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,74 北京科技大学学报 第32卷 和裂纹等因素是造成催化剂摩擦磨损性能不同的主 服役行为和指导催化剂的制备过程具有一定的参考 要原因1).其中，颗粒的机械强度是影响催化剂耐 价值 磨性能的最重要的参数.强度较高的催化剂建立磨 1实验部分 损平衡的倾向较强，以发生剥层磨损为主，反之强度 较低的催化剂则会经受明显的断裂磨损，因而测定 1.1催化剂及预处理 催化剂颗粒的机械强度对于揭示催化剂的微观结构 实验研究的两种催化剂样品的基本性能数据如 和耐磨性本质具有重要意义， 表1所示，其中，MLC-500为FCC催化主剂，KD 本文选取了两种抗磨损性能差异较大的FCC DSN为CC催化助剂，磨损测试实验前，将催化剂 催化剂为研究对象，通过纳米压痕和显微硬度等测 样品颗粒用国家标准筛进行筛分(28~180m),将 试方法，基于纳米和微米两种尺度，分析研究了CC 筛分后的样品置于马弗炉中焙烧1h(500℃)，去掉 催化剂的机械强度和微观结构，并在实验室采用经 样品中的杂质后转移至干燥箱内冷却至室温，然后 典的喷杯式(jet-cup)流化磨损方法，模拟研究了几 按照ASMD5757-O0标准中的方法将催化剂样品 种催化剂的磨损行为与机制，对预测催化剂的实际 预加湿后备用， 表1实验用催化剂的主要成分和物理性质 Table 1 Basic camnposition and physical chamacteristics of FCC tested catalysts 催化剂 主要成分 堆密度(gmL.-1) BET比表面积/(m2.g) 粒径：m KD-DSN AbO3-MgO.Ce02.CuO.LazOs 0.85 70 28-180 MLC-500 Ak03.Fe203.Reo 0.66 291 28-180 1.2实验方法 别称重，将其中一个安装到沉降器出口.将上述预 催化剂磨损实验采用喷杯式流化磨损装 加湿后的样品装入喷杯中，打开进气阀并启动空压 置，如图1所示，其中，1~8为气路控制系统， 机，设置进气流量为1.5m3.h,开始磨损测试.分 9~12为喷杯磨损测试系统，各部分材质均为透明 别在第5102040分钟时以备用滤筒换下装置上 有机玻璃。在工作过程中，空气由切向导管流入喷 的滤筒，并将换下的滤筒称量后备用.1h后关闭进 杯，随旋转气流上升进入扩大段，空气携带颗粒的能 气阀，称量并计算滤筒的增量之和∑△m,按下式 力不断减弱，较大颗粒由中心区经四周扩大段内壁 计算样品磨损率W: 落回床层继续吹磨，较小颗粒在此脱离床层进入沉 W=∑△m:hmX10% (1) 降室，一部分细粉颗粒经床体出口逸出，收集在滤 式中，mo为催化剂原始质量 筒中 催化剂颗粒形貌采用Camnbridge S360型扫描电 镜观察，加速电压为10~15kV.采用日本理学LEM 型激光衍射粒度分析仪测定催化剂的粒度分布，催 化剂颗粒纳米压痕采用MTS Nano Indenter XP型纳 米力学探针和Berkovich.三棱压头，设定最大压痕深 度为500m,在样品表面随机选定5点进行测试， 采用MH-6型显微硬度计测定了催化剂颗粒的维 氏硬度H,每个样品选取3~4点压痕，测试后取平 均值 1一空压机：2一开关倒：3一诚压定值器：4一标准压力表：5一过滤 器：6一转子流量计：7一增湿水箱：8一膜盒压力表：9一切向进气 2结果与讨论 管；10一喷气杯：11一沉降器：12一滤简 2.1催化剂颗粒的微观形貌 图1喷杯磨损测试系统示意图 Fig 1 Schenatic representation of jetcup attrition test system 图2为催化剂KD-DSN和MLC-500颗粒微观 形貌照片，MLC-500初始样品外观为规则的球形 催化剂磨损测试实验过程按照ASMD5757- 颗粒，表面较光滑致密；而KD-DSN样品初始形貌 00中的方法进行.磨损测试前准备好两个滤筒，分 呈不规则形状，表面很粗糙，疏松多孔，而且初始颗北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 和裂纹等因素是造成催化剂摩擦磨损性能不同的主 要原因 ［17］．