乙苯脫氫催化劑制備用捏合機功率研究

高 豪 鄭 新 王 平 秦云龍

(1.中國石化催化劑有限公司上海分公司；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

苯乙烯是重要的有機化工原料，主要用于生產聚苯乙烯、工程塑料及不飽和樹脂等。近20年來，苯乙烯的需求量增長較快，年平均增長率高達6%，苯乙烯供不應求的現狀將持續很長時間[1]，目前，苯乙烯生產工藝的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展帶來巨大的潛力和前景。國內外針對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、使用壽命以及側壓強度等主要性能得到不斷地提高[3]。

乙苯脫氫催化劑生產工藝中捏合過程對催化劑的強度影響很大，該催化劑生產原料較為特殊，對捏合設備要求非常高。在以往的生產過程中，由于沒有直接有效地表征和評價捏合效果的方法，捏合操作帶有很大的經驗性，無法準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催化劑性能的影響，但沒有關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混合性能的評價指標，但并未涉及捏合性能的評價方法[5]。筆者從捏合過程功率變化出發，將變頻器輸給電機的即時功率記錄下來，通過分析乙苯脫氫催化劑捏合制備過程的功率曲線，考察捏合功率與催化劑產品機械強度的關聯性，探尋相關規律。

1 實驗內容

1.1催化劑制備

乙苯脫氫催化劑制備過程主要由催化劑成型和催化劑焙燒兩個單元組成[6]。將一定配比的氧化鐵、碳酸鉀、鉬酸銨、粘結劑以及擴孔劑等原料在捏合機內混合均勻后再加入溶液進行捏合，制成具有一定粘性且適合擠條的團狀物，經擠條成型、干燥后，切成長度5～8mm的圓柱形顆粒，經過焙燒制得乙苯脫氫催化劑成品。

為確保實驗數據的可對比性，擠條、干燥及焙燒等后續制備工藝條件均保持一致，以免對捏合實驗數據分析造成干擾。

1.2主要設備和儀器

主要實驗設備儀器及型號為：

電子稱 ACA-15

分析天平 JA21001

30L捏合機 NA-30

50L捏合機 NA-50

單螺桿擠條機 DA-50

自動電腦干燥箱 DHG-9140C

電阻爐 SX2-10-12

強度測試儀 ZQJ-II

實驗選取30L和50L捏合機作為實驗對象，這兩個臥式捏合設備缸體幾何尺寸不同，是現今主流臥式捏合設備，具有絕對的代表意義，通過更換不同型式的攪拌槳葉得到不同的實驗設備條件。

1.3分析方法

根據實驗過程中電機負載及電流的波動，結合物料在捏合過程中的物性變化，分析其關聯性。為了更好的對捏合過程進行監測分析，在實驗中引入了功率跟蹤手段。在捏合過程中，用記錄儀跟蹤了每次實驗的過程，記錄了變頻器輸給電機的即時功率，這樣就可以得到每次實驗的功率變化情況和最大功率。

采用ZQJ-II型智能顆粒強度儀測試催化劑的機械強度，從而對捏合效果進行分析和評價。具體測試方法是用四分法取40顆待測樣品，以測定結果的算術平均值計算樣品的強度。強度測量單位為N/5mm。

1.4實驗條件

通過多次的實驗制備乙苯脫氫催化劑，得出了一套較為優化的工藝條件：

轉速 50Hz

齒輪速比 65∶32

溶液添加量 110%標準量

捏合時間 60min

循環水溫 常溫

采用以上工藝條件進行30L和50L捏合機捏合實驗，在實驗捏合機上先后裝配了多組具有代表性的攪拌槳葉進行催化劑制備，槳葉型式如圖1所示。

圖1 攪拌槳葉外形圖

2 實驗結果討論與分析

2.130L捏合機實驗

在捏合過程中，用記錄儀跟蹤了每次實驗的過程，把變頻器輸給電機的即時功率記錄了下來，得到了不同的實驗結果，捏合功率曲線如圖2所示。

圖2 30L捏合機不同槳葉捏合功率曲線

由圖2可以看出，在30L捏合機捏合實驗中，D和E兩種槳葉在捏合過程中輸入功率明顯高于A、B、C 3種槳葉。同時在實驗中也觀察到D、E槳葉在捏合的過程中，物料能夠有效捏合成團，而A、B、C槳葉在整個捏合過程中物料都是粉末狀，無法有效成團；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度均高于A、B、C槳葉。同時可以看出，輸入功率越高，槳葉對物料的捏合作用越明顯，制備的催化劑強度也較高。

