成的氣流10的適合場所，以及提供緩沖以穩(wěn)定任何流量變化。使用內燃機和老化汽車催化劑轉化器的方法作為實例，用于貯器8的合適的基礎氣體混合物一般包含約80體積％的氮、約10體積％的二氧化碳以及約10體積％的水蒸氣。這些氣體組成了來自內燃機的主要氣體組合物。圖1示出了提供兩種合成氣體進入貯器8以協(xié)助提供氣流10。在圖1所示的實施方案中，可以存在提供氮氣流52的氮氣源53 (氮氣為第一合成氣體)以及沿著供應線M的二氧化碳源陽(二氧化碳為第二合成氣體)以提供混合合成氣體流50進入貯器8中。這些氣體可以經由閥(未示出)供應給貯器8，其中所述閥包括流量控制器和用于控制目的的電磁閥。所述一種或各種合成氣體源可以供應貯器8中所需的氣體作為啟動老化方法的一部分，以及可以確保在運行老化方法期間在貯器8中穩(wěn)態(tài)或“加滿”供應氣體，因為在過程期間可能發(fā)生任何的氣體損失。圖1所示的方案也可以包括一種或多種裝置、單元或設備，其可以提供一種或多種氣體的移動，特別是氣流移向催化劑材料以及再循環(huán)離開流。在本領域中已知有適用于該種移動的單元等，其包括泵、渦輪增壓器和風扇，例如離心式風扇。因為內燃機通常提供含約80%氮氣的排氣流，本發(fā)明的特征如下可以顯著地再循環(huán)來自催化劑材料22的出口流30使得可以再利用出口流30以提供至少大部分的或可能全部的氣流10。因此，典型排氣流的其他成分的臨界平衡(critical balance)，特別是二氧化碳的量，可以通過正確引入至少一種純烴氣體12和含氧氣體14小心地維持，以下將進一步討論。當混合流20接觸熱催化劑材料22時，至少一種純烴氣體12和含氧氣體14的混合物進行燃燒，從而放熱反應提高催化劑材料22的溫度使得溫度高于加熱后的氣流IOa的溫度。雖然使用汽油的汽車中普通操作的催化轉化器的溫度在大部分的時間內為500-600°C， 但是在更高的溫度時例如800°C -KKKTC時測試催化劑材料將更快地獲得結果，再次降低了本發(fā)明的成本。圖5示出了催化劑材料22的溫度對時間的圖示，其范圍為約800°C _950°C，而經過催化劑材料分支管M進口的混合流20的溫度和出口流30的出口溫度在500°C上下。圖5中貫穿催化劑材料的溫度變化可以通過脈沖式引入至少一種純烴氣體12和含氧氣體14來提供，從而獲得高于900°C的溫度“峰值”，以及有可能高至1000°C。催化劑表面上的含烴氣體和含氧氣體之間發(fā)生的放熱反應引起相應提高溫度的放熱?？梢栽诨瘜W計量的循環(huán)、富循環(huán)和貧循環(huán)之間切換原料氣使其老化符合傳統(tǒng)或工業(yè)實踐的催化劑。純烴氣體和含氧氣體可以在一個或多個循環(huán)或脈沖操作或它們的組合中連續(xù)提供。優(yōu)選的是，供應至少一種純烴氣體12和含氧氣體14以按比例提供圍繞催化劑材料22 的至少二氧化碳和氮氣部分，所述比例反映了來自內燃機的排出氣體的比例。圖4示出了當含氧氣體經兩個循環(huán)進入加熱后的氣流IOa中時，作為純烴氣體12 的丙烷和作為空氣的氧氣14的體積濃度的一個實例。圖4所示的濃度和循環(huán)的時間意在再現(xiàn)快速老化測試(RAT)A老化，其基于使用一摩爾的丙烷對三摩爾的一氧化碳以生成已知的催化劑床的溫度曲線。確定的是，需要比一氧化碳更少的丙烷來生成相同的溫度偏差 (excursion)0圖6a和6b示出了基于RAT A老化方法的混合流20和出口流30中的多種氣體成分的氣體濃度。這些濃度證實了催化反應在催化劑材料內部發(fā)生且催化劑材料的溫度為所需的水平，從而本發(fā)明方法能夠實施加速的加熱操作和實驗方案。圖7標明了多種老化催化劑材料的方法(例如汽車催化劑轉化器)中產生的相對成本，基于典型的在測試時間時的美元圖(dollar figures)。使用“總合成氣體”并且無再循環(huán)，表明“$466. 99”每小時的相對成本，由此提供與標為“AutoCAS”的本發(fā)明實施方案同等的老化。圖2示出了操作本發(fā)明方法的一實施方案的備選方案。圖3示出了圖1所示方法中使用的催化劑材料分支管M的分解透視圖。圖3示出了兩個端部錐體101，其具有內錐體102、板和襯墊103、104以及六個可以在殼板109上托住六個催化劑材料試樣106的催化劑材料試樣嵌入物105。以此方式，多個催化劑材料試樣106可以同時老化，其可以是相同的催化劑材料或不同的催化劑材料。本發(fā)明可以通過使用能夠重復創(chuàng)造相同工藝條件的高度可重復和穩(wěn)定的測試提供用于老化一種或多種催化劑材料試樣的方法?？梢酝瑫r測試多個試樣。與內燃機或使用燃燒器相比，本發(fā)明方法釋放入大氣中的二氧化碳的濃度顯著降低。具體地，本發(fā)明用的合成氣體可以是背景氣體混合物，例如可以是CO2和氮氣的氣體混合物，且在開始時用所述氣體對系統(tǒng)進行充氣。之后，當系統(tǒng)至一定溫度時該氣體可以完全地進行再循環(huán)。一旦系統(tǒng)達到老化的背景溫度，可以加入烴/空氣混合物以生成催化劑放熱。這避免了對連續(xù)生成新的燃燒氣體以生成老化氣體混合物的需要，而這要求對溫度進行控制并且由于因為涉及溫度而難以操作。本發(fā)明也使得可以提供烴和空氣作為平衡混合物(balanced mix)；這維持了正確的背景濃度而不需復雜的監(jiān)控系統(tǒng)。僅需排出少量的混合物進行排氣從而維持運行壓力。本發(fā)明特別提供了 再循環(huán)后的背景氣體，通過使用少量的“燃料”于催化劑床中產生的熱，以及以與空氣精確平衡的加入的燃料從而保持混合物的正確濃度。