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Verfahren zum Beschichten oder zum Imprägnieren der Oberflächen eines Katalysatorträgers - Dokument DE102005054946A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005054946A1 24.05.2007
Titel Verfahren zum Beschichten oder zum Imprägnieren der Oberflächen eines Katalysatorträgers
Anmelder Süd-Chemie AG, 80333 München, DE
Erfinder Tißler, Arno, Dr., 93105 Tegernheim, DE;
Schuster, Karl, 84036 Landshut, DE;
Helmer, Olaf, 81827 München, DE
Vertreter Stolmár und Kollegen, 80331 München
DE-Anmeldedatum 17.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005054946
Offenlegungstag 24.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2007
IPC-Hauptklasse B01J 37/02(2006.01)A, F, I, 20051117, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B05D 7/22(2006.01)A, L, I, 20051117, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten oder zum Imprägnieren eines Katalysatorträgers (30), der innere Hohlräume aufweist. Um ein Verfahren zum Beschichten oder zum Imprägnieren eines porösen Katalysatorträgers (30) bereitzustellen, mit welchem poröse Katalysatorträger (30) mit einem möglichst geringen Verlusst an Beschichtungsdispersion oder Imprägnierlösung sowie gleichmäßig beschichtet bzw. imprägniert werden können, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
a) Einbringen des Katalysatorträgers (30), die innere Oberflächen aufweisen, in eine Kammer (20), in der eine durch eine Besaugung der Kammer (20) bewirkte Strömung sowie ein Unterdruck herrscht;
b) Einleiten einer Beschichtungsdispersion oder einer Imprägnierlösung in die Kammer (20);
c) Bilden eines Gemisches Luft/Beschichtungsdispersion bzw. Luft/Imprägnierlösung;
e) kontinuierliches Durchführen des Gemisches aus Schritt c) durch den Katalysatorträger (30).

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten oder zum Imprägnieren der inneren Oberflächen eines Katalysatorträgers.

Verfahren zum Beschichten oder zum Imprägnieren der inneren Oberflächen von Katalysatorträgern sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 29 02 073 C2 ein Verfahren zum Beschichten von keramischen monolithischen Katalysatorträgern, bei welchem der Katalysatorträger einem Vakuum ausgesetzt und mit einer Aluminiumoxid-Beschichtungsaufschlämmung („washcoat") hoher Oberfläche behandelt, danach die überschüssige Aufschlämmung entfernt und der Katalysatorträger anschließend getrocknet und kalziniert wird. Zur Ausbildung der Aluminiumoxidbeschichtung wird der Katalysatorträger entweder in die Aluminiumoxid-Beschichtungsaufschlämmung eingetaucht oder die an einem oberen Ende des Katalysatorträgers aufgebrachte Aufschlämmung unter anliegendem Vakuumdruck durch den Katalysatorträger hindurchgesaugt. Dabei wird das angelegte Vakuum zur Entfernung von Verstopfungen beim Blockieren von Durchgängen fortgesetzt, wobei das Vakuum auch dann in erforderlicher Höhe aufrechterhalten wird, wenn die Anzahl der von Verstopfungen befreiten Durchgänge während der Vakuumbehandlung immer mehr ansteigt.

Das EP 0 980 710 B1 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten der inneren Strömungskanäle eines monolithischen, zylindrisch geformten Katalysatorträgers mit einer Beschichtungsdispersion, wobei der Träger zwei Stirnflächen aufweist, die durch parallel zur Zylinderachse angeordnete Strömungskanäle miteinander verbunden sind. In dem Verfahren wird der Katalysatorträger vertikal ausgerichtet, eine vorgegebene Menge der Beschichtungsdispersion auf die obere Stirnfläche des Tragkörpers aufgegeben, d.h. die Kanäle werden vollständig befüllt und durch die Strömungskanäle hindurchgesaugt, wobei überschüssige Beschichtungsdispersion aus den Strömungskanälen durch Freisaugen der Strömungskanäle entfernt wird. Die Beschichtungsdispersion wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 1 m/s durch die Strömungskanäle gesaugt und nach Abschluss des Hindurchsaugens überschüssige Beschichtungsdispersion aus den Strömungskanälen durch Anlegen eines Saugimpulses von unten entfernt, wobei die Absaugluft mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 40 und 1 m/s durch die Strömungskanäle gesaugt und die mit dem Luftstrom ausgetragene überschüssige Beschichtungsdispersion innerhalb einer Zeit von weniger als 100 ms nach dem Austreten aus dem Katalysatortragkörper vom Luftstrom abgetrennt wird.

