СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗИРОВАННОГО ФИЛЬТРА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2017 года по МПК B01J35/04 B01J37/02 F01N3/35 B01D53/94 

Описание патента на изобретение RU2609005C2

Настоящее изобретение относится к многофункциональному катализированному фильтру твердых частиц выхлопа двигателя. В частности, изобретение представляет собой способ приготовления многофункционального катализированного фильтра твердых частиц, который был катализирован тройным катализатором (ТК) и катализатором, являющимся активным при удалении оксидов азота посредством известного процесса селективного каталитического восстановления (СКВ) аммиаком (NH3), и, необязательно, катализатором, отличающимся активностью при окислении избытка аммиака с получением азота.

Многофункциональный катализированный фильтр, в частности, является полезным для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, работающих на бедных смесях, таких как двигатели с непосредственным впрыском бензина (НВБ).

Двигатели НВБ генерируют больше углеродистой сажи, чем бензиновые двигатели с впрыском топлива с предварительным смешением. В Европе законодательство, регламентирующее использование дизельных двигателей согласно норме Евро 5+, как ожидается, будет применяться в отношении двигателей НВБ в будущем с предельным значением массы твердых частиц 4,5 мг/км, что требует фильтрации выхлопа двигателя, чтобы достичь вышеуказанного предела.

Как правило, фильтры для использования в автомобильной промышленности являются фильтрами с проточной фильтрующей стенкой, состоящими из корпуса с сотовой структурой, в которых твердые частицы захватываются на поверхности или внутри перегородок сотовой структуры. Эти фильтры имеют множество продольных проточных каналов, разделенных газопроницаемыми перегородками. Газовые впускные каналы открыты на стороне впуска газа и заблокированы на противоположном выпускном конце, и газовые выпускные каналы открыты на выпускном конце и заблокированы на впускном конце, так что газовый поток, поступающий внутрь фильтра с проточной фильтрующей стенкой продавливается через перегородки прежде, чем попадает в выпускные каналы.

В дополнение к сажевым частицам, выхлопной газ от бензиновых двигателей содержит оксиды азота (NOx), оксид углерода и несгоревшие углеводороды, которые являются химическими соединениями, представляющими опасность для здоровья и окружающей среды, и содержание которых должно быть снижено или которые должны быть удалены из выхлопных газов.

Катализаторы, являющиеся активными при удалении или снижении содержания NOx, оксида углерода и углеводородов до безвредных соединений, являются сами по себе известными в данной области техники.

В патентной литературе описаны многочисленные системы очистки, включающие в себя отдельные блоки катализатора для удаления вредных соединений из выхлопных газов двигателя.

Также известны в данной области техники фильтры твердых частиц выхлопных газов, покрытые катализаторами, которые катализируют окисление углеводородов и твердых частиц совместно с селективным каталитическим восстановлением (СКВ) оксидов азота (NOx) посредством реакции с аммиаком, который добавляется как таковой или как его предшественник в выхлопные газы.

Многофункциональные фильтры твердых частиц выхлопа дизельных двигателей с покрытием различными катализаторами, которые катализируют упомянутые выше реакции, также известны в данной области техники.

В известных многофункциональных фильтрах, различные катализаторы нанесены сегментно или зонально в различных зонах фильтра.

Сегментное или зональное нанесение различных катализаторов на фильтр является дорогостоящим и сложным подготовительным процессом.

По сравнению с известным способом, данное изобретение предлагает более простой способ приготовления фильтров твердых частиц, катализированных различными катализаторами для селективного восстановления оксидов азота аммиаком и удаления углеводородов, оксида углерода и избытка аммиака.

Таким образом, изобретение предлагает способ приготовления катализированного фильтра с проточной фильтрующей стенкой, который включает в себя следующие этапы:

а) обеспечение корпуса фильтра с проточной фильтрующей стенкой со множеством продольных впускных проточных каналов и выпускных проточных каналов, разделенных газопроницаемыми пористыми перегородками;

б) нанесение пористого оксидного покрытия катализатора, содержащего композицию первого катализатора, который является активным при реакции оксидов азота с оксидом углерода и водородом с получением аммиака, и композицию второго катализатора, который является активным при селективном восстановлении оксидов азота посредством реакции с аммиаком с получением азота, при этом композиция первого катализатора имеет модальный размер частиц больше, чем средний диаметр пор пористых перегородок, и композиция второго катализатора имеет модальный размер частиц меньше, чем средний диаметр пор пористых перегородок;

в) нанесение на корпус фильтра пористого оксидного покрытия катализатора посредством введения пористого оксидного покрытия через впускной конец впускных каналов; и

г) сушка и термическая обработка корпуса фильтра с нанесенным покрытием с целью получения катализированного фильтра твердых частиц.

