PL240970B1 - Reaktor do syntezy zeolitów, zwłaszcza z popiołów lotnych - Google Patents

Abstract

Reaktor do syntezy zeolitów, zwłaszcza z popiołów lotnych charakteryzuje się tym, że składa się z horyzontalnie umieszczonej komory roboczej (1), pochylonej w stosunku do podłoża pod kątem ostrym α, która zamocowana jest poprzez elastyczne łączniki (2) pochylony do podstawy (3) pod kątem ostrym β. Pomiędzy podstawą (3) a komorą roboczą (1) znajduje się napęd posuwisto - zwrotny(4). Wewnątrz komory roboczej (1) znajduje się sito o niskiej retencji, ułożone poziomo w stosunku do komory roboczej (1), pod którym znajduje się króciec napowietrzający. W górnej części komory roboczej (1) znajduje się kolektor napowietrzający (7) połączony z króćcem napowietrzającym. Na jednym z końców komory roboczej (1) znajduje się wlot substratów reakcji (8). Po przeciwnej stronie znajduje się wylot zeolitów (9).

Description

PL 240 970 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do syntezy zeolitów, zwłaszcza z popiołów lotnych, w którym w procesie reakcji zastosowano nadciśnienie.

Dotychczas z opisu patentowego PL224734 znany jest sposób wytwarzania zeolitów z popiołów lotnych w reaktorze, obejmujący następujące kroki: a) wprowadzenie do reaktora wody, b) wprowadzenie do reaktora NaOH, korzystnie w formie granulek, c) wprowadzenie do reaktora popiołu lotnego, d) podgrzanie mieszaniny wody, NaOH i popiołu lotnego w reaktorze do temperatury od 60°C do 90°C, korzystnie od 75°C do 80°C,

e) prowadzenie reakcji syntezy zeolitów w reaktorze przez czas od 12 do 72 h, korzystnie od 24 do 36 h, f) usunięcie produktu kroku e) z reaktora i oddzielenie materiału zeolitowego od roztworu wodnego NaOH.

Mieszaninę reakcyjną w reaktorze naprzemiennie miesza się za pomocą mieszadła oraz wypompowuje się z reaktora i ponownie do niego wprowadza za pomocą pomp y, i stosuje się następującą sekwencję mieszania mieszaniny reakcyjnej w reaktorze: na przemian pompuje się przez 10 minut przy użyciu pompy z wydajnością 100 l/min oraz miesza się za pomocą mieszadła przez 10 minut, przy obrotach około 450 obr./min.

W opisie zgłoszenia patentowego US20020106322 (A1) ujawniono proces otrzymywania zeolitów w wyniku kilkustopniowego naprzemiennego ogrzewania/mieszania mieszaniny reakcyjnej i odparowywania nadmiaru wody z tejże mieszaniny. Proces otrzymywania zeolitów prowadzi się w kolejnych reaktorach, zaś proces odparowania wody w destylatorach znajdujących się w ciągu produkcyjnym na wyjściu jednego i wejściu kolejnego reaktora. Składniki: woda, NaOH oraz popiół wprowadzone do pierwszego reaktora miesza się w warunkach temperatury przekraczającej 100°C, korzystnie 150°C i przy ciśnieniu wynoszącym 5 atm. Mieszaninę reakcyjną następnie kieruje się do destylatora, po czym pozostała ilość zagęszczonej mieszanki przepompowywana jest do następnego reaktora i proces powtarza się kilkukrotnie, aż do etapu otrzymania w ostatnim reaktorze wyjściowego produktu, który poddaje się końcowej obróbce.