Das EP 0 941 763 B1 betrifft ein Verfahren zum Beschichten der Strömungskanäle eines zylindrisch geformten, wabenförmigen Katalysatorkörpers mit einer Dispersionsbeschichtung durch Füllen der senkrecht ausgerichteten Strömungskanäle mit einer Füllmenge der Beschichtungsdispersion durch die untere Stirnfläche des Katalysatorkörpers und nachfolgendes Entleeren und Freisaugen der Strömungskanäle nach unten sowie Trocknen und Kalzinieren des Katalysatorkörpers. In diesem Verfahren werden die Strömungskanäle mit einer Füllmenge befüllt, die um bis zu 10% größer ist als das Leervolumen der Strömungskanäle, so dass die Beschichtungsdispersion nach Abschluss des Füllvorgangs die obere Stirnfläche des Katalysators übersteigt. Danach wird die überstehende Beschichtungsdispersion vor dem Entleeren der Strömungskanäle entfernt und anschließend werden die Strömungskanäle durch einen Saugimpuls, der durch Verbinden eines Unterdruckbehälters mit der unteren Stirnfläche des Katalysatorkörpers erzeugt wird, entleert und freigesaugt, wobei die Zeit zwischen dem Beginn des Füllvorganges und dem Ende der Entleerung nicht mehr als 5 Sekunden beträgt.

Den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren zum Beschichten von Katalysatorträgern ist gemein, dass zunächst in einem ersten Verfahrensschritt die inneren Hohlräume im Katalysatorkörper wie z.B. Poren, Kanäle usw. vollständig mit der Beschichtungsdispersion befüllt werden. In einem zweiten Schritt wird die überschüssige Beschichtungsdispersion von einer Seite des Katalysatorträgers ausgeblasen oder abgesaugt. Ein kontinuierliches Beschichten bzw. Beladen der inneren Oberflächen der Katalysatorträger, genauer gesagt der Oberflächen der inneren Hohlräume im Katalysatorkörper ist somit nicht möglich.

Ein weiterer Nachteil der Verfahren aus dem Stand der Technik liegt darin, dass beispielsweise beim Absaugen die Absaugkraft über die Abmessungen des Katalysatorträgers hinweg abnimmt. Es verbleibt in den inneren Hohlräumen, die verhältnismäßig weit von der Absaugseite des Katalysatorträgers entfernt liegen, eine große Menge an überschüssiger Beschichtungsdispersion, während verhältnismäßig nahe an der Absaugseite gelegene Hohlräume aufgrund hoher Saugwirkung von der Beschichtungsdispersion unter Umständen sogar freigelegt werden können. Aufgrund dieses Umstandes weisen die nach den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren beschichteten Katalysatorträger einen Schichtdickegradienten auf, wobei sich die Schichtdicke an den inneren Oberflächen des Katalysatorträgers in Richtung der Absaugseite hin verjüngt.

Darüber hinaus wird beim Anlegen der Saugvorrichtung an dem Katalysatorträger Beschichtungsdispersion auf die Saugvorrichtung übertragen, die aufgrund des Luftstromes antrocknet. Wird die Saugvorrichtung nicht nach jedem Saugvorgang gereinigt, so dass im Laufe der Zeit der sogenannte „Baumkuchen-Effekt" eintritt, bei dem sich die getrocknete Beschichtungsdispersion Schicht für Schicht an Bauteilen der Absaugvorrichtung ablagert und so diese verjüngt. Dadurch ändert sich die Saugleistung der Saugvorrichtung und demzufolge auch die Beladung des Katalysatorträgers mit Beschichtungsdispersion.

