[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

WO2007104290A1 - Reaktor für heterogene gasphasenreaktionen, vorrichtung zum testen von katalysatoren für heterogene gasphasenreaktionen und verfahren zum testen solcher katalysatoren - Google Patents

Reaktor für heterogene gasphasenreaktionen, vorrichtung zum testen von katalysatoren für heterogene gasphasenreaktionen und verfahren zum testen solcher katalysatoren Download PDF

Info

Publication number
WO2007104290A1
WO2007104290A1 PCT/DE2007/000446 DE2007000446W WO2007104290A1 WO 2007104290 A1 WO2007104290 A1 WO 2007104290A1 DE 2007000446 W DE2007000446 W DE 2007000446W WO 2007104290 A1 WO2007104290 A1 WO 2007104290A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reactor
gas
catalyst
cooling
heating
Prior art date
Application number
PCT/DE2007/000446
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Bonifer
Martin Lucas
Peter Claus
Original Assignee
Technische Universität Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Darmstadt filed Critical Technische Universität Darmstadt
Publication of WO2007104290A1 publication Critical patent/WO2007104290A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0046—Sequential or parallel reactions, e.g. for the synthesis of polypeptides or polynucleotides; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making molecular arrays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • B01J19/004—Multifunctional apparatus for automatic manufacturing of various chemical products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00277—Apparatus
    • B01J2219/00279—Features relating to reactor vessels
    • B01J2219/00281—Individual reactor vessels
    • B01J2219/00286—Reactor vessels with top and bottom openings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00277—Apparatus
    • B01J2219/00351—Means for dispensing and evacuation of reagents
    • B01J2219/00389—Feeding through valves
    • B01J2219/00391—Rotary valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00277—Apparatus
    • B01J2219/00495—Means for heating or cooling the reaction vessels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00585—Parallel processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/0068—Means for controlling the apparatus of the process
    • B01J2219/00702—Processes involving means for analysing and characterising the products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00718—Type of compounds synthesised
    • B01J2219/00745—Inorganic compounds
    • B01J2219/00747—Catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00788—Three-dimensional assemblies, i.e. the reactor comprising a form other than a stack of plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00835—Comprising catalytically active material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00851—Additional features
    • B01J2219/00858—Aspects relating to the size of the reactor
    • B01J2219/0086—Dimensions of the flow channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00851—Additional features
    • B01J2219/00869—Microreactors placed in parallel, on the same or on different supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00873—Heat exchange
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00891—Feeding or evacuation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/0095—Control aspects
    • B01J2219/00952—Sensing operations
    • B01J2219/00954—Measured properties
    • B01J2219/00961—Temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/0095—Control aspects
    • B01J2219/00952—Sensing operations
    • B01J2219/00968—Type of sensors
    • B01J2219/0097—Optical sensors
    • B01J2219/00977—Infrared light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
    • G01N31/10—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using catalysis

