Способ получения гранулированного катализатора для синтеза аммиака

 

Изобретение относится к производству катализаторов для синтеза аммиака и может быть использовано в азотной промышленности. Описан способ приготовления гранулированного катализатора для синтеза аммиака путем окисления металлического железа, плавления его окислов с промоторами, грануляции его окислов с промоторами, грануляции катализаторного плава и охлаждения гранул с 1600 до 1000^oС, направления гранул в теплоизолированный реактор и проведения сначала термического обжига в зоне температур 1000-800^oС, затем в зоне температур 800-450^oС - восстановления путем подачи газа-восстановителя с последующим окончательным охлаждением от 450 до 50^oС в токе инертного газа. Грануляцию катализаторного плава и охлаждение гранул осуществляют путем слива плава на вращающийся роторный чугунный формователь с полусферическими ячейками с размером полусферических ячеек 3-15 мм и скоростью вращения 4-6 об/мин. Технический эффект - катализатор получен в узком интервале гранулометрического состава, необходимого для радиальных насадок колонн синтеза аммиака, широко внедряемых в настоящее время в азотную промышленность. 1 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к производству катализаторов для синтеза аммиака и может быть использовано в азотной промышленности.

Известен способ получения гранулированного катализатора для синтеза аммиака плавлением и окислением железа в присутствии промоторов с образованием расплавленной катализаторной массы с последующим ее гранулированием в токе воздуха, обеспечивающем горизонтальное движение гранул и их охлаждение до 1000^oС, с последующим восстановлением гранул газом во время самопроизвольного охлаждения[FR 2499871 А1, 20.08.1982].

Использование воздушного потока в известном способе в интервале давлений 250-300 Па для грануляции связано с трудностью ведения данного процесса, т. к. любое отклонение по давлению подаваемого воздуха приводит к отклонению от горизонтального движения гранул. При давлении менее 250 Па гранулы падают вниз, а при Р=300 Па улетают вверх и не попадают на другую стадию - стадию самопроизвольного охлаждения, где происходит дальнейшая стабилизация структуры катализатора.

Это приводит к уменьшению производительности установки, к образованию нестандартных гранул до 30%.

Кроме того, такой способ грануляции не позволяет получать заданный фракционный состав катализатора, получают преимущественно гранулы катализатора крупных размеров (5-7 мм, 7-10 мм).

Известен также способ приготовления гранулированного катализатора для синтеза аммиака плавлением исходных компонентов в зоне высоких температур, например в электрической дуге, с последующим гранулированием катализаторной массы путем пропускания через несколько горизонтально расположенных пленок воды [RU 230098 А, 24.07.1970]. Грануляция в воду приводит к снижению механической прочности катализатора.

Известен также способ получения гранулированного катализатора для синтеза аммиака путем окисления металлического железа шихты, содержащей промотизирующие добавки, образование путем сплавления окислов железа и промоторов катализаторной массы, грануляции плава в начале на движущейся наклонной плоскости с ниспадающим потоком воды, образовавшиеся гранулы охлаждают до начала кристаллизации катализаторного плава в зоне температур 1450-1350^oС, а затем охлаждение гранул проводят на движущейся горизонтальной поверхности, смоченной водой, при быстром охлаждении гранул снизу и медленном - сверху за счет тепла излучения гранул, отраженного тепловым экраном, расположенным над движущейся горизонтальной поверхностью, до окончательной кристаллизации плава при температуре 1350-12000^oС, полученные гранулы направляют далее на отжиг и охлаждение [RU 2142340 С1, 10.12.1999].

