ТЕХНОЛОГИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ

Сушилки

В производстве катализаторов материал на сушку может подаваться в виде суспензии (например, при сушке суспензии силикагеля в процессе получения ванадиевых катализаторов), пасты (при производстве цинк-хром-медного и железохромового катализаторов для конверсии оксида углерода), влажного несли - пающегося зернистого материала (в производстве алюмосиликат - ного катализатора крекинга), отформованных гранул или таблеток (в производстве большого числа катализаторов).

При выборе способа сушки и конструкции сушилки следует учитывать кроме общих для всех процессов сушки закономер­ностей специфику технологии катализаторов — высокую чистоту продуктов и минимальные их потери. Например, при наиболее

Экономичном и распространенном способе — конвективной сушке с использованием топочных газов — требуется уделить особое внимание анализу влияния компонентов газовой смеси на сни­жение активности получаемого катализатора в результате его загрязнения или отравления. Поэтому в рядё производств исполь­зование топочных газов может быть Вообще недопустимо.

В табл. 4.4 приведены данные дЛя ориентировочного выбора сушилок в зависимости от типа высушиваемого материала.

Распылительные сушилки являются наиболее прогрессивным оборудованием для сушки суспензий и маловязких паст. Их применение в катализаторных производствах дает возможность максимально сократить число стадий производства, провести пол­ную автоматизацию процесса. При этом в сушилке как бы сов­мещаются процессы фильтрования (что важно для труднофильтру - ющихся суспензий, дающих легкосжимаемые осадки), сушки, гранулирования и измельчения высушенного материала, полу­чаемого в виде однородных частиц сфероидальной формы с раз­мером до 100 мкм. Примером рационального использования воз­можностей распылительных сушилок могут служить производ­ства железохромовых катализаторов, а также получение сили - кагеля, применяемого в качестве носителя для различных катали­заторов. Длительность сушки при таких размерах частиц не превышает нескольких секунд.

В распылительной сушилке легко регулировать и изменять состав продуктов путем добавления в исходную суспензию необ­ходимых компонентов или при распылении их одновременно с основным высушиваемым раствором. С другой стороны, следует учитывать, что если содержание твердой фазы в суспензиях,

Рис. 4.8. Схема прямоточной распыли­тельной сушилки:

1 — вентилятор для подачи сушильного агента; 2 — теплогенератор; 3 — иасос; 4 — сушильная камера; 5. — распыливаю - щее устройство; 6 — трубопровод возвра­та частиц; 7 — вентилятор для возврата крупных частиц; 8 — циклон; 9 — венти­лятор дымососа; 10 — разгрузочный шту­

Цер

Подаваемых на распылительную сушилку, невелико, то высу­шенный продукт может быть загрязнен нежелательными при­месями, которые в растворен­ном состоянии находились в

Жидкой фазе суспензии. Поэтому продукт, высушенный после фильтрования, содержит значительно меньше примесей, осо­бенно если осадок на фильтрах промывался. Таким образом, обезвоживание суспензий без предварительного фильтрования можно рекомендовать только в том случае, если примеси, содер­жащиеся в растворенном состоянии и при испарении влаги оста­ющиеся в высушенном продукте, не ухудшают качества полу­чаемого катализатора.

В зависимости от технологических требований в качестве теплоносителя и сушильного агента используют воздух, инертные или топочные газы, нагретые от нескольких сот до 1000 °С. При правильно выбранном времени пребывания высушиваемого мате­риала, благодаря высокой интенсивности испарения влаги, темпе­ратура на поверхности частиц не успевает подняться выше 100— 310 °С. Материал, поступающий на сушку, может иметь влаж­ность от 25 до 96 %.

Распылительные сушилки, используемые в катализаторных производствах, различаются по способу подвода сушильного агента, по конструкции распылителя и методу разгрузки мате­риала. Принципиальная схема прямоточной сушильной уста­новки представлена на рис. 4.8. Линейная скорость газа, рассчи­танная на сечение камеры, составляет, как правило, не менее 0,15 м/с. При контактировании сушильного агента и суспензии, диспергированной в виде микрокапель, с поверхности последних происходит интенсивное испарение жидкости. Парогазовую смесь отсасывают вентилятором 9. При прохождении через циклон 8 (или другие пылеулавливающие устройства) происходит отделе­ние унесенных частиц, и их или возвращают в камеру по трубо­проводу 6, или подают на последующую обработку. Высушенный до заданной конечной влажности продукт отводят через разгру­зочный штуцер 10.

