СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ИСТИРАЕМОСТИ НОСИТЕЛЯ ИЛИ КАТАЛИЗАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ИСТИРАЕМОСТИ
METHOD OF DETERMINING ABRASION FACTOR OF A CARRIER OR CATALYST AND A DEVICE FOR DETERMINING ABRASION FACTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и средствам определения физико-механических характеристик носителя или катализатора. В частности, изобретение относится к способу определения показателя истираемости и к устройству для определения показателя истираемости носителя или катализатора.
Уровень техники
Большинство промышленных процессов получения нефтехимических продуктов являются каталитическими. В процессе эксплуатации, катализатор, как правило, дезактивируется. При быстрой дезактивации катализатора, для обеспечения высокой производительности производства, используют принцип непрерывной регенерации катализатора. Процесс осуществляют таким образом, чтобы обеспечить постоянное перемещение гетерогенного катализатора из зоны реакции в зону регенерации. В процессе транспортировки катализатор подвергается различным и значительным механическим воздействиям: ударным, сдвиговым нагрузкам, что, в конечном итоге, приводит к постепенному истиранию катализатора. Учитывая, что от партии к партии даже у одного производителя показатель истираемости катализатора несколько отличается, для каталитических процессов необходим входной контроль для определения показателя истираемости катализатора. Знание показателя истираемости катализатора помогает спрогнозировать процесс, в частности, определить оптимальное время для регенерации или полной замены катализатора. Кроме того, знание показателя истираемости способствует предотвращению негативных последствий, которые могут возникнуть при использовании катализатора с высоким показателем истираемости в случае его несвоевременной замены. Знание показателя истираемости требуется не только для катализатора, но и, в некоторых случаях, для носителя. Например, при разработке новых катализаторов определение на начальном этапе истираемости носителя поможет сократить время и расходы на разработку катализатора, так как носители, обладающие высокой истираемостью, будут сразу исключены.
Перемещение катализатора из зоны реакции в зону регенерации осуществляют двумя основными способами, при этом выбор способа перемещения зависит от размера катализатора. Для пылевидного катализатора, имеющего размеры от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,18 мм, используют перенос потоком реакционной среды в кипящем слое. Катализатор, имеющий размеры от приблизительно 0,18 до приблизительно 20 мм, транспортируют по специальным транспортным линиям за счет пневматического подъема вверх (здесь и далее под размером понимается диаметр, в случае сферических частиц катализатора, и значение наибольшего геометрического параметра (высота цилиндра, внешний диаметр кольца и т.д.) в случае частиц более сложной формы). Вниз катализатор транспортируется под действием гравитации.
Одним из стандартизованных способов определения показателя истираемости носителей или катализаторов является проведение определения показателя истираемости согласно ASTM D4058-96 «Attrition and Abrasion of Catalysts and Catalyst Carriers/Истирание и износ катализаторов и носителей катализаторов». Определение показателя истираемости проводят в цилиндрическом барабане, оснащенном одиночной перегородкой, в который помещают образец осушенного носителя или катализатора. Барабан вращают со скоростью 60±5 об/мин. После совершения 1800 оборотов, барабан останавливают, образец выгружают и просеивают через сито с размером пор 0,85 мм, разделяя истертый носитель или катализатор на две фракции. Показатель истираемости определяют как относительную разницу между начальной массой образца и массой образца, которая осталась на сите после просеивания. Достоинством такого способа определения показателя истираемости является его универсальность: способ применяют для таблеток, экструдатов, сфер, а также для носителей или катализаторов неправильной формы, имеющим размеры от 1,6 до 19 мм. Недостатком данного способа является налипание образца на барабан, что приводит к искажению результата определения. Кроме того, определение показателя истираемости в барабане не имитирует процессы транспортировки катализатора в промышленных условиях. Таким образом, показатель истираемости носителя или катализатора в барабане будет сильно отличаться от показателя истираемости носителя или катализатора в аэродинамических условиях, которые применяются в промышленности.