W dokumencie patentowym WO9802384 (A1) ujawniono proces syntezy zeolitu z medium zawierającego zwłaszcza źródło czterowartościowego krzemu, co najmniej kation metalu alkalicznego lub ziem alkalicznych w postaci wodorotlenku oraz wodę. Reakcja prowadzona jest w reaktorze (lub w kilku reaktorach połączonych szeregowo) zawierającym jedną lub więcej rur przewodzących, gdzie każda z rur zawiera wirnik śrubowy w postaci śruby Archimedesa, przy czym oś wirnika śrubowego pokrywa się z osią rury prowadzącej oraz z osią korpusu reaktora. Taka konstrukcja reaktora wprowadziła dwa rodzaje mieszania w obrębie jednego reaktora, mając na celu łatwiejszą sta bilizację faz zeolitowych, polepszenie wydajności, w tym obniżenie temperatury prowadzenia procesu do 100°C Z opisu patentowego PL420936 (A1 ) znany jest sposób syntezy zeolitów z popiołów powstałych ze spalarni i współspalania biomasy polegający na alkalicznej i hydrotermalnej aktywacji w warunkach podwyższonego ciśnienia charakteryzujący się tym, że do ciśnieniowego reaktora wprowadza się kompozycję popiołu lotnego zawierającego w swym składzie chemicznym składniki tlenkowe w ilości SO2 w ilości 20-60% wagowych, AI2O3 w ilości 2,1-13% wagowych, która to kompozycja zawiera popioły powstałe ze spalania i/lub współspalania biomasy, dodaje się czynnik alkaliczny w ilości od 1 do 20 ml na 1 g kompozycji popiołu lotnego, opcjonalnie wprowadza się czynniki modyfikujące, tak otrzymaną mieszaninę miesza się, wstępnie podnosi ciśnienie w układzie reakcyjnym do poziomu 0,1-0,6 MPa, utrzymuje układ reakcyjny w tym stanie przez okres od 2 do 10 minut, następnie układ reakcyjny podgrzewa się do temperatury powyżej 70°C ze stałą prędkością przy jednoczesnym wzroście ciśnienia w układzie reakcyjnym do poziomu powyżej 1 MPa, korzystnie do poziomu 1,1-1,8 MPa i utrzymuje układ reakcyjny w tym stanie przez okres od 1-6 h. Następnie układ reakcyjny chłodzi się ze stałą prędkością, usuwa z układu reakcyjnego nadmiar czynnika alkalicznego, a otrzymany produkt przemywa się wodą o podwyższonej temperaturze, myje do zadanej wartości pH w wodzie popłucznej. W dalszej kolejności suszy się go, przy czym do sporządzenia kompozycji popiołów lotnych do syntezy zeolitów używa się materiałów takich jak: popioły lotne pochodzące ze spalania biomasy w kotłach rusztowych i fluidalnych; popioły lotne pochodzące ze współspalania biomasy w kotłach rusztowych i fluidalnych z węglem, w proporcjach węgla do biomasy od 100 : 1 do 1 : 100, mieszanki popiołów lotnych powstałe poprzez zmieszanie popiołów ze spalania lub współspalania biomasy oraz popiołów ze spalania węgla w odpowiednich proporcjach.

PL 240 970 B1

Z opisu zgłoszenia patentowego PL419629 (A1) znany jest sposób przetwarzania odpadów pod procesowych ze spalarni odpadów poprzez syntezę zeolitów w procesie hydrotermalnej obróbki w środowisku alkalicznym. System ten charakteryzuje się tym, że kompozycję odpadów pochodzących z termicznej utylizacji odpadów o wielkości frakcji poniżej 0,2 mm, w której zawartość SO2 wynosi od 10 do 40% wagowych, a zawartość AI2O3 wynosi od 5 do 25% wagowych, kontaktuje się z czynnikiem alkalicznym w reaktorze ciśnieniowym. Następnie podnosi się ciśnienie wewnątrz reaktora od 0,1+1,0 MPa, jednocześnie podnosząc temperaturę środowiska reakcji do temperatury nie wyższej niż 200°C. W dalszej kolejności utrzymuje się mieszaninę reakcyjną w tych warunkach przez okres czasu niezbędny do przereagowania przy jednoczesnym wzroście ciśnienia w środowisku reakcji od 1,0 do 2,0 MPa. W dalszej procedurze mieszaninę reakcyjną chłodzi się, usuwa nadmiar nieprzereagowanego czynnika alkalicznego, otrzymany produkt płucze się wodą i suszy.

