Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Voorspellende katalysator Extrudate breuk op basis van de absolute waarde van de breuk

Published: May 13, 2018 doi: 10.3791/57163
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Process Technology Department, Catalyst Technology Division, ExxonMobil Research and Engineering Company

Summary

Hier presenteren we een protocol voor het meten van de absolute waarde van de breuk van een geëxtrudeerde katalysator en de breuk van bovengenoemde katalysator extrudates door botsing tegen een oppervlak of compressie in een vast bed.

Abstract

De mechanische sterkte van geëxtrudeerde katalysatoren en hun breuk van het natuurlijke of gedwongen door een botsing tegen een oppervlak of een druksterkte lading in een vaste bed zijn belangrijke verschijnselen in de katalysator technologie. De mechanische sterkte van de katalysator wordt hier gemeten door haar buigen sterkte of buigsterkte. Deze techniek is relatief nieuw vanuit het perspectief van de toe te passen op commerciële katalysatoren van typische grootte die wordt gebruikt in de industrie. Katalysator breuk door botsing tegen een oppervlak wordt gemeten na een val van de extrudates door de lucht in een verticale pijp. Kwantificeren van de impact-force wordt theoretisch gedaan door toepassing van de tweede wet van Newton. Meting van de katalysator breuk wijten aan stress in een vast bed is gedaan na de standaardprocedure van de bulk crush sterkte-test. Roman hier is de focus op het meten van de vermindering van de lengte / diameterverhouding van de extrudates als een functie van de stress.

Introduction

Katalysator productie vormt de ruggengraat die ondersteuning biedt voor de petrochemische industrie en aanverwante industrieën. Commerciële katalysatoren, zie Le Page1, zijn meestal geëxtrudeerd volgens recepten die zijn goed bewaakte handelsgeheimen of fabricagemethoden zijn gepatenteerd. Typische katalysator maten variëren van 1 mm tot ongeveer 5 mm in diameter en komen in een verscheidenheid van vormen zoals een cilinder, een trilobe of een quadrulobe samen ook met een scala aan hun holle tegenhangers. Terwijl de diameter en de doorsnede van geëxtrudeerde katalysatoren zijn vaak zeer goed gecontroleerd, de lengte van het individuele extrudates hebben een meer Gaussiaan zoals distributie en de afzonderlijke lengtes variëren meestal van ongeveer gelijk met een diameter tot verschillende diameters. Een uitzondering is geëxtrudeerde katalysatoren van voldoende grote diameter, die hen in staat stelt te snijden als ze het gezicht van sterven verlaat, en deze hebben een veel strengere verdeling van de lengte. De verdeling van de lengte van de kleinere 1 mm tot 3 mm diameter geëxtrudeerd katalysatoren die typerend zijn voor de petrochemische industrie worden meestal verkregen door natuurlijke breuk of gedwongen breuk afhankelijk van hun intrinsieke sterkte.

Le Page1, Woodcock2, Bertolacini3, Wu4 en Li5 Toon typische katalysator eigenschappen en de fijne kneepjes van de metingen van de sterkte. Typische sterkte metingen in de literatuur en in commerciële instellingen bestaan uit de gemiddelde kreukelweerstand van één extrudates en voor het grootste deel crush sterkte. Beide sterkte-eigenschappen worden gebruikt om te beoordelen of een katalysator heeft voldoende kracht om te overleven het laden en gebruiken in processen. Vaak ook is een uitputtingsslag test toegevoegd aan de rechter van de katalysator uitputtingsslag weerstand in het proces. Wel een erg grote database in commerciële planten op de sterkte van de katalysator en het gebruik bestaat, is die informatie zelden toegankelijk in de open literatuur. Ook veel van de recepten van de katalysator zijn ad hoc en na veel vallen en opstaan hebben vastgesteld. Het modelleren van dit aspect van de productie van de katalysator is nog uitdagend om te zeggen het minst.

Hier is toegepast is de buigsterkte van de katalysator verkregen uit een meting van de Euler-Bernoulli elasticiteitsmodulus breuk die meestal in een drie-punt buigende test wordt verkregen. Li6 en Staub7 commentaar op de buigsterkte van katalysatoren, maar hun werk wordt gedaan op de vrij grote diameter extrudates en geen rechtstreekse toepassing wordt gegeven aan model katalysator breuk. De buigsterkte is zelden gemeten en gerapporteerd in de literatuur voor typische commerciële katalysator maten. Verder, de buigsterkte geldt vaak niet voor begeleiding bij de productie van de katalysator

