Vorhersage Katalysator Extrudat Bruch basierend auf der e-Modul des Bruches
Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll der Modulus der Bruch von einem extrudierten Katalysator und Bruch des besagten Katalysator Extrudate durch Kollision gegen eine Oberfläche oder durch Kompression in einem festen Bett zu messen.
Abstract
Die mechanische Festigkeit des extrudierten Katalysatoren und ihre natürliche oder erzwungene Bruch durch entweder Kollision gegen eine Oberfläche oder eine Druckbelastung in einem festen Bett sind wichtige Phänomene in Katalysator-Technologie. Die mechanische Festigkeit des Katalysators wird hier durch seine Biegung gemessen Stärke oder Biegefestigkeit. Diese Technik ist relativ neu, aus der Perspektive der Anwendung auf kommerziellen Katalysatoren typische Größen in der Industrie verwendet. Katalysator-Bruch durch Kollision gegen eine Fläche bemisst sich nach einem Sturz von der Extrudate durch die Umgebungsluft in einem senkrechten Rohr. Quantifizierung der fangstoss erfolgt theoretisch durch Newtons zweites Gesetz anwenden. Messung der Katalysator Bruch durch Stress in einem festen Bett erfolgt nach dem Standardverfahren der Masse Crush Festigkeitsprüfung. Roman hier liegt der Schwerpunkt auf der Messung der Abnahme in der Länge, Durchmesser-Verhältnis von der Extrudate als Funktion der Spannung.
Introduction
Katalysator-Herstellung ist das Rückgrat, das der petrochemischen Industrie und verwandte Branchen unterstützt. Kommerzielle Katalysatoren, siehe Le Page1, werden in der Regel nach Rezepten, die gut gehütetes Geschäftsgeheimnis oder patentierte Verfahren zur Herstellung extrudiert. Typische Katalysator Größen reichen von 1 mm bis ca. 5 mm im Durchmesser und kommen in einer Vielzahl von Formen wie ein Zylinder, eine Trilobe oder einer Quadrulobe auch mit einer Vielzahl von ihren hohlen Kollegen zusammen. Während der Durchmesser und der Querschnitt der extrudierten Katalysatoren oft sehr gut kontrolliert werden, die Länge der einzelnen Extrudate haben eine weitere Gauß wie Vertrieb und die einzelnen Längen in der Regel reichen von ungefähr gleich einen Durchmesser bis zu mehreren Durchmesser. Eine Ausnahme ist extrudierte Katalysatoren ausreichend großen Durchmesser, das ermöglicht es ihnen, die geschnitten werden, wie sie die würfelseite verlassen, und diese haben eine viel engere Längenverteilung. Die Längenverteilung der kleiner 1 mm bis 3 mm Durchmesser extrudiert Katalysatoren, die typisch sind für die petrochemische Industrie werden normalerweise durch natürliche Bruch oder erzwungene Bruch abhängig von ihrer inneren Stärke erhalten.
Le Page1, Waldschnepfe2, Bertolacini3, Wu4 und Li5 zeigen typische Katalysator Eigenschaften und die Feinheiten der Stärke Messungen. Typische Stärke Messungen in der Literatur und in den kommerziellen Einstellungen umfassen die durchschnittliche Crush Stärke der einzelnen Extrudate und der Masse Stärke zu vernichten. Beide Festigkeitseigenschaften sind im Einsatz zu beurteilen, ob ein Katalysator ausreichende Festigkeit hat zu überleben das Laden und verwenden in Prozessen. Oft auch wird ein Abreibung Test hinzugefügt, um den Katalysator Abnutzung Widerstand in den Prozess zu beurteilen. In gewerblichen betrieben auf Katalysator Stärke und die Verwendung eine sehr große Datenbank vorhanden ist, ist, dass die Informationen in der offenen Literatur selten erreichbar. Auch viele der Katalysator Rezepte sind ad-hoc- und wurden nach viel Versuch und Irrtum. Die Modellierung dieses Aspekts der Katalysator-Herstellung ist noch eine Herausforderung, gelinde gesagt.
