殷喜平， 李 葉， 范 華， 蔣邦開

(1.中國石化 催化劑有限公司，北京 100029；2.中國石化 催化劑有限公司 長嶺分公司，湖南 岳陽 414012)

催化裂化(FCC)是煉油廠中的核心加工工藝，是重油輕質(zhì)化的主要手段之一[1-2]，使用的催化劑是一種微米級顆粒，需要在反應(yīng)和再生裝置間不斷地循環(huán)，顆粒之間、顆粒與流化介質(zhì)以及裝置邊壁之間都可能因摩擦而產(chǎn)生磨損失效[3-4]，造成細(xì)粉含量上升、催化劑跑損，導(dǎo)致產(chǎn)品污染和催化劑消耗成本增加，而且會引起系統(tǒng)的流化質(zhì)量惡化，影響裝置的正常運(yùn)行[5-6]。催化劑的磨損行為是由其本身的性質(zhì)和所工作的流化態(tài)環(huán)境特征共同決定的[7]。通常認(rèn)為催化劑顆粒的磨損行為主要由斷裂機(jī)制(Fragmentation)和剝層機(jī)制(Abrasion) 2種磨損機(jī)制支配[8]。在實(shí)際運(yùn)行過程中，催化劑的磨損機(jī)制除了受流化環(huán)境條件的影響外，顆粒本身的特性，如機(jī)械強(qiáng)度、尺度分布、球形度、表面粗糙度、孔隙率和裂紋等，是造成催化劑摩擦磨損性能的主要原因[3,9]。因此，研究表征顆粒本身特性的方法和參數(shù)，對于指導(dǎo)催化劑的生產(chǎn)與采購意義重大。

目前，表征催化裂化催化劑強(qiáng)度的指標(biāo)有磨損指數(shù)，描述其尺度分布的指標(biāo)有粒度分布，主要通過篩分法、沉降法、激光衍射法、超聲法等來測定。其中激光衍射法以其分析快速、準(zhǔn)確、高效等特點(diǎn)被普遍采用，對顆粒形貌如球形度、表面粗糙度、黏連情況和裂紋等因素的表征是通過靜態(tài)圖像法，如周復(fù)昌等[10]從20世紀(jì)90年代后期開始，用顯微觀察攝影裝置和獨(dú)特的樣品制備方法，對催化裂化催化劑進(jìn)行了觀察研究，但是，測試的樣品顆粒數(shù)有限，且是局部觀測，得出的是定性結(jié)果，并且用顯微觀察攝影或掃描電鏡觀察到的顆粒形態(tài)表象并不一定代表顆粒使用過程的形態(tài)，如表面看起來黏連的顆粒，在流化環(huán)境下未必是粘連的。因此，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的顆粒大小及其形貌的客觀和定量表征，是完善顆粒表征手段的趨勢。近年來隨著光學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)展出了動態(tài)圖像法，將圖像這一直觀的觀察測量方法與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，不僅能夠得到個別顆粒的直觀信息，還能夠得到大量樣品的粒徑和形貌統(tǒng)計(jì)信息，從而幫助使用者全方位表征催化劑樣品。

筆者根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)[11-13]，借助比利時(shí)OCCHIO公司的FC200 s+HR型顆粒形貌分析儀，建立了動態(tài)圖像法表征催化裂化催化劑顆粒形貌的方法，結(jié)合掃描電鏡的直觀結(jié)果，確定了將圓潤度、鈍度、畸形度等表征參數(shù)用于全方位表征顆粒接近“球”的程度、顆粒表面的光滑程度以及畸形程度等情況，以更好地指導(dǎo)催化裂化催化劑的研發(fā)、生產(chǎn)和使用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 FCC催化劑樣品

為考察、確定分析測試條件以及優(yōu)選最佳的形貌表征參數(shù)，分別選取了7個催化裂化新鮮催化劑(樣品編號為CAT-1～CAT-7)、6個催化裂化平衡劑(樣品編號為CAT-11～CAT-16)，以及12組不同配方的新鮮劑及與其對應(yīng)的平衡劑的樣品組(樣品組編號為Group 1～Group12)。