Другим способом определения показателя истираемости носителей или катализаторов является определение показателя истираемости в струйных мельницах или в так называемых устройствах «jet cup/реактивная чаша» согласно ASTM D5757-11 «Determination of Attrition of FCC Catalysts by Air Jets/ Определение истираемости катализаторов FCC воздушными струями». Определение показателя истираемости проводят в устройстве, имеющем цилиндрическую часть, оснащенную двумя соплами, расположенными друг напротив друга, камеру (расширенную часть) и два коллектора пыли. Катализатор, имеющий размеры от 0,01 до 0,18 мм и влажность 30-40%, помещают в цилиндрическую часть устройства и начинают продувать устройство через сопла со скоростью 10 л/мин. Катализатор поднимается струей воздуха вверх в камеру, затем «оседает» на стенках камеры и под действием гравитационных сил устремляется вниз, где опять подхватывается струей воздуха. Через один час после начала испытания заменяют один коллектор пыли на другой. Через 5 часов после начала испытания продувание останавливают, катализатор выгружают и определяют показатель истираемости как относительную разность между массой загруженного катализатора и массой выгруженного катализатора. Устройства типа «jet cup», их различные конструкции, преимущества и недостатки конструкций описаны, например, в Соссо et al.: Particle attrition measurements using a jet cup//New Paradigm in Fluidization Engineering: The 13th International Conference on Fluidization. - Korea, 2010. - Art 17. Общим недостатком струйных мельниц является ограничение по максимальному размеру частиц катализатора, который составляет 0,18 мм. Кроме того, катализатор перед испытанием требуется увлажнить до 30-40% и условия определения показателя истираемости катализатора по ASTM D5757-11 соответствуют режиму кипящего слоя, в то время как в промышленности катализатор не увлажнен и режим перемещения отличается для катализаторов размерами от приблизительно 0,19 до приблизительно 20 мм от режима кипящего слоя по своим сдвиговым и ударным нагрузкам. Таким образом, показатель истираемости катализатора, измеренный в соответствии с ASTM D5757-11, и показатель истираемости катализатора в промышленных условиях будут значительно отличаться.
Из источника Бондаренко Б.И. и др. Каталитический крекинг. - М.: ГОСТОПТЕХИЗДАТ, 1956, - С. 168 известен способ определения показателя истираемости с использованием так называемого «эйрлифтного» или «газолифтного» аппарата (Фиг. 1). Струю воздуха, проходящего через реометр 6, подают в нижнюю часть аппарата через сопло 5, частицы катализатора поднимаются вверх по трубке пневмоподъемника 3. Затем, поднявшись вверх, катализатор ударяется об ударную пластинку 1 и падает в пространство между трубкой пневмоподъемника 3 и кожухом 4. После того, как катализатор достигнет дна, струя воздуха вновь поднимает катализатор вверх. Определение показателя истираемости катализатора проводят в течение 15 минут, после чего катализатор выгружают, просеивают и определяют показатель истираемости как относительную разность между массой загруженного катализатора и массой выгруженного катализатора.
Недостатком данного способа является тот факт, что способ имитирует в большей степени ударные нагрузки, нежели сдвиговые, по причине наличия отбойной поверхности. Режим движения катализатора в данном устройстве отличается от режима транспортировки катализатора путем пневматического подъема в транспортных линиях промышленных установок. Еще одним недостатком данного способа является сложная конструкция устройства для определения показателя истираемости, так как в процессе происходит налипание катализатора на стенки устройства, что влияет на значение ударных нагрузок. Таким образом, необходимо удаление катализатора с предыдущих испытаний, что затруднительно осуществить ввиду сложности конструкции. Кроме того, для подъема катализатора и его «перемещения» в кожух требуются значительные скорости подачи воздуха.
Наиболее близкими настоящему изобретению по конструкции устройства для определения показателя истираемости является устройство ATTRI-AS/MFC, производимое компанией Ма. Тес. Materials Technologies, а также аналогичное устройство для определения показателя истираемости катализатора, производимое компанией Vinci Technologies. Данные устройства представляют собой стеклянные трубки, которые имеют вверху расширения. В нижнюю часть стеклянной трубки подается воздух, который поднимает носитель или катализатор вверх таким образом, что в некотором объеме расширения устройства создается кипящий слой. Расчет показателя истираемости также определяется как относительная потеря массы катализатора после испытания.
Одним из недостатков таких способов определения показателя истираемости является то, что максимальный размер носителя или катализатора должен составлять не более 0,18 мм. Для определения показателя истираемости носителя или катализатора большего размера необходимо подавать в установку воздух с большим расходом, что приведет к высоким энергозатратам. Кроме того, условия определения показателя истираемости моделируют режим кипящего слоя, который по своим нагрузкам существенно отличается от режима пневматического подъема, который используется для перемещения катализатора, имеющего размеры от приблизительно 0,18 до приблизительно 20 мм. Следовательно, показатель истираемости, измеренный в вышеуказанных устройствах, будет существенно отличаться от показателя истираемости катализатора, определенного в условиях пневматического подъема.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка универсального способа и устройства для определения показателя истираемости носителя или катализатора, позволяющего имитировать аэродиманические условия (сдвиговые и ударные нагрузки) близкие к промышленным условиям пневматического подъема носителя или катализатора.