Meten en modelleren van de breuk van katalysatoren, tijdens de productie of bij het gebruik ervan in het proces is moeilijk. Vaak is de katalysator extrudate lengte / diameterverhouding is gemodelleerd op basis van empirische methodes die aan kracht via macht wetten relateren, dit in veel gevallen heeft echter nog steeds een sterke ad hoc component. Bridgwater8 biedt een uitgebreid overzicht van deeltje breuk als gevolg van de shear maar de lengte / diameterverhouding van de extrudates zijn buiten de commerciële bereik van extrudates in dit Groenboek besproken. Discrete elementen methoden (DEM) en eindige elementen methoden (FEM), zijn nu ook gebruikt voor het onderzoeken van de breuk van de korrels en deze methoden het probleem op een fundamenteel niveau benaderen. Referentie wordt gegeven aan Heinrich9, Wassgren10, Potyondy11, Potapov12, Carson13en Farsi14 voor meer informatie over deze aanpak. De methoden en technieken gebruikt hierin proberen te helpen verbeteren modelleren katalysator breuk als gevolg van de botsing via Newton's tweede wet om de kracht van de gevolgen en dit evenwicht te brengen met de sterkte uitgedrukt door de Euler-Bernoulli-modulus van breuk. Voor breuk door belasting stress in een vast bed, een evenwicht tussen belasting kracht en bed buigsterkte kracht wordt toegepast en hierdoor te voorspellen de hoogte-breedteverhouding van het bed als een functie van de belasting. Heel belangrijk zijn de meetmethoden zelf die moeten worden toegepast onder goed gecontroleerde omstandigheden en dit aspect is hier in dit document gedetailleerd uitgebreid. Het is bijvoorbeeld bekend dat de sterkte van de katalysator wordt sterk beïnvloed door de warmte-behandeling die wordt toegepast en ook door de voorwaarden voor het gebruik bij de katalysator van vocht ophalen kan. Hogere temperaturen van de warmtebehandeling versterken meestal de katalysator terwijl hoge vocht pick-up meestal het verzwakt. Het is daarom belangrijk dat de kracht wordt gemeten op een katalysator die de passende warmtebehandeling heeft gezien en dat vocht is gecontroleerd waar het nodig is om te maken, het representatief is voor het gebruik van de katalysator hetzij tijdens de vervaardiging of bij het gebruik ervan in het proces. Weinig is gevonden in de literatuur dat specifiek maatregelen en modellen van de lengte / diameterverhouding van katalysator-extrudates die typerend zijn voor de petrochemische industrie. Onlangs, Beeckman15,16 hanteert de buigende kracht van de katalysator voor het voorspellen van natuurlijke breuk en gedwongen breuk van katalysatoren als gevolg van de botsing. Hier wordt specifiek aandacht besteed aan de katalysator hoogte-breedteverhouding (L/D) die is gedefinieerd als het rekenkundig gemiddelde van de lengte verhouding van de diameter van de extrudates van de individuele katalysator in een representatieve steekproef. De experimentele methoden hierin beschreven zijn relatief eenvoudig en toestaan grondig bestuderen en vergelijken experimentele metingen met theoretische behandelingen.

De absolute waarde van de breuk (MOR) van de katalysator is een maat voor de buigende kracht. Leonhard Euler en Daniel Bernoulli ontwikkelde de eerste theoretisch geluid aanpak elastisch gedrag en sterkte bij breuk terug in de 1750's. Figuur 1 toont een schema van de buigende test en de breuk kracht Fr. Voor het specifieke geval van een cilindrische extrudate, kan de absolute waarde van de breuk worden berekend uit:

Equation 1(1)

Waarbij σ de absolute waarde van de breuk wordt genoemd en heeft afmetingen van stress (Pa). D staat voor de diameter van de extrudate terwijl w de afstand tussen de twee steunpunten is. De variabele s is de factor van de vorm en gelijken 8/π voor een cilinder. Voor een uitvoerige uitleg van de krachten en benadrukt bij de hand tijdens het experiment zo goed is als hoe om te gaan met verschillende transversale shapes verwijzing gegeven aan Beeckman16. Σ is met name de treksterkte stress op breuk gericht loodrecht op de dwarsdoorsnede van de extrudate en gelegen aan de extreme vezel in het midden tussen de twee steunpunten.

Voor de botsing van een extrudate met een oppervlak toont Beeckman15 dat twee asymptoten bestaan met betrekking tot de hoogte-breedteverhouding van de extrudate. De eerste asymptote genaamd Φ∞ is bereikt op vele herhaalde effecten. Deze asymptotische gedrag is gemakkelijk te begrijpen omdat, na breuk na botsing, kortere katalysatoren hebben minder dynamiek en dus krijgen met minder kracht op effect. Op hetzelfde moment, kortere katalysatoren vereisen ook meer kracht te breken uit een oogpunt van koppel en dus de katalysator naar verwachting bereiken een hoogte-breedteverhouding van asymptotische Φ∞ op vele effecten. De tweede asymptote genaamd Φα wordt bereikt na een enkele gevolgen wanneer extrudates vallen die voldoende lang. Lange extrudates hebben verhoudingsgewijs meer dynamiek en pauze op het eerste effect op verschillende plaatsen langs de lengte en de hoogte-breedteverhouding post botsing bereikt de tweede asymptote aangewezen Φα. Beide asymptoten kunnen worden gevonden door regressie van botsing gegevens die het meten van de hoogte-breedteverhouding als een functie van het aantal herhaalde effecten van:

Equation 2(2)

Waar Φ0 is de oorspronkelijke hoogte-breedteverhouding en de Φj is de hoogte-breedteverhouding nadat j druppels. Zowel de Φα de parameters Φ∞ hebben een fysisch-mechanische betekenis die is gerelateerd aan de ernst van de impact en de sterkte van de katalysator. De ernst van het effect kan worden gevarieerd door het variëren van de valhoogte al voor grote daling hoogten de katalysator eindsnelheid benadert en vandaar de ernst zal niveau uit.

