Носитель катализатора и способ его приготовления

 

Использование: в производстве носителей катализаторов, в частности для сжигания углеводородного топлива в каталитических нагревателях. Сущность: в состав шихты для керамического носителя наряду с глиной, каолином, тальком вводят термостабильный волокнистый минерал - волластонит или тремолит, проявляющий армирующее влияние на глинистые ингредиенты, а также порообразующую угольную добавку. Твердое сырье измельчают до размера частиц≅50 мкм, затем порошковый материал смешивают с добавлением индустриального масла и воды до образования формовочной массы. Затем формуют, например, методом прессования сотовые керамические плитки, сушат и прокаливают при 800 -1000^oС. Носитель катализатора имеет следущий состав, мас. ч.: глина 30 - 50; каолин 16 - 25; тальк 15 - 23; волластонит или тремолит 6 - 40. 2 с. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к каталитическим системам, композициям, а именно к области разработки носителей катализаторов для сжигания углеводородного топлива в каталитических нагревателях и способов их получения.

Известны катализаторы для сжигания топлив, содержащие хромиты магния, меди, цинка на сферическом оксиде алюминия. Однако катализаторы такой формы не могут быть использованы в каталитических нагревателях с неподвижным слоем катализатора из-за невысокой газопроницаемости слоя сферических гранул. Для сжигания газообразного топлива обычно применяют катализаторы на основе носителей с каналами для подачи газа блочные носители сотовой структуры, которые обладают существенно меньшим гидравлическим сопротивлением по сравнению с одинаковым по высоте слоем гранул и имеют высокие значения геометрической поверхности в единице объема.

Основным сырьем для производства керамических плиток являются, как известно, глинистые материалы: глина, каолин, тальк. При добавлении воды глинистая масса становится пластичной и поддается формованию. Для придания керамическим материалам желаемых свойств, а также усовершенствования самого процесса формования в ряде случаев в состав формовочной шихты вводят различного рода добавки, например легко выгорающие порообразующие добавки, дополнительные пластификаторы, связующие вещества.

Так, для упрочнения керамических материалов в их состав вводят добавки, способные агломерировать смесь оксидов: силиконовую смолу, полимеризованный фурфуриловый спирт, целлюлозу, метилцеллюлозу. ПВС или их смесь декстрин, органическое волокно или добавки, способные при нагревании образовывать мостики за счет, например, полимеризации мономерного фурфурилового спирта, или размягчения до клейкого высоковязкого состояния стеклопластика или пластмассы и за счет этого скреплять керамическую массу. Однако все перечисленные связующие имеют органическую природу, вследствие чего получающийся керамический материал имеет невысокую термостабильность, обусловленную дальнейшим разложением (при температурах выше 400^оС) органического связующего до газообразных продуктов. В результате в керамике появляется дополнительная пористость и даже трещины и прочность носителя уменьшается, в то время как рабочие температуры поверхности каталитических нагревательных элементов составляют 600-850^оС.

Наиболее близким к заявляемому является монолитный керамический блок, носитель которого получают экструзией пластичной массы. Пластичную массу готовят смешением исходной шихты, состоящей из мелкодисперсных талька, каолина и глинозема со связующими добавками-пластификаторами, в качестве которой применяют водный раствор силикатного клея. Однако реологические свойства такой массы не подходят для приготовления сотовых керамических носителей методом прессования, поскольку добавка силикатного клея приводит к ее чрезвычайно быстрому затвердеванию на воздухе. Кроме того, введение в состав носителя катионов натрия (основной состав клея силикат натрия), как известно, отрицательно влияет на активность катализаторов полного окисления.

Задача изобретения разработка высокопрочного термостабильного носителя для каталитического нагревателя и способа его получения.

Для решения поставленной задачи в состав керамического носителя наряду с глиной, каолином, тальком вводили термостабильный волокнистый минерал волластонит или тремолит, проявляющий армирующее влияние на глинистые ингредиенты и за счет этого упрочняющий готовое керамическое изделие, а также порообразующую угольную добавку. Волластонит минерал из класса цепочечных силикатов, формула CaSiO₃, образуется при метаморфизме известняков. Тремолит минерал из класса цепочечных силикатов группы моноклинных амфиболов. Формула Ca₃Mg[Si₄O₁₁] (OH)₂, образуется на ранней стадии контактового изменения доломитов и известняков.

Для решения поставленной задачи в смеситель наряду с пластичной глиной, каолином, тальком загружали в качестве армирующей добавки волластонит или тремолит, порообразующую угольную добавку, в качестве пластификатора наряду с водой индустриальное масло марки И-20-А. Твердое сырье предварительно сушили и измельчали в щековой дробилке и дисковой мельнице до размера частиц ≅ 50 мкм. После этого порошковый материал смешивали с добавлением индустриального масла и воды до образования формовочной массы. Далее на специальной пресс-оснастке производили формование сотовой керамической плитки. Затем сформованные плитки провяливали 5 ч при 20^оС и сушили при 120^оС в течение 10-15 ч. Высушенные образцы прокаливали в муфельной печи при 800-1000^оС в течение 4 ч.