Hier ist die Biegefestigkeit des Katalysators gewonnen aus einer Messung der Euler-Bernoulli-Modul von Bruch, der in der Regel in einem drei-Punkt-Biegeversuch gewonnen wird. Li6 und Staub7 kommentieren die Biegefestigkeit von Katalysatoren, aber ihre Arbeit ist auf ziemlich großem Durchmesser Extrudate getan und keine direkte Anwendung ist Modell Katalysator Bruch gewidmet. Die Biegefestigkeit ist selten gemessen und in der Literatur für die typischen kommerziellen Katalysators Größen beschrieben. Darüber hinaus gilt die Biegefestigkeit oft nicht zur Orientierung in der Katalysator-Herstellung
Messung und Modellierung den Bruch von Katalysatoren bei der Herstellung oder während des Einsatzes in den Prozess ist schwierig. Oft die Katalysator Extrudat Länge zu Durchmesser-Verhältnis wird anhand von empirischen Methoden, die es auf Stärke über macht Gesetze beziehen modelliert, jedoch hat dies in vielen Fällen immer noch eine starke ad-hoc-Komponente. Bridgwater8 bietet eine umfassende Übersicht über Partikel Bruch durch Scherung, aber die Länge zu Durchmesser-Verhältnis von der Extrudate werden außerhalb des gewerblichen Bereichs der Extrudate diskutiert in diesem Papier. Diskrete-Elemente-Methoden (DM) und finite-Elemente-Methoden (FEM) werden jetzt auch verwendet, um Bruch von Granulaten zu untersuchen und diese Methoden das Problem auf einer grundlegenden Ebene zu nähern. Referenz wird Heinrich9, Wassgren10, Potyondy11, Potapow12, Carson13und Farsi14 Einzelheiten auf diesem Ansatz gegeben. Die Methoden und Techniken eingesetzt werden, hierin Versuch zur Verbesserung der Modellierung Katalysator Bruch durch Kollision über Newtons zweites Gesetz der Fangstoß zu bestimmen und dies mit der Kraft der Euler-Bernoulli-Modul von Bruch zum Ausdruck gebrachten Ausgleich. Bruch durch Belastung in ein französisches Bett, ein ausgewogenes Verhältnis von Last Kraft und Bett Biege-Stärke angewendet, und dies ermöglicht, das Seitenverhältnis des Bettes als Funktion der Belastung vorherzusagen. Sehr wichtig sind die Messmethoden selbst, die unter gut kontrollierten Bedingungen und diesen Aspekt angewendet werden müssen ist hier in diesem Beitrag detailliert umfassend. Beispielsweise ist es bekannt, dass die Katalysator-Stärke stark beeinflusst wird durch die Wärmebehandlung, die angewendet wird und auch durch die Nutzungsbedingungen, wenn Feuchtigkeit der Katalysator abholen kann. Höhere Temperaturen Wärmebehandlung stärken in der Regel den Katalysator während hoher Feuchtigkeit Pick-up in der Regel es schwächt. Es ist daher wichtig, dass die Stärke an einem Katalysator gemessen wird, die die entsprechende Wärmebehandlung gesehen hat und dass Feuchtigkeit kontrolliert ist es erforderlich, um es repräsentativ für den Einsatz des Katalysators entweder bei seiner Herstellung oder während des Einsatzes in den Prozess. Wenig ist in der Literatur gefunden, die speziell Maßnahmen und Modelle von Länge zu Durchmesser-Verhältnis von Katalysator Extrudate, die typisch sind für die petrochemische Industrie. Vor kurzem hat Beeckman15,16 die Biegefestigkeit des Katalysators verwendet, um natürliche Bruch und erzwungene Bruch von Katalysatoren durch Kollision vorherzusagen. Hier wird besondere Aufmerksamkeit geschenkt Katalysator Seitenverhältnis (L/D) definiert als das arithmetische Mittel der Länge Durchmesser-Verhältnisse der einzelnen Katalysator Extrudate in einer repräsentativen Stichprobe. Die experimentellen Methoden, die hier beschriebenen sind relativ einfach und grundlegend zu studieren und vergleichen Sie experimentelle Messungen mit theoretischen Behandlungen ermöglichen.
