Voorspellende katalysator Extrudate breuk op basis van de absolute waarde van de breuk
Summary
Hier presenteren we een protocol voor het meten van de absolute waarde van de breuk van een geëxtrudeerde katalysator en de breuk van bovengenoemde katalysator extrudates door botsing tegen een oppervlak of compressie in een vast bed.
Abstract
De mechanische sterkte van geëxtrudeerde katalysatoren en hun breuk van het natuurlijke of gedwongen door een botsing tegen een oppervlak of een druksterkte lading in een vaste bed zijn belangrijke verschijnselen in de katalysator technologie. De mechanische sterkte van de katalysator wordt hier gemeten door haar buigen sterkte of buigsterkte. Deze techniek is relatief nieuw vanuit het perspectief van de toe te passen op commerciële katalysatoren van typische grootte die wordt gebruikt in de industrie. Katalysator breuk door botsing tegen een oppervlak wordt gemeten na een val van de extrudates door de lucht in een verticale pijp. Kwantificeren van de impact-force wordt theoretisch gedaan door toepassing van de tweede wet van Newton. Meting van de katalysator breuk wijten aan stress in een vast bed is gedaan na de standaardprocedure van de bulk crush sterkte-test. Roman hier is de focus op het meten van de vermindering van de lengte / diameterverhouding van de extrudates als een functie van de stress.
Introduction
Katalysator productie vormt de ruggengraat die ondersteuning biedt voor de petrochemische industrie en aanverwante industrieën. Commerciële katalysatoren, zie Le Page1, zijn meestal geëxtrudeerd volgens recepten die zijn goed bewaakte handelsgeheimen of fabricagemethoden zijn gepatenteerd. Typische katalysator maten variëren van 1 mm tot ongeveer 5 mm in diameter en komen in een verscheidenheid van vormen zoals een cilinder, een trilobe of een quadrulobe samen ook met een scala aan hun holle tegenhangers. Terwijl de diameter en de doorsnede van geëxtrudeerde katalysatoren zijn vaak zeer goed gecontroleerd, de lengte van het individuele extrudates hebben een meer Gaussiaan zoals distributie en de afzonderlijke lengtes variëren meestal van ongeveer gelijk met een diameter tot verschillende diameters. Een uitzondering is geëxtrudeerde katalysatoren van voldoende grote diameter, die hen in staat stelt te snijden als ze het gezicht van sterven verlaat, en deze hebben een veel strengere verdeling van de lengte. De verdeling van de lengte van de kleinere 1 mm tot 3 mm diameter geëxtrudeerd katalysatoren die typerend zijn voor de petrochemische industrie worden meestal verkregen door natuurlijke breuk of gedwongen breuk afhankelijk van hun intrinsieke sterkte.
Le Page1, Woodcock2, Bertolacini3, Wu4 en Li5 Toon typische katalysator eigenschappen en de fijne kneepjes van de metingen van de sterkte. Typische sterkte metingen in de literatuur en in commerciële instellingen bestaan uit de gemiddelde kreukelweerstand van één extrudates en voor het grootste deel crush sterkte. Beide sterkte-eigenschappen worden gebruikt om te beoordelen of een katalysator heeft voldoende kracht om te overleven het laden en gebruiken in processen. Vaak ook is een uitputtingsslag test toegevoegd aan de rechter van de katalysator uitputtingsslag weerstand in het proces. Wel een erg grote database in commerciële planten op de sterkte van de katalysator en het gebruik bestaat, is die informatie zelden toegankelijk in de open literatuur. Ook veel van de recepten van de katalysator zijn ad hoc en na veel vallen en opstaan hebben vastgesteld. Het modelleren van dit aspect van de productie van de katalysator is nog uitdagend om te zeggen het minst.