Definitions

  • Reactor for heterogeneous gas phase reactions apparatus for testing catalysts for heterogeneous gas phase reactions and methods for testing such catalysts
  • the present invention relates to a reactor for carrying out heterogeneous gas phase reactions and to testing catalysts for heterogeneous gas phase reactions and to a method and apparatus for testing catalysts for heterogeneous gas phase reactions.
  • SCR Selective Catalytic Reduction
  • nitrogen oxides on a suitable catalyst are reduced to nitrogen in the presence of ammonia.
  • SCR catalysts are generally based on one element from the group Pt, Pd, Rh, Ir, Au, Ag and Ru.
  • CRT process continuous regeneration trap
  • the particle filter is preceded by an oxidation catalytic converter in the exhaust gas line which supplies the nitrogen oxide contained in the exhaust gas Oxidized nitrogen dioxide, which is then used for the oxidation of carbon monoxide or carbon black.
  • a characteristic parameter for catalytic converters is the so-called light-off temperature. This is the catalyst temperature at which it reaches 50% of its nominal conversion rate.
  • DE 102 54 477 B3 proposes a test method for determining the functionality of an exhaust gas catalyst, which allows to dispense with a separate temperature sensor, without in this case the fuel consumption is significantly increased.
  • the test device used for this purpose is still very expensive and requires, for example, an injection system for test injection of a predetermined amount of fuel during an expansion stroke or during an exhaust stroke of the internal combustion engine, an exhaust gas recirculation device, a measuring direction and an evaluation unit.
  • the method according to DE 103 33 337 Al also makes use of the determination of the light-off temperature in order to measure a catalyst system with a near-engine pre-catalyst and a main catalyst.
  • specific attention is paid to the oxygen storage capacity of the primary and the main catalytic converter.
  • DE 101 01 118 A1 discloses a very complex method for evaluating the performance of solid catalysts. Afterwards, a high-throughput screening can be achieved by a fast determination of kinetic data in a large number of parallel operated realctors. The concentrations of key reactants and products are measured at the reactor inlet and outlet of each reactor, which are covered with different catalytic materials. In addition, the concentration determinations of the reactants at the reactor outlet are made for different temperatures, residence times, pressures and reactant concentrations at the reactor inlet. In this way, the catalyst performance should predict at different reaction conditions. The method described in DE 101 01 118 Al is very complicated in terms of apparatus and process technology.
  • US patent application US 2003/0012700 A1 relates to a method for parallel testing of catalyst systems, with particular attention being paid to the arrangement and design of feed valves for the reaction gas. With the device according to US 2003/0012700 A1, a multiplicity of different reactors can be charged in parallel with one and the same uniform reaction gas.
  • WO 2005/047887 A1 discloses a method and apparatus for testing a variety of catalyst samples.
  • reactor vessels loaded in a predefined manner are transferred serially from a storage zone into a reaction zone in which the reaction vessel is heated at a predetermined rate.
  • US 4,099,923 discloses an apparatus for automatically screening a variety of catalyst systems. This device requires a large number of reactor units, heating modules, Gaszu thoroughlyemschen and analysis and control units.
  • a reactor for carrying out heterogeneous gas phase reactions or for testing catalysts for heterogeneous gas phase reactions comprising at least one reactor vessel having an inlet end and an outlet end containing at least one receiving device for a catalyst, at least an inlet opening for gas to be converted in the region of the inlet end and at least one outlet opening for reacted gas in the region of the outlet end, at least two units for cooling the reactor vessel, which are present in thermal conditions at least in the section in which the reactor vessel contains the receiving device for the catalyst Are in contact with the reactor vessel, and at least one, in particular at least two units for heating the reactor vessel, which are in thermal contact with the reactor vessel at least in the section in which there is in the reactor vessel the receiving device for the catalyst, wherein the cooling and heating units are arranged in such a way that the reactor vessel, at least in the region of the receiving device for the catalyst, in particular substantially homogeneous, can be heated or cooled.
  • the reactor vessel may be, for example, a pipe, but may also take any suitable vessel form suitable for carrying out a heterogeneous catalytic gas phase reaction.
  • About the inlet end of the reactor vessel can be charged with the catalyst material.
  • the inlet end can optionally be closed in a sealed manner.
  • the outlet end of the reactor should be understood to mean that region which adjoins the reaction zone, ie the region in which the catalyst is present, and into which the product gases are transported after the reaction.
  • the exit port of the reactor immediately adjoins the outlet end. In this case, the opening of the outlet end forms the outlet opening.
  • the opening of the inlet end may coincide with the inlet opening.
  • the (gas) successionsöffhung can also be provided at another point of the reactor vessel or inlet end. About the inlet end of the catalyst is fed regularly and removed again.
  • the catalyst receiver is thus preferably present between the inlet and outlet ends of the reactor. Homogeneously heated or cooled in the context of the present invention is intended to comprise a uniform heating or cooling of the reactor or the reactor vessel at least in the region of the Aufhahmevoriques without having distinctive temperature levels or jumps.
  • the Aufhahmevortechnische for the catalyst is a gas-permeable pad or a gas-permeable container.
  • the Aufhahmevorraum represents a sieve, preferably made of stainless steel, or a porous mat as a gas-permeable pad.
  • catalyst powders can be well registered and recorded.
  • a holding element can be selected as the receiving device. This may for example be in the taper of the interior of the reactor vessel, so that further slippage of the monolith is prevented.
  • the reactor vessel can also be designed in such a way that only miniaturized monoliths can fit into it.
  • the cooling and / or heating units are in thermal contact therebetween between the inlet end and the outlet end of the reactor vessel.
  • the cooling unit comprises at least one cavity or a bore with an inlet end and an outlet end for the passage of cooling gas, in particular compressed gas.
  • cooling gas in particular compressed gas.
  • diameter for the cavities or holes which are in the range of 3 to 15, preferably from 4 to 10 mm.
  • the cavities or bores can also be configured such that a cooling liquid can be introduced or passed through as cooling medium.
  • the cooling unit according to the present invention is accordingly designed in such a way that it allows the cooling of the reactor vessel or reactor.
  • a cooling module i. a device with which the cooling of the reactor or reactor vessel is ultimately accomplished, for example, comprise such a cooling unit, in the cavity of which a cooling rod, for example containing liquid nitrogen is present.
  • the cooling is brought about by a pressure gas line connected or connectable to the cavity or the bore of the cooling unit.
  • This system of compressed gas line and cooling unit then also represents a cooling module in the sense described above.
  • the heating unit comprises at least one cavity or a bore for receiving at least one heating element. If necessary, this cavity can also be continuous. In general, it is already sufficient, especially against the background of a desired miniaturization of the reactor, to select diameters for the cavities or bores which are in the range from 3 to 15, preferably from 4 to 10 mm.
  • Suitable heating elements comprise, for example, electrical heating resistors, for example in the form of heating cartridges.
  • Cartridge heaters are advantageously designed so that they are inserted into the cavity of the heating unit substantially in register to ensure optimum heat transfer. With these heating elements, temperatures of for example 1400 0 C can be achieved, of course, even higher temperatures are possible.
  • a particularly good heating or cooling of the reactor is achieved in that the heating and cooling units are arranged alternately around the reactor vessel.
  • the heating and cooling units are present concentrically around the reactor vessel. It has furthermore proved to be advantageous that in each case adjacent heating and cooling units are predominantly not in contact with each other. In this way, even increased cooling and heating rates can be achieved without affecting the homogeneity of the heating or cooling.
  • the reactor further comprises a sheath, which is at least partially spaced from the cooling and heating units and the reactor vessel at least partially, in particular full circumference, surrounds.
  • a particularly effective development in this case comprises at least one baffle for diverting the exiting through the outlet end of the cavity of the cooling unit cooling gas through the space between the jacket and the cooling and heating units. For example, if pressurized gas is passed through the cooling unit, this is deflected by the baffle, and then to escape in the opposite direction between the outer wall of the reactor or the heating and / or cooling units and the jacketing. The compressed gas is thus used twice for cooling.
  • Sheath and baffle are preferably connected to each other, in particular sealed, connected or connectable and in one embodiment in one piece.
  • a further preferred embodiment further comprises at least one feed line for the gas to be reacted to the reactor vessel, which is at least partially in thermal contact with at least one heating unit.
  • this line is brought into thermal contact with a heating unit, so as to preheat the gas, which again faster heating rates and thus shorter measuring cycles can accomplish. It is advantageous with regard to the precise monitoring of the investigated activity of the catalysts if the reactor further contains at least one first temperature sensor, in particular a first thermocouple, within the reactor vessel.
  • a particularly accurate tracking of the temperature behavior succeeds in particular when the temperature sensor is present in the region of the receiving device of the catalyst, so that the temperature in a catalyst sample can be measured.
  • the accuracy in the tracking of the reactions investigated is increased again by a second, in the wall of the reactor vessel adjacent to the receiving device of the catalyst temperature sensor.
  • the sensor is preferably present in the wall, which is in contact with the catalyst sample or the receiving device. In this way, even more reliable temperature control of an individual reactor can be controlled or regulated.
  • the heat of reaction of a reactive gas mixture can also be recorded very accurately in the case of an exothermic heterogeneous catalytic gas-phase reaction. Such heat of reaction can be detected, for example, for a catalytic oxidation of a carbon monoxide / propane gas mixture at a reactor temperature of about 300 ° C, even if the heat of reaction only have a minimal effect.
  • the reactor vessel, the cooling unit (s) and / or the heating unit (s) are made in one piece. Accordingly, e.g. Cooling and heating units, cooling units and reactor vessels, heating units and reactor vessels or cooling units, heating units and reactor vessel made in one piece.
  • the use of one-piece modules provides, in particular in the handling of the reactors, especially when a large number of reactors are used side by side, considerable advantages.
  • such a reactor comprising at least one tempering, which contains at least two units for cooling the reactor vessel and at least one, in particular at least two units for heating the reactor vessel, wherein the tempering at least in the section in which in the reactor vessel, the receiving device for the catalyst is present, is or can be brought into thermal contact with this reactor vessel and wherein the cooling and heating units can be arranged or arranged in such a way that the reactor vessel in the Aufhahmevoriques for the catalyst, in particular substantially homogeneous, can be heated or cooled.
  • the temperature control unit thus contains the cooling and heating units of the reactor in a modular manner. In this case, it is again advantageous if the temperature control unit is essentially in one piece. With regard to the preferred Ausrrittungsformen the heating and cooling units of the tempering the above applies here accordingly.
  • the temperature control unit and the reactor vessel are particularly preferably in one piece.
  • the catalyst storage device may be readily adapted for catalyst levels in the range of 20 mg to 700 mg.
  • Powdered catalysts are preferably used with the reactor according to the invention. Their amount and / or activity can be controlled, for example, by adding suitable inert bulk materials such as silicon carbide.
  • the heating unit may comprise a heating resistor, for example in the form of a heating wire, which surrounds the reactor vessel at least in the region of the catalytic converter and / or the cooling unit (s) at least in the area of the catalyst receiving device.
  • a heating resistor for example in the form of a heating wire, which surrounds the reactor vessel at least in the region of the catalytic converter and / or the cooling unit (s) at least in the area of the catalyst receiving device.
  • cooling units adjacent to each other and surround the reactor vessel.
  • cooling and / or heating units are preferably mounted alternately around the reactor vessel.
  • they are preferably mounted alternately around the reactor vessel.
  • For preferred Realctoren usually already three cooling units and three heating units, which are mounted alternately sufficient. Satisfactory results are of course already achieved with a small number of cooling and / or heating units.
  • a larger number of cooling or heating units for example, 4, 5, 6 or 7 such units to the Reactor container, preferably alternately, be attached.
  • the object underlying the invention is further achieved by a device comprising at least one inventive reactor, at least one Gaszu111 Gustav to the reactor, at least one Commandergasabdies Gustav of the reactor, at least one analysis unit in operative connection with the Commandergasabschreibtechnisch and an evaluation unit in operative connection with the analysis unit ,
  • the device according to the invention can be equipped by a multiplicity of reactors according to the invention, for example 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or more.
  • the reactors according to the invention are characterized in particular by the fact that very fast heating and cooling rates can be achieved with them.
  • Common heating rates are, for example, in the range from 150 to 200 K / min, in particular from 170 to 200 K / min. Consequently, reaction temperatures within the reactor vessel of about 500 ° C. can be reached in a very short time.
  • reactor temperatures in the range of 1000 to 1500 ° C are readily possible. If the reactor according to the invention is heated to very high temperatures, it is advisable not to use air as compressed gas for the cooling, but an inert compressed gas in order to prevent a detonation of the reactor block.
  • Suitable analysis units include, for example, mass spectrometers, IR spectrometers, gas chromatographs and flame absorption spectrometers.
