NO320969B1 - Ovn og fremgangsmate for katalysatorproduksjon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en ovn for varmebehandling av et katalysatormateriale og en fremgangsmåte for drift av ovnen med henblikk på å produsere sterke, porøse metalloksidkatalysatorer.

En viktig parameter ved utforming av industrielle katalysatorer i form av pellets eller ekstrudater, er hvor porøs katalysatoren er. Dette skyldes at for raske og moderat raske reaksjoner kan den observerte reaksjonshastigheten være avhengig av ikke bare reaksjonen mellom reaktant og katalysatorflate, men også av hvor raskt reaktantene transporteres inn i katalysatormassen og produktene transporteres ut av katalysatoren. For å få kontroll over egenskapene ved gasstransporten, bør porevolumet og porestørrelsen inne i katalysatoren optimaliseres for det spesielle formålet.

For å produsere en katalysator med ønsket porevolum og porestørrelse, innføres et poredannende stoff før for eksempel sprøytetørkingen, og dette fjernes under varmebehandlingen. Volumet som opptas av poredanneren blir til poren. Mange forskjellige stoffer kan brukes som poredannere. Organiske stoffer som stivelse, cellulose og polymerer er vanlig. Imidlertid kan også uorganiske stoffer som ammoniumnitrat inkorporeres i poredanneren. De viktigste egenskapene ved poredanneren er at den må være uløselig i det flytende prosessmediet, den må danne porer av korrekt størrelse, den må ikke etterlate uønskede rester etter at den er fjernet, og den bør være et billig og lett tilgjengelig stoff.

Konvensjonelle ovner som brukes til katalysatorproduksjon er i sin enkleste form en tett tillukket metallkasse som normalt oppvarmes utenfra. I en slik ovn er temperaturkontrdllen dårlig. Systemet reagerer langsomt på en økning eller senkning av temperaturen.

Fra teknikkens stand er JP 2002235102 kjent som beskriver en sintringsovn. Ovnen har et nedre innløp og et øvre utløp for gass, en elektrode for oppvarming av gassen, eri støtte for det som skal sintres, og gassen sirkuleres innen ovnen.

Videre er US 2004/0034249 Al kjent som beskriver en fremgangsmåte for å fremstille en katalysator, og en båndkalsineringsanordning. Anordningen består av flere kamre som et transportbelte løper gjennom. Over transportbeltet er det montert vifter i alle kamrene.

Målet med oppfinnelsen er å frembringe en ovn som gjør det mulig å oppnå en kontrollert varmebehandling av innholdet. Det er gunstig hvis varmebehandlingen utføres i en konvensjonell, billig ovn. Disse og andre mål med oppfinnelsen kan oppnås ved hjelp av ovnen og fremgangsmåten som beskrives nedenfor. Oppfinnelsen karakteriseres ytterligere av patentkravene.

Oppfinnelsen vedrører altså en ovn for varmebehandling av et katalysatormateriale som er kjennetegnet ved at ovnskammeret har et nedre gassinnløp og et øvre gassutløp og innbefatter midler for å oppvarme en gass, anbrakt under en underlagsplate som er tillaget for å sette katalysatormaterialet som skal varmebehandles på og som dirigerer gasstrømmen gjennom katalysatormaterialet, og midler for å resirkulere gassen inne i ovnen.

Innløpet og utløpet er utstyrt med ventiler. Ovnskammeret består av to halvdeler i et vertikalt arrangement. Det foretrekkes at begge halvdelene er halvkuleformede siden ovnen kan settes under vakuum. Den øvre delen er tillaget slik at den kan løftes opp og flyttes bort fra den nedre delen. Oppvarmingsmidlet er fortrinnsvis en varmeinnsats, med strøm eller gass som energikilde. Resirkuleirngsmidlet innbefatter fortrinnsvis en vifte, ledéplater og ventiler for resirkulering av gass. Ovnen har ekstern vannkjøling og en gasspredningsmanifold. Underlagsplaten er fast og har perforeringer hvor det plasseres kurver med katalysator.

