Her præsenterer vi en protokol for at måle modulus af ruptur af en ekstruderet katalysator og brud på nævnte katalysator ekstrudater ved kollision mod en overflade eller ved kompression i en fast seng.
Den mekaniske styrke af ekstruderet katalysatorer og deres naturlige eller tvungen brud af enten kollision mod en overflade eller en trykstyrke belastning i en fast seng er vigtige fænomener i katalysator teknologi. Den mekaniske styrke af katalysatoren er målt her ved sin bøje styrke og bøjningsstyrke. Denne teknik er relativt nyt fra perspektiv for at anvende det for kommercielle katalysatorer af typiske størrelser anvendes i industrien. Katalysator brud af kollision mod en overflade måles efter et fald på ekstrudater gennem luften i et lodret rør. Kvantificere virkningen kraft er gjort teoretisk ved at anvende Newtons anden lov. Måling af katalysator brud skyldes stress i en fast seng er gjort efter den normale procedure for bulk crush styrkeprøve. Romanen her er fokus på måling reduktion i længden diameter af ekstrudater som en funktion af stress.
Katalysator fremstilling er rygraden, der understøtter den petrokemiske industri og beslægtede industrier. Kommercielle katalysatorer, se Le side1, typisk ekstruderes efter opskrifter, der er godt bevogtet forretningshemmeligheder eller har patenteret metoder til fremstilling. Typiske katalysator størrelser spænder fra 1 mm til ca 5 mm i diameter og kommer i forskellige former som en cylinder, en trilobe eller en quadrulobe sammen med en bred vifte af deres hule modparter. Mens diameter og tværsnit af ekstruderet katalysatorer er ofte meget godt kontrolleret, længden af enkelte ekstrudater har en mere Gaussisk som distribution og de individuelle længder typisk spænder fra omtrent den samme til en diameter til flere diametre. En undtagelse er ekstruderet katalysatorer for tilstrækkelig stor diameter, der tillader dem at blive skåret de frakørsel die ansigt, og disse har en meget strammere længde distribution. Længde fordelingen af de mindre 1 mm til 3 mm diameter ekstruderet katalysatorer, der er typiske for den petrokemiske industri er normalt fremstillet ved naturlig brud eller tvungen brud afhængigt af deres iboende styrke.
Le side1, Skovsneppe2, Bertolacini3, Wu4 og Li5 viser typiske katalysator egenskaber og snørklede af styrke målinger. Typiske styrke målinger i litteraturen og i kommercielle indstillinger består af den gennemsnitlige knuse styrken af enkelt ekstrudater og for størstedelen knuse styrken. Både styrke egenskaber er i brug for at bedømme, om en katalysator har tilstrækkelig styrke til at overleve lastning og bruge i processer. Ofte også er en udmattelseskrig test tilføjet til at bedømme katalysator udmattelseskrig modstanden i processen. Selv om en meget stor database findes i kommercielle planter på katalysator styrke og brug, er at oplysninger sjældent tilgængelige i den åbne litteratur. Også, mange af katalysator opskrifter er ad hoc og har været etableret efter mange forsøg og fejl. Modellering af dette aspekt af katalysator fremstillingsvirksomhed er stadig udfordrende at sige mildt.
Anvendt her er bøjningsstyrke af katalysator fra en måling af Euler-Bernoulli modulus for sprængning, som er typisk fremstillet i en tre-punkts bøjning test. Li6 og Staub7 kommentere bøjningsstyrke af katalysatorer, men deres arbejde er gjort på forholdsvis stor diameter ekstrudater og ingen direkte anvendelse gives til model katalysator brud. Den bøjningsstyrke er sjældent målt og rapporteret i litteraturen for typiske kommercielle katalysator størrelser. Yderligere, den bøjningsstyrke anvendes ofte ikke vejledning i katalysator fremstilling
Måling og modellering brud af katalysatorer, enten under fremstillingen eller under dets brug i processen er vanskelig. Ofte katalysator extrudate længde diameter forhold er modelleret baseret på empiriske metoder, der vedrører styrke via power love, men dette i mange tilfælde stadig har en stærk ad hoc-komponenten. Bridgwater8 giver et samlet overblik over partikel brud på grund af shear, men længden diameter af ekstrudater er uden for det kommercielle område af ekstrudater drøftes i dette dokument. Diskrete element metoder (DEM) og finite element metoder (FEM) nu også brugt til at undersøge brud af granulat og metoderne nærmer problem på et grundlæggende niveau. Reference