В распылительных сушилках диспергируют жидкость тремя способами: за счет кинетической энергии самой жидкости, посту­пающей в механические форсунки под высоким давлением; при использовании кинетической энергии воздуха или пара (пневма­тическое распыление), подаваемых в газовые форсунки; при подаче суспензии на вращающиеся диски (турбинки). В сушил­ках, используемых в малотоннажных катализаторных производ­ствах, для распыления тонкодисперсных суспензий применяют механические форсунки. Пневматические обеспечивают большую производительность и могут работать с концентрированными и «грубыми» суспензиями. В крупнотоннажных производствах и для распыления паст используют дисковые (турбинные) форсунки [185].

В зависимости от технологических требований теплоноситель и суспензия движутся в камере сушилки прямотоком или про­тивотоком. Противоточное движение осуществляют в тех слу­чаях, когда необходимо совмещение сушки с прокаливанием. Поскольку при производстве катализаторов после сушки в распы­лительных сушилках продукт, как правило, поступает на грану­лирование или таблетирование, то используют принцип парал­лельного тока, при котором сушку материала производят наиболее интенсивно, экономично, а высушенный продукт при этом полу­чают более однородным. Кроме того, установлено, что при пря­моточной сушке распылением с повышением начальной темпера­туры теплоносителя увеличивается пористость высушенных ча­стиц, что для катализаторов имеет важное значение.

Удельная объемная производительность сушилок находится в пределах от 8—15 кг/(м3-ч) при температуре входящего газа 250—400 °С до 15—25 кг/(м3-ч) при 800—1000 °С. Производитель­ность сушилок, работающих в катализаторных производствах, находится в пределах от 5 до 1500 кг/ч. Методика расчета суши­лок приведена в работе [184].

Следует отметить, что сложность совокупного влияния даже основных факторов обусловливает необходимость определения многих параметров сушки экспериментально.

Совершенствование распылительных сушилок связано с улуч­шением качества и тонкости диспергирования суспензий. В этом плане весьма перспективна интенсификация сушки путем нагрева при давлении 0,3—1,0 МПа раствора (или суспензии) до темпе­ратуры, близкой к кипению. Повышение температуры суспензии приводит к снижению в 5—6 раз вязкости, что позволяет повы­сить качество распыления в форсунке. Кроме того, после выхода из форсунки перегретые микрокапли, попадая в зону сушки с атмо­сферным давлением, подвергаются вторичному диспергированию вследствие разрыва микрокапель из-за интенсивного парообра­зования.

Сушилки с кипящим (взвешенным) слоем (КС) позволяют с высокой интенсивностью высушивать как сыпучие зернистые, так и пастообразные и даже жидкие материалы [182]. При производ­стве катализаторов в таких сушилках можно совмещать сушку и классификацию, сушку и термообработку. Высокий удельный влагосъем, отнесенный к 1 м2 решетки, достигающий 3000кг/(м2-ч),

Несложное аппаратурное оформление, простота автоматического управления обусловливают широкое применение в производстве катализаторов сушилок КС. В таких сушилках реализуется один из важнейших факторов интенсификации сушки — повышение концентрации твердых частиц в единице объема сушилки с одно­временным увеличением удельной поверхности активного взаимо­действия.

Сушилки с кипящим слоем с успехом применяют как в мало­тоннажных, так и в крупнотоннажных производствах. При про­изводстве катализаторов находят применение однокамерные су­шилки периодического и непрерывного действия с однократным использованием теплоносителя.

Сушилки периодического действия (рис. 4.9), а также непре - рывнодействующие сушилки с ненаправленным движением высу­шиваемого материала имеют обычно цилиндрический или цилин - дроконический корпус 4, горизонтальную газораспределитель­ную решетку 5, газовый коллектор /, штуцеры для загрузки влаж­ного материала и выгрузки сухого продукта.

В малотоннажных катализаторных производствах при необ­ходимости получения однородного по влажности продукта и по­вышенных требованиях к конечному влагосодержанию применяют периодически действующие сушилки. Параметры теплоносителя изменяют во времени и поддерживают на оптимальном уровне в зависимости от текущей остаточной влажности загруженного материала. Существующие сушилки периодического действия обеспечивают полную сушку не более чем за час. Загрузка в су­шилки и выгрузка из них полностью механизированы.

