ТЕХНОЛОГИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ

Оборудование для измельчения

В производстве катализаторов процесс измельчения включен во многие технологические схемы, так как от величины удельной поверхности твердых материалов зависят скорость гетерогенных химических процессов и интенсивность многих операций, сопро­вождающихся массообменом. От размера частиц во многом зави­сит однородность смешения при подготовке различных формовоч­ных смесей, а также условия гранулирования и таблетирования катализаторов. Конструкции, методы расчета и вопросы эксплу­атации помольно-дробильного оборудования подробно рассмотрены в работах [190—192]. Для измельчения используют различные машины, выбор которых для конкретных процессов определяется необходимой степенью измельчения, размером исходных кусков (частиц) материала, его физико-химическими свойствами. Послед­ние во многом обусловливают выбор способа измельчения.

В производстве катализаторов исходный кусковой материал, как правило, имеет размеры не более 150 мм, а в большинстве про­дуктов после конечного измельчения должен преобладать класс частиц с размерами менее 100 мкм. С учетом этого в производстве катализаторов процессы измельчения условно делят на дробле­ние и помол.

Для дробления используют различные типы дробилок, обеспе­чивающие получение целевой фракции 0,5—5 мм, для помола — мельницы. При грубом помоле целевые фракции должны содер­жать частицы с размером 50—500 мкм, при тонком — 10—50 мкм. Для некоторых процессов необходимо обеспечить сверхтонкий помол с целевой фракцией менее 10 мкм. Физические свойства измельчаемого материала особенно влияют на выбор оборудования для процесса помола.

Материалы, подвергаемые помолу, можно условно разбить на 3 группы, характерные для каталитических производств. Первая группа — материалы, состоящие из крупных монокристаллов и кристаллических сростков. Разрушения при измельчении про­исходят в основном в местах сращивания кристаллов или по плоскостям кристаллической решетки. Помол таких материалов целесообразно проводить на барабанных шаровых, вибрационных или роликовых мельницах, а для тонкого помола использовать струйные мельницы.

Ко второй группе можно отнести материалы, состоящие из мелкокристаллических частиц с размером 1—5 мкм, которые обра­зуют крупные зерна из слабоагрегированных частиц. При их измельчении происходит лишь дезагрегация материала до сравни­тельно крупных зерен. Для помола целесообразно использовать ударно-центробежные мельницы.

К третьей группе относят материалы, содержащие спекшиеся частицы после термообработки. Для измельчения следует приме­нять мокрые шаровые и струйные мельницы.

Дробилки. Дробление твердых хрупких материалов проводят раздавливанием и ударом, мягких пород— ударом, а пластичных и вязких (глинистые материалы с влажностью до 20 %)—изгибом в сочетании с истиранием. Соответственно применяют щековые, конусные, молотковые и валковые дробилки.

Щековые дробилки используют для операций круп­ного дробления, необходимых для подготовки исходных материа­лов при производстве катализаторов, например при дроблении горных пород и кусков силиката натрия для алюмосиликатных катализаторов и носителей, при измельчении магнетита и др.. Их применяют также при производстве ряда плавленых катализа­торов.

При начальной крупности кусков 20—400 мм степень измель­чения в таких дробилках составляет 4—10; целевая фракция 5—30 мм.

Конструкции, методики щековых дробилок описаны в работах [51, 190—193]. Обычно для катализаторных производств номи­нальная производительность щековых дробилок (0,5—15 м3/ч)- значительно выше необходимой. Поэтому при наличии буферной емкости для приема и накопления продукта дробилку используют периодически.

Конусные дробилки мелкого дробления обеспечи­вают измельчение кускового материала с максимальным разме­ром 40—100 мм до конечного размера 3—10 мм. Производитель­ность конусных дробилок, выпускаемых промышленностью и используемых в катализаторных производствах, 0,5—1 м8/ч. Область применения та же, что и для щековых дробилок [193].

