由堆叠条束组成的三维多孔催化剂、催化剂支承体或吸收剂结构制造技术

一种由催化剂、催化剂支承体或吸收剂材料的堆叠条束组成的三维多孔催化剂、催化剂支承体或吸收剂结构，其由间隔平行条束的层组成，其中一个层内的平行条束由两个或更多个相隔小距离的紧密间隔的等距条束成组排列，其中等距条束组与相邻条束或相邻条束组相隔较大距离。离。离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由堆叠条束组成的三维多孔催化剂、催化剂支承体或吸收剂结构
[0001]本专利技术涉及由堆叠条束(stacked strands)组成的三维多孔催化剂、催化剂载体或吸收剂结构、生产所述三维结构的方法和所述三维结构的用途。
[0002]通常，无机催化剂、催化剂载体或吸收剂作为挤出条束或挤出整料或蜂窝结构生产。
[0003]与线性伸展的蜂窝结构相比能够实现更多样化的形状的替代性方法可以例如通过快速原型法制备。例如US 8,119,554中描述的方法涉及借助粉末基快速原型法生产成型体，其中在无机催化剂粉末中选择性引入粘结剂材料以形成三维结构。
[0004]可以使用通常被称为robocasting的另一生产方法。在这种方法中，将催化剂材料粒子的糊料挤出成条，它们沉积在堆叠层中以形成所需三维结构。随后，将该结构干燥并烧结。在US 7,527,671中公开了通过robocasting法生产可再生柴油机碳烟微粒过滤器。
[0005]这种方法也已用于制备具有木堆(wood pile)多孔结构的Cu/Al2O3催化体系。Journal of Catalysis 334(2016),110至115涉及多相铜基催化剂的3D打印。将具有0.5μm的平均粒度的Al2O3粉末添加到硝酸铜(II)的水溶液中，并通过加入作为粘度改进剂的羟丙基甲基纤维素来调节所得悬浮液的粘度。通过蒸发除水以浓缩所得墨水直至适合挤出。将该水性墨水加载到带有直径410μm的喷嘴的注射器中。使用机器人沉积系统建立木堆结构。该结构在室温下干燥24小时，随后在空气中在1400℃下烧结2小时。
[0006]在Catalysis Today,273(2016),第234至243页中公开了Ni/Al2O3涂布的结构化催化剂。为了制备该催化剂，使用robocasting法制备不锈钢载体。所得3D结构在1300℃下烧结4小时，并施加载有镍的勃姆石粉末的涂布浆料。因此只有不锈钢支承结构通过robocasting制备。
[0007]所有上述方法都需要在远高于1000℃的温度下的烧结步骤。
[0008]对于许多使用催化活性金属的催化剂，这样的高温烧结对催化剂性质有害。通常，在这种温度处理后，催化活性金属在催化剂载体上的分散变差。
[0009]为了获得催化剂的高外表面积(例如用于扩散限制反应)，或在固定床催化剂反应器中具有低空隙体积的高填充分数，必须使用较小的催化剂挤出物。在传质限制反应中，小催化剂挤出物的性能优于较大挤出物，尤其是在传质限制反应中。但是，缺点在于较小挤出物在填充床中表现出较高压降。此外，这些小挤出物的机械强度通常不足以形成填充床反应器。
[0010]WO 2017/055565 A1公开了一种构建块状催化结构(bulk catalytic structure)的方法，其包括：将包含陶瓷材料的组合物成型以获得生坯结构，其中所述陶瓷材料包含催化材料和第一和第二无机粘结剂；烧制所述生坯结构以获得块状催化结构(bulk catalytic structure)，其中所述结构包含具有在流动方向上延伸的长度的第一通道和具有在径向上延伸的长度的第二通道，其中所述成型步骤包括通过三维纤维沉积而作为纤维挤出悬浮液、浆料或糊料，其中所述纤维形成分层网络。
[0011]分层网络包含互相平行的纤维的交替层，其中相继层中的纤维相对于彼此垂直或
斜交排列。
[0012]US 9,597,837 B1公开了一种制造三维多孔流体装置的方法，其包括：使用快速原型法在三维几何中沉积支柱和壁以构建三维多孔流体装置，所述三维多孔流体装置包含：流体入口侧和出口侧；包围流体装置的壁；在流体装置的壁内的以层安置以形成孔隙网络的许多支柱的点阵，其中第一层中的支柱与第三层中的支柱被第二层中的支柱隔开，第二层中的支柱相对于第一层和第三层中的支柱成角度排列，并且其中第三层和第一层中的支柱在间距上错开，并且其中层内的支柱与该层内的相邻支柱间隔一定空间以形成具有互连孔隙的曲折路径的通道。