er givet til Heinrich9, Wassgren10, Potyondy11, Potapov12, Carson13og Farsi14 for detaljer om denne tilgang. De metoder og teknikker anvendes heri forsøger at hjælpe med at forbedre modellering katalysator brud på grund af kollision via Newtons anden lov til at bestemme virkningen kraft og afbalancere dette med den styrke, udtrykt af Euler-Bernoulli modulus for sprængning. For brud af belastning stress i en fast seng, en balance mellem belastning kraft og bed bøjnings styrke er anvendt, og dette gør det muligt for at forudsige formatforholdet af sengen som en funktion af belastningen. Meget vigtigt er målemetoder selv, der skal anvendes under velkontrollerede omstændigheder, og dette aspekt er her i dette papir, detaljerede grundigt. For eksempel, er det velkendt, at catalyst styrke er stærkt påvirket, ved varmebehandling, der er anvendt og også i forhold til brug når katalysatoren kan afhente fugt. Højere varmebehandling temperaturer styrke typisk katalysator, mens høje fugt pick-up typisk svækker det. Det er derfor vigtigt at styrke er målt på en katalysator, der har set den passende varmebehandling og at fugt er kontrolleret, hvor det er nødvendigt for at gøre det repræsentative for brug af katalysatoren enten under fremstillingen eller under sin brug i processen. Lidt findes i den litteratur, der specifikt foranstaltninger og modeller længden diameter af katalysator ekstrudater, der er typiske for den petrokemiske industri. For nylig, Beeckman15,16 har brugt bøjning styrken af katalysator til at forudsige naturlige brud og tvungen brud på katalysatorer som følge af kollisionen. Her er der lagt særlig vægt på den katalysator højde-breddeforhold (L/D), der defineres som den aritmetiske middelværdi af længde diameter Fordelingerne af individuelle katalysator ekstrudater i en repræsentativ stikprøve. De eksperimentelle metoder beskrevet heri er relativt simple og grundlæggende studere og sammenligne eksperimentelle målinger med teoretiske behandlinger.
Modulus for sprængning (MOR) af katalysator er et mål for sin bøjning styrke. Leonhard Euler og Daniel Bernoulli udviklet den første teoretisk set sund tilgang til elastisk adfærd og styrke på brud tilbage i 1750’s. Figur 1 viser et skematisk af bøjning testen og brud kraft FRasmussen. I den konkrete sag af en cylindrisk extrudate kan modulus for sprængning beregnes ud fra:
(1)
Hvor σ kaldes modulus for sprængning og har dimensioner af stress (Pa). D står for diameteren af extrudate mens w er afstanden mellem de to support punkter. Den variable s form faktor og er lig med 8/π for en cylinder. En omfattende forklaring af de kræfter og belastninger ved hånden under eksperimentet, hvordan til at håndtere forskellige tværsnits figurer reference er givet til Beeckman16. Specifikt, er σ den trækstyrke stress på ruptur rettet vinkelret til tværsnit af extrudate og placeret på den yderste fiber i midten mellem de to support punkter.
Beeckman15 viser for kollision af en extrudate med en overflade, at to asymptoter eksisterer med hensyn til extrudate skærmformat. Den første asymptote kaldet Φ∞ nås på mange gentagne påvirkninger. Denne asymptotiske opførsel er let at forstå da, efter brud på kollision, kortere katalysatorer har mindre momentum og derfor opleve mindre kraft ved anslaget. På samme tid, kortere katalysatorer kræver også mere kraft til at bryde ud fra et perspektiv af drejningsmoment og dermed katalysatoren forventes at nå en asymptotiske skærmformat Φ∞ ved mange nedslag. Den anden asymptote kaldet Φα er nået efter en enkelt indvirkning, når ekstrudater er faldet, er tilstrækkelig lang. Lange ekstrudater har forholdsmæssigt mere momentum og pause ved den første anslaget i flere steder langs deres længde og højde-breddeforhold post kollision når den anden asymptote udpeget Φα. Begge asymptoter kan findes ved regression af kollision data, der måler skærmformat som en funktion af antallet af gentagne påvirkninger fra:
(2)
Hvor Φ0 er den oprindelige formatforhold og ΦJørgensen er aspect ratio, efter j dråber. Både parametre Φ∞ og Φα har en fysisk-mekanisk betydning, der er relateret til sværhedsgraden af virkningen og styrken af katalysatoren. Sværhedsgraden af virkningen kan varieres ved at variere faldhøjden selv for store drop højder katalysatoren tilgange terminal velocity og dermed sværhedsgraden vil niveau.