Техническим результатом настоящего изобретения является простота и воспроизводимость способа и устройства определения показателя истираемости носителя или катализатора в аэродиманических условиях, близких к промышленным. Простота способа определения показателя истираемости обуславливается простотой конструкции устройства для определения показателя истираемости носителя или катализатора, позволяющей в короткие сроки и в отсутствие высоких энергозатрат определить показатель истираемости для широкого диапазона размеров (от приблизительно 0,18 до приблизительно 20 мм) носителей или катализаторов без налипания пыли носителя или катализатора на стенках устройства и, следовательно, искажения результата. Способ определения показателя истираемости по изобретению имитирует аэродиманические условия (сдвиговые и ударные нагрузки) близкие к промышленным условиям пневматического подъема носителя или катализатора, что позволяет максимально спрогнозировать истираемость катализатора в промышленных установках.
Задача настоящего изобретения решается, и технический результат достигается за счет определения показателя истираемости носителя или катализатора в устройстве, представляющем собой вертикальную трубку постоянного диаметра, необязательно имеющую расширение в верхней части, в режиме пробкового слоя, т.е. в режиме, при котором частицы носителя или катализатора движутся в устройстве как единое тело (пробка, поршень).
Режим пробкового слоя организуется в вертикальной трубке постоянного диаметра в диапазонах отношений следующих параметров:
1) размера носителя или катализатора к внутреннему диаметру трубки,
2) высоты слоя носителя или катализатора до подачи газа к внутреннему диаметру трубки,
3) плотностей частиц носителя или катализатора и линейных скоростей газового потока в трубке.
Настоящее изобретение, в отличие от устройств известных из уровня техники, позволяет определить истираемость носителя или катализатора в условиях пневматического подъема, используемого для транспортировки катализатора, в широком диапазоне размеров носителя или катализатора. В частности, способ определения истираемости носителя или катализатора по настоящему изобретению позволяет определить показатель истираемости для образцов, имеющих размеры от приблизительно 0,18 до приблизительно 20 мм независимо от формы истираемого носителя или катализатора.
Показатель истираемости носителя или катализатора согласно настоящему изобретению определяют следующим образом:
1. Взвешивают испытуемый образец носителя или катализатора;
2. Помещают испытуемый образец носителя или катализатора в устройство по настоящему изобретению;
3. Устанавливают расход газа в устройстве при помощи регулятора расхода газа в зависимости от массы образца таким образом, чтобы обеспечить режим пробкового слоя;
4. Прекращают подачу газа в устройство по истечении времени испытания образца носителя или катализатора путем перекрывания регулятора расхода газа;
5. Извлекают образец после проведения испытания и взвешивают. Показатель истираемости определяют как относительную разницу между массой загруженного образца и массой выгруженного после испытания образца.
Таким образом, согласно первому аспекту изобретения предлагается способ определения показателя истираемости носителя или катализатора, включающий следующие стадии:
a) взвешивание истираемого носителя или катализатора;
b) помещение истираемого носителя или катализатора в устройство, представляющее собой вертикальную трубку постоянного диаметра, содержащую систему подачи потока газа;
c) истирание носителя или катализатора путем подачи газа в нижнюю часть вертикальной трубки;
d) прекращение истирания;
e) выгрузку катализатора или носителя из устройства;
f) взвешивание подвергнутых истиранию носителя или катализатора,
g) определение показателя истираемости носителя или катализатора путем сравнения значения масс носителя или катализатора, полученных со стадий а) и f)
при этом подачу газа в нижнюю часть вертикальной трубки осуществляют с линейной скоростью от приблизительно 0,1 до приблизительно 20 м/с, и используют вертикальную трубку с отношением внутреннего диаметра трубки к размеру носителя или катализатора от 3:1 до 100:1, отношением высоты трубки к внутреннему диаметру трубки от 30:1 до 100:1, отношением высоты слоя носителя или катализатора до подачи потока газа к внутреннему диаметру трубки устройства от 5:1 до 15:1.