其中颗粒的机械强度是影响催化剂耐 磨性能的最重要的参数．强度较高的催化剂建立磨 损平衡的倾向较强以发生剥层磨损为主反之强度 较低的催化剂则会经受明显的断裂磨损．因而测定 催化剂颗粒的机械强度对于揭示催化剂的微观结构 和耐磨性本质具有重要意义． 本文选取了两种抗磨损性能差异较大的 ＦＣＣ 催化剂为研究对象通过纳米压痕和显微硬度等测 试方法基于纳米和微米两种尺度分析研究了 ＦＣＣ 催化剂的机械强度和微观结构并在实验室采用经 典的喷杯式 （ｊｅｔ-ｃｕｐ）流化磨损方法模拟研究了几 种催化剂的磨损行为与机制对预测催化剂的实际 服役行为和指导催化剂的制备过程具有一定的参考 价值． 1 实验部分 1∙1 催化剂及预处理 实验研究的两种催化剂样品的基本性能数据如 表 1所示其中ＭＬＣ--500为 ＦＣＣ催化主剂ＫＤ-- ＤＳＮ为 ＦＣＣ催化助剂．磨损测试实验前将催化剂 样品颗粒用国家标准筛进行筛分 （28～180μｍ）将 筛分后的样品置于马弗炉中焙烧 1ｈ（500℃ ）去掉 样品中的杂质后转移至干燥箱内冷却至室温．然后 按照 ＡＳＴＭＤ5757--00标准中的方法将催化剂样品 预加湿后备用． 表 1 实验用催化剂的主要成分和物理性质 Ｔａｂｌｅ1 ＢａｓｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦＣＣｔｅｓｔｅｄｃａｔａｌｙｓｔｓ 催化剂 主要成分 堆密度／（ｇ·ｍＬ—1） ＢＥＴ比表面积／（ｍ2·ｇ—1） 粒径／μｍ ＫＤ--ＤＳＮ Ａｌ2Ｏ3ＭｇＯＣｅＯ2ＣｕＯＬａ2Ｏ3 0∙85 70 28～180 ＭＬＣ--500 Ａｌ2Ｏ3Ｆｅ2Ｏ3ＲｅＯｘ 0∙66 291 28～180 1∙2 实验方法 催化 剂 磨 损 实 验 采 用 喷 杯 式 流 化 磨 损 装 置 ［7--8］如图 1所示其中1～8为气路控制系统 9～12为喷杯磨损测试系统各部分材质均为透明 有机玻璃．在工作过程中空气由切向导管流入喷 杯随旋转气流上升进入扩大段空气携带颗粒的能 力不断减弱较大颗粒由中心区经四周扩大段内壁 落回床层继续吹磨较小颗粒在此脱离床层进入沉 降室一部分细粉颗粒经床体出口逸出收集在滤 筒中． 图 1 喷杯磨损测试系统示意图 Ｆｉｇ．1 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｊｅｔ-ｃｕｐａｔｔｒｉｔｉｏｎｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ 催化剂磨损测试实验过程按照 ＡＳＴＭ Ｄ5757-- 00中的方法进行．磨损测试前准备好两个滤筒分 别称重将其中一个安装到沉降器出口．将上述预 加湿后的样品装入喷杯中打开进气阀并启动空压 机设置进气流量为 1∙5ｍ 3·ｈ —1开始磨损测试．分 别在第 5、10、20、40分钟时以备用滤筒换下装置上 的滤筒并将换下的滤筒称量后备用．1ｈ后关闭进 气阀称量并计算滤筒的增量之和 ∑Δｍｉ．按下式 计算样品磨损率 Ｗ： Ｗ＝∑Δｍｉ／ｍ0×100％ （1） 式中ｍ0为催化剂原始质量． 催化剂颗粒形貌采用 ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳ360型扫描电 镜观察加速电压为 10～15ｋＶ．采用日本理学 ＬＥＭ 型激光衍射粒度分析仪测定催化剂的粒度分布．催 化剂颗粒纳米压痕采用 ＭＴＳＮａｎｏＩｎｄｅｎｔｅｒＸＰ型纳 米力学探针和 Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ三棱压头设定最大压痕深 度为 500ｎｍ在样品表面随机选定 5点进行测试． 采用 ＭＨ--6型显微硬度计测定了催化剂颗粒的维 氏硬度 Ｈｖ每个样品选取 3～4点压痕测试后取平 均值． 2 结果与讨论 2∙1 催化剂颗粒的微观形貌 图 2为催化剂 ＫＤ--ＤＳＮ和 ＭＬＣ--500颗粒微观 形貌照片．ＭＬＣ--500初始样品外观为规则的球形 颗粒表面较光滑致密；而 ＫＤ--ＤＳＮ样品初始形貌 呈不规则形状表面很粗糙疏松多孔而且初始颗 ·74·