Deeltje lengte en diameter van de deeltjes zijn belangrijke eigenschappen van de katalysator bij de productie en gebruik. De grootte en de vorm van deeltjes van de katalysator zijn ook bepalend in de kenmerken van hun verpakking en invloed van de daling van de druk in het bed van katalysator. In vroegere dagen, deze eigenschappen werden vaak gemeten met de hand en dit is een zeer vervelende procedure. Nu, deze eigenschappen kunnen worden gemakkelijk verkregen door eerste optisch scannen van een grote steekproef van katalysator-extrudates. Vervolgens wordt denkbaar software gebruikt om te bepalen van individuele deeltjesgrootte. Hierdoor is een groot aantal deeltjes te snel en nauwkeurig worden geanalyseerd, zie Beeckman15. Deze systemen zijn afgestemd voor het effectief herkennen en het meten van deeltjes met een diameter in het bereik van 0.8 tot 4.0 mm en lengtes die verschillende diameters lang kunnen worden. Deze methode maakt gebruik van een "top-down"-weergave van de katalysator en vandaar levert een "optische" diameter. Voor bepaalde vormen, moet de zorg worden uitgeoefend wanneer het vergelijken van de optische diameter met diameter waarden handmatig bepaald met remklauwen.

De bulk crush kracht test voor katalysatoren en katalysator dragers, ASTM D7084-04-17 gebruikt hierin is een geaccepteerde standaard testmethode. De katalysator wordt geladen in een cilindrische cel en druk (stress) wordt meestal toegepast in het bereik van 5-1.000 kPa en equilibreer is toegestaan. Na elke drukpunt wordt de katalysator verwijderd. De katalysator boetes zijn gescreend uit uit de steekproef van de katalysator en woog terwijl het grootste deel van het monster van de katalysator is riffled om te verkrijgen van een representatief voor het nauwkeurig meten van de hoogte-breedteverhouding. Terwijl de standaard bulk crush sterkte testprocedure richt zich op het bedrag van de boetes die wordt gemaakt om te meten van de sterkte van de katalysator, dit manuscript focust zich op de vermindering van de hoogte-breedteverhouding na breuk als een functie van de belasting, zie ook Beeckman18 .

Protocol

Gebruik adequate persoonlijke beschermingsmiddelen b.v. veiligheid brillen, handschoenen etc. voor het uitvoeren van de taken bedoeld in dit manuscript. De grondstof gebruikt hier of, voor de meting van het buigen van sterkte, botsing, hoogte-/ breedteverhouding of bulk persing altijd extrudates verkregen uit laboratoriumonderzoek of pilot apparatuur studies is of commerciële materialen zijn. Katalysator extrudate sterkte hangt af van voorbehandeling voorwaarden vandaar is het belangrijk voor de gebruiker om te kiezen van de juiste behandelingen. De resultaten van de metingen mogelijk maakt om te beslissen welke materialen te gebruiken in verdere studies ten minste vanuit het perspectief van een kracht.

1. het buigen van kracht

  1. Bereiding van de monsters buigende kracht
    1. Het extrudate monster van belang zijn voor een representatieve grootte van 25 deeltjes minimale Pistoolschieten. Gebruik een draaiende riffler of riffle-type monsterverdeler.
      Opmerking: Katalysator sterkte is afhankelijk van de thermische voorbehandeling, vandaar het monster vereist bepaalde keuzes moeten worden gemaakt door de gebruiker betreffende voorbehandelingen.
    2. Voer een van de volgende twee typische voorbehandelingen, maar hun voorwaarden kunnen worden gewijzigd, afhankelijk van de behoefte van de gebruiker.
      1. Calcine van het monster bij 538 ° C gedurende 1 uur.
        1. Plaats een minimum van 25 riffled katalysator-extrudates in een porseleinen schaal of hittebestendig bekerglas.
        2. Plaats de schotel met de katalysator in een oven vuurvaste-type moffeloven bij 538 ° C gedurende 1 uur.
        3. Na calcineren, leg het warme monster in een exsiccator en laat het afkoelen tot omgevingsomstandigheden.
      2. Droog het monster bij 121 ° C gedurende 2 uur minimum.
        1. Plaats een minimum van 25 riffled katalysator-extrudates in een porseleinen schaal of hittebestendig bekerglas.
        2. Zet de schotel met katalysator in een droogstoof, ingesteld voor 121 ° C gedurende ten minste 2 h.
        3. Het hete monster uit de droogstoof verwijderen en plaats het in een exsiccator en laat het afkoelen tot omgevingsomstandigheden
  2. Buigende kracht Instrumentation Set-up
    Opmerking:     de foutbalk voor de absolute waarde van de breuk is +/-10%. Kalibreren van het materieel dagelijks volgens de procedure die uiteengezet door de fabrikant. Kies de methode die goed overeenkomt met de vorm van het monster, de berekening van de MOR hangt af van de vorm-factor.
    1. Start het buigmoment test-frame en laat het systeem warm gedurende ten minste 20 min. alvorens te gebruiken. Open vervolgens de vereiste software.
    2. Bevestig de 10 N (10 Newton kracht) belasting cel per de instructies van de fabrikant.
    3. Selecteer een aambeeld snelheid van 0,2 mm/sec met een 5-mm ondersteuning spanwijdte.
      Opmerking: Het werd waargenomen dat voor dit tempo, de katalysator niet in een stam tarief gevoelig gebied is en de kracht van de breuk reproduceerbaar is.
    4. Selecteer ' Modulus van breuk (MOR)' en 'Maximale kracht' op het tabblad resultaten.
    5. Zorgen dat de crosshead op de MOR frame is in de "Nul" positie door stevig op de "Return"-knop op de console van het frame. De positie van de crosshead en aambeeld goed uitgelijnd kan worden gewijzigd indien nodig aan extrudates van verschillende diameter.
  3. De meting van de veldsterkte van de buigende
    1. Uit de exsiccator de katalysator extrudate monster genomen en plaats deze in een omgekeerde 5-6 cm diameter filter met N2 naar boven door het maken van een deken van droog gas waait.
    2. Gebruik pincet te nemen een extrudate exemplaar uit de lade van de filter en het hele de steun balken plaatsvindt. Minimaliseer de tijd van extrudate specimen plaatsing en metingen tot een minimum beperken vocht pick-up.
    3. Centreren van de katalysator extrudate specimen zo goed als mogelijk links naar rechts en voorzijde naar terug op de balken van de steun
    4. Klik op de "Start"-pictogram op de juiste werkbalk.
      Opmerking: Tijdens deze stap, de extrudate is voorbij het breekpunt wordt gebogen en vandaar de test is destructief in die zin.
    5. Controleer crosshead stopt en keert terug naar de beginpositie op het ervaren van een 40% daling van de kracht van de lading.
      Opmerking: Dit gebeurt meestal op extrudate breuk.
    6. Selecteer de "Volgende" pictogram op de juiste werkbalk om de volgende extrudate te blijven.
    7. Terugslaan "" als u wilt het gegevenspunt weergeven in het diagram en de tabel van de resultaten.
    8. Selecteer "Finish monster" na het meten van de 25e extrudate specimen.
      Opmerking: De software produceert het rapport met de sterkte-eigenschappen