Носитель или катализатор согласно настоящему изобретению представляет собой частицы с размером от 0,18 до 20 мм, предпочтительно от 1 до 10 мм, наиболее предпочтительно от 1,5 до 5 мм, где под размером понимается диаметр, в случае сферических частиц носителя или катализатора, и значение наибольшего геометрического параметра (высота цилиндра, внешний диаметр кольца и т.д.) для частиц более сложной формы. Определение показателя истираемости для частиц меньшего размера не требуется, т.к. для таких катализаторов в промышленности используют перемещение в режиме кипящего слоя, отличающегося по своим аэродинамическим условиям от режима, имитируемого в настоящем изобретении. Для носителей или катализаторов большего размера определение показателя истираемости также нецелесообразно, так как такие катализаторы, как правило, не перемещают путем пневматического подъема. Носитель или катализатор представляет собой твердые частицы произвольной формы, предпочтительнее сферической формы.
3
3
3
Катализатор согласно настоящему изобретению может представлять собой как нанесенные на инертный носитель активные компоненты, так и катализаторы, полностью выполненные из активного компонента (катализаторы без носителя). Истинная плотность (т.е. плотность без учета пор и пустот) носителя или катализатора составляет от 100 до 10000 кг/м, предпочтительно от 500 до 700 кг/м, наиболее предпочтительно от 1000 до 5000 кг/м.
Предпочтительно испытуемые носитель или катализатор перед проведением испытания прокаливают для удаления влаги, так как в условиях промышленной установки катализатор обезвожен.
Потенциально способ определения показателя истираемости согласно настоящему изобретению применим для любых твердых частиц.
Взвешивание частиц носителя или катализатора предпочтительно проводят с точностью до 0,0001 г для получения наиболее точного результата.
Масса образца носителя или катализатора зависит от размера носителя или катализатора и, в общем случае, для частиц, размером от 0,18 до 20 мм, может составлять от приблизительно 1 до приблизительно 10000 граммов. Предпочтительно масса образца для размера частиц от 1 до 5 мм составляет от приблизительно 5 до приблизительно 1000 граммов, наиболее предпочтительно от приблизительно 10 до приблизительно 100 граммов.
Время испытания согласно настоящему изобретению определяется твердостью частиц носителя или катализатора, от которой, в свою очередь, прямо пропорционально зависит истираемость. С учетом желательной точности измерения навески образца 0,0001 г и характерной навески образца, например, 30 г, для надежного измерения показателя истираемости образца достаточно будет в процессе истирания потерять 0,1% массы образца, что составляет 0,3 грамма. Время истирания выбирается опытным путем, и зависит от нескольких параметров, среди которых: твердость частиц образца, навеска образца и точность взвешивания навески. Таким образом, при имеющихся точностях взвешивания и навесках 20-50 г, время определения может составлять, в зависимости от твердости, от 3 до 120 часов, как правило, частицы, подвергающиеся пневматическому подъему, делают твердыми, поэтому предпочтительно, время тестирования составляет от 20 до 100 часов, наиболее предпочтительно от 40 до 70 часов.
Газ, использующийся в способе определения показателя истираемости носителя или катализатора, может иметь любой состав в зависимости от условий промышленного процесса и инертный в условиях определения показателя истираемости. Для определения показателя истираемости предпочтительно используют осушенный азот. Добавление каких-либо реагентов в газ, например, паров воды выше точки росы при условиях эксперимента, позволит определить показатель истираемости во влажной среде.
Изменение температуры газа допускается для проведения экспериментов по определению показателя истираемости при повышенных/пониженных температурах, и ограничено только термостойкостью материала, из которого изготовлена установка.
В способе согласно настоящему изобретению предпочтительно используют вертикальную трубку постоянного диаметра, имеющую расширение в верхней части. Предпочтительно отношение внутреннего диаметра расширения, расположенного в верхней части трубки, в своей самой широкой части к внутреннему диаметру вертикальной трубки составляет от 2:1 до 4:1.
Предпочтительно используют вертикальную трубку постоянного диаметра, снабженную системой распределения потока газа.
Предпочтительно используют вертикальную трубку постоянного диаметра, снабженную фильтрующей системой
Предпочтительно отношение высоты расширения, расположенного в верхней части трубки, к высоте трубки составляет от 0,2 до 0,3.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для определения показателя истираемости носителя или катализатора, представляющее собой вертикальную трубку постоянного диаметра и содержащую систему подачи потока газа, при этом отношение внутреннего диаметра вертикальной трубки к размеру носителя или катализатора составляет от 3:1 до 100:1, а отношение высоты вертикальной трубки к внутреннему диаметру трубки составляет от 30:1 до 100:1.
За счет заявленных отношений обеспечивается возможность достижения режима пробкового слоя.
