Approximate characteristics of a moving temperature front in a fixed-bed catalytic reactor based on a heterogeneous reactor model

Burghardt, A.; Berezowski, M.; Jacobsen, E.W.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Approximate characteristics of a moving temperature front in a fixed-bed catalytic reactor based on a heterogeneous reactor model

Autorzy

Burghardt A. , Berezowski M. , Jacobsen E.W.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Przybliżona charakterystyka frontu termicznego propagującego w reaktorze katalitycznym o stałym złożu - heterogeniczny model reaktora

Języki publikacji

Abstrakty

The study deals with an non-stationary process of mass and heat transfer accompanied by a chemical reaction occurring in a catalytic reactor. The process has been described by a one-dimensional continuous two-phase model of the reactor. Based on the assumptions of the 'ideal thermal front' in the reactor, approximate solutions are obtained for the equations that describe the process. Relations are thus derived which define the principal properties of the thermal front, namely, its propagation velocity in the bed and the maximum temperature of the front. The above relations express these properties in terms of dimensionless numbers that characterise the chemical reaction taking place in the reactor and the operating parameters of the vessel. The formulas derived may be useful in the design of reactors with the periodic reversal of the feed mixture. They enable the effect to be analysed of the various operating parameters upon the propagation velocity of the thermal front and its maximum temperature, without resorting to tedious and time-consuming trial and error methods that require repeated integration of the model equations.

Przeprowadzone w pracy rozważania dotyczą niestacjonarnego procesu transportu masy i ciepła z równocześnie przebiegającą reakcją chemiczną w reaktorze katalitycznym o stałym złożu. Proces ten opisano za pomocą jednowymiarowego ciągłego dwufazowego modelu reaktora. Korzystając z założeń 'idealnego frontu termicznego' w reaktorze, rozwiązano w sposób przybliżony równania opisujące rozważany proces i uzyskano zależności definiujące podstawowe właściwości frontu termicznego, a mianowicie szybkość propagacji w złożu i jego maksymalną temperaturę. Wzory te uzależniają wspomniane wyżej właściwości frontu termicznego od modułów bezwymiarowych charakteryzujących przebiegającą w reaktorze reakcję chemiczną oraz parametry reaktora. Wyprowadzone wzory mogą być bardzo pomocne przy projektowaniu reaktorów z rewersją mieszaniny zasilającej reaktor. Pozwalają one bowiem na zbadanie wpływu parametrów pracy reaktora z rewersją na szybkość propagacji frontu termicznego i jego maksymalna temperaturę bez uciekania się do żmudnej i pracochłonnej metody prób i błędów, polegającej na wielokrotnym całkowaniu równań modelu.

Słowa kluczowe

heat transfer mass transfer

wymiana ciepła wymiana masy

Wydawca

Komitet Inżynierii Chemicznej i Procesowej Polskiej Akademii Nauk

Czasopismo

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Rocznik

1999

Tom

T. 20, z. 4

Strony

523--548

Opis fizyczny

Bibliogr.31 poz., wykr.

Twórcy

autor

Burghardt A.

Polish Academy of Sciences, Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Berezowski M.

Polish Academy of Sciences, Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Jacobsen E.W.

