ТЕХНОЛОГИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ

Печи для термообработни

Термообработка — одна из важных операций в производстве катализаторов. Обычно это заключительная технологическая ста­дия, хотя в некоторых производствах аппараты для термообработки используют и в процессах проведения подготовительных опера­ций. Термообработку проводят в прокалочных печах, устройство которых часто весьма сходно с устройством сушилок. Во многих случаях сушку и прокаливание проводят в одном аппарате, раз­деленном на соответствующие зоны, например в шахтных, бара­банных, туннельных печах. В аппаратах периодического действия, например камерного типа, операции сушки и прокалки разделены временным интервалом. В большинстве печей теплоносителем служат топочные газы. В малотоннажных производствах и при необходимости создания нейтральной атмосферы используют элект­рообогрев.

В существующих катализаторных производствах наиболее распространены прокалочные печи шахтного, туннельного и ба­рабанного типа, а для малотоннажных производств — камерные печи. Разработаны также конструкции печей КС с комбиниро­ванным радианионно-конвективным нагревом.

Шахтные печи с движущимся под действием гравитационных сил слоем гранулированного или таблетированного катализатора являются наиболее простыми реакторами для термообработки. Их широкое применение в катализаторных производствах обу­словлено незначительными потерями катализатора из-за разру­шения или истирания, надежностью работы. По конструкции такие печи принципиально не отличаются от описанных выше шахтных сушилок. Значительно более жесткий температурный режим ра­боты печей по сравнению с сушилками сказывается главным об­разом на выборе конструкционных материалов для изготовления основных элементов. Используют печи периодического и непрерыв­ного действия. Разовая загрузка в печи периодического действия для различных конструкций составляет 400—5000 л. Производи­тельность печей непрерывного действия находится в пределах от 20 до 650 кг/ч. Температура прокалки 500—1440 °С.

В качестве примера на рис. 4.15 показан общий вид много­зонной сушильно-прокалочной печи для термообработки ванадие­вых катализаторов окисления оксида серы (IV). В зоне I проис­ходит сушка гранул катализатора, поступающих в печь с началь­ной влажностью 30 %. Температура сушильного агента (топоч­ные газы) на входе 120 °С, на выходе — 100 °С, расход 22 000 м3/ч. Температура катализатора в этой зоне достигает 80 °С. В зонах II и III происходит нагрев катализатора до 500 °С топочными газами, поступающими с температурой 550 °С в количестве 8500 м3/ч. В IV зоне осуществляется прокалка при 600 °С при рас­ходе теплоносителя 2700 м3/ч. В зоне V катализатор охлаждается воздухом до 40 °С. Расход воздуха, поступающего при темпера­туре 20 °С, составляет 3700 м3/ч. Время пребывания катализатора в печи 12 ч. Корпус печи, элементы шахты и туннели-короба в зоне высоких температур выполнены из легирующих сталей Х18Н10Т и Х17Н13М2Т.

В традиционных шахтных печах не всегда удается обеспечить равномерность температур по сечению аппарата, и катализатор испытывает при перемещении существенные перепады темпера­туры, в ряде случаев приводящие (особенно в верхней зоне при повышенной влажности материала) к разрушению гранул. Кроме того, в шахтных печах затруднена термообработка мелкозернистых материалов из-за опасности их уноса потоком теплоносителя. Для предотвращения таких нежелательных явлений разработаны конструкции шахтных печей, обеспечивающих термообработку в тонком слое при конвективном теплообмене. Принципиальная схема таких печей показана на рис. 4.16. При движении в зазоре между двумя теплообменными поверхностями (толщина зазора 50—200 мм) зернистый материал достаточно равномерно прогре­вается, а отсутствие вертикальных газовых потоков обеспечивает возможность термообработки даже порошкообразных материалов.

Туннельные печи по устройству принципиально не отличаются от соответствующих конструкций сушилок. В печах такого типа кроме прокаливания можно проводить и спекание оксидов. В большинстве печей в качестве теплоносителя используют топоч­ные газы.