2. botsing Test

Opmerking: Het verwerkingsdebiet waarmee katalysator wordt gevoed aan de daling van de buis is laag gehouden, zodat individuele katalysator extrudates in wezen met een lege oppervlak aan de onderkant van de daling van de buis botsen zonder elkaar te hinderen

  1. Botsing apparatuur voorbereiding
    1. De daling van de buis (0,15 m diameter en 1.83 m lange plastic buis) monteren met de herstel-plaat (316 SS) aan de onderkant. Stel de kwijting van de feeder op de juiste hoogte van keuze (hier 1,83 m) gecentreerd over de daling van de buis. Het wijzigen van de hoogten van de druppel om te variëren van de ernst van de botsing.
    2. Set resoneren frequentie van trillingen feeder tot 250 Hz met macht uit.
    3. Positie lokale ventilatie over de vultrechter.
  2. Bereiding van de monsters van de botsing
    1. Het monster van de katalysator van belang zijn voor een representatieve grootte van 50 deeltjes minimale Pistoolschieten. Gebruik een draaiende riffler of riffle-type monsterverdeler.
    2. Zeef het voorbereide monster voorzichtig om te voorkomen dat kleine deeltjes met een lengte / diameterverhouding minder dan of gelijk aan 1.
    3. Het meten van de oorspronkelijke hoogte-breedteverhouding van het monster met behulp van protocol sectie 3.
  3. Botsing katalysator Drop Procedure
    1. Pipetteer handmatig het gehele monster in de vultrechter.
    2. Zorgen voor dat de feeder chute outlet is gecentreerd over de daling van de buis.
    3. Inschakelen van de tuimelschakelaar om macht van de feeder en ingesteld op 'Start'.
    4. Toestaan van alle deeltjes vrij kunnen vallen in de daling van de buis en inbreuk maken op de bodemplaat.
    5. Schakel de stroom aan de feeder zodra alle deeltjes zijn gevoed en gedaald.
    6. Overdracht van alle deeltjes van de herstel-plaat en zachtjes de boetes te verwijderen uit het monster door zeven om stof en spaanders te verwijderen.
    7. Meet de hoogte-breedteverhouding van het monster met behulp van protocol sectie 3 om te voltooien van de eerste meting van de daling van de aangewezen 1 X.
    8. Met behulp van het voorbeeld van stap 2.3.7, herhaal stap 2.3.1 aan 2.3.6 en meten van de hoogte-breedteverhouding met sectie 3-protocol om te voltooien van de tweede drop afmeting 2 X aangewezen.
    9. Herhaal de bovenstaande stappen voor het voltooien van maximaal 5 X en 10 X neerzetten metingen.
      Opmerking: Een kunt ervoor kiezen om het overslaan van de tussenliggende breedte-hoogteverhouding metingen, aangezien de hoogte-breedteverhouding alleen weinig verandert nadat meerdere druppels.