Для крупнотоннажных производств целесообразно использо­вать сушилки с направленным движением высушиваемого мате­риала (рис. 4.10). Такие сушилки имеют коридорную форму су­шильной камеры 5 с наклонными боковыми стенками. Газораспре­делительная решетка 3 располагается горизонтально или с не­большим уклоном в сторону выгрузки, что способствует направ­ленному движению высушиваемого материала 2. Уровень слоя обусловлен высотой сливного порога 4. При сушке пастообразных материалов и суспензий последние непрерывно в определенном количестве подают либо в кипящий слой инертного материала (песок, стеклянные шарики и др.), либо в слой гранул самого вы­сушиваемого материала. При этом кипящий слой в месте подачи в него исходного влажного материала не должен значительно отли­чаться по влажности от конечного высушенного продукта.

В катализаторных производствах используют сушилки КС производительностью по готовому продукту от 50 до 1500 кг/ч. В качестве сушильного агента применяют воздух или топочные газы с температурой 400—600 °С.

На рис. 4.11 представлена сушилка КС для обезвоживания раствора сульфата натрия, получаемого при осаждении силика­геля в производстве ванадиевых катализаторов.

Предварительно упаренный раствор сульфата натрия с на­чальной влажностью 70—75 % подают в сушильную камеру / двумя форсунками 2. Топочные газы поступают в нижнюю под - решеточную зону с температурой 750 °С. В средней части су­шилки установлена газораспределительная решетка 4, над кото­рой в процессе сушки образуется кипящий слой 3. Сочетание сушки в распыленном состоянии и дополнительного обезвожива­ния в кипящем слое позволяет достичь очень низкой конечной влажности продукта (около 0,1 %). Высушенный сульфат натрия с температурой 150 °С самотеком выгружается через течку, рас-

Рис. 4.11. Сушилка КС для обезвоживания растворов:

/ — сушильная камера; 2 — форсунки; 3 — кипящий слой продукта; 4 — решетка

Положенную в нижней части кипящего слоя. Топочные газы с температурой 150 °С, содержащие пылевидные фракции соли, выходят через штуцер. Пыль от газового потока отделяется в циклоне и пенном аппарате. Производительность такой сушилки — до 1600 кг/ч по исход­ному раствору.

Подача пасты в кипящий слой гранул оправдана в тех случаях, когда в про­цессе сушки материал образует достаточно прочные гранулы, которые не требуют последующего измельчения.

Если по технологии последующей об­работки необходимо получить высу­шенный продукт в порошкообразном виде, сушку проводят на поверхности инертных тел, находящихся в псевдоожи - женном состоянии. Текучие пасты и суспензии покрывают ча­стицы инертного материала тонкой пленкой. В результате взаим­ных соударений частиц образующийся при высыхании пленки осадок истирается, высушенный материал выносится в виде тон­кодисперсной пыли выходящим из сушилки теплоносителем, а затем его накапливают в пылеулавливающих устройствах. Подача пастообразного материала в 1 с составляет весьма незна­чительную долю от объема материала, находящегося в сушилке в псевдоожиженном состоянии. Ее определяют для конкретных свойств пасты экспериментально.

Результаты исследования сушки в кипящем слое различных катализаторов приведены в работе [182], методика расчета— в [35 ].

Сушилки с кипящим слоем (в отличие от других типов суши­лок) более чувствительны к изменению влажности материала. При низкой влажности материала и высокой температуре сушиль­ного агента удельный расход теплоты резко повышается. Обычно в этом случае снижают скорость газового потока или увеличивают высоту слоя высушиваемого материала. Однако для сушилок КС нельзя значительно снижать скорость сушильного агента из-за опасности потери устойчивости кипящего слоя, а увеличивать высоту слоя в большинстве случаев не позволяют весьма ограничен­ные возможности газодутьевых устройств. В связи с этим при продолжительной сушке приходится пропускать через слой на­много больше сушильного агента, чем это необходимо. Для повы­шения теплового к. п. д. целесообразна циркуляция части отра­ботанного сушильного агента при одновременном некотором снижении его температуры.

Ленточные сушилки в производстве катализаторов в основном применяют для сушки легкосыпучих зернистых материалов — полуфабрикатов, а также отформованного катализатора с раз­мерами гранул или таблеток до 15 мм. В подобных установках при соответствующем выборе теплового режима и правильном под­боре конструкционных материалов для основных элементов су­шилки в ряде случаев можно совмещать сушку с термообработкой катализатора, особенно если температура прокаливания не пре­вышает 700 °С. В производстве ряда катализаторов сушку в лен­точной сушилке совмещают с пропаркой. При этом в качестве су­шильного агента применяют паровоздушную смесь. При сушке пастообразных материалов ленточную сушилку используют в паре с формующим устройством, установленным перед сушилкой.

