L A B O R A T O Ř O B O R U CHEMIE A CHEMICKÉ TECHNOLOGIE (N150013) 3.r. Ústav organické technologie (111) Ing. I. Dudková Doc. Ing. B. Dvořák, CSc. budova A, místnost č. S31
MĚŘENÍ VYBRANÝCH TECHNICKÝCH PARAMETRŮ PRŮMYSLOVÝCH KATALYZÁTORŮ 1. ÚVOD V současnosti je více než 95 % průmyslově realizovaných organických syntéz urychlováno katalyzátory. Významnou část v komoditě katalyzátorů zaujímají tuhé heterogenní katalyzátory. Žádané užitné vlastnosti katalyzátorů jsou závislé nejen na chemické skladbě, ale také na jejich texturních vlastnostech. Tyto vlastnosti jsou charakterizovány řadou parametrů. Některé z nich, které jsou běžně užívány v technické praxi, budou blíže popsány a připravená Typová práce slouží k představení metod a pracovních postupů k měření těchto parametrů 2. CÍL PRÁCE Seznámit s obsahem pojmů sypná a zjevná hustota, rozměr tablet a kroužků, střední hmotnost tablety a její mechanická pevnost, charakterizujících některé vlastnosti průmyslových katalyzátorů. Ukázat a naučit správně měřit uvedené parametry a zjistit chybu měření užité měřicí metody. 3. DEFINICE VYBRANÝCH TECHNICKÝCH PARAMETRŮ 3.1 Sypná hustota (ρ syp ) Hodnota parametru sypné hustoty udává hmotnost tuhého materiálu, uloženého v nejtěsnějším uspořádání v dobře sklepané vrstvě, o objemu 1 litru. Matematicky je uvedený parametr popsán následujícím vztahem (1). ρ syp = G/Vv (kg.m -3 ) (1) kde: V v je objem sypané vrstvy 3.2 Zjevná hustota (ρ zj ) Hodnota parametru zjevné hustoty reprezentuje hmotnost objemové jednotky tuhé částice včetně hmotnosti vzduchu, obsaženého v jejich pórech. Popsanou definici vystihuje dále uvedený vztah (2). ρ zj = (Gč + Gp)/Vč (kg.m -3 ) (2) kde: G č a V č je hmotnost a objem částice a Gp hmotnost vzduchu v pórech částice 3.3 Rozměry tuhých částic
Velikost tuhých částic pravidelného geometrického tvaru, např. válcovitých tablet, dutých tablet (kroužků), kuliček, nebo válcovitých výlisků je popsána jejich rozměry. válcovitá tableta: Ø x v (mm) (3) dutá válcovitá tableta: Ø ext x Ø int x v (mm) (4) kde: Ø je průměr tablety a Ø ext, Ø int je vnější a vnitřní průměr stěny duté tablety v je výška tablet 3.4 Střední hmotnost tablety Parametr střední hmotnosti tablety je často účelově užíván k selekci tablet s přesněji definovanými texturními vlastnostmi daného vzorku. Zmíněný parametr je určován z většího souboru (100 až 500 kusů) náhodně vybraných tablet z reprezentativního vzorku. Jeho hodnota je pro 500 členný soubor definovaná níže uvedeným vztahem (5). m = G 500 /500 (5) 3.5 Mechanická pevnost tvarovaných částic Mechanická pevnost válcovité částice je nejčastěji charakterizována hodnotou meze pevnosti v tlaku, kolmém na plochu podstavy válce. Mezí pevností je síla (N), vztažená na plošnou jednotku částice, při níž dochází k destrukci částice. Uvedený parametr je statistickou veličinou, tzn., představuje průměrnou hodnotu z údajů měřeného souboru částic. Mechanická pevnost je určována z naměřených experimentálních údajů podle následujícího vztahu (6). mechan. pevnost = 4.k.N/πd 2 (MPa) (6) kde: d je průměr válcovité částice, N průměrná hodnota síly pro destrukci tablety a k je rozměrová konstanta 4. POTŘEBNÉ POMŮCKY A ZAŘÍZENÍ odměrný válec o objemu 1 litr analytické váhy digitální předvážky posuvné měřítko testr TMZ-3U electronic fy Microsensor válcovité tablety a kroužky granulát katalyzátorové hmoty
5. PRACOVNÍ POSTUPY 5.1 Měření sypné hustoty (ρ syp ) V souladu s definicí je tento parametr určován vážením přesně vymezeného objemu vrstvy tuhých částic. K určení jejího objemu je užíván odměrný válec o objemu 1 lt. Vnitřní průměr tohoto válce splňuje pro tablety velikosti z 5 mm podmínku, že Ø v / Ø t 7, při níž tablety zaujímají ve válci nejtěsnější uspořádání. Tablety jsou do válce plněny po dávkách max. 200 ml. Po nasypání každé dávky je vrstva vytvořená ve válci pečlivě sklepána poklepem na měkké podložce. Cílem takové operace je odstranění volných prostorů a zajištění co nejtěsnějšího uspořádání tablet ve vrstvě. Po naplnění žádaného objemu se válec s náplní odváží s přesností na jedno desetinné místo. Hmotnost náplně se určí diferenčním vážením, tj. odečtením hmotnosti válce s prachovými částicemi, po předchozím vysypání celých tablet. Postup se 3 krát opakuje, ze získaných údajů se určí průměrná hodnota parametru a relativní chyba měření. Všechny údaje se zaznamenávají do tabulky. 