粉體測試促進催化劑生產

時間:2021-02-20    瀏覽:350次

測試結果有助于設計方案和原料的選擇。

工業催化劑作為一種復雜材料,需要不斷精制提高加工效率同時減少對環境產生的影響。催化劑能夠提高原料靈活性,降低能耗,增加選擇性和延長使用壽命,對石油化工可持續性的提升發揮了重要的作用。對于商業化非均相催化劑,添加粘合劑、填料、致孔劑和增塑劑等,將活性相和載體轉化為特定幾何形狀和性能穩定的產品。由于大多數催化劑成分為粉料,因此有效的粉體加工是催化劑高效生產的先決條件。

托普索公司位于丹麥靈比,作為化工、煉油行業中高性能催化劑和專利技術的全球領導者,提供超過150種催化劑。該公司應用粉體表征技術,如FT4粉體流變儀,對催化劑生產設備的設計方案進行優化,改進原料的選擇。確定與粉體傳輸過程密切相關的特性,從而制定設備選型的標準,最大限度降低新工廠的運行成本。此外,輔助篩選原料,降低意外停工的風險,有助于加快粉體加工效率。

催化劑生產

非均相催化劑加工簡單,生產高效,在煉油和化工行業中尤為普遍。這種催化劑是多元絡合物,結構為毫米尺度,化學性能和機械性能優異[1]?;瘜W性能取決于活性相的有效分散和傳質、傳熱的精確控制。催化劑壽命,即維持反應和選擇性的時間,是關鍵的商業因素??刂茩C械性確保整個催化劑床層產生的壓力降可控,維持穩定、長效反應所需的機械強度。機械摩擦也會破壞催化劑性能。

從活性相和載體的結合開始,配方開發人員通過一系列添加劑的組合,實現催化劑工業化并滿足工藝需求。添加劑包括炭黑或淀粉等致孔劑——熱處理分解,形成顆粒內孔隙,以及增強機械成型的增塑劑和潤滑劑[2]。催化劑的生產取決于這些成分的有效組合和重現。作為一個復雜、多步驟過程,主要涉及[2,3]:

•粉料原料的準備;

•通過噴霧干燥、球化、壓實、濕法造粒、擠出等過程形成的預混物和團聚“中間體”;

•硬化和精制,例如還原,洗滌涂層或離子交換。

粉體傳輸和可控定量,作為眾多加工過程的基本要素,要求設計方案和操作實踐的效率最大化。除了特定的單元操作,還需表征粉體,理解、解釋并控制催化劑整個生產過程的表現。

托普索公司通常使用激光衍射法測試粒徑分布,振實密度評價原料和中間體。但憑這些數據去選擇和確定加工設備仍不可靠。此外,這些測試并未充分評估原料的替代品是否匹配特定工藝。單憑這些測量技術,工藝方法的開發無法達到最優,包含一定程度的錯誤,引入新物料或更換供應商時停機的風險增大。

托普索公司還加入了羅格斯大學催化劑制造聯盟。這一小組匯集了不同學科的研究學者,從事催化劑生產改進項目。成果之一是基于動態、剪切和整體粉體特性的測試[4],開發出更好的方法選擇催化劑組分的失重(LIW)進料器。托普索公司運用此項工作的成果來設計、選擇和優化LIW進料器;現有粉體測試在實踐過程中極具潛力,同時也提高了公司對這一收益的認知。托普索公司使用FT4粉體流變儀進行內部評估,獲得75種原料的動態、剪切和整體特性數據(總計超過25個特性)。在此成功試驗的基礎上,公司于2012年購買儀器成為用戶。

確定設計方案

為了優化新儀器的應用,托普索公司進行深入評估,包括運用主成分分析(PCA),建立原料特性數據庫,確定能否減少常規測量的次數,最大程度地減少成本,這也是一個重要的商業考慮。公司還進行了不同粉體傳輸設備性能與特定粉體特性相關性的研究。這項工作確定了粉體傳輸應用中三個關鍵的屬性:可壓性,透氣性和粘結應力。

可壓性量化粉體受到固結應力時的體積變化,通過測量整體密度與所施加正應力的函數(圖1左、中)得到。雖然粘性較強的粉體相比自由流動的材料更可壓,PCA分析說明可壓性是獨立變量,與其他參數無關。

關鍵粉體整體特性

圖1. 測量可壓性(左、中)和透氣性(右)有助于理解粉體行為。

 

透氣性測量了粉體對于氣流的阻力,通過測量特定固結壓力下粉床壓力降與氣流速度的函數(圖1右)得到??諝獠灰讑A帶,能夠輕松穿過透氣性較好的粉體,與之相比,透氣性較差的粉體容易滯留空氣。透氣性與傳輸過程極其相關,例如氣動傳輸和料斗下料。