Oppfinnelsen innbefatter også en fremgangsmåte for drift av ovnen som er kjennetegnet ved at katalysatorpartikler som inneholder en poredanner føres inn i ovnen og ovnen lukkes, ovnskammeret pumpes lufttomt og gjenfylles med en inert gass med redusert oksygenkonsentrasjon, gassen varmes opp inne i ovnen, føres gjennom katalysatorsengen og ut av ovnen inntil nedbrytningsproduktene fra poredanneren er fjernet. Den foretrukne gassen er nitrogen med 0,1-2 % oksygen; alternativt brukes det luft som inneholder tilstrekkelig naturgass slik at oksygenet forbrennes til en foretrukket konsentrasjon.

Gassen oppvarmes fortrinnsvis først til maksimalt 300-400 °C. Deretter endres gassatmosfæren til luft, .ovnen lukkes eller lukkes delvis og man lar gassen strømme fra det øvre kammeret til det nedre kammeret og resirkuleres inne i ovnen mens den deretter varmes opp til en temperatur som er tilstrekkelig til å sintre partiklene, fortrinnsvis 950-1000 °C. Til slutt kjøles katalysatorpartiklene med kald luft og fjernes fra ovnen.

Oppfinnelsen beskrives videre nedenfor med henvisning til de medfølgende figurene 1-2, hvor:

figur 1 A) viser en lukket ovn

B) viser en åpen ovn -

C) viser en ovn med den øvre delen løftet vekk

figur 2 A) viser et vertikalt snitt gjennom ovnen med beholdere for katalysatoren B) viser en detalj av fundamentet til ovnen C) viser et horisontalt snitt av ovnen med støtteplate med perforeringer for kurver som inneholder katalysatoren.

Figur 1 viser kammeret i ovnen 1 som består av to halvkuleformede halvdeler 2,3. Ovnen er montert på en hydraulisk løfteramme 4. Hengslede «U-klemmer» 5 er festet til flensene for å gjøre det lett å låse og åpne kammeret raskt. Ovnen er utstyrt med et gassfordelingssystem 6 og en vakuumpumpe 7 og en ventil 8. Ovnen har et utløp 9 utstyrt med en ventil (ikke vist på figuren). Den øvre halvdelen av ovnen kan løftes som vist på figur IB og flyttes bort fra den nedre halvdelen som vist på figur 1C, slik at det er fri tilgang til å laste inn og ut av ovnen.

Figur 2 A viser et loddrett snitt gjennom ovnen. Den nedre halvdelen inneholder gassfordelingssystemet 6 og varmeelementinnsatsen 10. Varmeinnsatsen kan ha strøm eller gass som energikilde. Alle koblinger og gjennomføringer for strøm, termoelementer, gassinnsprøytning og viften 11 for gassresirkulering befinner seg i den nedre halvdelen av ovnen. En gasspredningsmanifold 12 og en resirkuleringsledeplate 13 er også anbrakt i den nedre delen av ovnen for å tvinge gassen til å sirkulere gjennom hele arealet av katalysatorsengen.

Flensen 14 tettes med en eller flere O-ringer 15 av elastomer. Hvis det brukes mer enn én O-ring, kan det smale mellomrommet mellom O-ringene innhylles av en liten strøm av nitrogen for å sikre at det ikke lekker luft inn i kammeret.

Begge halvdelene av kammeret er isolert med keramisk fiber som har lav termisk masse og er vannkjølt på utsiden for å gjøre kjøletiden kortere.

Produktet foreligger i beholdere, brett eller kurver 16, som er perforert i bunnen slik at det kan transporteres gass gjennom laget av katalysatorpellets som befinner seg i dem. De er plassert på en underlagsplate 17 rett over varmeelementinnsatsen. Underlagsplaten har perforeringer hvor man plasserer katalysatorkurvene slik at

gasstransport bare kan gjøres gjennom kurvene. Beholderne, brettene eller kurvene kan ha en hvilken som helst form, men er vist sylinderformet på tegningen. I ovnen settes brettene 2 i høyden. Figur 2 B viser en detalj i fundamentet til ovnen med en luftdrevet gassresirkulerende ventil 18. Disse ventilene er også vist på figur 2C.