1.2 催化劑顆粒形貌表征

采用比利時(shí)OCCHIO公司生產(chǎn)的FC200 s+HR型顆粒形貌分析儀對催化劑顆粒形貌進(jìn)行表征，相機(jī)分辨率為1000萬像素，遠(yuǎn)心變焦鏡頭，Callisto 2012版分析處理軟件。

該表征方法的原理為：催化劑顆粒在水中分散后，用泵將含催化劑顆粒的懸濁液通過直徑為5 mm的樣品輸送管引入到通道為500 μm的樣品池中，突然變徑導(dǎo)致流量不變的情況下流速加快，使顆粒的最大面與水流方向平行，沖向鏡頭，經(jīng)圖像采集設(shè)備采集，由分析軟件測量統(tǒng)計(jì)得到顆粒的粒徑和形貌結(jié)果。

1.3 表征參數(shù)及其定義

歐奇奧軟件提供的表征參數(shù)包括粒徑參數(shù)(近20種)和粒形參數(shù)，粒形參數(shù)又包括宏觀粒形參數(shù)、介觀粒形參數(shù)和微觀粒形參數(shù)。

根據(jù)催化裂化催化劑的外觀和性質(zhì)，初步篩選了ISO面積直徑(即等效面積直徑)[13]、ISO內(nèi)徑[13]和平均直徑3種宏觀粒徑參數(shù)，ISO圓潤度[13]和ISO圓形度[13]2種介觀粒形參數(shù)，以及贅生物指數(shù)和歐奇奧鈍度2種微觀粒形參數(shù)進(jìn)行考察。根據(jù)研究結(jié)果，自定義了畸形度(Deformity)。各參數(shù)含義和數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)等效面積直徑(dA)：與顆粒具有相同投影面積的球的直徑，μm。

(2)內(nèi)徑(dimax)：顆粒的最大內(nèi)切圓直徑，μm。

(3)平均直徑(dm)：顆粒投影的重心與顆粒投影的輪廓上所有點(diǎn)之間距離的平均值的2倍，μm。

(4)圓潤度(Rn)：就顆粒整體形態(tài)而言，表示顆粒(或其投影面)接近于圓的程度，無量綱。

(5)圓形度(C)：就顆粒的周長而言，表示顆粒(或其投影面)接近于圓的程度，無量綱。

(6)鈍度(Bn)：表示在磨損過程中顆粒的成熟度，其倒數(shù)可以表示顆粒的耐磨程度；通過測量顆粒表面各段的曲率與最大內(nèi)切圓直徑的比較，計(jì)算其平均值，無量綱。

(7)贅生物指數(shù)(Og)：表征主顆粒上附著微小顆粒的程度，僅適用于表征球形或類球形的顆粒，不適用于條狀顆粒的表征。

(8)畸形度(Df)：表征顆粒與理想球形顆粒的接近程度，其數(shù)值等于顆粒投影面積與最大內(nèi)切圓面積的比值減1。

2 結(jié)果與討論

2.1 分布基準(zhǔn)的選擇確定

儀器自帶的圖像處理軟件具有準(zhǔn)確的測試和計(jì)數(shù)功能，粒徑和粒形結(jié)果的平均值既可以體積為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，也可以數(shù)量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。催化裂化催化劑具有較寬的粒徑分布，新鮮催化劑CAT-2、CAT-4和CAT-5樣品的粒徑(ISO內(nèi)徑)的體積分布和數(shù)量分布見表1。

由表1可知：3個新鮮劑樣品中粒徑20 μm以下的超細(xì)粉的數(shù)量占到整個樣品的近40%以上，而體積占比不到1%；粒徑40 μm以下的細(xì)粉的數(shù)量占到整個樣品的70%以上，體積占比最多到10.56%；粒徑40～120 μm的主篩分?jǐn)?shù)量占比為20%左右，體積占比最少為59.04%；粒徑120～160 μm的大顆粒數(shù)量占比最多為1.42%，體積占比最少達(dá)到10.01%。實(shí)測結(jié)果和文獻(xiàn)[14-15]結(jié)果均說明，正常運(yùn)行的催化裂化裝置平衡劑中粒徑20 μm以下的細(xì)粉，所占比例很少，因此無需重點(diǎn)關(guān)注細(xì)粉的形貌；粒徑40～120 μm的主篩分體積占比最大，因此是關(guān)注的重點(diǎn)；鑒于粒徑120 μm以上大顆粒的存在可反映產(chǎn)品生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制能力和水平，因此也應(yīng)關(guān)注。根據(jù)上述原因，本方法測定的粒徑和粒形的所有顆粒的平均值以體積為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