На рис. 4.17 показана туннельная печь производства катализа­торов конверсии оксида углерода (II) [186]. Печь прямоугольной формы с арочным сводом футерована шамотным и магнезито - хромовым кирпичом. По рельсовым путям передвигаются с по­мощью толкателя 26 вагонеток, загруженных таблетками носи­теля катализатора. Печь разделена на шесть температурных зон,

В которых осуществляется суш­ка, нагрев, прокалка и охлажде­ние обрабатываемого материала. Температура в зоне сушки 200 °С. Сушильный агент — то­почные газы. Время пребывания

Рис. 4.15. Печь шахтная многозонная

Рис. 4.16. Схема шахтной печи с конвективным теплообменом в тонком слое: 1 — зона прохождения зернистого материала; 2 — зона прохождения теплоносителя; 3 — щели для ввода теплоносителя в слой зернистого материала

- ^уіФір J ;________________ 1_____ ВДЩ^

12 11 W 3 8 7

Рис. 4.17. Печь туннельная для прокалки катализаторов конверсии оксида углерода (И):

1 — каркас печи; 2 — рециркуляционный трубопровод; 3 — площадка; 4 — топка; •5 — механизм для подъема двери; 6 — камера охлаждения; 7 — рельсовый путь; 8 — балка; 9 — тележка; 10 — дверь; 11 — цепной толкатель; 12 — камера загрузки

Носителя в зоне — 4 ч. В конце зон нагрева температура таблеток достигает 1740 °С за счет теплоты топочных газов, поступающих противотоком движению вагонеток из зоны прокалки, и в ре­зультате дополнительного нагрева от сжигания природного газа в обогащенном кислородом воздухе. Продолжительность пребы­вания материала в зоне нагрева 8 ч. Температуру в зоне прокалки поддерживают в пределах 1790—1810 °С. Для обеспечения такой температуры смесь природного газа, воздуха и технического ки­слорода сжигают в отдельном горелочном туннеле. Время пребы­вания таблеток в этой зоне 4 ч. В трех зонах охлаждения темпе­ратура носителя с помощью воздуха уменьшается за 10 ч до 50 °С. Общая продолжительность термообработки 26 ч. Производитель­ность печи 500 кг/ч.

Когда присутствие продуктов горения отрицательно сказы­вается на качестве катализатора или необходимо создание строго определенной атмосферы в зоне прокаливания, применяют электрические прокалочные печи. На рис. 4.18 представлена туннельная прокалочная электрическая печь сопротивления. Катализатор прокаливают в кварцевых или

Керамических кюветах, установленных на тележках 6. Корпус 5 печи выполнен из листового и профильного проката. Эта печь по температурному режиму также разбита на несколько зон. В пер­вой зоне происходит нагрев, а в последней — охлаждение про­каленного катализатора. В центральной части печи в специаль­ных нишах вертикально установлены селитовые нагревательные стержни 4. Параболический профиль ниш обеспечивает равно­мерное отражение тепловых лучей. Зона прокаливания разделена на несколько секций, в каждой из которых установлено 12 сели - товых стержней, соединенных по четыре в треугольник. Нагрузку и температурный режим в каждой секции регулируют с помощью трансформаторов в соответствии с технологическим регламентом. Печь футерована шамотом и теплоизолирована минеральной ва­той. Для охлаждения прокаленного катализатора и футеровки предусмотрены каналы, снабженные шиберами для регулирова­ния температуры.

Барабанные пени в катализаторных производствах нашли широкое применение. Как правило, в них проводят непрерывные термохимические процессы обжига и восстановления материалов при температуре до 900 °С. Теплота термообрабатываемому ма­териалу передается или непосредственно от раскаленных топоч­ных газов, или через корпус барабана либо керамические муфели. Возможность использования газообразного, жидкого топлива или электронагрева, совмещения операции термообработки и обкатки гранулированных материалов, простота и надежность в эксплу­атации обусловливают практическую целесообразностьрасширения использования этих печей. По конструкции барабанные прокалочные печи и барабанные сушилки близки (рис. 4.19). Диаметр барабанов промышленно осЕоенных печей 1 —1,6 м, длина 8—18 м. Внутри барабаны футерованы огнеупор­ным кирпичом. Перемещение прокаливаемого материала в сто­рону выгрузки обеспечивается установкой барабана под углом 2—8° к горизонту.