Устройство может использоваться для определения истираемости катализатора или носителя с размером от 0,18 до 20 мм, предпочтительно от 1 до 10 мм, наиболее предпочтительно от 1,5 до 5 мм.
Предпочтительно устройство согласно изобретению можно использовать для определения истираемости катализатора или носителя, выполненных в виде сферы.
Предпочтительно устройство согласно изобретению используют для определения истираемости катализатора или носителя с истинной плотностью от 100 до 10000 кг/м3, предпочтительно истинной плотностью от 500 до 7000 кг/м3, наиболее предпочтительно от 1000 до 5000 кг/м3.
Предпочтительно вертикальная трубка постоянного диаметра имеет расширение в верхней части.
Предпочтительно в вертикальной трубке отношение внутреннего диаметра расширения, расположенного в верхней части трубки, в своей самой широкой части к внутреннему диаметру вертикальной трубки составляет от 2:1 до 4:1.
Предпочтительно вертикальная трубка имеет отношение высоты расширения, расположенного в верхней части трубки, к высоте трубки от 0,2 до 0,3.
Предпочтительно система подачи газа представляет собой регулятор расхода газа или кран тонкой регулировки потока газа.
Предпочтительно устройство согласно изобретению оснащено системой распределения газа.
Предпочтительно система распределения газа представляет собой сетчатый пыж или пористую губку.
Устройство может быть оснащено фильтрующей системой, которая может представлять собой сетчатые пыжи, барботеры, циклоны или пылеуловители.
Предпочтительно вертикальная трубка выполнена из материала, имеющего большую твердость, чем материал испытуемого носителя или катализатора. Более предпочтительно вертикальная трубка и расширение трубки выполнены из материала, имеющего большую твердость, чем материал испытуемого носителя или катализатора.
Вертикальная трубка может быть выполнена из стекла. Предпочтительно вертикальная трубка и расширение трубки выполнены из стекла.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 приведена схема установки для определения показателя истираемости, где 1 - ударная пластинка, 2 - решетка, 3 - трубка пневмоподъемника, 4 - кожух, 5 - сопло, 6 - реометр.
На Фиг. 2 приведена схема движения носителя или катализатора в вертикальной трубке постоянного диаметра в различных поддиапазонах режима пробкового слоя I, II, III, IV, V, где а - неподвижный слой катализатора до начала испытания, b - слой носителя или катализатора в момент начала испытания, с - первый пробковый слой, d - начало осыпания первого пробкового слоя с, е - одиночная полость (пространство), f - второй пробковый слой, образованный частицами d, g и h - слой частиц носителя или катализатора, представляющий собой разрыхленный слой с.
На Фиг. 3 представлена схема установки для определения показателя истираемости носителя или катализатора согласно настоящему изобретению, где 7 - вертикальная трубка с расположенным в верхней части расширением, 8 - абсорбер, 9 - регулятор расхода газа, 10 - система распределения газа, 11 - фильтрующая система.
На Фиг. 4 представлен график зависимости высоты подъема слоя носителя от линейной скорости потока газа для различных навесок образца (размер носителя - 1,6 мм, внутренний диаметр трубки - 18 мм).
На Фиг. 5 представлен график зависимости относительного удлинения слоя носителя от линейной скорости потока газа для различных навесок образца (размер носителя - 1,6 мм, внутренний диаметр трубки - 18 мм).
На Фиг. 6 представлен приблизительный расчет пороговой скорости газового потока для перехода в режим кипящего слоя для сферических частиц различных диаметров в зависимости от их истинной плотности. Точкой на графике показан расчет для экспериментального образца (размер частиц 1,6 мм).
На Фиг. 7 представлен график зависимости относительной потери массы образца от времени проведения испытания.
Осуществление изобретения
Далее приводится подробное описание различных аспектов и вариантов реализации настоящего изобретения, которые носят примерный и пояснительный характер и не ограничивают его.
Как уже было сказано выше, определение истираемости носителя или катализатора проводят согласно настоящему изобретению в режиме пробкового слоя. Режим пробкового слоя организуется в вертикальной трубке постоянного диаметра в диапазонах отношений следующих параметров:
1) размера носителя или катализатора к внутреннему диаметру трубки,
2) высоты слоя носителя или катализатора до подачи газа к внутреннему диаметру трубки,
3) плотностей частиц носителя или катализатора и линейных скоростей газового потока в трубке.