表1 FCC催化劑粒徑的體積分布和數(shù)量分布Table 1 Volume distribution and quantity distribution of particle sizes of FCC catalysts

2.2 樣品用量的確定

采用動態(tài)圖像法表征顆粒的形貌，首先采集進(jìn)入測量系統(tǒng)的每一個顆粒的圖像信息，最終以捕捉到的按體積分布計(jì)量的所有顆粒形貌值為樣品的顆粒形貌結(jié)果。因此樣品用量對測試結(jié)果有至關(guān)重要的影響。加入系統(tǒng)的樣品用量少，代表性差，并且一次被捕捉到的顆粒數(shù)少，受顆粒最大計(jì)數(shù)量的控制，顆粒在循環(huán)過程中被重復(fù)捕捉的概率增大；如果樣品用量過大，則樣品分散不好，造成測量系統(tǒng)內(nèi)顆粒過度密集，從而產(chǎn)生顆粒重疊或相互遮擋的現(xiàn)象。

為了獲得最佳的樣品用量，選用CAT-1催化劑樣品，考察了樣品用量分別為0.5、1.0、1.5 g時(shí)，測量系統(tǒng)所呈現(xiàn)出來的樣品的密集程度，結(jié)果見圖1。

圖1 不同用量的CAT-1催化劑樣品的顆粒照片F(xiàn)ig. 1 Particle diagram of CAT-1 catalyst sample with different massesm(CAT-1)/g: (a) 0.5； (b) 1.0； (c) 1.5

由圖1可以看出：當(dāng)樣品用量為0.5 g時(shí)，測量系統(tǒng)中樣品顆粒數(shù)偏少；當(dāng)樣品用量為1.5 g時(shí)，顆粒之間過于密集，分散不均勻，顆粒圖像有重疊的現(xiàn)象；當(dāng)樣品用量為1.0 g時(shí)，樣品顆粒數(shù)及顆粒之間的密集程度均適中。不同樣品用量情況下CAT-1催化劑的粒徑和粒形數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同用量的CAT-1催化劑樣品的粒徑和粒形數(shù)據(jù)Table 2 Particle size and particle shape data for CAT-1 catalyst sample with different masses

由表2的粒徑結(jié)果可知，當(dāng)樣品用量為0.5 g和1.0 g時(shí)，粒徑變化不大，當(dāng)樣品用量為1.5 g時(shí)，樣品最大內(nèi)切圓直徑、面積直徑和平均直徑均明顯大于樣品用量為0.5 g和1.0 g時(shí)，造成粒徑偏大的原因應(yīng)是樣品用量多、顆粒密集而發(fā)生了重疊的情況，重疊后的顆粒會被視為大顆粒。顆粒之間發(fā)生重疊后，不但會造成粒徑偏大，同樣會人為造成不規(guī)則的顆粒增多。由表2的粒形結(jié)果可知，當(dāng)樣品用量為1.5 g時(shí)，其鈍度Bn、圓潤度Rn和圓形度C結(jié)果明顯偏低，贅生物指數(shù)Og偏高。因此，催化劑樣品用量確定為1.0 g。

2.3 閾值的確定

閾值是用來提取樣品顆粒圖像與背景的邊界線的臨界值。閾值設(shè)置得太低，本應(yīng)為樣品顆粒的圖像可能被排除，以及發(fā)生顆粒邊緣的侵蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生的圖像表現(xiàn)為顆粒邊緣出現(xiàn)明顯的不規(guī)則鋸齒狀，侵蝕會造成樣品顆粒圖像提取不完整；閾值設(shè)置得太高，會造成顆粒邊界的擴(kuò)張，產(chǎn)生的圖像表現(xiàn)為顆粒邊界出現(xiàn)顏色較淺的環(huán)(被稱為光暈)圍繞在顆粒周邊，隨著閾值的進(jìn)一步增加，光環(huán)的厚度通常會增加，顆粒擴(kuò)張的結(jié)果將使粒徑數(shù)據(jù)偏大；適宜的閾值，得到的顆粒圖像邊緣呈黑色且相對平滑，既沒有光暈環(huán)繞在顆粒邊緣，也應(yīng)沒有侵蝕的跡象。閾值分別設(shè)置為30、50、70、90、110、140，考察CAT-2和CAT-3的粒徑、粒形數(shù)據(jù)及特征圖，其典型性特征圖見圖2，粒徑和粒形數(shù)據(jù)見表3。