Преимущество второго катализатора, имеющего модальный размер частиц меньше, чем средний диаметр пор перегородок, и частиц первого катализатора, имеющего больший модальный размер частиц, чем средний диаметр пор перегородок, заключается в том, чтобы позволить частицам второго катализатора эффективно диффундировать в перегородки, и препятствовать первому катализатору диффундировать в каналы, где удельная каталитическая активность является нежелательной.

Таким образом, возможно покрыть корпус фильтра различными катализаторами внутри впускного и выпускного проточных каналов посредством одного пористого оксидного покрытия.

Применимыми катализаторами для реакции NOx с получением аммиака посредством следующей реакции:

NOx+H2/CO=NH3+CO2+H2O

являются палладий, платина, смесь палладия и родия и смесь палладия, платины и родия.

Эти катализаторы катализируют образование аммиака при условиях работы бензинового двигателя, сжигающего богатые смеси, т.е. λ<1. Палладий является предпочтительным катализатором с наивысшим образованием аммиака.

Аммиак, таким образом образовавшийся внутри впускных каналов посредством описанной выше реакции, проникает через перегородки фильтра внутрь выпускных каналов и во время работы двигателя, сжигающего богатые смеси, адсорбируется в катализаторе СКВ внутри выпускных проточных каналов.

Как катализатор, образующий аммиак, так и катализатор СКВ предпочтительно наносятся на стенки перегородок на сторонах, обращенных к впускному каналу и выпускному каналу соответственно. Поскольку его размер частиц меньше, чем размер диаметров пор в перегородках, катализатор СКВ также распределяется внутри пор в перегородках.

При последующем рабочем цикле двигателя, сжигающего бедные смеси, NOx, присутствующий в выхлопных газах, вступает в реакцию с аммиаком, хранящимся в катализаторе СКВ, посредством следующей реакции:

NOx+NH3=N2+H2O

Как уже упоминалось выше, катализаторы СКВ являются сами по себе известными в данной области техники. Для использования в настоящем изобретении, предпочтительный катализатор, который является активным при селективном восстановлении оксидов азота, включает в себя, по крайней мере, один из катализаторов на основе цеолита, двуокиси кремния и фосфата алюминия, ионообменного цеолита, двуокиси кремния и фосфата алюминия, промотированного железом и/или медью, одного или более оксидов основного металла.

Другим предпочтительным катализатором СКВ для использования в настоящем изобретении является катализатор на основе двуокиси кремния и фосфата алюминия, имеющий структуру шабазита, такой как SAPO 34, промотированный медью и/или железом.

Для того чтобы удалить избыток аммиака, который не прореагировал с NOx, фильтр с проточной фильтрующей стенкой содержит, в одном варианте осуществления изобретения, дополнительно окислительный катализатор аммиака, расположенный в каждом выпускном проточном канале, по крайней мере, в зоне выпускного конца фильтра.

Предпочтительный окислительный катализатор аммиака включает палладий, платину или их смесь.

При контакте с селективным окислительным катализатором аммиака, нанесенным на катализатор СКВ, аммиак окисляется с получением азота и воды.

Окислительный катализатор аммиака может быть нанесен непосредственно на стенку перегородки в выпускных каналах фильтра в зоне выпуска или может быть нанесен как поверхностный слой на поверхности слоя катализатора СКВ.

Изобретение предлагает дополнительно катализированный фильтр с проточной фильтрующей стенкой, который был приготовлен в соответствии с вышеописанным способом приготовления согласно изобретению.

При подготовке пористых оксидных покрытий для использования в настоящем изобретении, катализаторы, которые обычно находятся в форме частиц, измельчаются или агломерируются до необходимого размера частиц и суспендируются в воде или органических растворителях, необязательно с добавлением связующих веществ, улучшителей вязкости, пенообразующих веществ или других технологических добавок.

Затем на фильтр наносятся пористые оксидные покрытия в соответствии с общепринятой практикой, включая создание вакуума в фильтре, нанесение пористого оксидного покрытия под давлением или нанесение покрытия погружением.