В условиях диапазонов отношений параметров 1-2 при продувании слоя носителя или катализатора а (Фиг. 2, поддиапазон I) происходит движение носителя или катализатора с образованием слоя b (Фиг. 2, поддиапазон II), затем, при достижении линейной скорости, соответствующей диапазону отношений параметров 3, происходит образование одиночных полостей (пространств) е в слое носителя или катализатора c-f (Фиг. 2, поддиапазон III). При этом полость е оказывается ограничена внешними стенками трубки, за счет чего происходит вытеснение вышележащего фрагмента слоя носителя или катализатора силой, создаваемой перепадом давлений газа под и над слоем носителя или катализатора, которая двигает фрагмент слоя вверх, как единое тело (пробка, поршень). При этом, происходит постепенное разрушение фрагмента с за счет ссыпания отдельных частиц d носителя или катализатора с нижней стороны фрагмента слоя с. За счет этого формируется следующий нижележащий фрагмент f и цикл повторяется.
Линейная скорость движения подаваемого газа является варьируемым параметром и задается в эксперименте для достижения области параметров пробкового слоя.
Линейная скорость влияет на высоту подъема слоя носителя или катализатора в режиме пробкового слоя как представлено на Фиг 4. Так, при увеличении линейной скорости потока, высота подъема увеличивается по сложной зависимости. Абсолютное значение высоты подъема зависит, кроме того, и от исходной загрузки носителя или катализатора (от высоты слоя в неподвижном состоянии) и увеличивается пропорционально высоте исходного слоя. Пересчет абсолютной высоты поднятия слоя к относительному удлинению проводят по формуле:
где Н - высота слоя образца в отсутствие подачи газа, h - высота подъема образца.
Как видно из Фиг. 5, относительное удлинение слоя носителя или катализатора не зависит от массы образца при фиксированных и определенных значениях плотности частицы, размера носителя или катализатора и внутреннего диаметра трубки. Таким образом, диапазон параметров существования режима пробкового слоя определяется только отношением размера носителя или катализатора к диаметру трубки и плотностью частиц. Диапазон существования пробкового слоя подразделяется на четыре поддиапазона, как видно из графика зависимости на Фиг. 5. Схематически, движение катализатора в данных поддиапазонах изображено на Фиг. 2.
На Фиг. 5. приведены пороговые значения линейной скорости потока при переходе в режим кипящего слоя в зависимости от плотности частиц и от их размера. Расчет пороговой скорости проводился по формуле:
s
g
где D - размер носителя или катализатора, g - ускорение свободного падения, ρ - плотность материала частиц носителя или катализатора, ρ - плотность газовой среды.
Определения показателя истираемости в режиме пробкового слоя нужно, чтобы значения линейных скоростей потока были ниже значений на расчетных кривых, приведенных на Фиг. 5, при соответствующих характеристиках образца (размер, плотность).
Таким образом, для организации пробкового слоя достаточен диапазон линейных скоростей газа от приблизительно 0,1 до приблизительно 20 м/с. При этом, для мелких частиц, размером около 1 мм, предпочтительны скорости потока от 0,1 до 20 м/с, более предпочтительно от 1 до 10 м/с и наиболее предпочтительно от 1,5 до 5 м/с, Для частиц среднего размера, около 2 мм предпочтительны скорости потока от 0,1 до 20 м/с, более предпочтительнее от 1 до 15 м/с, наиболее предпочтительно от 2 до 7 м/с. Для крупных части, размером около 5 мм и более предпочтительны скорости потока от 1 до 20 м/с, более предпочтительнее от 1,5 до 20 м/с и наиболее предпочтительно от 2 до 10 м/с.
Как показано на Фиг. 2 при линейной скорости воздуха выше определенного значения, слой носителя или катализатора из неподвижного состояния переходит в состояние расширения (поддиапазон II). В данном режиме происходит удлинение слоя без нарушения его целостности, при этом снижается газодинамическое сопротивление слоя. В этом режиме расширение слоя носителя или катализатора зависит, приблизительно линейно от линейной скорости потока газа (Фиг 4, 5).
После превышения пороговой величины линейной скорости газа, возникает разрыв слоя носителя или катализатора (поддиапазон III). При этом верхний фрагмент слоя начинает разрушаться, осыпаясь с нижней стороны на нижележащий фрагмент. Одновременно с этим, верхний слой постепенно продвигается вверх, силой, создаваемой перепадом давлений газа над и под фрагментом (Фиг. 2). Путь, пройденный верхним фрагментом, определяется временем его разрушения (осыпания) и скоростью продвижения. Скорость продвижения определяется силой, которая зависит в данном поддиапазоне линейно от скорости газа, то есть, от величины перепада давлений над и под слоем. Таким образом, в поддиапазоне III высота поднятия слоя носителя или катализатора зависит линейно от скорости потока газа, однако, угол наклона линии зависимости выше угла наклона в поддиапазоне II (Фиг. 4, 5).