Weiterhin führt die Ablagerung des Beschichtungsmaterials der Beschichtungsdispersion an der Absaugvorrichtung zu einem Verlust an Beschichtungsdispersion, da einmal ab- bzw. angetrocknete Beschichtungsdispersion nicht mehr für die weitere Verwendung zurückgeführt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem Katalysatorträge, die innere Oberflächen aufweisen mit einem möglichst geringen Verlust an Beschichtungsdispersion oder Imprägnierlösung, insbesondere einer Edelmetalllösung, und außerdem gleichmäßig beschichtet oder imprägniert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Beschichten oder zum Imprägnieren eines Katalysatorträgers, der innere Hohlräume mit inneren Oberflächen aufweist gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

  • a) Einbringen der Katalysatorträger, die innere Oberflächen aufweisen in eine Kammer, in der eine durch eine Besaugung der Kammer bewirkte Strömung sowie ein Unterdruck herrscht;
  • b) Einleiten einer Beschichtungsdispersion oder einer Imprägnierlösung in die Kammer.
  • c) Bilden eines Gemisches Luft/Beschichtungsdispersion bzw. Luft/Imprägnierlösung
  • d) Kontinuierliches Durchführen des Gemisches aus Schritt c) durch den Katalysatorträger

Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die inneren Oberflächen in den inneren Hohlräumen der Katalysatorträger, in einer Kammer, in durch eine durch eine Besaugung der Kammer, d.h. durch einen kontinuierlich angelegten Unterdruck, bewirkte turbulente Strömung herrscht, von einer in die Kammer eingebrachten Beschichtungsdispersion oder Imprägnierlösung weitgehend gleichmäßig beschichtet bzw. imprägniert werden. Sowohl die innere und – sofern die gewünscht – die äußere Oberfläche des Katalysatorträgers werden über die Abmessungen des Katalysatorträgers hinweg weitgehend gleichmäßig beschichtet bzw. weitgehend gleichmäßig imprägniert. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass die inneren Hohlräume zumindest teilweise untereinander in Verbindung stehen, so dass ein Durchleiten von Fluiden durch den Katalysatorkörper möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann entweder im badge-Betrieb, also chargenweise oder kontinuierlich betrieben werden. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren kontinuierlich im Durchlauf betrieben wird. Dadurch wird gewährleistet, dass die Katalysatorträger in großen Stückzahlen, beispielsweise für die Abgasreinigung in Kraftfahrzeugen, und damit möglichst kostengünstig hergestellt werden können.

Der Begriff „Katalysatorträger mit innerer Oberfläche(n) bezeichnet dabei aus dem Stand der Technik bekannte geometrische Körper, die als Träger für Katalysatoren dienen können bzw. selbst aus katalytisch aktiven Material aufgebaut sein können, die innere, zumeist miteinander in Verbindung stehende Hohlräume, wie Poren, Kanäle, Faserstrukturen etc aufweisen, so dass die Hohlräume sogenannte innere Oberflächen aufweisen.

Damit sind z.B. Katalysatorträger gemeint, die üblicherweise in der chemischen Verfahrenstechnik oder in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Katalysatorträger um Katalysatorträgerformkörper, vorzugsweise um Schäume, insbesondere Metallschäume, Vliese oder strukturierte Wabenkörper, wie z.B. Monolithe, die beispielsweise aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid Titandioxid, Metallen und Metalllegierungen gebildet sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die inneren Hohlräume im Gegensatz zu den Verfahren aus dem Stand der Technik durch den permanent angelegten Unterdruck auch während des Beschichtungs-/Tränkschrittes frei bleiben und somit die zwei Verfahrensschritte des Standes der Technik, nämlich das Befüllen der inneren Hohlräume und das Entleeren in einem einzigen Schritt ablaufen.

Der Begriff „Unterdruck" bezeichnet jeden Druck, der unterhalb des normalen Standarddruckes von 1013 mbar liegt. Der während des erfindungsgemäßen Verfahrens angelegte Unterdruck hängt von den zu beschichtenden Katalysatorkörpern ab. Bei einem Monolithen mit z.B. 200 cpsi (Zellen pro Quadratinch) und laminaren durchgehenden Kanälen liegt der Unterdruck bei 50 mbar, d.h. es entspricht einem Druck von 963 mbar. Bei einer Schaumstruktur dagegen mit Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 500 &mgr;m beträgt der Unterdruck ca. 100–250 mbar, d.h. er entspricht einem Druck von 763–913 mbar.

