Физико-механические характеристики катализаторов

Методы исследования катализаторов.

Соответствие показателей качества промышленных катализаторов техническим условиям (ТУ) является обязательным требованием при его выпуске и отгрузке потребителю. Существует набор стандартных методик определения различных характеристик промышленных катализаторов. Кроме того, существуют многочисленные методы исследования, применяемые в лабораторной практике [6,7].

Гранулометрический состав, т.е. содержание частиц различных размеров, определяется ситовым методом. Через сита пропускают пробу катализатора и определяют его массу, прошедшую через определенно сито.

У промышленных катализаторов, выпускаемых в виде экструдатов, значение имеет не гранулометрический состав, а содержание мелочи и пыли (крошки), которое регламентируется ТУ. Определение крошки проводится при выпуске, загрузке катализатора и после его регенерации. Если необходимо, производится рассеивание катализатора.

Кроме того, для экструдатов ТУ регламентируют диаметр гранул и (иногда) их длину.

Обычно катализаторы состоят из частиц различной формы, размера и плотности. Для учета этих особенностей катализаторы, состоящие из пористых зерен, принято характеризовать тремя показателями - насыпной, кажущейся и истинной плотностями.

Понятие насыпной плотности (r_н) введено для характеристики слоя катализатора. Она определяется как общая масса частиц в объеме слоя, состоящего из объема материала катализатора, объема пор внутри частиц и свободного объема между частицами в слое:

где m - масса частиц в пробе катализатора, г; V_к - объем пробы (слоя), см³.

Из сказанного следует, что

V_к = V_м+V_п+V_с

где V_м - объем материала катализатора; V_п - объем пор частиц; V_с - свободный объем между частицами в слое.

В случае определения насыпной плотности большое значение имеет порозность слоя (e) катализатора (отношение объема пустот между частицами к объему слоя)

e=

Порозность слоя и насыпная плотность связаны зависимостью

e = 1 -

Кажущаяся плотность катализатора представляет собой отношение массы к объему, занимаемому только самими частицами. В этом случае объем пустот между частицами в слое не учитывается.r =

Кажущаяся плотность в большой степени зависит от пористости частиц. Поэтому ее используют в основном для косвенной характеристики пористости катализатора (a), которую определяют как отношение объема пустот пор частиц к их объему:

a =

Пористость катализатора и его кажущаяся плотность связаны зависимостью

a = 1 -

где r_и – истинная плотность.

Истинной плотностью катализатора называется масса единицы объема плотного материала, не содержащего пор. Она определяется как отношение массы пробы катализатора к объему плотного материала без учета пустот между частицами в слое и внутри частицr_и =

Истинную плотность применяют для характеристики материала, из которого изготовлен катализатор.

Несложными преобразованиями приведенных формул можно вывести следующую зависимость между плотностями

r_н = r_к (1 - e)

или

r_н = r_и (1 - e) (1 - a)

Видно, что для катализаторов, изготовленных из одного и того же материала, насыпная плотность может одновременно служить характеристикой состояния слоя и пористости частиц, поэтому она находит наибольшее применение. Ее легко определить опытным путем.

Определение удельного объема пор катализатора. Удельным объемом пор катализатора называется отношение суммарного объема пор внутри частиц навески к ее массе:

V_уд. =

где V_уд. – удельный объем пор катализатора, см3/г; V – объем пор частиц, см³; m – масса навески, г.

Объем пор измеряют, заполняя их жидкостью. При этом определяется лишь суммарный объем только тех пор, которые доступны для молекул жидкости.

Наибольшее распространение получил водяной метод. Этот метод применяется в тех случаях, когда контакт частиц катализатора с водой не приводит к их набуханию или растворению компонентов катализатора водой. В данном случае нужно знать массу навески катализатора и объем или массу воды, необходимой для насыщения навески.

Механическую прочность гранул определяют по усилию, вызывающему разрушение гранул при раскалывании или раздавливании. Катализаторы гидроочистки, риформинга и изомеризации применяют в реакторах со стационарным слоем с загрузкой от 10 до 120 т. При загрузке катализатор не должен разрушаться, поэтому показатель механической прочности гранул регламентируется техническими условиями на катализатор.

Известны различные методы и приборы для оценки механической прочности катализаторов, однако на практике используются лишь некоторые из них. Для катализаторов, получаемых экструзионным формованием в виде гранул, используют метод разрезания или раскалывания и метод раздавливания.

Механическую прочность гранул катализаторов на раскалывание определяют в соответствии с ОСТ 3801130-77 на приборе типа десятичных весов со специальным ножом. Устройство прибора показано на рис.10. Рейка 2 имеет риски и цифры через каждые 10 мм, а сменные грузы – это набор стальных диском 100, 200, 400, 800, 1000 и 2000 г. Обычно механическую прочность гранулы на раскалывание определяют, разрезая гранулу поперек, реже – вдоль ее образующей. С этой целью гранулу катализатора укладывают в желоб подставки, подводят под нож, одевают на рейку грузы в крайнем левом положении и осторожно опускают рычаг до соприкосновения ножа с гранулой. Затем постепенно передвигают грузы вправо до разрушения гранулы. Разрушающую нагрузку рассчитывают по правилу рычага:

P=,

где Р – разрушающая нагрузка, г; m –вес груза, г; l₁ – расстояние от начала шкалы до центра груза, см; l₂ – расстояние от начала шкалы до середины ножа, см.

Рис.10. Прибор для определения механической прочности гранул катализатора методом раздавливания:

1 – стойка; 2 - рейка; 3 - противовес; 4 – стальной нож; 5 – подставка; 6 - сменные грузы.

За показатель прочности образца катализатора на раскалывание принимают среднее значение разрушающей нагрузки из 30 определений. Анализируемые образцы катализаторов состоят из гранул различного размера и при их испытании получаются несравнимые абсолютные значения разрушающей нагрузки. Поэтому для сравнения катализаторов используют не абсолютное значение разрушающей нагрузки, а величину удельной прочности или коэффициент прочности. Для этого полученное абсолютное значение прочности делят на соответствующую величину диаметра (мм), длины (мм) или площади торца таблетки (мм²), измеренные перед ее разрушением.

Дата добавления: 2014-01-14