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Design of a Gas-Solid Fluidized Bed Reactor at High Temperature and High Pressure

Borhan Abdelgawad

Mémoire de maîtrise (2013)

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Citer ce document: Abdelgawad, B. (2013). Design of a Gas-Solid Fluidized Bed Reactor at High Temperature and High Pressure (Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal). Tiré de http://publications.polymtl.ca/1083/

Résumé

De nombreux procédés de raffinage et de pétrochimie sont réalisés dans des réacteurs agités ou dans les lits fluidisés qui impliquent des fluides polyphasiques dans des conditions extrêmes. L'utilisation de haute température et / ou haute pression lors de la conversion et la manipulation de fluides, se traduit par des conditions de traitement extrêmes pour lesquelles l'hydrodynamique demeure inconnu. En conséquence, avec seulement quelques études à haute température et très peu à haute température et haute pression, le développement de nouveaux modèles et de critères de conception lors de l'utilisation de conditions extrêmes est donc d'un intérêt immédiat pour Total, le partenaire industriel de cette chaire de recherche. L’objectif de ce mémoire est d'examiner, ainsi que de comparer les modèles déjà publiés sur la fluidisation dans des conditions ambiantes et extrêmes, tout en mettant l'accent sur les informations nécessaires à la conception de réacteurs gaz-solide. Par conséquent, une conception détaillée d'un lit fluidisé qui permettrait un fonctionnement flexible à haute température et à haute pression sous plusieurs vitesses de gaz sera menée afin de servir pour le futur développement de nouveaux modèles hydrodynamiques. Afin d'illustrer la nécessité de ce réacteur pilote, les effets résultant de l'utilisation de conditions d'opération extrêmes (haute température, pression et vitesse) sur la fluidisation et plus précisément la taille des bulles ont été démontrées. Ainsi, trois corrélations de taille de bulles ont été choisies: la première pour avoir été modélisée à haute pression et vitesse, la deuxième pour avoir été développée à haute température et la troisième pour avoir été une des corrélations les plus couramment citée dans les livres de conception de réacteur à lit fluidisé. Aucun de ces modèles a fourni des valeurs acceptables au-delà de sa plage désignée. En outre, l’effet de diamètre de bulles sur le transfert de masse, ainsi que sur la conversion, le taux d’entraînement et la hauteur limite de désengagement (TDH) a été étudiée tout en appliquant chacun des différents modèles de taille de bulles. Ainsi, plusieurs divergences ont été notées entre les résultats obtenus et les tendances attendues. En utilisant des représentations graphiques de l’entrainement en fonction de la hauteur au dessus du lit, TDH a été jugée indépendant de la taille des bulles. De plus, celui-ci varie avec la température, la pression et la vitesse, ce qui est contraire à plusieurs corrélations existantes. Par ailleurs, à des vitesses élevées, malgré l'obtention d'une grande valeur du TDH à la fois graphiquement et en utilisant les différents modèles existants, les changements globaux dans le taux d’entrainement total sont négligeables. Par conséquent, dimensionner la zone de désengagement a partir de TDH tel que suggéré par la plupart des livres de conception de réacteurs à lits fluidisés, pourrait ne pas être rentable. De plus, en utilisant différents diamètres de bulles lors du calcul de la conversion du méthane dans la réaction de reformage, ce besoin de développer de nouveaux modèles a été une autre fois démontré à travers l’obtention de résultats qui diffèrent des valeurs attendues lorsque les paramètres d’opération sont changés. Ainsi, avec ce besoin de développer de nouveaux modèles de fluidisation aux conditions extrêmes illustrées, la conception complète d'un réacteur à lit fluidisé et son procédé a été menée. Les conditions d’opération ont été choisis afin de servir en tant qu’une extrapolation adéquate à la réalité industrielle. Les dimensions du réacteur ont été choisis afin de permettre la comparaison avec un réacteur qui fonctionne à haute température existant actuellement dans notre laboratoire. En outre, ces conditions ont également été choisies tout en respectant les contraintes définies par le compresseur ainsi que les limites départementales liées à l'installation de ce réacteur au sein de l’université. Ce réacteur sera donc opéré à des températures de 25 à 1000°C et des pressions entre 1 et 20 atm, avec un diamètre de 15 cm à la base et 50 cm pour la zone de désengagement. La vitesse du gaz sera comprise entre 0,1 m/s et 2 m/s afin de couvrir le régime bouillonnant ainsi que le régime turbulent. Du sable ou autre type de catalyseur sera utilisé en tant que matière du lit. La taille de particule moyenne sera donc comprise entre 60 um et 500 um, de manière à inclure les particules de type Geldart A et B, avec une densité allant de 1 à 2.5g/cm3. De l’air comprimé provenant de trois différents compresseurs sera utilisé en tant que gaz de fluidisation. Afin de chauffer le réacteur aux températures requises, un système de chauffage a été conçu. Ce système comprend une conduite isolée où un appareil de chauffage électrique à haute pression capable de résister à des faibles débits sera attaché. Cet appareil de chauffage électrique sera utilisé pour préchauffer la conduite jusqu'à ce que la température d'auto-inflammation du gaz naturel est atteinte. À ce moment, le gaz naturel sera introduit avec l'air comprimé à travers des ports situés le long de la conduite. Ce système de chauffage est alors relié à la boîte à vent qui a été conçue pour permettre une conversion du méthane de plus de 99% afin d’assurer une réduction maximale de la concentration du monoxyde de carbone résultant de la combustion du gaz naturel. De plus, pour s’assurer d’obtenir une fluidisation équitable à travers le lit, un distributeur à tuyères a été conçu afin de permettre une flexibilité d’opération sous les conditions choisies. Pour empêcher l'entraînement des particules hors du réacteur, un cyclone ainsi qu’un filtre à haute température seront placés en série à l'intérieur de la zone de désengagement. Enfin, afin d'assurer que