Un importante fabricante de catalizadores soportados de EE.UU. estaba descontento con la reducida vida útil de los sensores de temperatura de sus calcinadores rotativos. WIKA ideó una solución creativa que protege los termopares de los daños mecánicos y, al mismo tiempo, proporciona lecturas precisas y tiempos de reacción rápidos.
Los catalizadores son una parte esencial de las actividades derivadas del petróleo y el gas, incluida la producción de gas de síntesis y los procesos de refinado como el hidrocraqueo y el craqueo catalítico fluido (FCC). La producción de alimentos, productos farmacéuticos, químicos y petroquímicos también depende de los catalizadores.
Para qué sirven los catalizadores
Disponibles en multitud de formas y formulaciones, los catalizadores son sustancias que aceleran y optimizan las reacciones químicas reduciendo su energía de activación. Al utilizar un catalizador, las temperaturas y presiones no tienen que ser tan elevadas, lo que permite a los fabricantes ahorrar tiempo y energía. Otras características de los catalizadores es que potencian las reacciones sin consumirse por completo y pueden volver a ponerse en funcionamiento tras ser tratados con calor, hidrógeno, soluciones ácidas o alcalinas u otro proceso regenerativo, aunque con el tiempo tendrán que ser sustituidos.
La mayoría de los cientos de catalizadores utilizados en la producción son catalizadores soportados, en los que el componente activo, como un metal o un óxido metálico, está unido a un sustrato de soporte. Entre los materiales de soporte se encuentran la alúmina, el carbón activado, la cerámica, diversos polímeros, la sílice, la zeolita y la zirconia. Los soportes ideales son:
– Porosos: para que el catalizador tenga una gran superficie sobre la que instalarse, ya que más material catalítico significa más encuentros con las moléculas reactivas.
– Puro e inerte: para no crear reacciones químicas secundarias.
– Mecánicamente fuertes: ya que un material duro resiste mejor durante los procesos industriales y la regeneración del catalizador.
Los catalizadores soportados suelen producirse por calcinación en hornos rotatorios, también conocidos como calcinadores rotatorios o calcinadores rotativos.
Cómo se producen los catalizadores en los calcinadores rotatorios
La calcinación, especialmente en un calcinador rotativo, es sólo una de las diversas etapas de la producción de catalizadores en grandes lotes. El método de producción específico depende del tipo de catalizador que se vaya a producir. En general, las etapas son las siguientes
- Preparación de la materia prima: las partículas de cerámica, metal y/o polímero se mezclan con una solución para crear una suspensión de catalizador y materiales de soporte.
- Tratamiento hidrotérmico: la suspensión se vierte en un reactor, donde se calienta y se agita hasta que el material de soporte se impregna de átomos de catalizador. A continuación, el reactor seca los cristales resultantes hasta convertirlos en polvo.
- Modelado: el polvo se mezcla con un aglutinante y la pasta resultante suele introducirse en una extrusora. Este precursor catalítico también puede granularse o comprimirse. El tamaño y la forma de la pasta influyen en el rendimiento y la resistencia estructural.
- Calcinación: los catalizadores moldeados se introducen en un calcinador, un horno que aplica calor elevado para secar y endurecer aún más el material y quemar las impurezas. La calcinación también puede cambiar la fase del catalizador, aumentar su superficie y/o activarlo. Un calcinador rotativo proporciona una agitación continua a medida que el catalizador se desplaza por el recipiente giratorio y se expone a temperaturas cada vez más altas, lo que da como resultado un producto de mayor calidad y más uniforme.
- Reducción: una vez calcinado, el catalizador puede pasar por una atmósfera reductora para eliminar el oxígeno del óxido metálico. Esto garantiza que el catalizador se encuentre en el estado correcto.
- Activación: si la calcinación no ha activado suficientemente el catalizador, el siguiente paso es tratarlo con un reactivo.
- Envasado: ahora puro y listo para su uso, el producto final se coloca en bidones, se sella para evitar la contaminación y se envía al cliente.
Problema: medir altas temperaturas en las difíciles condiciones de un horno rotatorio
Los hornos rotatorios industriales permiten calcinar grandes cantidades de catalizadores de forma eficaz y eficiente. Los sensores de temperatura son cruciales en esta fase, ya que el tratamiento térmico adecuado de los catalizadores requiere una supervisión y un control precisos de la temperatura. Los datos se envían a un sistema de control informatizado, que ajusta el flujo de aire y el suministro de combustible según sea necesario para mantener unas condiciones óptimas de tratamiento térmico.
