蜂窝状材料(20100331)

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1、第一讲整体式块状材料1、概述整体式块状载体是一种具有连续而单一通道结构的整块状载体。此载体往往具有许多平行的通道。这些通道的形状为六角形，具有类似于蜂窝形状，常称为蜂窝状载体。除此之外，通道还有环形、方形、三角形或正弦曲线形状。早先蜂窝状陶瓷曾在建筑上使用，以及用于再生式热交换器内。1966年首次应用于硝酸车间尾气NOx的脱色。20世纪70年代中期，美国与日本将其用于汽车尾气催化转化器，以处理CO、NOx和未完全燃烧的烃类。目前，汽车尾气催化转化器大部分都是采用这种整体块状的陶瓷蜂窝状载体，其余为金属基蜂窝状整体式块状载体。蜂窝状整体式块状载

2、体也常用于有机废气的催化燃烧。整体式块状载体在传质、传热、压力降等方面与颗粒状催化剂构成的散式床层性质不同。堇青石质蜂窝陶瓷载体蜂窝陶瓷工业填料蜂窝陶瓷蓄热体蜂窝陶瓷灶具片红外催化燃烧器柴油车壁流式颗粒捕集器金属蜂窝载体及催化剂TiO2均质整体式蜂窝均质TiO2载体2.整体式块状载体的特点1）体相传质颗粒状催化剂由于受传质限制其转化率不仅取决于颗粒大小，也取决于反应器高度；一般要求反应器直径应为催化剂颗粒直径的10倍以上，反应器长径比也应在3～5以上。因此，水平反应器不适合使用颗粒状催化剂。此外，由于压力波动或运转期间催化剂体积收缩，或其他机

3、械因素会使催化剂颗粒流动，易产生沟流。通常要求颗粒状催化剂固定床必须垂直设置，气流要自上而下或自下而上通过来防止催化剂颗粒因流动而短路。整体式块状催化剂的外形与极限传质转化率无关，也就是说瘦长形的整体式块状催化剂与粗短形的整体式块状催化剂在流速相同时的性能相同。这就使整体式块状催化剂能用于水平式反应器。这一特点尤其适合汽车尾气净化催化剂的安装。反应组分（气态或液态）一旦进入整体式催化剂通道就不再发生混合，因此反应组分在进入整体式催化床层前必须充分混合，以保证在反应器内能均匀分布。2）颗粒内扩散催化剂颗粒内扩散是影响催化反应速度的又一传质限制。

4、细孔颗粒催化剂的活性表面主要在颗粒孔隙内部，当反应速度比反应物向孔内扩散速度快时就会受到内扩散的控制。整体式催化剂几何表面比颗粒催化剂的几何表面大。就空隙率来说，散式床层典型范围为0.3～0.5，而整体式床层的范围则在0.5～0.7。典型的整体式催化剂孔隙密度为30～100孔/cm2。由于整体式催化床有很高的空隙率，故其用量可比颗粒催化剂少用5％～50％。3）床层压降在床层高度和反应组分流速相同时，整体式催化剂床层压降要比相应的颗粒状催化剂床层压降低2～3个数量级，甚至在很高的气体流速下也能保持较低的床层压降，并且不会使传质转化效率下降。4）

5、传热整体催化剂最重要的特性之一是无气体径向扩散，因而不存在径向传热。此外透过通道壁的径向热传导也很低，对于热导率很低的陶瓷整体式载体则更低。由于整体式催化剂的绝热性质，会使放热反应的温度和反应速度迅速升高，这对汽车冷启动迅速使汽车尾气催化净化处理装置达到工作状态十分有利。但对吸热反应，整体式催化剂则比粒状催化剂更易出现反应骤然停止的现象。整体式载体由于表面积大、比热容小、气体向表面传热快，这一点对汽车尾气催化剂十分有用。相比之下，颗粒状催化剂用于汽车尾气净化因其比热容大，起燃时间就长得多。整体催化剂辐射传热也与颗粒催化剂不同，高孔隙率的直通式

6、通道使向上或向下的辐射损失热量要比颗粒催化剂的大。3、整体式块状载体的基本构型及物理性能整体式块状载体由许多小的孔隙平行通道所组成，孔隙通道截面可以是六角形、环形、方形、三角形或者呈正弦曲线形。孔隙通道的内边长D、壁厚t及截面的几何形状决定了整体式块状载体的孔隙密度n和孔隙率ε；也决定了整体式块状载体的单位体积几何表面Sc和水力直径DH。单位体积几何表面Sc=，水力直径DH=/。这4个参数影响整体式载体的性能。整体式块状载体孔隙外形与内边长D及壁厚t关系整体式块状载体最大直径为200cm，典型孔隙通道长度范围为1～100cm，可把多个单块载体

7、堆砌达到床层所需高度（或长度），亦可用水泥粘结在一起。据研究，整体式块状载体的孔壁最小厚度应为0.1～0.11mm，孔隙密度应低于16孔/cm2。近年由于合金蜂窝状整体式载体的应用，最小壁厚已薄到0.04mm。整体式块状载体20世纪70年代通用的孔隙密度为30孔/cm2，壁厚0.3mm；90年代通用的则为60孔/cm2，壁厚规格0.165mm。堇青石陶瓷整体式载体典型的物理性质见下表堇青石陶瓷整体式载体典型的物理性质整体式载体的孔隙率ε取决于起始原料、制造方法、最终烧结温度与时间。添加造孔剂可提高孔隙率。造孔剂有尿素和乌洛托品等。整体式载体的

8、密度、热导率及对涂层的粘结力主要取决于孔目数、形状及孔大小的分布。整体式载体有30％～40％开放性孔，平均孔径在1～10μm，大孔径（10μm）有利于提高表面涂层的