К недостаткам известного способа следует отнести проведение грануляции в две стадии, необходимость изменения наклона плоскости и высоты падения струи катализаторного плава, а также использование воды при грануляции.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является способ получения гранулированного катализатора для синтеза аммиака путем окисления металлического железа, плавления его окислов с промоторами, грануляции катализаторного плава и охлаждение гранул с 1600 до 1000^oС в потоке паровоздушной смеси, направления гранул в теплоизолированный реактор, в котором за счет тепла, выделяющегося при охлаждении гранул, сначала проводят термический обжиг в зоне температур 1000-800^oС, затем в зоне температур 800-450^oС - восстановление или окисление катализатора путем подачи газа-восстановителя с последующим окончательным охлаждением от температуры 450 до 50^oС в токе инертного газа [RU 913636 С1, 27.06.1995].

Недостатком известного способа является спонтанный разрыв струи на гранулы в восходящем потоке паровоздушной смеси, не обеспечивающей получение заданного узкого интервала гранулометрического состава катализатора с большим процентом выхода основной необходимой фракции.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения катализатора, лишенного вышеупомянутых недостатков, обеспечивающего получение гранул катализатора в узком интервале гранулометрического состава, необходимого для радиальных насадок колонн синтеза аммиака, широко внедряемых в настоящее время в азотную промышленность.

Для решения поставленной задачи предложен настоящий способ получения гранулированного катализатора для синтеза аммиака путем окисления металлического железа, плавления его окислов с промоторами, грануляции катализаторного плава и охлаждение гранул с 1600 до 1000^oС путем слива плава на вращающийся роторный формователь с полусферическими ячейками, направления гранул в теплоизолированный реактор и проведение сначала термического отжига в зоне температур 1000-800^oС, затем в зоне температур 800-450^oС - восстановление путем подачи газа-восстановителя с последующим окончательным охлаждением от 450 до 50^oС в токе инертного газа.

При осуществлении грануляции катализаторного плава и охлаждении гранул используют роторный чугунный формователь, с размером полусферических ячеек от 3 до 15 мм и скоростью вращения 4-6 об/мин.

Предлагаемый способ грануляции позволяет получить заданный узкий интервал гранулометрического состава катализатора с большим процентом выхода основной необходимой фракции.

Использование чугунного роторного формователя позволяет более интенсивно проводить процесс охлаждения до 1000^oС, что, в свою очередь, приводит к повышению выхода качественных гранул.

Охлаждение гранул происходит не в потоке воздуха, а в полусферических ячейках, где осуществляется формирование округлой формы и заданного размера гранул.

При таком охлаждении отсутствуют деформированные гранулы и гранулы с многочисленными микротрещинами.

Грануляция и охлаждение в предлагаемом способе осуществляется следующим образом. Плав с летки под действием собственного веса непрерывной струей заполняет ячейки-полусферы графитовых блоков роторного формователя.

Роторный формователь представляет собой металлический диск диаметром 1,5 мм, закрепленный на вертикальном валу. Диск вращается со скоростью 4-6 об/мин. Скорость вращения формователя регулируется вариатором.

На диске плотно друг к другу закреплены графитовые блоки в количестве 20 шт., изготовленные в виде трапеции толщиной 50 мм.

На поверхности высверлены полусферические ячейки заданного диаметра. Графитовые блоки непрерывно охлаждаются водой.

Сформованные в графитовых ячейках гранулы катализатора сдуваются с роторного формователя потоком воздуха и поступают непрерывно в теплоизолированный реактор.

Роторный чугунный формователь по своей конструкции компактен; прост в изготовлении, монтаже, демонтаже и надежен в эксплуатации. На нем изготовлено более 500 т катализатора.

Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение.

Пример 1.

В окисленной камере дно укладывают небольшими кусочками железа, газовой горелкой разогревают железо до температуры 1400^oС, затем подают кислород в количестве 90 м³/ч. После образования расплава по всей поверхности дна камеры толщиной 30 мм и стабилизации слива расплава через летку включают питатели железа и промоторов. Железо подают в количестве 87 кг/ч, а промоторы K₂СО₃ : СаО : Аl₂О₃ при их весовом соотношении 1:3:4 в количестве 9,6 кг/ ч. Полученный расплав в количестве 120 кг/ч непрерывно поступает на грануляцию, которую осуществляют путем слива плава на вращающийся со скоростью 4 об/мин роторный чугунный формователь, с ячейками-полусферами размером 3 мм для получения гранул и охлаждения до 1000^oС.