3. katalysator hoogte-breedteverhouding

  1. Bereiding van de monsters van de hoogte-breedteverhouding
    1. Pistoolschieten het monster van de katalysator voor een representatieve grootte van 50 tot 250 deeltjes van belang. Gebruik een draaiende riffler of riffle-type monsterverdeler te verkrijgen van een representatieve steekproef.
    2. Zeef het voorbereide monster om te voorkomen dat kleine deeltjes met een L/D minder dan of gelijk aan 1 waar L staat voor de lengte van een extrudate terwijl D voor de diameter van een extrudate staat.
  2. Hoogte-breedteverhouding Software en Set-up
    1. Open de software en selecteer de "SCAN" werkbalkknop aan de bovenkant van het scherm.
    2. Veeg het glas met een microfiber doek om een stof te verwijderen. Leg een schone transparantie vel op de scanner.
    3. Bestrooi de extrudates op de top van de transparantie en vermijden van deeltjes uit elkaar aanraken. Plaats de deeltjes binnen een rechthoekig gebied meten van maximaal 10 cm bij 20 cm.
    4. Willekeurig verdelen de extrudates over het gebied dat moet worden gescand. Gebruik een paar pincet te glijden deeltjes uit de buurt van elkaar of in meer open gebieden te plaatsen.
    5. Sluit de scannerklep.
    6. Selecteer de shape van het deeltje
    7. Inschakelen het bericht functie in de software die u instelt, voor het aanraken van deeltjes (gemarkeerd in het rood op het scherm), deeltjes die overlappende (of borstelen) de rand van het scangebied, en deze worden automatisch verwijderd, eventuele deeltjes met buitensporige kromming, ieder deeltjes die te klein (b.v. stof vlekken), en eventuele deeltjes die elkaar raken.
    8. Klik op de knop van de werkbalk "Scan".
      Opmerking: De scanner zal beginnen met het scannen van de deeltjes. Het duurt tussen de 2-3 min. De getabelleerde resultaten en optisch gescande afbeelding worden weergegeven op het scherm.
  3. Hoogte-breedteverhouding analyse
    1. Bekijkt u de gescande resultaten en zorgen dat alle legit deeltjes worden opgenomen in de scan.
      Opmerking: Legit deeltjes hebben en L/D > 1, rusten in een natuurlijke positie voor de scan en raak niet aan andere extrudates.
    2. Bekijk elk deeltje verdacht van het aanraken van een naburige deeltje, zoals de berekening algoritme niet perfect is.
    3. Elimineer deeltjes die ten onrechte als gevolg omvangrijke (aanraken of boven op elkaar liggen) rusten met geëlimineerd met de software. Als alternatief, van het deeltje positie aanpassen met een pincet en het gehele monster kunnen opnieuw gescand.
    4. De resultaten opslaan en de volgende gegevens opnemen: gemiddelde diameter, gemiddelde lengte, en het nummer van het deeltje.

4. bulk Crush testen

  1. Bereiding van de monsters van de Verbrijzeling van bulk
    1. De katalysator extrudate monster van belang moet worden riffled teneinde een geschikte vertegenwoordiger van het totale bedrag.
    2. Het monster van de katalysator bij 538 ° C gedurende minimum 1 uur in een moffeloven oven of soortgelijke Heat-Treat en plaats het warm in een exsiccator en laat het afkoelen tot omgevingsomstandigheden.
  2. Bulk Crush Procedure
    1. Tarra van de monsterrecipiënt katalysator (cup) en vullen naar de vol met de katalysator, zodat er een extra katalysator in de container.
    2. Niveau zorgvuldig de cup met een metalen richtliniaal zonder overdreven verpakking het bed.
    3. Weeg de container met geëgaliseerd katalysator te verkrijgen van het gewicht van het monster.
    4. Leg het monster zorgvuldig in de belasting-blok en zuiger-vergadering. Plaats het blok van de belasting op de top van het monster zonder het breken van de katalysator.
    5. Plaats van de kogellager in het midden van het blok van de belasting en aanpassen van de arm van de vergrendeling op de juiste hoogte gelijkmatig over de kogellager met behulp van een kleine timmerman niveau. Vergrendelen van de arm op zijn plaats.
    6. Controleer of de drukregelaar is ingesteld op de druk die door de gebruiker opgegeven moeten worden toegepast op het voorbeeld van de katalysator.
      Opmerking: Meestal, het is in het bereik van 5-1.000 kPa en het normaliter door trial and error voor de specifieke toepassing wordt gevonden.
    7. Controleer of de belasting control ventiel en druk ventiel open zijn en de klep van de afloop sluit.
      Opmerking: Het blok van de belasting zal stijgen tot de ingestelde druk.
    8. Wachten op 60 s voor het monster, tot equilibreer.
    9. De druk in het afloopgebied ventiel openen en sluiten van de klep van de druk vrijgeven. Bekijk het blok van de belasting komt terug naar de oorspronkelijke positie.
    10. Ontgrendelen van de verstelbare lock-arm en nemen de dragende bal en laden blok uit zorgvuldig.
    11. Meten en registreren de inspringing van het monster na de verbrijzeling-test.
    12. Zeef uit de boetes. Record de boetes verzameld en meten van de hoogte-breedteverhouding van het monster overeenkomstig protocol sectie 3.

Representative Results

Breuk door botsing:
Om de lezer een idee van de complexiteit van een effect van een extrudate op een oppervlak, men dacht te zijn gunstig voor het leveren van een paar momentopname foto's bij de hoogste beeldsnelheid hadden we beschikbaar op het moment (10.000 frames/s). Figuur 2 toont deze high-speed fotografie en vangt de breuk van individuele extrudates als ze een polycarbonaat oppervlak van invloed. Dit oppervlak heeft het extra voordeel dat het toont de aanpak van de extrudate voorafgaand aan effect hebben op de reflectiecoëfficiënt vandoor naar de oppervlakte en laat om het exemplaar van contact duidelijk te definiëren. De duur van de breuk door effect lijkt te zijn van minder dan 10-4 -s, terwijl de volledige impact geschiedenis toont zeer complex. De krachten die ervaren door de extrudate als functie van de tijd tijdens de botsing zijn zeer gepunt en onregelmatig. De gemiddelde vertraging is gedefinieerd als de botssnelheid over de contacttijd is slechts een ruwe schatting van wat er gebeurt. Wanneer vermenigvuldigd met de massa van de extrudate is het weer alleen een ruwe schatting van de kracht.

