气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统的制作方法

1.本技术涉及乙烯聚合所用的催化剂的机械强度测试技术领域，更具体地说，它涉及一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统。


背景技术：

2.烯烃聚合催化剂是烯烃聚合工业发展的关键要素之一，对促进烯烃聚合技术发展具有举足轻重的作用。烯烃聚合催化剂在聚合反应过程中会由于催化剂颗粒之间、催化剂颗粒与产物颗粒之间、催化剂颗粒与流化介质之间、催化剂与装置之间的摩擦而产生磨损，造成催化剂颗粒机械强度下降。催化剂机械强度下降以及产生磨损后，会使得催化剂在聚合过程中更易产生破碎，产生了具有一定活性的催化剂次级颗粒和细粉，在后续反应过程中将进一步产生聚合产物细粉。催化剂次级颗粒和细粉以及聚合产物细粉在后续的聚合反应当中会随着流动介质逸出、跑损，会造成产品污染和催化剂消耗增多，也会造成下游管道或者设备堵塞。综上可知，催化剂颗粒具有一定的机械强度对聚合反应稳定进行有重要意义。
3.烯烃聚合催化剂的平均粒径低于50μm，乙烯聚合催化剂的平均粒径更是在10-35μm范围内。催化剂在磨损行为与机械强度测试过程会进一步粉碎成更细小的粉末，较小的粒径颗粒会发生颗粒团聚，对分析观测产生不利影响。
4.相关文献中公布了一种固体颗粒强度的测试方法，该测试方法将固体颗粒与溶剂混合得到的含有固体混合物进行超声处理，对经过不同超声处理的颗粒粒度计算，可得到象征催化剂载体或者催化剂强度的强度指数。但是该测试方法是在溶剂环境条件下进行测定，可能存在溶剂中的微量水与氧影响强度性能，水分会导致粒子团聚，同时超声破碎过程中存在多种影响因素，且并不能完全模拟气相聚合法制备聚乙烯所用催化剂在反应器内的运动和碰撞，因此不能真实反映气相聚合法制备聚乙烯所用催化剂使用状态下的机械强度的好坏等技术问题。


技术实现要素：

5.本技术为了解决上述技术问题而提供一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统。
6.一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，采用如下的技术方案：
7.一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，包括气体流量计、流化管、膨胀节和管道取样阀，还包括第一中空连接头和第二中空连接头；
8.气体流量计上设有入口和出口，气体流量计的入口与惰性气体的气源管道相连，气体流量计的出口经管道后与第一中空的连接头的入口相连，第一中空的连接头的出口插入到流化管的底部入口并与流化管的底部入口密封连接；
9.所述气体流量计的流量优选为10-3000ml/min；
10.所述的流化管的中下部，距离底部入口1/5-1/2处，优选为1/3处设有与流化管截面形状相适应的分布板；分布板位置的设置，一方面是为了保证测试系统工作状态时，流化管内的催化剂拥有足够的流化距离，保证催化剂的充分流化；另一方面是为了使分布板下部的流化管的外壁缠绕的电热丝工作时对流化管内的惰性气体进行加热，以补偿进入测试系统的惰性气体的温度由于过程传热造成温度的衰减的影响，使催化剂更接近使用环境进行机械强度的测试。
11.所述膨胀节底部入口插入到流化管的顶部出口中并密封连接，膨胀节的顶部与第二中空的连接头的入口密封连接，第二中空的连接头的出口通过管道、经管道取样阀后与气体缓冲瓶的瓶盖上的气体入口管道相连；
12.所述的第一中空的连接头、第二中空的连接头均为石英玻璃或玻璃的抽气接头，或为石英玻璃或玻璃的转换接头；
13.所述膨胀节的最宽处为流化管直径的1.5-2.5倍，所述膨胀节的高度为流化管高度的1/6-1.5/6。
14.通过采用上述技术方案，一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，由于流化管中采用的分布板，其可以对进入的惰性气体进行分流并承载催化剂,催化剂在气流的作用下流化磨损,从而实现对气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂在真实使用环境下的模拟，因此利用本技术的气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统对催化剂进行机械强度测试，其能更真实反映气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂使用状态下的机械强度。
