Rotura de extrusión de catalizador predicción basada en el módulo de ruptura
Summary
Aquí presentamos un protocolo para medir el módulo de la ruptura de un catalizador de la extrusión y la rotura de dicho catalizador extruidos por colisión contra una superficie o por la compresión en un lecho fijo.
Abstract
La resistencia mecánica de catalizadores extruidos y su fractura natural o forzada o colisión contra una superficie o una carga de compresión en un lecho fijo son fenómenos importantes en tecnología del catalizador. La resistencia mecánica del catalizador se mide aquí doblando su fuerza o resistencia a la flexión. Esta técnica es relativamente nueva desde la perspectiva de la aplicación de catalizadores comerciales de tamaños típicos utilizados en la industria. Rotura de catalizador por colisión contra una superficie se mide después de una caída de los extrudidos a través del aire en un tubo vertical. Cuantificar la fuerza del impacto se realiza teóricamente aplicando la segunda ley de Newton. Medida de rotura de catalizador debido al estrés en un lecho fijo se realiza siguiendo el procedimiento estándar de la prueba de fuerza de aplastar a granel. Aquí es el enfoque en la reducción de la longitud al cociente del diámetro de los extrudidos en función de la tensión de medición.
Introduction
Fabricación de catalizador es la columna vertebral que apoya la industria petroquímica y las industrias relacionadas. Catalizadores comerciales, consulte la página de Le1, normalmente se sacan según recetas que son secretos bien guardados o han patentado métodos de fabricación. Tamaños van desde 1 mm a 5 mm de diámetro y vienen en una variedad de formas como un cilindro, un trilobe o un quadrulobe también con una gran variedad de sus contrapartes hueco catalizador típico. Mientras que el diámetro y la sección de extrusión catalizadores están a menudo muy bien controlados, la duración de los productos extruidos tienen un más gaussiana como la distribución y las longitudes individuales típicamente van de igual a un diámetro de varios diámetros. Una excepción es extruidos catalizadores de diámetro suficientemente grande, que les permite cortar al salir la cara del dado, y estos tienen una distribución de longitud mucho mayor. La distribución de la longitud de la menor 1 mm a catalizadores de diámetro extrusionado de 3 mm que son típicos para la industria petroquímica se obtienen normalmente por rotura natural o forzada ruptura dependiendo de su fuerza intrínseca.
Le página1, Woodcock2, Bertolacini3,4 de Wu y Li5 muestran propiedades de catalizador típico y las complejidades de las medidas de fuerza. Mediciones de resistencia típica en la literatura y comercial forman parte de la fuerza de aplastamiento promedio de solo Piezas extrudadas y del macizo machacar resistencia. Ambas propiedades están en uso para juzgar si un catalizador tiene fuerza suficiente para sobrevivir a la carga y usar en procesos. A menudo también se agrega una prueba de desgaste para juzgar la resistencia de desgaste del catalizador en el proceso. Aunque una gran base de datos existe en plantas comerciales en la fuerza de catalizador y uso, esa información es raramente accesible en la literatura abierta. Además, muchas de las recetas de catalizador son ad hoc y se han establecido después de mucho ensayo y error. La modelación de este aspecto de la fabricación de catalizador es todavía un reto para decir lo menos.
Aplicado aquí es la resistencia a la flexión del catalizador Obtenido de una medición de la módulo de Euler-Bernoulli de rotura que normalmente se obtiene en una prueba de flexión de tres puntos. Li6 y Staub7 comentaron sobre la resistencia a la flexión de catalizadores pero su trabajo se realiza en productos extruidos de diámetro bastante grande y no hay aplicación directa a rotura de catalizador del modelo. La resistencia a la flexión es raramente medida y reportada en la literatura para tamaños de catalizador comercial típico. Además, la resistencia a la flexión a menudo no se aplica para la dirección en la fabricación de catalizador
Medición y modelado de la rotura de catalizadores durante su fabricación o durante su uso en el proceso es difícil. Muchas veces la longitud de extrusión de catalizador al cociente del diámetro es modelada en base a métodos empíricos que relacionan a la fuerza a través de leyes de la energía, sin embargo, en muchos casos aún tiene un fuerte componente ad hoc. Bridgwater8 proporciona una visión completa de la fractura de la partícula debido a corte pero la longitud al cociente del diámetro de las piezas extrudadas, fuera de la gama comercial de productos extruidos, discuten en este documento. Métodos de elementos discretos (DEM) y métodos de elementos finitos (FEM) ahora también se utilizan investigar rotura de gránulos y estos