De hoogte-breedteverhouding van asymptotische Φ∞ is vastgesteld op 25 verschillende soorten katalysatoren en hun eigenschappen worden gegeven in de Beeckman16. Het model met de parameter Φ∞ voor elke katalysator is verkregen door middel van niet-lineaire regressie, gebruik van Eq. (2) weergegeven in de inleiding.

Figuur 3 toont de vermindering in de hoogte-breedteverhouding van een typische frisse katalysator van dezelfde katalysator batch herhaaldelijk gedaald van verschillende hoogtes. Deze reeks toont duidelijk aan de line-out naar de asymptotische hoogte-breedteverhouding, Φ,∞ voor de daling van de verschillende hoogten dwz. verschillende severities te plaatsen. Beeckman16 blijkt dat het verschil in hoogte-breedteverhouding voor de daling van de grote hoogten kleiner wordt en kleiner als gevolg van het slepen door de lucht tijdens de val die vertraagt de versnelling van de extrudates en uiteindelijk bereikt de eindsnelheid voor grote daling hoogten. Het was ook te zien dat de extrudates volgt een tweede bestelling pauze wet, vandaar de vorm van de curve van de trend van de hoogte-breedteverhouding met het aantal opeenvolgende druppels. Figuur 4 toont de hoogte-breedteverhouding van de dezelfde katalysator zoals in Figuur 3 maar nu beginnen met zeer lange select katalysator strengen na een enkele botsing (elk gegevenspunt is gegenereerd op basis van een enkele extrudate). De solide symbolen vertegenwoordigen gemiddelden van de hoogte-breedteverhouding voor elke groep van soorten en maten. Dit toont de aanwezigheid van de tweede asymptote Φα en ook een waardering voor de foutbalk die betrokken is bij de lengte / diameterverhouding is ontleend aan een zeer beperkt aantal extrudates.

De impulsieve kracht die op de extrudate tijdens de botsing werkt kan worden gevonden door toepassing van de tweede wet van Newton. Het is aangetoond dat aan de asymptotische hoogte-/ breedteverhouding Φ∞, gelijkstelling van de kracht van de breuk aan de impulsieve force naar de volgende correlatie leidt:

Equation 3(3)

Met de genormaliseerde dimensieloze groep gegeven door:

Equation 4(4)

Waarbij σ, Ψ, p, D en g respectievelijk de katalysator elasticiteitsmodulus breuk, de katalysator vorm factor, de katalysator-dichtheid, de diameter van de katalysator en de zwaartekrachtsversnelling zijn. De genormaliseerde dimensieloze ernst van de impact S∞ kan worden uitgedrukt als:

Equation 5(5)

Waar is v die de botssnelheid, Δt de duur van de botsing en C is een botsing interactie factor. Verder is aangetoond dat voor een totaal van 25 katalysatoren van verschillende grootte, vorm en chemische make-up die werden getest in het drop-die in de aanpassing van de eerste, de groep test Equation 5b is in wezen een constante.

Breuk door stress in een vast bed:
Vijf katalysatoren die zijn vermeld in tabel 1 worden onderzocht met de bulk crush test voor verschillende druk. Onder een bepaalde druk, hier genoemd de kritische druk, voordoet geen wezenlijke verandering in de katalysator hoogte-breedteverhouding van het bed. Zodra de druk boven deze kritische waarde toeneemt, de katalysator-extrudate begint te breken en de hoogte-breedteverhouding in het bed past natuurlijk totdat de buigsterkte van het bed opnieuw kunnen weerstaan van de toegepaste spanning is. Een voorbeeld van een vergelijking van de experimentele resultaten en de voorspelde resultaten worden weergegeven in Figuur 5. Voorspelde waarden worden weergegeven als de solide curve en wordt verkregen door vanaf het begin hoogte-/ breedteverhouding Φ0 van de katalysator-extrudates en de resterende op die waarde totdat de kritische druk Pc is bereikt. Daarna, vermindert de waarde van de hoogte-breedteverhouding met de negatieve kracht van eenderde van de belasting-druk.

De methodologie om te vinden van de maximale toegestane belasting voor een bed om te weerstaan katalysator breuk maakt gebruik van een balans van de kracht van de lading aan de sterkte van het bed van katalysator op breuk.

Beeckman18 ziet u dat de hoogte-breedteverhouding van de katalysator in evenwicht met de kracht van de lading kan worden beschreven:

Equation 6(6)

Waarin Φ is de hoogte-breedteverhouding van de extrudate terwijl r een dimensieloze groep gegeven is door:

Equation 7(7)

Waarbij σ, is de absolute waarde van de breuk, s is dezelfde extrudate vorm factor wat betreft de botsing, en P is de stress. De waarde voor Ψ wordt bepaald door de verpakking bed en door het bed deeltje aan deeltje dwingen interacties en de auteurs geven een theoretische waarde van 61/6 of ongeveer 1.35 voor Ψ.