  • the device according to the invention also comprises at least one evaporator unit for feeding steam and / or gaseous organic compounds into the gas feed line.
  • evaporator unit substances such as water vapor and evaporable hydrocarbons can be introduced into the (educt) gas stream, which can be very realistic catalytic exhaust gas compositions, as they are usually released from internal combustion engines, simulate.
  • the device according to the invention further comprises a multiple valve, at least one first gas supply line to the multiple valve, at least one second gas supply line from the multiple valve to at least one first reactor, at least one gas discharge line from the first and / or second reactor to the multiple valve and at least one Gas discharge line from the multiple valve to the analysis unit.
  • a device further comprises at least a second gas supply line from the multiple valve to a second reactor.
  • Suitable multiple valves are e.g. 6-, 8-, 10- or 12-way valves.
  • this device also contains at least one bypass sample loop, which is operatively connected to the multiple valve.
  • bypass sample loops can be used for calibration for measurements to be made.
  • the educt gas or a component of the educt gas can be passed through the bypass sample loop in different concentrations before it is fed to the analysis unit.
  • such a device has proven suitable when using reactant gases containing water or steam, which further comprises a heatable container, in which the multiple valve, possibly the bypass sample loop (s), at least partially to the gas supply the reactor (s), in each case at least sections of the gas supply line (s) to the multiple valve, in each case at least partially the Gasab2020technisch (s) from the reactor to the analysis unit, the Gasab2020 Gustav (s) to the multiple valve, optionally the outlet end of the reactor or the Realctoren, and / or in each case at least partially the gas discharge line (s) from the multiple valve to the analysis unit is present or present.
  • the multiple valve possibly the bypass sample loop (s), at least partially to the gas supply the reactor (s), in each case at least sections of the gas supply line (s) to the multiple valve, in each case at least partially the Gasabrios rend (s) from the reactor to the analysis unit, the Gasabdiestechnisch (s) to the multiple valve, optionally the outlet end of the reactor or the Realctoren, and / or in each
  • the multiple valve at least partially, the gas supply lines to the reactors, the gas supply lines to the multiple valve, the gas discharge lines from the reactors to the multiple valve, and the gas discharge lines from the multiple valve to the analysis unit.
  • devices according to the invention are provided, in which the discharge line of a first reactor is connected or connectable to the inlet opening of a second reactor. It can further be provided that the Gasabdiestechnisch the second reactor is connected to the inlet opening of a third reactor or connectable.
  • the product gas obtained in a reactor of the device according to the invention is passed into the second reactor.
  • This type of product gas conduction can be repeated as often as desired up to the xth reactor, whereupon the final product gas obtained is fed to the analysis unit, directly or via the multiple valve.
  • Suitable diluent gases are inert gases such as argon or nitrogen.
  • the object underlying the invention is further achieved by a method for determining the activity of catalysts for heterogeneous gas phase reactions using a device according to the invention, comprising the steps:
  • reaction of carbon monoxide, hydrocarbons for example propane, nitrogen oxides, hydrogen, sulfur oxides and ammonia can be readily followed.
  • the determination of the respective light-off temperatures is achieved with high accuracy.
  • the present invention was based on the surprising finding that can be achieved with the reactor according to the invention very fast heating and cooling rates, which in turn very short Wiederholungszyklen be possible. Furthermore, it has surprisingly been found that a very rapid and reliable mass screening is possible with the device according to the invention for testing catalysts already with low expenditure on equipment, for example with a small number of realators. Furthermore, the device according to the invention is suitable for analyzing the reaction products obtained directly and promptly. Finally, even when powdery catalyst samples are used, it is possible to draw very accurately useful conclusions about monolithic catalysts. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description, are explained in the preferred embodiments of the invention by way of example with reference to schematic drawings. Showing:
  • Figure 1 is a schematic longitudinal sectional view through a reactor according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view through the reactor according to the invention according to FIG. 1;
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view through an alternative embodiment of a reactor according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic longitudinal sectional view through an alternative embodiment of a reactor according to the invention.
  • Figure 5 is a schematic longitudinal sectional view through a further alternative
  • Figure 6 is a schematic representation of the device according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic representation of the interconnection of the invention
  • Figure 8 is a schematic representation of an alternative embodiment of the
  • Figure 9 is a schematic representation of another alternative embodiment of a
  • Figure 10 is a schematic longitudinal sectional view of a dilution device for the product gas
  • FIG. 11 shows a temperature profile for a measuring program for a reactor according to the invention of a device according to the invention
  • FIG. 12 shows a temperature profile during a measuring cycle with a device according to the invention
  • FIG. 13 shows a diagram, obtained by the method according to the invention, for determining the CO light-off temperature
  • FIG. 14 shows a diagrammatic representation of CO light-off temperatures determined with the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a reactor 1 according to the invention.
  • This reactor has an inlet end 2 with an inlet 4 and an outlet 6 with an outlet 8.
  • a receiving device 12 is mounted in the form of a stainless steel mesh on which a catalyst sample 14 is present.
  • a thermocouple 16 is introduced in order to detect the reaction temperature of the catalyst continuously or punctually.
  • the alternating arrangement of cooling units 18 and heating units 20 can be seen, which are arranged concentrically around the reactor vessel 10.
  • the cooling and heating units 18, 20 are in the form of a one-piece tempering unit 22, which surrounds the wall of the tube-like reactor vessel 10 with an exact fit.
  • Suitable Realctoren according to the invention can advantageously be highly miniaturized without having to accept sacrifices in the validity of the results obtained.
  • the length of a reactor vessel may be, for example, in the range of 5 to 25 cm.
  • the diameter of such a reactor can, for example, be in the range of 3 to 15 mm, preferably 4 to 10 mm.
  • a preferred embodiment of a reactor 1 according to the invention has a cross-section represented in FIG.
  • the cooling units 18 and heating units 20 are each separated by recesses 24 and accordingly have only adjacent to the wall of the reactor vessel 10 via mutual contact.
  • the weight or the total mass of the reactor to be heated is further reduced, which again involves shortened heating and cooling phases.
  • heating cartridges to form a heating module 30 can be inserted.
  • the heating unit 20 can be made smaller. Even with this measure, the heating and cooling behavior of the reactor can be further improved.
  • the cooling rate when using cooling gas can be achieved by pre-cooling the compressed air or the compressed gas, for. B. by means of cryostats, and / or by increasing the gas or air pressure can be increased again.
  • the reactor according to the invention can easily be cooled from 500 ° C. to room temperature in 20 minutes.
  • the cooling units 18 are preferably provided with a continuous cavity 26 for passing compressed air or compressed gas for cooling. As well as for the heating unit 20, it is preferable for the cooling unit 18 to use a good heat-conductive material which surrounds the respective cavities and is in contact with the reactor vessel 10.
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of a reactor 1 according to the invention.
  • the cooling and heating units 18 and 20 surrounding the reactor vessel 10 can in turn, however, be spaced apart from one another by a jacket 32.
  • This jacket 32 is preferably provided with a baffle 34 adjacent to that end of the cooling unit 18 or cooling units, from which emerges the pressurized gas or compressed air used for cooling.
  • a particularly effective redirecting the cooling gas which is guided past the outer walls of cooling and heating units 18, 20 and this additionally cools.
  • the pressurized gas or compressed air then escapes advantageously over a region opposite the outlet end.
  • the described compressed air guide is again particularly clearly apparent from the schematic Lssensschntittsansicht a reactor according to the invention according to Figure 5.
  • the compressed air is passed through the continuous cavity 26 of the cooling unit 18 and deflected at the baffle 34 in the region of the outlet end of the reactor 1.
  • This preferred embodiment of a reactor according to the invention also has a feed line 36 for the gas to be reacted to the inlet opening 38 in the region of the inlet end 2.
  • This feed line 36 is guided along a heating unit 20 in thermal contact therewith. In this way, the gas to be reacted can be introduced preheated into the reactor vessel 10.
  • FIG. 6 shows a schematic system diagram of a device 40 according to the invention.
  • the device 40 comprises five reactors 1 according to the invention (R1, R2, R3, R4 and R5), as described above, which can all be cooled with compressed air.
  • a suitable, in particular variable, gas supply 42 for example by means of MFCs
  • the gas or gas mixture to be reacted is made available.
  • This gas to be reacted can be supplied to the respective reactors 1 by means of a gas supply line 46 either directly or, as shown, via a multiple valve 44.
  • From the multiple valve 44 e.g. a 12-way valve, go from each gas supply lines 64 to the inlet openings of the respective reactors 1.
  • gas discharge lines 48 lead from the outlet openings 8 of the reactors 1 again to the multiple valve 44.
  • the reacted gas or gas mixture passes from the multiple valve 44 to the analysis unit 52.
  • an evaporator unit 54 can be provided, via which, for example, steam or gaseous hydrocarbons are fed into the gas originating from the gas supply 42 before it is fed to the reactors 1.
  • the evaporator 54 may be e.g. be supplied with water with an LFC.
  • a heatable container 56 in which the multiple valve 44 and the supply lines 46 and 64 and the discharge lines 48 and 50, in each case at least in sections, as well the Byp
  • the device according to the invention opens up manifold possible combinations in order to connect the reactors 1 according to the invention to one another in series or in parallel.
  • FIG. 10 shows a dilution device 62 with which the product gas withdrawn from a reactor is diluted before being fed to the analysis unit.
  • a diluent gas for example, nitrogen comes into question.
  • the product gas can be supplied to the analysis unit, eg an FT-IR device, without loss of time.
  • the analysis unit eg an FT-IR device
  • a volume flow required for the analysis unit can only be achieved by dilution.
  • condensation of liquids, for example water, or the reaction of nitrogen oxides can be suppressed by way of dilution of the product gas.
  • the volume flow with the inventive dilution device can easily be diluted 10-fold.
  • FIG. 11 shows a temperature / concentration profile for two reactors 1 according to the invention of a device 40 according to the invention.
  • the embodiment of a device according to the present invention has been equipped with a bypass loop 60 via which a control unit is used containing appropriate control software, different concentrations of educt gas were adjusted for calibration.
  • the composition of the reaction gas to be tested is set.
  • the heating of the reactor has been awaited for a short time in order to achieve a uniform distribution of the reaction gas in the container.
  • the temperature ramp was then started starting from an initial temperature of 70 ° C (first temperature) in the reactor vessel in the range of 150 K / min.
  • reaction gas carbon monoxide was completely converted via the oxidation catalyst present in the reactor vessel. Subsequently, a bypass sample loop can again be approached via the multiple valve in order to carry out a renewed calibration in preparation for the measurement cycle in the second reactor. During these phases, the temperature of the first reactor is cooled down within a few minutes by means of cooling gas as described above.
  • FIG. 12 shows a temperature / time diagram for a device according to the invention, comprising a total of four reactors according to the invention. These reactors are started up sequentially, i. heated with a very high heating rate and then cooled again using compressed air. This cooling process is so rapid for all reactors that, as well as the measuring cycle for the fourth reactor is completed in sequential operation, the first reactor has reached its initial temperature again and for a new measuring cycle, i. a new heating phase is available.
  • FIG. 13 shows a result of the conversion of carbon monoxide over time with the aid of an analysis unit of a device according to the invention as the temperature in a reactor according to the invention is increased. On the basis of determined at different times carbon monoxide concentrations can easily determine the light-off temperature.
  • FIG. 14 shows the result of light-off temperature measurements of catalyst systems of the same type present in five reactors. These are averages obtained from a variety of repeat measurements taken over a long period of time. As can be seen from the figure, the light-off temperature measurement was carried out twice in total. Every single measurement included a large number of repetitive cycles. As the diagram analysis shows, the tests carried out provide reproducible results.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung einen Reaktor zur Durchführung heterogener Gasphasenreaktionen oder zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen, umfassend mindestens einen Reaktorbehälter mit einem Einlaßende und einem Auslaßende, enthaltend mindestens eine Aufnahmevorrichtung für einen Katalysator, mindestens eine Eintrittsöffhung für umzusetzendes Gas im Bereich des Einlaßendes und mindestens eine Austrittsöffhμng für umgesetztes Gas im Bereich des Auslaßendes, - mindestens zwei Einheiten zum Kühlen des Reaktorbehälters, die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter stehen, und mindestens eine, insbesondere mindestens zwei Einheiten zum Heizen des Reaktorbehälters, die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter stehen, wobei die Kühl- und Heizeinheiten in der Weise angeordnet sind, daß der Reaktorbehälter wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator, insbesondere im wesentlichen homogen, erwärmbar bzw. abkühlbar ist. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen, umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Reaktor, mindestens eine Gaszuführleitung zu dem Reaktor, mindestens eine Produktgasabführleitung von dem Reaktor, mindestens eine Analyseeinheit in Wirkverbindung mit der Produktgasabführleitung und eine Auswerteeinheit in Wirkverbindung mit der Analyseeinheit.