métodos de abordar el problema a un nivel fundamental. Se da referencia a Heinrich9, Wassgren10, Potyondy11, Potapov12, Carson13y Farsi14 para más detalles sobre este enfoque. Los métodos y técnicas empleadas en este documento intentan ayudar a mejorar la modelación rotura de catalizador debido al choque por la segunda ley de Newton para determinar la fuerza del impacto y este equilibrio con la fuerza expresada por el módulo de ruptura de Euler-Bernoulli. Para evitar la rotura por tensión de carga en un lecho fijo, un equilibrio de fuerza de carga y resistencia a la flexión se aplica la fuerza, y esto permite predecir la proporción de aspecto de la cama como una función de la carga. Muy importante son los métodos de medición se que deben ser aplicados bajo condiciones bien controladas y este aspecto está aquí en este artículo detallado comprensivo. Por ejemplo, es bien sabido que la fuerza de catalizador está fuertemente influenciada por el tratamiento térmico que se aplica y también por las condiciones de uso cuando el catalizador se puede coger humedad. Temperaturas de tratamiento térmico normalmente fortalecen el catalizador Pick-up de alta humedad por lo general debilita. Por lo tanto, es importante que la fuerza se mide en un catalizador que ha visto el tratamiento térmico adecuado y que la humedad es controlada cuando es necesario para que sea representativa para el uso del catalizador ya sea durante su fabricación o durante su uso en el proceso. Poco se encuentra en la literatura que específicamente las medidas y modelos la longitud al cociente del diámetro del catalizador extruidos que son típicos para la industria petroquímica. Beeckman15,16 ha utilizado recientemente, la resistencia a la flexión del catalizador para predecir la rotura natural y rotura forzada de catalizadores debido a la colisión. Aquí se presta atención específica a la relación de aspecto de catalizador (L/D) que se define como la media aritmética de la longitud a las relaciones de diámetro de los extrudidos catalizador individual en una muestra representativa. Los métodos experimentales descritos son relativamente simples y permiten fundamentalmente estudiar y comparar las mediciones experimentales con tratamientos teóricos.
El módulo de ruptura (MOR) del catalizador es una medida de su resistencia a la flexión. Leonhard Euler y Daniel Bernoulli desarrollaron el primer enfoque teóricamente sano comportamiento elástico y resistencia a la ruptura en el 1750. La figura 1 muestra un esquema de la prueba de flexión y la fuerza de ruptura Fr. Para el caso específico de un carrete cilíndrico, el módulo de ruptura puede calcularse de:
(1)
Donde σ se llama el módulo de ruptura y tiene unas dimensiones de estrés (Pa). D representa el diámetro de la extrusión, mientras que w es la distancia entre los dos puntos de apoyo. La variable s es el factor de forma y es igual a 8/π para un cilindro. Para una explicación detallada de las fuerzas y tensiones a mano durante el experimento así como tratar con diferentes transversal formas referencia se da a Beeckman16. Específicamente, σ es la tensión en la ruptura dirigida perpendicularmente a la sección transversal de la extrusión y en la fibra extrema en el medio entre los dos puntos de apoyo.
Para la colisión de un carrete con una superficie, Beeckman15 muestra que dos asíntotas existen con respecto a la relación de aspecto de extrusión. La primera asíntota llamada Φ∞ se llega a muchos impactos repetidos. Este comportamiento asintótico es fácil de entender ya que, después de la rotura colisión, catalizadores más cortos tienen menos impulso y experimentan por lo tanto menos fuerza al impacto. Al mismo tiempo, más corto catalizadores también requieren más fuerza para romper desde la perspectiva del esfuerzo de torsión y por lo tanto, el catalizador se espera alcanzar una relación asintótica de aspecto Φ∞ a muchos impactos. La segunda asíntota llamada Φα se alcanza después de un solo impacto cuando productos extruidos son suficientemente largos. Largo extruidos tienen proporcionalmente más impulso y rotura en el primer impacto en varios lugares a lo largo de su longitud y la proporción de aspecto post colisión alcanza la segunda asíntota señalada Φα. Pueden encontrar ambas asíntotas por regresión de datos de colisión que miden la relación de aspecto en función del número de repetidos impactos de:
(2)
Donde Φ0 es la relación de aspecto inicial y Φj es la relación de aspecto después de las gotas de j . Los parámetros Φ∞ y Φα tienen un significado físico-mecánico que se relaciona con la severidad del impacto y la fuerza del catalizador. La gravedad del impacto puede variar variando la altura de caída para la caída de grandes alturas el catalizador acerca a velocidad terminal y por lo tanto, la gravedad será nivelar.
