粉体测试促进催化剂生产

时间:2021-02-20    浏览:43次

测试结果有助于设计方案和原料的选择。

工业催化剂作为一种复杂材料,需要不断精制提高加工效率同时减少对环境产生的影响。催化剂能够提高原料灵活性,降低能耗,增加选择性和延长使用寿命,对石油化工可持续性的提升发挥了重要的作用。对于商业化非均相催化剂,添加粘合剂、填料、致孔剂和增塑剂等,将活性相和载体转化为特定几何形状和性能稳定的产品。由于大多数催化剂成分为粉料,因此有效的粉体加工是催化剂高效生产的先决条件。

托普索公司位于丹麦灵比,作为化工、炼油行业中高性能催化剂和专利技术的全球领导者,提供超过150种催化剂。该公司应用粉体表征技术,如FT4粉体流变仪,对催化剂生产设备的设计方案进行优化,改进原料的选择。确定与粉体传输过程密切相关的特性,从而制定设备选型的标准,最大限度降低新工厂的运行成本。此外,辅助筛选原料,降低意外停工的风险,有助于加快粉体加工效率。

催化剂生产

非均相催化剂加工简单,生产高效,在炼油和化工行业中尤为普遍。这种催化剂是多元络合物,结构为毫米尺度,化学性能和机械性能优异[1]。化学性能取决于活性相的有效分散和传质、传热的精确控制。催化剂寿命,即维持反应和选择性的时间,是关键的商业因素。控制机械性确保整个催化剂床层产生的压力降可控,维持稳定、长效反应所需的机械强度。机械摩擦也会破坏催化剂性能。

从活性相和载体的结合开始,配方开发人员通过一系列添加剂的组合,实现催化剂工业化并满足工艺需求。添加剂包括炭黑或淀粉等致孔剂——热处理分解,形成颗粒内孔隙,以及增强机械成型的增塑剂和润滑剂[2]。催化剂的生产取决于这些成分的有效组合和重现。作为一个复杂、多步骤过程,主要涉及[2,3]:

•粉料原料的准备;

•通过喷雾干燥、球化、压实、湿法造粒、挤出等过程形成的预混物和团聚“中间体”;

•硬化和精制,例如还原,洗涤涂层或离子交换。

粉体传输和可控定量,作为众多加工过程的基本要素,要求设计方案和操作实践的效率最大化。除了特定的单元操作,还需表征粉体,理解、解释并控制催化剂整个生产过程的表现。

托普索公司通常使用激光衍射法测试粒径分布,振实密度评价原料和中间体。但凭这些数据去选择和确定加工设备仍不可靠。此外,这些测试并未充分评估原料的替代品是否匹配特定工艺。单凭这些测量技术,工艺方法的开发无法达到最优,包含一定程度的错误,引入新物料或更换供应商时停机的风险增大。

托普索公司还加入了罗格斯大学催化剂制造联盟。这一小组汇集了不同学科的研究学者,从事催化剂生产改进项目。成果之一是基于动态、剪切和整体粉体特性的测试[4],开发出更好的方法选择催化剂组分的失重(LIW)进料器。托普索公司运用此项工作的成果来设计、选择和优化LIW进料器;现有粉体测试在实践过程中极具潜力,同时也提高了公司对这一收益的认知。托普索公司使用FT4粉体流变仪进行内部评估,获得75种原料的动态、剪切和整体特性数据(总计超过25个特性)。在此成功试验的基础上,公司于2012年购买仪器成为用户。

确定设计方案

为了优化新仪器的应用,托普索公司进行深入评估,包括运用主成分分析(PCA),建立原料特性数据库,确定能否减少常规测量的次数,最大程度地减少成本,这也是一个重要的商业考虑。公司还进行了不同粉体传输设备性能与特定粉体特性相关性的研究。这项工作确定了粉体传输应用中三个关键的属性:可压性,透气性和粘结应力。

可压性量化粉体受到固结应力时的体积变化,通过测量整体密度与所施加正应力的函数(图1左、中)得到。虽然粘性较强的粉体相比自由流动的材料更可压,PCA分析说明可压性是独立变量,与其他参数无关。

关键粉体整体特性

图1. 测量可压性(左、中)和透气性(右)有助于理解粉体行为。

 

