專利名稱：一種異柱形顆粒的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種異柱形顆粒，特別是用于催化劑及其載體或化工填料的異柱形顆粒，具體地說是具有特殊橫截面形狀的異柱形催化劑及其載體、化工填料顆粒。
背景技術：
在石油、化工等領域通常需使用催化劑及填料，在一些物理或化學反應過程中，有時需要催化劑或填料具有較大的外表面積，或較大的床層空隙率，或同時要求較大外表面積和較大床層空隙率，而規(guī)則形狀的催化劑或填料較難達到上述要求，特別是難以同時達到上述兩種要求。
現(xiàn)有技術中關于改變催化劑顆粒形狀的報道較多，如US4394303，US3966644，US3997426，US4342643等，它們介紹了三葉條形、四葉條形、空心圓柱形、空心棱柱形、波紋邊空心圓柱形、溝槽圓柱形等催化劑顆粒形狀。與傳統(tǒng)的圓柱形和球形催化劑相比，其顆粒雖然在不同程度上提高了床層空隙率，但都不同程度地存在顆粒之間的閉鎖問題，因而對增加床層空隙率仍不十分有效。US4342643雖然對上述問題有所考慮，但仍未深入解決，因為其溝槽兩個側邊的延長線經(jīng)過圓柱體的軸心由此形成開放形的溝槽，從而容易導致某一顆粒的凸出部嵌入到另一顆粒的溝槽中，引起空隙率的下降。另外在申出部分的兩個側邊與槽底的垂直相接處，極易產生斷裂和破碎，由此產生的碎片很容易堵塞反應器床層。CN1209359A公開了一種異形催化劑載體。該專利通過在圓柱體周邊沿軸向均勻地開出二至四個大小相等的拱形溝槽，分別形成二至四個對稱的凸出體，使每個溝槽的下部均為背向圓柱體軸心的圓弧線與溝槽底部圓弧線相切的兩個直邊為平行線，或兩個直邊的延長線在圓柱體軸心一側的夾角小于25°。該專利對溝槽和凸出部分進行了改進，進一步減少了閉鎖問題，又有效增加了載體的耐壓強度。但該專利因構造形狀限制，存在如下缺點一是不能獲得較大的截面空隙率，因為溝槽開口不能太大，否則溝槽閉鎖問題仍然不能避免；二是與溝槽底部圓弧線相切的兩個直邊與外圓相交形成銳邊，該銳邊不耐外力沖擊，在運輸和裝填過程中由于顆粒相互碰撞擠壓以及工況狀態(tài)下流體沖擊產生碎屑和粉末，這些碎屑和粉末也會堵塞反應器床層。
此外，上述各種催化劑形狀中有相當部分，物料在同一顆粒的不同表面方位向實體內部的垂直擴散距離相差較大，導致顆粒實體內部物料擴散強度大小相差懸殊，作用壽命長短不一，甚至存在物料不能到達的擴散死角，造成催化劑實體資源浪費。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型設計一種催化劑及其載體或填料等顆粒形狀，在有效減少閉鎖、增加耐壓強度的同時，增加外表面積和床層空隙率，減少碎屑產生，同一顆粒的不同表面方位向實體內部的垂直擴散距離均勻。
本實用新型催化劑及其載體或填料的結構為以圓柱體為基礎，用槽溝構造出對稱、葉片截面為靈芝(或蘑菇)狀的2～5葉柱，一般常用3或4葉異形柱。橫截面上，葉間槽溝由槽溝弧線與相鄰兩個葉角弧線相向外切相交構成，形成具有瓶頸狀開口的曲線弧形槽溝截面；葉片外端由一段外弧線與兩個葉角弧線相向內切相交構成，形成靈芝(或蘑菇)狀葉片截面；外弧面、葉角弧面和槽溝弧面相切連接，構成本實用新型外側表面圓滑過渡的異柱形。
構成本實用新型橫截面的槽溝弧線、葉角弧線和外弧線，均為圓滑曲線，包括圓弧、橢圓弧、拋物線、雙曲線等二次方程曲線，也可以是其他高階方程曲線。槽溝弧線、葉角弧線和外弧線可分別為同一種類曲線，也可分別為不同種類曲線。為方便實施設計和制造，最好采用圓弧或橢圓弧。
