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新型整体式钒催化剂的设计、制备与研究

蒋炜  
【摘要】:针对现有硫酸工业中SO_2转化生产系统阻力大、能耗高的现象设计了一种具有低阻力和高传热传质性能、内部具有规则通道的新型整体式钒催化剂。这种新型整体式钒催化剂以硅藻土为载体,将活性组分与载体直接混合;孔道利用塑芯制作;成品外形为大尺寸立方体,内部矩形通道相互交错、形状规则。 与散堆钒催化剂制作方法不同,整体式钒催化剂采用压制密实法成型,成型用钒催化剂料浆的化学物理性质直接影响催化剂成品质量。通过测定钒催化剂料浆在不同处理条件下的塑限、液限、流动度等参数,研究了不同配方和不同处理方法对料浆流动性质的影响规律。结果表明通过对催化剂硅藻土载体酸洗处理、调节催化剂活性组分浆料pH值、对浆料进行捏合处理、适当添加润滑剂等措施,可以有效提高浆料的流动性、降低浆料在相同流动性情况下的含水量,利用该浆料浇注压制成型的催化剂裂纹少、机械强度高。 整体式钒催化剂压制密实成型过程分为入模、压制和脱模三个阶段;竖直安放在模具内部的塑芯对其制作影响严重。通过测试钒催化剂坯体密实度、含水量的变化,研究了不同措施对催化剂制作三个阶段的影响,并建立了相应的坯体密度模型。结果表明捏合和振动能减小钒催化剂料浆粘度;压制过程需采用多次填料、多次压制方式;塑芯导致料浆一次填充高度和坯体密实度减小。 制作塑芯的材料选择聚丙烯。采用塑芯并烧除以制作整体式钒催化剂内部孔道的方法直接影响钒催化剂的热处理程序。通过测试整体式钒催化剂干燥和 摘要 锻烧时的膨胀率及热重、差热等性质,研究了塑芯对整体式钒催化剂结构和强 度的破坏作用。结果表明塑芯导致热加工程序耗时增加、催化剂破坏程度加剧、 机械强度减小;控制温度及升温速率可减小塑芯破坏。 机械强度是整体式钒催化剂主要性质。钒催化剂属于脆性材料,受压后易 破碎造成床层堵塞。通过对现有工业钒催化剂配方的筛选比较,选出机械强度 较好的5105催化剂配方作为试验基础配方;在此基础上,研究了成型压力、 含水量、pH值、捏合次数和陈化时间等工艺参数对催化剂材料机械强度的影响, 并通过加入添加剂及条件优化试验以提高钒催化剂材料的机械性能。结果表明 经优化后钒催化剂材料机械强度提高了4一5倍,达到制作整体式钒催化剂所需 机械强度要求:机械强度可靠性也大幅提高。 整体式钒催化剂内部复杂结构对催化剂整体强度有明显影响。通过有限元 法模拟计算催化剂内部孔道对整体强度的影响,结果表明内部结构使整体式钒 催化剂机械强度降为钒催化剂骨架材料强度20%左右,与实验结果一致。建立 整体式钒催化剂应力应变方程,确定其机械失效压力为l.33MPa,流体力学失 效压力为l.19MPa。 通过实验分别测试了整体式钒催化剂活性、压力降以及外部传质性质。结 果表明整体式钒催化剂能有效提高钒催化剂宏观活性:床层压力降只有传统散 堆床层的1/2~1/3;外扩散传质与散堆床层相当。拟合整体式钒催化剂床层压 力降数据,所得床层压力降公式计算误差在13一16%,优于Bravo公式。 对整体式钒催化剂床层进行内部流动、内扩散过程模拟计算。结果表明整 体式钒催化剂压力降主要产生于通道间相互交叉结构,通道本身压力降可以忽 略;整体式钒催化剂内50:浓度和反应速度受到内扩散影响严重,但催化剂内 部没有死区;外扩散影响可以忽略;反应近似一级反应。 经济横算结果表明整体式钒催化剂实验室制作成本为现有散堆钒催化剂3 倍,但通过工艺改进、提高生产效率,整体式钒催化剂制作成本可大幅度降低。 整体式钒催化剂的设计思路具有广泛的工业意义和光明的应用前景,也适 于其他气固催化反应过程催化剂的设计和研制。 关键词:整体式钒催化剂,料浆,成型,机械强度,压力降


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