Der Elastizitätsmodul des Bruches (MOR) des Katalysators ist ein Maß für die Biegefestigkeit. Leonhard Euler und Daniel Bernoulli entwickelt die erste theoretisch fundierte Annäherung an elastischen Verhalten und Festigkeit bei Bruch anno 1750. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der Biegeversuch und Bruch Kraft FR. Für den Sonderfall einer zylindrischen Extrudat kann der e-Modul des Bruches von berechnet werden:
(1)
Wo σ heißt der Modul von Bruch und hat Abmessungen von Stress (Pa). D steht für den Durchmesser des Extrudats während w der Abstand zwischen den beiden Stützpunkten ist. Die Variable s ist der Formfaktor und entspricht 8/π für einen Zylinder. Für eine umfassende Erklärung der Kräfte und Spannungen bei der hand während des Experiments sowie wie Umgang mit verschiedenen quer-Verweis prägt Beeckman16erhält. Insbesondere ist σ die Zugspannung beim Bruch senkrecht auf den Querschnitt des Extrudats gerichtet und befindet sich an der extremen Faser in der Mitte zwischen den beiden Stützpunkten.
Für die Kollision von einem Extrudat mit einer Oberfläche zeigt Beeckman15 , dass zwei Asymptoten im Hinblick auf das Seitenverhältnis Extrudat bestehen. Die erste Asymptote genannt Φ∞ gelangt man nach vielen wiederholten Auswirkungen. Das asymptotische Verhalten ist leicht verständlich, da nach dem Bruch bei einer Kollision, kürzere Katalysatoren weniger Dynamik haben und daher weniger Kraft beim Aufprall zu erleben. Zur gleichen Zeit, kürzere Katalysatoren benötigen auch mehr Kraft, aus der Perspektive des Drehmoments zu brechen und damit der Katalysator wird voraussichtlich eine asymptotische Seitenverhältnis Φ∞ auf viele Wirkungen zu erreichen. Die zweite Asymptote genannt Φα wird nach ein einzelner Schlag erreicht, wenn Extrudate gelöscht werden, die lang genug sind. Lange Extrudate haben proportional mehr Schwung und Pause beim ersten Aufprall in mehreren Orten entlang ihrer Länge und die Seitenverhältnis Post Kollision erreicht die zweite Asymptote Φαbezeichnet. Beide Asymptoten finden Sie durch Regression von Unfalldaten, die das Seitenverhältnis in Abhängigkeit von der Anzahl der wiederholten Belastungen aus messen:
(2)
Wo ist Φ0 die erste Streckung und Φj das Seitenverhältnis nach j fällt. Der Parameter Φ∞ und Φα haben eine physikalisch-mechanische Bedeutung, die mit der Schwere des Aufpralls und die Stärke des Katalysators zusammenhängt. Die Schwere des Aufpralls kann variiert werden, durch Variation der Fallhöhe, obwohl der Katalysator für große Fallhöhen Endgeschwindigkeit Ansätze und daher wird die schwere ausgleichen.
Partikel-Länge und Durchmesser der Partikel sind wichtige Eigenschaften des Katalysators während seiner Herstellung und verwenden. Die Größe und die Form der katalysatorpartikel sind ebenfalls entscheidende Faktoren in ihrer Verpackung-Eigenschaften und den Druckverlust über das katalysatorbett zu beeinflussen. In früheren Tagen diese Eigenschaften wurden oft von hand gemessen und das ist eine sehr langwierige Prozedur. Nun, diese Eigenschaften leicht erhalten werden durch erste optisch Scannen einer großen Stichprobe von Katalysator Extrudate. Dann ist imaging-Software verwendet, um einzelne Partikel-Größen zu bestimmen. Dies erlaubt eine große Anzahl von Partikeln auf schnell und präzise analysiert werden, siehe Beeckman15. Diese Systeme sind optimiert, um effektiv erkennen und Messen Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 0,8 bis 4,0 mm und Längen, die verschiedenen Durchmessern lang sein können. Diese Methode verwendet eine “Top down”-Ansicht des Katalysators und somit ergibt sich einen “optischen” Durchmesser. Für bestimmte Formen muss Sorgfalt ausgeübt werden, beim Vergleich des optischen Durchmessers mit Durchmesserwerte manuell mit Bremssättel bestimmt.