Z opisu zgłoszenia patentowego MX2009014260 (A) znany jest hydrotermalny sposób bezpośredniej zeolityzacji popiołu lotnego uzyskanego z przemysłu termoelektrycznego jako produktu ubocznego węgla mineralnego. Sposób według niniejszego wynalazku obejmuje reakcję popiołów lotnych w warunkach hydrotermalnych z wodorotlenkiem metalu w określonym stosunku; mieszanina odczynników jest bezpośrednio poddawana procesowi hydrotermalnemu z mieszaniem lub bez mieszania w temperaturze od około 175°C i przez okres do 24 h. Tak otrzymane zeolity przemywa się wodą dejonizowaną, suszy i pakuje w szczelnie zamkniętym pojemniku.

Z dokumentu RU2580723 (C1) znany jest sposób wytwarzania syntetycznego typu strukturalnego zeolitu Rho. Proces syntezy obejmuje przygotowanie mieszaniny reakcyjnej: najpierw zmieszanie wody, eteru koronowego, wodorotlenku cezu i wodorotlenku sodu, następnie dodanie glinianu sodu i mieszanie do jednorodnego stanu, dodanie do otrzymanej mieszaniny dwutlenku krzemu SO2 w postaci 40% zol i mieszanie do uzyskania jednorodnej żelowej konsystencji. Żel poddaje się starzeniu, a następnie obróbce hydrotermalnej przez 24-48 h z mieszaniem za pomocą mieszadła łopatkowego z szybkością N = 200 obr/min w temperaturze 120°C i ciśnieniu autogenicznym 1,4-4 bar.

Z opisu zgłoszenia patentowego US2014056805 (A1) znany jest sposób wytwarzania mezoporowatego zeolitu. Metoda ta obejmuje następujące etapy:

1) tworzenie syntetycznego żelu zeolitowego przez zmieszanie prekursora krzemionki, prekursora glinu i wody i starzenie uzyskanej mieszaniny w temperaturze 20-120°C przez 1-24 h. Na tym etapie następuje dostosowanie pH do 11,0-12,0 przez dodanie kwasu, po zmieszaniu prekursora krzemionki, prekursora glinu i wody przed starzeniem mieszaniny.

2) przeprowadzenie syntezy zeolitu przez poddanie syntetycznego żelu zeolitowego reakcji hydrotermalnej w zakresie temperatur 100-200°C przez okres reakcji 1-7 h.

3) ochłodzenie zsyntetyzowanego zeolitu do 100°C lub mniej, dodając do niego zasadowy roztwór, mieszając razem i poddając go reakcji w 20-100°C. W ten sposób otrzymując mezoporowatą zawiesinę zeolitu;

4) przemywanie zawiesiny mezoporowatego zeolitu wodą, suszenie i wypalanie.

Celem wynalazku jest otrzymywanie dużych ilości zeolitów w jednym cyklu produkcyjnym przy obniżonym koszcie jednostkowym produkcji i możliwość realizacji tego procesu w różnych miejscach.

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do syntezy zeolitów, zwłaszcza z popiołów lotnych, posiadający horyzontalnie umieszczoną komorę roboczą, pochyloną w stosunku do podłoża pod kątem ostrym. Istotą reaktora według wynalazku jest to, że komora robocza zamocowana jest do podłoża poprzez elastyczne łączniki pochylone do podstawy pod kątem ostrym. Pomiędzy podstawą a komorą roboczą znajduje się napęd posuwisto-zwrotny. Wewnątrz komory roboczej znajduje się sito o niskiej retencji, ułożone poziomo w stosunku do komory roboczej, pod którym znajduje się króciec napowietrzający. W górnej części komory roboczej znajduje się kolektor napowietrzający połączony z króćcem napowietrzającym. Na jednym z końców komory roboczej znajduje się wlot substratów reakcji, zaś po przeciwnej stronie znajduje się wylot zeolitów.

Korzystnym skutkiem zastosowania wynalazku jest otrzymywanie dużych ilości zeolitów z popiołów lotnych w jednym cyklu produkcyjnym, poprzez równomierne rozprowadzanie wewnątrz reaktora substratów i możliwość jej opróżniania, co uzyskano poprzez zastosowanie ruchu posuwisto-zwrotnego. Horyzontalny układ reaktora umożliwia mieszanie substratów z wykorzystaniem powietrza. Możliwe jest zastosowanie wynalazku w wersji o wymiarach umożliwiających jego przewożenie na ciężarówkach, co umożliwia jego transport i zastosowanie w mobilnych zakładach produkcyjnych. Dzięki takiej konstrukcji możliwe jest dostarczenie reaktora w miejsce składowania popiołu lotnego, np. takich jak składy przy elektrociepłowniach.