Driftsprinsipp

Katalysatorpellets av metalloksid som inneholder en poredanner lastes opp i de varmebestandige kurvene 16 og plasseres i ovnskammeret. Kammeret lukkes og pumpes lufttomt før det gjenfylles med nitrogen, flere ganger. Dette sikrer for det første at luften er fjernet ved begynnelsen av varmebehandlingen. Det er også en test for O-ringstetningene mellom de to halvdelene av kammeret.

Trinn 1. Fjerning av poredannende og organiske faser

Nitrogen, som inneholder en kontrollert mengde luft (til en oksygenkonsentrasjon på mellom 0,1 og 2 %, avhengig av hvilket trinn varmebehandlingen befinner seg på), føres inn i den nedre halvdelen åv kammeret. Den innkommende gassen dirigeres gjennom varmeinnsatsen av gasspredeme. Gassen oppvarmes av varmeinnsatsen og føres gjennom katalysatorsengene. Temperaturen i gassen kontrolleres og dermed kontrolleres også temperaturen i sengene. Under dette trinnet heves temperaturen i gassen i flere trinn, til et maksimum på 300 til 400 °C. Strømmen av gass gjennom sengen fjerner først nedbrytningsproduktene av de poredannende og organiske fasene. For det andre blir varmen som produseres ved den eksoterme oksidasjonen av de organiske stoffene til en viss grad transportert ut av sengen. Denne fremgangsmåten for å varme opp katalysatoren gir en mest mulig ensartet temperatur og best kontroll over eksotermen. Temperaturen i katalysatorsengene kan kontrolleres ved en kombinasjon av både temperatur og partialtrykk av oksygen.

Trinn 2. Sintring av katalysatoren

Så snart alle de organiske fasene er fjernet fira pelletsene, forandres konfigurasjonen av ovnen. Først forandres atmosfæren til luft. Utgangsventilen på avgassrøret 9 i den øvre halvdelen av kammeret lukkes (eller lukkes delvis) og resirkuleringsplatene 17 løftes for å slippe gass fra det øvre kammeret ned i det nedre kammeret, hvor den oppvarmes og resirkuleres gjennom katalysatorsengene ved hjelp av resirkuleringsviften 11. Ovnen kan tilføres en redusert luftstrøm for å oksidere restkarbonet. I så fall blir utgangsventilen delvis åpnet. Igjen oppvarmes katalysatorpelletsene av den varme gasstrømmen gjennom sengene. Temperaturen heves til omtrent 950 til 1000 °C, slik at pelletsene kan sintres.

Trinn 3. Kjøling

Etter at sintringen er fullstendig tvinges kald luft inn gjennom ovnen gjennom gassfordelingssystemet 6 og ut gjennom avgassventilen 9 i det øvre kammeret for å

gjøre avkjølingen av ovnen raskere.

Fremgangsmåten som beskrives ovenfor er basert på å dekomponere de organiske fasene (poredannere og prosesshjelpestoffer) ved å oksidere dem i en redusert oksygenkonsentrasjon. Den lave oksygenkonsentrasjonen er avhengig av at nitrogen eller en inert gass føres gjennom sengen, og at det tilsettes et lite kvantum luft til

. innløpsgassen for å oppnå den nødvendige oksygenkonsentrasjonen.

En alternativ tilnærmingsmåte for å redusere oksygenkonsentrasjonen er å forbruke oksygenet i en luftstrøm ved å forbrenne naturgass eller andre hydrokarboner.

For å oppnå en oksygenkonsentrasjon på 1 % ved å fortynne luft med en inert gass, må luften fortynnes med en faktor på 19 (d.v.s. 1 m3 luft krever 19 m<3> nitrogen for å lage en gass med 1 % oksygen).