Основной узел сушилки (рис. 4.12) — горизонтальный лен­точный транспортер /, установленный в сушильном коридоре 2. Коридор разделен на несколько секций, в каждой из которых с помощью вентиляторов и калориферов 4 поддерживают опреде­ленные, оптимальные для конкретного высушиваемого материала, гидродинамический и тепловой режимы. Корпус сушилки вы­полнен в виде длинной камеры (туннеля) с прямоугольным по­перечным сечением. Время пребывания материала в сушилке ре­гулируют с помощью вариатора скорости перемещения ленты. Транспортерные ленты изготавливают из металлической плетеной сетки, из штампованной перфорированной или пластинчатой ленты. Ширина ленты 0,4—2 м, длина — до 50 м; скорость дви­жения ленты — 0,05—0,5 м/с.

В одноленточных сушилках при сушке ма­териалов с начальной влажностью до 80 % конечная влажность продуктов, как правило, составляет 5—30 %. В качестве су­
шильного агента используют воздух, топочные, газы или их ком­бинацию, причем в первые зоны обычно подают воздух, нагретый до 60—120 °С, а в последние — топочные газы с температурой до 150 °С. Все сушилки, применяемые в катализаторных производ­ствах, работают с продувкой высушиваемого материала сушиль­ным агентом, причем циркуляция последнего организована так, что в зонах влажного материала продувка осуществляется снизу вверх, а в зоне подсушенного продукта или снижают скорость продувки или меняют ее направление. Тем самым снижается возможный унос мелких частиц. Средняя интенсивность влаго - съема составляет 5—30 кг/(м2-ч) при температуре сушки 90— 100 °С и влагосодержании исходного высушиваемого продукта 45—60 %.

В многоленточных сушилках транспортерные ленты установлены друг над другом. Сушильный агент исполь­зуют многократно. Его пропускают снизу вверх через все ленты, при этом после каждого слоя сушильный агент подогревают в калориферах, установленных между транспортерами [180]. Высушиваемый материал пересыпается сверху вниз с одной ленты на другую.

Производительность сушилок по сухому продукту, исполь­зуемых в катализаторных производствах, лежит в пределах от 10 до 200 кг/ч.

Шахтные сушилки применяют для сушки зернистых сыпучих материалов с низкими адгезионными свойствами по отношению к металлическим поверхностям, в контакте с которыми находятся высушиваемые частицы. В производстве катализаторов применяют два типа шахтных сушилок: коробковыеи полочные с опрокидывающимися пластинами. Произ­водительность сушилок — от 50 до 500 кг/ч. Шахтная коробковая сушилка производительностью 500 кг/ч для сушки силикагелей показана на рис. 4.13:

Высушиваемый материал с начальной влажностью до 90 % поступает в две вертикальные шахты 1, между которыми распо­ложена распределительная нагнетающая камера 2. Корпус су­шилки изготовлен из стали Ст. 3, туннели-короба 4 — из алюми­ния. Камера разделена на пять зон. В верхнюю зону распредели­тельной камеры поступают топочные газы, которые нагревают материал. В нижней зоне происходит воздушное охлаждение про­дукта, высушенного до остаточной влажности 10 %. В трех про­межуточных зонах материал просушивается, причем работу каж­дой зоны различают как по тепловому режиму, так и по расходу сушильного агента. Материал движется в шахтах сплошной массой, обтекает туннели-короба, часть из которых связана с нагнетающей камерой 2, а другие — с отсасывающими каме­рами 3. Схему движения высушиваемого материала и сушильного агента поясняет рис. 4.13, б. Удельный влагосъем на единицу объема шахтной сушилки невелик и в среднем составляет 25—

40 кг/(м3-ч). В шахтных сушилках целесообразно во многих слу­чаях совмещать сушку с термообработкой высушенного продукта.

Барабанные сушилки непрерывного действия чаще всего ис­пользуют для сушки кусковых и зернистых материалов, реже — для сушки отформованной пастообразной массы, например типа оксидов железа, меди и др. Начальная влажность материала 5—50 %, конечная — 0,1—2 %. Основной конструктивный эле­мент — барабан диаметром от 1 до 2,2 м длиной 4—16 м, враща­ющийся с частотой 1—4 об/мин. Барабан устанавливают с на­клоном 2—3°. К внутренней поверхности барабана приварена насадка, обеспечивающая непрерывное пересыпание высушивае­мого материала и его перемещение вдоль сушильной камеры. Конструкция насадки определяется типом и свойствами высуши­ваемого материала.