Отличительными признаками предлагаемого носителя является введение в его состав термостабильной армирующей добавки волокнистых минералов волластонита или тремолита в количестве 6-40% от массы плитки. Нижний и верхний пределы содержания волластонита и тремолита связаны с тем, что в этой области содержания волокнистых минералов проявляется эффект упрочнения керамических плиток.

Отличительными признаками предлагаемого способа является введение на стадии смешения в состав загрузки в качестве термостабильной армирующей добавки измельченного до размера ≅ 50 мкм волластонита или тремолита, в качестве пластифицирующей добавки индустриального масла и в качестве порообразующей добавки угля с последующими формованием носителя прессованием и прокаливанием при 800-1000^оС. При температуре прокаливания ниже 800^оС механическая прочность носителя резко снижается и он начинает разламываться в процессе обращения с ним. При температуре прокаливания выше 1000^оС удельная поверхность носителя резко снижается, что ухудшает эксплуатационные характеристики горелки.

Для иллюстрации заявляемого носителя и способа его приготовления приводятся примеры конкретного выполнения. Прочность полученных носителей на раздавливание по торцу определяли на приборе МП-9С.

П р и м е р 1. Огнеупорную глину, каолин, тальк, уголь, волластонит измельчали на щековой дробилке, а затем дисковой мельнице до размера частиц ≅ 50 мкм. Измельченные порошки загружали в смеситель в следующем количестве, мас.ч. глина огнеупорная 30; каолин 20; тальк 15; древесный уголь марки БАУ-Б 11; волластонит 6, и добавляли 24 мас.ч. воды. Далее в смеситель добавляли индустриальное масло марки И-20-А в количестве 0,5 мас.ч. Смешение проводили в течение 1 ч. На специальной пресс-оснастке производили формование сотовых керамических плиток размером 80х72х11 мм с каналами диаметром 1 мм в количестве 30 штук/см² (живое сечение 0,2). Керамические плитки помещали в сушильную камеру с температурой 25±5^оС. Через 5 ч провяленные плитки сушили при 120^оС в течение 15 ч и затем прокаливали в муфельной печи при 800^оС в течение 4 ч.

П р и м е р 2. Огнеупорную глину, каолин, тальк, уголь, волластонит измельчали на щековой дробилке, а затем дисковой мельнице до размера частиц ≅ 50 мкм. Измельченные порошки загружали в смеситель в следующем количестве мас. ч. глина огнеупорная 30; каолин 18; тальк 18; древесный уголь марки БАУ-Б 8, волластонит 6, и добавляли 16 мас.ч. воды. Далее в смеситель добавляли индустриальное масло марки И-20-А в количестве 0,9 мас.ч. Смешение проводили в течение 1 ч. На специальной пресс-оснастке производили формование сотовых керамических плиток размером 80х72х11 мм с каналами диаметром 1 мм в количестве 30 штук/см² (живое сечение 0,2). Керамические плитки помещали в сушильную камеру с температурой 25±5^оС. Через 5 ч провяленные плитки сушили при 120^оС в течение 15 ч и затем прокаливали в муфельной печи при 900^оС в течение 4 ч.

П р и м е р 3. Огнеупорную глину, каолин, тальк, уголь, волластонит измельчали на щековой дробилке, а затем дисковой мельнице до размера частиц ≅ 50 мкм. Измельченные порошки загружали в смеситель в следующем количестве, мас. ч. глина огнеупорная 40; каолин 22; тальк 23; древесный уголь марки БАУ-Б 6; волластонит 6, и добавляли 20 мас.ч. воды. Далее в смеситель добавляли индустриальное масло марки И-20-А в количестве 0,7 мас.ч. Смешение проводили в течение 1 ч. На специальной пресс-оснастке производили формование сотовых керамических плиток размером 80х72х11 мм с каналами диаметром 1 мм в количестве 30 штук/см² (живое сечение 0,2). Керамические плитки помещали в сушильную камеру с температурой 25±5^оС. Через 5 ч провяленные плитки сушили при 120^оС в течение 12 ч и затем прокаливали в муфельной печи при 1000^оС в течение 4 ч.