15.进一步，可以通过控制气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统中的惰性气体的温度，使催化剂和惰性气体在流化管内混合，对催化剂进行加热，即模拟催化剂的实际使用场景的温度，从而可以考察温度对催化剂的机械强度的影响。
16.优选的，所述的气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，优选的，所述的分布板上的通气孔孔径为2-6μm。
17.通过采用上述技术方案，由于制备聚乙烯所用催化剂颗粒大小为20μm左右，因此采用孔径为2-6μm的砂芯片作为分布板可以很好的截留催化剂，同时保证惰性气体通过，使得气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统工作时，催化剂在惰性气体存在下处于很好的流化状态。
18.优选的，所述的分布板的材质为石英或金属。
19.通过采用上述技术方案，特定材质的分布板，可以保证其耐受流化状态下的温度和压力的影响，从而提高整个测试系统的使用周期。
20.优选的，所述的第一中空的连接头、第二中空的连接头均为标准接口抽气接头或转换接头；标准接口的抽气接头或转换接头的材质为石英玻璃或玻璃；标准接口的抽气接头或转换接头的大小根据流化管接口的粗细进行选择。
21.通过采用上述的技术方案，第一中空的连接头、第二中空的连接头的使用，实现气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统的快速密封连接，提升了测试系统安装、操作的方便性。
22.优选的，在气源管道靠近流量计处设有开关阀，在开关阀与气体流量计之间设有温度表和压力表，用于测量进入测试系统的惰性气体的温度和压力。
23.通过采用上述的技术方案，可以观测进入测试系统的惰性气体的压力和温度，以便可以模拟，在更接近催化剂使用场景下的温度和压力的条件下测定催化剂的机械强度。
24.优选的，所述膨胀节的最宽处为流化管直径的1.6倍，所述膨胀节的高度为流化管高度的1.25/6。
25.采用上述技术方案，可以保证流化过程中，尺寸较小的催化剂可以落回流化管内，从而可以保证利用气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统对催化剂的机械强度进行测试的准确性。
26.优选的，所述的气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统还包括气体缓冲瓶，气体缓冲瓶的体积为500-1000ml；所述的气体缓冲瓶上设有瓶盖，瓶盖上贯穿设有与瓶盖密封连接的气体入口管道和气体出口管道，气体入口管道的一端通过管道与管道取样阀的出口相连，气体入口管道的另一端穿过瓶盖后进入气体缓冲瓶中并直插入瓶底、距瓶底0.5-1cm处，气体出口管道穿出瓶盖后通过外接管道接至废气排放点，位于瓶盖内部的气体出口管道长度为0-10mm；
27.所述的气体缓冲瓶的体积为流化管体积的1/5-1/3；
28.所述的气体缓冲瓶也可以用其他气体回收装置或处理装置进行替代。
29.通过采用上述的技术方案可以保证，特别是在气体缓冲瓶中装有一定的溶剂时，可以通过气体缓冲瓶中鼓泡状态更加直观的观测到气速对催化剂流化状态的影响，从而对气速进行调整。同时，缓冲瓶中的溶剂也可以将气体夹带出的催化剂粉末截留在液体中，避免随气体排放造成对环境的污染。
30.利用上述的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统对气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度进行测试，测试过程具体包括如下步骤：
31.(1)、惰性气氛下，将催化剂填装在流化管的分布板上；
32.未进行流化时，测定催化剂的累计粒度分布百分比为50％的粒径dv(50)记为d(t0)；
33.所述的累计粒度分布百分比为50％的粒径dv(50)，是指一定测量时间内通过马尔文粒度测试仪测试催化剂颗粒尺寸，通过计算机将催化剂颗粒大小排序，累计到某粒径颗粒占整体样本的百分含量为50％，这时的粒径即为催化剂的累计粒度分布百分比为50％的粒径dv(50)；
34.(2)、将第一中空的连接头、流化管、膨胀节、第二中空的连接头密封连接好；
35.(3)、将气体缓冲瓶中加入一定量溶剂；
36.所述的溶剂为白油、长链烷烃类溶剂或白油与长链烷烃类溶剂的混合物；
37.(4)、调节气体流量计入口管道的惰性气体的压力及流量，连续通入惰性气体；
38.所述的惰性气体为氮气或氦气等；