與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點1、在空隙率相同或相近的情況下，本發(fā)明的異柱形催化劑及其載體、化工填料的瓶頸狀溝槽開口，大大減小了產生閉鎖的機率和程度；而采用相同體積(或重量)制備外圍直徑、槽溝開口寬度相同或相近的柱條體，本發(fā)明可獲得較高的截面空隙率，有利于增加整體裝填床層的空隙率。2、本實用新型的異柱形催化劑及其載體、化工填料，所有軸向外表面為切向平滑過渡連接，無任何銳邊，能有效化解外力沖擊，減少顆粒在搬運和裝填過程以及工況狀態(tài)下的碎屑和粉末產生，更有效避免床層堵塞。3、本實用新型的異柱形催化劑及其載體、化工填料，所有軸向外表面為幾何曲面，與外觀規(guī)格相近的現(xiàn)有一般柱條相比，具有更大的外表面積，有利于流體擴散。4、本實用新型的異柱形設計，使流體在顆粒不同外表方位向實體內部垂直擴散的距離趨于勻一，有效提高催化劑實體資源利用效率。5、本實用新型顆粒具有較大的空隙率和外表面積，水力學性能良好，顆粒的外擴散阻力小，既可用于多相催化反應的催化劑及其載體，也可用于一般化工填料。


圖1是本實用新型三葉柱截面示意圖，圖中①為外圓直徑，②為葉角圓直徑，③為槽溝圓直徑，④為葉柄最窄寬度。
圖2是本實用新型四葉柱截面示意圖，圖中①為外圓直徑，②為葉角圓直徑，③為槽溝圓直徑，④為葉柄最窄寬度，⑤為一個葉片的兩個葉角圓芯對外圓芯的夾角。
圖3是USP4394303所示催化劑載體顆粒結構。
圖4是CN1209359A所示催化劑載體顆粒結構。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型的結構和特征。圖中槽溝弧線、葉角弧線和外弧線均采用圓弧設計。
本實用新型結構中，外圓直徑?jīng)Q定本發(fā)明異形柱的最大外圍直徑，根據(jù)成品用途不同，取值范圍在0.5～300mm之間。用作催化劑及其載體，一般取值范圍為0.5～100mm，最好為1～60mm；用作一般化工填料，一般取值范圍為1～300mm，最好為3～150mm。
本實用新型可根據(jù)成品用途不同而采用不同的材料。如作為催化劑載體，可以是氧化鋁，氧化硅，氧化硅一氧化鋁，氧化鎂，氧化鎂一氧化鋁，粘土，鋁酸鈣等耐熱材料；在這些載體中還可含有一種或多種分子篩，如X、Y、β、ZSM等分子篩。如直接制造催化劑，可根據(jù)具體催化劑原料配方，在上述一種或數(shù)種載體材料基礎上添加所需活性金屬組份。如本發(fā)明用作一般化工填料，可采用各種非金屬化工填料的原材料。
本實用新型提供的異柱形催化劑及其載體、化工填料，其實施方案簡便只需把擠條機孔板中的小孔設計成所需的形狀，然后將物料調配、膠溶、混捏，通過孔板擠壓成型后，再經(jīng)干燥、焙燒(或燒結)等步驟獲得制成品。
在三葉異柱形結構中，各尺寸比例優(yōu)選如下(如圖1所示)葉角圓直徑②和槽溝圓直徑③決定截面的空隙面積分率和槽口大小，也決定成品的耐壓強度。槽溝圓直徑③的取值范圍由槽溝圓直徑③與外圓直徑①之比值決定，該比值小于0.5才有效，一般為0.10～0.40，最好在0.25～0.32之間；葉角圓直徑②的取值范圍由葉角圓直徑②與槽溝圓直徑③之比值決定，該比值一般不大于1.0，最好在0.4～0.8之間。葉柄最窄寬度④與成品的耐壓強度密切相關，也是控制成品實體不同表面方位向內垂直擴散距離差值的重要參數(shù)。垂直擴散距離差值主要由葉角圓直徑②與葉柄最窄寬度④之比值決定，該比值一般為0.5～1.2，最好在0.7～0.9之間。
在四葉異柱形結構中，各尺寸比例優(yōu)選如下(如圖2所示)葉角圓直徑②和槽溝圓直徑③決定截面的空隙面積分率和槽口大小，也決定成品的耐壓強度。槽溝圓直徑③的取值范圍由槽溝圓直徑③與外圓直徑①之比值決定，該比值一般為0.10～0.30，最好在0.22～0.26之間；葉角圓直徑②的取值范圍由葉角圓直徑②與槽溝圓直徑③之比值決定，該比值一般不大于1.0，最好在0.55～0.85之間。葉柄最窄寬度④與成品的耐壓強度密切相關，也是控制成品實體不同表面方位向內垂直擴散距離差值的重要參數(shù)。垂直擴散距離差值主要由葉角圓直徑②與葉柄最窄寬度④之比值決定，該比值一般為0.5～1.2，最好在0.7～0.9之間。夾角⑤也同時決定截面的空隙面積分率和槽口大小、葉柄最窄寬度④，夾角⑤一般為20～60°，最好在35～45°之間。