Description

Reaktor für heterogene Gasphasenreaktionen, Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen und Verfahren zum Testen solcher Katalysatoren
Beschreibunfi
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung heterogener Gasphasenreaktionen sowie zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen.
Obwohl bereits seit langem bekannt, nehmen heterogene Gasphasenreaktionen noch stets an Bedeutung zu, nicht zuletzt wegen des sehr kosteneffizienten Einsatzes des Katalysatormaterials. Dessen Wiederverwendbarkeit fällt hierbei ebenso ins Gewicht wie die in der Regel unproblematische Handhabung von Edukten und Produkten. Für heterogene Gasphasenreaktionen kommen sowohl Reduktionskatalysatoren, beispielsweise bei der selektiven Reduktion von Hydroxygruppen oder der partiellen Hydrierung von Doppelbindungen, als auch Oxidationskatalysatoren, wie sie zum Beispiel in Kraftfahrzeugen als Abgaskatalysatoren, in Betracht. Mit Hilfe solcher Abgaskatalysatoren sollen zum Beispiel schwefelhaltige Rückstände, Kohlenmonoxid, polycyclische aromatische Verbindungen, Stickoxide und Rußpartikel entfernt werden. Beispielsweise werden bei der SCR-Technologie (selektive katalytische Reduktion) Stickoxide an einem geeigneten Katalysator in Gegenwart von Ammoniak zu Stickstoff reduziert. SCR-Katalysatoren basieren im allgemeinen auf einem Element aus der Gruppe Pt, Pd, Rh, Ir, Au, Ag und Ru. Für die kontinuierliche Regenerierung von Partikelfiltern wird auf das sogenannte CRT- Verfahren (continuous regeneration trap), wie in der DE 199 55 124 Al und der DE 103 21 105 Al beschrieben, zurückgegriffen. Dem Partikelfϊlter wird hierbei in der Abgasleitung ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet, der das im Abgas enthaltene Stickoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert, das sodann für die Oxidation von Kohlenmonoxid beziehungsweise Ruß eingesetzt wird.
Um zu einem für die Serienfertigung geeigneten Abgaskatalysator zu gelangen, sind in der Regel zahlreiche Testreihen und Optimierungszyklen erforderlich. Der Aufwand für solche Testreihen wird nochmals dadurch erhöht, daß die zu testenden Katalysatoren im allgemeinen auf einem geeigneten Monolithen aufzutragen und für jede individuelle Katalysatorzusammensetzung die optimale Reaktionstemperatur herauszufinden sind. Ein charakteristischer Parameter für Abgaskatalysatoren ist die sogenannte Light-Off-Temperatur. Hierbei handelt es sich um diejenige Katalysatortemperatur, bei der dieser 50 % seiner Nenn-Konvertierungsrate erreicht.
Die DE 102 54 477 B3 schlägt ein Prüfverfahren für die Bestimmung der Funktionsfähigkeit eines Abgaskatalysators vor, das es erlaubt, auf einen separaten Temperatursensor zu verzichten, und zwar ohne daß hierbei der Kraftstoffverbrauch wesentlich erhöht wird. Die hierfür verwendete Prüfeinrichtung ist noch stets sehr aufwendig und erfordert beispielsweise eine Einspritzanlage zur Testeinspritzung einer vorgegebenen Kraftstoffmenge während eines Expansionstakts oder während eines Auslaßtakts der Brennkraftmaschine, eine Abgasrückführeinrichtung, eine Meßrichtung und eine Auswerteeinheit.
Auch das Verfahren gemäß der DE 103 33 337 Al macht sich die Bestimmung der Light-Off- Temperatur zu Nutze, um ein Katalysatorsystem mit einem motornahen Vorkatalysator und einem Hauptkatalysator zu vermessen. Hierbei wird spezifisch auf die Sauerstoffspeicherfähigkeit von Vor- und Hauptkatalysator abgestellt.
Die DE 101 01 118 Al offenbart ein sehr komplexes Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren. Danach gelingt ein High-Throughput-Screening durch eine schnelle Ermittlung kinetischer Daten in einer großen Zahl parallel betriebener Realctoren. Die Konzentrationen der Schlüsselreaktanten und -produkte werden am Reaktorein- und -ausgang jedes einzelnen Reaktors, welche mit unterschiedlichen katalytischen Materialien beschielet sind, gemessen. Zudem erfolgen die Konzentrationsbestimmungen der Reaktanten am Reaktorausgang für unterschiedliche Temperaturen, Verweilzeiten, Drücke und Reaktantenkonzentrationen am Reaktoreingang. Auf diese Weise soll sich die Katalysatorleistung bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen voraussagen lassen. Das in der DE 101 01 118 Al beschriebene Verfahren ist apparativ und verfahrenstechnisch sehr aufwendig.
Die US-Patentanmeldung US 2003/0012700 Al betrifft ein Verfahren zum parallelen Testen von Katalysatorsystemen, wobei besonderes Augenmerk auf die Anordnung und Ausgestaltung von Zuführventilen für das Reaktionsgas gelegt wird. Mit der Vorrichtung gemäß der US 2003/0012700 Al können eine Vielzahl an unterschiedlichen Reaktoren mit ein und demselben einheitlichen Reaktionsgas parallel beschickt werden.
Auch die WO 2005/047887 Al offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen einer Vielzahl an Katalysatorproben. Hierbei werden auf vorgegebene Art und Weise beladene Reaktorgefäße seriell aus einer Lagerzone in eine Reaktionszone transferiert, in der das Reaktionsgefäß mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit aufgeheizt wird.
Aus der US 4,099,923 geht eine Vorrichtung zum automatischen Screenen einer Vielzahl von Katalysatorsystemen hervor. Diese Vorrichtung bedarf einer Vielzahl an Reaktoreinheiten, Heizmodulen, Gaszuführemrichtungen sowie Analyse- und Kontrolleinheiten.
Es wäre wünschenswert, auf Vorrichtungen zum Testen einer Vielzahl an Katalysatoren zurückgreifen zu können, die nicht mit den Nachteilen des Stands der Technik behaftet sind. Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine apparativ einfache Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren verfügbar zu machen, mit der sich kurze Wiederholungszyklen verwirklichen lassen, die eine direkte und zeitnahe Analyse der Reaktionsprodukte erlaubt und mit der sich charakteristische Parameter wie die Light-Off-Temperatur auch bei hohem Probendurchsatz mit hoher Genauigkeit bestimmen lassen. Ferner lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Reaktoren für derartige Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor zur Durchführung heterogener Gasphasenreaktionen oder zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen, umfassend mindestens einen Reaktorbehälter mit einem Einlaßende und einem Auslaßende, enthaltend mindestens eine Aufnahmevorrichtung für einen Katalysator, mindestens eine Eintrittsöffhung für umzusetzendes Gas im Bereich des Einlaßendes und mindestens eine Austrittsöffnung für umgesetztes Gas im Bereich des Auslaßendes, mindestens zwei Einheiten zum Kühlen des Reaktorbehälters, die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter stehen, und mindestens eine, insbesondere mindestens zwei Einheiten zum Heizen des Reaktorbehälters, die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter stehen, wobei die Kühl- und Heizeinheiten in der Weise angeordnet sind, daß der Reaktorbehälter wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator, insbesondere im wesentlichen homogen, erwärmbar bzw. abkühlbar ist.
Der Reaktorbehälter kann beispielsweise ein Rohr darstellen, kann jedoch auch jede beliebige geeignete Behälterform annehmen, die für die Durchführung einer heterogen-katalytischen Gasphasenreaktion geeignet ist. Über das Einlaßende kann der Reaktorbehälter mit dem Katalysatormaterial beschickt werden. Je nach der Höhe des bei der Gasphasenreaktion anzuwendenden Drucks kann das Einlaßende gegebenenfalls dichtend verschlossen werden. Unter dem Auslaßende des Reaktors soll im Sinne der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich verstanden werden, der sich an die Reaktionszone, also an den Bereich, in dem der Katalysator vorliegt, anschließt und in den die Produktgase nach der Reaktion transportiert werden. Vorzugsweise schließt sich die Ausrittsöffnung des Reaktors unmittelbar an das Auslaßende an. In diesem Fall bildet die Öffnung des Auslaßendes die Austrittsöffnung. Ebenso kann in einer Ausführungsform die Öffnung des Einlaßendes mit der Eintrittsöffnung zusammenfallen. Die (Gas)Eintrittsöffhung kann auch an einer anderen Stelle des Reaktorbehälters oder Einlaßendes vorgesehen sein. Über das Einlaßende wird regelmäßig der Katalysator zugeführt und wieder entnommen. Die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator liegt somit vorzugsweise zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende des Reaktors vor. Homogen erwärmbar oder abkühϊbar im Sinne der vorliegenden Erfindung soll ein gleichmäßiges Erwärmen bzw. Abkühlen des Reaktors bzw. des Reaktorbehälters zumindest im Bereich der Aufhahmevorrichtung umfassen, ohne markante Temperaturstufen oder -Sprünge aufzuweisen.
hi einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Aufhahmevorrichtung für den Katalysator eine für Gas durchlässige Unterlage oder einen für Gas durchlässigen Behälter darstellt.
Besonders bevorzugt stellt die Aufhahmevorrichtung als gasdurchlässige Unterlage ein Sieb, vorzugsweise aus Edelstahl, oder eine poröse Matte dar. Hiermit können insbesondere Katalysatorpulver gut eingetragen und aufgenommen werden. Für Monolithe kann als Aufnahmevorrichtung ein Halteelement gewählt werden. Dieses kann beispielsweise in der Verjüngung des Innenraums des Reaktorbehälters bestehen, so daß ein weiteres Durchrutschen des Monolithen verhindert wird. Um den apparativen Aufwand und die Apparatekosten möglichst gering zu halten, kann der Reaktorbehälter auch in der Weise ausgeführt sein, daß darin nur miniaturisierte Monolithe Platz finden. Alternativ zu einem Katalysator in Pulverform kann auch auf Katalysatorgranulate oder -pellets zurückgegriffen werden. Der Vorteil, mit dem erfmdungsgemäßen Reaktor bzw. der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Katalysatorpulver verwenden zu können, ist neben der möglichen Miniaturisierung darin zu erblicken, daß auf die aufwendige Herstellung von Monolithen zu Testversuchen verzichtet werden kann. Bei Monolithen hat sich häufig als problematisch erwiesen, daß der Katalysatorauftrag ungleichmäßig ist. Hiermit gehen beispielsweise bei der Bestimmung der Light-off-Temperatur Fehlergrenzen im Bereich von +/- 10°C einher, wohingegen mit den erfindungsgemäßen Reaktoren und Vorrichtungen Fehlergrenzen im Bereich +/- 20C und Meiner zugänglich werden.
Bevorzugt liegen die Kühl- und/oder Heizeinheiten zwischen dem Einlaßende und dem Auslaßende des Reaktorbehälters in thermischem Kontakt mit diesem vor.
Vorteilhafterweise umfaßt die die Kühleinheit mindestens einen Hohlraum bzw. eine Bohrung mit einem Einlaßende und einem Auslaßende zur Durchleitung von Kühlgas, insbesondere Druckgas. In der Regel reicht es bereits aus, insbesondere vor dem Hintergrund einer gewünschten Miniaturisierung des Reaktors, Durchmesser für die Hohlräume bzw. Bohrungen zu wählen, die im Bereich von 3 bis 15, vorzugsweise von 4 bis 10 mm, liegen. Die Hohlräume bzw. Bohrungen können auch derart ausgestaltet sein, daß als Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit einfuhrbar oder durchleitbar ist.
Die Kühleinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist demgemäß in der Weise konzipiert, daß sie die Kühlung des Reaktorbehälters bzw. Reaktors ermöglicht. Ein Kühlmodul, d.h. eine Vorrichtung, mit der die Kühlung des Reaktors bzw. Reaktorbehälters letztendlich bewerkstelligt wird, kann beispielsweise eine solche Kühleinheit umfassen, in deren Hohlraum ein Kühlstab, beispielsweise enthaltend Flüssigstickstoff vorliegt. Bevorzugt wird die Kühlung herbeigeführt durch eine mit dem Hohlraum bzw. der Bohrung der Kühleinheit verbundene oder verbindbare Druckgasleitung. Dieses System aus Druckgasleitung und Kühleinheit stellt dann ebenfalls ein Kühlmodul in dem vorangehend beschriebenen Sinne dar.
Des weiteren kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Heizeinheit mindestens einen Hohlraum bzw. eine Bohrung zur Aufnahme mindestens eines Heizelements umfaßt. Dieser Hohlraum kann gegebenenfalls auch durchgängig sein. In der Regel reicht es bereits aus, insbesondere vor dem Hintergrund einer gewünschten Miniaturisierung des Reaktors, Durchmesser für die Hohlräume bzw. Bohrungen zu wählen, die im Bereich von 3 bis 15, vorzugsweise von 4 bis 10 mm, liegen.
Geeignete Heizelemente umfassen zum Beispiel elektrische Heizwiderstände, beispielsweise in Form von Heizpatronen. Heizpatronen sind vorteilhafterweise derart gestaltet, daß sie im wesentlichen paßgenau in den Hohlraum der Heizeinheit einführbar sind, um einen optimalen Wärmeübergang zu gewährleisten. Mit diesen Heizelementen lassen sich Temperaturen von beispielsweise 14000C erzielen, wobei selbstverständlich auch noch höhere Temperaturen möglich sind.
Ein besonders gutes Aufheizen bzw. Abkühlen des Reaktors gelingt dadurch, daß die Heiz- und Kühleinheiten alternierend um den Reaktorbehälter angeordnet sind. Bevorzugt liegen die Heiz- und Kühleinheiten hierbei konzentrisch um den Reaktorbehälter vor. Als vorteilhaft hat sich weiterhin erwiesen, daß jeweils benachbarte Heiz- und Kühleinheiten überwiegend nicht miteinander in Kontakt stehen. Auf diese Weise lassen sich nochmals gesteigerte Abkühl- und Aufheizgeschwindigkeiten erzielen, ohne daß dadurch die Homogenität der Erwärmung bzw. Abkühlung beeinträchtigt wird.
Im allgemeinen ist hierfür bereits ausreichend, daß jeweils benachbarte Heiz- und Kühleinheiten durch Materialaussparungen, die sich wenigstens bereichsweise zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende des Reaktorbehälters erstrecken, getrennt sind.