Claims (10)

1. PL 240 970 B1

   Wynalazek w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia reaktor w widoku z boku, fig. 2 - reaktor w przekroju poprzecznym wzdłuż linii A-A.

   Wynalazek w przykładzie wykonania składa się z horyzontalnie umieszczonej walcowej komory roboczej 1 o wymiarach L = 7 m i średnicy wewnętrznej D = 1,2 m. Komora pochylona jest w stosunku do podłoża pod kątem α = 0,5°, która zamocowana jest poprzez dwanaście elastycznych łączników 2 w postaci sprężyn. Są one pochylone do podstawy 3 pod kątem β = 25°. Pomiędzy podstawą 3 a komorą roboczą 1 znajduje się napęd posuwisto-zwrotny 4 w postaci wału z mimośrodem przekazującym ruch na reaktor za pomocą elementu łożyskowanego na mimośrodzie. Wewnątrz komory roboczej 1 znajduje się sito 5 o retencji 90 μm, ułożone poziomo w stosunku do komory roboczej 1. Pod sitem 5 znajdują się króćce napowietrzające 6 w postaci prostych rur podłączonych poprzez kolektor napowietrzający 7 do wentylatora boczno-kanałowego 10. Kolektor napowietrzający 7 znajduje się w górnej części komory roboczej 1 i posiada postać cylindra. Pozwala on na równomiernie rozdzielenie powietrze na króćce napowietrzające 6. Na jednym z końców komory roboczej 1 od góry znajduje się wlot substratów reakcji 8, zaś po przeciwnej stronie od czoła komory roboczej 1 znajduje się wylot zeolitów 9.

   Działanie reaktora do syntezy zeolitów z popiołów lotnych polega na tym, że przez wlot substratów 8 reakcji podaje się partie popiołu lotnego. Następnie wprawia się komorę roboczą 1 w ruch posuwisto-zwrotny w kierunku jego osi za pomocą napędu elektrycznego 4, co powoduje drgania całej komory 1. Wskutek tego materiał jest transportowany wzdłuż sita 5, celem równomiernego rozprowadzenia go w reaktorze. Następnie mieszaninę substratów i popiołu zalewa się wodnym roztworem wodorotlenku sodu. Zachodzi reakcja chemiczna w wyniku której powstaje produkt. Zeolit jest odbierany poprzez wylot 9. Podczas trwania procesu syntezy okresowo zostaje podawane powietrze z wentylatora 10 za pomocą króćców 6 pod sito 5. Ma to na celu wymieszanie substratów i popiołu lotnego z wodnym roztworem wodorotlenku sodu. Wykaz oznaczeń:

   1. Komora robocza
2. 2. Łącznik
3. 3. Podstawa
4. 4. Napęd posuwisto-zwrotny
5. 5. Sito
6. 6. Króciec napowietrzający
7. 7. Kolektor napowietrzający
8. 8. Wlot substratów
9. 9. Wylot
10. 10. Wentylator boczno-kanałowy

    Zastrzeżenie patentowe

    1. Reaktor do syntezy zeolitów, zwłaszcza z popiołów lotnych, posiadający horyzontalnie umieszczoną komorę roboczą (1), pochyloną w stosunku do podłoża pod kątem ostrym α, znamienny tym, że komora robocza (1) zamocowana jest do podłoża poprzez elastyczne łączniki (2) pochylone do podstawy (3) pod kątem ostrym β, oraz pomiędzy podstawą (3) a komorą roboczą (1) znajduje się napęd posuwisto-zwrotny(4), przy czym wewnątrz komory roboczej (1) znajduje się sito (5) o niskiej retencji, ułożone poziomo w stosunku do komory roboczej (1), pod którym znajduje się króciec napowietrzający (6), zaś w górnej części komory roboczej (1) znajduje się kolektor napowietrzający (7) połączony z króćcem napowietrzającym (6), natomiast na jednym z końców komory roboczej (1) znajduje się wlot substratów reakcji (8), zaś po przeciwnej stronie znajduje się wylot zeolitów (9).