[0013]EP 3 381 546A1公开了一种用于流体通流的装置，其包含流体入口和流体出口，其中流体入口和流体出口限定了整体流向；布置在流体入口和流体出口之间的具有互连孔隙的多孔结构，其中将所述多孔结构耦合到壁以提供多孔结构与壁之间的热传导，并且其中所述多孔结构包含沿横穿整体流向的第一方向的孔隙率梯度，并且其中孔隙率梯度在靠近壁的第一位置处的第一孔隙率和远离壁的第二位置处的大于第一孔隙率的第二孔隙率之间沿第一方向发展。所述多孔结构包含彼此附着的纤维的排列，其中纤维排列在平行层中，堆叠这些层。
[0014]通过robocasting制备的现有催化剂具有大表面积。但是，它们也具有跨过单个整料体的高压降，进而导致跨过这些整料体所处的反应器的高压降。或者，散堆整料的床可能在反应器中具有低压降，但由跨过各个整料体的压降引起的进入整料的入口屏障(entrance barrier)将导致通过反应器的气流的窜室(channeling)，并且没有充分利用通过robocasting技术提供的几何表面积的改进。
[0015]本专利技术的目的是提供具有高外表面积或高填充分数的包括催化活性金属的催化剂。催化剂结构应该足够机械稳定以可在反应器中形成填充催化剂床。特别地，催化剂结构应该在催化剂整料体的规整或散堆床中带来低压降而没有窜室的倾向。
[0016]该目的通过一种由催化剂、催化剂支承体(catalyst carrier)或吸收剂材料的堆叠条束组成的三维多孔催化剂、催化剂支承体或吸收剂结构实现，该结构由间隔平行条束的层组成，其中一个层内的平行条束由两个或更多个相隔小距离的紧密间隔的等距条束成组排列，其中等距条束组与相邻条束或相邻条束组相隔较大距离。
[0017]已有技术状况的整料结构具有平行于整料结构内的主要流动方向的平行通道，因此没有跨通道流动型式(cross
‑
channel flow pattern)。本专利技术的催化剂形状能使气体以多个流动方向穿过三维结构，其具有优先路径，还有穿过该结构的二级和三级跨通道流动。在本专利技术的三维结构的情况下，穿过三维结构的锯齿形主要流动型式提供明显更低的压降、更高的湍流以及每单位体积的表面积的最小程度减少。
[0018]通过逐层添加纤维制备的已有技术状况的增材制造催化剂能使气体跨通道流动，但是气体的主要流动方向是垂直于该层的条束沉积的方向。在一些情况下，以使穿过整料的主要流动方向为锯齿型式的方式铺设纤维，这种锯齿型式已知与直通道的已有技术状况催化剂相比改进催化剂的活性。这些已有技术状况的三维结构的压降和湍流受到仅使用等距纤维沉积型式构建这种三维结构的事实的极大限制。
[0019]本专利技术的结构几何可用于进一步建立在下述事实的基础上：穿过三维结构的锯齿形流动型式通过在三维结构中提供高湍流度而提高催化活性，同时与通过逐层纤维添加制
备的已有技术状况的制成催化剂相比提供跨过该结构的压降的降低。
[0020]本专利技术的三维结构通常用作催本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种由催化剂、催化剂支承体或吸收剂材料的堆叠条束组成的三维多孔催化剂、催化剂支承体或吸收剂结构，其由间隔平行条束的层组成，其中一个层内的平行条束由两个或更多个相隔小距离的紧密间隔的等距条束成组排列，其中等距条束组与相邻条束或相邻条束组相隔较大距离。2.权利要求1的三维结构，其中相邻层具有相同的平行条束型式并相对于彼此成角度取向。3.权利要求1或2的三维结构，其具有由分别相对于彼此以0
°
、60
°
和120
°
取向的平行条束层组成的六边形横截面。4.权利要求3的三维结构，其中每隔两层具有相同取向。5.权利要求1或2的三维结构，其具有由分别相对于彼此以0
°
、45
°
和90和135
°
取向的平行条束层组成的八边形横截面。6.权利要求5的三维结构，其中每隔三层具有相同取向。7.权利要求1至6任一项的三维结构，其包含各自由间隔平行条束的层组成的区段，其中一个区段的层内的间隔平行条束的型式不同于另一个区段的层内的间隔平行条束的型式。8.权利要求7的三维结构，其中各区段包含3或4个相对于彼此成角度取向的相同型式的层。9.权利要求1的三维结构，其包含具有平行条束的不同型式的相邻层。10.权利要求1的三维结构，其中平行条束的厚度在相邻层中不同。11.权利要求1至10任一项的三维结构，其中较大距离是小距离的2至10倍。12.权利要求1至11任一项的三维结构，其中等距平行条束组由2、3或4至6个平行条束组成。13.权利要求1至12任一项的三维结构，其中在一层中，在两组等距平行条束之间布置单条束。14.权利要求1至13的三维结构，其中小距离为0.5至2mm且较大距离为2至10mm。15.生产如权利要求1至14中...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：