Longitud de partícula y diámetro de la partícula son importantes propiedades del catalizador durante su fabricación y usan. El tamaño y la forma de las partículas de catalizador son también factores determinantes en sus características de embalaje e influyen en la caída de presión a través de la cama del catalizador. En días anteriores, estas propiedades a menudo se miden con la mano y este es un procedimiento muy tedioso. Ahora, estas propiedades pueden ser fácilmente obtenidas por primera ópticamente escanear una amplia muestra de productos extruidos de catalizador. Entonces, imaging software se utiliza para determinar los tamaños de partícula individual. Esto permite a un gran número de partículas para ser analizado rápidamente y con precisión, véase Beeckman15. Estos sistemas se adaptan eficazmente reconocer y medir las partículas con un diámetro en el rango de 0.8 a 4.0 mm y con longitudes que pueden ser de varios diámetros de largo. Este método utiliza una vista de “arriba hacia abajo” del catalizador y por lo tanto, produce un diámetro “óptico”. Para ciertas formas, debe ejercerse cuidado cuando comparando el diámetro óptico con valores de diámetro determinado manualmente con pinzas.
La prueba de resistencia de aplastamiento a granel para catalizadores y soportes de catalizadores, ASTM D7084-04 de17 en este documento es un método de prueba estándar aceptada. El catalizador se carga en una célula cilíndrica y presión (tensión) se aplica típicamente en el rango de 5-1.000 kPa y se permite que alcancen. Después de cada punto de presión, el catalizador está descargado. Los finos de catalizador son proyectados hacia fuera de la muestra de catalizador y pesados mientras que la mayor parte de la muestra del catalizador es acanalada para obtener una muestra representativa para medir con precisión la relación de aspecto. Mientras que el método de prueba estándar a granel crush fuerza se centra en la cantidad de multas que se crea con el fin de medir fuerza de catalizador, este manuscrito se centra en la reducción de la proporción de aspecto después de la rotura en función de la carga, vea también Beeckman18 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Rotura por fuerzas impulsivas debido a colisión:
La reducción en cociente de aspecto de extrusión debido al choque contra una superficie se puede medir en una prueba de laboratorio gota. En esta prueba, los extrudidos se lanzan desde una tolva, caída y acelerar debido a la gravedad y también experiencia arrastre con aire ambiente.
El método descrito hasta ahora sólo está disponible en la literatura como se describe en Beeckman15,16. Hasta hace poco, el alto grado de aburrimiento hacer mediciones manuales de calibrador para un gran número de productos extruidos es probablemente un factor que contribuye para ello. El tiempo de exposición al ambiente de aire y por lo tanto humedad debe reducirse al mínimo durante y entre las medidas. Si es necesario, el protocolo para la prueba de caída deba realizarse con una purga de2 N o una purga de aire seco en el cilindro. Uno también puede optar por dejar el catalizador equilibrar en el aire ambiente durante la noche antes de tomar cualquier medida para hacer recogida de humedad tan importante. El protocolo y el método aquí empleado tiene la ventaja que rápidamente da la proporción de aspecto de sobre 100-300 piezas extrudadas y por lo tanto, lleva la mayoría de la variabilidad que se observa con pequeñas muestras de contención.
Es importante que extruidos con una longitud al cociente del diámetro menos que unidad extraerse la muestra ya que el software de reconocimiento de la forma puede asignar longitud y el diámetro de dichas piezas catalizador erróneamente. Por lo tanto, también es importante para minimizar y mejor aún para eliminar el número de tales piezas extrudadas corto. Por lo tanto, se recomienda trabajar con Piezas extrudadas que tienen una proporción suficientemente grande al principio de la prueba y a limitar la gravedad del impacto de la prueba.
Para el trabajo futuro y desde una perspectiva fundamental, sería muy interesante estudiar la colisión de Piezas extrudadas solo en función de su longitud, en función de la altura de caída, como una función del ángulo del impacto y en función de ímpetu angular mencionar j UST unas variables. A rotura, será interesante determinar la ubicación de la superficie de ruptura a lo largo de la longitud de extrusión original. Esta metodología también puede ser aplicable a los materiales que no se sacan sino que más bien se obtienen presionando o pellets esféricos y por lo tanto, puede tener aplicaciones para la industria farmacéutica y la industria alimentaria.
Fractura por estrés en un lecho fijo
El método descrito hasta el momento solo existe en la literatura como se describe en Beeckman18. Para la fuerza de aplastamiento a granel, es importante seguir el estándar protocolo de funcionamiento como se indica en ASTM D7084-0417 por razón de la repetibilidad.
El tiempo de exposición al ambiente de aire y por lo tanto humedad debe reducirse al mínimo durante y entre las medidas. Si es necesario, el protocolo deba realizarse en una caja de guantes para la aplicación de la fuerza de aplastamiento a granel.
Como en el caso de colisión, esta metodología también puede encontrar aplicabilidad a materiales que no sacó pero algo obtenido por prensado en forma de pellets o gránulos esféricos obtenidos mediante goteo o granulación.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen la ayuda de Michael Pluchinsky con el trabajo de fotografía de alta velocidad
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).
