Approximate design methods for reverse flow reactors. Part I. Theory

• Autorzy: Burghardt A. , Janecki D.

Warianty tytułu

PL

Przybliżone metody projektowania reaktorów o periodycznie zmiennym kierunku zasilania. I. Teoria

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The approximate design methods for reverse flow reactors discussed in this study are based on two limiting cases of reverse flow operation, namely, a very low switching frequency and a very high switching frequency of the flow reversal. In the first case, employing the concept of the ideal thermal front, equations have been derived that relate the two principal properties of the thermal front (i.e., its propagation velocity in the reactor and the maximum temperature) to the dimensionless parameters characterising the reactor model. Major advantage of these relations is the fact that they enable a direct and fairly simple analysis of the influence of the parameters of the reactor model on the principal properties of the thermal front. High switching frequency of the flow reversal leads to negligible variations of the state variables during every half cycle. Based on this fact, the variation of the state variables has been presented in the form of Taylor series expansions in time around the initial profiles of every half cycle. Further procedure consisted in the integration and transformations of the balance equations for the reactor into which the Taylor series expansions have been introduced, leading finally to the development of a set of ordinary differential equations defining a boundary value problem. The equations thus derived describe the process in a reverse flow reactor for a high switching frequency mode of operation enabling the determination of the concentration and temperature profiles in the so-called cyclic steady-state of the reactor. The two limiting cases discussed in this study can be used as a preliminary design method for the reverse flow reactor, thus facilitating deeper understanding of the physical phenomena occurring in the reactor.

PL

Podstawę dla analizy przybliżonych metod projektowania reaktorów o periodycznie zmiennym kierunku zasilania stanowiły dwa graniczne przypadki sposobu przełączania kierunku zasilania reaktora: o bardzo niskiej i bardzo wysokiej częstotliwości. W pierwszym przypadku przy wykorzystaniu pojęcia .idealnego frontu termicznego. wyprowadzono zależności między podstawowymi właściwościami frontu termicznego, takimi jak szybkość propagacji frontu i jego maksymalną temperaturą oraz parametrami modelu reaktora. Podstawową zaletą tych zależności jest fakt, iż umożliwiają one bezpośrednią i stosunkowo prostą analizę wpływu tych parametrów na podstawowe własności frontu. Wysoka częstotliwość przełączania kierunku zasilania prowadzi do minimalnych zmian zmiennych stanu z czasem podczas każdego półcyklu. Na tej podstawie zmiany zmiennych stanu w reaktorze przedstawiono w postaci rozwinięć w szeregi Taylora wokół profili początkowych każdego półcyklu. Dalsza procedura polegała na scałkowaniu i tranformacji równań bilansowych reaktora po wprowadzeniu szeregów Taylora i uzyskaniu układu równań różniczkowych zwyczajnych, definiujących zagadnienie brzegowe. Otrzymane w ten sposób równania opisują proces w reaktorze o periodycznie zmiennym kierunku zasilania surowcem dla wysokich częstotliwości przełączeń i determinują profile koncentracji i temperatury w tzw. cyklicznym stanie ustalonym reaktora. Te dwa omawiane przypadki graniczne mogą być wykorzystywane jako wstęp-na metoda projektowania reaktora i stwarzają możliwość lepszego zrozumienia zjawisk fizycznych zachodzących w reaktorze.

Słowa kluczowe

PL

idealny front termiczny; projektowanie reaktorów; reaktor; szeregi Taylora

• Wydawca: Komitet Inżynierii Chemicznej i Procesowej Polskiej Akademii Nauk
• Czasopismo: Inżynieria Chemiczna i Procesowa
• Rocznik: 2005
• Tom: T. 26, z. 1
• Strony: 5--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz.

Twórcy

autor

Burghardt A.

autor

Janecki D.

