Predizione catalizzatore estruso rottura basato sul modulo di rottura
Summary
Qui presentiamo un protocollo per misurare il modulo di rottura di un catalizzatore estruso e la rottura del catalizzatore ha detto prodotti di collisione, urto contro una superficie o di compressione in un letto fisso.
Abstract
La resistenza meccanica dei catalizzatori estrusi e loro rottura naturale o forzata da una collisione, urto contro una superficie o da un carico di compressione in un letto fisso sono fenomeni importanti nella tecnologia del catalizzatore. La resistenza meccanica del catalizzatore è misurata qui piegando la forza o resistenza alla flessione. Questa tecnica è relativamente nuova dal punto di vista della sua applicazione a catalizzatori commerciali di dimensioni tipiche utilizzate nel settore. Rottura di catalizzatore di collisione, urto contro una superficie è misurata dopo una caduta di prodotti attraverso l’aria ambiente in un tubo verticale. Quantificare la forza di impatto è fatto teoricamente applicando la seconda legge di Newton. Misurazione di rottura catalizzatore a causa dello stress in un letto fisso avviene seguendo la procedura standard della prova di resistenza di massa cotta. Romanzo qui è l’attenzione per la riduzione del rapporto lunghezza su diametro i prodotti in funzione dello sforzo di misurazione.
Introduction
Fabbricazione di catalizzatore è la spina dorsale che supporta l’industria petrolchimica e dalle industrie connesse. Catalizzatori commerciali, vedere Le pagina1, in genere vengono estrusi secondo ricette che sono ben custoditi segreti commerciali o hanno brevettato metodi di fabbricazione. Catalizzatore di tipiche dimensioni variano da 1 mm a circa 5 mm di diametro e vengono in una varietà di forme come un cilindro, un trilobo o un quadrulobe insieme anche con una varietà delle loro controparti di Cave. Mentre il diametro e la sezione trasversale di catalizzatori estrusi sono spesso molto ben controllati, la lunghezza dei singoli prodotti hanno una gaussiana più come distribuzione e le lunghezze individuali variano tipicamente da circa uguale a uno diametro a diversi diametri. Un’eccezione è estrusi catalizzatori di diametro sufficientemente grande, che permette loro di essere tagliato in uscita il volto di morire, e questi hanno una distribuzione molto più stretta di lunghezza. La distribuzione di lunghezza il più piccolo 1 mm a catalizzatori di estruso di diametro di 3 mm che sono tipici per l’industria petrolchimica sono normalmente ottenuti dalla rottura naturale o forzata rottura a seconda della loro forza intrinseca.
Le Page1, Woodcock2, Bertolacini3, Wu4 e Li5 mostrano proprietà tipico catalizzatore e la complessità delle misurazioni di forza. Misure di resistenza tipica nella letteratura e in ambienti commerciali comprendono la forza di schiacciamento medio dei singoli prodotti e della maggior parte schiacciare resistenza. Entrambe le proprietà di resistenza sono in uso per giudicare se un catalizzatore ha una resistenza adeguata per sopravvivere il caricamento e utilizzare nei processi. Spesso anche un test di attrito viene aggiunto a giudicare la resistenza di attrito di catalizzatore nel processo. Anche se esiste un database molto grande in impianti commerciali sulla forza di catalizzatore e uso, tali informazioni sono raramente accessibili nella letteratura. Inoltre, molte delle ricette catalizzatore sono ad hoc e sono stati stabiliti dopo molti tentativi ed errori. La modellazione di questo aspetto della produzione di catalizzatore è comunque impegnativa a dir poco.
