ТЕХНОЛОГИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ

Машины и устройства для формовки и гранулирования

Формовка и гранулирование служат для получения контактной массы в виде частиц определенной формы и размеров, обеспечи­вающих необходимые кинетические параметры проведения ката­литического процесса (скорость, избирательность и др.) при допу­стимых энергетических затратах на преодоление гидравлического сопротивления слоя катализатора и высокой его прочности.

Рис. 4.33. Шарикоделательная машина с вертикальным экструдером:

1 — жгут пасты; 2 — корпус экструдера; 3 — шнек; 4 — скребок; 5 — ворошитель; Є — фильериая головка; 7,8 — большой н малый барабаны

Катализаторы выпускают в виде по­рошков, зерен неправильной формы, цилиндров, таблеток, колец, сфер, сото­вых блоков и пр.

Порошкообразные и кусковые ката­лизаторы, применяемые в жидкофазных процессах, обычно получают измель­чением термообработанной контактной массы в мельницах или дробилках. Катализаторы микросферической формы получают путем сушки суспензий на распылительных сушилках. Для выпуска катализа­торов правильной геометрической формы применяют различные формовочные машины и устройства. Несмотря на многообразие конструктивного оформления, в основу работы этих машин по­ложен один из следующих способов формовки: коагуляция, об­катка, выдавливание (экструзия) и прессование. Вопросы про­ведения коагуляции и конструктивного оформления процесса изложены на примере алюмосиликатных катализаторов и носи­телей в главе 3, а также в работе [196].

Шарикоделательные машины. Простейшей машиной для полу­чения частиц сферической формы является тарельчатый грануля­тор, работа которого основана на самозакатке увлажненных порош­ковых композиций на наклонной вращающейся тарелке1 [196]. Например, для гранулирования порошковых алюмооксидных ма­териалов используют тарельчатые грануляторы с диаметром та­релки 1000 мм, вращающейся с частотой 14—17 об/мин. Размер получаемых шариков 2—7 мм, причем доля целевой фракции (3—5 мм) составляет менее 80 %. Высокая неоднородность гранул по диаметру, нестабильность в работе ограничивают область применения таких грануляторов в катализаторных производствах.

Наиболее совершенная машина для закатки сферических гра­нул представлена на рис. 4.33 [197]. Машина состоит из двух ос­новных узлов: вертикального экструдера с неподвижным шне­ком 3 и вращающимися с частотой 20—30 об/мин корпусом 2 и фильерной головкой 6; вращающихся барабанов 7 и 8 с кольце­выми канавками на цилиндрических поверхностях, соприкасаю­щихся друг с другом по образующей.

Из фильерной головки 6 экструдируется одновременно до 18 жгутиков пасты 1, которые последовательно подводятся к месту соприкосновения барабанов. При захвате жгутика барабанами происходит его разрезание на равные доли с последующей закат­кой в сферические гранулы в цилиндрическом канале, образован­ном сопрягаемыми канавками на поверхности барабанов. Закатка
обеспечивается вследствие разности линейных скоростей движения поверхностей барабанов. Диаметр большого барабана 0,24 м, ма­лого — примерно 0,1 м; длина — 0,22 м. Частота вращения боль­шого барабана 35—70 об/мин, малого 5—17 об/мин. Для чистки каждый барабан оборудован гребенками из фторопласта, вой­лока и других материалов.

Прессы для формовки цилиндрических гранул. В этих машинах формовку проводят путем выдавливания влажной катализаторной массы через отверстия формующей головки с последующим раз­резанием жгутов на грануляционных устройствах. По принципу создания давления, необходимого для экструзии, различают шне - ковые (червячные) и поршневые винтовые или гидравлические машины. Грануляционные устройства, применяемые в катализа­торных производствах, и комплектующие экструзионные машины разделяются на ножевые, дисковые, струнные и барабанные. В ножевых устройствах (рис. 4.34, а) резка жгутов осуществляется ножами, установленными на вращающемся ро­торе в радиальном направлении. Частота вращения ротора 10— 150 об/мин (в некоторых до 1550). Плоскость вращения перпенди­кулярна направлению движения жгутов. Длина гранул опреде­ляется скоростью экструзии, частотой вращения ротора и числом ножей, установленных на роторе. В струнных устрой­ствах (рис. 4.34, б) жгут разрезает струны, натянутые между двумя вращающимися дисками (кольцами). Плоскость вращения колец параллельна направлению движения жгута. В диско­вых гранулято pax (рис. 4.34, в) функции ножей вы­полняют вращающиеся с частотой 150—400 об/мин диски.