Gemäß eines besonders bevorzugten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfaßt der Reaktor ferner eine Ummantelung, die zumindest bereichsweise beabstandet ist von den Kühl- und Heizeinheiten und die den Reaktorbehälter wenigstens bereichsweise, insbesondere vollumfänglich, umgibt. Hierdurch lassen sich die beabsichtigten Kühl- und Heizeffekte nochmals forcieren. Eine besonders effektive Weiterentwicklung umfaßt hierbei mindestens eine Prallfläche zur Umleitung des durch das Auslaßende des Hohlraums der Kühleinheit austretenden Kühlgases durch den Raum zwischen Ummantelung und den Kühl- und Heizeinheiten. Wird zum Beispiel Druckgas durch die Kühleinheit geleitet, wird dieses durch die Prallfläche umgelenkt, um sodann in umgekehrter Richtung zwischen der Außenwand des Reaktors bzw. der Heiz- und/oder Kühleinheiten und der Umantelung zu entweichen. Das Druckgas wird somit zur Kühlung doppelt genutzt. Ummantelung und Prallfläche sind vorzugsweise miteinander, insbesondere dicht, verbunden oder verbindbar und in einer Ausführungsform einstückig ausgeführt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform umfaßt ferner mindestens eine Zuleitung für das umzusetzende Gas zu dem Reaktorbehälter, die wenigstens bereichsweise in thermischem Kontakt mit mindestens einer Heizeinheit vorliegt. Anstatt die Zuführleitung des umzusetzenden Gases über eine beabstandede Leitung der Eintrittsöffhung des Reaktors zuzuführen, wird bei dieser Ausführungsform diese Leitung in thermischen Kontakt mit einer Heizeinheit gebracht, um so das Gas vorzuheizen, wodurch sich nochmals schnellere Aufheizgeschwindigkeiten und damit kürzere Meßzyklen bewerkstelligen lassen. Von Vorteil hinsichtlich der genauen Verfolgung der untersuchten Aktivität der Katalysatoren ist es, wenn der Reaktor ferner mindestens einen ersten Temperatursensor, insbesondere ein erstes Thermoelement, innerhalb des Reaktorbehälters enthält. Eine besonders genaue Verfolgung des Temperaturverhaltens gelingt insbesondere dann, wenn der Temperatursensor im Bereich der Aufnahmevorrichtung des Katalysators vorliegt, so daß die Temperatur in einer Katalysatorprobe meßbar ist. Die Genauigkeit bei der Verfolgung der untersuchten Reaktionen wird durch einen zweiten, in der Wandung des Reaktorbehälters benachbart zur Aufnahmevorrichtung des Katalysators vorliegenden Temperatursensor nochmals erhöht. Der Sensor liegt hierbei vorzugsweise in der Wandung vor, die in Kontakt zu der Katalysatorprobe oder der Aufnahmevorrichtung steht. Auf diese Weise kann noch zuverlässiger die Temperaturführung eines individuellen Reaktors angesteuert bzw. geregelt werden. Auch läßt sich sehr exakt die Wärmetönung eines reaktiven Gasgemisches bei einer exotherm verlaufenden heterogen- katalytischen Gasphasenreaktion festhalten. Eine solche Wärmetönung läßt sich z.B. für eine katalytische Oxidation eines Kohlenmonoxid/Propan-Gasgemisches bei einer Reaktortemperatur von etwa 300°C selbst dann feststellen, wenn die Wärmetönungen sich nur minimal auswirken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Reaktors sind der Reaktorbehälter, die Kühleinheit(en) und/oder die Heizeinheit(en) einstückig ausgeführt. Demgemäß können z.B. Kühl- und Heizeinheiten, Kühleinheiten und Reaktorbehälter, Heizeinheiten und Reaktorbehälter oder Kühleinheiten, Heizeinheiten und Reaktorbehälter einstückig ausgeführt. Die Verwendung einstückiger Module liefert insbesondere in der Handhabung der Reaktoren, vor allem wenn eine Vielzahl an Reaktoren nebeneinander eingesetzt werden, erhebliche Vorteile.
Von besonderem Vorteil ist in diesem Zusammenhang ein solcher Reaktor, der mindestens ein Temperieraggregat umfaßt, das mindestens zwei Einheiten zum Kühlen des Reaktorbehälters und mindestens eine, insbesondere mindestens zwei Einheiten zum Heizen des Reaktorbehälters enthält, wobei das Temperieraggregat wenigstens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter die Aufnahmevorrichtung für den Katalysator vorliegt, in thermischem Kontakt mit diesem Reaktorbehälter steht oder bringbar ist und wobei die Kühl- und Heizeinheiten in der Weise anordbar bzw. angeordnet sind, daß der Reaktorbehälter im Bereich der Aufhahmevorrichtung für den Katalysator, insnbesondere im wesentlichen homogen, erwärmbar oder abkühlbar ist.
Das Temperieraggregat beinhaltet somit modulartig die Kühl- und Heizeinheiten des Reaktors. Hierbei ist es wiederum von Vorteil, wenn das Temperieraggregat im wesentlichen einstückig ist. Hinsichtlich der bevorzugten Ausrührungsformen der Heiz- und Kühleinheiten des Temperieraggregats gilt das vorangehend gesagte hier entsprechend.
Besonders bevorzugt liegen Temperieraggregat und Reaktorbehälter im wesentlichen einstückig ausgebildet vor.
Die Aufhahmevorrichtung für den Katalysator kann beispielsweise ohne weiteres für Katalysatorenmengen im Bereich von 20 mg bis 700 mg ausgelegt sein. Bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Reaktor pulverförmige Katalysatoren eingesetzt. Deren Menge und/oder Aktivität kann man beispielsweise durch Hinzufügung geeigneter inerten Schüttmaterialien wie sie Siliziumcarbit steuern.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Heizeinheit einen Heizwiderstand, beispielsweise in der Form eines Heizdrahtes, umfassen, welcher den Reaktorbehälter wenigstens im Bereich der Aumahmevorrichtung für den Katalysator und/oder die Kühleinheit(en) wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung für den Katalysator umgibt. Bei dieser Gestaltungsform läßt sich die Anzahl der Kühleinheiten, die um den Reaktorbehälter herum anordbar sind, nochmals erhöhen, wodurch kürzere Meßzyklen möglich werden.
Bevorzugt können bei einer solchen Ausgestaltung z.B. 4, 5 oder 6 Kühleinheiten benachbart zueinander vorliegen und den Reaktorbehälter umgeben.
Liegen beispielsweise zwei oder mehr Kühl- und/oder Heizeinheiten vor, sind diese vorzugsweise alternierend um den Reaktorbehälter angebracht. Für bevorzugte Realctoren reichen in der Regel bereits drei Kühleinheiten und drei Heizeinheiten, die alternierend angebracht sind, aus. Zufriedenstellende Resultate werden selbstverständlich auch bereits mit einer geringen Anzahl an Kühl- und/oder Heizeinheiten erzielt. Selbstverständlich kann auch eine größere Anzahl an Kühl- bzw. Heizeinheiten, beispielsweise 4, 5, 6 oder 7 solcher Einheiten, um den Reaktorbehälter, vorzugsweise alternierend, angebracht sein. Durch eine gleichförmige, insbesondere alternierende, Anordnung von Kühl- und Heizeinheiten um den Reaktorbehälter herum wird sicher gestellt, daß der Reaktorbehälter wenigstens im Bereich der Aufhahmevorrichtung für den Katalysator im wesentlichen homogen erwärmbar bzw. abkühlbar ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des weiteren gelöst durch eine Vorrichtung, umfassend mindestens einen erfmdungsgemäßen Reaktor, mindestens eine Gaszuführleitung zu dem Reaktor, mindestens eine Produktgasabführleitung von dem Reaktor, mindestens eine Analyseeinheit in Wirkverbindung mit der Produktgasabführleitung und eine Auswerteeinheit in Wirkverbindung mit der Analyseeinheit. Grundsätzlich ist die erfmdungsgemäße Vorrichtung durch eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Reaktoren, beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr bestückbar.
Die erfindungsgemäßen Reaktoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß sich mit ihnen sehr schnelle Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten verwirklichen lassen. Gängige Aufheizgeschwindigkeiten (Temperaturrampen) liegen beispielsweise in Bereich von 150 bis 200 K/min, insbesondere von 170 bis 200 K/min. Folglich lassen sich in sehr kurzer Zeit Reaktionstemperaturen innerhalb des Reaktorbehälters von etwa 5000C erreichen. In Abhängigkeit der verwendeten Heizeinheiten und Heizelementen sind selbstverständlich ohne weiteres auch Reaktortemperaturen im Bereich von 1000 bis 1500°C möglich. Wird der erfindungsgemäße Reaktor auf sehr hohe Temperaturen aufgeheizt, empfiehlt es sich, für die Kühlung nicht Luft als Druckgas, sondern ein inertes Druckgas zu verwenden, um ein Zündern des Reaktorblocks zu unterbinden.
Insoweit mit den erfindungsgemäßen Realctoren sehr schnelle Aufheiz- und Ablcühlgeschwindigkeiten ermöglicht werden, gelangt man zu sehr kurzen Meßzyklen. Hierdurch läßt sich bereits mit einer geringen Anzahl an Reaktoren ein durchgehender Dauerbetrieb der erfmdungsgemäßen Vorrichtung aufrecht erhalten. So reichen beispielsweise bereits vier oder fünf erfindungsgemäße Reaktoren aus, um, ohne zusätzliche Kühlphasen einlegen zu müssen, nach Durchlaufen des Tests des in dem vierten bzw. fünften Reaktor befindlichen Katalysators unmittelbar anschließend wieder dem in dem ersten Reaktor vorliegenden Katalysator einem weiteren Test unterziehen zu können. Selbstverständlich läßt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ein einzelner Reaktor oder jeder beliebige Reaktor nach Beendung des Tests durch einen neuen Reaktor, enthaltend beispielsweise eine geänderte Katalysatormenge und/oder Katalysatorart, verwenden.
Geeignete Analyseeinheiten stellen beispielsweise Massenspektrometer, IR-Spektrometer, Gaschromatographen und Flammenabsorptionsspektrometer dar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform ferner mindestens eine Verdampfereinheit zur Einspeisung von Wasserdampf und/oder von gasförmigen organischen Verbindungen in die Gaszuführleitung. Durch Verwendung einer Verdampfereinheit können Substanzen wie Wasserdampf und verdampfbare Kohlenwasserstoffe in den (Edukt) Gasstrom eingeführt werden, wodurch sich sehr realistisch katalytisch zu reinigende Abgaszusammensetzungen, wie sie üblicherweise von Verbrennungsmaschinen freigesetzt werden, simulieren lassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung ferner ein Mehrfachventil, mindestens eine erste Gaszuführleitung zu dem Mehrfachventil, mindestens eine zweite Gaszuführleitung von dem Mehrfachventil zu mindestens einem ersten Reaktor, mindestens ein Gasabführleitung von dem ersten und/oder zweitem Reaktor zu dem Mehrfachventil und mindestens eine Gasabführleitung von dem Mehrfachventil zu der Analyseeinheit. Bevorzugt umfaßt eine solche Vorrichtung ferner mindestens eine zweite Gaszuführleitung von dem Mehrfachventil zu einem zweiten Reaktor. Geeignete Mehrfachventile sind z.B. 6-, 8-, 10- oder 12-fach- Ventile.
In einer alternativen Ausgestaltung enthält diese Vorrichtung ebenfalls mindestens eine Bypass- Probenschlaufe, die mit dem Mehrfachventil in Wirkverbindung steht. Die Verwendung von Bypass-Probenschlaufen läßt sich zur Kalibrierung für durchzuführende Messungen nutzen. So kann beispielsweise das Eduktgas bzw. eine Komponente des Eduktgases in unterschiedlichen Konzentrationen durch die Bypass-Probenschlaufe geleitet werden, bevor sie der Analyseeinheit zugeführt wird. Insbesondere für das Testen von Abgaskatalysatoren hat sich bei Verwendung von Wasser bzw. Wasserdampf enthaltenden Eduktgasen eine solche Vorrichtung als geeignet erwiesen, die ferner einen beheizbaren Behälter, in dem das Mehrfachventil, gegebenenfalls die Bypass- Probenschlaufe(n), jeweils zumindest abschnittsweise die Gaszuführleitung zu dem (den) Reaktor(en), jeweils zumindest abschnittsweise die Gaszuführleitung(en) zu dem Mehrfachventil, jeweils zumindest abschnittsweise die Gasabführleitung(en) von dem Reaktor zu der Analyseeinheit, die Gasabführleitung(en) zu dem Mehrfachventil, gegebenenfalls das Auslaßende des Reaktors bzw. der Realctoren, und/oder jeweils zumindest abschnittsweise die Gasabführleitung(en) von dem Mehrfachventil zu der Analyseeinheit vorliegt bzw. vorliegen, umfaßt. In einer Ausführungsform liegen in dem beheizbaren bzw. beheizten Behälter das Mehrfachventil, zumindest abschnittsweise die Gaszuführleitungen zu den Reaktoren, die Gaszuführleitungen zu den Mehrfachventil, die Gasabführleitungen von den Reaktoren zu dem Mehrfachventil und die Gasabführleitungen von dem Mehrfachventil zu der Analyseeinheit vor. Indem man alle maßgeblichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nicht bereits bedingt durch die Messung aufgeheizt werden oder sind, aufheizt, kann ein Auskondensieren von Wassertropfen oder von z.B. aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen verhindert werden. In der Regel reicht es hierfür bereits aus, den beheizbaren Behälter auf Temperaturen im Bereich von etwa 65 bis 90°C aufzuheizen.
Gemäß einem weiteren Aspekt sind erfϊndungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen, bei denen die Abführleitung eines ersten Reaktors mit der Eintrittsöffnung eines zweiten Reaktors verbunden oder verbindbar ist. Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Gasabführleitung des zweiten Reaktors mit der Eintrittsöffnung eines dritten Reaktors verbunden oder verbindbar ist.
Insbesondere wenn es gilt, optimale Bedingungen für in Serie geschaltete Katalysatoren zu finden, wie sie bei Abgaskatalysatoren für Verbrennungsmaschinen eingesetzt werden, leitet man das in einem Reaktor der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltene Produktgas in den zweiten Reaktor. Diese Art der Produktgasführung kann beliebig oft bis zum x'ten Reaktor wiederholt werden, woraufhin das erhaltene finale Produktgas der Analyseeinheit, direkt oder über das Mehrfachventil zugeführt wird. Um einen noch genaueren Einblick in das Verhalten der einzelnen in Serie geschalteten Katalysatoren zu erlangen, kann man von der Gasabführleitung des ersten Reaktors und/oder der Gasabführleitung des zweiten Reaktors bzw. jedes weiteren in Serie geschalteten Reaktors Produktgas, direkt oder über das Mehrfachventil, der Analyseeinheit zuführen.
Insbesondere zur Herbeiführung einer direkten und zeitnahen Analyse des erhaltenen Produktgases hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Einheit zur Verdünnung des Produktgases mit einem Verdünnungsgas stromaufwärts von der Analyseeinheit auszustatten. Geeignete Verdünnungsgase stellen inerte Gase wie Argon oder Stickstoff dar.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des weiteren gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Aktivität von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend die Schritte:
a) Durchleiten eines umzusetzenden Gases durch einen ersten Reaktor bei einer ersten Temperatur, in dem in bzw. auf einer Aufhahmevorrichtung ein erster Katalysator für eine heterogene Gasphasenreaktion vorliegt,
b) Bestimmen der Temperatur des Katalysators,
c) Zuführen des diesen Reaktor verlassenden, umgesetzten Gases, insbesondere über ein Mehrwegeventil zu einer Analyseeinheit,
d) quantitative und/oder qualitative Bestimmung einzelner oder sämtlicher Komponenten des umgesetzten Gases,
e) Zuordnen der qualitativen und/oder quantitativen Analyseergebnisse zu der de- tektierten Katalysatortemperatur in einer Auswerteeinheit und
f) Wiederholen der Schritte a) und e) bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder mit einem zweiten oder weiteren Reaktor und/oder einem zweiten und/oder weiteren Katalysator. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen sehr zügig und zuverlässig testen, wodurch regelmäßig eine sehr effiziente Optimierung der untersuchten Gasphasenreaktion gelingt. Dieses gilt insbesondere auch für das Testen von Abgaskatalysatoren. Daneben kommen auch alle sonstigen Oxidations- und Reduktionskatalysatoren in Frage. Exemplarisch sei auf Katalysatoren zur Kohlenmonoxidoxidation verwiesen, wie sie in Gasmasken zum Einsatz kommen. Weitere Beispiele sind die Hydrierung von Acrolein in der Gasphase sowie die Hochtemperaturoxidation von Methan. Die Optimierung der katalytischen Verbrennung von Methan liefert ein besonders eindrucksvolles Beispiel für die Effektivität der erfindungsgemäßen Reaktoren bzw. Vorrichtung, kann doch auf unkomplizierte, (kosten)effϊziente Weise versucht werden, geeignete Katalysatorsysteme zu finden, die bereits bei Temperaturen im Bereich von etwa 1300°C eine katalytische Verbrennung initiieren. Üblicherweise erfordert die Verbrennung von Methan Temperaturen von etwa 1600°C. Bei diesen Temperaturen wird jedoch häufig ein Zündern des Reaktorbehältermaterials beobachtet.
Beispielsweise lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Umsetzung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Propan, Stickoxiden, Wasserstoff, Schwefeloxiden und Ammoniak ohne weiteres verfolgen. Die Bestimmung der jeweiligen Lightoff-Temperaturen gelingt mit hoher Genauigkeit.