粘結應力由剪切盒確定,該測試測量了固結粉層相對另一粉層剪切所需的應力。剪切盒主要量化固結粉體從靜止到流動變化的難易程度。因此,粘結應力與固結的粉體、低流速工藝操作最為相關,尤其是料斗下料過程。

通過評估這三個特性,托普索公司能夠選擇最佳的傳輸方式,使用氣動傳輸或者流體隔膜泵。由于氣動傳輸設備的造價較高,需要適合的排氣系統來清除粉體夾帶的空氣,因此這一決定具有重大的成本影響。通常流體隔膜泵的安裝成本僅為氣動傳輸系統的10-30%。

已有的設計方案,需要大約一年的時間開發并獲得批準,原則如下:

•如果可壓性小于36%,適合流體隔膜泵。

•如果可壓性大于38%,需要氣動傳輸系統。

•如果可壓性介于36-38%,選擇取決于透氣性和粘結應力的值。由此確定兩種方式的抉擇標準。

作為可壓性測試的結果之一,粉體的松裝密度也很重要,由此決定所選系統的傳輸能力。

量化選用這一方式累積節省的成本也非常容易。一套全新氣動傳輸系統成本約為80000美元,而流體隔膜泵系統通常少花費約55000美元。根據現有的設計標準確定傳輸系統,托普索公司自2012年底起成功安裝了六套流體隔膜泵系統,并且從2015年起更換了兩個現有的氣動傳輸系統。假設每個流體隔膜泵系統的成本為氣動傳輸系統的30%,僅根據新安裝系統的保守估計,對于整體造價約34萬美元的項目而言,使用粉體流變儀進行成本縮減也很可觀。這說明對儀器的明智投資獲得了巨大回報。

優化原料的選擇

此外,深入的粉體表征也優化了原料選擇。這項工作的目的是篩選粉體特性,可靠預測催化劑生產過程中新材料的性能,也無需投入實際工廠試驗,更具體地說,確認新材料與現有材料的性能可比。這種評估在更換供應商或使用替代原料時十分關鍵,特別是選用價格較低的替代材料縮減成本。粉體測試儀器可以獲得:

•剪切特性,包括壁面摩擦角,尤其是研究料斗性能,與連續粉體流動相關的料斗傾角和下料口尺寸;

•可壓性和松裝密度;

•動態特性包括基本流動能(BFE)和穩定性指數(SI)用于評估粉體動態流動性。

動態粉體性能通過測量槳葉旋轉穿過樣品時阻力和扭矩(圖2)得到[5]。向下行徑穿過預處理后的樣品產生BFE值,這是一個高度靈敏的流動性參數,量化了低應力條件下受約束流動的行為。重復BFE測試還可以量化粉體的穩定性,結果為SI,該值的定義是多次測試前后BFE值的比值。SI接近于1說明粉體物理性能穩定;該值高于或低于1通常與分層、摩擦或團聚等現象有關,這些都可能導致性能變差。

動態粉體特性

圖2. 動態特性非常敏感,與不同工藝性能相關。

 

這一測試可以確定粉料在投入工廠前,不同供應商或原料替代品的表現是否良好。粉體加工過程是否會發生間歇傳輸或堵塞,導致意外停機,從而影響生產效率。因此,能夠在不中斷工廠生產的情況下找出潛在問題是一大收獲。公司現在定期參考上述指標篩選材料,同時全面分析新材料,增補原始數據庫,逐步優化實踐并擴展粉體測試儀器所提供的價值。

強力工具

設計和運行粉體處理設備,對工藝工程師來說是一場持久挑戰,優化和測試替代設備仍然重要。幸運的是,理解不同工藝與原料之間的相容性,以及選用合適的粉體測試確定這一相關性,近年來已有長足進步。托普索公司的經驗驗證了粉體測試在催化劑生產中的可行性,其實相關工藝對于大多數生產部門也很常見。

通過測量動態、剪切和整體性能,托普索公司強化了LIW進料器選型的過程?;诜垠w的可壓性、透氣性和粘結應力數據,為粉體傳輸確定了可靠的設計方案,確定選用經濟型設備的條件。此外,現在公司也能無需工廠試驗,可靠評估是否選用新料或更換供應商。粉體測試儀器都提供了關鍵的數據和豐厚的投資回報。

參考文獻

1.“Catalysts for Optimal Performance,” Haldor Topsøe, Lyngby, Denmark, viewable via: www.topsoe.com/products/catalysts

2.Mitchell, S., et al., “From powder to technical body: the undervalued science of catalyst scale-up,” Chem. Soc. Rev. (Feb. 2013).

3.Catalyst Manufacturing Center, Rutgers University, homepage, https://cbe.rutgers.edu/catalyst-manufacturing-center.

4.Wang, Y., et al., “Predicting feeder performance based on material flow properties,” Powder Tech. (Dec. 2016).

5.Freeman, R., “Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders — a comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell,” Powder Tech (Oct. 2006).