Количество первого катализатора, нанесенного на фильтр, как правило, составляет от 10 до 100 г/л, и количество второго катализатора на фильтре, как правило, составляет от 10 до 140 г/л. Общая загрузка катализатора на фильтре обычно находится в диапазоне от 40 до 200 г/л.

Примерами приемлемых фильтрующих материалов для использования в изобретении являются карбид кремния, титанат алюминия, кордиерит, окись алюминия, муллит или их комбинация.

Пример

Суспензия композиции первого катализатора на первом этапе готовится из порошковой смеси палладия и родия, нанесенной на частицы оксида церия и окиси алюминия с модальным размером частиц больше, чем средний размер пор стенки фильтра.

Суспензия смеси первого катализатора готовится путем смешивания 20 г этих порошков в 40 мл деминерализованной воды на литровый фильтр. Добавляют диспергирующий агент Zephrym PD-7000 и противовспенивающую присадку. Модальные размеры частиц конечной суспензии должны быть больше, чем средний диаметр пор в стенке фильтра с проточной фильтрующей стенкой.

Суспензия второго катализатора готовится посредством смешивания и диспергирования 100 г двуокиси кремния и фосфата алюминия SAPO-34, проматированного 2% меди в 200 мл деминерализованной воды на литровый фильтр. Добавляют диспергирующий агент Zephrym PD-7000 и противовспенивающую присадку. Суспензию измельчают в шаровой мельнице. Модальные размеры частиц должны быть меньше, чем средний диаметр пор в стенке фильтра с проточной фильтрующей стенкой.

Суспензии первого катализатора и второго катализатора затем смешивают в одну суспензию.

Используется фильтр с высокопористой (около 60% со средним размером пор в стенке около 18 мкм) традиционно закупоренной проточной фильтрующей стенкой, изготовленной из карбида кремния.

Смешанная суспензия первого и второго катализатора наносится в качестве пористого оксидного покрытия от впускного конца фильтра на дисперсионной стороне фильтра с помощью стандартных способов нанесения пористого оксидного покрытия, сушится и прокаливается при 750°C.

Похожие патенты RU2609005C2

название год авторы номер документа
КАТАЛИЗИРОВАННЫЙ ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗИРОВАННОГО ФИЛЬТРА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ 2012
  • Габриэльссон Пар Л.
  • Йохансен Кельд
RU2609025C2
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА КАТАЛИЗИРОВАННЫЙ ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ 2012
  • Габриэльссон Пар Л.
  • Йохансен Кельд
RU2606185C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАЛИЗИРУЕМОГО САЖЕВОГО ФИЛЬТРА 2011
  • Йохансен Кельд
RU2564854C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАЛИЗИРУЕМОГО САЖЕВОГО ФИЛЬТРА И КАТАЛИЗИРУЕМЫЙ САЖЕВЫЙ ФИЛЬТР 2011
  • Йохансен Кельд
RU2572610C2
ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НЕПОЛНЫМ СГОРАНИЕМ, СОДЕРЖАЩАЯ СКВ-КАТАЛИЗАТОР 2012
  • Блэйкман Филип
  • Браун Гэйвин Майкл
  • Чиффи Эндрю Фрэнсис
  • Гэст Джейн
  • Филлипс Пол Ричард
  • Раджарам Радж
  • Спрейцер Глен
  • Уокер Эндрю
RU2620421C2
БЕНЗИНОВЫЙ ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ 2016
  • Клауз Люси
  • Дестекруа Оливер
  • Гудвин Джон Бенджамин
  • Ховард Майкл Энтони
  • Лэкэдэмиали Фезайл
  • Локетт Сара Фрэнсис
  • Миллингтон Пол
  • Робсон Крис
RU2732400C2
БЕНЗИНОВЫЙ ФИЛЬТР ЧАСТИЦ 2016
  • Клауз Люси
  • Дестекруа Оливер
  • Гудвин Джон Бенджамин
  • Ховард Майкл Энтони
  • Лэкэдэмиали Фезайл
  • Локетт Сара Фрэнсис
  • Миллингтон Пол
  • Робсон Крис
RU2752392C1
ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ВЫХЛОПА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ 2011
  • Саттон Нил
  • Твигг Мартин Винсент
RU2587086C2
СПОСОБЫ СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЕГИРОВАННЫХ ОКСИДОВ ЦЕРИЯ(IV) 2014
  • Коллиер Джиллиан Элэйн
  • Фишер Джанет Мэри
  • Раджарам Радж
  • Томпсетт Дэвид
RU2664905C2
КАТАЛИЗАТОР ОКИСЛЕНИЯ 2016
  • Браун Гэвин
  • Чиффи Эндрю
  • Рэдклифф Джонатан
RU2751344C2