Молотковые дробилки обеспечивают дробление материалов первой группы, не содержащих значительных приме­сей абразивных частиц, и дезагрегацию материалов второй группы.. Материал измельчается ударом быстровращающихся молотков 5, закрепленных на роторе, а также ударом о броневые плиты 2 корпуса, на который отбрасывается материал. Дробилки выпу­скают однороторные и двухроторные. Размер частиц измельчен­ного материала зависит от размера отверстий в колосниковой решетке 4.

Частота вращения ротора 750—4500 об/мин. Окружная ско­рость молотков достигает 50 м/с. Крупные и твердые абразивные частицы (с твердостью по шкале Мооса > 4) вызывают быстрый

Рис. 4.23. Однороторная четырехрядная молот­ковая дробилка С-218:

1 — корпус; 2 — броневая плита; 3 — торцевая броня; 4 — решетка; 5 — молоток: 6 — при­емная воронка

Износ ударных тел и корпуса. Это основной недостаток молотко­вых дробилок. Их преимущест­ва — компактность, высокая интен­сивность, надежность в работе.

На рис. 4.23 показана одноротор­ная четырехрядная. дробилка С-218, используемая в катализа­торных производствах для дроб­ления материалов типа каолина. Производительность 3000 кг/ч, диаметр ротора 600 мм, число молотков 10. Размер конечных ку­сков менее 5 мм. Известно успешное применение однороторных однорядных дробилок для измельчения мела, оксида цинка, маг­нетита, оксидов никеля. Производительность находится в преде­лах 100—2000 кг/ч, целевые фракции—от 1—3 до 0,1 — 1 мм. В однорядных дробилках по мере износа молотков увеличивается крупность дробления, в многорядных предусмотрена возмож­ность регулирования зазора за счет подвижности решетки.

Валковые дробилки применяют в основном для мелкого дробления при подготовке кусковых носителей в произ­водстве ряда смешанных и осажденных катализаторов. Из боль­шого числа машин для мелкого дробления наибольшее распро­странение в катализаторных производствах нашли валковые дро­билки, работающие по принципу раздавливания и раскалывания материала между двумя вращающимися валками. На дробилках с гладкими валками можно дробить продукты любой твердости и абразивности, если подобрать соответствующий материал валков. Износ валков, изготовленных из твердого чугуна или стали, со­ставляет 5—100 г на 1 т дробленого материала.

На рис. 4.24 представлена конструкция валковой дробилки СМ-12, используемой для дробления плавленых катализаторов. Для улучшения захватывающей способности валков на одном из них сделаны продольные выемки. Диаметр валков 600 мм, ча­стота вращения 400 об/мин. Максимальная крупность дробимого материала 75 мм, фракция после дробления — 0,1—7 мм. Произ­водительность 2000 кг/ч. Дробилки с гладкими валками применяют также для дробления оксидов железа, хрома. Производительность дробилок от 50 до 300 кг/ч.

В производстве плавленых катализаторов нашли применение валковые зубчатые дробилки, валки которых образованы набором на вал колец с зубьями. Кольца изготовлены из марганцовистой ста­ли, содержащей 10—14% Мп. Производительность 100—200 кг/ч. Размер исходных кусков 50—150 мм, конечных — 2—3 мм.

Удельный расход энергии, затрачиваемой на дробление, со­ставляет 1—2 кВт-ч на 1 т продукта для твердых материалов и 0,5—1,5 кВт-ч/т для хрупких и мягких.

Разновидностью валковых дробилок являются вальцево-шты - рьевые, используемые в катализаторных производствах для ломки жгутов на гранулы.

Мельницы. В катализаторных производствах наибольшее рас­пространение получили шаровые, дезинтеграторные, дисмембра - торные, трубчатые вибрационные, струйно-противоточные мель­ницы и их разновидности.

Шаровые мельницы — наиболее распространенные машины из всех известных для тонкого измельчения. На них мо­жно проводить помол не только сухих материалов, но и суспен­зий. В шаровых мельницах материал подвергается многократному воздействию мелющих тел (стальные, чугунные, фарфоровые,, керамические шары) при вращении пустотелого барабана, ча­стично заполненного материалом, подлежащим помолу, и мелю­щими телами. Вследствие простоты замены мелющих тел при их износе на шаровых мельницах можно использовать очень твердые и абразивные материалы. В катализаторных производствах мель­ницы применяют для тонкого измельчения материалов первой группы, для тонкой дезагрегации материалов третьей группы в. виде водных суспензий.