下面結合實施例說明本實用新型的優(yōu)點。稱取氫氧化鋁干膠粉(擬薄水鋁石)依次加入田箐粉、TiCl3溶液、冰乙酸、凈水，物料投料比例(重量比)Al2O3/田/TiCl3/(1∶1)HAC/H2O＝1/0.2～0.5/0.10～0.5/0.08～0.12/1.1將其混捏成可塑體，在擠條機上擠壓成型，分別得到不同形狀催化劑載體A、A1、B、B1，經(jīng)干燥后，在550℃下焙燒5小時，測定催化劑載體的堆積密度，側壓機械強度和空隙率等結果列表1和表2。
本實用新型異形三葉柱載體A按圖1設計，具體尺寸為外圓直徑①＝3.0mm，葉角圓直徑②＝0.50mm，槽溝圓直徑③＝0.84mm，葉柄最窄寬度④＝0.65。
現(xiàn)有技術中三葉柱載體A1按圖3設計(USP4394303結構)，具體尺寸為D＝3.0mm，d＝1.3mm。
表1 三葉柱形催化劑載體的性質

本實用新型異形四葉柱載體B按圖2結構設計，具體尺寸為外圓直徑①＝3.0mm，葉角圓直徑②＝0.50mm，槽溝圓直徑③＝0.72mm，葉柄最窄寬度④＝0.33，夾角⑤＝40°。
現(xiàn)有技術異形四葉柱載體B1按圖4設計(CN1209359A結構)，具體尺寸為r7＝1.5mm，r8＝0.6mm，r9＝0.4mm。
表2 催化劑載體的性質
權利要求1.一種異柱形顆粒，以圓柱體為基礎，其特征在于用槽溝構造出對稱、葉片截面為靈芝狀的2～5葉柱；在橫截面上，葉間槽溝由槽溝弧線與相鄰兩個葉角弧線相向外切相交構成，形成具有瓶頸狀開口的曲線弧形槽溝截面；葉片外端由一段外弧線與兩個葉角弧線相向內切相交構成，形成靈芝狀葉片截面；外弧面、葉角弧面和槽溝弧面相切連接，構成外側表面圓滑過渡的異柱形。
2.按照權利要求1所述的異柱形顆粒，其特征在于所述的槽溝弧線、葉角弧線和外弧線為圓弧、橢圓弧、拋物線或雙曲線形狀；槽溝弧線、葉角弧線和外弧線是一種類曲線或幾種曲線。
3.按照權利要求1或2所述的異柱形顆粒，其特征在于所述葉片為3片，顆粒為三葉異柱形結構，槽溝弧線、葉角弧線和外弧線是圓弧。
4.按照權利要求3所述的異柱形顆粒，其特征在于槽溝圓直徑與顆粒外圓直徑的比值為0.10～0.40，葉角圓直徑與槽溝圓直徑的比值不大于1.0，葉角圓直徑與葉柄最窄寬度的比值為0.5～1.2。
5.按照權利要求3所述的異柱形顆粒，其特征在于槽溝圓直徑與顆粒外圓直徑的比值為0.25～0.32，葉角圓直徑與槽溝圓直徑的比值為0.4～0.8，葉角圓直徑與葉柄最窄寬度的比值為0.7～0.9。
6.按照權利要求1或2所述的異柱形顆粒，其特征在于所述葉片為4片，顆粒為四葉異柱形結構，槽溝弧線、葉角弧線和外弧線是圓弧。
7.按照權利要求6所述的異柱形顆粒，其特征在于槽溝圓直徑與顆粒外圓直徑的比值為0.10～0.30，葉角圓直徑與槽溝圓直徑的比值不大于1.0，葉角圓直徑與葉柄最窄寬度的比值為0.5～1.2。
8.按照權利要求6所述的異柱形顆粒，其特征在于槽溝圓直徑與顆粒外圓直徑的比值為0.22～0.26，葉角圓直徑與槽溝圓直徑的比值為0.55～0.85，葉角圓直徑與葉柄最窄寬度的比值為0.7～0.9。
9.按照權利要求1所述的異柱形顆粒，其特征在于所述圓柱體直徑為0.5～300mm。
專利摘要本實用新型涉及一種異柱形顆粒，以圓柱體為基礎，用槽溝構造出對稱、葉片截面為靈芝狀的2～5葉柱，槽溝截面形狀為瓶頸狀，葉片外弧面、葉角弧面和槽溝弧面相切連接，構成外側表面圓滑過渡的異柱形。本實用新型異柱形顆粒結構解決了現(xiàn)有技術中異柱形顆粒易閉鎖、空隙率小、外表面積小、壓碎強度低、易產生粉末、外擴散不均勻等問題，可以用于多種催化劑及其載體或其它填料。
文檔編號B01J35/02GK2625026SQ03213520
公開日2004年7月14日 申請日期2003年5月31日 優(yōu)先權日2003年5月31日
發(fā)明者韓保平, 彭派, 蘇曉波, 方向晨, 曾榕輝, 李士才 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院