Das Einbringen der Beschichtungsdispersion bzw. der Tränk/Imprägnierlösung erfolgt über dem Fachmann an sich bekannte Mittel, wie Düsen, Pumpen, Schlitze, Rohre etc.

Das erfindungsgemäße Durchführen des Gemisches in Schritt d) hängt zum einen ab von der räumlichen Dichte der inneren Hohlräume (im Falle Poren bezieht sich dies auf die Porosität) sowie deren Geometrie (langgestreckte Kanäle, gekrümmte Kanäle, Faserstrukturen usw.), der Viskosität der Beschichtungsdispersion/Tränk- bzw. Imprägnierlösung, sowie, falls das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird von der Geschwindigkeit des Transports der Katalysatorformkörper durch die Kammer.

Die erfindungsgemäße Lösung hat weiter den Vorteil, dass der Verlust an Beschichtungsdispersion bzw. an Imprägnierlösung äußerst gering ist. Beispielsweise wird das Verfahren bei Raumtemperatur mit Wasser als Lösungsmittel für die Beschichtungsdispersion oder für die Imprägnierlösung durchgeführt, so wird durch den verminderten Druck in der Kammer das Verfahren näher am entsprechenden Taupunkt des Lösungsmittels betrieben als bei Normaldruck, was einen erhöhten Lösungsmitteldampfdruck in der Kammer zur Folge hat. In die Kammer eingebrachte Beschichtungsdispersion oder Imprägnierlösung, die sich beispielsweise an Innenflächen der Kammer oder an Flächen der Besaugungsvorrichtung niederschlägt, verliert aufgrund des erhöhten Lösungsmitteldampfdrucks in der Kammer verhältnismäßig wenig Lösungsmittel, trocknet daher an den entsprechenden Flächen nicht an und kann über die Besaugung aufgefangen, abgeschieden und wieder eingesetzt werden.

Typische Werte für das Volumen an Beschichtungsdispersion (oft auch „washcoat" genannt) bzw. Tränk/Imprägnierlösung sind 30–70 l/min. Die Saugleistung zur Erzeugung des kontinuierlichen Volumens beträgt typischerweise 1000–3000 m3/h. Dabei ergibt sich ein Volumenverhältnis für das Gemisch aus washcoat/Luft bzw. Imprägnier- bzw. Tränklösung/Luft von 1:100 bis 1:5000, was ebenfalls eine kontinuierliche und vollständige Benetzung und damit Beschichtung der inneren Oberflächen gewährleistet.

Die in die Kammer eingebrachte Beschichtungsdispersion oder Imprägnierlösung, die nicht an den inneren Oberflächen des Katalysatorträgers haften bleibt oder die sich nicht an Innenflächen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens abscheidet, gelangt direkt in die Besaugung und kann ebenfalls abgeschieden wieder eingesetzt werden.

Nach dem Imprägnieren bzw. Beschichten wird der Katalysatorträger vorzugsweise getrocknet bzw. getrocknet und kalziniert.

Bevorzugt ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren am oder etwas unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder am bzw. etwas unterhalb des Taupunkts des Lösungsmittels der Imprägnierlösung durchgeführt wird. Der Begriff „Taupunkt" bezeichnet dabei die Temperatur T in einem Gas/Dampf Gemisch, bei der das Gas mit dem Dampf gerade gesättigt ist. Bei einer Abkühlung unter dem Taupunkt schlägt sich der Dampf in der Regel als Nebel oder Tau nieder.

Das Arbeiten am bzw. etwas unterhalb des Taupunkts des jeweiligen Lösungsmittels hat zur Folge, dass innerhalb der Kammer weitgehend Sättigungsdampfdruck des jeweiligen Lösungsmittels herrscht, so dass an Innenflächen einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens niedergeschlagene Beschichtungsdispersion oder Imprägnierlösung durch die in die Kammer eintretende Luft nur sehr langsam abtrocknet. Dadurch wird gewährleistet, dass der eingangs beschriebene Baumkuchen-Effekt weitgehend nicht eintritt und dass die niedergeschlagene Beschichtungsdispersion bzw. Imprägnierlösung aufgefangen und für die Zwecke des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren bzw. Imprägnierverfahren diesem wieder zugeführt werden kann.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren in einer Vorrichtung durchgeführt, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten auf eine dem Taupunkt bzw. darunter liegende Temperatur des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder auf eine dem Taupunkt bzw. darunter liegende Temperatur des Lösungsmittels der Imprägnierlösung entsprechende Temperatur temperiert sind. Dabei ist in der Regel entscheidend, dass die Flächen der Bauteilkomponenten auf eine dem Taupunkt entsprechende Temperatur temperiert sind, die mit der in die Kammer eingesprühten Beschichtungsdispersion bzw. mit der eingesprühten Imprägnierlösung in Kontakt kommen können.