Преимущественное применение нашли мельницы периодиче­ского действия, предназначенные для сухого и мокрого измельче­ния. Объем мельниц, используемых в катализаторных производ­ствах, 1—3 м3. Если по техническим условиям недопустим примол металла к измельчаемому материалу, корпус мельницы футеруют фарфоровой или диабазовой плиткой, а мелющие тела изготавли­вают из фарфора, диабаза, корунда и пр. Диаметр барабана

1—1,5 м, производительность 25—550 кг/ч. Размер частиц ис­ходных материалов 3—20 мм, после помола — 0,04—0,1 мм. Основное применение находят при помоле глинозема, диатомита и др. Производительность мельниц непрерывного действия — до 150 кг/ч. При сухом способе помола измельченный материал выводится из барабана потоком воздуха, поступающим со стороны питающей цапфы. Мельница работает в замкнутом цикле с сепа­ратором, в котором происходит разделение зерен на классы. Грубые классы зерен возвращаются в мельницу, а тонкие выно­сятся в циклон, где отделяются от воздуха.

Подробные конструкции, методики расчета приведены в ра­ботах [51, 193].

Дезинтеграторные мельницы — разновидность ударно-центробежных машин. Дезинтегратор (рис. 4.25) состоит из двух дисков 2, 4, заключенных в кожух и вращающихся с боль­шой скоростью в противоположные стороны (1500—2000 об/мин). На дисках закреплены концентрическими рядами штифты (стерж­ни) 3. Материал загружают через боковую воронку 1, откуда он поступает в центральную часть полости между двумя вращающи­мися дисками. Проходя через все ряды штифтов, движущихся встречно с большой скоростью (относительная окружная скорость периферийного ряда штифтов достигает 200 м/с), материал измель­чается, отбрасывается к стенке и выводится через отверстие, рас­положенное в нижней части кожуха.

Из-за сложности смены изношенных штифтов в дезинтеграто­рах целесообразно измельчать только материалы второй группы, свободные от частиц с твердостью по шкале Мооса более 4. Тонкая дезагрегация материала в основ­ном достигается в результате истирания. Производительность дезинтеграторных мельниц, ис-

Рнс. 4.26. Внешний внд дисмембратора:

J — загрузочная воронка; 2, 3 — пальцы; 4 — вращающийся диск; 5 — вал; 6 — ре­

Шетка; 7 — неподвижный диск

Пользуемых в катализаторных производствах, 300—1000 кг/ч. Размер исходных частиц материала 20—30 мм, после измельчения 0,05—0,1 мм.

Дисмембраторные мельницы по принципу работы подобны дезинтеграторным. Отличие состоит в том, что в них один диск вращается, а другой неподвижен. Частота враще­ния подвижного диска (диаметр 250—600 мм), выше, чем у дез - интеграторных мельниц, и составляет 2000—5000 об/мин. На рис. 4.26 показан внешний вид дисмембраторной мельницы. Ма­териал крупностью не более 30 мм поступает из бункера в загру­зочную воронку 1. Подвижный диск 4 со штифтами 3 закреплен на валу 5, а неподвижный диск 7 со штифтами 2 прикреплен к от­кидной крышке. Разгрузка измельченного материала осуществля­ется через кольцевую решетку 6. Частицы материала с размером больше диаметра отверстий решетки циркулируют в мельнице между решеткой и внешним рядом штифтов. Сильно абразивные материалы вызывают быстрый износ штифтов, поэтому дисмембра­торные мельницы целесообразно использовать только для дез­агрегации материалов второй группы. Тем не менее в производ­стве катализаторов их используют и для помола оксидов меди, алюминия, карбоната никеля. В них также измельчают катализа­торы типа никеля на диатомите, прокаленные продукты средней твердости, ионообменные смолы и др.

Производительность 50—1000 кг/ч; размер частиц после из­мельчения 0,1—1 мм.