2.250L捏合機實驗

在50L捏合機捏合實驗中，以相同的工藝條件進行捏合實驗來觀察功率變化，其功率曲線如圖3所示。

圖3 50L捏合機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，即先出現一個波谷，然后再出現一個波峰，最后慢慢回落，捏合功率隨著時間的增加越來越小。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，捏合的功率隨著時間增加越來越大。對應的實驗現象為：A、B、C槳葉在捏合過程中，首先是捏合成小團的過程，隨著實驗的進行，成團的物料碎裂成小顆粒狀態進行捏合；而D和E槳葉，在開始的一段時間內，整個捏合機內的物料會捏合成大團，隨后大團物料不停被打碎成小塊狀，再由小塊狀捏合成大團。D、E槳葉捏合制備的催化劑強度均高于A、B、C槳葉。由此可以看出，槳葉在捏合過程中輸入功率越高，物料所受捏合力越大，對物料的捏合作用越明顯，捏合后制備的催化劑強度也較高。

2.3單位功的提出

根據30L和50L捏合機捏合實驗過程中功率變化的規律，結合物料在捏合過程中的狀態變化，以及所制備的催化劑強度，進行關聯性分析。通過對實驗數據的整理分析，發現“單位物料接收的功”(以下簡稱：“單位功”)和催化劑強度有著內在的聯系。

單位功的計算公式為：

2.4實驗數據及分析

對30L和50L捏合機捏合過程中單位功和催化劑強度的數據進行分析，數據分別列于表1、2。

表1 30L捏合機不同槳葉單位功與催化劑強度

表2 50L捏合機不同槳葉單位功與催化劑強度

由表1、2數據可以看出：不論何種捏合設備，D、E兩種槳葉捏合物料時輸入的功率較大，其對應制備的乙苯脫氫催化劑強度較高；單位功較大時催化劑的強度也較高；對每個實驗都進行了重復試驗，每次得到的功率曲線基本都能重疊，制備的催化劑強度都較為接近，具有較高的重復性。

2.5工業應用

由表1中數據可得，30L捏合設備在使用槳葉D時，得到的單位功較高且催化劑強度在實驗中最高。將這種形式的設備放大后應用到乙苯脫氫催化劑的工業生產中，得到功率曲線(圖4)和特性數據(表3)。

圖4 工業捏合機(槳葉D)捏合功率曲線

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

由圖4可以看出，采用30L捏合設備槳葉(D型)的工業捏合機在乙苯脫氫催化劑捏合生產過程中的功率曲線，和放大前30L實驗設備捏合功率曲線圖(圖2中槳葉D)的形狀幾乎完全一樣，在濕捏過程中，捏合功率最終也是呈現升高的趨勢。捏合時物料能夠很好地成團捏合，最終制備的催化劑強度為149.5N/5mm。

由表3可以看出兩臺捏合設備在捏合過程中的單位功相差很小，所制備的催化劑強度也相差不大，單位功與強度的關聯性在實驗捏合設備和工業捏合設備上都得到了很好的體現。

3 結論

3.1單位功與催化劑機械強度具有一定的關聯性，捏合過程中槳葉對物料做的單位功越大，其捏合后制備的催化劑強度也越高。

3.2用放大后的工業捏合機生產乙苯脫氫催化劑，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度，功率曲線能直觀反映捏合的過程情況，可作為直接有效地評價捏合效果的表征方法。

[1] 印會鳴，林宏，王繼龍，等. 乙苯脫氫催化劑的發展現狀[J]. 工業催化，2012，20(1)：19～24.

[2] 顧松園. 苯乙烯生產技術發展[J]. 化學世界，2006，47(10)：622～625.

[3] 崔小明. 苯乙烯生產技術及國內外市場分析[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]. 石化技術與應用，2012，30(5)：407～410.

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

[6] 宋磊. 低鉀型乙苯脫氫催化劑機械強度的優化[J]. 化工時刊，2007，21(4)：23～29.