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens können sich Bauteilkomponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise durch die Umgebungstemperatur oder durch die Abwärme von Aggregaten, wie beispielsweise Pumpen oder Ventilatoren, erwärmen. Auf den jeweiligen Bauteilkomponenten abgeschiedene Beschichtungsdispersion bzw. Imprägnierlösung kann aufgrund der Erwärmung an die ständig neu in die Kammer eintretende Luft Lösungsmittel abgeben, so dass es zu einer verstärkten Beschichtung bzw. Imprägnierung der entsprechenden Bauteilkomponenten kommen kann. Eine Temperierung einer oder mehrerer Bauteilkomponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine dem Taupunkt entsprechende Temperatur wirkt einem Verdampfen des an den entsprechenden Bauteilkomponenten niedergeschlagenen Lösungsmittel der Beschichtungsdispersion bzw. der Imprägnierlösung entgegen, so dass eine Beschichtung bzw. Imprägnierung der Bauteilkomponenten entgegengewirkt und die Beschichtungsdispersion bzw. Imprägnierlösung, insbesondere Edelmetalllösung, zurückgewonnen werden kann.

Um einer Beschichtung bzw. Imprägnierung der Bauteilkomponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders wirksam entgegenzuwirken, kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verfahren in einer Vorrichtung durchgeführt werden, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten auf eine Temperatur von mehr als 1°C unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Imprägnierlösung temperiert sind, vorzugsweise auf eine Temperatur von mehr als 2°C unterhalb des Taupunktes, weiter bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als 3°C unterhalb des Taupunktes, besonders bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als 4°C unterhalb des Taupunktes, mehr bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als 5°C unterhalb des Taupunktes, am meisten bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als 6°C unterhalb des Taupunktes.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die vorgenannten Bauteilkomponenten der Vorrichtung die Kammerwände sind oder Bauteile einer Vorrichtung zur Durchführung der Besaugung, vorzugsweise der Absaugschacht.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren in einer Vorrichtung durchgeführt, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten temperierbar ausgebildet sind. Dadurch kann auf besonders einfache und damit kostengünstige Weise gewährleistet werden, dass der oder die entsprechenden Bauteilkomponenten auf Taupunkttemperatur oder auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes temperiert werden können. Dabei werden die Kammerwände oder der Absaugschacht beispielsweise in Form eines Doppelmantels ausgebildet, innerhalb dessen eine Kühlflüssigkeit zirkulieren kann.

Es wurde festgestellt, dass je geringer der Druck bzw. je größer der Unterdruck in der Kammer ist, desto geringer die Beschichtungsdicke bzw. das Ausmaß der Imprägnierung. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher vorgesehen sein, dass der durch die Besaugung der Kammer bewirkte verminderte Druck in der Kammer kleiner ist als 950 mbar, vorzugsweise kleiner als 800 mbar und besonders bevorzugt kleiner als 600 mbar.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren bei einem Druck zwischen 950 mbar bis 150 mbar durchgeführt. In anderen Ausführungsformen, insbesondere bei Verwendung von Vliesen als Katalysatorträger beträgt der Druck sogar weniger als 150 mbar. Es wurde festgestellt, dass sich in diesem Druckbereich besonders gleichmäßige Beschichtungsdicken bzw. gleichmäßige Imprägnierungen des porösen Katalysatorträgers erreichen lassen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine turbulente Strömung innerhalb der Kammer erforderlich. Insbesondere bei dem Einsatz von Katalysatorträgern mit verhältnismäßig großen Abmessungen kann es notwendig sein, die in die Kammer eingebrachte Beschichtungsdispersion bzw. Imprägnierlösung besonders stark zu verwirbeln, so dass auch verhältnismäßig tiefliegende Hohlräume mit der Beschichtungsdispersion oder mit der Imprägnierlösung benetzt werden.