透气性测量了粉体对于气流的阻力,通过测量特定固结压力下粉床压力降与气流速度的函数(图1右)得到。空气不易夹带,能够轻松穿过透气性较好的粉体,与之相比,透气性较差的粉体容易滞留空气。透气性与传输过程极其相关,例如气动传输和料斗下料。

粘结应力由剪切盒确定,该测试测量了固结粉层相对另一粉层剪切所需的应力。剪切盒主要量化固结粉体从静止到流动变化的难易程度。因此,粘结应力与固结的粉体、低流速工艺操作最为相关,尤其是料斗下料过程。

通过评估这三个特性,托普索公司能够选择最佳的传输方式,使用气动传输或者流体隔膜泵。由于气动传输设备的造价较高,需要适合的排气系统来清除粉体夹带的空气,因此这一决定具有重大的成本影响。通常流体隔膜泵的安装成本仅为气动传输系统的10-30%。

已有的设计方案,需要大约一年的时间开发并获得批准,原则如下:

•如果可压性小于36%,适合流体隔膜泵。

•如果可压性大于38%,需要气动传输系统。

•如果可压性介于36-38%,选择取决于透气性和粘结应力的值。由此确定两种方式的抉择标准。

作为可压性测试的结果之一,粉体的松装密度也很重要,由此决定所选系统的传输能力。

量化选用这一方式累积节省的成本也非常容易。一套全新气动传输系统成本约为80000美元,而流体隔膜泵系统通常少花费约55000美元。根据现有的设计标准确定传输系统,托普索公司自2012年底起成功安装了六套流体隔膜泵系统,并且从2015年起更换了两个现有的气动传输系统。假设每个流体隔膜泵系统的成本为气动传输系统的30%,仅根据新安装系统的保守估计,对于整体造价约34万美元的项目而言,使用粉体流变仪进行成本缩减也很可观。这说明对仪器的明智投资获得了巨大回报。

优化原料的选择

此外,深入的粉体表征也优化了原料选择。这项工作的目的是筛选粉体特性,可靠预测催化剂生产过程中新材料的性能,也无需投入实际工厂试验,更具体地说,确认新材料与现有材料的性能可比。这种评估在更换供应商或使用替代原料时十分关键,特别是选用价格较低的替代材料缩减成本。粉体测试仪器可以获得:

•剪切特性,包括壁面摩擦角,尤其是研究料斗性能,与连续粉体流动相关的料斗倾角和下料口尺寸;

•可压性和松装密度;

•动态特性包括基本流动能(BFE)和稳定性指数(SI)用于评估粉体动态流动性。

动态粉体性能通过测量桨叶旋转穿过样品时阻力和扭矩(图2)得到[5]。向下行径穿过预处理后的样品产生BFE值,这是一个高度灵敏的流动性参数,量化了低应力条件下受约束流动的行为。重复BFE测试还可以量化粉体的稳定性,结果为SI,该值的定义是多次测试前后BFE值的比值。SI接近于1说明粉体物理性能稳定;该值高于或低于1通常与分层、摩擦或团聚等现象有关,这些都可能导致性能变差。

动态粉体特性

图2. 动态特性非常敏感,与不同工艺性能相关。

 

这一测试可以确定粉料在投入工厂前,不同供应商或原料替代品的表现是否良好。粉体加工过程是否会发生间歇传输或堵塞,导致意外停机,从而影响生产效率。因此,能够在不中断工厂生产的情况下找出潜在问题是一大收获。公司现在定期参考上述指标筛选材料,同时全面分析新材料,增补原始数据库,逐步优化实践并扩展粉体测试仪器所提供的价值。

强力工具

设计和运行粉体处理设备,对工艺工程师来说是一场持久挑战,优化和测试替代设备仍然重要。幸运的是,理解不同工艺与原料之间的相容性,以及选用合适的粉体测试确定这一相关性,近年来已有长足进步。托普索公司的经验验证了粉体测试在催化剂生产中的可行性,其实相关工艺对于大多数生产部门也很常见。

通过测量动态、剪切和整体性能,托普索公司强化了LIW进料器选型的过程。基于粉体的可压性、透气性和粘结应力数据,为粉体传输确定了可靠的设计方案,确定选用经济型设备的条件。此外,现在公司也能无需工厂试验,可靠评估是否选用新料或更换供应商。粉体测试仪器都提供了关键的数据和丰厚的投资回报。

参考文献

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).