39.(5)、调节气体流量计入口处的阀门的开度以控制惰性气体进入流化管中的气速，使得流化管中催化剂呈流化状态，稳定流化4-24h后，惰性气氛下从管道取样阀中取出催化剂，测定催化剂的累计粒度分布百分比为50％的粒径dv(50)记为d(tn)，其中n为稳定流化时间；
40.所述的流化状态，即流化管中的催化剂达到腾涌时的状态，即为流化状态；
41.(6)、计算催化剂的机械强度指数η，所述的机械强度η的计算通过下式进行计算：
42.η＝(d(t0)-d(tn))/d(t0)*100％，
43.η越大，表明催化剂的机械强度越差。
44.利用上述的气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统对气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度进行测试，可以实现无溶剂的条件下，对催化剂的机械强度进行测试，且测试系统可以模拟催化剂在反应器内的运动和碰撞，从而实现模拟催化剂真实使用状态下、对催化剂的机械强度进行评价。
45.因此上述催化剂的机械强度的测定结果，可用于推断催化剂在氮气保护下的输送及催化剂在用于气相聚合法制备聚乙烯过程中的机械强度变化情况，避免输送及使用过程造成的破碎影响催化剂的聚合性能。
46.进一步，通常的颗粒磨损破碎测试为冷测试，即在常温下，不考虑热应力对磨损的影响。但随着颗粒磨损理论的不断充实，温度对颗粒磨损的影响渐渐引起一些注意。流化气体即惰性气体进行预热，流化管内进入的预热惰性气体同时对催化剂进行加热，加热的催化剂在气流的作用下磨损，进一步实现对催化剂真实使用环境的模拟，以考察聚乙烯合成时，50-300℃下催化剂的机械强度指数，以反映出催化剂的机械强度对温度敏感性。
47.对流化气体即惰性气体进行预热的方式可以通过电加热炉对入口的惰性气体管道进行预加热和分布板下部的流化管的外壁缠绕电热丝进行补偿加热，以实现对流化气体即惰性气体进行加热至覆盖催化剂实际使用的温度范围50-300℃。
48.综上所述，本技术具有以下有益效果：
49.本技术的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，由于流化管中采用气体分布板，其可以对进入的惰性气体进行分流并承载催化剂，催化剂在气流的作用下磨损，从而实现对催化剂真实使用的气体环境的模拟。
50.进一步，可以通过控制惰性气体的温度，使催化剂和惰性气体在流化管内混合，对催化剂进行加热，即达到模拟催化剂的实际使用的温度场景，从而可以考察温度对催化剂的机械强度的影响。
51.进一步，本技术的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，结构简单、各组成的部件之间拆卸和维修方便，便于操作。
52.进一步，利用本技术的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统对气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度进行测试，测试过程为惰性气体氛围，其更接近与实际催化剂使用的聚合反应操作过程，同时该测试方法可以考察不同温度下催化剂的机械强度。
附图说明
53.图1、实施例1中的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统的工艺流程图；
54.图2、是应用实施例1所用的催化剂未进行流化的扫描电镜图；
55.图3、是应用实施例1所用的催化剂在25℃下进行流化24h的扫描电镜图；
56.图4、是应用实施例2所用的催化剂在300℃下进行流化24h的扫描电镜图。
具体实施方式
57.以下通过具体的实施例并结合附图对本技术作进一步详细说明，但并不限制本技术。
58.本技术的实施例1中所用的分布板为砂芯片，编号为g4，通气孔的孔径为2-6μm，艾尔法生产；
59.本技术的各实施例中所用的场发射环境扫描电子显微镜为德国zeiss公司生产、型号为merlin compact。
60.粒度测试仪，英国马尔文公司生产、型号为mastersizer 3000。
61.本技术的各应用实施例中所用的气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂，型号为slc系列，上海立得催化剂有限公司生产。
62.实施例1
63.一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，其工艺流程图如图1所示，包括气体流量计1、流化管2、膨胀节3、管道取样阀4和气体缓冲瓶5；