Bibliografia

• [1]BORGSKOV G.K.., KISIELEV O.V., MATROS YU.SH., Estimation of the heal front characteristic by exothermic reaction in the catalyst fixed-bed (in Russian), Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1979, 248, 406.
• [2] BORESKOV G.K., BUYANOV R.A., IVANOV A.A., Kinetic studies of sulphur dioxide oxidation on vanadium catalyst, Kinet. Katal., 1967, 8, 153.
• [4] GOSIEWSKI K., Dynamic modelling of industrial S02 oxidation reactors, Chem. Eng. Proa, 1993, 32, 111.
• [4] SNYDER J.D., SUBRAMANIAM B., Numerical simulation of a periodic flow reversal reactor for sulphur dioxide oxidation, Chem. Eng. Sci., 1993, 48, 4051.
• [5] BUNIMOVICH G.A., VERNIKOVSKAYA N.N., STROTS V.O., BALZHINIMAEV B.S., S02 oxidation in a reverse-flow reactor: influence of a vanadium catalyst dynamic properties, Chem. Eng. Sci., 1995, 50, 565.
• [6] GROZEV G.G., SAPUNDZHIEV CH., ELENKOV D.G., Unsteady-State S02 Oxidation, Ind. Eng. Chem. Res., 1994,33,2248.
• [7] SILVESTON P.L., HUDGINS R.R., BOGDASHEV S., VERNIKOVSKAYA N., MATROS YU.SH., Modelling of a periodically operating packed-bed SO: oxidation reactor at high conversion, Chem. Eng. Sci., 1994, 49,335.
• [8]THULLIE J., BURGHARDT A., Application of the flow-reversal reactor to the methanol synthesis: In unsteady-state processes in catalysis, Yu.Sh. Matros (Ed.), 1990, VPS, BV, Utrecht, 687.
• [9] NEOPHYTIDES S.G., FROMENT G.F., A bench scale study of reversed flow methanol synthesis, Ind. Eng. Chem. Res., 1992, 31, 1583.
• [10] VAN DEN BUSCHE K.M., NEOPHYTIDES S.N., ZOLOTARSKI I.A., FROMENTG.F., Modelling and simulation of the reversed flow operation of a fixed-bed reactor for methanol synthesis, Chem. Eng. Sci., 1993,48,3335.
• [11] Matros Yu.Sh., Catalytic Processes under Unsteady State Conditions, 1989, Elsevier, Amsterdam.
• [12] MATROS YU.SH., NOSKOV A.S., CHUMACHENKO V.A., GOLDMAN O.V., Theory and application of unsteady-state catalytic detoxication of effluent gases from sulphur dioxide, nitrogen oxides and organic compounds, Chem. Eng. Sci., 1988,43,2061.
• [13] EIGENBERGER G., NIEKEN U., Catalytic combustion with periodic flow reversal, Chem. Eng. Sci., 1998,43,2109.
• [14] EIGENBERGER G., NIEKEN U., Katalytische Abluftreinigung: Verfahrenstechnische Aufgaben und neue Losungen, Chem. Ing. Tech., 1991, 63, 781.
• [15] CHAOUKI J., GUY C, SAPUNDZHIEV C, KUSOHORSKY D., KLVANA D., Combustion of methane in a cyclic catalytic reactor, Ind. Eng. Chem. Res., 1994, 33, 2957.
• [16] NIEKEN U., KOLIOS G., EIGENBERGER G., Fixed-bed reactors with periodic flow reversal: experimental results for catalytic combustion, Catal. Today, 1994, 20, 335.
• [17] NIEKEN U., KOLIOS G., EIGENBERGER G., Control of the ignited steady state in autothermal fixed-bed reactors for catalytic combustion, Chem. Eng. Sci., 1994, 49, 5507.
• [18] VAN DE BELD B., BORMAN R.A., DERKX O.R., VAN WOEZIK B.A.A., WESTERTERP KR., Removal of organic compounds from polluted air in a reverse flow reactor: An experimental study, Ind. Eng. Chem., 1994, 33, 2946.
• [19] VAN DE BELD L., WESTERTERP K.R., Air purification in a reverse-flow reactor: Model simulation vs. experiments, AlChE J., 1996. 42, 1 139.
• [20] CUNILL F., VAN DE BELD L., WESTERTERP K.R., Catalytic combustion of very lean mixtures in a reverse-flow reactor using an internal electric heater, Ind. Eng. Chem. Res., 1997, 36, 4198.
• [21] BAHTIA S.K., Analysis of catalytic reactor operation with periodic flow reversal, Chem. Eng. Sci., 1991,46,361.
• [22] YOUNG B., HII.DEBRANDT D., GLASSER D., Analysis of an exothermic reversible reaction in a catalytic reactor with periodic flow reversal, Chem. Eng. Sci., 1992, 47, 1825.
• [23] NIEKEN U., KOLIOS G., EIGENBERGER G., Limiting cases and approximate solutions for fixed-bed reactors with periodic flow reversal, AlChE J., 1995, 41, 1915.
• [24] THULLIE J., BlJRGHARDT A., Simplified procedure for estimating maximum cycling time of flow-reversal reactors, Chem. Eng. Sci., 1995, 50, 2299.
• [25] HAYNES T., GEORGAKIS CHR., CARAM H.S., The design of reversible flow reactors for catalytic combustion system, Chem. Eng. Sci., 1995, 50, 401.
• [26] WICKE E., VORTMEYER D., Z. Elektrochem. Ber. Bunsenges. Phys. Chem., 1959, 63, 145.
• [27] GILLES E.D., Quasistationares Verhalten von Wandernden Brennzonen, Chem. Eng. Sci., 1974, 29, 1211.
• [28] PINJALAV.,CHENV.C, LUSSD., Wrong-way behaviour of packed-bed reactors, AlChE J., 1988,34, 1663.
• [29] KlSIELEV O.V., MATROS Y.S., Propagation of the combustion front of a gas mixture in a granular bed of catalyst, Combustion, Explos., Shock Waves, 1980, 16, 152.
• [30] BURGHARDT A., BEREZOWSKI M., JACOBSEN E.W., Approximate characteristics of a moving temperature front in a fixed-bed catalytic reactor, Chem. Eng. Proa, 1999, 38, 19.
• [31] BURGHARDT A., BEREZOWSKI M., JACOBSEN E.W., Approximate characteristic of a moving tempera-lure front in a fixed-bed catalytic reactor based on a heterogeneous reactor model, Chem. Proa Eng., 1999, 20, 523.
• [32] NIEKEN U., Abluftreinigung in katalytischen Festbettreaktoren bei periodischer Stromungsumkelir, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 3 Verfahrenstechnik Nr328. VDl-Verlag, Dusseldorf, 1993.
• [33] FRANK-KAMENETSKI D.A., Diffusion and Heat Exchange in Chemical Kinetics, Princeton University Press, 1955, Princeton, New York.
• [34] KISIELEV O.V., Theoretical study of the phenomena of heat waves movement in catalyst bed (in Russian), Russian Academy of Sciences, 1993, Institute of Catalysis, Novosibirsk.
• [35] BORESKOV G.K., BUNIMOVICH G.A., MATROS. Y.S., ZOLOTARSKI I.A., KISIELEV O.V., Cyclic regimes in fixed bed reactor operated at flow reversal ofgas mixture, Dokt. Akad. Nauk SSSR, 1983, 268, 646.