При дальнейшем увеличении линейной скорости газа образующийся верхний фрагмент слоя начинает разрежаться и удлиняться так, что его газодинамическое сопротивление снижается (поддиапазон IV). Соответственно, перепад давлений над и под фрагментом перестает расти линейно от линейной скорости потока. Это приводит к снижению темпа роста пройденного фрагментом пути от линейной скорости потока газа, и на графике зависимости высоты поднятия слоя носителя или катализатора наблюдается перегиб (Фиг. 4, 5).
В поддиапазоне V вышеперечисленное поведение, указанное в поддиапазоне IV, распространяется и на следующий, нижележащий фрагмент слоя носителя или катализатора. Второй фрагмент также удлиняется (разрежается) и продвигается вверх. Такое поведение приводит к тому, что, первый фрагмент, разрушаясь, и осыпаясь, поддерживает существование второго фрагмента, на верхнюю границу которого насыпаются частицы носителя или катализатора. Таким образом, эффективное время разрушения фрагментов возрастает, что приводит к значительному увеличению высоты подъема слоя. Дальнейшее увеличение линейной скорости потока ведет к постепенному включению в цикл третьего и последующих фрагментов так, что истирание носителя или катализатора происходит наиболее эффективно.
3
При дальнейшем росте линейной скорости потока будет происходить переход режима в кипящий слой в виде отдельных частиц (диапазон VI), что отражено на Фиг. 5. Переход в режим кипящего слоя в виде отдельных частиц нежелателен, так как такой режим не имитирует движение катализатора в транспортных линиях промышленных установок, включающих пневматический подъем. Например, для катализатора, имеющего размеры 1,6 мм и плотность 1400 кг/м, переход в режим кипящего слоя должен происходить при линейных скоростях потока более 7,8 м/с.
Устройство для определения показателя истираемости согласно настоящему изобретению представляет собой вертикальную трубку постоянного диаметра, необязательно имеющую расширение в верхней части, содержащую системы подачи и распределения потока газа, фильтрующую систему. Для того, чтобы режим определения показателя истираемости соответствовал режиму пробкового слоя, необходимо соблюдение соотношений между размером носителя или катализатора и внутренним диаметром трубки устройства, высоты слоя носителя или катализатора и внутренним диаметром трубки, плотностями носителя или катализатора и линейных скоростей газового потока в трубке.
В общем виде, отношение размера носителя или катализатора к внутреннему диаметру трубки устройства составляет от 1:3 до 1:100, предпочтительно от 1:4 до 1:80, более предпочтительно от 1:5 до 1:60, еще более предпочтительно от 1:6 до 1:50, наиболее предпочтительно от 1:7 до 1:20.
Отношение высоты трубки к внутреннему диаметру трубки составляет от 10:1 до 1000:1, предпочтительно от 20:1 до 200:1, наиболее предпочтительно от 30:1 до 100:1.
Согласно настоящему изобретению в верхней части вертикальной трубки устройства необязательно расположено плавное коническое расширение, с диаметром наиболее широкой части, примерно в 2-4 раза больше внутреннего диаметра трубки устройства. Данное расширение нужно для предотвращения выхода пробкового слоя за пределы устройства за счет его быстрого разрушения в расширении, если этого не произошло за время подъема слоя по трубки. Попав в расширение, пробковый слой становится более не ограниченным внутренними стенками трубки и быстро разрушается, рассыпаясь на отдельные частицы, которые по отдельности падают вниз. Высота расширения составляет от 0,2 до 0,3 высоты трубки. Расположение в верхней части трубки расширения способствует более быстрому распаду пробкового слоя, что позволяет использовать трубку с меньшей высотой.
В Таблице 1 приведены характерные параметры геометрии установки в зависимости от размера носителя или катализатора.
Материал, из которого изготавливается вертикальная трубка согласно настоящему изобретению, выбирают из инертного по отношению к газу и испытуемому носителю или катализатору материала, обладающему твердостью более высокой, чем твердость испытуемого носителя или катализатора. Использование материала для изготовления устройства с меньшей твердостью, чем испытуемый катализатор или носитель, приведет к деформации трубки устройства, что, в свою очередь, не позволит организовать режим пробкового слоя в устройстве. Предпочтительным материалом для изготовления устройства является стекло, так как стекло термически устойчиво, поддается формованию и обладает высокой твердостью.