Applicato qui è la resistenza alla flessione del catalizzatore di una misurazione del modulo di rottura che viene in genere ottenuta in una prova di flessione del tre-punto di Eulero-Bernoulli. Li6 e Staub7 commentare la resistenza alla flessione di catalizzatori ma il lavoro è finito su prodotti di diametro abbastanza grande e nessuna applicazione diretta è dato alla rottura catalizzatore modello. La resistenza alla flessione è raramente misurata e segnalata nella letteratura per taglie tipico catalizzatore commerciale. Ulteriormente, la resistenza alla flessione spesso non viene applicata per l’orientamento nella fabbricazione di catalizzatore
Misura e la rottura dei catalizzatori di modellazione durante la sua fabbricazione o durante il suo utilizzo nel processo è difficile. Spesso la lunghezza dell’estruso catalizzatore rapporto diametro è modellata basata su metodi empirici che si riferiscono alla forza tramite leggi di potere, tuttavia, questo in molti casi è ancora una forte componente ad hoc. Bridgwater8 fornisce una panoramica completa di rottura delle particelle dovuto al taglio ma il rapporto lunghezza su diametro i prodotti di fuori della gamma commerciale dei prodotti descritti in questa carta. Metodi di elementi discreti (DEM) e metodi agli elementi finiti (FEM) ora sono anche utilizzati per indagare la rottura dei granuli e questi metodi di affrontare il problema a un livello fondamentale. Riferimento è dato a Heinrich9, Wassgren10, Potyondy11, Potapov12, Carson13e Farsi14 per dettagli su questo approccio. I metodi e le tecniche impiegate nel presente documento tentano di aiutare a migliorare la modellazione rottura catalizzatore dovuta a collisione via seconda legge di Newton per determinare la forza di impatto e questo bilanciamento con la forza espressa del modulo di Eulero-Bernoulli di rottura. Per rottura da stress di carico in un letto fisso, un equilibrio di forza di carico e letto flessionale forza viene applicata, e questo permette di predire le proporzioni del letto in funzione del carico. Molto importanti sono i metodi di misurazione stessi che devono essere applicati in condizioni ben controllate e questo aspetto è qui in questa carta dettagliata completamente. Per esempio, è noto che la forza di catalizzatore è fortemente influenzata dal trattamento termico applicato e anche dalle condizioni d’uso quando il catalizzatore può raccogliere l’umidità. Temperature di trattamento termico in genere rafforzano il catalizzatore mentre pick-up ad alta umidità in genere la indebolisce. È, pertanto, importante che la forza è misurata su un catalizzatore che ha visto il trattamento termico appropriato e che l’umidità è controllato dove è necessario al fine di renderlo rappresentativo per l’uso del catalizzatore o durante la sua fabbricazione o durante il suo utilizzo nel processo. Poco è trovato in letteratura che in particolare le misure e modelli il rapporto lunghezza su diametro prodotti di catalizzatore che sono tipici per l’industria petrolchimica. Recentemente, Beeckman15,16 ha usato la resistenza alla flessione del catalizzatore per predire la rottura naturale e forzata rottura dei catalizzatori a causa della collisione. Qui un’attenzione specifica è dato per il rapporto di aspetto di catalizzatore (L/D) che è definito come la media aritmetica della lunghezza a rapporti di diametro dei prodotti singoli catalizzatore in un campione rappresentativo. I metodi sperimentali descritti nel presente documento sono relativamente semplici e consentono di fondamentalmente studiare e confrontare le misure sperimentali con trattamenti teorici.
Il modulo di rottura (MOR) del catalizzatore è una misura della sua resistenza alla flessione. Leonhard Euler e Daniel Bernoulli sviluppò il primo approccio teoricamente suono al comportamento elastico e la resistenza a rottura 1750 ‘ s. La figura 1 Mostra uno schema della prova di flessione e della forza di rottura Fr. Per il caso specifico di un estruso cilindrico, il modulo di rottura può essere calcolato da:
(1)
Dove σ è chiamato il modulo di rottura ed ha dimensioni di stress (Pa). D sta per il diametro dell’estruso mentre w è la distanza tra i due punti di appoggio. La variabile s è il fattore di forma ed è uguale a 8/π per un cilindro. Per una spiegazione completa delle forze e sollecitazioni a portata di mano durante l’esperimento anche come il modo per affrontare diversi trasversale forme riferimento è dato a Beeckman16. In particolare, σ è la sollecitazione di trazione alla rottura diretto perpendicolarmente alla sezione trasversale dell’estruso e situato presso la fibra estrema in mezzo tra i due punti di appoggio.
Per collisione di un estruso con una superficie, Beeckman15 Mostra che due asintoti esistano per quanto riguarda il rapporto di aspetto di estruso. L’asintoto prima chiamato Φ∞ è raggiungibile al momento molti impatti ripetuti. Questo comportamento asintotico è facilmente comprensibile poiché, dopo la rottura in caso di collisione, catalizzatori più brevi hanno meno quantità di moto e di conseguenza verificano meno forza al momento dell’impatto. Allo stesso tempo, più breve catalizzatori anche richiedono più forza per rompere da una prospettiva di coppia e quindi il catalizzatore si prevede di raggiungere un asintotico proporzioni Φ∞ su molti impatti. L’asintoto secondo chiamato Φα viene raggiunta dopo un singolo impatto quando prodotti vengono eliminati che sono sufficientemente lungo. Prodotti lunghi sono proporzionalmente più slancio e pausa dopo il primo impatto in parecchi posti lungo la loro lunghezza e proporzioni post collisione raggiunge l’asintoto secondo designato Φα. Entrambi gli asintoti possono essere trovati da regressione dei dati di collisione che misurano le proporzioni in funzione del numero di urti ripetuti da:
(2)
Dove Φ0 è il rapporto di aspetto iniziale e Φj è il rapporto di aspetto dopo j gocce. Φα sia i parametri Φ∞ hanno un significato fisico-meccaniche che riguarda la gravità dell’impatto e la forza del catalizzatore. La gravità dell’impatto può essere variata variando l’altezza di caduta, anche se il catalizzatore si avvicina per altezze di goccia grande velocità terminale e quindi la gravità a livello.