Главным рабочим органом шнековой машины яв­ляется массивный винт (шнек, червяк), вращающийся в стальном цилиндре. В зависимости от конструктивного исполнения раз-

15 П/р И. П. Мухленова личаютэкструдеры горизонтальные (большинство) и вертикальные, а также одношнековые и двухшнековые. В некоторых машинах может быть несколько шнеков, которые не только транспортируют массу и создают необходимое давление, но и смешивают, пласти­фицируют, уплотняют ее, а также интенсифицируют подсушку. Загрузочные устройства могут включать в себя бункеры с мешал­ками, вибропитатели, питающие шнеки, валки и другие устрой­ства. На рис. 4.35 представлен шнековый пресс-формователь с ди­сковым гранулятором М-105, используемый для экструзионной формовки алюмооксидных и других катализаторных паст [198]. Исходная паста из загрузочного устройства 1 захватывается двумя Z-образными лопастями 2 и принудительно вмазывается в меж - витковое пространство рабочего шнека 6. Шнек перемещает массу к формующей головке 4 и выдавливает ее в виде цилиндрического

Жгута. Жгут с помощью электромагнитного устройства 5 отсе­кается от головки и падает на дисковые ножи 8, которые разре­зают его на цилиндрические гранулы диаметром 12—17 мм и дли­ной 12—17 мм. Частота вращения шнека 15—67 об/мин. Произ­водительность машины по исходной массе 150—200 кг/ч.

На рис. 4.36 представлена конструкция сушильно-формовоч - ной машины СФМК-100 для формовки гранул из чистого или про - мотированного солями гидроксида алюминия в виде пасты с влаж­ностью 75—85 %, а также для использования в производстве алю - мооксидных носителей для платинового, молибденового и других катализаторов. Исходную пасту подают в питатель-дозатор 4 с загрузочным шнеком диаметром 124 мм двумя Z-образными го­ризонтальными лопастями, вращающимися в противоположных направлениях и перемещающими материал в смеситель 3. Вме-

Стимость смесителя составляет 300 л, его рабочие органы — также Z-образные лопасти. При перемешивании пасты происходит ее подсушка в результате обогрева смесительной камеры паром. В нижней части смесителя размещен формующий шнек 2 диаметром 90 мм, позволяющий получать жгуты цилиндрической формы. Частоту вращения шнека регулируют в пределах 7—24 об/мин. Машина снабжена струнным и дисковым срезающими устрой­ствами. Частота вращения дисков в струнном устройстве О—380 об/мин, дисковых ножей — 250 об/мин.

Основное количество катализаторов, производимых с исполь­зованием шнековых машин, выпускается в виде цилиндрических гранул. Шнековые формователи, как показана в работе [199] на примере формовки ванадиевых катализаторов, могут успешно применяться для получения трубчатого катализатора, а также гранул более сложной геометрической формы. На производитель­ность машины и эксплуатационные качества трубчатых катализа­торов большое влияние оказывает конструкция и соотношение геометрических размеров фильеры, формирующей трубчатую форму.

Применяемые в катализаторных производствах шнековые ма­шины имеют производительность от 30 до 800 кг/ч, диаметры шне­ков от 60 до 200 мм, их частота вращения 25—70 об/мин. Они обеспечивают получение гранул диаметром от 1,3 до 17 мм.

