FeO基氨合成催化剂的机械性能研究.doc

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FeO基氨合成催化剂的机械性能研究业氨的合成要在高温、高压和催化剂下才能实现。具有高的低温低压活性、优良的耐热和抗毒性能、优异的机械性能的氨合成催化剂是实现稳定高产、节能降耗、提高氨合成生产水平的关键。FeO基氨合成催化剂是新一代高性能催化剂,在各合成氨厂得到了广泛地应用并取得了良好的经济效益和社会效益。对FeO基的氧化态A301型低温低压氨合成催化剂和传统Fe3O4基A110-2型催化剂的机械性能进行了比较研究。 1? 实验部分 ??? 采用电阻炉熔融法制备FeO基氨合成催化剂,制备方法见文献。不同粒度的工业FeO基A301型催化剂由浙江工业大学催化剂厂提供,Fe3O4基A110-2型催化剂由浙江上虞催化剂有限责任公司提供。 ??? 催化剂的Fe2+/Fe3+按HG1-1430-81《氨合成催化剂化学分析方法》进行。催化剂的物相结构采用ThermoARL-X射线衍射仪测定。样品的机械强度采用大连智能试验厂制造的DGM多功能磨耗仪测定。取100 g的样品以一定转速磨耗若干时间,经0.85 mm×0.85mm标准筛振动过筛,得到磨耗率。由于催化剂颗粒材料的特殊性,不同颗粒的力学性能数据之间呈现出一定的随机性,为此需进行大量的重复实验。本实验取6~8份新鲜样品测定其磨耗率,取其平均值作为该样品的磨耗率。 2? 结果与讨论 2.1? 不同铁比值对催化剂母体强度的影响 铁的氧化物通常有Fe2O3、Fe3O4、FeO三种,在熔融法用还原剂制备氨合成催化剂中,新得到的母体相组成只能是Fe3O4、FeO或两者共存相,这两种物相组成的百分比取决于还原剂的用量及制备条件,不同量的还原剂产生不同的铁比值,各铁比值相应于不同的母体相组成,不同的母体相具有不同的机械强度。铁比值对催化剂母体强度影响见表1。 ??? 由表1可见,在相同的磨耗条件下,催化剂母体强度随Fe2+/Fe3+的增大而增强,Fe2+/Fe3+愈高,磨耗率愈小。研究发现,当Fe2+/Fe3+≥3.33,催化剂母体中铁氧化物已经完全形成铁阳离子缺位的非整比的维氏体(Fe1-xO)相,而当Fe2+/Fe3+=0.52时,则形成传统Fe3O4基催化剂母体相。物相分析也证实,样品M1形成单一Fe3O4相,测得磨耗率为3.82%;样品M6、M7、M8正好形成单一FeO相,磨耗率为2.7%左右,与样品M1比较磨耗率下降了1.1%左右。对于非单一物相的M3、M4和M9、M10样品,其磨耗率没有异常,仍然符合铁比值越大、磨耗率越小的规律,只是M9、M10由于有金属铁相出现,而导致其磨耗率明显降低,M9的磨耗率比M8下降了0.36%。从表1总的趋势不难发现氧化态FeO基催化剂母体具有相当的机械强度,明显优于Fe3O4基催化剂的母体。 2.2? 不同条件对FeO基催化剂强度的影响 ??? FeO基A301型氨合成催化剂在活性、耐热和抗毒性方面都显示了优良性能。在机械强度上,与经受工业生产长期考验的A110-2催化剂进行比较研究,充分说明其可靠性和真实性。研究不同条件对催化剂机械性能影响,为FeO基氨合成催化剂更加广泛的工业应用提供依据。 2.2.1? 粒度 表2为粒度对A301、A110-2催化剂磨耗率的影响。 ??? 从表2可以看出,四种粒度的A110-2的磨耗率在两种条件下都大于A301的磨耗率,即A301的强度好于A110-2。这与意大利科学家PerniconeN的研究结果是一致的,都说明氧化态FeO基催化剂的强度要优于Fe3O4基催化剂。另外颗粒大小对A301的磨耗率影响很小,而对A110-2有一定的影响,粒度越大,则磨耗率越大。 2.2.2? 磨耗时间 ??? 图1为在相同质量、样品粒径2.2~3.3mm、转速60 r·min-1的条件下,磨耗时间与A301型、All0-2型催化剂磨耗率的关系曲线。 ??? 从图1可知,A301、A110-2的磨耗率随时间的增加而单调增大,增大的幅度比较均匀;A301的机械强度始终保持着一定的优势。 2.2.3? 转速 ??? 催化剂在使用过程中,长期经受压力、高温、摩擦及各种应力,有时还要承受多种恶劣力学环境的考验。通过转速变化来说明催化剂对强化应力的适应性,加快了转速,就是增加了催化剂与筒(刀片)及催化剂颗粒间的碰撞频率,摩擦的强度增大。在磨耗时间30min、样品粒径2.2~3.3mm的各转速条件下的磨耗率见图2。 ??? 从图2可知,当较低转速时,A301和A110-2磨耗率相差无几,当转速为60r·min-1时,两者的强度开始出现较大的差异,此时,A301的磨耗率小于A110-2,显示了一定的强度稳定性。 ??? 在各种条件下,氧化态A301催化剂优于A110-2的强度稳定性,材料力学研究表明,对低应力磨损情况,材料的耐磨性依赖于材料表面硬度,表面硬度

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