Bruk av naturgass, for å forbrenne gass:

For å oppnå en oksygenkonsentrasjon på 1 %, kreves det altså 0,095 m<3> CH4 pr..

1 m<3> luft. Siden det er vanskelig å kontrollere temperaturen i en gassflamme med så

lite overskudd av luft, brukes gassbrenneren bare til å kontrollere atmosfæren som føres gjennom katalysatorsengen. Temperaturen kontrolleres ennå av varmeinnsatsen.

Derfor er hovedfordelen med denne andre tilnærmingsmåten at den ikke krever et stort volum nitrogen. Dette vil imidlertid bare fungere hvis katalysatoren ikke påvirkes negativt av å bli utsatt for CO2 og vanndamp på det trinnet som krever kontroll av oksygenkonsentrasjonen. Noen katalysatorer, for eksempel de som inneholder lantan, kan få problemer med dette. I så fall er nitrogenfortynningen best.

Claims (15)

1. Ovn for varmebehandling av et katalysatormateriale, karakterisert ved at ovnskammeret har et nedre gassinnløp (6) og et øvre gassutløp (9) og innbefatter midler (10) for å oppvarme en gass, anbrakt under en underlagsplate (17) som er tillaget for å sette katalysatormaterialet som skal varmebehandles på og som dirigerer gasstrømmen gjennom katalysatormaterialet, og midler (11, 13, 18) for å resirkulere gassen inne i ovnen.

2. Ovn i henhold til krav 1, karakterisert ved at både gassinnløpet (6) og gassutløpet (9) er utstyrt med ventiler.

3. Ovn i henhold til krav 1, karakterisert ved at ovnskammeret består av to halvdeler (2,3) i et vertikalt arrangement.

4. Ovn i henhold til krav 3, karakterisert ved at begge halvdelene er halvkuleformede.

5. Ovn i henhold til krav 3, karakterisert ved at den øvre delen er tillaget slik at den kan løftes opp og flyttes bort fra den nedre delen.

6.. Ovn i henhold til krav 1, karakterisert ved at oppvarmiirgsmidlet er en varmeinnsats (10), med strøm eller gass som energikilde.

7. Ovn i henhold til krav 1, karakterisert ved at midlet for resirkulering av gass innbefatter en vifte (11), ledeplater (13) pg ventiler for resirkulering av gass (18).

8. Ovn i henhold til krav 1, karakterisert ved at underlagsplaten (17) er fast og har perforeringer (19) hvor det plasseres kurver (16) med katalysator,

9. Ovn i henhold til krav 1, karakterisert ved. at ovnen har en gasspredningsmanifold (12).

10. Fremgangsmåte for drift av en ovn i henhold til hvilke som helst av kravene 1-9, karakterisert ved at katalysatorpartikler som inneholder en poredanner føres inn i ovnen og ovnen lukkes, ovnskammeret pumpes lufttomt og gjenfylles med en inert gass med redusert oksygenkonsentrasjon, gassen varmes opp inne i ovnen, føres gjennom katalysatorsengen og ut av ovnen inntil nedbrytningsproduktene fra poredanneren er fjernet.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved at fremgangsmåten også innbefatter å bytte ut gassatmosfæren med luft, lukke eller delvis lukke utløpsventilen og la gassen strømme fra det øvre til det nedre kammeret og resirkulere gassen mens man varmer opp til tilstrekkelig høy temperatur til å sintre partiklene, før man til slutt avkjøler med kald luft og fjerner katalysatorpartiklene fra ovnen.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved at gassen først varmes opp til maksimalt 300-400 °C.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, karakterisert ved at gassen deretter varmes opp til 950-1000 °C for å sintre partiklene..

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved at gassen som brukes er nitrogen med 0,1-2 % oksygen.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved at gassen som brukes er luft med et tilstrekkelig høyt innhold av naturgass til å forbrenne oksygenet i luften.