Hier is toegepast is de buigsterkte van de katalysator verkregen uit een meting van de Euler-Bernoulli elasticiteitsmodulus breuk die meestal in een drie-punt buigende test wordt verkregen. Li6 en Staub7 commentaar op de buigsterkte van katalysatoren, maar hun werk wordt gedaan op de vrij grote diameter extrudates en geen rechtstreekse toepassing wordt gegeven aan model katalysator breuk. De buigsterkte is zelden gemeten en gerapporteerd in de literatuur voor typische commerciële katalysator maten. Verder, de buigsterkte geldt vaak niet voor begeleiding bij de productie van de katalysator
Meten en modelleren van de breuk van katalysatoren, tijdens de productie of bij het gebruik ervan in het proces is moeilijk. Vaak is de katalysator extrudate lengte / diameterverhouding is gemodelleerd op basis van empirische methodes die aan kracht via macht wetten relateren, dit in veel gevallen heeft echter nog steeds een sterke ad hoc component. Bridgwater8 biedt een uitgebreid overzicht van deeltje breuk als gevolg van de shear maar de lengte / diameterverhouding van de extrudates zijn buiten de commerciële bereik van extrudates in dit Groenboek besproken. Discrete elementen methoden (DEM) en eindige elementen methoden (FEM), zijn nu ook gebruikt voor het onderzoeken van de breuk van de korrels en deze methoden het probleem op een fundamenteel niveau benaderen. Referentie wordt gegeven aan Heinrich9, Wassgren10, Potyondy11, Potapov12, Carson13en Farsi14 voor meer informatie over deze aanpak. De methoden en technieken gebruikt hierin proberen te helpen verbeteren modelleren katalysator breuk als gevolg van de botsing via Newton’s tweede wet om de kracht van de gevolgen en dit evenwicht te brengen met de sterkte uitgedrukt door de Euler-Bernoulli-modulus van breuk. Voor breuk door belasting stress in een vast bed, een evenwicht tussen belasting kracht en bed buigsterkte kracht wordt toegepast en hierdoor te voorspellen de hoogte-breedteverhouding van het bed als een functie van de belasting. Heel belangrijk zijn de meetmethoden zelf die moeten worden toegepast onder goed gecontroleerde omstandigheden en dit aspect is hier in dit document gedetailleerd uitgebreid. Het is bijvoorbeeld bekend dat de sterkte van de katalysator wordt sterk beïnvloed door de warmte-behandeling die wordt toegepast en ook door de voorwaarden voor het gebruik bij de katalysator van vocht ophalen kan. Hogere temperaturen van de warmtebehandeling versterken meestal de katalysator terwijl hoge vocht pick-up meestal het verzwakt. Het is daarom belangrijk dat de kracht wordt gemeten op een katalysator die de passende warmtebehandeling heeft gezien en dat vocht is gecontroleerd waar het nodig is om te maken, het representatief is voor het gebruik van de katalysator hetzij tijdens de vervaardiging of bij het gebruik ervan in het proces. Weinig is gevonden in de literatuur dat specifiek maatregelen en modellen van de lengte / diameterverhouding van katalysator-extrudates die typerend zijn voor de petrochemische industrie. Onlangs, Beeckman15,16 hanteert de buigende kracht van de katalysator voor het voorspellen van natuurlijke breuk en gedwongen breuk van katalysatoren als gevolg van de botsing. Hier wordt specifiek aandacht besteed aan de katalysator hoogte-breedteverhouding (L/D) die is gedefinieerd als het rekenkundig gemiddelde van de lengte verhouding van de diameter van de extrudates van de individuele katalysator in een representatieve steekproef. De experimentele methoden hierin beschreven zijn relatief eenvoudig en toestaan grondig bestuderen en vergelijken experimentele metingen met theoretische behandelingen.