Entsprechend einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der poröse Katalysatorträger ein Schaum, ein strukturierter Wabenkörper, wie z.B. ein Monolith oder ein Vlies. Insbesondere Schäume, wie beispielsweise Nickelschäume, Nickellegierte Schäume, Monolithe, strukturierte Metallmonolithe beispielsweise mit durchgehenden Kanälen, wie sie beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik zur Reinigung von Abgasen eingesetzt werden, oder Vliese sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet. Dabei kann beispielsweise der Monolith aus Metall, Titandioxid, Siliziumcarbid, Aluminiumtitanat aus einem Aluminiumoxid oder einem Siliziumdioxidmaterial, eine Mischung enthaltend Siliziumoxid, Aluminiumoxid und einer Verbindung aus den vorgenannten Oxiden gebildet sein.

Vorzugsweise weist der überwiegende Teil der Hohlräume des porösen Katalysatorträgers einen Durchmesser von 20 Mikrometer bis 1,2 mm auf. Katalysatorträger mit einem entsprechenden Anteil entsprechender Hohlräume werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren von der eingesprühten Beschichtungsdispersion oder der Imprägnierlösung besonders gut durchdrungen, wodurch eine weitgehend gleichmäßige Beschichtung bzw. Imprägnierung des Katalysatorträgers auch über eine verhältnismäßig große Dicke des Katalysatorträgers hinweg gewährleistet werden kann.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beim Einbringen der Beschichtungsdispersion oder der Imprägnierlösung in die Kammer Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von zwischen 5 Mikrometer und 2000 Mikrometer gebildet. Tropfen mit einem mittleren Durchmesser der vorgenannten Größe werden in der Kammer unter den entsprechenden Bedingungen entsprechend stark verwirbelt, so dass auch besonders tiefliegende innere Hohlräume des Katalysatorträgers gleichmäßig beschichtet bzw. imprägniert werden können.

Vorzugsweise ist die Beschichtungsdispersion eine sogenannte Washcoatdispersion. Washcoatdispersionen sind im Stand der Technik bekannt. Sie enthalten in der Regel Wasser als Lösungsmittel und äußerst feinkörnige Metalloxide, wie beispielsweise Titandioxid oder Aluminiumoxide, mit denen der poröse Katalysatorträger zu beschichten ist. Hierbei kann es sich insbesondere auch um Sol-Gel Systeme handeln.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann der washcoat auch weitere katalytisch aktive Metallverbindungen enthalten, wie Nebengruppenmetall- bzw. Edelmetallverbindungen wie Verbindungen des Mo, V, W, Pt, Pd, Rh, Ni etc, alleine oder in Mischung, so dass falls diese katalytisch aktiven Metalle erforderlich sind, ein weiterer Imprägnierschritt nach dem Aufbringen und Kalzinieren des washcoats im Rahmen des „Ein-Schritt-Verfahrens" vermieden werden kann. Natürlich kann auch das letztere, hier auch „Zwei-Schritt-Verfahren" verwendet werden, obwohl es gegenüber dem „Ein-Schritt Verfahren" aufwendiger ist.

Gegebenenfalls enthalten Washcoatdispersionen auch Dispergiermittel, um die Washcoatdispersion zu stabilisieren. Es wurde festgestellt, dass Washcoatdispersionen sich trotz ihres verhältnismäßig hohen Feststoffanteils mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach und gleichmäßig auf einen porösen Katalysatorträger aufbringen lassen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter dem Begriff "Imprägnierlösung" eine Lösung verstanden werden, in der insbesondere eine lösliche Metallverbindung eines katalytisch aktiven Metalls, ein Bindemittel oder ein Haftvermittler enthalten ist.

Beispielsweise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den porösen Katalysatorträger zunächst eine einen Haftvermittler für die Beschichtung enthaltende Imprägnierlösung aufgebracht werden. Nachdem das Lösungsmittel entfernt wurde, beispielsweise durch Abdampfen, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise eine Washcoatdispersion als Beschichtungsdispersion auf den porösen Katalysatorträger aufgebracht werden.