64.所述的气体缓冲瓶5为1000ml，其上设有瓶盖51，瓶盖51上贯穿瓶盖51设有与瓶盖51密封连接的气体入口管道511和气体排出管道512，气体入口管道511穿过瓶盖51后进入气体缓冲瓶5中直插入瓶底、距瓶底0.8cm处，气体排出管道512穿出瓶盖51通过管道接至废气排放点，气体排出管道512在瓶盖51内的长度为2mm；
65.气体流量计1上设有入口和出口，气体流量计1的入口通过管道经开关阀6后与惰性气体的气源管道相连；
66.惰性气体的气源管道上靠近气体流量计1上设有开关阀6，在开关阀6与气体流量计1之间的管道上设有温度表7和压力表8，用于观测进入测试系统的惰性气体的温度和压力；
67.气体流量计1的出口经管道与第一中空的连接头9的入口相连，第一中空的连接头9的出口插入到流化管2的底部入口中并与流化管2的底部入口密封连接；
68.所述气体流量计1的流量为10-3000ml/min；
69.所述的流化管2中下部、距流化管2的底部入口1/3处设有与流化管2截面形状相适应的分布板10；
70.所述的分布板10为砂芯片，所述的砂芯片材质为石英；
71.所述膨胀节3的底部入口插入到流化管2的顶部出口中、并与流化管2的顶部出口密封连接，膨胀节3的顶部出口与第二中空的连接头11的入口密封连接，第二中空的连接头11的出口通过管道、经管道取样阀4后与气体缓冲瓶5的瓶盖51上设有的气体入口管道511相连；
72.所述的第一中空的连接头9、第二中空的连接头11均为标准的、口大塞小的玻璃转换接头，其标准接口为24mm/19mm；
73.所述流化管4的直径50mm，高1200mm、壁厚为3mm的玻璃管；
74.所述膨胀节5的最宽处为80mm，高250mm，其材质为玻璃，壁厚为3mm；
75.即所述膨胀节5的最宽处为流化管4直径的1.6倍，膨胀节5的高度为流化管4高度的1.25/6。
76.应用实施例1
77.利用实施例1的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统对催化剂在25℃条件下流化24h后的机械强度进行测试，测试过程具体包括如下步骤：
78.(1)、以氮气作为惰性气氛下，将6g催化剂填装在流化管的分布板上，测定未进行流化时的累计粒度分布百分比为50％的粒径dv(50)记为d(t0)；
79.(2)、将膨胀节、第一中空的连接头、流化管、第二中空的连接头等密封连接好；
80.(3)、气体缓冲瓶中加入700ml白油溶剂；
81.(4)、调节惰性气体氮气的压力为0.05mpa、设定惰性气体氮气的温度为25℃；
82.(5)、调节气体流量计入口的惰性气体的气速，使得流化管中催化剂呈流化状态，稳定流化状态24h后，在氮气保护的条件下从管道取样阀中进行催化剂取样，对催化剂进行粒度分析，测定累计粒度分布百分比为50％的粒径dv(50)记为d(t24)；
83.所述的流化状态即通过调整惰性气体的压力为0.05mpa、气速为1500ml/min，当催化剂为腾涌流化情况下，即为流化状态；
84.(6)、计算催化剂的机械强度指数η，所述的机械强度指数η的计算通过下式进行计算：
85.η＝(d(t0)-d(t24))/d(t0)*100％
86.同样测试条件下，η越大，表明催化剂强度越差。
87.上述所得的d(t0)、d(t24)和催化剂的机械强度指数η(％)情况见下表1：
88.表1、惰性气体的压力为0.05mpa、气速为1500ml/min、温度为25℃，所得的d(t0)、d(t24)和催化剂的机械强度指数η(％)情况
[0089] dv(50)/(μm)d(t0)23.4d(t24)19.7催化剂的机械强度指数η(％)15.81
[0090]
从上表1中可以看出，初始d(t0)为23.4μm，在惰性气体的压力为0.05mpa、气速为1500ml/min、流化温度为25℃条件下，流化24h后，所得的催化剂的机械强度指数η为15.81％，由此表明了该催化剂机械强度较优。
[0091]
应用实施例2
[0092]
利用实施例1的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统对催化剂在300℃条件下流化24h后的机械强度进行测试，测试过程具体包括如下步骤：
[0093]
(1)、以25℃氮气作为惰性气氛下，将6g催化剂(与应用实施例1所用的催化剂相同)填装在流化管的分布板上，测定未进行流化时的累计粒度分布百分比为50％的粒径dv(50)记为d(t0)；
[0094]
(2)、将膨胀节、第一中空的连接头、流化管、第二中空的连接头等密封连接好；
