沉淀铁催化剂磨损强度测试方法

常鸿雁 武 鹏 蔺华林

1中国神华煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

2中国神华煤制油化工有限公司北京研究院 （北京 100011）

沉淀铁催化剂磨损强度测试方法

常鸿雁1武 鹏2蔺华林1

1中国神华煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

2中国神华煤制油化工有限公司北京研究院 （北京 100011）

综述了沉淀铁催化剂磨损强度常用的测试方法，主要介绍了空气喷射法、旋转磨损筒法、超声波法和浆态床法等。总结了沉淀铁强度测试的研究现状，并对强度测试的研究提出了一点建议。

沉淀铁催化剂 费托合成 磨损性能

0 前言

费托合成（简称FT合成）是由煤间接液化生产液体燃料和其他高品质化学品的关键工艺步骤。铁基催化剂由于价格低廉、水煤气变换活性高、并适合于低氢碳比的煤基合成气，因而成为最具工业价值的一类催化剂。近年来，随着浆态床合成油技术的发展，对沉淀铁催化剂提出了新的要求，降低催化剂成本、提高催化剂抗磨损性能已成为研发浆态床FT铁基催化剂的重要课题[1]。催化剂的抗磨损性能是催化剂开发的一个重要参数，特别是针对浆态床，催化剂的磨损性能差会导致过滤器堵塞并影响催化剂在反应器中的分布状态，从而影响到催化剂的FT反应性能。但目前对于沉淀铁催化剂磨损强度还没有一个标准的测试方法，不同的测试方法可能会有不同的结果。因此，本文比较了测试沉淀铁催化剂磨损强度的几种常用方法，并对目前沉淀铁催化强度的研究现状进行了总结。

1 沉淀铁催化剂磨损强度测试方法概述

80年代以来,ASTM的“催化剂D-32委员会”颁布了两个标准试验方法，即旋转磨损筒试验和空气喷射法，分别适用于固定床颗粒催化剂和流化床粉体（微球）催化剂的磨损性能测试[2]。除此之外，测试催化剂强度的方法还有流化床试验、超声波试验、点击试验和混合型试验等方法，但这些方法都是针对石化行业的催化剂制定的。目前对于沉淀铁催化剂磨损强度还没有一个标准的测试方法，大多是借用石化行业催化剂磨损强度的测试方法，主要有空气喷射法、旋转磨损筒法、超声波法、浆态床法等。

1.1 空气喷射法

1995年ASTM颁布了空气喷射测试磨损的标准试验方法,详见ASTM D5757-95。其基本原理为：在高速空气流喷射作用下使粉体催化剂流态化,颗粒间以及与器壁间摩擦产生细粉,小于20 μm的细粉生成率即为磨损率,是被测催化剂在流化环境使用过程中抗颗粒磨损的表征。用于该测试方法的设备和仪器虽然不尽相同，但试验装置都必须达到以下要求：使一定量的空气从垂直管底部的气体分布器通过，管子顶部连接一个沉降室，粗细颗粒在沉降室分离后，细粉到达顶部被收集器收集，粗颗粒则返回管子的下部重新流化[3]。有研究者在ASTM标准的基础上做了一些改进，称为喷射杯法，这种方法与ASTM的方法相同之处是均包括气体进料管、沉降室、细粉收集器等，如图1所示[4]（图1中In为英寸，1 In=25.4 mm）。

与ASTM标准装置的不同之处是底部进气口没有气体分布器，控制好气体流量后直接将气体通到样品杯中。喷射杯法样品的用量较少，有文献报道只用5 g催化剂就可进行测试[4-8]。在国内也有类似的装置，样品用量一般为6.5 g或10 g。根据沉降室及直管的设计不同，样品用量略有不同，但相对于ASTM的标准，样品用量要少很多，比较适合于测试实验室制备样品的磨损强度。

Zhao[6]等采用两个系列的催化剂对ASTM标准方法与喷射杯法测试结果进行了对比，如表1所示。

表1 喷射杯法与ASTM流化床法结果对比

除了个别的数据外，采用这两种方法测试催化剂的磨损性能是有可比性的。ASTM方法的样品用量较大（50 g），适合中试或工业生产样品的测试。而喷射杯法则更适合于实验室样品磨损强度的测试，故在实验室的小试研究中可以采用喷射杯法代替ASTM标准方法。

1.2 旋转磨损筒法

旋转磨损筒法的基本方法是将催化剂装入旋转容器内，催化剂在容器旋转过程中上下滚动被磨损，经过一段时间，取出样品，筛出细粉，以单位质量催化剂样品所产生的细粉量，即磨损率来表示强度。这个方法是测试固定床催化剂耐磨性的典型方法，其装置如图2所示[2]。