圖2 不同閾值下FCC催化劑樣品的顆粒特征圖Fig.2 Particle characterization of FCC catalyst samples at different thresholdsThreshold: (a) 30； (b) 90； (c) 140

表3 不同閾值下FCC催化劑樣品粒徑和粒形的數(shù)據(jù)Table 3 Results of particle size and particle shape of FCC catalyst samples at different thresholds

由圖2和表3可知：閾值30時(shí)，顆粒顏色明顯偏黑，邊緣毛刺較多，粒徑和粒形數(shù)據(jù)變化無規(guī)則，數(shù)據(jù)缺乏代表性；閾值為140時(shí)，顆粒顏色明顯變淺，且顆粒邊緣開始出現(xiàn)了不明顯的淺色的光暈現(xiàn)象，隨著閾值的升高，光暈現(xiàn)象愈加明顯，且粒徑數(shù)據(jù)明顯變大；閾值為90時(shí)，顆粒邊緣較光滑，顏色適中，并未出現(xiàn)能觀察到的侵蝕和光暈現(xiàn)象，且粒形數(shù)據(jù)中的鈍度、圓形度和圓度達(dá)到或接近最高。綜上所述，選擇閾值為90。

2.4 表征參數(shù)的選擇確定

采用確定的測試條件對樣品CAT-2和CAT-3進(jìn)行測試，從樣品的顆粒特征圖中選出30個不同粒徑和不同形貌的單個顆粒(1#～30#)，其顆粒特征圖見圖3(按照內(nèi)徑dimax從大到小排列)，形貌表征結(jié)果見表4。

表4 CAT-2和CAT-3催化劑樣品的顆粒形貌表征結(jié)果Table 4 Morphology characterization results of particles of CAT-2 and CAT-3 catalyst samples

圖3 CAT-2和CAT-3催化劑樣品的單個顆粒形貌特征圖Fig.3 Morphology characteristic diagrams of single particles of CAT-2 and CAT-3 catalyst samples

通過綜合分析和對比圖3和表4中具備不同粒徑和形貌的30個顆粒特征圖的顆粒信息可知：

(1)在表征單個顆粒整體是否圓時(shí)，圓潤度Rn和圓形度C均可直接或間接表征顆粒與“球形”的接近程度。當(dāng)顆粒本身具有比較好的球形度時(shí)，圓潤度Rn和圓形度C的表征結(jié)果非常接近，均能達(dá)到0.90以上，如2#、11#、16#、22#、29#顆粒；但當(dāng)顆粒本身的形貌較差時(shí)，如呈現(xiàn)明顯的條狀或異形時(shí)，如5#、7#、13#、21#、23#、24#、28#顆粒，圓潤度Rn表征結(jié)果與圓形度的表征結(jié)果呈現(xiàn)較大差異，圓潤度的結(jié)果更接近顆粒本身呈現(xiàn)的形態(tài)，而圓形度C的評估結(jié)果明顯偏高，對部分條狀顆粒能達(dá)到0.80以上。因此圓潤度Rn相比圓形度C對不同形狀的顆粒球形度的表征具有更明顯的區(qū)分度，也具有更高的靈敏性和可靠性。目前在采用圖像法對微米級顆粒的形貌表征的技術(shù)中，均只能表征顆粒的二維形態(tài)，而所謂的“球形度”只是一種概念，在現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)對“球形度”這種三維形態(tài)的測量和定義，但可將圓潤度Rn用于等效表征“球形度”。