Согласно настоящему изобретению, устройство, представляющее собой вертикальную трубку постоянного диаметра, снабжено отверстием для введения потока газа, расположенным внизу трубки. Согласно одному из вариантов настоящего изобретения устройство снабжено системой распределения потока входящего газа, для организации однородного по радиальной координате фронта движения потока. Например, устройство может содержать в качестве системы распределения сетчатый пыж (прокладку), либо пористую губку.
Для предотвращения закупорки расширения устройства в случае определения показателя истираемости носителя или катализатора с шероховатой поверхностью опционально может быть предусмотрен источник вибрации, который располагают в верхней части установки непосредственно у расширения. Источник вибрации может быть выполнен, например, в виде вибромотора. Источник должен обеспечивать разрушение пробкового слоя, в случае его застревания в расширении. Амплитуда вибраций подбирается опытным путем. Частота может быть в звуковом диапазоне от 20 до 20000 Гц, так и, опционально, в ультразвуковом, при наличии соответствующего дешевого источника акустических колебаний.
Согласно настоящему изобретению устройство для определения показателя истираемости носителя или катализатора может включать абсорбер для улавливания пыли, образующейся в ходе испытания.
Согласно настоящему изобретению устройство для определения показателя истираемости носителя или катализатора включает фильтрующую систему, представляющую собой сетчатый пыж, барботер, циклон или пылеуловитель.
Устройство для определения показателя истираемости содержит систему подачи газа, представляющую собой регулятор расхода газа или кран тонкой регулировки потока, предпочтительно регулятор расхода газа. Расход газа зависит от параметров (размера и плотности) испытуемого носителя или катализатора.
Изобретение поясняется более подробно на Фиг. 4, на которой представлена установка для определения показателя истираемости носителя или катализатора. Представленная на Фиг. 4 схема является примером осуществления настоящего изобретения и не ограничивает его конкретными деталями данного раскрытия.
Дополнительно настоящее изобретение более конкретно поясняется в приведенных ниже примерах. Эти примеры приведены только для иллюстрации настоящего изобретения и не ограничивают его.
3
Примеры 1-4: Определение показателя истираемости сферического носителя с размером 1,6 мм и плотностью 1400 кг/м.
1. Испытуемый образец сферического носителя, представляющий собой оксид алюминия, взвесили с точностью до 0,0001 г;
2. Далее испытуемый образец сферического носителя поместили в устройство для определения показателя истираемости согласно настоящему изобретению;
3. Начали испытание образца носителя путем увеличения расхода газа, в качестве которого использовали азот, от 200 л/ч до 1680 л/ч с шагом, представленным в Таблице 3, таким образом, чтобы при каждом значении расхода установка работала от 2 до 3 минут. Во время испытания проводили измерение линейной скорости и высоты подъема носителя. Параметры измерений расхода газа, линейной скорости и высоты подъема приведены в Таблице 2;
4. По истечении времени испытания образца носителя прекратили подачу газа в устройство путем перекрывания регулятора расхода газа;
5. После проведения испытания образец извлекли и взвесили до 0,0001 г. Показатель истираемости носителя рассчитывали как относительную разницу между массой загруженного образца и массой выгруженного после испытания образца. Значения показателя истираемости представлены в Таблице 3.
Пример 5: Определение показателя истираемости сферического катализатора с различными размерами и плотностью.
Согласно настоящему изобретению, катализатор, показатель истираемости которого измеряют, может быть любым катализатором, вне зависимости от содержания и способа получения, и ограничивается только значением размера и истиной плотности, указанных в описании.
3
Определение показателя истираемости проводили способом, аналогичным Примеру 1, за исключением того, что испытания проводили для катализатора, размерами 1, 1,6, 2,5 и 5 мм и истинной плотностью от 500 до 2000 кг/м.
Истираемый катализатор представляет собой нанесенные на носитель, преимущественно состоящий из оксида алюминия, следующие компоненты:
Металл VIII группы
0,01-5% масс.
Элемент IV-А группы
0,01-15% масс.
Щелочной металл
0,01-10% масс.
Галоген
0,01-1% масс.
Результаты испытания представлены в Таблице 4.
На Фиг. 7 приведена зависимость относительной потери массы образца от времени истирания, которая, как следует из таблицы с хорошей точностью демонстрирует линейный характер,. Таким образом, предлагаемый способ является воспроизводимым, точным и линейным в широком диапазоне времен испытания.