在催化式或非催化式碳黑再生方法中用作微粒过滤器的多孔载体.pdf

本发明涉及在催化式或非催化式碳黑再生方法中用作微粒过滤器的多孔载体，该多孔载体优选地用于汽车应用及非汽车应用。该载体用于催化式及非催化式碳黑再生。该载体具有蜂窝结构，并在所述微粒过滤器的操作期间，过滤流经所述多孔载体的排气中的纳米颗粒。该多孔载体特征在于具有200至300cpsi范围中的孔密度，10至16密耳的壁厚，35％至55％的孔隙率，及9至15μm的孔径。

权利要求书
1.   一种多孔载体，所述多孔载体优选地在使用催化式及非催化式碳黑再生的汽车应用及非汽车应用中用作微粒过滤器，所述载体具有蜂窝结构，并在所述微粒过滤器的操作期间，过滤流经所述多孔载体的排气中的纳米颗粒，其特征在于，所述多孔载体具有200至300cpsi范围中的孔密度。

2.   如权利要求1所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有210至280cpsi范围中的孔密度，更优选地具有220至270cpsi范围中的孔密度。

3.   如权利要求1或2所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有10至16密耳范围中的壁厚。

4.   如权利要求1或2所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有10至13密耳范围中的壁厚。

5.   如权利要求1或2所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有12密耳的壁厚。

6.   如上述权利要求中的任何一个所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有35％至55％范围中的孔隙率。

7.   如上述权利要求中的任何一个所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有42％至47％范围中的孔隙率。

8.   如上述权利要求中的任何一个所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有42％的孔隙率。

9.   如上述权利要求中的任何一个所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有9至15μm范围中的孔径。