Particella lunghezza e diametro della particella sono importanti proprietà del catalizzatore durante la sua fabbricazione e utilizzare. La dimensione e la forma delle particelle del catalizzatore sono anche determinanti per le loro caratteristiche di imballaggio e influenzare la caduta di pressione attraverso il letto di catalizzatore. Nei giorni precedenti, queste proprietà sono state spesso misurate a mano, e questa è una procedura molto noiosa. Ora, queste proprietà possono essere facilmente ottenute dal primo otticamente un ampio campione di catalizzatore prodotti di scansione. Quindi, software di imaging viene utilizzato per determinare le dimensioni delle singole particelle. Questo permette un gran numero di particelle per essere analizzati rapidamente e con precisione, vedere Beeckman15. Questi sistemi sono sintonizzati per efficacemente riconoscere e misurare le particelle con un diametro nella gamma di 0.8-4.0 mm e con lunghezze che possono essere lunghi diversi diametri. Questo metodo utilizza una visualizzazione “top down” del catalizzatore e quindi produce un diametro “ottico”. Per alcune forme, la cura deve essere esercitata quando confrontando il diametro ottico con valori di diametro determinato manualmente con pinze.
La prova di resistenza di massa cotta per catalizzatori e catalizzatore vettori, ASTM D7084-0417 utilizzati nel presente documento è un metodo di prova standard accettati. Il catalizzatore viene caricato in una cella cilindrica e pressione (stress) viene applicato in genere nel range 5-1.000 kPa ed è consentito per equilibrare. Dopo ogni punto di pressione, il catalizzatore viene scaricato. Le ammende di catalizzatore sono proiettate dall’esempio di catalizzatore e pesava mentre la maggior parte del campione catalizzatore è sfogliò per ottenere un campione rappresentativo per misurare con precisione le proporzioni. Mentre la procedura di test standard massa cotta forza si concentra sull’importo delle ammende che viene creato al fine di valutare la forza di catalizzatore, questo manoscritto si concentra sulla riduzione delle proporzioni dopo la rottura in funzione del carico, vedere anche Beeckman18 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Rottura di forze Impulsive a causa di collisione:
La riduzione in estruso proporzioni a causa di collisione, urto contro una superficie può essere misurata in una prova di caduta del laboratorio. In questo test, i prodotti vengono rilasciati da uno scivolo, cadere e accelerare a causa della gravità e anche sperimentare trascinamento con aria ambiente.
Il metodo descritto sopra è finora soltanto disponibile nella letteratura come descritto in Beeckman15,16. Fino a poco tempo, l’alto grado di noia per fare misurazioni manuali di calibro per un gran numero di prodotti è probabilmente un fattore di contributo per questo. Il tempo di esposizione all’ambiente l’aria e quindi umidità dovrebbero essere minimizzati durante e fra le misure. Se necessario, il protocollo per la prova di caduta potrebbe essere necessario essere eseguita con una purga di2 N o una purga a secco-aria nel cilindro. Si può anche scegliere di lasciare il catalizzatore equilibrare nell’aria ambiente durante la notte prima di prendere eventuali misure per fare pick-up umidità meno di un problema. Il protocollo e il metodo impiegato qui ha il vantaggio che rende rapidamente le proporzioni per oltre 100-300 prodotti e da qui prende la maggior parte della variabilità che può essere osservata con piccoli campioni fuori dai giochi.
È importante che prodotti con un rapporto lunghezza su diametro meno di unità essere rimosso dal campione, poiché il software di riconoscimento di forma potrebbe assegnare lunghezza e diametro di tali pezzi di catalizzatore erroneamente. Quindi è anche importante per ridurre al minimo e meglio ancora per eliminare il numero di tali prodotti breve. Pertanto, si consiglia di lavorare con prodotti che hanno un rapporto di aspetto sufficientemente grande all’inizio del test e di limitare la severità di impatto del test.
Per il lavoro futuro e da una prospettiva fondamentale, sarebbe interessante studiare la collisione dei singoli prodotti in funzione della loro lunghezza, in funzione dell’altezza di caduta, in funzione dell’angolo di impatto e in funzione della quantità di moto angolare di menzionare j Ust ‘ poche variabili. Al momento della rottura, sarà interessante determinare la posizione delle superfici di rottura lungo la lunghezza dell’estruso originale. Questa metodologia può anche essere applicabile a materiali che non sono estrusi, ma che piuttosto si ottengono premendo o per pellet di forma sferica e quindi può avere applicazioni per l’industria farmaceutica e dell’industria alimentare.
Rottura a causa di stress in un letto fisso
Il metodo descritto sopra è finora soltanto disponibile nella letteratura come descritto in Beeckman18. Per la forza di schiacciamento alla rinfusa, è importante seguire lo standard protocollo di funzionamento come descritto in ASTM D7084-0417 per motivo di ripetibilità.
Il tempo di esposizione all’ambiente l’aria e quindi umidità dovrebbero essere minimizzati durante e fra le misure. Se necessario, il protocollo potrebbe essere necessario essere eseguita in un vano portaoggetti per l’applicazione della forza di schiacciamento alla rinfusa.
Come nel caso di collisione, questa metodologia può anche trovare applicabilità ai materiali che non sono estruso ma piuttosto ottenuta premendo in forma di pellet o pellet sferiche ottenute tramite gocciolamento o granulazione.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono l’aiuto da Michael Pluchinsky con il lavoro di fotografia ad alta velocità
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).