(2)贅生物指數(shù)Og在一定程度上也可表征出顆粒的黏連程度，通過對顆粒形貌的觀察和分析可知，不規(guī)則的大顆粒和長條形顆粒通常都是由于顆粒黏連造成的，但由于其對條形顆粒的表征受限，造成給出的信息不夠準(zhǔn)確，在一定程度上降低了其靈敏度；另外，由贅生物指數(shù)的定義可知，其主要表征主顆粒上黏連的顆粒個數(shù)，并不關(guān)注黏連顆粒的大小，黏連一個大顆粒和黏連一個小顆粒，其贅生物指數(shù)是相同的。但實(shí)際上黏連的顆粒大小對催化劑在使用過程中流化性能和磨損性能的影響是不同的，因此采用贅生物指數(shù)來表征催化裂化催化劑的黏連情況是不夠客觀和有效的。

(3)鈍度Bn也稱磨圓度，通過測量一個顆粒被磨損成為一個圓的程度來表征顆粒的成熟度，其倒數(shù)可以表示顆粒的耐磨程度。Boerefijn等[3]研究也表明，催化裂化催化劑的耐磨性與其表面粗糙度成反比。從表4也可以看出，越是圓整光滑的顆粒，其鈍度越高，如16#、18#、22#、25#、29#、30#顆粒，鈍度均達(dá)到0.90以上；越是形狀怪異的顆粒，其鈍度越低，如3#、4#、10#、17#、20#、26#、28#顆粒等，其鈍度均在0.40以下，在催化劑使用過程中，這一類顆粒是最容易被磨損或磨碎的，因此可選用鈍度表征催化劑顆粒耐剝層磨損的能力。

(4)表征粒徑的最大內(nèi)切圓直徑dimax和等效面積直徑dA，雖然來源于不同的數(shù)學(xué)表達(dá)模型，含義也不同，但卻都是顆粒真實(shí)粒徑的表現(xiàn)。通過對單個顆粒所呈現(xiàn)出來的圖像信息進(jìn)行觀察和分析發(fā)現(xiàn)，越是接近完美的球形顆粒，其不同數(shù)學(xué)表達(dá)式呈現(xiàn)的粒徑基本一致，其最大內(nèi)切圓面積與投影面積也基本一致，而對于因黏連、破裂或其他原因?qū)е碌母黝惒灰?guī)則的顆粒，其內(nèi)切圓面積與其投影面積存在較大差異。最大內(nèi)切圓面積體現(xiàn)的是涵蓋在顆粒中完美球形的面積，投影面積中多于最大內(nèi)切圓的面積部分則體現(xiàn)了在完美球形顆粒上由于贅生或別的原因增加的部分，這一部分的存在導(dǎo)致了顆粒的畸形，也是造成催化劑流化性能和耐磨損性能差的主要原因，鑒于此，定義投影面積與最大內(nèi)切圓面積的比值減1來表征顆粒的畸形度Df。完美的球形顆粒的畸形度為0，顆粒的畸形程度越嚴(yán)重時(shí)，其畸形度的數(shù)值越大。表4中的數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)，同時(shí)也證明畸形度對表征顆粒的畸形程度是敏感和有效的，特別是對于條狀畸形的表征能力優(yōu)于贅生物指數(shù)，如6#、8#、9#、14#、17#、19#、21#、26#顆粒。由催化裂化催化劑的生產(chǎn)工藝和樣品電鏡照片可知，類長條形的顆粒大多是由多個顆粒黏連形成的，因此，畸形度Df可能是表征黏連程度的一個靈敏指標(biāo)，與球形顆粒相比，類長條形的顆粒發(fā)生斷裂的可能性更大，因此可用畸形度Df作為催化劑顆粒耐斷裂磨損能力的參考指標(biāo)。

2.5 定量表征參數(shù)區(qū)分度和靈敏度的驗(yàn)證

2.5.1 不同形貌的新鮮劑和平衡劑的對比

為了驗(yàn)證顆粒形貌定量表征參數(shù)圓潤度Rn、鈍度Bn及畸形度Df對不同形貌催化劑樣品整體的區(qū)分度和靈敏度，分別用掃描電鏡和本方法對新鮮劑和平衡劑進(jìn)行了表面形貌觀察和定量表征，其中CAT-3～CAT-5為新鮮劑，CAT-11、CAT-14、CAT-16為平衡劑，掃描電鏡照片見圖4，形貌測量結(jié)果見表5。

