高 豪 鄭 新 王 平 秦云龍

(1.中國(guó)石化催化劑有限公司上海分公司；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

苯乙烯是重要的有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)聚苯乙烯、工程塑料及不飽和樹脂等。近20年來(lái)，苯乙烯的需求量增長(zhǎng)較快，年平均增長(zhǎng)率高達(dá)6%，苯乙烯供不應(yīng)求的現(xiàn)狀將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間[1]，目前，苯乙烯生產(chǎn)工藝的85%以上都采用乙苯催化脫氫工藝[2]，這給乙苯脫氫制苯乙烯催化劑的發(fā)展帶來(lái)巨大的潛力和前景。國(guó)內(nèi)外針對(duì)該催化劑的性能開展了大量的研究工作，使其催化活性、選擇性、使用壽命以及側(cè)壓強(qiáng)度等主要性能得到不斷地提高[3]。

乙苯脫氫催化劑生產(chǎn)工藝中捏合過(guò)程對(duì)催化劑的強(qiáng)度影響很大，該催化劑生產(chǎn)原料較為特殊，對(duì)捏合設(shè)備要求非常高。在以往的生產(chǎn)過(guò)程中，由于沒有直接有效地表征和評(píng)價(jià)捏合效果的方法，捏合操作帶有很大的經(jīng)驗(yàn)性，無(wú)法準(zhǔn)確有效地判斷捏合效果的好壞。王濤等在乙苯脫氫催化劑成型工藝的研究中雖然提到了不同捏合方式對(duì)催化劑性能的影響，但沒有關(guān)于直接表征捏合效果方法的研究[4]；易朋興等提出了分散混合特性等捏合機(jī)混合性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但并未涉及捏合性能的評(píng)價(jià)方法[5]。筆者從捏合過(guò)程功率變化出發(fā)，將變頻器輸給電機(jī)的即時(shí)功率記錄下來(lái)，通過(guò)分析乙苯脫氫催化劑捏合制備過(guò)程的功率曲線，考察捏合功率與催化劑產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性，探尋相關(guān)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1催化劑制備

乙苯脫氫催化劑制備過(guò)程主要由催化劑成型和催化劑焙燒兩個(gè)單元組成[6]。將一定配比的氧化鐵、碳酸鉀、鉬酸銨、粘結(jié)劑以及擴(kuò)孔劑等原料在捏合機(jī)內(nèi)混合均勻后再加入溶液進(jìn)行捏合，制成具有一定粘性且適合擠條的團(tuán)狀物，經(jīng)擠條成型、干燥后，切成長(zhǎng)度5～8mm的圓柱形顆粒，經(jīng)過(guò)焙燒制得乙苯脫氫催化劑成品。

為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可對(duì)比性，擠條、干燥及焙燒等后續(xù)制備工藝條件均保持一致，以免對(duì)捏合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析造成干擾。

1.2主要設(shè)備和儀器

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器及型號(hào)為：

電子稱 ACA-15

分析天平 JA21001

30L捏合機(jī) NA-30

50L捏合機(jī) NA-50

單螺桿擠條機(jī) DA-50

自動(dòng)電腦干燥箱 DHG-9140C

電阻爐 SX2-10-12

強(qiáng)度測(cè)試儀 ZQJ-II

實(shí)驗(yàn)選取30L和50L捏合機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，這兩個(gè)臥式捏合設(shè)備缸體幾何尺寸不同，是現(xiàn)今主流臥式捏合設(shè)備，具有絕對(duì)的代表意義，通過(guò)更換不同型式的攪拌槳葉得到不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件。

1.3分析方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)負(fù)載及電流的波動(dòng)，結(jié)合物料在捏合過(guò)程中的物性變化，分析其關(guān)聯(lián)性。為了更好的對(duì)捏合過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，在實(shí)驗(yàn)中引入了功率跟蹤手段。在捏合過(guò)程中，用記錄儀跟蹤了每次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，記錄了變頻器輸給電機(jī)的即時(shí)功率，這樣就可以得到每次實(shí)驗(yàn)的功率變化情況和最大功率。