Вибрационные мельницы состоят из цилиндри­ческого барабана, совершающего 3000—6000 колебаний в минуту с небольшой амплитудой. Барабан на 70—80 % загружен мелю­щими телами (шарики из карбида вольфрама, стали, фарфора диа­метром 6—18 мм) и измельчаемым материалом. За счет ударов и истирания обеспечивают получение целевой фракции (0,03— 0,1 мм) практически для любых материалов. Основной недо­статок вибромельниц — малый срок службы корпуса, опор, боль­шой разогрев и шум во время работы. В катализаторных производ­ствах используют усовершенствованные вибромельницы фирмы Гумбольдт (ФРГ), в которых барабаны небольшого диаметра (200—300 мм) сблокированы по 2—4 штуки в одной мельнице, с возможностью параллельного или последовательного прохожде­ния материала через барабаны (рис. 4.27). Удлинение пути при последовательном соединении барабанов позволяет уменьшить конечный размер частиц до 5—10 мкм, а малый диаметр бараба­нов — снизить шум.

Струйные мельницы применяют для тонкого по­мола материалов. Их работа основана на самоизмельчении при взаимных ударах частиц, движущихся с высокой скоростью (200—500 м/с) в газовых струях.

В катализаторных производствах применяют струйно-центро - бежные и струйные противоточные мельницы. В них проводят
тонкий помол оксидных катализаторов, алюмината кальция и других мелкозернистых материалов (начальный размер частиц 0,1—2 мм).

В сгруйно-центробежных мельницах устанавливают большое число сопел, обеспечивающих пересечение струй газа, содержащих твердые частицы. В местах пересечения происходят соударения частиц, вызывающие их разрушение. Схема работы представлена на рис. 4.28. Воздух поступает по трубе 1 в распределительный коллектор 2,а затем через сопла,? с высокой скоростью в помольно - разделительную камеру 4. Струи пересекаются под углом и об­разуют многоугольник с центром на вертикальной оси камеры. Через трубу 6 в помольную камеру поступает измельчаемый ма­териал, который подсасывается газовыми струями и ускоряется в них. В точках пересечения струй твердые частицы измельчаются с образованием в центральной области кругового циркулирующего потока, в котором происходит сепарация частиц. Крупные ча­стицы отбрасываются к внешней стенке помольной камеры, мел­кие, располагающиеся ближе к центру, отводятся по трубе 7 в приемник 8 готового продукта. По центральной трубе 5 отво­дят отработанный энергоноситель. В некоторых конструкциях в качестве энергоносителя используют не воздух, а пар при 500—600 К - Средний размер по­лучаемых после измельчения ча­стиц около 10 мкм.

Схема работы струйно-про - тивоточной мельницы показана на рис. 4.29. Воздух (или пар) под давлением 0,5—1 МПа подают

Рнс. 4.27. Внешний внд двухтрубной вибрационной мельницы непрерывного действия

Фирмы Гумбольдт:

J — нижний корпус; 2 — гибкая переточная труба: 3 — верхний корпус; 4 — траверса;

5 — вибратор

Рнс. 4.28. Струйная мельница с плоской помольной камерой:

1 — трубопровод; 2 — распределительный коллектор; 3 — сопла; 4 — помсшьно-раз - делительная камера; 5 — центральная труба сепаратора; 6 — питающая труба; 7 — периферийная труба сепаратора; 8 — приемник готового продукта

В сопла 3, на выходе из которых он эжектирует частицы измельча­емого материала, поступающего из загрузочных воронок 4. Пройдя через разгонные трубки 2, в которых скорость достигает 200— 400 м/с, струи в помольной камере 1 взаимно сталкиваются, при соударениях частицы твердого материала разрушаются и выводя­тся в сеператор 5. Крупные частицы с размером более 50—70 мкм возвращаются в загрузочные воронки 4 для повторного измель­чения, целевая фракция (размер частиц менее 60 мкм) отводится через патрубок 6 с воздушным (паровым) потоком для последую­щего отделения.

Область применения струйных мельниц в катализаторных производствах расширяется благодаря малому загрязнению твер­дых продуктов, возможности совмещения операций помола и сепарации и обеспечению тонкого помола, недостижимого в ша­ровых и вибрационных мельницах.