les vannes de régulation en aval du réacteur ne soit pas soumises à des températures supérieures à 300C, de l'eau distillée provenant d’un réservoir sous pression, sera pompée dans un purgeur vapeur à la sortie du réacteur. Ainsi, l'atteinte de l'objectif de ce travail consistant en la conception d'un réacteur gaz-solide à lit fluidisé pour un fonctionnement souple sous des conditions ambiantes et extrêmes, a été réalisé à travers une description détaillée du procédé et une procédure d'opération. ---------- Numerous processes of refining and petro chemistry involve multiphase fluids at extreme conditions, and are realized in agitated reactors or in fluidized beds. The use of high temperature and/or high pressure during conversion and handling of high viscosity materials and/or viscosity ratios results in extreme processing conditions for which the multiphase process hydrodynamics are completely unknown. Subsequently, with only a few studies at high temperature and almost none at high temperature and high pressure, general and reliable design criteria for the use of extreme conditions are scarce and therefore are of immediate interest to Total, the industrial partner of this research chair. The aim of this work is to review and compare the already published models on fluidization at ambient and extreme conditions with emphasis on the information necessary for designing gas-solid reactors. Consequently, a detailed design of a fluidized bed reactor that would allow flexible operation at high temperature and high pressure at several gas velocities will be conducted in order to serve for the future development of new hydrodynamic models. In order to illustrate the need for this laboratory scale reactor, the effect of using extreme operating conditions (high temperature, pressure and velocity) on fluidization and more specifically bubble size were demonstrated. Three bubble size correlations were chosen: the first for being respectively modeled at high pressure and velocity, the second for being modeled at high temperature and the third for being one of the most commonly used models in design books. None of these correlations provided acceptable values beyond their designated range. Furthermore, the impact of bubble diameter on mass transfer, reaction conversion, entrainment and the transport disengaging height (TDH) were studied through the application of each of these bubble size models. By doing so, several discrepancies between the obtained results and the expected trends were highlighted. Using entrainment plots, TDH was found to be independent of bubble size and vary with temperature, pressure and velocity, which is contrary to several existing correlations. Moreover, at high velocities, despite obtaining a large TDH value both graphically and by using the existing models, the overall changes in the total flux are negligible which would imply that sizing the freeboard accordingly, as suggested by most design books, might not be profitable. By using different bubble diameters while computing the conversion of methane in the methane steam reforming reaction, the need for new models was once more demonstrated with different operating conditions providing different results from the expected trends. With the need for new fluidization models at extreme conditions illustrated, the complete design of a fluidized bed reactor and its respective process was conducted. The operating conditions were chosen as an adequate extrapolation to industrial reality, while the reactor dimensions were chosen based on an existent reactor currently operating at high temperature in our laboratory. Furthermore, these conditions were also chosen while respecting the constraints defined by the compressor and the inherent limitations of the university experimental facility. The temperature of operation will be varied from room temperature to 1000 oC and the pressure will range from atmospheric pressure up to 20 atm. The reactor’s bed diameter is 15 cm at the bottom with a freeboard diameter of 50cm. The gas velocity will range from 0.1 m/s up to 2 m/s in order to cover the bubbling and turbulent regime. The bed material will be sand or another type of catalyst with a mean particle size ranging from 60 μm up to 500 μm, so as to cover Geldart A and B particles, and a specific gravity ranging from 1 to 2.5g/cm3. The chosen fluidization medium will be compressed air that will be provided by three different compressors. In order to heat up the reactor to the required temperatures, a heating system was designed. This heating system comprises of an insulated pipe where a high pressure electric heater capable of withstanding low flowrates is attached. This electrical heater will be used to preheat the pipe until the auto-ignition temperature of natural gas is achieved. At this point, natural gas will be fed to the pipe along with the compressed air. This heating system will be connected to the windbox which was designed to allow over 99% conversion of methane to ensure that carbon monoxide concentration resulting from the natural gas combustion is at a minimum. In order to provide even fluidization, a bubble cap distributor was designed to allow flexibility and freedom of operation under the chosen conditions. To prevent solid entrainment out of the reactor, a cyclone and high temperature filter will be placed in series inside the freeboard. Finally, in order to ensure that the control valve downstream of the reactor would not be subjected to temperature higher than 300C, distilled water from a pressurized tank will be pumped in a steam trap at the reactor exit in order to reduce the temperature of the gas. With a detailed process description and operating procedure provided, the objective of this work of designing a gas-solid fluidized bed reactor and its utilities for flexible operation from ambient conditions up to high temperature and high pressure, were successfully met.

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Département: Département de génie chimique
Directeur de mémoire/thèse: Jamal Chaouki
Date du dépôt: 16 juil. 2013 15:07
Dernière modification: 01 sept. 2017 17:33
Adresse URL de PolyPublie: http://publications.polymtl.ca/1083/

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