Der vorliegenden Erfindung lag die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Reaktor sehr schnelle Aufheiz- und auch Abkühlraten erzielen lassen, womit wiederum sehr kurze Wiederholungszyklen möglich werden. Des weiteren wurde überraschend gefunden, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren bereits mit geringem apparativen Aufwand, beispielsweise mit einer geringen Anzahl an Realctoren, ein sehr zügiges und zuverlässiges Massenscreening möglich ist. Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet, die erhaltenen Reaktionsprodukte direkt und zeitnah analysieren zu können. Schließlich lassen sich selbst bei Verwendung pulverförmiger Katalysatorproben sehr exakt brauchbare Rückschlüsse auf auf Monolithe aufgezogene Katalysatoren ziehen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand schematischer Zeichnungen erläutert sind. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Reaktor;
Figur 2 eine schematische Querschnittansicht durch den erfindungsgemäßen Reaktor gemäß Figur 1 ;
Figur 3 eine schematische Querschnittansicht durch eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors;
Figur 4 eine schematische Längsschnittansicht durch eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors;
Figur 5 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere alternative
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors;
Figur 6 eine schematische Darstellung der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 7 eine schematische Darstellung der Verschaltung von erfindungsgemäßen
Realctoren in einer Ausführungsform der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der
Verschaltung von erfϊndungsgemäßen Reaktoren in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 9 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform einer
Verschaltung von erfϊndungsgemäßen Reaktoren, mindestens eine Gasabführleitung von dem ersten und/oder zweiten Reaktor zu dem Mehrfachventil; Figur 10 eine schematische Längsschnittdarstellung einer Verdünnungseinrichtung für das Produktgas;
Figur 11 ein Temperaturprofϊl für ein Meßprogramm für einen erfindungsgemäßen Reaktor einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 12 ein Temperaturprofϊl während eines Meßzyklus mit einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 13 eine Diagrammdarstellung, erhalten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, zur Bestimmung der CO Light-Off-Temperatur; und
Figur 14 eine Diagrammdarstellung von mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten CO Light-Off-Temperaturen.
Figur 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reaktor 1 zu entnehmen. Dieser Reaktor verfügt über ein Einlaßende 2 mit einer Eintrittsöffnung 4 und ein Auslaßende 6 mit einer Austrittsöffhung 8. In der dem Auslaßende 6 zugewandten Hälfte des Reaktorbehälters 10 ist eine Aufnahmevorrichtung 12 in der Form eines Edelstahlnetzes angebracht, auf der eine Katalysatorprobe 14 vorliegt. In die Aufschüttung der pulverförmigen Katalysatorprobe 14 ist ein Thermoelement 16 eingeführt, um die Reaktionstemperatur des Katalysators fortwährend oder stichpunktartig erfassen zu können.
Anhand der Querschnittsansicht von Figur 2 des in Figur 1 abgebildeten Reaktors 1 ist die alternierende Anordnung von Kühleinheiten 18 und Heizeinheiten 20 zu ersehen, die konzentrisch um den Reaktorbehälter 10 angeordnet sind. Die Kühl- und Heizeinheiten 18, 20 liegen bei der in Figur 2 abgebildeten Ausfuhrungsform als einstückiges Temperieraggregat 22 vor, das die Wandung des rohrähnlichen Reaktorbehälters 10 paßgenau umgibt. Geeignete erfindungsgemäße Realctoren lassen sich vorteilhafterweise stark miniaturisieren, ohne Einbußen bei der Aussagekraft der ermittelten Ergebnisse hinnehmen zu müssen. Die Länge eines Reaktorbehälters kann beispielsweise im Bereich von 5 bis 25 cm liegen. Der Durchmesser eines solchen Reaktorbhehälters kann beispielsweise im Bereich von 3 bis 15 mm, vorzugsweise von 4 bis 10 mm liegen. Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors 1 verfügt über einen in der Figur 3 wiedergegebenen Querschnitt. Die Kühleinheiten 18 und Heizeinheiten 20 sind jeweils durch Aussparungen 24 voneinander getrennt und verfügen demgemäß nur noch benachbart zur Wandung des Reaktorbehälters 10 über gegenseitigen Kontakt. Hierdurch wird das Gewicht bzw. die zu erwärmende Gesamtmasse des Reaktors weiter verringert, womit nochmals verkürzte Aufheiz- und Abkühlphasen einhergehen. In die Hohlräume 28 der Heizeinheiten 20 sind beispielsweise Heizpatronen unter Ausbildung eines Heizmoduls 30 einführbar. Indem man die Heizpatronen möglichst klein dimensioniert, kann die Heizeinheit 20 verkleinert werden. Auch mit dieser Maßnahme läßt sich das Aufheiz- und Abkühlverhalten des Reaktors nochmals verbessern.
Die Abkühlgeschwindigkeit bei Verwendung von Kühlgas kann durch Vorkühlen der Druckluft bzw. des Druckgases, z. B. mittels Kryostaten, und/oder durch Erhöhung des Gas- bzw. Luftdruckes nochmals erhöht werden. Beispielsweise läßt sich der erfindungsgemäße Reaktor ohne weiteres in 20 Minuten von 5000C auf Zimmertemperatur abkühlen.
Die Kühleinheiten 18 sind vorzugsweise mit einem durchgängigen Hohlraum 26 versehen, um Druckluft bzw. Druckgas zur Kühlung hindurchzuleiten. Ebenso wie für die Heizeinheit 20 wird für die Kühleinheit 18 vorzugsweise ein gut wärmeleitfähiges Material eingesetzt, das die jeweiligen Hohlräume umgibt und in Kontakt mit dem Reaktorbehälter 10 steht.
Der Figur 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors 1 zu entnehmen. Hierbei können die den Reaktorbehälter 10 umgebenden Kühl- und Heizeinheiten 18 und 20 selber wiederum, allerdings beabstandet, von einer Ummantelung 32 umgeben sein. Diese Ummantelung 32 ist vorzugsweise mit einer Prallfläche 34 benachbart zu demjenigen Ende der Kühleinheit 18 bzw. Kühleinheiten angebracht, aus dem das zur Kühlung eingesetzte Druckgas bzw. die Druckluft austritt. Insbesondere wenn die Prallfläche dicht mit dem Reaktorbehälter 10 bzw. dem Auslaßende 6 verbunden ist, gelingt ein besonders effektives Umleiten des Kühlgases, das an den Außenwänden von Kühl- und Heizeinheiten 18, 20 vorbeigeführt wird und diese zusätzlich kühlt. Das Druckgas bzw. die Druckluft entweicht sodann vorteilhafterweise über einen in dem Auslaßende gegenüberliegenden Bereich. Die beschriebene Druckluftführung geht nochmals besonders deutlich aus der schematischen Längsschntittsansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors gemäß Figur 5 hervor. Die Druckluft wird durch den durchgehenden Hohlraum 26 der Kühleinheit 18 geleitet und an der Prallfläche 34 im Bereich des Auslaßendes des Reaktors 1 umgelenkt. Diese bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Reaktors verfügt ferner über eine Zuleitung 36 für das umzusetzende Gas zu der Eintrittsöffnung 38 im Bereich des Einlaßendes 2. Diese Zuleitung 36 wird entlang einer Heizeinheit 20 in thermischem Kontakt mit dieser geführt. Auf diese Weise kann das umzusetzende Gas vorgewärmt in den Reaktorbehälter 10 eingebracht werden.
Figur 6 zeigt ein schematisches Anlagenschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 40. Die Vorrichtung 40 umfaßt fünf erfindungsgemäße Reaktoren 1 (Rl, R2, R3, R4 und R5), wie vorangehend beschrieben, die sämtlichst mit Druckluft kühlbar sind. Über eine geeignete, insbesondere variable, Gasversorgung 42, beispielsweise mittels MFCs, wird das umzusetzende Gas bzw. Gasgemisch zur Verfügung gestellt. Dieses umzusetzende Gas kann mittels einer Gaszuführleitung 46 entweder direkt oder, wie abgebildet, über ein Mehrfachventil 44 den jeweiligen Reaktoren 1 zugeführt werden. Von dem Mehrfachventil 44, z.B. einen 12-fach- Ventil, gehen jeweils Gaszuführleitungen 64 zu den Eintrittsöffnungen der jeweiligen Reaktoren 1 aus. Entsprechend führen Gasabführleitungen 48 von den Austrittsöffnungen 8 der Reaktoren 1 wieder zu dem Mehrfachventil 44. Über eine weitere Abführleitung 50 gelangt das umgesetzte Gas bzw. Gasgemisch von dem Mehrfachventil 44 zu der Analyseeinheit 52.
Ferner kann eine Verdampfereinheit 54 vorgesehen sein, über die beispielsweise Wasserdampf oder gasförmige Kohlenwasserstoffe in das der Gasversorgung 42 entstammende Gas eingespeist werden, bevor dieses den Reaktoren 1 zugeführt wird. Der Verdampfer 54 kann z.B. mit einem LFC mit Wasser versorgt werden. Um jegliches Auskondensieren von Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, zu verhindern, sieht man, wie in Figur 6 gezeigt, einen beheizbaren Behälter 56 vor, in dem das Mehrfachventil 44 sowie die Zuführleitungen 46 und 64 und die Abführleitungen 48 und 50, jeweils zumindest abschnittsweise, sowie die Bypaßschlaufen vorliegen.
In der in Figur 6 wiedergegebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 sind sämtliche 5 Reaktoren 1 über das Mehrfachventil 44 sequentiell ansteuerbar. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, wie in Figur 7 wiedergegeben, die Abführleitung 58 des ersten Reaktors 1 (Rl) in die Eintrittsöffhung 4 eines weiteren Reaktors 1 (R3) eintreten zu lassen. Erst nachdem das Produktgas des Reaktors Rl ebenfalls einer heterogen-katalytischen Reaktion in dem Reaktor R3 ausgesetzt worden ist, wird dieses über die Abführleitung 48, entweder über das Mehrfachventil oder direkt, der Analyseeinheit 52 zugeführt. Alternativ kann zumindest ein Teil des dem Reaktor Rl entstammenden Produktgases der Analyseeinheit 52 zugeführt werden. Basierend auf den so erhaltenen (Zwischen)Ergebnissen kann über eine in einer Ausführungsform zur erfmdungsgemäßen Vorrichtung gehörende Anlagensteuerung bzw. Steuereinheit in die Temperaturregelung des nachgeschalteten Reaktors R3 eingegriffen werden. Die erhaltenen Analyseergebnisse können somit einen direkten Einfluß auf die Heizregelung bzw. Temperaturrampen einzelner oder sämtlicher Reaktoren haben. Auf diese Weise lassen sich ohne weiteres Abgaskatalysatoren realitätsnah simulieren und optimieren. Beispielsweise kann in einem ersten Reaktor ein Katalysator vorliegen, der NO zu NO2 oxidiert. Das so erhaltene NO2 wird anschließend dazu verwandt, um mit Hilfe eines zweiten Katalysators Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid zu oxidieren. Gleichzeitig wird hierbei das NO2 zu NO reduziert. Schließlich wird das reaktive NO mit Hilfe eines dritten Katalysators zu NO2 oxidiert.
Wie den Figuren 8 und 9 zu entnehmen ist, eröffnet die erfindungsgemäße Vorrichtung mannigfaltige Kombinationsmöglichkeiten, um die erfindungsgemäßen Reaktoren 1 miteinander in Serie oder parallel zu verbinden.
In Figur 10 ist eine Verdünnungseinrichtung 62 wiedergegeben, mit der das aus einem Reaktor entnommene Produktgas vor der Zuführung zu der Analyseeinheit verdünnt wird. Als Verdünnungsgas kommt beispielsweise Stickstoff in Frage. Indem man eine Verdünnungseinrichtung in der erfmdungsgemäßen Vorrichtung 40 vorsieht, kann das Produktgas ohne Zeitverlust der Analyseeinheit, z.B. einem FT-IR-Gerät, zugeführt werden. Beispielsweise läßt sich mit fortschreitender Miniaturisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein für die Analyseeinheit erforderlicher Volumenstrom erst mittels Verdünnung erreichen. Außerdem können im Wege der Verdünnung des Produktgases ein Auskondensieren von Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, oder die Reaktion von Stickoxiden zurückgedrängt werden. So läßt sich der Volumenstrom mit der erfmdungsgemäßen Verdünnungseinrichtung ohne weiteres 10-fach verdünnen. Figur 11 zeigt ein Temperatur-/Konzentrationsprofil, für zwei erfindungsgemäße Reaktoren 1 einer erfϊndungsgemäßen Vorrichtung 40. Zusätzlich zu den beiden Reaktoren 1 ist die vorliegend zum Einsatz gekommene Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Bypass-Schlaufe 60 ausgestattet gewesen, über die mit Hilfe einer Steuereinheit, enthaltend eine geeignete Regelsoftware, unterschiedliche Konzentrationen des Edukgases zwecks Kalibrierung eingestellt wurden. Vorzugsweise wird gegen Ende der Bypassphase die zu testende Zusammensetzung des Reaktionsgases eingestellt. Nach dem Umschalten des Mehrfachventils von der Bypass-Schlaufe zu dem ersten Reaktor ist mit dem Aufheizen des Reaktors kurze Zeit zugewartet worden, um eine gleichmäßige Verteilung des Reaktionsgases im Behälter zu erreichen. Sodann wurde die Temperaturrampe ausgehend von einer Anfangstemperatur von 70°C (erste Temperatur) im Reaktorbehälter im Bereich von 150 K/min gestartet. Wie der Abbildung 11 zu entnehmen ist, wurde das Reaktionsgas Kohlenmonoxid über den im Reaktorbehälter vorliegenden Oxidationskatalysator vollständig umgesetzt. Anschließend kann über das Mehrfachventil wieder eine Bypass-Probenschlaufe angefahren werden um eine erneute Kalibrierung in Vorbereitung des Meßzyklus in dem zweiten Reaktor vorzunehmen. Während dieser Phasen wird die Temperatur des ersten Reaktors innerhalb weniger Minuten mit Hilfe von Kühlgas, wie vorangehend beschrieben, heruntergekühlt.
Figur 12 zeigt ein Temperatur/Zeit-Diagramm für eine erfϊndungsgemäße Vorrichtung, enthaltend insgesamt vier erfindungsgemäße Reaktoren. Diese Reaktoren werden sequentiell angefahren, d.h. mit einer sehr großen Aufheizgeschwindigkeit erwärmt und anschließend unter Verwendung von Druckluft wieder abgekühlt. Dieser Abkühlvorgang verläuft für sämtliche Reaktoren derart schnell, daß, sowie der Meßzyklus für den vierten Reaktor bei sequentieller Fahrweise abgeschlossen ist, der erste Reaktor seine Ausgangstemperatur wieder erreicht hat und für einen neuen Meßzyklus, d.h. eine neue Aufheizphase zur Verfügung steht.
Figur 13 zeigt ein mit Hilfe einer Analyseeinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommenes Ergebnis der Umsetzung von Kohlenmonoxid über die Zeit bei Erhöhung der Temperatur in einem erfindungsgemäßen Reaktor. Anhand der bei verschiedenen Zeiten ermittelten Kohlenmonoxid-Konzentrationen läßt sich ohne weiteres die Light-off-Temperatur ermitteln. Figur 14 zeigt schließlich das Ergebnis von Light-off-Temperaturmessungen von in fünf Reaktoren vorliegenden Katalysatorsystemen gleichen Typs. Hierbei handelt es sich um Durchschnittswerte, die aus einer Vielzahl an über einen längeren Zeitraum vorgenommenen Wiederholungsmessungen ermittelt wurden. Wie der Abbildung zu entnehmen ist, wurde die Light-off-Temperaturrnessung insgesamt zweimal separat durchgeführt. Jede einzelne Messung umfasste eine Vielzahl an Wiederholungszyklen. Wie die Diagrammauswertung zeigt, liefern die durchgeführten Tests reproduzierbare Ergebnisse.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
Reaktor
Einlaßende
Eintrittsöffnung
Auslaßende
Austrittsöffhung
Reaktorbehälter
Aufhahmevorrichtung für den Katalysator
Katalysatorprobe
Temperatursensor
Kühleinheit
Heizeinheit
Temperieraggregat
Hohlraum der Kühleinheit
durchgängiger Hohlraum
Hohlraum der Heizeinheit
Heizmodul
Ummantelung
Prallfläche
Zuleitung für Reaktionsgas
Eintrittsöffnung Vorrichtung zum Testen der Aktivität von Katalysatoren
Gasversorgung
Mehrfachventil
Gaszuführleitung
Gasabführleitung
Gasabführleitung
Analyseeinheit
Verdampfungseinheit
beheizbarer Behälter
Abführleitung
Bypassprobenschlaufe
Verdünnungseinrichtung
Gaszuführleitung