После стадии грануляции гранулы катализатора в количестве 120 кг/ч непрерывно поступают в теплоизолированный реактор, где гранулы непрерывно под действием собственного веса перемещаются сверху вниз с постепенным снижением своей температуры с 1000 до 50^oС.

В зоне температур 1000-800^oС происходит выдержка - термический отжиг образовавшихся гранул катализатора, а затем в зоне температур 800-450^oС осуществляют непосредственное восстановление катализатора газом-восстановителем состава Н₂ - 75 об.% и N₂ - 25 об.% при объемной скорости W=2000 ч^-1. Получают 90 кг/ч восстановленного катализатора со степенью восстановления 65%, который потом пассивируют азотом, содержащим 1 об.% O₂ при объемной скорости W=2000 ч^-1.

Выход катализаторной фракции с размером гранул 1,5-3 мм составляет 80%, механическая прочность - 410 кг/см² (402•10⁵ Па).

Пример 2.

В окисленной камере дно укладывают небольшими кусочками железа, газовой горелкой разогревают железо до температуры 1400^oС, затем подают кислород в количестве 90 м³/ч. После образования расплава по всей поверхности дна камеры толщиной 50 мм и стабилизации слива расплава через летку включают питатели железа и промоторов. Железо подают в количестве 125 кг/ч, а промоторы K₂СО₃ : СаО : Al₂O₃ при их весовом соотношении 1:3:4 в количестве 14,4 кг/ч. Полученный расплав в количестве 180 кг/ч непрерывно поступает на грануляцию, которую осуществляют путем слива плава на вращающийся со скоростью 5 об/мин роторный чугунный формователь с ячейками-полусферами размером 7 мм для получения гранул и охлаждения до 1000^oС.

После стадии грануляции гранулы катализатора в количестве 180 кг/ч непрерывно поступают в теплоизолированный реактор, где гранулы непрерывно под действием собственного веса перемещаются сверху вниз с постепенным снижением своей температуры с 1000 до 50^oС. В зоне температур 1000-800^oС происходит выдержка - термический отжиг образовавшихся гранул катализатора, а затем в зоне температур 800-450^oС осуществляют непосредственное восстановление катализатора газом-восстановителем состава Н₂ - 75 об.% и N₂ - 25 об.% при объемной скорости W=2000 ч^-1. Получают 130 кг/ч восстановленного катализатора со степенью восстановления 65%, который потом пассивируют азотом, содержащим 1 об.% О₂ при объемной скорости W=2000 ч^-1.

Выход катализаторной фракции с размером гранул 7-10 мм составляет 45%, механическая прочность - 410 кг/см² (402•10⁵ Па).

Пример 3.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, кроме того, что используют роторный чугунный формователь с полусферическими ячейками размером 15 мм при скорости вращения 6 об/мин. Выход катализаторной фракции с размером гранул 15 мм составляет 65%, механическая прочность - 410 кг/см² (402•10⁵ Па).

Формула изобретения

1. Способ получения гранулированного катализатора для синтеза аммиака путем окисления металлического железа, плавления его окислов с промоторами, грануляции его окислов с промоторами, грануляции катализаторного плава и охлаждения гранул с 1600 до 1000^oС, направления гранул в теплоизолированный реактор и проведения сначала термического обжига в зоне температур 1000-800^oС, затем в зоне температур 800-450^oС - восстановления путем подачи газа-восстановителя с последующим окончательным охлаждением от 450 до 50^oС в токе инертного газа, отличающийся тем, что грануляцию катализаторного плава и охлаждение гранул осуществляют путем слива плава на вращающийся роторный формователь с полусферическими ячейками.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют роторный чугунный формователь с размером полусферических ячеек 3-15 мм и скоростью вращения 4-6 об/мин.