De absolute waarde van de breuk (MOR) van de katalysator is een maat voor de buigende kracht. Leonhard Euler en Daniel Bernoulli ontwikkelde de eerste theoretisch geluid aanpak elastisch gedrag en sterkte bij breuk terug in de 1750’s. Figuur 1 toont een schema van de buigende test en de breuk kracht Fr. Voor het specifieke geval van een cilindrische extrudate, kan de absolute waarde van de breuk worden berekend uit:
(1)
Waarbij σ de absolute waarde van de breuk wordt genoemd en heeft afmetingen van stress (Pa). D staat voor de diameter van de extrudate terwijl w de afstand tussen de twee steunpunten is. De variabele s is de factor van de vorm en gelijken 8/π voor een cilinder. Voor een uitvoerige uitleg van de krachten en benadrukt bij de hand tijdens het experiment zo goed is als hoe om te gaan met verschillende transversale shapes verwijzing gegeven aan Beeckman16. Σ is met name de treksterkte stress op breuk gericht loodrecht op de dwarsdoorsnede van de extrudate en gelegen aan de extreme vezel in het midden tussen de twee steunpunten.
Voor de botsing van een extrudate met een oppervlak toont Beeckman15 dat twee asymptoten bestaan met betrekking tot de hoogte-breedteverhouding van de extrudate. De eerste asymptote genaamd Φ∞ is bereikt op vele herhaalde effecten. Deze asymptotische gedrag is gemakkelijk te begrijpen omdat, na breuk na botsing, kortere katalysatoren hebben minder dynamiek en dus krijgen met minder kracht op effect. Op hetzelfde moment, kortere katalysatoren vereisen ook meer kracht te breken uit een oogpunt van koppel en dus de katalysator naar verwachting bereiken een hoogte-breedteverhouding van asymptotische Φ∞ op vele effecten. De tweede asymptote genaamd Φα wordt bereikt na een enkele gevolgen wanneer extrudates vallen die voldoende lang. Lange extrudates hebben verhoudingsgewijs meer dynamiek en pauze op het eerste effect op verschillende plaatsen langs de lengte en de hoogte-breedteverhouding post botsing bereikt de tweede asymptote aangewezen Φα. Beide asymptoten kunnen worden gevonden door regressie van botsing gegevens die het meten van de hoogte-breedteverhouding als een functie van het aantal herhaalde effecten van:
(2)
Waar Φ0 is de oorspronkelijke hoogte-breedteverhouding en de Φj is de hoogte-breedteverhouding nadat j druppels. Zowel de Φα de parameters Φ∞ hebben een fysisch-mechanische betekenis die is gerelateerd aan de ernst van de impact en de sterkte van de katalysator. De ernst van het effect kan worden gevarieerd door het variëren van de valhoogte al voor grote daling hoogten de katalysator eindsnelheid benadert en vandaar de ernst zal niveau uit.
Deeltje lengte en diameter van de deeltjes zijn belangrijke eigenschappen van de katalysator bij de productie en gebruik. De grootte en de vorm van deeltjes van de katalysator zijn ook bepalend in de kenmerken van hun verpakking en invloed van de daling van de druk in het bed van katalysator. In vroegere dagen, deze eigenschappen werden vaak gemeten met de hand en dit is een zeer vervelende procedure. Nu, deze eigenschappen kunnen worden gemakkelijk verkregen door eerste optisch scannen van een grote steekproef van katalysator-extrudates. Vervolgens wordt denkbaar software gebruikt om te bepalen van individuele deeltjesgrootte. Hierdoor is een groot aantal deeltjes te snel en nauwkeurig worden geanalyseerd, zie Beeckman15. Deze systemen zijn afgestemd voor het effectief herkennen en het meten van deeltjes met een diameter in het bereik van 0.8 tot 4.0 mm en lengtes die verschillende diameters lang kunnen worden. Deze methode maakt gebruik van een “top-down”-weergave van de katalysator en vandaar levert een “optische” diameter. Voor bepaalde vormen, moet de zorg worden uitgeoefend wanneer het vergelijken van de optische diameter met diameter waarden handmatig bepaald met remklauwen.