Claims

Ansprüche
1. Reaktor (1) zur Durchführung heterogener Gasphasenreaktionen oder zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen, umfassend
- mindestens einen Reaktorbehälter (10) mit einem Einlaßende (2) und einem Auslaßende (6), enthaltend mindestens eine Aufhahmevorrichrung (12) für einen Katalysator, mindestens eine Eintrittsöffnung (4) für umzusetzendes Gas im Bereich des Einlaßendes (2) und mindestens eine Austrittsöffnung (8) für umgesetztes Gas im Bereich des Auslaßendes (6), mindestens zwei Einheiten zum Kühlen (18) des Reaktorbehälters, die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter (10) die Aufnahmevorrichtung (12) für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter (10) stehen, und mindestens eine, insbesondere mindestens zwei Einheiten zum Heizen (20) des Reaktorbehälters (10), die mindestens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter (10) die Aufnahmevorrichtung (12) für den Katalysator vorliegt, jeweils in thermischem Kontakt mit dem Reaktorbehälter (10) stehen, wobei die Kühl- und Heizeinheiten (18, 20) in der Weise angeordnet sind, daß der Reaktorbehälter (10) wenigstens im Bereich der Aufhahmevorrichtung (12) für den Katalysator, insbesondere im wesentlichen homogen, erwärmbar bzw. abkühlbar ist.
2. Reaktor (1) für heterogene Gasphasenreaktionen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter (10) ein Rohr darstellt.
3. Reaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (12) für den Katalysator eine für Gas durchlässige Unterlage oder einen für Gas durchlässigen Behälter darstellt.
4. Reaktor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für Gas durchlässige Unterlage (12) ein Sieb, vorzugsweise aus Edelstahl, oder eine poröse Matte, insbesondere für ein Katalysatorpulver, oder ein Halteelement, insbesondere für einen Monolithen, darstellt.
5. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- und/oder Heizeinheiten (18, 20) zwischen dem Einlaßende (2) und dem Auslaßende (6) des Reaktorbehälters (10) in thermischem Kontakt mit diesem vorliegen.
6. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit (18) mindestens einen Hohlraum (24) mit einem Einlaßende und einem Auslaßende zur Durchleitung von Kühlgas, insbesondere Druckgas, umfaßt.
7. Reaktor (1) nach Anspruch 6, ferner umfassend mindestens eine mit dem Hohlraum (24) der Kühleinheit (18) verbundene oder verbindbare Druckgasleitung.
8. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit (20) mindestens einen Hohlraum (28) zur Aufnahme mindestens eines Heizelements umfaßt.
9. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- und Kühleinheiten (18, 20) alternierend um den Reaktorbehälter (10) angeordnet sind.
10. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils benachbarte Heiz- und Kühleinheiten (18, 20) überwiegend nicht miteinander in Kontakt stehen.
11. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils benachbarte Heiz- und Kühleinheiten (18, 20) durch Materialaussparungen, die sich wenigstens bereichsweise zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende (2, 6) des Reaktorbehälters (10) erstrecken, getrennt sind.
12. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ummantelung (32), die zumindest bereichsweise beabstandet ist von den Kühl- und Heizeinheiten (18, 20) und die den Reaktorbehälter (10) wenigstens bereichsweise, insbesondere vollumfänglich, umgibt.
13. Reaktor (1) nach Anspruch 12, ferner umfassend mindestens eine Prallfiäche (34) zur Umleitung des durch das Auslaßende des Hohlraumes (24) der Kühleinheit (18) austretenden Kühlgases durch den Raum zwischen Ummantelung (32) und den Kühl- und/oder Heizeinheiten (18, 20).
14. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Zuleitung (36) für das umzusetzende Gas zu dem Reaktorbehälter (10), die wenigstens bereichsweise in thermischem Kontakt mit mindestens einer Heizeinheit (20) vorliegt.
15. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen ersten Temperatursensor (16), insbesondere ein erstes Thermoelement, innerhalb des Reaktorbehälters (10).
16. Reaktor (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (16) im Bereich der Aumahmevorrichtung (12) des Katalysators vorliegt, so daß die Temperatur in einer Katalysatorprobe meßbar ist.
17. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen zweiten Temperatursensor, insbesondere ein zweites Thermoelement.
18. Reaktor (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Temperatursensor in der Wandung des Reaktorbehälters (10) benachbart zur Aumahmevorrichtung (12) des Katalysators vorliegt.
19. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter (10), die Kühleinheit (18) und/oder die Heizeinheit (20) einstückig sind.
20. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend mindestens ein Temperieraggregat (22), enthaltend mindestens zwei Einheiten zum Kühlen (18) des Reaktorbehälters (10) und mindestens zwei Einheiten zum Heizen (20) des Reaktorbehälters, wobei das Temperieraggregat (22) wenigstens in dem Abschnitt, in dem in dem Reaktorbehälter (10) die Aufhahmevorrichtung (12) für den Katalysator vorliegt, in thermischem Kontakt mit diesem Reaktorbehälter (10) steht oder bringbar ist und wobei die Kühl- und Heizeinheiten (18, 20) in der Weise anordbar bzw. angeordnet sind, daß der Reaktorbehälter (10) im Bereich der Aufhahmevorrichtung (12) für den Katalysator, insbesondere im wesentlichen homogen, erwärmbar oder abkühlbar ist.
21. Reaktor (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit (18) mindestens einen Hohlraum (24, 26) mit einem Einlaßende und einem Auslaßende zur Durchleitung von Kühlgas umfaßt.
22. Reaktor (1) nach Anspruch 21, ferner umfassend mindestens eine mit dem Hohlraum (24, 26) der Kühleinheit (18) verbundene oder verbindbare Druckgasleitung.
23. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit (20) mindestens einen Hohlraum (28) zur Aufnahme mindestens eines Heizelements umfaßt.
24. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- und Kühleinheiten (18, 20) alternierend in dem Temperieraggregat (22) angeordnet sind.
25. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils benachbarte Heiz- und Kühleinheiten (18, 20) überwiegend nicht miteinander in direktem Kontakt stehen.
26. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils benachbarte Heiz- und Kühleinheiten (18, 20) durch Materialaussparungen, die sich wenigstens bereichsweise zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende (2, 6) des Reaktorbehälters (10) erstrecken, getrennt sind.
27. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperieraggregat (22) im wesentlichen einstückig ist.
28. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperieraggregat (22) und der Reaktorbehälter (10) im wesentlichen einstückig sind.
29. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhahmevorrichtung (12) für den Katalysator ausgelegt ist, um eine Katalysatormenge im Bereich von 20 mg bis 700 mg aufzunehmen.
30. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- und Heizeinheiten (18, 20) im wesentlichen konzentrisch um den Reaktorbehälter angebracht sind.
31. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Katalysatorschüttung oder einen Katalysatormonolithen auf der Aufhahmevorrichtung.
32. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit (20) einen Heizwiderstand umfaßt.
33. Reaktor (1) nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand den Reaktorbehälter (10) wenigstens im Bereich der Aufhahmevorrichtung (12) für den Katalysator und/oder den/die Kühleinheiten (18) wenigstens im Bereich der Aufnahmevorrichtung (12) für den Katalysator umgibt.
34. Vorrichtung (40) zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen, umfassend mindestens einen Reaktor (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mindestens eine Gaszufuhrleitung (46) zu dem Reaktor (1), mindestens eine Produktgasabfuhrleitung (48) von dem Reaktor (1), mindestens eine Analyseeinheit (52) in Wirkverbindung mit der Produktgasabführleitung (48) und eine Auswerteeinheit in Wirkverbindung mit der Analyseeinheit (52).
35. Vorrichtung (40) nach Anspruch 34, ferner umfassend eine Steuer- und/oder Regeleinheit.
36. Vorrichtung (40) nach Anspruch 34 oder 35, ferner umfassend eine Verdampfereinheit (54) zur Einspeisung von Wasserdampf und/oder zur Einspeisung von gasförmigen organischen Verbindungen in die Gaszufuhrleitung (46).
37. Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 34 bis 36, ferner umfassend ein Mehrfachventil (44), mindestens eine erste Gaszuführleitung (46) zu dem Mehrfachventil (44), mindestens eine zweite Gaszuführleitung (64) von dem Mehrfachventil (44) zu mindestens einem ersten Reaktor (1), mindestens eine Gasabführleitung (48) von dem ersten und/oder zweiten Reaktor (1) zu dem Mehrfachventil (44) und mindestens eine Gasabführleitung (50) von dem Mehrfachventil (44) zu der Analyseeinheit (52).
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, ferner umfassend mindestens eine zweite oder n'te Gaszuführleitung (64) von dem Mehrfachventil (44) zu einem zweiten oder n'ten Reaktor
(1).
39. Vorrichtung (40) nach Anspruch 37 oder 38, ferner umfassend mindestens eine Bypass- Probenschlaufe (60), die mit dem Mehrfachventil (44) in Wirkverbindung steht.
40. Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 34 bis 39, ferner umfassend einen beheizbaren Behälter (56), in dem das Mehrfachventil (44), die Bypass- Probenschlaufe(n) (60), jeweils zumindest abschnittsweise die Gaszuführleitung (64) zu dem/den Realctor(en) (1), die Gaszuführleitung(en) (46) zu dem Mehrfachventil (44), die Gasabführleitung(en) von dem Reaktor (1) zu der Analyseeinheit (52), die Gasabführleitung(en) (48) zu dem Mehrfachventil (44), die Gasabführleitung(en) (50) von dem Mehrfachventil (44) zu der Analyseeinheit (52) und/oder das Auslaßende (6) des Reaktors bzw. der Reaktoren (1) vorliegt bzw. vorliegen.
41. Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 34 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfuhrleitung (58) eines ersten Reaktors (1) mit der Eintrittsöffhung (4) eines zweiten Reaktors (1) verbunden oder verbindbar ist.
42. Vorrichtung (40) nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabführleitung (58) des zweiten Reaktors oder eines n'ten Reaktors mit der Eintrittsöffhung eines dritten oder (n+l)'ten Reaktors verbunden oder verbindbar ist.
43. Vorrichtung (40) nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß von der Gasabführleitung des ersten Reaktors und/oder der Gasabführleitung des zweiten Reaktors Produktgas über eine, insbesondere steuerbare, Abzweigleitung, direkt oder über das Mehrfachventil, der Analyseeinheit zuführbar ist.
44. Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 34 bis 43, ferner umfassend eine Vorrichtung (62) zur Verdünnung des Produktgases mit einem Verdünnungsgas stromaufwärts von der Analyseeinheit (52).
45. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 34 bis 44 zum Testen der Aktivität von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen.
46. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 34 bis 44 zum Testen der, insbesondere temperaturabhängigen, Aktivität von Abgaskatalysatoren für Brennkraftmaschinen.
47. Verwendung nach Anspruch 46, wobei mit der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 34 bis 44 die Light-off-Temperatur bestimmt wird.
48. Verfahren zur Bestimmung der Aktivität von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 34 bis 44, umfassend die Schritte: a) Durchleiten eines umzusetzenden Gases durch einen ersten Reaktor bei einer ersten Temperatur, in dem auf einer Aufhahmevorrichtung ein erster Katalysator für eine heterogene Gasphasenreaktion vorliegt, b) Bestimmen der Temperatur des Katalysators, c) Zuführen des diesen Reaktor verlassenden, umgesetzten Gases, insbesondere über ein Mehrwegeventil, zu einer Analyseeinheit, d) quantitative und/oder qualitative Bestimmung einzelner oder sämtlicher Komponenten des umgesetzten Gases, e) Zuordnen der qualitativen und/oder quantitativen Analyseergebnisse zu der de- tektierten Katalysatortemperatur in einer Auswerteeinheit und f) Wiederholen der Schritte a) bis e) bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder mit einem zweiten oder weiteren Reaktor und/oder einem zweiten und/oder weiteren Katalysator.
49. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reaktors mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 100 K/min, bis 200 K/min., vorzugsweise beginnend bei der ersten Temperatur, gesteigert wird.
50. Verfahren nach Anspruch 48 oder 49, dadurch gekennzeichnet, daß das den ersten Reaktor verlassende, umgesetzte Gas vollständig oder teilweise einem zweiten Reaktor oder n'ten Reaktor zugeführt wird.
51. Verfahren nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß das den zweiten Reaktor oder n'ten Reaktor verlassende, umgesetzte Gas vollständig oder teilweise einem dritten Reaktor und/oder (n+l)'ten Reaktor zugeführt wird.
52. Verfahren nach Anspruch 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizgeschwindigkeiten für den ersten, zweiten, dritten und/oder n'ten Reaktor unterschiedlich sind.
53. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 34 bis 44 zur Analyse der Aktivität und/oder Selektivität von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktion, insbesondere bei der partiellen Oxidation oder bei der selektiven Hydrierung.
PCT/DE2007/000446 2006-03-13 2007-03-12 Reaktor für heterogene gasphasenreaktionen, vorrichtung zum testen von katalysatoren für heterogene gasphasenreaktionen und verfahren zum testen solcher katalysatoren WO2007104290A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006011822.7 2006-03-13
DE200610011822 DE102006011822B4 (de) 2006-03-13 2006-03-13 Reaktor für heterogene Gasphasenreaktionen, Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen und Verfahren zum Testen solcher Katalysatoren