П р и м е р 4. Огнеупорную глину, каолин, тальк, уголь, волластонит измельчали на щековой дробилке, а затем дисковой мельнице до размера частиц ≅ 50 мкм. Измельченные порошки загружали в смеситель в следующем количестве, мас. ч. глина огнеупорная 50; каолин 16; тальк 20; древесный уголь марки БАУ-Б 10; волластонит 40 и добавляли 19 мас.ч. воды. Далее в смеситель добавляли индустриальное масло марки И-20-А в количестве 0,6 мас.ч. Смешение проводили в течение 1 ч. На специальной пресс-оснастке производили формование сотовых керамических плиток размером 80х72х11 мм с каналами диаметром 1 мм в количестве 30 штук/см² (живое сечение 0,2). Керамические плитки помещали в сушильную камеру с температурой 25±5^оС. Через 5 ч провяленные плитки сушили при 120^оС в течение 12 ч и затем прокаливали в муфельной печи при 800^оС в течение 4 ч.

П р и м е р 5. Огнеупорную глину, каолин, тальк, уголь, тремолит измельчали на щековой дробилке, а затем дисковой мельнице до размера частиц ≅ 50 мкм. Измельченные порошки загружали в смеситель в следующем количестве, мас. ч. глина огнеупорная 35; каолин 25; тальк 16, древесный уголь марки БАУ-Б 11, тремолит 15, и добавляли 22 мас.ч. воды. Далее в смеситель добавляли индустриальное масло марки И-20-А в количестве 0,5 мас.ч. Смешение проводили в течение 1 ч. На специальной пресс-оснастке производили формование сотовых керамических плиток размером 80х72х11 мм с каналами диаметром 1 мм в количестве 30 штук/см² (живое сечение 0,2). Керамические плитки помещали в сушильную камеру с температурой 25±5^оС. Через 5 ч провяленные плитки сушили при 120^оС в течение 10 ч и затем прокаливали в муфельной печи при 900^оС в течение 4 ч.

П р и м е р 6. Для сравнения с предлагаемым готовили керамическую плитку без волластонита или тремолита. Для этого огнеупорную глину, каолин, тальк, уголь, измельчали на щековой дробилке, а затем дисковой мельнице до размера частиц ≅ 50 мкм. Измельченные порошки загружали в смеситель в следующем количестве, мас.ч. глина огнеупорная 30; каолин 20; тальк 15, древесный уголь марки БАУ-Б 11 и добавляли 24 мас.ч. воды. Далее в смеситель добавляли индустриальное масло марки И-20-А в количестве 0,5 мас.ч. Смешение проводили в течение 1 ч. На специальной пресс-оснастке производили формование сотовых керамических плиток размером 80х72х11 мм с каналами диаметром 1 мм в количестве 30 штук/см² (живое сечение 0,2). Керамические плитки помещали в сушильную камеру с температурой 25±5^оС. Через 5 ч провяленные плитки сушили при 120^оС в течение 10 ч и затем прокаливали в муфельной печи при 800^оС в течение 4 ч.

Содержание угля в шихте 6-11 мас.ч. обеспечивает после его выгорания оптимальную транспортную пористость без потери механической прочности носителя.

В табл.1 приведены данные по испытанию на прочность керамических плиток с волокнистой армирующей минеральной добавкой (примеры 1-5) и без нее (пример 6). В табл.2 приведены соответствующие примеры по составу загрузки ингредиентов в смеситель.

Из представленных примеров следует, что добавление в состав керамической плитки термостабильного волокнистого минерала значительно улучшает механическую прочность носителя, а следовательно, увеличивает срок службы катализатора на его основе. Кроме того, предлагаемые армирующие добавки являются экологически чистыми дешевыми природными минералами и не требуют специальной организации для их производства. В качестве пластифицирующей масляной добавки можно использовать отработанное масло, что открывает экологически чистый и полезный путь его утилизации.

Формула изобретения

1. Носитель катализатора для высокотемпературного сжигания газообразного углеводородного топлива на основе глины, каолина, талька, отличающийся тем, что он дополнительно содержит армирующую добавку термостабильный волокнистый материал волластонит или тремолит при следующем содержании компонентов, мас. ч.

Глина 30 50 Каолин 16 25 Тальк 15 23 Волластонит или тремолит 6 40 2. Способ приготовления носителя катализатора для высокотемпературного сжигания газообразного углеводородного топлива, включающий измельчение твердых компонентов до частиц ≅ 50 мкм, смешение этих порошков с пластифицирующими и связующими добавками, прессование плиток сотовой структуры, их провяливание, сушку и прокаливание, отличающийся тем, что на стадии смешения в качестве пластифицирующей добавки наряду с водой используют индустриальное масло, в качестве армирующей связующей добавки дополнительно вводят термостабильный волокнистый минерал волластонит или тремолит и в качестве порообразующей добавки дополнительно вводят уголь при следующем содержании компонентов в смесителе, мас.ч.

Глина 30 50 Каолин 16 25 Тальк 15 23 Волластонит или тремолит 6 40 Уголь 6 11
Вода 16 24
Масло индустриальное 0,5 0,9
а прокаливание высушенного носителя проводят при 800 1000^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2