1.3 超声波法

超声波法的基本方法是将催化剂放入一定介质中（可以是有机溶剂或水），采用超声波对催化剂进行超声破碎后，采用激光粒度仪测试样品的粒度分布，通过超声前后样品粒度变化来考察样品的磨损性能。超声波的作用非常复杂，对球形催化剂颗粒，超声波辐射主要导致颗粒破碎，被应用于最近的FT催化剂的磨损试验中，可以用超声辐射初步比较不同催化剂的强度，如图3所示[4]。

1.4 浆态床法

浆态床法就是模拟工业浆态床反应实际工况的小型反应器，在气液固三相共存的情况下，考察催化剂的FT性能变化。空气喷射法可以模拟气固流化床催化剂的实际情况，仅能近似地判断催化剂的抗物理磨损性能，与实际浆态床反应器中催化剂的磨损情况有很大区别；旋转磨损筒法和超声法作用原理不同于FT催化剂在浆态床反应器中情况，不能完全模拟催化剂颗粒在浆态床中的磨损情况。以沉淀铁催化剂为例，在反应过程中沉淀铁基催化剂的磨损包括物理磨损和化学磨损。化学磨损的主要原因是由于铁基催化剂在反应过程中物相发生转变引起的，物相转变时催化剂颗粒的内部张力发生变化，可能导致催化剂颗粒因破碎而降低强度；物理磨损主要来自催化剂颗粒之间以及颗粒与反应器器壁间的碰撞，导致催化剂颗粒磨损而变小[9-11]。采用浆态床法是测试催化剂磨损性能最直接也是能最准确反应催化剂物理和化学磨损的方法，对开发费托合成催化剂更有实际应用价值，但这种方法的缺点主要是条件多、耗时长和费用高。

2 沉淀铁催化剂机械强度测试的研究现状

从上面的介绍中可以看出不同的测试方法各有优缺点，在实际测试中应根据需要选择不同的测试方法，每一种方法都可以从一个方面反应催化剂的磨损性能。在沉淀铁催化剂磨损性能的研究中，多数研究者采用空气喷射法进行研究，也有部分研究者采用超声波法、浆态床法等。国外Goodwin等研究者采用空气喷射法对喷雾干燥的微球状Fe/Cu/K/SiO2催化剂进行了系统的物理磨损性能研究，发现空气喷射法可以在一定程度上反应催化剂的强度[4-8]。研究还发现，催化剂的磨损率与颗粒密度有关，颗粒密度越大，催化剂的磨损率越小[5]。

Datye课题组采用超声波法对催化剂的强度进行了研究[13-14]，研究发现加入硅进行喷雾干燥后的催化剂具有较好的抗磨性能。同时，还发现在超声波辐射条件下，性能较好的催化剂，在浆态床中也表现出较好的耐磨性，这说明在测试条件限制的情况下，可以初步用超声辐射来测试催化剂强度。Bukur等[14-15]应用超声波法对多种加硅方式和不同的喷雾干燥方法对催化剂的磨损性能进行了研究，认为加入硅溶胶和硅酸钾的催化剂有较高机械强度。

Ma等[16]采用浆态床法对Ruhrchemie催化剂在搅拌釜中的磨损性能进行了研究，发现Ruhrchemie催化剂有较好的磨损性能，可以用于浆态床的FT反应中。Hou等[17-18]对不同硅含量的铁基催化剂在搅拌釜中的强度进行了研究，发现在搅拌釜中反应500 h、SiO2含量为25%时催化剂的磨损性能较好。郝庆兰等[11]也进行了模拟实际工况条件下的催化剂物理磨损实验和实际浆态床FT长期运行后的催化剂磨损实验。发现经FT反应后，催化剂有一定程度的破碎，其表面光滑度有所下降。但经过600 h的物理磨损实验后，催化剂颗粒没有发生任何破碎现象，形貌保持得很好，颗粒表面光滑，与FT反应前的催化剂形貌几乎无区别，说明喷雾干燥成型的催化剂具有较强的抗物理磨损性能；同时表明在600 h的FT反应运转周期内，催化剂的磨损主要是由化学磨损引起的。

3 结束语

沉淀铁催化剂的磨损强度是影响费托合成反应的一个重要因素，它直接关系到反应能否顺利进行、催化剂的寿命和产品的性质，对它的研究是对费托合成有着重要的指导意义。因此，研究建立反映催化剂在工业生产装置中磨损性能的检测标准方法非常重要，建议研究发展更接近真实反应的测试方法。

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TQ426.8

常鸿雁 女 1976年生 博士 专业方向：化学工艺 已发表论文数篇

2010年5月