Поршневые винтовые машины имеют су­щественно меньшую производительность (10—30 кг/ч). Усилия прессования (50—100 т) обеспечиваются движением поршня, сжи­мающего формуемую пластичную массу в объеме, ограниченном поверхностью цилиндра, фильерами и торцевой поверхностью поршня. Диаметр поршней 180—220 мм, фильерных отверстий — 3—5 мм.

Поршневые гидравлические машины обеспечивают производительность до 350 кг/ч. При диаметре порш­ней 120—150 мм они обеспечивают усилие прессования 50—80 т. Габариты машины несколько больше, чем У шнековых экструде - ров, из-за необходимости насосного блока.

Таблеточные машины. В настоящее время в катализаторных производствах в основном применяют роторные таблеточные ма­шины (РТМ) с двусторонним прессованием [200, 201 ]. В этих ма­шинах (рис. 4.37) комплекты прессующих пуансонов 9, 11 рас­положены вертикально по окружности над столом 10 и под ним. Ротор, в состав которого входит стол и пресс-инструмент, уста­новленный в верхнем 7 и нижнем 12 направляющих дисках, враща­ется вокруг общего центрального вала 5. Возвратно-поступатель­ное движение толкателей с пуансонами 9, 11, обеспечивающее не­обходимую последовательность операций таблетирования (дози­ровка порошка в матрицы, прессование, выталкивание таблетки), осуществляется с помощью специальных профильных копиров 8, 14, называемых верхней и нижней горками. Матрицы располо-

Жены по окружности в гнездах стола. В машинах, применяемых в катализаторных производствах, обычно установлено 15—40 мат - триц и столько же пар толкателей с прессующими пуансонами. При вращении ротора и соответствующих последовательных пе­ремещениях пуансонов 9, 11 проводят все операции таблетирова­ния.

За один оборот стола в различных конструкциях машин совер­шается один или два полных цикла прессования. В соответствии с кратностью действия машина снабжена одним или двумя пита­телями 3, копирами, разгрузочными приспособлениями и т. д. Для осуществления двухстороннего прессования верхняя и ниж­няя горки на участке прессования имеют одинаковый профиль и симметричное расположение. Подбором соответствующего про­филя копиров можно организовать прессование с выдержкой дав­ления, а также двух - или трехступенчатое прессование, позволяю­щее получить таблетки с более высокой прочностью и однород­ностью. Пресс-порошок поступает из бункера 4 в приемник 3 с механическими ворошителями или пневматическими вибрато­рами. Таблетки с помощью специального устройства сбрасываются

В приемный бункер по лотку 13. Глубина заполнения матрицы и степень сжатия пресс-порошка регулируются положением ниж­них пуансонов и нижнего копира на участке прессования.

Для поддержания давления прессования в заданных пределах и предохранения исполнительных механизмов от перегрузки на многих конструкциях машин устанавливают механические, гид­равлические или гидропневматические компенсаторы давления с выводом регистрирующего манометра на пульт управления.

В старых конструкциях таблеточных машин усилие прессова­ния обеспечивается с помощью неподвижных копиров. При этом ползуны, на которых закреплены пуансоны, имеют боковые и тор­цевые ролики. Перемещение пуансонов в вертикальном направле­нии происходит при накатывании роликов на соответствующие участки копира. В современных машинах с низкой металлоемко­стью используют пуансоны с особо спрофилированными голов­ками, движущиеся при дозировке, выталкивании и сбрасывании таблетки по профилю соответствующих копиров, а на участке прессования обкатывающие прессующие ролики (рис. 4.38).

Увеличение диаметра прессующих роликов способствует сни­жению контактных напряжений при прессовании, улучшает ка­чество таблеток и повышает долговечность узла прессования. Однако при этом увеличиваются габариты и масса машины. Для машин с усилием прессования до 15 т радиус ролика не должен превышать 150 мм.

В различных катализаторных производствах нашли примене­ние отечественные машины типа Б001Б производительностью 25 000—50 000 табл/ч, РТМ-28 (20 000—30 000 табл/ч), РТМ-41 (до 200 000 табл/ч) и ТП-40М (70 000—100 000 табл/ч) и др.