Los calcinadores rotativos presentan una combinación de retos de medición que no se encuentran en muchas otras aplicaciones:
- Las temperaturas pueden alcanzar los ~1.000 °C (1.830 °F), lo que reduce la vida útil de los sensores no diseñados para condiciones tan extremas.
- Los gránulos de catalizador endurecidos, al salir despedidos del tambor giratorio, impactan repetidamente contra el sensor de temperatura y lo dañan con el tiempo.
- La mayoría de los sensores de temperatura se insertan individualmente a través de la pared del recipiente mediante bridas. Un recipiente giratorio crea problemas en cuanto a la colocación de los cables.
La planta de producción estadounidense de una empresa europea de catálisis y tecnología de procesos se esforzaba por encontrar una solución de temperatura que no sólo proporcionara un perfil de temperatura preciso de sus hornos rotatorios de combustión indirecta, sino que también resistiera los retos logísticos y de medios de la aplicación. En el diseño original del horno, los termopares no cumplían las expectativas de durabilidad del cliente, a pesar de que un termopozo blindaba cada sensor.
Solución: un innovador termopozo para reemplazar las bridas individuales
Sistema de instrumentos de medición de temperatura personalizado de WIKA para un calcinador rotatorio utilizado en la producción de catalizadores (haga clic para ampliar)
El fabricante de catalizadores se puso en contacto con WIKA y nuestros expertos en temperatura realizaron una visita in situ para examinar la aplicación. El gran calcinador giratorio, de unos 18 metros de longitud, tenía seis sensores de temperatura embridados insertados a lo largo de la cuba. Nos preguntaron si podíamos encontrar una forma mejor de medir las temperaturas internas de la unidad y, al mismo tiempo, proteger los sensores de los gránulos duros del catalizador.
Sección transversal de la cámara protectora semiabierta que muestra un tubo de inserción perforado
Para evitar los problemas asociados a los sensores con bridas individuales insertados en la pared del tanque, decidimos crear un termopozo especial que entraba en el horno a través de una puerta en el extremo de entrada. El termopozo especial se diseñó con una cámara protectora semiabierta. Se introdujeron seis pequeños tubos uniformemente a lo largo de este pozo, cada uno de los cuales estaba perforado en el extremo para permitir que el catalizador caliente entrara en contacto con el sensor, manteniendo al mismo tiempo una protección suficiente para los frágiles elementos sensores. La parte del tubo de inserción que no estaba dentro del conjunto de la cámara estaba protegida por una tapa protectora.
En cada tubo perforado se ha insertado un termopar, que tiene un tiempo de reacción más rápido y un rango de temperatura mayor que los RTD. El uso de termopares conectados a tierra permitió un tiempo de reacción aún más rápido a las variaciones de temperatura, mientras que el uso del famoso termopar de tipo K permitió una resistencia a la corrosión, una salida estable y un rango de temperatura elevado, de hasta 1.260 °C (2.300 °F), a un precio asequible. El transmisor digital de temperatura T32 de WIKA transmitía los datos de temperatura al sistema de control central de la planta..
Resultado: termopares de larga vida útil para equipos de tratamiento térmico
Tras la instalación de esta unidad en los calcinadores rotativos de este cliente, los sensores multipunto especialmente diseñados han monitorizado las temperaturas internas de las unidades sin ningún error. De hecho, la planta de catalizadores pudo aumentar la vida útil de los sensores de temperatura de unos pocos meses a tres años o más, lo que se tradujo en una reducción significativa de los gastos de explotación y en un aumento de la seguridad y la eficacia gracias a la supervisión y el control precisos de la temperatura. Tras la instalación de nuestros conjuntos de temperatura especialmente diseñados, el fabricante de catalizadores incluyó este proyecto en su pliego de condiciones.
WIKA: smart in sensing para la producción de catalizadores
Los especialistas de WIKA cuentan con décadas de experiencia en el diseño de soluciones innovadoras para los retos de medición más difíciles. Colaboramos estrechamente con los clientes para comprender sus problemas y, a continuación, diseñamos e instalamos conjuntos que maximizan el funcionamiento de la planta, aumentan la seguridad y reducen los gastos. Además, realizamos un seguimiento periódico de la puesta a punto de la flota de instrumentos y ofrecemos servicios de sustitución e instalación cuando los sensores llegan al final de su ciclo de vida natural.
Póngase en contacto con nosotros para obtener más información sobre soluciones de sensores para hornos rotatorios y otras aplicaciones de alta temperatura.