Om te samenvatten, als een bed van extrudates wordt geladen in de bulk-crush kracht test en een stress die p wordt toegepast, zal vervolgens de extrudates breken gedurende het hele bed onder de toegepaste stress P op een gemiddelde waarde gegeven door Eq. (6). Vandaar heeft een bed met een startende hoogte-/ breedteverhouding Φ0 een kritische druk Pc het kan weerstaan gegeven door:

Equation 8(8)

Katalysator Vorm D, diameter Φ0 , oorspronkelijke hoogte-breedteverhouding s, vorm factor Ρ, dichtheid Σ MOR PC, kritische stress
m (-) (-) kg m-3 MPa kPa
A QUADRULOBE 1.43E-03 3.18 2.20 1250 0.81 27,9
B CILINDER 9.50E-04 5.92 2,55 750 1,38 6.4
C CILINDER 8.30E-04 7,48 2,55 1870 2.83 6.5
D TRILOBE 2.89E-03 2.28 2.28 970 0.76 69,3
E CILINDER 1.55E-03 3.54 2,55 NB 1.37 39,7

Tabel 1: Katalysatoren en hun eigenschappen werkzaam in de bulk-verpletterende studie. Tabel 1 toont de eigenschappen van de katalysator en afgeleide stress eigenschappen waarmee voor de berekening van de vermindering van de hoogte-breedteverhouding tijdens compressie in de bulk-crush meting van de veldsterkte. Aangepast van Beeckman et al. 201718

Figure 1
Figuur 1 : Drie-punt buigen van een Extrudate van de katalysator door een externe kracht F. Schematische weergave van de katalysator en de positie van de kracht in het midden van de twee steunpunten voor de bepaling van de absolute waarde van de breuk. De hoeveelheid van de buiging is sterk overdreven. Volgens de theorie van de elasticiteit, de axiale stress is druksterkte bij de bovenkant van de extrudate en de axiale stress is trekvast aan de onderkant van de extrudate. Dus er is een as met nul stress en dit heet het zwaartepunt. Wanneer de treksterkte stress aan de onderkant de treksterkte van het materiaal of modulus van breuk bereikt, de extrudate breekt op de extreme vezel gelegen aan de onderkant en verspreidt zich zeer snel om te voltooien extrudate mislukking. Aangepast van Beeckman et al. 2016 16. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 : Impact van Extrudates op het oppervlak van een lege polycarbonaat. Hoge snelheid fotografie tonen van een opeenvolging van twee problemen van de extrudate van de katalysator tegen een oppervlak van polycarbonaat. Foto's zijn 0.1 ms naast elkaar. Aangepast van Beeckman et al. 2016 16. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 : De hoogte-breedteverhouding als een functie van de valhoogte en het aantal effecten. Hoogte-breedteverhouding als een functie van de valhoogte of ernst en het aantal effecten. Voor de daling van de hoge hoogten verandert de hoogte-breedteverhouding van asymptotische slechts weinig aangezien de extrudates hun eindsnelheid bereiken. Aangepast van Beeckman et al. 2016 15. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 : Hoogte-breedteverhouding na 1 druppel katalysator A met een grote oorspronkelijke hoogte-breedteverhouding. Hoogte-breedteverhouding na een druppel van extrudates die een grote hoogte-breedteverhouding voorafgaand aan de daling hebben. Voor dergelijke lange extrudates wordt de tweede asymptote duidelijk zichtbaar zelfs in aanwezigheid van aanzienlijke experimentele fout vanwege het beperkte aantal extrudates gebruikt. Aangepast van Beeckman et al. 2016 15. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5 : Katalysator hoogte-/ breedteverhouding versus belasting stress voor katalysator A. Vermindering van de hoogte-breedteverhouding als een functie van de belasting van de toegepaste spanning in de meting van de veldsterkte van het crush bulk volgens de methode ASTM D7084-04. De hoogte-breedteverhouding blijft constant tot de kritische druk is bereikt waarna de katalysator breekt aan kleinere en kleinere waarden als de druk toeneemt. Elk gegevenspunt is een aparte meting met verse katalysator vanaf het begin. Aangepast van Beeckman et al. 201718Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

Breuk door impulsief krachten als gevolg van de botsing:
De afname van de extrudate hoogte-breedteverhouding als gevolg van botsing tegen een oppervlak kan worden gemeten in een laboratorium valproef. In deze test, de extrudates worden vrijgegeven van een parachute, te vallen en te versnellen als gevolg van de zwaartekracht en ervaar ook slepen met de buitenlucht.

De hierboven beschreven methode is tot nu toe alleen beschikbaar zijn in de literatuur zoals beschreven in de Beeckman15,16. Tot voor kort, is de hoge graad van tediousness te maken van de handmatige metingen door remklauw voor een groot aantal extrudates waarschijnlijk een bijdragende factor hiervoor. De belichtingstijd naar ambient air en vandaar luchtvochtigheid tijdens en tussen de metingen moet worden geminimaliseerd. Indien nodig, moet het protocol voor de valproef kan worden uitgevoerd met een N2 zuivering of een zuivering van de droge lucht in de cilinder. Men kan er ook voor kiezen om te laten de katalysator equilibreer in de lucht 's nachts, alvorens enige metingen te maken van vocht pick-up minder een probleem. Het protocol en de methode die hier heeft het voordeel dat het oplevert snel de hoogte-breedteverhouding voor meer dan 100-300 extrudates en daarom duurt het allermeest naar de variabiliteit die met kleine steekproeven uit stelling kan worden waargenomen.