Royal Institute of Technology - KTH, S-3 Automatic Control, Stockholm, Sweden

Bibliografia

[1] G.K., KISELEV O.V., MATROS YU.SH., Estimation of the heat front characteristics by exothermic reaction in the catalyst fixed-bed (in Russian),, Doki. Akad. Nauk SSSR, 1979,248,406-408.
[2] BORESKOV G.K., BUYANOV R.A., IVANOV A.A., Kinetic studies of sulphur dioxide oxidation on vanadium catalyst, Kinet. Katal., 1967, 8, 153-159.
[3] GOSIEWSKI K., Dynamic modelling of industrial S02 oxidation reactors, Chem. Eng. Proc., 1993, 32, 111-129.
[4] SNYDER J.D., SUBRAMANIAM B., Numerical simulation of a periodic flow reversal reactor for sulphur dioxide oxidation, Chem. Eng. Sci., 1993,48,4051-4064.
[5] BUNIMOVICH G.A., VERNIKOVSKAYA N.N., STROTS V.O., BALZHINIMAEV B.S., SO2, oxidation in a reverse-flow reactor: influence of a vanadium catalyst dynamic properties, Chem. Eng. Sci., 1995,50,565-580.
[6] GROZEV G.G., SAPUNDZHIEV CH., ELENKOV D.G., Unsteady-State S02 Oxidation, Ind. Eng. Chem. Res., 1994, 33, 2248-2250.
[7] SILVESTON P.L., HUDGINS R.R., BOGDASHEV S., VERNIKOVSKAYA N., MATROS YU.SH., Modelling of a periodically operating packed-bed SO2 oxidation reactor at high conversion, Chem. Eng. Sci., 1994,49, 335-341.
[8] THULUE 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, 687-692.
[9] NEOPHYTIDES S.G., FROMENT G.F., A bench scale study of reversed flow methanol synthesis, Ind. Eng. Chem. Res., 1992, 31, 1583-1589.
[10] VANDEN BUSCHE K.M., NEOPHYTIDES S.N., ZOLOTARSKI I.A., FROMENT G.F., Modelling and simulation of the reversed flow operation of a fixed-bed reactor for methanol synthesis, Chem. Eng. Sci., 1993,48, 3335-3345.
[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 dioxide, nitrogen oxides and organic compounds, Chem. Eng. Sci., 1988, 43, 2061-2066.
[13] EIGENBERGER G., NIEKEN U, Catalytic combustion with periodic flow reversal, Chem. Eng. Sci., 1998,43,2109-2115.
[14] EIGENBERGER G., NIEKEN U, Katalytische Abluftreinigung: Verfahrenstechnische Aufgaben und neue Losungen, Chem. Ing. Tech., 1991, 63, 781-791.
[15] CHAOUKI J., GUY C, SAPURDZHIEV C, KUSOHORSKY D., KLVANA D., Combustion of Methane in a Cyclic Catalytic Reactor, Ind. Eng. Chem. Res., 1994, 33, 2957-2963.
[16] NIEKEN U, KOLIOS G, EIGENBERGER G., Fixed-bed reactors with periodic flow reversal: experimental results for catalytic combustion, Catal. Today, 1994, 20, 335-350.
[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, 5507-5518.
[18] BELD VAN DE B., BORMAN R.A., DERKX OR., WOEZIK VAN B.A.A., WESTERTERP K.R., Removal of organic compounds from polluted air in a reverse flow reactor: An experimental study, Ind. Eng. Chem., 1994, 33, 2946-2956.
[19] BELD VAN DE L., WESTERTERP K.R., Air purification in a reverse-flow reactor: Model simulation vs. experiments, AIChE J., 1996,42, 1139-1148.
[20] CUNILL F., BELD VAN DE 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, 4198-4206.
[21] BAHTIA S.K., Analysis of catalytic reactor operation with periodic flow reversal, Chem. Eng. Sci., 1991,46, 361-367.
[22] YOUNG B., HILDEBRANDT D., GLASSER D., Analysis of an exothermic reversible reaction in a catalytic reactor with periodic flow reversal, Chem. Eng. Sci., 1992,47, 1825-1837.
[23] NIEKEN U, KOLIOS G, EIGENBERGER G., Limiting cases and approximate solutions for fixed-bed reactors with periodic flow reversal, AIChE J., 1995, 41, 1915-1925.
[24] THULUE J., BURGHARDT A., Simplified procedure for estimating maximum cycling time of flow-reversal reactors, Chem. Eng. Sci., 1995, 50, 2299-2309.
[25] HAYNES T., GEORGAKIS CHR., CARAM H.S., The design of reversible flow reactors for catalytic combustion system, Chem. Eng. Sci., 1995, 50, 401-416.
[26] FRANK-KAMENETSKI D.A., Diffusion and Heat Exchange in Chemical Kinetics, Princeton University Press, 1955, Princeton, New York.
[27] WICKEE., VORTMEYERD., Z. Elektrochem. Ber. Bunsenges. Phys. Chem., 1959,63,145.
[28] PINJALA V., CHEN V.C., LUSS D., Wrong-way behavior of packed-bed reactors, AIChE J., 1988, 34, 1663-1672.
[29] KiSlELEV 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.
[30] BURGHARDT A., BEREZOWSKI M. JACOBSEN ELUNG W., Approximate characteristics of a moving temperature front in a fixed-bed catalytic reactor, Chem. Eng. Proc. 1999, 38, 19-34.
[31] KEHOE J.P.G., BUTT A.B., Interactions of inter- and intraphase gradients in a diffusion limited catalytic reaction, AIChE J1., 1972, 18, 347.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BPW1-0008-0082