Эксплуатационные характеристики роторных машин представ­лены в табл. 4.5.

При разработке новых таблеточных машин основное внимание уделяется решению двух задач — достижению высокой штучной производительности при снижении металлоемкости и обеспечению

Требуемого качества таблеток при максимальной производитель­ности машины.

Установка на одном толкателе нескольких пуансонов, т. е. использование многоштемпельного пресс-инструмента, равно­сильна применению многопозиционной машины с числом позиций, равным числу отверстий в матрице. Оптимальное число отверстий 2—4.

Необходимая стабильность качества таблеток обеспечивается при допуске на длину пуансонов менее 0,05 мм. Шаг по матрицам определяется наружным диаметром матрицы и толщиной пере­мычки между отверстиями под матрицы. Допустимые концентра­ции напряжений в матрице обеспечиваются при отношении шага к диаметру матрицы, равном 1,12—1,3. При этом отношение диа­метра таблетки к диаметру матрицы составляет 0,45—0,6.

В современных образцах роторных машин регулирование вы­соты таблеток и давления прессования осуществляют с помощью серводвигателей, управляемых с пульта. Они снабжены устрой­ствами для отбраковки некондиционных таблеток, получаемых в период настройки машины, счетчиком числа таблеток, системой пылеудаления из рабочих зон. Значительно упрощен контроль за состоянием основных узлов машин и их эксплуатационное и профилактическое обслуживание.

Окружная скорость ротора ограничивается двумя основными технологическими факторами: допустимой скоростью прессования и возможностью обеспечения требуемой дозировки при запол­нении матриц пресс-порошком. Большинство машин эксплуати­руется при скорости 0,2—0,45 м/с.

Необходимым условием повышения производительности машин и качества таблеток является предварительная подготовка порош­ков перед прессованием в устройствах для уплотнения порошков.

Устройства для уплотнения порошков с малой сыпучестью устанавливают перед таблеточными машинами. Уплотнение целе­сообразно проводить в две стадии, включающие предварительное обезгаживание материала и подпрессовку его при помощи жест­ких вращающихся валков. Степень уплотнения, достигаемая на уплотнителях, зависит от дисперсности порошка. В среднем порошок уплотняется в 1,3—1,5 раза. В некоторых конструкциях машин, например У-210 (СССР), WP150-E515 (ФРГ) и др., под­готовка порошка перед таблетированием включает операции прессования порошков в брикеты или ленту на валковом прессе, измельчения брикетов, рассева гранулированного порошка [202]. Типичная схема такого уплотнителя показана на рис. 4.39.

Производительность отмеченных выше двух марок уплотните­лей 100—200 кг/ч, усилие прессования 10—15 т, размер гранули­рованных частиц 1—3 мм, занимаемая площадь 1,6—3 м2.

Аппараты для нанесения покрытий. Как отмечено в главе 3, для повышения эксплуатационной прочности катализаторов целе­сообразно на малопрочные гранулы наносить износоустойчивые

Пористые оболочки из инертных или каталитически активных материалов [203]. В качестве композиций для оболочек используют различные пленкообразующие пористые материалы, например неорганические вяжущие силикатные композиции. Нанесение оболочек осуществляют в аппаратах с фонтанирующим слоем. Схема установки для нанесения покрытий представлена на рис. 4.40. Жидкий компонент подают в «шапку» фонтанирующего - слоя при помощи пневматической форсунки внешнего смешения 5; твердый порошкообразный компонент — с помощью шнекового питателя-дозатора 3. Порошок поступает в движущийся нисходя­щий поток катализатора в периферийной зоне фонтанирующего слоя и равномерно распределяется между частицами катализатора. С целью предотвращения слипания частиц воздух, подаваемый в аппарат, подогревают в калорифере 8. Избыток твердого компо­нента отделяют в циклоне 7 и возвращают в цикл. Толщина нано­симой оболочки определяется временем проведения процесса, расходом жидкой составляющей композиции и температурой воз­духа на входе в аппарат.