Partikel længde og partikel diameter er vigtige egenskaber af katalysatoren i løbet af sin fremstilling og brug. Størrelsen og formen af katalysator partikler også afgørende faktorer i deres pakning karakteristika og påvirke trykfald på tværs af katalysator seng. I tidligere dage, disse egenskaber var ofte målt i hånden og dette er en meget kedelig procedure. Nu, disse egenskaber kan let fås ved første optisk scanning en stor stikprøve af katalysator ekstrudater. Derefter, imaging software bruges til at bestemme enkelte partikelstørrelser. Dette giver mulighed for et stort antal partikler analyseres hurtigt og præcist, se Beeckman15. Disse systemer er tunet til effektivt at genkende og måle partikler med en diameter i størrelsesordenen 0,8 til 4,0 mm og længder, der kan være flere diametre lang. Denne metode bruger en “top down” visning af katalysator og dermed giver en “optisk” diameter. For visse figurer, skal pleje udøves, når sammenligne den optiske diameter med diameter værdier bestemmes manuelt med calipre.
Bulk crush styrkeprøve for katalysatorer og katalysator luftfartsselskaber, ASTM D7084-0417 anvendes heri er en accepteret standard testmetode. Katalysatoren er indlæst i en cylindrisk celle og pres (stress) anvendes typisk i området 5-1000 kPa og er tilladt til Reagensglasset. Efter hver trykpunkt er katalysatoren losset. Katalysator bøder er screenet fra prøven, katalysator og vejes mens hovedparten af katalysator prøven er riffled for at opnå en repræsentativ stikprøve til nøjagtigt at måle højde-breddeforhold. Mens den standard bulk knuse styrke testprocedure fokuserer på det beløb af bøder, der er oprettet for at måle katalysator styrke, dette manuskript fokuserer på reduktion af formatforholdet efter brud som en funktion af belastningen, se også Beeckman18 .
Brud af impulsiv styrker som følge af kollision:
Reduktion i extrudate aspekt forholdet på grund af kollision mod en overflade kan måles i et laboratorium drop test. I denne test, ekstrudater er frigivet fra en sliske, falder og fremskynde på grund af tyngdekraften og også opleve træk med den omgivende luft.
Metoden beskrevet ovenfor er indtil videre kun tilgængelig i litteraturen som beskrevet i Beeckman15,16. Indtil for nylig, er den høje grad af kedsomheden at foretage manuelle målinger af caliper for et stort antal ekstrudater sandsynligvis en medvirkende faktor til dette. Eksponeringstiden til omgivende luft og dermed luftfugtighed bør minimeres under og mellem målinger. Hvis det er nødvendigt, kan protokol for drop test skal udføres med en N2 udrensning eller en tør-air purge ind i cylinderen. Man kan også vælge at lade katalysatoren reagensglasset i luften natten over før der træffes nogen målinger gøre fugt pick-up mindre af et problem. Protokol og metode, her har den fordel, at det hurtigt giver formatforholdet for over 100-300 ekstrudater og dermed tager det meste af den variation, der kan observeres med små prøver ud af påstand.
Det er vigtigt, at ekstrudater med en længde diameter mindre end enhed fjernes fra stikprøven, da form anerkendelse software kunne tildele længde og diameter af sådanne katalysator stykker fejlagtigt. Derfor er det også vigtigt at minimere og endnu bedre at eliminere antallet af sådanne kort ekstrudater. Det anbefales derfor, at arbejde med ekstrudater, der har en tilstrækkelig stor skærmformat i begyndelsen af testen og begrænse virkningerne alvorligheden af testen.
For det fremtidige arbejde og fra et grundlæggende perspektiv, ville det være meget interessant at studere kollisionen af enkelt ekstrudater som funktion af deres længde, som funktion af faldhøjden, som en funktion af vinklen, indvirkning og som en funktion af impulsmoment at nævne Jørgensen Ust et par variabler. Efter brud, vil det være interessant at bestemme placeringen af brud overflade langs længden af den oprindelige extrudate. Denne metode kan også være relevant at materialer der ikke er ekstruderet men der snarere opnås ved at trykke på eller for sfæriske pellets og dermed kan have programmer for den farmaceutiske industri og levnedsmiddelindustrien.
Brud på grund af stress i en fast seng
Metoden beskrevet ovenfor er indtil videre kun tilgængelig i litteraturen som beskrevet i Beeckman18. For bulk knuse styrken er det vigtigt at følge standarden opererer protokol, som skitseret i ASTM D7084-0417 grund af repeterbarhed.
Eksponeringstiden til omgivende luft og dermed luftfugtighed bør minimeres under og mellem målinger. Hvis det er nødvendigt, kan protokollen skal udføres i en handskerummet for anvendelsen af bulk knuse styrken.
Som i tilfælde af kollision, kan denne metode også finde anvendelse på materialer, der er ikke ekstruderet men snarere fremstillet ved presning i pellet skema eller sfærisk pellets fremstillet via dryp eller granulering.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkender hjælp fra Michael Pluchinsky med høj hastighed fotografering arbejde
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 |