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007104290A1 true WO2007104290A1 (de) 2007-09-20

Family

ID=38331130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2007/000446 WO2007104290A1 (de) 2006-03-13 2007-03-12 Reaktor für heterogene gasphasenreaktionen, vorrichtung zum testen von katalysatoren für heterogene gasphasenreaktionen und verfahren zum testen solcher katalysatoren

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102006011822B4 (de)
WO (1) WO2007104290A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021067108A1 (en) 2019-09-30 2021-04-08 Saudi Arabian Oil Company Process for testing and/or evaluating an industrial catalyst

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007024619B4 (de) 2007-05-24 2013-01-10 Technische Universität Darmstadt Verfahren zur Herstellung eines geträgerten Katalysators für die Oxidation von Kohlenmonoxid, dieser geträgerte Katalysator sowie ein Verfahren zur Oxidation von Kohlenmonoxid
DE102010014642B4 (de) * 2010-04-12 2014-08-07 Man Diesel & Turbo Se Temperiervorrichtung und Verfahren zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4099923A (en) 1977-01-17 1978-07-11 The Standard Oil Company Automatic catalytic screening unit
DE19602464A1 (de) * 1996-01-24 1997-07-31 Wolfgang Dr Rapp Vorrichtung zur multiplen, gleichzeitigen und parallelen Synthese chemischer Verbindungen und zur diskreten Weiterbehandlung von Aliquoten
EP0963791A2 (de) * 1998-06-10 1999-12-15 Mettler-Toledo GmbH Modulare Reaktionsblockanordnung mit thermoelektrischer Kühlung und Heizung
DE19955124A1 (de) 1999-03-09 2000-09-14 Creo Srl Burnaby Zweidimensionale optische Faserausgangsmatrix
DE10101118A1 (de) 2001-01-05 2002-07-18 Inst Angewandte Chemie Berlin Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren für ein Reaktionsnetzwerk
US20020170976A1 (en) * 2001-03-07 2002-11-21 Bergh H. Sam Parallel flow reactor having improved thermal control
US20020182128A1 (en) * 2001-06-04 2002-12-05 Carnahan James Claude Devices and methods for performing an analyzing simultaneous chemical reactions
US20030012700A1 (en) 2001-07-11 2003-01-16 Carnahan James Claude Systems and methods for parallel testing of catalyst performance
US20030064006A1 (en) * 2001-10-02 2003-04-03 Carnahan James Claude Methods and systems for sealed parallel reactions
DE10254477B3 (de) 2002-11-21 2004-06-24 Siemens Ag Prüfverfahren für einen Abgaskatalysator und eine entsprechende Prüfeinrichtung
DE10321105A1 (de) 2003-05-09 2004-12-02 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Regeneration einer Partikelfalle
DE10333337A1 (de) 2003-06-30 2005-02-24 Volkswagen Ag Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Katalysatorsystems
WO2005047887A1 (en) 2003-11-10 2005-05-26 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Catalyst testing apparatus and process

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4585622A (en) * 1983-02-02 1986-04-29 Ae/Cds, Autoclave, Inc. Chemical microreactor having close temperature control
DE3929413A1 (de) * 1989-09-05 1991-03-07 Metallgesellschaft Ag Reaktor zum adiabatischen durchfuehren katalytischer prozesse
DE10036633B4 (de) * 2000-07-27 2005-03-10 Hte Ag The High Throughput Exp Anordnung in modularer Bauweise und Verfahren zur paralellen Testung einer Mehrzahl von Bausteinen einer Materialbibliothek
US20030173205A1 (en) * 2002-03-12 2003-09-18 Arne Karlsson Process vessel with integral evaporator
DE102004010383B4 (de) * 2004-03-03 2007-04-12 Man Dwe Gmbh Vorrichtung zur Simulierung des Reaktionsprozesses in und Verfahren zur Optimierung von Mantelrohrreaktoren

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4099923A (en) 1977-01-17 1978-07-11 The Standard Oil Company Automatic catalytic screening unit
DE19602464A1 (de) * 1996-01-24 1997-07-31 Wolfgang Dr Rapp Vorrichtung zur multiplen, gleichzeitigen und parallelen Synthese chemischer Verbindungen und zur diskreten Weiterbehandlung von Aliquoten
EP0963791A2 (de) * 1998-06-10 1999-12-15 Mettler-Toledo GmbH Modulare Reaktionsblockanordnung mit thermoelektrischer Kühlung und Heizung
DE19955124A1 (de) 1999-03-09 2000-09-14 Creo Srl Burnaby Zweidimensionale optische Faserausgangsmatrix
DE10101118A1 (de) 2001-01-05 2002-07-18 Inst Angewandte Chemie Berlin Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren für ein Reaktionsnetzwerk
US20020170976A1 (en) * 2001-03-07 2002-11-21 Bergh H. Sam Parallel flow reactor having improved thermal control
US20020182128A1 (en) * 2001-06-04 2002-12-05 Carnahan James Claude Devices and methods for performing an analyzing simultaneous chemical reactions
US20030012700A1 (en) 2001-07-11 2003-01-16 Carnahan James Claude Systems and methods for parallel testing of catalyst performance
US20030064006A1 (en) * 2001-10-02 2003-04-03 Carnahan James Claude Methods and systems for sealed parallel reactions
DE10254477B3 (de) 2002-11-21 2004-06-24 Siemens Ag Prüfverfahren für einen Abgaskatalysator und eine entsprechende Prüfeinrichtung
DE10321105A1 (de) 2003-05-09 2004-12-02 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Regeneration einer Partikelfalle
DE10333337A1 (de) 2003-06-30 2005-02-24 Volkswagen Ag Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Katalysatorsystems
WO2005047887A1 (en) 2003-11-10 2005-05-26 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Catalyst testing apparatus and process

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WU C-H ET AL: "DEVELOPMENT OF A LOW COST, THERMALLY STABLE, MONOLITHIC THREE-WAY CATALYST SYSTEM", INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY, PRODUCT RESEARCH AND DEVELOPMENT, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. WASHINGTON, US, vol. 22, no. 4, December 1983 (1983-12-01), pages 559 - 565, XP001042052, ISSN: 0536-1079 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021067108A1 (en) 2019-09-30 2021-04-08 Saudi Arabian Oil Company Process for testing and/or evaluating an industrial catalyst
US11346826B2 (en) 2019-09-30 2022-05-31 Saudi Arabian Oil Company System and apparatus for testing and/or evaluating an industrial catalyst

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006011822B4 (de) 2010-05-20
DE102006011822A1 (de) 2007-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69725429T2 (de) Verfahren und vorrichtung zum testen von katalysatoren
EP2275811B1 (de) Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung einer insbesondere proteinhaltigen Probe
DE19843461A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum computergestützten Konditionieren eines Katalysators
DE10004816A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur kombinatorischen Herstellung und Testung von Materialbibliotheken durch photoakustische Analysemethoden
WO1994001767A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur ermittlung eines gemischanteils eines gasgemisches
DE69938167T2 (de) Vorrichtung zur Bewertung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators
EP2046493B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur handhabung von multikomponenten-gemischen
DE102006011822B4 (de) Reaktor für heterogene Gasphasenreaktionen, Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren für heterogene Gasphasenreaktionen und Verfahren zum Testen solcher Katalysatoren
DE10135646A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Reduzierung von Stichoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine
WO2008055585A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur kontinuierlichen überführung und analyse von fluiden
DE10325702B3 (de) Abgasmessvorrichtung
DD234941A1 (de) Verfahren und anordnung zur katalysatoraktivitaetsbestimmung
DE3787436T2 (de) Verfahren und Apparat für die Ausführung von katalysierten chemischen Reaktionen und für die Katalyseforschung.
DE102010050599B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Testung von Katalysatoren mit verbesserter Prozessdruckeinstellung
EP3866963B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur untersuchung von reaktionen
EP1110906B1 (de) Vorrichtung zur selektiven katalytischen Oxidation von Kohlenmonoxid
DE10110847A1 (de) Meßverfahren und -einrichtung zur Überwachung und Steuerung von Reaktionen in Kontaktrohrbündelreaktoren
DE10101118C2 (de) Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren für ein Reaktionsnetzwerk
DE102010028211B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Wasserstoff
EP3640445A1 (de) Verfahren zur messung einer katalytischen funktion eines zur reinigung eines abgases eines verbrennungsmotors geeigneten gegenstandes
DE69404104T2 (de) Verfahren zur Verringerung der Zündtemperatur einer exothermen katalytischen Reaktion
EP1398078A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur parallelisierten Prüfung von Feststoffen
EP1075035A3 (de) Kombiniertes Bauteil zur Nachverbrennung von Anodenabgasen eines Brennstoffzellensystems und zum Verdampfen von dem Brennstoffzellensystem zuzuführenden Edukten
DE10028391B4 (de) Anordnung zur Verbrennung von Mineralölproben und zur Analyse der Spureninhaltsstoffe
EP3055057A2 (de) Apparatur und verfahren zur untersuchung von diskontinuierlichen produktfluidströmen bei der umsetzung von eduktfluidströmen an feststoffkatalysatoren

Legal Events

Date Code Title Description
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07722021

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1