Het is belangrijk dat extrudates met een lengte / diameterverhouding minder dan eenheid worden verwijderd uit het monster aangezien de software van de stemerkenning vorm lengte en diameter van dergelijke stukken katalysator ten onrechte toewijzen kon. Vandaar is het ook belangrijk om te minimaliseren, en beter nog te elimineren het aantal dergelijke korte extrudates. Daarom is het aangeraden om te werken met extrudates die een voldoende grote hoogte-breedteverhouding aan het begin van de test hebben en ter beperking van de ernst van de gevolgen van de test.

Voor toekomstige werkzaamheden en vanuit een fundamenteel perspectief zou het zeer interessant om te bestuderen van de botsing van één extrudates als een functie van hun lengte, als een functie van de valhoogte, als een functie van de hoek van de gevolgen en als een functie van impulsmoment wil j ust een paar variabelen. Bij breuk, zal op zitten interessant zijn om te bepalen van de locatie van de breuk remvlak(ken) langs de lengte van de originele extrudate. Deze methode kan ook gelden voor materialen die niet zijn geëxtrudeerde maar die zijn eerder verkregen door op te drukken of voor sferische pellets en vandaar wellicht toepassingen voor de farmaceutische industrie en de levensmiddelenindustrie.

Breuk te wijten aan stress in een vast bed
De hierboven beschreven methode is tot nu toe alleen beschikbaar zijn in de literatuur zoals beschreven in de Beeckman18. Voor de bulk kreukelweerstand is het belangrijk te volgen van de standaard operationele protocol zoals wordt beschreven in ASTM D7084-04-17 om reden van herhaalbaarheid.

De belichtingstijd naar ambient air en vandaar luchtvochtigheid tijdens en tussen de metingen moet worden geminimaliseerd. Indien nodig, kan het protocol moeten worden uitgevoerd in een handschoenenkastje voor de toepassing van de kreukelweerstand bulk.

Zoals in het geval van botsing, kan deze methode ook toepasselijkheid op materialen die niet geëxtrudeerd maar eerder verkregen door te drukken in bolletjesvorm of voor sferische pellets verkregen via druipen of granulatie vinden.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs erkennen de hulp van Michael Pluchinsky met het werk van high-speed fotografie

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Le Page, J. F. Applied Heterogeneous Catalysis. , Institut Français du Pétrole publications, Éditions Technip. Paris. (1987).
  2. Woodcock, C. R., Mason, J. S. Bulk Solids Handling: An Introduction to the Practice and Technology. , Chapman & Hall. New York. (1987).
  3. Bertolacini, R. J. Mechanical and Physical Testing of Catalysts. ACS Symposium series. , Washington D.C. 380-383 (1989).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Li, Y., et al. Measurement and statistics of single pellet mechanical strength of differently shaped catalysts. Powder Technol. 113, 176-184 (2000).
  7. 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).
  8. Bridgwater, J. Chapter 3, Particle Breakage due to Bulk Shear. Handbook of Powder Technology, 1st ed. 12, Elsevier B. V. (2007).
  9. Heinrich, S. Multiscale Strategy to Describe Breakage and Attrition Behavior of Agglomerates. Frontiers in Particle Science & Technology Conference, Houston, TX. , Available from: www.aiche.org/conferences/frontiers-particle-science-and-technology (2016).
  10. Wassgren, C. Discrete Element Method Modeling of Particle Attrition. Frontiers in Particle Science & Technology Conference, Houston, TX. , Available from: www.aiche.org/conferences/frontiers-particle-science-and-technology (2016).
  11. Potyondy, D. Bonded-Particle Modeling of Fracture and Flow. Frontiers in Particle Science & Technology Conference, Houston, TX, 2016. , Available from: www.aiche.org/conferences/frontiers-particle-science-and-technology (2016).
  12. Potapov, A. Approaches for Accurate Modeling of Particle Attrition in DEM Simulations. Frontiers in Particle Science & Technology Conference, Houston, TX, 2016. , Available from: www.aiche.org/conferences/frontiers-particle-science-and-technology (2016).
  13. Carson, J. Particle Attrition: The Bane of many Industrial Plants - Problems, Solutions and Red Flags. Frontiers in Particle Science & Technology Conference, Houston, TX, 2016. , Available from: www.aiche.org/conferences/frontiers-particle-science-and-technology (2016).
  14. 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. , Hannover, Germany. (2017).
  15. 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).
  16. 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).
  17. ASTM D7084-04, Standard Test Method for Determination of Bulk Crush Strength of Catalysts and Catalyst Carriers. , ASTM International. Conshohocken, PA. Available from: www.astm.org (2004).
  18. 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).

Tags

Engineering stress kwestie 135 lengte / diameterverhouding hoogte-/ breedteverhouding te impulsief kracht in een vast bed een elasticiteitsmodulus breuk buigsterkte optische diameter
Voorspellende katalysator Extrudate breuk op basis van de absolute waarde van de breuk
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Beeckman, J. W. L., Fassbender, N.… More

Beeckman, J. W. L., Fassbender, N. A., Datz, T. E., Cunningham, M., Mazzaro, D. L. Predicting Catalyst Extrudate Breakage Based on the Modulus of Rupture. J. Vis. Exp. (135), e57163, doi:10.3791/57163 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter