美國micromeritics / 2023年九月份電子報-粉體測試對於觸媒 (催化劑)生產的助益

前言

觸媒作為一種複雜材料，需要不斷精製提高加工效率同時減少對環境產生的影響。觸媒能夠提高原料靈活性，降低能耗，增加選擇性和延長使用壽命，對石化產業可持續性的提升發揮了重要的作用。對於商業化非均相觸媒，添加粘合劑、填料、致孔劑和增塑劑等，將活性相和載體轉化為特定幾何形狀和性能穩定的產品。由於大多數觸媒成分為粉料，因此有效的粉體加工是觸媒高效生產的先決條件。
Haldor Topsøe公司位於丹麥靈比，作為化工、煉油行業中高性能觸媒和專利技術的全球領導者，提供超過150種觸媒。該公司應用粉體分析技術，如FT4粉體流變儀，對觸媒生產設備的設計方案進行最佳化，改進原料的選擇。確定與粉體運輸過程密切相關的特性，進而決定設備選型的標準，最大可能的降低新工廠的運作成本。此外，輔助篩選原料，降低意外停工的風險，有助於加快粉體加工效率。

觸媒生產

非均相觸媒加工簡單，生產高效，在煉油和化工行業中尤其普遍。這種觸媒是多元錯合物，結構為毫米尺度，化學性能和機械性能優異[1]。化學性能取決於活性相的有效分散和傳質、傳熱的精確控制。觸媒壽命，即維持反應和選擇性的時間，是關鍵的商業因素。控制機械性確保整個觸媒床層產生的壓降可控，維持穩定、長效反應所需的機械強度。機械摩擦也會破壞觸媒性能。
 

從活性相和載體的結合開始，配方開發人員通過一系列添加劑的組合，實現觸媒工業化並滿足技術需求。添加劑包括炭黑或澱粉等致孔劑——熱處理分解，形成顆粒內孔隙，以及增強機械成型的塑化劑和潤滑劑[2]。觸媒的生產取決於這些成分的有效組合和重現。其為一個複雜、多步驟過程，主要涉及[2，3]：

•粉料原料的準備；

•經由噴霧乾燥、球化、壓實、濕法造粒、擠出等過程形成的預混物和團聚“中間體”；

•硬化和精製，例如還原，洗滌塗層或離子交換。

因此Haldor Topsøe公司加入了羅格斯大學觸媒製造聯盟。這一小組彙集了不同學科的研究學者，從事觸媒生產改進項目。成果之一是基於動態、剪切和整體粉體特性的測試[4]，開發出更好的方法選擇觸媒成分的失重（LIW）進料器。

Haldor Topsøe公司運用此項工作的成果來設計、選擇和最佳化LIW進料器；現有粉體測試在實踐過程中極具潛力，同時也提高了公司對這一收益的認知。Haldor Topsøe公司使用FT4粉體流動性分析儀進行內部評估，獲得75種原料的動態、剪切和整體特性資料（總計超過25個特性）。在此成功試驗的基礎上，公司於2012年購買儀器成為使用者。
 

確定設計方案

為了最佳化新儀器的應用，Haldor Topsøe公司進行深入評估，包括運用主成分分析（PCA），建立原料特性資料庫，確定能否減少常規測量的次數，最大程度地減少成本，這也是一個重要的商業考慮。公司還進行了不同粉體傳輸設備性能與特定粉體特性相關性的研究。這項工作確定了粉體傳輸應用中三個關鍵的屬性：可壓性，透氣性和粘結應力。

可壓性量化粉體受到固結應力時的體積變化，通過測量整體密度與所施加正應力的函數（圖1左、中）得到。雖然粘性較強的粉體相比自由流動的材料更可壓，PCA分析說明可壓性是獨立變數，與其他參數無關。

透氣性測量了粉體對於氣流的阻力，經由測量特定固結壓力下粉床壓降與氣流速度的函數（圖1右）得到。空氣不易夾帶，能夠輕鬆穿過透氣性較好的粉體，與之相比，透氣性較差的粉體容易滯留空氣。透氣性與傳輸過程極其相關，例如氣動傳輸和料斗下料。

粘結應力由剪切盒確定，該測試測量了固結粉層相對另一粉層剪切所需的應力。剪切盒主要量化固結粉體從靜止到流動變化的難易程度。因此，粘結應力與固結的粉體、低流速工藝操作最為相關，尤其是料斗下料過程。通過評估這三個特性，Haldor Topsøe公司能夠選擇最佳的傳輸方式，使用氣動傳輸或者流體隔膜泵。由於氣動傳輸設備的造價較高，需要適合的排氣系統來清除粉體夾帶的空氣，因此這一決定具有重大的成本影響。通常流體隔膜泵的安裝成本僅為氣動傳輸系統的10-30%。

已有的設計方案，需要大約一年的時間開發並獲得批准，原則如下：

•如果可壓性小於36%，適合流體隔膜泵。

•如果可壓性大於38%，需要氣動傳輸系統。

•如果可壓性介於36-38%，選擇取決於透氣性和粘結應力的值。

圖1.測量可壓性（左、中）和透氣性（右）有助於理解粉體行為。

作為可壓性測試的結果之一，粉體的鬆裝密度也很重要，由此決定所選系統的傳輸能力。

量化選用這一方式累積節省的成本也非常容易。一套全新氣動傳輸系統成本約為80000美元，而流體隔膜泵系統通常少花費約55000美元。根據現有的設計標準確定傳輸系統，Haldor Topsøe公司自2012年底起成功安裝了六套流體隔膜泵系統，並且從2015年起更換了兩個現有的氣動傳輸系統。假設每個流體隔膜泵系統的成本為氣動傳輸系統的30%，僅根據新安裝系統的保守估計，對於整體造價約34萬美元的項目而言，使用粉體流變儀進行成本縮減也很可觀。這說明對儀器的明智投資獲得了巨大回報。

最佳化原料的選擇

此外，深入的粉體分析也最佳化了原料選擇。這項工作的目的是篩選粉體特性，可靠預測觸媒生產過程中新材料的性能，也無需投入實際工廠試驗，更具體地說，確認新材料與現有材料的性能可比較。這種評估在更換供應商或使用替代原料時十分關鍵，特別是選用價格較低的替代材料縮減成本。粉體測試儀器可以獲得：
 

•剪切特性，包括壁面摩擦角，尤其是研究料斗性能，與連續粉體流動相關的料斗傾角和下料口尺寸；

•可壓性和鬆裝密度；

•動態特性包括基本流動能（BFE）和穩定性指數（SI）用於評估粉體動態流動性。動態粉體性能通過測量槳葉旋轉穿過樣品時阻力和扭矩（圖2）得到[5]。向下行徑穿過預處理後的樣品產生BFE值，這是一個高度靈敏的流動性參數，量化了低應力條件下受約束流動的行為。重複BFE測試還可以量化粉體的穩定性，結果為SI，該值的定義是多次測試前後BFE值的比值。SI接近於1說明粉體物理性能穩定；該值高於或低於1通常與分層、摩擦或團聚等現象有關，這些都可能導致性能變差。

圖2.動態特性非常敏感，與不同技術性能相關

這一測試可以確定粉料在投入工廠前，不同供應商或原料替代品的表現是否良好。粉體加工過程是否會發生間歇傳輸或堵塞，導致意外停機，從而影響生產效率。因此，能夠在不中斷工廠生產的情況下找出潛在問題是一大收穫。公司現在定期參考上述指標篩選材料，同時全面分析新材料，增補原始資料庫，逐步優化實踐並擴展粉體測試儀器所提供的價值。
 

強力工具

設計和運作粉體處理設備，對工程師來說是一場持久挑戰，最佳和測試替代設備仍然重要。幸運的是，理解不同技術與原料之間的相容性，以及選用合適的粉體測試確定這一相關性，近年來已有長足進步。Haldor Topsøe公司的經驗驗證了粉體測試在觸媒生產中的可行性，其實相關工藝對於大多數生產部門也很常見。通過測量動態、剪切和整體性能，Haldor Topsøe公司強化了LIW進料器選型的過程。基於粉體的可壓性、透氣性和粘結應力資料，為粉體傳輸確定了可靠的設計方案，確定選用經濟型設備的條件。此外，現在公司也能無需工廠試驗，可靠評估是否選用新料或更換供應商。粉體測試儀器都提供了關鍵的資料和豐厚的投資回報。

参考文献

1.“Catalysts for Optimal Performance,” Haldor Topsøe, Lyngby, Denmark, viewable via: www.topsoe.com/products/catalysts2.Mitchell, S., et al., “From powder to technical body: the undervalued science of catalyst scale-up,” Chem. Soc. Rev. (Feb. 2013).3.Catalyst Manufacturing Center, Rutgers University, homepage, https://cbe.rutgers.edu/catalyst-manufacturing-center.4.Wang, Y., et al., “Predicting feeder performance based on material flow properties,” Powder Tech. (Dec. 2016).5.Freeman, R., “Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders — a comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell,” Powder Tech (Oct. 2006).

資料來源：micromeritic官網

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