5.2 Měření zjevné hustoty (ρ zj ) Také tento parametr je určován vážením jednotkového objemu tuhé částice určeného měřením a výpočtem. K určení objemu jsou potřebné údaje získány měřením rozměrů částic posuvným měřítkem, popř. mikrometrem. Jinou metodou, užívanou k měření téhož parametru je metoda rtuťové pórometrie. Touto metodou je objem tuhých částic, ale i nepravidelného gemetrického tvaru, určován z rozdílu objemu rtuti prázdného a částicemi naplněného dilatometru. Rtuť vyplní pouze mezipartikulární prostor, za atmosférického tlaku nezaplní žádné póry jejichž průměr je větší než 0,0075 µm. Takto změřený parametr je označován jako rtuťová hustota (ρ Hg ). V porovnání se zjevnou hustotou může (ρ Hg ), v závislosti na hodnotě skutečné hustoty, tzv. heliové hustoty (ρ He ), nabývat vyšší, nebo nižší hodnoty. Z reprezentativního vzorku tablet je náhodně, nebo podle určitého kriteria vybrán soubor 20 tablet. Tablety se uloží do sloupce a posuvným měřítkem se určí jeho výška. Vedle toho se posuvným měřítkem, popř. mikrometrem změří průměr každé válcovité tablety. Průměrná hodnota tohoto parametru se užije k výpočtu objemu válce sestaveného z 20 tablet. Hmotnost 20 členného souboru válcovitých tablet dělena vypočteným objemem souboru udává hodnotu měřeného parametru zjevné hustoty tablet. 5.3 Měření mechanické pevnosti tvarovaných částic Hodnota tohoto parametru udává, v relaci s jeho definicí, průměrnou hodnotu síly, nebo tlaku, při kterém dochází k destrukci jednotlivých měřených tablet. K měření je užíván testovací stroj TMZ-3U electronic fy Microsensor. Zařízení umožňuje plynule vkládání síly na plochu měřené tablety a pomocí tenzometru snímání její hodnoty při překročení meze pevnosti vzorku. Softwarové vybavení přístroje umožňuje, při zadání průměru tablety, digitální vyhodnocení hodnoty meze mechanické pevnosti v tlaku na příslušnou plochu.
Měření mechanické pevnosti tvarovaných částic sestává z následujících úkonů: a) z výběru tablet k měření b) ze zadání vstupních dat do software přístroje c) experimentálního měření hodnot meze pevnosti jednotlivých tablet d) z výpočtu průměrné hodnoty mechanické pevnosti tablet a její směrodatné odchylky. a) Z reprezentativního vzorku je náhodně vybráno 50 tablet, nebo podle dále uvedeného kriteria je selektován soubor 22 tablet. Posuvným měřítkem, popř. mikrometrem se změří průměr každé válcovité tablety a vypočte jeho průměrná hodnota. V případě měření dutých tablet (kroužků) se určuje ještě průměrná hodnota vnitřního průměru těchto tablet. Vnitřní průměr se nejlépe měří vkládáním kalibru známé velikosti do kroužků. Z průměrných hodnot rozměrů dutých tablet se vypočte průměrná hodnota plochy mezikruží. Z této hodnoty se vypočte průměr ekvivalentní identické ploše plné tablety. Výběr tablet je realizován podle kriteria definovaného následujícím vztahem (7) m sel = m (1 ± 0,1) (7) kde: m sel a m jsou hmotnost selektovaných tablet a střední hmotnost tablety b) Do software se vkládají vstupní hodnoty následujících parametrů: velikost vkládané síly (N) průměr, nebo ekvivalentní průměr tablety rozměr parametru měřené meze mechanické pevnosti tablety (MPa) c) Záznam hodnot experimentálního měření hodnot meze pevnosti jednotlivých tablet d) Užít statistický software k určení průměrné hodnoty mechanické pevnosti tablet a její směrodatné odchylky. 6. ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH VÝSLEDKŮ Výsledkem experimentální práce bude soubor údajů charakterizujících vybrané texturní vlastnosti předložených reprezentativních vzorků katalyzátorů. Naměřené výsledky zpracujte a vložte do vhodně připravených tabulek a s odpovídajícím komentářem zařaďte do kapitol podobných kapitolám v tomto návodu. 7. LITERATURA 1. Dvořák B., Koubek J a kol.: Laboratoř oboru organická technologie, Praha 1985