De bulk crush kracht test voor katalysatoren en katalysator dragers, ASTM D7084-04-17 gebruikt hierin is een geaccepteerde standaard testmethode. De katalysator wordt geladen in een cilindrische cel en druk (stress) wordt meestal toegepast in het bereik van 5-1.000 kPa en equilibreer is toegestaan. Na elke drukpunt wordt de katalysator verwijderd. De katalysator boetes zijn gescreend uit uit de steekproef van de katalysator en woog terwijl het grootste deel van het monster van de katalysator is riffled om te verkrijgen van een representatief voor het nauwkeurig meten van de hoogte-breedteverhouding. Terwijl de standaard bulk crush sterkte testprocedure richt zich op het bedrag van de boetes die wordt gemaakt om te meten van de sterkte van de katalysator, dit manuscript focust zich op de vermindering van de hoogte-breedteverhouding na breuk als een functie van de belasting, zie ook Beeckman18 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Breuk door impulsief krachten als gevolg van de botsing:
De afname van de extrudate hoogte-breedteverhouding als gevolg van botsing tegen een oppervlak kan worden gemeten in een laboratorium valproef. In deze test, de extrudates worden vrijgegeven van een parachute, te vallen en te versnellen als gevolg van de zwaartekracht en ervaar ook slepen met de buitenlucht.
De hierboven beschreven methode is tot nu toe alleen beschikbaar zijn in de literatuur zoals beschreven in de Beeckman15,16. Tot voor kort, is de hoge graad van tediousness te maken van de handmatige metingen door remklauw voor een groot aantal extrudates waarschijnlijk een bijdragende factor hiervoor. De belichtingstijd naar ambient air en vandaar luchtvochtigheid tijdens en tussen de metingen moet worden geminimaliseerd. Indien nodig, moet het protocol voor de valproef kan worden uitgevoerd met een N2 zuivering of een zuivering van de droge lucht in de cilinder. Men kan er ook voor kiezen om te laten de katalysator equilibreer in de lucht ‘s nachts, alvorens enige metingen te maken van vocht pick-up minder een probleem. Het protocol en de methode die hier heeft het voordeel dat het oplevert snel de hoogte-breedteverhouding voor meer dan 100-300 extrudates en daarom duurt het allermeest naar de variabiliteit die met kleine steekproeven uit stelling kan worden waargenomen.
Het is belangrijk dat extrudates met een lengte / diameterverhouding minder dan eenheid worden verwijderd uit het monster aangezien de software van de stemerkenning vorm lengte en diameter van dergelijke stukken katalysator ten onrechte toewijzen kon. Vandaar is het ook belangrijk om te minimaliseren, en beter nog te elimineren het aantal dergelijke korte extrudates. Daarom is het aangeraden om te werken met extrudates die een voldoende grote hoogte-breedteverhouding aan het begin van de test hebben en ter beperking van de ernst van de gevolgen van de test.
Voor toekomstige werkzaamheden en vanuit een fundamenteel perspectief zou het zeer interessant om te bestuderen van de botsing van één extrudates als een functie van hun lengte, als een functie van de valhoogte, als een functie van de hoek van de gevolgen en als een functie van impulsmoment wil j ust een paar variabelen. Bij breuk, zal op zitten interessant zijn om te bepalen van de locatie van de breuk remvlak(ken) langs de lengte van de originele extrudate. Deze methode kan ook gelden voor materialen die niet zijn geëxtrudeerde maar die zijn eerder verkregen door op te drukken of voor sferische pellets en vandaar wellicht toepassingen voor de farmaceutische industrie en de levensmiddelenindustrie.
Breuk te wijten aan stress in een vast bed
De hierboven beschreven methode is tot nu toe alleen beschikbaar zijn in de literatuur zoals beschreven in de Beeckman18. Voor de bulk kreukelweerstand is het belangrijk te volgen van de standaard operationele protocol zoals wordt beschreven in ASTM D7084-04-17 om reden van herhaalbaarheid.