表5 FCC催化劑樣品的形貌測量結(jié)果Table 5 Measurement results of particle morphology of FCC catalyst samples

圖4 FCC催化劑樣品的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 Scanning electron microscope images of FCC catalyst samples(a) CAT-3； (b) CAT-4； (c) CAT-5； (d) CAT-11； (e) CAT-14； (f) CAT-16

由圖4可知：新鮮劑中CAT-3形貌相對最好，顆粒表面較光滑，顆粒圓整，顆粒間互相黏連現(xiàn)象少，但存在一定的不規(guī)則顆粒；CAT-4形貌次于CAT-3樣品；CAT-5形貌最差，顆粒間相互黏連情況較嚴(yán)重，不規(guī)則顆粒明顯偏多。平衡劑中CAT-11樣品形貌最好，顆粒圓整，表面光滑，畸形顆粒少；CAT-14次之；CAT-16形貌最差，碎顆粒、畸形顆粒和黏連顆粒明顯增多。

由表5可知:新鮮劑中CAT-3樣品的圓潤度Rn和鈍度Bn數(shù)值最高，畸形度Df最低，說明其形貌最好；CAT-5樣品的圓潤度Rn和鈍度Bn最低，畸形度Df最高，說明其形貌最差。平衡劑中CAT-11樣品的圓潤度Rn和鈍度Bn最高，畸形度Df最低，說明其形貌最好；CAT-16樣品的圓潤度Rn和鈍度Bn最低，畸形度Df最高，說明其形貌最差。

由圖4與表5可知，不管是新鮮劑還是平衡劑，其形貌的測量結(jié)果均與掃描電鏡的觀察定性結(jié)果基本一致，說明圓潤度Rn、鈍度Bn、畸形度Df對同類型中形貌不同的樣品具有明顯的區(qū)分度和靈敏性。

2.5.2 新鮮劑與對應(yīng)的平衡劑的對比

對12組不同配方的新鮮催化劑及所對應(yīng)的平衡劑進(jìn)行了掃描電鏡的比對分析，同時(shí)采用本方法進(jìn)行了定量測量，結(jié)果見表6。

表6 新鮮催化劑(F-cat)與平衡劑(E-cat)的顆粒形貌測量結(jié)果Table 6 Measurement results of particle morphology of fresh catalysts (F-cat) and equilibrium catalysts (E-cat)

從表6中的新鮮劑與所對應(yīng)的平衡劑的顆粒形貌對比數(shù)據(jù)可知，平衡劑的圓潤度和鈍度明顯高于新鮮劑，畸形度明顯低于新鮮劑，說明平衡劑的顆粒形貌明顯好于新鮮劑。

由新鮮劑與平衡劑的掃描電鏡照片(見圖4)對比可知，平衡劑的表面比新鮮劑光滑得多，說明在催化劑的使用過程中，表面反復(fù)被打磨，實(shí)際上是剝層磨損，因此，平衡劑的鈍度會明顯好于新鮮劑，所以鈍度不但可用來表征顆粒表面的光滑程度，還可反映其耐剝層的能力。平衡劑的畸形度比新鮮劑小，說明在催化劑的使用過程中，顆粒破碎與剝蝕，逐步趨于規(guī)整，因此畸形度下降，用畸形度來表征黏連以及其他原因?qū)е碌幕纬潭缺荣樕镏笖?shù)更加全面，且具有較高的敏感性。新鮮催化劑經(jīng)過剝層磨損和畸形顆粒的破碎與剝蝕，促成了其圓潤度的整體提升。

綜上所述，推薦采用3項(xiàng)參數(shù)圓潤度Rn、鈍度(磨圓度)Bn和畸形度Df用于表征催化裂化催化劑的顆粒形貌。

2.6 不同粒徑區(qū)間的形貌考察

為了考察不同粒徑區(qū)間的形貌差異，對4個形貌不同的催化劑樣品CAT-2、CAT-3、CAT-4和CAT-5進(jìn)行測試，結(jié)果見表7。

表7 不同粒徑區(qū)間的FCC催化劑的形貌數(shù)據(jù)Table 7 Particle morphology data of FCC catalyst samples with different particle size ranges