В качестве сушильного агента используют воздух или топоч­ные газы с температурой 100—400 °С. Высушиваемый материал и газы движутся прямотоком или противотоком. Линейная ско­рость сушильного агента не превышает 3 м/с для крупнозерни­стых материалов и 1,5 м/с для порошкообразных. Коэффициент заполнения барабана высушиваемым материалом 0,05—0,2. Удель­ная производительность сушилки по влаге составляет 5— 60 кг/(м3-ч). Производительность барабанных сушилок, исполь­зуемых в катализаторных производствах, 50—1250 кг/ч.

Трубчатые сушилки являются разновидностью барабанных и применяются для сушки мелкокусковой массы и кристалличе­ских полупродуктов. Сушилки конструктивно состоят из пучка трубок, наклоненного под углом 8—15°, и заключенного во вра­щающийся барабан. Внутри трубок движется высушиваемый материал и сушильный агент — горячий воздух. Снаружи трубки обогреваются паром.

Туннельные сушилки применяют для сушки крупнозернистых или кусковых материалов, не создающих большого внешнедиф - фузионного сопротивления процессу сушки. В катализаторных производствах целесообразно использовать при организации круп­нотоннажных производств.

Сушилка (рис. 4.14) состоит из туннеля 1 длиной 10—70 м„ в который периодически подают многополочные вагонетки 4, загруженные влажным материалом. Материал обычно засыпают в противни (толщина слоя 30 — 50 мм). Вагонетки располагают вплотную друг за другом и перемещают с помощью толкателя 8„ Туннель разделен на зоны, работающие в определенном тепловом режиме. Прямотоком или противотоком подают сушильный агент (воздух, топочные газы) со скоростью не менее 2 м/с. Продолжи­тельность сушки в среднем составляет 15—30 ч.

Камерные сушилки периодического действия находят при­менение в малотоннажных производствах в основном при сушке зернистых материалов и гранул катализаторов, хотя в них, как и в туннельных сушилках, не исключена возможность высушива­ния предварительно отформованной пастообразной массы.

Влажный материал засыпают на противни, которые устанав­ливают в сушильной камере на вагонетку или специальный кар­кас. Толщина высушиваемого слоя 15—40 мм. Разовая загрузка по сухому продукту 100—600 кг. В качестве сушильного агента используют обычно воздух, подогреваемый в калориферах до 50—250 °С. Подробно конструкции камерных сушилок рассмот­рены в работах [51, 180, 181 ]. Продолжительность сушки в сред­нем составляет 10—20 ч.

Камерные сушилки позволяют очень плавно регулировать режим сушки. Наибольшее распространение имеют в опытно- промышленных производствах.

Радиационные сушилки в катализаторных производствах на­чали применять для сушки отформованной пастообразной массы. В таких сушилках теплота передается высушиваемому материалу инфракрасными лучами с длиной волны 0,8—10 мкм, учитывая сравнительно небольшую глубину проникновения инфракрасных лучей (для силикатных композиций, гранул оксида алюминия и других подобных материалов — 5—7 мм), сушку радиацией применяют для продуктов с малой толщиной слоя. При сушке инфракрасными лучами интенсивность испарения влаги, особенно во 2-й период сушки, повышается в десятки раз. По сравнению с конвективной сушкой мощность теплового потока, передавае­мая материалу при инфракрасной сушке, в 30—70 раз выше [181]. В качестве генераторов излучения используют электро­лампы, трубчатые или плоские панели, нагреваемые топочными газами.

Адсорбционно-контактные сушилки используют для ускоре­ния 2-го периода сушки пористых носителей и катализаторов. Адсорбционно-контактная сушка включает следующие операции: смешение гранул высушиваемого материала с порошкообразным сорбентом; выдержка, продолжительность которой должна обе­спечить поглощение сорбентом необходимого количества влаги, выделяемой из пор высушиваемого материала; разделение сор­бента и высушенного продукта; десорбирование влаги из сорбента. Таким образом, агрегат для адсорбционно-контактной сушки состоит из смесителе, собственно сушилки (барабанного типа), механизированного сита для разделения сорбента и продукта, регенератора сорбента.