De belichtingstijd naar ambient air en vandaar luchtvochtigheid tijdens en tussen de metingen moet worden geminimaliseerd. Indien nodig, kan het protocol moeten worden uitgevoerd in een handschoenenkastje voor de toepassing van de kreukelweerstand bulk.
Zoals in het geval van botsing, kan deze methode ook toepasselijkheid op materialen die niet geëxtrudeerd maar eerder verkregen door te drukken in bolletjesvorm of voor sferische pellets verkregen via druipen of granulatie vinden.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de hulp van Michael Pluchinsky met het werk van high-speed fotografie
Materials
| Modulus of rupture (MOR) | INSTRON | MODEL 5942 SINGLE COLUMN TABLE TOP | |
| Modulus of rupture (MOR) | INSTRON | 10 NEWTON LOAD CELL | |
| Modulus of rupture (MOR) | INSTRON | 50 NEWTON LOAD CELL | |
| Modulus of rupture (MOR) | INSTRON | BLEUHILL 3 SOFTWARE | |
| Filter | VWR | BUCHNER FILTER | |
| Aspect ratio (avg L/D) | EPSON | PERFECTION V700 PHOTO INSTRUMENT | |
| Software | CASCADE DATA SYSTEMS | ALIAS 3-4 SOFTWARE | |
| Riffling | HUMBOLDT MFG. Co | SPINNING RIFFLER | |
| Riffling | HUMBOLDT MFG. Co | RIFFLE -TYPE SAMPLE DIVIDER | |
| Sieve screen | VWR | US MESH SIEVE SCREEN, # 16 |
References
- Le Page, J. F. . Applied Heterogeneous Catalysis. , (1987).
- Woodcock, C. R., Mason, J. S. . Bulk Solids Handling: An Introduction to the Practice and Technology. , (1987).
- Bertolacini, R. J. Mechanical and Physical Testing of Catalysts. ACS Symposium series. , 380-383 (1989).
- Wu, D. F., Zhou, J. C., Li, Y. D. Distribution of the mechanical strength of solid catalysts. Chem Eng Res Des. 84 (12), 1152-1157 (2006).
- Li, Y., Wu, D., Chang, L., Shi, Y., Wu, D., Fang, Z. A model for bulk crushing strength of spherical catalysts. Ind Eng Chem Res. 38, 1911-1916 (1999).
- Li, Y., et al. Measurement and statistics of single pellet mechanical strength of differently shaped catalysts. Powder Technol. 113, 176-184 (2000).
- Staub, D., Meille, S., Le Corre, V., Chevalier, J., Rouleau, L. Revisiting the side crushing test using the three-point bending test for the strength measurement of catalyst supports. Oil Gas Sci Technol. 70, 475-486 (2015).
- Bridgwater, J. Chapter 3, Particle Breakage due to Bulk Shear. Handbook of Powder Technology, 1st ed. 12, (2007).
- Farsi, A., Xiang, J., Latham, J. P., Carlsson, M., Stitt, E. H., Marigo, M. Does Shape Matter? FEMDEM Estimations of Strength and Post Failure Behaviour of Catalyst Supports. 5th International Conference on Particle-Based methods. , (2017).
- Beeckman, J. W. L., Fassbender, N. A., Datz, T. E. Length to Diameter Ratio of Extrudates in Catalyst Technology, I. Modeling Catalyst Breakage by Impulsive Forces. AIChE J. 62, 639-647 (2016).
- Beeckman, J. W. L., Fassbender, N. A., Datz, T. E. Length to Diameter Ratio of Extrudates in Catalyst Technology, II. Bending strength versus Impulsive Forces. AIChE J. 62, 2658-2669 (2016).
- Beeckman, J. W. L., Cunningham, M., Fassbender, N. A., Datz, T. E. Length-to-Diameter Ratio of Extrudates in Catalyst Technology: III. Catalyst Breakage in a Fixed Bed. Chem. Eng. Technol. , 1844-1851 (2017).