采用ZQJ-II型智能顆粒強(qiáng)度儀測(cè)試催化劑的機(jī)械強(qiáng)度，從而對(duì)捏合效果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。具體測(cè)試方法是用四分法取40顆待測(cè)樣品，以測(cè)定結(jié)果的算術(shù)平均值計(jì)算樣品的強(qiáng)度。強(qiáng)度測(cè)量單位為N/5mm。

1.4實(shí)驗(yàn)條件

通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)制備乙苯脫氫催化劑，得出了一套較為優(yōu)化的工藝條件：

轉(zhuǎn)速 50Hz

齒輪速比 65∶32

溶液添加量 110%標(biāo)準(zhǔn)量

捏合時(shí)間 60min

循環(huán)水溫 常溫

采用以上工藝條件進(jìn)行30L和50L捏合機(jī)捏合實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)?zāi)蠛蠙C(jī)上先后裝配了多組具有代表性的攪拌槳葉進(jìn)行催化劑制備，槳葉型式如圖1所示。

圖1 攪拌槳葉外形圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.130L捏合機(jī)實(shí)驗(yàn)

在捏合過(guò)程中，用記錄儀跟蹤了每次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，把變頻器輸給電機(jī)的即時(shí)功率記錄了下來(lái)，得到了不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，捏合功率曲線如圖2所示。

圖2 30L捏合機(jī)不同槳葉捏合功率曲線

由圖2可以看出，在30L捏合機(jī)捏合實(shí)驗(yàn)中，D和E兩種槳葉在捏合過(guò)程中輸入功率明顯高于A、B、C 3種槳葉。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中也觀察到D、E槳葉在捏合的過(guò)程中，物料能夠有效捏合成團(tuán)，而A、B、C槳葉在整個(gè)捏合過(guò)程中物料都是粉末狀，無(wú)法有效成團(tuán)；而且捏合后制備的催化劑中，D、E槳葉捏合制備的催化劑強(qiáng)度均高于A、B、C槳葉。同時(shí)可以看出，輸入功率越高，槳葉對(duì)物料的捏合作用越明顯，制備的催化劑強(qiáng)度也較高。

2.250L捏合機(jī)實(shí)驗(yàn)

在50L捏合機(jī)捏合實(shí)驗(yàn)中，以相同的工藝條件進(jìn)行捏合實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察功率變化，其功率曲線如圖3所示。

圖3 50L捏合機(jī)不同槳葉捏合功率曲線

從圖3中5組不同槳型的捏合功率曲線可以看出：A、B、C 3種槳葉的捏合功率曲線形狀基本類似，即先出現(xiàn)一個(gè)波谷，然后再出現(xiàn)一個(gè)波峰，最后慢慢回落，捏合功率隨著時(shí)間的增加越來(lái)越小。而D和E兩種槳葉的捏合功率曲線在峰值回落后又逐漸升高，并且不再回落，捏合的功率隨著時(shí)間增加越來(lái)越大。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：A、B、C槳葉在捏合過(guò)程中，首先是捏合成小團(tuán)的過(guò)程，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，成團(tuán)的物料碎裂成小顆粒狀態(tài)進(jìn)行捏合；而D和E槳葉，在開始的一段時(shí)間內(nèi)，整個(gè)捏合機(jī)內(nèi)的物料會(huì)捏合成大團(tuán)，隨后大團(tuán)物料不停被打碎成小塊狀，再由小塊狀捏合成大團(tuán)。D、E槳葉捏合制備的催化劑強(qiáng)度均高于A、B、C槳葉。由此可以看出，槳葉在捏合過(guò)程中輸入功率越高，物料所受捏合力越大，對(duì)物料的捏合作用越明顯，捏合后制備的催化劑強(qiáng)度也較高。

2.3單位功的提出

根據(jù)30L和50L捏合機(jī)捏合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中功率變化的規(guī)律，結(jié)合物料在捏合過(guò)程中的狀態(tài)變化，以及所制備的催化劑強(qiáng)度，進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，發(fā)現(xiàn)“單位物料接收的功”(以下簡(jiǎn)稱：“單位功”)和催化劑強(qiáng)度有著內(nèi)在的聯(lián)系。