Реферат патента 2017 года СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗИРОВАННОГО ФИЛЬТРА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к катализированному фильтру с проточной фильтрующей стенкой и способу его получения. При этом способ включает в себя следующие этапы: а) обеспечение корпуса фильтра с проточной фильтрующей стенкой со множеством продольных впускных проточных каналов и выпускных проточных каналов, разделенных газопроницаемыми пористыми перегородками; б) нанесение пористого оксидного покрытия катализатора, содержащего композицию первого катализатора, который является активным при реакции оксидов азота с оксидом углерода и водородом с получением аммиака, и композицию второго катализатора, который является активным при селективном восстановлении оксидов азота посредством реакции с аммиаком с получением азота, при этом композиция первого катализатора имеет модальный размер частиц больше, чем средний диаметр пор пористых перегородок, и композиция второго катализатора имеет модальный размер частиц меньше, чем средний диаметр пор пористых перегородок; в) нанесение на корпус фильтра пористого оксидного покрытия катализатора посредством введения пористого оксидного покрытия через впускной конец впускных каналов; и г) сушка и термическая обработка корпуса фильтра с нанесенным покрытием с целью получения катализированного фильтра твердых частиц. Изобретение позволяет упростить способ получения катализированного фильтра. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 пр.

Формула изобретения RU 2 609 005 C2

1. Способ получения катализированного фильтра с проточной стенкой, который включает в себя следующие этапы:

а) обеспечение корпуса фильтра с проточной стенкой со множеством продольных впускных проточных каналов и выпускных проточных каналов, разделенных газопроницаемыми пористыми перегородками;

б) обеспечение пористого оксидного покрытия катализатора, содержащего композицию первого катализатора, который является активным при реакции оксидов азота с оксидом углерода и водородом с получением аммиака, и композицию второго катализатора, который является активным при селективном восстановлении оксидов азота посредством реакции с аммиаком с получением азота, при этом композиция первого катализатора имеет модальный размер частиц больше, чем средний диаметр пор пористых перегородок, и композиция второго катализатора имеет модальный размер частиц меньше, чем средний диаметр пор пористых перегородок;

в) нанесение на корпус фильтра пористого оксидного покрытия катализатора посредством введения пористого оксидного покрытия через впускной конец впускных каналов; и

г) сушка и термическая обработка корпуса фильтра с нанесенным покрытием с целью получения катализированного фильтра твердых частиц.

2. Способ по п. 1, в котором катализатор, являющийся активным при конверсии оксидов азота в аммиак, включает палладий, платину, смесь палладия и родия, и смесь палладия, платины и родия.

3. Способ по п. 1, в котором катализатор, являющийся активным при конверсии оксидов азота в аммиак, состоит из палладия.

4. Способ по п. 1, в котором катализатор, являющийся активным при селективном восстановлении оксидов азота, включает в себя, по меньшей мере, один из цеолита, двуокиси кремния и фосфата алюминия, ионообменного цеолита, двуокиси кремния и фосфата алюминия, промотированного железом и/или медью, и одного или более оксидов основного металла.

5. Способ по любому из пп. 1-4, дополнительно включающий этапы:

обеспечение второго пористого оксидного покрытия, содержащего композицию катализатора, который является активным при селективном окислении аммиака; и

нанесение на часть выпускных каналов в зоне выпускного конца второго пористого оксидного покрытия.

6. Катализированный фильтр с проточной стенкой, полученный в соответствии с любым из пп. 1-5.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2609005C2

WO 2008122023 A1, 09.10.2008
US 2008107806 A1, 08.05.2008
ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ 2002
  • Филиппи Эрманно
  • Рицци Энрико
  • Тароццо Мирко
RU2298432C2
WO 2005021138 A2, 10.03.2005
US 20040076565 A1, 22.04.2004
US 20100275582 A1, 04.11.2010
US 20100101221 A1, 29.04.2010
US 20100175372 A1, 15.07.2010
WO 2011041769 A2, 07.04.2011
RU 2059841 C1, 10.05.1996.

RU 2 609 005 C2

Авторы

Габриэльссон Пар Л.

Йохансен Кельд

Даты

2017-01-30Публикация

2012-06-14Подача