10.   如上述权利要求中的任何一个所述的多孔载体，其特征在于，所述多孔载体具有11至12μm范围中的孔径。

说明书在催化式或非催化式碳黑再生方法中用作微粒过滤器的多孔载体
技术领域
本发明涉及优选地在汽车应用及非汽车应用中用作微粒过滤器的多孔载体。该载体设计用于催化式或非催化式碳黑再生方法。
背景技术
如通常所知，微粒过滤器中的载体的特性决定微粒过滤器过滤排气中的纳米颗粒的能力，以及其流动阻力，即过滤器两端的压力降。美国专利申请US 2005/0042151A1公开：高过滤效率所需的特性，即低孔隙率及小孔径，与低压力降所需的特性相反。为了提供高过滤效率及低压力降两者，美国专利申请US 2005/0042151 A1提出了一种用于承载化学反应的催化剂载体，其中所述载体包括非织造烧结耐火陶瓷复合材料，所述复合材料具有约80％至约99％的孔隙率，约50至1000cpsi(孔道/平方英寸)的孔密度，及约1至20密耳(1密耳＝千分之一英寸)范围中的壁厚。
美国专利US 7,052,532 B1公开了一种高温纳米过滤器，该过滤器包括这样的滤料，该滤料由具有多个纤维的纤维束状滤料及具有从纤维表面延伸出的多个颗粒的颗粒状滤料组成。所述混合滤料具有大于或等于约85％的孔隙率，及大于约30μm的中等孔径。
发明内容
本发明的一个目标是提供在汽车应用及非汽车应用中用作微粒过滤器的多孔载体，该多孔载体兼具有较低的背压，及较高的过滤效率和足够的载体坚固性。此外，该载体设计用于催化式和非催化式碳黑再生方法。
该目标可以根据独立权利要求1限定的技术方案实现。
根据本发明，优选地在汽车应用及非汽车应用中用作微粒过滤器的多孔载体具有蜂窝结构，并在所述微粒过滤器的操作期间，过滤流经所述多孔载体的排气中的纳米颗粒。该载体的特征在于具有200至300cpsi(孔道/平方英寸)范围中的孔密度。
本发明基于这样的考虑，即影响微粒过滤器的载体中的背压的主要因素是载体的孔密度、壁厚、孔径，及孔隙率。此外，发明人发现，在这四个因素中，对出现在载体中的背压具有最大影响的因素是孔密度与壁厚，而孔径与孔隙率的影响相对较低。
然而，由于后两个因素(即孔径与孔隙率)会显著影响过滤器的过滤效率和坚固性(即，过滤器的稳定性)，所以可以将所述参数调节至相对较低的值，以便确保过滤器的高过滤效率和高坚固性。
同时，改变其余因素(即孔密度与壁厚)并对其进行数值分析，其中考虑到较低的孔密度及薄壁的出现会增加载体机械强度降低的风险，还对抗剪强度进行估计。
通常人们认为较高的孔密度适合于减小背压，因为在较高的孔密度下，对相同的过滤器外部尺寸来说，用于过滤的几何表面积增大，从而在过滤器载体中产生较薄的碳黑层，但本发明的参数(即较低的孔密度)是撇开这样的看法选择的。
根据优选实施例，该多孔载体具有210至280cpsi范围中的孔密度，更优选地具有220至270cpsi范围中的孔密度。
此外，根据优选实施例，该载体具有10至16密耳范围中的壁厚，更优选地具有在10至13密耳范围中，特别是12密耳的壁厚。
此外，根据优选实施例，所述载体具有35％至55％范围中的孔隙率，更优选地具有42％至47％的孔隙率，进一步优选地具有42％的孔隙率。
此外，根据优选实施例，该载体具有9至15μm范围中的孔径，更优选地具有11至12μm范围中的孔隙率。
作为本发明的分析的结果，用12密耳(1密耳＝千分之一英寸)的中等壁厚下的220或266cpsi的中等孔密度，可以实现所期望的较低过滤器堵塞风险下的良好背压特性与足够的坚固性及过滤效率的组合。
特别是，发明人发现，与具有明显较高的孔密度(即316cpsi的孔密度)的样本相比，这样最优化的载体(孔密度＝220或266cpsi且壁厚＝12密耳)发生堵塞的风险显著降低。对该效应的解释是：具有较高孔密度的载体中较小的入口孔道直径会在过滤器的前部造成较高的堵塞风险，从而阻碍碳黑在过滤器中的均匀分布。结果，本发明的载体的堵塞风险显著低于具有较高孔密度的载体，这是由于根据本发明进行最优化的载体具有较大的入口孔道。
本发明的其他特征及优点可以从属权利要求中得出。
根据在附图中示出的优选实施例，在下文中对本发明进行说明。
附图说明
图1为示出无负载的过滤器样本(即过滤器没有碳黑负载)(图1a)及有碳黑负载的过滤器样本(图1b)中，背压相对于孔密度、壁厚、孔径及孔隙率的敏感性的图表；
图2为示出孔密度和壁厚对背压ΔP的影响的图表；
图3为示出孔隙率和孔径对背压ΔP的影响的图表；
图4a-图4d示出在基线及各个试验设计(DOE)变体中，作为无负载的载体(图4a)以及有2g/L(图4b)、4g/L(图4c)及6g/L(图4d)的不同碳黑负载的载体中的质量流率的函数确定的压力降ΔP的结果；及
图5示出作为0至6g/L的碳黑负载的函数并在1.000kg/h的质量流率下确定的基线及试验设计变体中的压力降ΔP的结果。
具体实施方式
本发明基于这样的考虑，即影响微粒过滤器的载体中的背压的主要因素是：载体的
a)孔密度(cell density)(单位为cpsi＝孔道/平方英寸)；
b)壁厚(单位为密耳，1密耳＝千分之一英寸)；
c)孔径(单位为微米，μm)；及
d)孔隙率(单位为百分比，％)。这些因素于下述边界内在拉丁立方(LatinHypercube)试验设计矩阵中改变：
-孔密度：200-300cpsi；
-壁厚：10-16密耳；
-孔径：11-15μm；及
-孔隙率：42-47％。
对于由其尺寸和材料性质规定的特定载体，使用壁流式微粒过滤器背压模型计算背压ΔP，该模型基于对载体孔道及渗流壁内对应于排气质量流率及排气温度的速度评估。更具体来说，使用壁流式微粒过滤器背压模型计算背压ΔP的方法包括：
-定义输入参数，其中包括流体状态(质量流率、温度及冷端压力)、过滤器特性(材料数据、几何尺寸规格)及DPF负载状态(碳黑和/或粉灰负载在过滤器中的出现)；及