Nachdem das Lösungsmittel der Beschichtungsdispersion, beispielsweise durch Verdampfen im Vakuum entfernt wurde und die Beschichtung kalziniert wurde, kann der beschichtete Katalysatorträger mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder direkt mit einer ein katalytisch aktives Metall enthaltenden Imprägnierlösung imprägniert werden oder auch zuvor mit einer ein Bindemittel oder ein Haftvermittler für das entsprechende Metall enthaltenden Imprägnierlösung.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die Imprägnierlösung ein Bindemittel oder ein Haftvermittler. Besonders bevorzugt enthält das Bindemittel oder der Haftmittler eine organische oder eine anorganische Komponente. Es wurde festgestellt, dass sich derartige Imprägnierlösungen besonders gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen.

Die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erläuterung der Erfindung. Es zeigt:

1 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Längsschnitt.

In der 1 ist eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegte Unterdruck-Durchlauf-Beschichtungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die Vorrichtung umfasst eine Kammer 20 mit einer Eintrittsschablone 22 an der Katalysatorträgereintrittsseite und eine Austrittsschablone 24 an der Katalysatorträgeraustrittsseite. Beide Schablonen 22, 24 sind der Querschnittsform der porösen Katalysatorträger 30 weitgehend angenähert nachgebildet, haben jedoch ein gewisses Übermaß, so dass zwischen den Schablonenkanten und den Katalysatorträgern 30 ein schmaler Spalt verbleibt, der Umgebungsluft als Leckstrom den Eintritt in die Kammer 20 gestattet.

An die Kammer 20 angeschlossen ist eine Saugeinrichtung 40. Die hohe Besaugung der Kammer 20 mit einem Luftstrom von 1000–3000 m3/h führt dazu, dass sich eintrittsseitig wie austrittsseitig ein in der Zeichnung nicht wiedergegebener thombenförmiger, aus zahlreichen einzelnen Wirbelströmen und Turbulenzen zusammengesetzter eintrittsseitiger bzw. austrittsseitiger Luftschleier bildet.

Über die Düsen 50 wird eine wässrige Washcoatdispersion als Beschichtungsdispersion in einer Menge von 30 bis 60 l/min in die Kammer 20 eingebracht. Die Washcoatdispersion gelangt aus einem Vorratsbehälter 70 mittels einer Pumpe 60 unter Druck zu den Düsen 50. Dabei ist der Vorratsbehälter 70 mit einer Zuleitung 75 für die Zuführung von Washcoatdispersion versehen.

Die in die Kammer 20 eingesprühte Washcoatdispersion wird durch die dort herrschenden turbulenten Luftströmungen stark verwirbelt, wodurch der poröse Katalysatorträger gleichmäßig beschichtet bzw. imprägniert wird, d.h., sowohl seine äußere als auch seine innere Oberfläche.

Die Washcoatdispersion wird in einem hohen Überschuss mittels der Düsen 50 in die Kammer 20 eingesprüht. Die überschüssige Washcoatdispersion gelangt durch die starke Besaugung der Kammer 20 in die Saugeinrichtung 40, in welcher die Washcoatdispersion von der angesaugten Luft abgeschieden wird. Die abgetrennte Washcoatdispersion wird mittels einer Ableitung 42 in einen Zwischenbehälter 80 befördert.

In dem Zwischenbehälter 80 wird die Zusammensetzung der Washcoatdispersion mittels einer in der Zeichnung nicht dargestellten, aber an sich bekannten Sonde ermittelt. Sollte die in dem Zwischenbehälter 80 aufgefangene Washcoatdispersion nicht die gewünschte Zusammensetzung aufweisen, so werden über den Zulauf 82 entsprechende Komponenten in den Zwischenbehälter 80 eingeführt, bis die Washcoatdispersion die gewünschte Zusammensetzung aufweist.

Weist die in dem Zwischenbehältnis 80 aufgefangene Washcoatdispersion die gewünschte Zusammensetzung auf, so wird sie mittels einer Überleitung 84 in den Vorratsbehälter 70 überführt, von wo aus sie wiederum mittels der Pumpe 60 den Düsen 50 zugeführt werden kann.

Die Vorrichtung 10 umfasst ferner ein Transportband 90, auf welchen die porösen Katalysatorträger 30 nacheinander aufgelegt werden. Nachdem die Katalysatorträger 30 die Kammer 20 passiert haben und durch die Austrittsschablone 24 hindurchgetreten sind, können diese vom Transportband 90 zum Trocknen abgenommen werden oder können auf dem Transportband in die Trocknung gefördert werden.