[0095]
(3)、将气体缓冲瓶中加入700ml白油溶剂；
[0096]
(4)、调节惰性气体氮气的压力调节惰性气体氮气的压力为0.05mpa、连续通入氮气，同时对氮气进行加热，使流化管中的惰性气体氮气的温度达到300℃；
[0097]
上述的加热方式通过电加热炉对入口的惰性气体管道进行预加热和分布板下部的流化管的外壁缠绕电热丝补偿加热的方式来实现；
[0098]
(5)、调节气体流量计入口的惰性气体的气速，使得流化管中催化剂呈流化状态，
稳定流化状态24h后，在氮气保护的条件下从管道取样阀中进行催化剂取样，测定该条件下的催化剂累计粒度分布百分比为50％的粒径dv(50)记为d(t24)；
[0099]
所述的流化状态，当催化剂为腾涌流化情况下，即为流化状态，即通过调整惰性气体的气速为2000ml/min；
[0100]
(6)、计算催化剂的机械强度指数η，所述的机械强度指数η的计算通过下式进行计算：η＝(d(t0)-d(tn))/d(t0)*100％，其中n为处理时间
[0101]
同样测试条件下，η越大，表明催化剂强度越差。
[0102]
上述所得的d(t0)、d(t24)和催化剂的机械强度指数η(％)情况见下表2：
[0103]
表2、惰性气体的压力为0.05mpa、气速为2000ml/min、温度为300℃，所得的d(t0)、d(t24)和催化剂的机械强度指数η(％)情况
[0104] dv(50)/(μm)d(t0)23.4d(t24)16.5催化剂的机械强度指数η(％)29.49
[0105]
从上表2中可以看出，初始d(t0)为23.4μm，在惰性气体的压力为0.05mpa、气速为2000ml/min、流化温度为300℃条件下，流化24h后，所得的催化剂的机械强度指数η为29.49％，由此表明了300℃条件催化剂强度降低。
[0106]
从上表1和2中可以看出，对样品1分别通过上述的应用实施例1在流化温度为25℃和应用实施例2在流化温度为300℃进行流化所得的催化剂的机械强度指数η分别是15.81％、29.49％，即流化温度为300℃条件下测定的催化剂的机械强度指数η比25℃条件下测定催化剂的机械强度指数η高了13.86％，表明了同样测定条件下温度对催化剂机械强度的影响情况，即流化温度越高，催化剂破碎越严重，催化剂的机械强度指数η越大。
[0107]
进一步，采用场发射环境扫描电子显微镜分别对应用实施例1所用的slc系列催化剂、应用实施例1中在25℃下、流化24h后的slc系列催化剂、应用实施例2中slc系列催化剂在300℃下、流化24h后的slc系列催化剂进行扫描，所得的扫描电镜图分别如图2、图3、图4所示，从图2、图3、图4进行对照可以看出：未经流化的催化剂球形度很好，25℃下、流化24h强度测试后slc系列催化剂还有较好的球形，但是已出现破碎的小颗粒；通过对比外加热炉对催化剂的加热处理前后催化剂的sem结果，300℃下、流化24h后的催化剂破损越来越严重，该扫描电镜分析所得的结果与上述应用实施例1和应用实施例2通过气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统进行测试所得的结果一致，从而表明了本技术的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统能更好的模拟催化剂的真实使用场景，实现对催化剂的机械强度的测试。
[0108]
综上所述，本技术的一种气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，由于催化剂颗粒磨损现象主要存在于流化管中，利用流化管、流化管内的分布板和外加热的惰性气体共同模拟催化剂的真实使用环境，因此本技术的气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统可以用于气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试。
[0109]
进一步，本技术的气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度测试系统，使用过程中，加热的催化剂在气流的作用下磨损，实现对催化剂真实使用温度环境的模拟，同
时测试过程为惰性气体氛围，其更接近与实际催化剂使用的聚合反应操作过程的气体环境，因此该测试系统可以更准确的评估气相聚合法制备聚乙烯所用的催化剂的机械强度。
[0110]
本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。