-通过评估ΔP贡献因素(入口损失、转换损失、孔道损失、壁损失、碳黑层损失，及出口损失)来计算背压ΔP。
为了计算ΔP，假设存在分层的孔道流，从而可以使用哈根-泊肃叶(Hagen-Poiseuille)摩擦系数，并假设存在多孔的壁/碳黑层，从而可以使用包含福希海默(Forchheimer)项的达西(Darcy)定律。此外，可以基于经验公式对入口损失、转换损失及出口损失使用各种系数。
图1为示出对8×12英寸的柴油微粒过滤器中的无负载的过滤器样本(图1a)及有碳黑负载的过滤器样本(图1b)两者进行敏感性分析的结果图表(得出单位为百分比的总体敏感性)。可以从图1看出，在上述因素a)-d)中，孔密度与壁厚是最主要的因素，其中根据图1a，在DPF无负载(即没有碳黑)时，孔密度是主要因素；根据图1b，在DPF有碳黑负载时，壁厚是主要因素。
应注意，增加的碳黑层厚度会带来较高的背压，其中所述碳黑层厚度取决于存储能力，而存储能力是壁厚的函数。此外，应注意，各种因素的敏感性随DPF尺寸的改变而改变，因为长径比决定孔道损失与壁损失之比，而DPF的总体尺寸还决定DPF内的速度。
图2示出在8×12英寸的DPF中于下面的边界内确定的上述主要因素(即孔密度与壁厚)对背压ΔP的影响，所述边界为：DPF入口温度＝568℃，碳黑负载＝5g/L，及MFR(即质量流率)＝770kg/h。可以得出：较小的壁厚及较低的孔密度通常可以产生最低的DPF背压。
图3示出次要因素(即孔隙率与孔径)在与图2相同的边界及样本条件下对背压的影响。可以得出：孔径与孔隙率两者对背压只有次要的影响，这一点由本发明充分利用，因此调节这些因素以实现高过滤效率及高过滤器稳定性。
在又一方面，发明人考虑到，较小的壁厚(如10密耳)与较低的孔密度(如200cpsi)的组合会产生挤压成形工艺方面的生产问题。在下文中，使用壁流式微粒过滤器背压模型对DPF载体样本进行最优化，以保持较低的背压，同时在另一方面避免这样的生产问题，且在又一方面得到足够高的过滤效率及碳黑存储能力。
表1示出主要因素及其对开口率(过滤器的前端开口面积与横截面积之比)的影响的可能组合。这些组合是选择孔密度值(从178至316cpsi变化，对应于每单位截面的孔数从18至24个的变化)，及壁厚值(从9.84至16密耳变化)的结果。在这些组合中，选择12/14密耳的壁厚与220/266cpsi的孔密度组合进行更加详细的考察。通过这样的处理，过滤器堵塞的风险及生产问题得以最小化，同时可以保持较高的存储能力以及很好的背压性能特性。
表1
  壁厚→  孔密度↓  9.8425密耳  12密耳  14密耳  16密耳  178cpsi  35.2％(DOE)  32.9％(DOE)  30.9％(DOE)  28.9％  220cpsi  34.0％(DOE)  31.5％(DOE)  29.3％(DOE)  27.1％(DOE)  266cpsi  32.9％(DOE)  30.2％(DOE)  27.8％(DOE)  25.5％(DOE)  316cpsi  31.8％  28.9％(DOE)  26.4％(DOE)  23.9％(DOE)
图4a-图4d示出在各个试验设计变体中，作为无负载的载体(即没有碳黑，图4a)以及有2g/L(图4b)、4g/L(图4c)及6g/L(图4d)的不同碳黑负载的载体中的质量流率的函数确定的压力降ΔP的结果。此外，图5示出作为碳黑负载的函数并在1.000kg/h的质量流率下确定的试验设计变体中的压力降的结果。
在图4a-图4d及图5中，“基线”样本具有下面的参数：孔密度＝178cpsi，壁厚＝16密耳，孔径＝11μm，及孔隙率＝42％。“基线2”样本具有下面的参数：孔密度＝316cpsi，壁厚＝10密耳，孔径＝11μm，及孔隙率＝42％。
考虑到具有10密耳壁厚及178cpsi孔密度的样本不坚固，具有12密耳壁厚且分别兼具220cpsi或266cpsi的孔密度的样本可以实现最佳的试验设计变体选择。
作为上述分析结果的结论，通过减小壁厚为12密耳同时保持孔密度在中等低的值(220或266cpsi)，可以实现根据本发明的背压特性改进。因为所选择的孔密度，对于例如具有316cpsi孔密度的样本，堵塞风险降低，同时无论是无负载还是有碳黑负载，都可以保持极佳的背压特性。
根据表2，在保持孔隙率和孔径为常数值的条件下，取决于载体参数，特别是输入孔密度及输入壁厚，对抗剪强度进行估计。可以得出：在220cpsi的较低孔密度下，薄壁(如8-10密耳的壁)的出现会产生较低的载体抗剪强度，并使载体机械强度降低的风险增加。可以用220cpsi或266cpsi的中等孔密度及12密耳的中等壁厚获得足够的坚固性。
表2
  名义孔密度  (cpsi)  壁厚(密耳)  计算出的孔间距  (mm)  计算出的抗剪强  度(兆帕)  200  16  1.796  0.902  200  12  1.796  0.507  200  10  1.796  0.352  200  8  1.796  0.225  220  16  1.712  0.992  220  12  1.712  0.558  220  10  1.712  0.387  220  8  1.712  0.248  266  16  1.557  1.199  266  12  1.557  0.675  266  10  1.557  0.468  266  8  1.557  0.300  300  16  1.466  1.352  300  12  1.466  0.761  300  10  1.466  0.528  300  8  1.466  0.338