Die Masse Crush Krafttest für Katalysatoren und Katalysatorträger, ASTM D7084-04-17 hierin verwendeten ist eine akzeptierte standard-Testmethode. Der Katalysator wird in eine zylindrische Zelle geladen und Druck (Stress) gilt in der Regel im Bereich von 5-1.000 kPa und darf equilibrate. Nach jedem Druck-Punkt ist der Katalysator entladen. Die Katalysator Geldbußen werden überprüft aus der Katalysator-Probe und wog, während der Großteil der Katalysator-Probe Daumenkinos ist, um eine repräsentative Stichprobe um genau zu messen, das Seitenverhältnis zu erhalten. Während das standard Bulk Crush Stärke Testverfahren auf die Höhe der Geldbußen fokussiert, die erstellt wird, um zu ermitteln, Katalysator Stärke, diese Handschrift konzentriert sich auf die Reduzierung des Seitenverhältnisses nach dem Bruch in Abhängigkeit von der Last, siehe auch Beeckman18 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Bruch durch Impulsive Kräfte durch Kollision:
Der Rückgang der Seitenverhältnis Extrudat durch Kollision gegen eine Fläche kann in einem Labor-Drop-Test gemessen werden. In diesem Test der Extrudate werden von einer Rutsche freigegeben, fallen und aufgrund der Schwerkraft zu beschleunigen und auch Erfahrung ziehen mit Umgebungsluft.
Die oben beschriebene Methode ist bisher nur in der Literatur beschriebenen Beeckman15,16verfügbar. Bis vor kurzem ist der hohe Grad an Langweiligkeit zu manuellen Messungen durch Schieber für eine große Anzahl von Extrudaten wahrscheinlich ein entscheidender Faktor dafür. Die Belichtungszeit um ambient air und damit Feuchtigkeit minimiert werden, während und zwischen den Messungen. Falls erforderlich, kann das Protokoll für die Fallprüfung müssen in den Zylinder mit einer N-2 -Säuberung oder trocken Sperrluft durchgeführt werden. Man kann auch wählen, den Katalysator in der Umgebungsluft über Nacht vor jeder Messung Feuchtigkeit Pick-up weniger ein Problem zu equilibrate zu lassen. Das Protokoll und die hier verwendete Methode hat den Vorteil, das es schnell ergibt sich das Seitenverhältnis für über 100-300 Extrudate und daher nimmt es die meisten der Variabilität, die mit kleinen Proben aus der Behauptung beobachtet werden können.
Es ist wichtig, dass Extrudate mit einer Länge, Durchmesser-Verhältnis weniger als Einheit aus der Probe entfernt werden, da die Form-Erkennungssoftware Länge und Durchmesser dieser Katalysator-Stücke fälschlicherweise zuordnen könnte. Daher ist es auch wichtig, zu minimieren und noch besser wäre es, die Anzahl der so kurzen Extrudate zu beseitigen. Daher empfiehlt es sich, mit Extrudaten arbeiten, die einen ausreichend großen Seitenverhältnis zu Beginn des Tests haben und die Schwere der Auswirkungen des Tests zu begrenzen.
Für die künftige Arbeit und aus einer grundlegenden Perspektive wäre es sehr interessant, die Kollision von einzelnen Extrudate in Abhängigkeit von ihrer Länge in Abhängigkeit von der Fallhöhe in Abhängigkeit von den Aufprallwinkel und als Funktion der Drehimpuls zu erwähnen j zu studieren USt ein paar Variablen. Bei Bruch werden zur Bestimmung der Position der Bruch Fläche(n) entlang der Länge des ursprünglichen Extrudats interessant. Diese Methode ist möglicherweise auch auf Materialien anwendbar, sind nicht extrudiert, aber das sind eher durch Drücken oder kugelförmigen Pellets erhalten und daher möglicherweise Anwendungen für die pharmazeutische Industrie und die Lebensmittelindustrie.
Bruch durch Stress in einem festen Bett
Die oben beschriebene Methode ist bisher nur in der Literatur beschriebenen Beeckman18verfügbar. Für die Masse Crush Stärke ist es wichtig, dem Standard gemäß ASTM D7084-04-17 aus Gründen der Reproduzierbarkeit Betriebsprotokoll folgen.
Die Belichtungszeit um ambient air und damit Feuchtigkeit minimiert werden, während und zwischen den Messungen. Falls erforderlich, müssen das Protokoll in einem Handschuhfach für die Anwendung der Masse Crush Stärke durchgeführt werden.
Wie im Fall einer Kollision finden diese Methode auch Anwendbarkeit auf Materialien, die nicht extrudiert, sondern vielmehr durch Pressen in Form von Pellets oder kugelförmigen Pellets per Tropf oder Granulation erhalten.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren erkennen die Hilfe von Michael Pluchinsky mit dem 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).