Die Wände der Kammer 20 sowie der Abzugsschacht der Saugeinrichtung 40 sind doppelwandig ausgestaltet, wobei innerhalb der Doppelwandung eine Kühlflüssigkeit mit einer Temperatur von 8°C zirkuliert. Dies dient dazu, dass an den Innenwandungen der Kammer 20 bzw. an den Innenwandungen des Abzugsschachtes der Saugeinrichtung 40 niedergeschlagene Washcoatdispersion auf eine Temperatur am Taupunkt oder unterhalb des Taupunktes temperiert wird. Dadurch wird gewährleistet, dass an die entsprechenden Innenwandungen niedergeschlagene Washcoatdispersion von dem stetigen Luftstrom nicht abgetrocknet wird und die entsprechenden Flächen nicht beschichtet, sondern dass die Dispersion beispielsweise in den Abzugsschacht der Saugeinrichtung 40 gelangen kann.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der durch Kapillarkräfte im Innern des so getränkten Katalysatorformkörpers zurückgehaltene geringe Teil des washcoats bzw. der Imprägnierlösung durch Anlegen eines zusätzlichen kurzfristigen Vakuums am Ende der Vorrichtung entfernt werden.

Nachdem die Katalysatorträger 30 mit der Washcoatdispersion beschichtet worden sind, werden diese getrocknet und anschließend kalziniert.

Nach dem Kalzinieren werden die Katalysatorträger 30 mittels der in der 1 dargestellten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise mit einer Platinlösung oder einer Palladiumlösung imprägniert.


Anspruch[de]
Verfahren zum Beschichten oder zum Imprägnieren eines Katalysatorträgers (30) mit inneren Hohlräumen, die innere Oberflächen aufweisen, umfassend die folgenden Schritte:

a) Einbringen des Katalysatorträger (30), die innere Oberflächen aufweisen in eine Kammer (20), in der eine durch eine Besaugung der Kammer (20) bewirkte Strömung sowie ein Unterdruck herrscht;

b) Einleiten einer Beschichtungsdispersion oder einer Imprägnierlösung in die Kammer (20).

c) Bilden eines Gemisches Luft/Beschichtungsdispersion bzw. Luft/Imprägnierlösung

d) Kontinuierliches Durchführen des Gemisches aus Schritt c) durch den Katalysatorträger (30).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich im Durchlauf betrieben wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer am oder unterhalb des Taupunkts des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder am oder unterhalb des Taupunkts des Lösungsmittels der Imprägnierlösung durchgeführt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Vorrichtung (10) durchgeführt wird, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten auf eine dem Taupunkt des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder auf eine dem Taupunkt des Lösungsmittels der Imprägnierlösung entsprechende Temperatur temperiert sind. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Vorrichtung (10) durchgeführt wird, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten auf einer Temperatur von mehr als 1°C unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Imprägnierlösung temperiert sind. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Vorrichtung (10) durchgeführt wird, von der ein oder mehrere Bauteilkomponenten temperierbar ausgebildet sind. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Besaugung der Kammer (20) bewirkte Unterdruck in der Kammer (20) kleiner ist als 800 mbar. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Druck zwischen 950 mbar bis 100 mbar durchgeführt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Katalysatorträger (30) ein Schaum, ein strukturierter Wabenkörper oder ein Vlies ist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Teil der inneren Hohlräume des Katalysatorträgers (30) einen Durchmesser von 20 Mikrometer bis 1,2 mm aufweist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen der Beschichtungsdispersion oder der Imprägnierlösung in die Kammer (20) Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von zwischen 5 Mikrometer bis 900 Mikrometer gebildet werden. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsdispersion eine Washcoatdispersion ist. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahcoatdispersion weiter eine Verbindung eines katalytisch aktiven Metalls enthält. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierlösung ein Bindemittel oder einen Haftvermittler enthält. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel oder der Haftvermittler eine organische oder eine anorganische Komponente enthält. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Katalysatorformkörpers, zur Reinigung von Gasen, insbesondere von Abgasen aus Verbrennungsmotoren.






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