單位功的計(jì)算公式為：

2.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

對(duì)30L和50L捏合機(jī)捏合過(guò)程中單位功和催化劑強(qiáng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分別列于表1、2。

表1 30L捏合機(jī)不同槳葉單位功與催化劑強(qiáng)度

表2 50L捏合機(jī)不同槳葉單位功與催化劑強(qiáng)度

由表1、2數(shù)據(jù)可以看出：不論何種捏合設(shè)備，D、E兩種槳葉捏合物料時(shí)輸入的功率較大，其對(duì)應(yīng)制備的乙苯脫氫催化劑強(qiáng)度較高；單位功較大時(shí)催化劑的強(qiáng)度也較高；對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，每次得到的功率曲線基本都能重疊，制備的催化劑強(qiáng)度都較為接近，具有較高的重復(fù)性。

2.5工業(yè)應(yīng)用

由表1中數(shù)據(jù)可得，30L捏合設(shè)備在使用槳葉D時(shí)，得到的單位功較高且催化劑強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)中最高。將這種形式的設(shè)備放大后應(yīng)用到乙苯脫氫催化劑的工業(yè)生產(chǎn)中，得到功率曲線(圖4)和特性數(shù)據(jù)(表3)。

圖4 工業(yè)捏合機(jī)(槳葉D)捏合功率曲線

捏合機(jī)30L(D型)工業(yè)捏合機(jī)(D型)濕捏平均功率/kW1.5643.9單位功/J·g-1·h-1395.0418.1催化劑強(qiáng)度/N·5mm-1142.1149.5

由圖4可以看出，采用30L捏合設(shè)備槳葉(D型)的工業(yè)捏合機(jī)在乙苯脫氫催化劑捏合生產(chǎn)過(guò)程中的功率曲線，和放大前30L實(shí)驗(yàn)設(shè)備捏合功率曲線圖(圖2中槳葉D)的形狀幾乎完全一樣，在濕捏過(guò)程中，捏合功率最終也是呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。捏合時(shí)物料能夠很好地成團(tuán)捏合，最終制備的催化劑強(qiáng)度為149.5N/5mm。

由表3可以看出兩臺(tái)捏合設(shè)備在捏合過(guò)程中的單位功相差很小，所制備的催化劑強(qiáng)度也相差不大，單位功與強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性在實(shí)驗(yàn)?zāi)蠛显O(shè)備和工業(yè)捏合設(shè)備上都得到了很好的體現(xiàn)。

3 結(jié)論

3.1單位功與催化劑機(jī)械強(qiáng)度具有一定的關(guān)聯(lián)性，捏合過(guò)程中槳葉對(duì)物料做的單位功越大，其捏合后制備的催化劑強(qiáng)度也越高。

3.2用放大后的工業(yè)捏合機(jī)生產(chǎn)乙苯脫氫催化劑，每次都能得到可以重疊的功率曲線和差別不大的催化劑強(qiáng)度，功率曲線能直觀反映捏合的過(guò)程情況，可作為直接有效地評(píng)價(jià)捏合效果的表征方法。

[1] 印會(huì)鳴，林宏，王繼龍，等. 乙苯脫氫催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 工業(yè)催化，2012，20(1)：19～24.

[2] 顧松園. 苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展[J]. 化學(xué)世界，2006，47(10)：622～625.

[3] 崔小明. 苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)分析[J]. 化工中間體，2004，2(3)：17～19.

[4] 王濤，史蓉，王繼龍，等. 乙苯脫氫催化劑成型工藝研究[J]. 石化技術(shù)與應(yīng)用，2012，30(5)：407～410.

[5] 易朋興，胡友民，崔峰，等. 立式捏合機(jī)捏合間隙影響CFD分析[J]. 化工學(xué)報(bào)，2007，58(10)：2680～2684.

[6] 宋磊. 低鉀型乙苯脫氫催化劑機(jī)械強(qiáng)度的優(yōu)化[J]. 化工時(shí)刊，2007，21(4)：23～29.