由表7結(jié)果可知：

(1)粒徑在20 μm以上和40 μm以上的FCC催化劑樣品的形貌數(shù)據(jù)與全粒徑區(qū)間樣品的結(jié)果基本相同，由此說明，不論40 μm以下樣品的顆粒形貌是好還是差，均不對整體樣品的顆粒形貌數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響，在生產(chǎn)中無需重點(diǎn)關(guān)注。

(2)粒徑40～110 μm區(qū)間段的FCC催化劑樣品形貌數(shù)據(jù)與0～110 μm區(qū)間段的形貌數(shù)據(jù)基本一致，都明顯好于全粒徑區(qū)間段數(shù)據(jù)和其他粒徑區(qū)間段數(shù)據(jù)，說明粒徑110 μm以上大顆粒形貌較差。

(3)粒徑0～150 μm區(qū)間段的FCC催化劑樣品形貌數(shù)據(jù)好于全粒徑區(qū)間、20 μm以上和40 μm以上區(qū)間段形貌數(shù)據(jù)，差于40～110 μm與0～110 μm區(qū)間段的形貌數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說明顆粒越大，相貌越差。因此，樣品中110 μm以上的大顆粒尤其是超過150 μm的大顆粒將對整體樣品顆粒形貌產(chǎn)生較大影響，會使整體顆粒形貌變差，在FCC催化劑的生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注和嚴(yán)格控制。

2.7 方法精密度的考察

選擇顆粒形貌不同的3個樣品CAT-3、CAT-6、CAT-8進(jìn)行精密度測試實(shí)驗(yàn)，每個樣品進(jìn)行獨(dú)立的4次測試，得到的原始數(shù)據(jù)、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表8。

由表8數(shù)據(jù)可知，本方法的重復(fù)性較好，圓潤度Rn和鈍度Bn的相對標(biāo)準(zhǔn)差均小于2%，畸形度Df的相對標(biāo)準(zhǔn)差小于5%，測定結(jié)果相對穩(wěn)定，可用于催化裂化催化劑顆粒形貌的表征。

表8 精密度測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Precision test results

3 結(jié) 論

(1)動態(tài)圖像法粒度粒形分析能夠客觀和定量表征顆粒大小及其形貌，直觀地全方位展示催化劑顆粒的質(zhì)量狀況，是監(jiān)測與保持催化裂化催化劑形貌一致性的較好解決方案。

(2)催化裂化催化劑的顆粒形貌可采用3項(xiàng)參數(shù)圓潤度Rn、鈍度(磨圓度)Bn和畸形度Df進(jìn)行全方位表征。

(3)圓潤度Rn可等效表征顆粒整體形態(tài)的“球形度”。對于整體較圓整的單個顆粒，其圓潤度Rn達(dá)到0.90以上；對于呈現(xiàn)條形的異形顆粒，其圓潤度Rn僅為0.26。

(4)鈍度Bn可表征催化劑顆粒耐剝層磨損的能力。越是表面光滑規(guī)整的顆粒，其鈍度越高，可達(dá)到0.90以上；越是形狀怪異以及表面粗糙的顆粒，其鈍度越低，可低至0.40以下，在催化劑使用過程中，這一類顆粒是最容易被磨損或磨碎的。

(5)畸形度Df可表征顆粒的黏連以及耐斷裂與耐磨的程度。完美的球形顆粒的畸形度為0，顆粒的畸形程度越嚴(yán)重時(shí)，其畸形度Df越大，如可高達(dá)2.29。異形顆粒以及類條形的顆粒大多是由多個顆粒黏連形成的，因此，畸形度Df是表征黏連程度的1個靈敏指標(biāo)；與球形顆粒相比，異形顆粒以及類條形的顆粒發(fā)生斷裂的可能性更大，畸形度Df可作為催化劑顆粒耐斷裂磨損能力的參考指標(biāo)。

(6)宜采用體積為分布基準(zhǔn)，最佳樣品用量為1.0 g，最佳閾值為90。

(7)本方法操作簡單快速(單個樣品分析時(shí)間約10 min)，表征靈敏、精密度較好(圓潤度Rn和鈍度Bn的相對標(biāo)準(zhǔn)差均小于2%，畸形度Df的相對標(biāo)準(zhǔn)差小于5%)。