Печи для термообработки материалов, допускающих прямой контакт с топочными газами, оборудованы отдельно стоящими топками или откатными головками, служащими топочными ка­мерами. Топочные газы и обрабатываемый материал движутся прямотоком или противоточно. Рабочая температура в зоне про­калки в таких печах достигает 650 °С. Производительность — 40—500 кг/ч.

В тех случаях, когда недопустим прямой контакт прокаливае­мого материала и топочных газов или воздуха, используют топ­ливные или электрические барабанные пе­чи непрямого нагрева. В таких печах вращающийся барабан помещен внутри пламенной (рис. 4.20) или электрической нагревательной камеры.

Барабанные электропечи целесообразно использовать для тепловой обработки в нейтральной или восстановительной атмо­сфере сыпучих порошкообразных материалов. Основым элементом электропечи (рис. 4.21) [186] является нагревательная камера 5,

Вращающийся барабан 4, загрузочные и разгрузочные механизмы. Электронагреватели выполнены в виде съемных рамок из нихро - мовой ленты. Они расположены на своде и поде нагревательной камеры.

Барабанные электропечи выполнены из хромоникелевых сталей и допускают эксплуатацию при температуре до 900 °С. Мощность печей 10—200 кВт. Производительность до 70 кг/ч.

Печи с кипящими слоями рационально применять при термо­обработке прочных катализаторов, обладающих высокой устой­чивостью к истиранию. Таким условиям в основном отвечают катализаторы, предназначенные для эксплуатации в реакторах с кипящими (взвешенными, псевдоожиженными) слоями. Изотер - мичность при термообработке в кипящем слое исключает как ло­кальные перегревы катализатора, так и возможность недостаточ­ного прокаливания; не происходит спекания и слеживания ката­лизатора. При этом термообработку совмещают с обкаткой частиц для удаления механически непрочного поверхностного слоя, сглаживания острых кромок и придания частицам сфероидальной формы. Теоретические основы работы высокотемпературных уста­новок с кипящими слоями приведены в [35, 187, 188].

Главным недостатком однозонных печей КС является повышенный расход теплоты, поскольку для псевдоожи­жения большинства катализаторов требуются относительно высо­кие линейные скорости газа. Снижение же общего расхода тепло­вого агента за счет повышения высоты слоя при одновременном уменьшении диаметра печи невыгодно из-за большого гидравли­ческого сопротивления взвешенного слоя.

Более целесообразно применение многозонных пе­чей КС, в которых теплота топочных газов, выходящих из зоны прокалки, используется для нагрева в режиме псевдоожиже­ния поступающего на термообработку катализатора, а теплота катализатора, отводимого из зоны прокалки, обеспечивает на­грев воздуха, подаваемого затем в топку. Многозонные печи КС для прокалки катализаторов имеют производительность до 800 кг/ч.

При прокалке в печах КС газораспределительная решетка при­нимает основную тепловую нагрузку. Поэтому газораспределитель должен не только равномерно распределять тепловой агент по сечению аппарата, но и выдерживать высокие термические напря­жения, не окисляясь и не деформируясь при температурах, су­щественно выше 650 °С. Для работы до 800 °С используют решетки и колпачки из высоколегированных сталей. Для более высоких температур применяют решетки из жаропрочных силикатных ма­териалов, не подвергающихся короблению. Удельная тепловая нагрузка в печах КС достигает 1,5-103 кВт/м2.

С целью снижения тепловой нагрузки на газораспределитель­ный узел весьма перспективен радиационный нагрев кипящего слоя путем излучения нагретой поверхности, расположенной над

Рис. 4.22. Прокадрчная печь с конвектив­но-радиационным нагревом кипящего слоя:

1 — форсунка; 2 — форкамера; 3 — каме­ра охлаждения прокаленного продукта; 4 — питатель; 5, 8 — течки для выгрузки и загрузкн катализатора; 6 — кипящий слой; 7 — свод; 9 — горелки; 10 — футе­ровка; 11, 13 — решетки; 12 — корпус; 14 — фурма для подачи воздуха; 15 — шту­цер для ввода и вывода воздуха

Кипящим слоем прокаливаемого материала. П е ч и с радиа­ционным нагревом кипящего слоя прошли опытную проверку при прока­ливании силикагелей и алюмо­силикатов, используемых при производстве ряда катализато­ров [189]. Выявлены основные достоинства таких печей ■— возможность псевдоожижения газом с невысокой температу­рой и взаимонезависимость под­вода теплоты и взвешивающего агента, что позволяет использо­вать в качестве последнего га­зы, безвредные для прокалива­емого материала.