因此，本發(fā)明能夠通過再循環(huán)大量的離開流而使用最小量的額外資源提供了老化催化劑材料的方法，加熱氣流至與催化劑材料所需溫度相比的較低溫度，然后通過引入正確比例的純烴氣體和含氧氣體提高氣體溫度，其中純烴氣體和含氧氣體在催化劑表面上的放熱反應提高了催化劑床的溫度。具體地，本發(fā)明能夠保持用于催化劑材料測試的穩(wěn)定環(huán)境，降低了完全老化測試催化劑材料所需的成本。這不同于實際的發(fā)動機(engine)和已知的老化系統(tǒng)，后者引起了不期望的濃度和溫度的波動。本發(fā)明可以提供非常穩(wěn)定的N2、CO2和水的背景氣體，并且在背景氣體進入催化劑材料前在爐中將其加熱至非常穩(wěn)定的溫度。進入時，精確量的優(yōu)選空氣和烴氣體在催化劑材料中產生放熱。因此空氣、烴氣體和溫度進行循環(huán)，或隨時間變化但以受控的精確方式進行，而發(fā)動機或已知的老化系統(tǒng)產生在所需循環(huán)上疊加的不期望的變化。所述本發(fā)明的實施方案的各種調整和變化對于本領域的熟練技術人員而言是顯而易見的，不偏離本文所定義的本發(fā)明范圍。雖然已經通過具體的優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了說明，但是要理解的是所要求保護的本發(fā)明不應該限于所述具體的實施方案。
權利要求
1.老化催化劑材料的方法，至少包括以下步驟(a)加熱氣流；(b)向加熱后的氣流中加入至少一種純烴氣體以及含氧氣體；以及(c)使混合流流經催化劑材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(a)包括電加熱氣流，優(yōu)選使用電爐加熱。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中步驟(a)包括電加熱氣流，所述氣流部分地、基本上或完全地包含一種或多種合成氣體。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中所述氣流包含二氧化碳和氮氣的合成氣體。
5.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其另外包括以下步驟(d)將大于50體積％的來自催化劑材料的出口流再循環(huán)至步驟(a)的氣流中。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其包括將至少70體積％、80體積％、90體積％、大于 95體積％、大于97體積％、大于98體積％或大于99體積％的來自催化劑材料的出口流再循環(huán)至氣流中。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的方法，其進一步包括以下步驟(e)選擇所述至少一種純烴氣體和含氧氣體，使得在步驟(c)后得到的反應產物能夠在步驟(d)的再循環(huán)后最小化步驟(b)中的混合流的組成和/或溫度的變化。
8.根據(jù)權利要求5 7中任一項所述的方法，其中所述氣流的循環(huán)次數(shù)在3-20次的范圍。
9.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述純烴氣體是丙烷。
10.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其中在步驟(a)中將所述氣流加熱至 300-1000°C。
11.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述催化劑材料包含多種同時被老化的催化劑樣本。
12.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其中當所述混合氣體流經催化劑材料時， 其溫度在400-1100°C的范圍。
13.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的方法，其中所述純烴氣體以所述氣流的 0. 1-5體積％的范圍添加。
14.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其另外包括控制向加熱后的氣流中添加純烴氣體、含氧氣體或兩者以提供混合流，其包括以下步驟(i)監(jiān)控加熱后的氣流、催化劑和催化劑出口流的溫度；以及( )控制純烴氣體、含氧氣體或兩者的體積從而將催化劑的溫度維持在預定的范圍內。
15.用于老化催化劑材料的設備，其至少包括(a)一個或多個加熱器，優(yōu)選一個或多個電爐加熱器，其用于加熱氣流，所述氣流部分地、基本上或完全地包含一種或多種合成氣體；(b)混合器，其將至少一種純烴氣體和含氧氣體混合至加熱后的氣流以提供混合流；(c)使混合流經過催化劑材料的通路；以及，任選地(d)將大于50體積％的來自催化劑材料的出口流再循環(huán)至步驟(a)的氣流的通路。
全文摘要
老化催化劑材料的方法，其至少包括以下步驟(a)加熱氣流；(b)向加熱后的氣流中加入至少一種純烴氣體和含氧氣體以提供混合流；以及(c)使混合流流經催化劑材料。使用至少一種純烴氣體和含氧氣體從而使本發(fā)明可以最大化來自催化劑材料的出口流的再循環(huán)用于再利用，同時保持提供在混合流中的正確C、H和O比例以重復實際使用的催化劑材料。
文檔編號F01N11/00GK102317591SQ200980156614
公開日2012年1月11日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權日2008年12月12日
發(fā)明者A.伍茲, R.道格拉斯 申請人:貝爾法斯特皇后大學