Principes fondamentaux de la RTD en phase gazeuse dans les réacteurs à lit fluidisé

La distribution du temps de résidence (RTD) est une technique de diagnostic appliquée par les chercheurs pour évaluer l'hydrodynamique dans les réservoirs, les tuyaux, les réacteurs et les systèmes à composants multiples. Il détecte les écarts par rapport aux modèles d'écoulement idéaux tels que les zones mortes, les canaux et la dispersion. Les expériences RTD consistent à introduire un traceur détectable soit un gaz inerte, un solide ou un liquide, puis à détecter sa concentration à un certain point du système, généralement à la sortie. Nous avons développé une méthodologie RTD précise et reproductible pour mesurer l'hydrodynamique en phase gazeuse et l'avons appliquée à un micro-réacteur à lit fluidisé (8mm de diamètre). Nous avons comparé une injection en continu (heaviside step) à une injection d'un volume précis (bolus). Dans le premier cas, nous substituons instantanément la composition du débit de gaz et examinons l'évolution de la concentration avec le temps à l'aide d'un spectromètre de masse à une fréquence de 2 Hz. Dans le second cas, nous pivotons une vanne multiport qui pousse un volume du traceur gazeux à travers une bobine vers le réacteur. Pour comprendre l'effet de la diffusivité, de la dispersion et de l'adsorption, nous avons comparé 7 gaz avec des coefficients de diffusivité distincts - Kr, O2, CO2, CO, CH4, He et H2. Nous avons étudié l'hydrodynamique de ces gaz dans le réacteur à lit fluidisé avec des catalyseurs du groupe Geldart A - l'hémihydrate d'hydrogénophosphate de vanadyle (VPOP), le pyrophosphate de vanadyle calciné (VPPC) et équilibré (VPPE), le catalyseur pour le craquage catalytique en lit fluidisé (FCC) ainsi qu'avec une poudre du groupe Geldart B — le sable. H2 et He, avec leurs coefficients de diffusivité élevés, sortent toujours du réacteur à l'avance autant avec un catalyseur poreux et que non poreux ainsi qu'à température ambiante ou à 300 �C. Nous avons ajusté toutes les courbes de réponse RTD avec un modèle de dispersion axiale avec des conditions frontière fermées ouvertes. Lorsqu'un gaz de synthèse simulé — CO2, CO, CH4 et H2 — est injecté sous forme de pulse dans le micro-réacteur chargé de catalyseur FCC, le CO2 est adsorbé à température ambiante. Ceci est représenté sur la courbe de réponse par une queue étendue et un grand écart par rapport au modèle de dispersion axiale. De plus, le CO2 prend deux fois plus de temps pour sortir du réacteur que H2. Ce phénomène chromatographique était inattendu et pourrait être appliqué pour éliminer le CO2 de l'air ou des courants industriels.

Abstract

Residence time distribution (RTD) is a diagnostic technique researcher apply to evaluate hydrodynamics in vessels, pipes, reservoirs, and multi-component systems. It detects deviations from ideal flow patterns non-homogeneity like dead zones, channelling, and dispersion. RTD experiments consist of introducing an identifiable, inert gas, solid or liquid tracer and then detecting it at some point in the system, usually the exit. We developed a precise, reproducible RTD methodology to measure gas phase hydrodynamics and applied it to a micro-fluidized bed reactor (8mm diameter). We compared a Heaviside step function injection against a bolus injection. In the former, we instantaneously switch the composition of the gas flow and monitor the change in concentration with time with a mass spectrometer at a frequency of 2 Hz. In the second case, we switch a multiport valve that pushes a volume of tracer gas from a coil into the reactor. To understand the diffusivity, dispersion, and adsorption effect, we compared 7 gases with distinct diffusivity coefficients – Kr, O2, CO2, CO, CH4, He and H2. We examined the hydrodynamics of these gases in the fluidized bed reactor for Geldart group A catalyst – vanadyl hydrogen phosphate hemihydrate (VPOP), vanadyl pyrophosphate calcined (VPPC) and equilibrated (VPPE), fluid catalytic cracking (FCC), and Geldart group B powder – sand. H2 and He, with high diffusivity coefficients, always egress from the reactor in advance with porous and non-porous catalyst as well as ambient temperature and 300 �C. We fitted all the response curves with an axial dispersion model with closed-open boundary conditions. When a simulated syngas – CO2, CO, CH4, and H2 – is injected as a pulse in the micro reactor loaded with FCC catalyst, CO2 adsorbed at ambient temperature. This is represented on the response curve by an extended tail and a large deviation to the axial dispersion model. Also, CO2 takes double the time to egress the reactor compared to H2. This chromatographic phenomenon was unexpected and might be applied to remove CO2 from the air or industrial streams.