Перспективны также пе­чи скомбинированным слоя-— радиационным излу­чением и конвективным теплообменом с горячим тепло­вым агентом, вдуваемым под газораспределительную ре­шетку.

На рис. 4.22 показана прокалочная печь с конвективно-радиа­ционным нагревом кипящего слоя алюмосиликатного катализатора и носителя. В нижней части печи расположена топочная камера, в которой сгорает смесь природного газа (расход 20 м3/ч) с возду­хом. Температуру газов, поступающих под газораспределитель­ную решетку 11 (выполнена из стали Х17НЗМ2Т), поддерживают в пределах 790—800 °С. Цилиндрический корпус 12 печи футе­рован диатомитовым и шамотным кирпичом. В пространстве между решеткой 11 и сферическим сводом из жаропрочного бетона на­ходится зона прокалки с кипящим слоем 6 термообрабатываемого материала. Свод 7 разогревается тремя газовыми горелками до 300 °С. Подача природного газа в горелки — 25 м3/ч. Излучение свода обогревает поверхность «зеркала» кипящего слоя, образую­щегося при прохождении топочных газов со скоростью 0,7— 0,8 м/с. Глубина прогрева 5—6 мм при общей высоте кипящего слоя 400—500 мм и подаче исходного катализатора через течку 8 85 кг/ч.

Вследствие интенсивного перемешивания в условиях псевдо­ожижения время пребывания частиц термообрабатываемого мате­риала в зоне интенсивного инфракрасного обслучения не превы­шает нескольких секунд, в течение которых частицы прогрева­ются примерно до 1000 °С, а затем смешиваются в глубине слоя •с менее нагретыми частицами, отдавая избыток теплоты. Это обеспечивает возможность поддерживать температуру кипящего слоя на несколько десятков градусов выше температуры топочных тазов, проходящих через решетку 11. Катализатор (носитель) из зоны прокалки через течку 5 выводят в кольцевую камеру ох­лаждения 3. Ширина зоны охлаждения 500 мм. Через газораспре­делительную решетку 13 пропускают воздух, обеспечивающий при скорости 0,5 м/с псевдоожижение катализатора и охлаждение «го до 40—50 °С.

Воздух, выходящий из камеры охлаждения, используют для сжигания природного газа в топочной камере. Теплоту топоч­ных газов, выходящих из зоны прокалки с температурой до 1100 °С, используют для сушки катализаторов или носи­телей.

Внутренний диаметр печи 1—1,2 м, высота — 9 м; производи­тельность — до 2 т/сут.

Испытания носителя, прокаленного в радиационной печи КС, показали, что для получения продукта с требуемыми прочност­ными характеристиками время пребывания частиц в прокалочной зоне может не превышать 1 ч. При прокаливании в условиях ста­ционарного слоя (в муфельных и туннельных печах) соответствую­щее время должно быть не менее 5 ч.

Подобные конструкции печей целесообразно применять ДЛЯ термоактивации катализаторов, например при получении активных форм оксида алюминия при быстром нагреве гид - роксида (в виде глинозема) в высокотемпературном кипящем слое.

Камерные прокалочные печи, как правило, выполняют с элек­трическим обогревом и используют в малотоннажных катализатор­ных производствах или когда требуется проводить процессы при температурах, превышающих 1000 °С. В них осуществляют спе­кание оксидов металлов, восстановление металлических активных компонентов из оксидов. Их применяют также при производстве плавленых катализаторов. Например, при производстве катализа­торов для синтеза аммиака плавление железа с введением промо­торов осуществляют виндукционной печи при разо­вой загрузке 150 кг сырья [186]. Мощность печи 100 кВт. Про­цесс проводят при 1600 °С. Печь периодического действия. Дли­тельность цикла 1,5 ч.

Камерные печи сопротивления используют при производстве катализаторов из плавленого оксида ванадия (V) и других катализаторов.