Opaque Multiphase Reactors: Experimentation, Modeling and Troubleshooting

Réacteurs polyphasiques opaques: expérimentation, modélisation et traitement des incidents

Washington University

Corresponding author: dudu@wuche3. wustl. edu

Abstract

Multiphase reactors are widely used in petroleum, chemical, petrochemical, pharmaceutical and metallurgical industries as well as in materials processing and pollution abatement. Most reactors of interest in industrial practice (slurry bubble columns, gas-solid risers and fluidized beds, ebullated beds and stirred tanks) are opaque as they contain a large volume fraction of the dispersed phase. All the physical phenomena that affect the fluid dynamics of such systems are not yet entirely understood. This makes a priori predictions of important process parameters (pressure drop, velocity and holdup profiles, degree of backmixing, etc. ) very difficult. Industry relies on correlations, and these are prone to great uncertainty as one departs from the operating conditions contained in the available limited data base. Prediction of the needed process parameters based on fundamental fluid dynamic models would be most welcome, yet even the best models (that can treat large vessels or conduits that are of interest) require closure forms for phase interaction terms which are still subject to uncertainty and debate. Hence, there is a need to verify such models; verification can only be accomplished if we measure precisely those quantities that we would like the model to ultimately predict, i. e. phase holdup and holdup profiles, velocity profiles, backmixing, etc. However, the systems are opaque and we cannot seeinto them, and so it seems that a vicious circle has been closed and that model predictions are destined to remain unchecked. Fortunately, as two extensive recent reviews point out (Chaouki et al. , 1997a, 1997b) there are techniques which can provide us with the desired information. In this paper, we review two of them: gamma ray assisted tomography (CT) for measurement of holdup profiles and computer aided radioactive particle tracking (CARPT) for measurement of velocity profiles and backmixing parameters. We then show how these techniques can be used to obtain information in systems with moving catalysts of industrial interest such as gas-solid riser, liquid-solid riser and gas-liquid bubble column. The ability of the available CFD (Computational Fluid Dynamics) codes to correctly predict the observed hydrodynamic quantities is also briefly discussed. We then address the issue of two-phase flow in packed beds and the evolution of the experimental techniques and models used to quantify these reactors better. Finally, troubleshooting on industrial scale reactors and use of tracer methods to accomplish this are briefly mentioned.

Résumé

Les réacteurs polyphasiques sont largement utilisés dans les industries pétrolière, chimique, pétrochimique, pharmaceutique et métallurgique, aussi bien pour la transformation des matières que pour la réduction de la pollution. La plupart des réacteurs présentant un intérêt industriel (colonnes à bulles avec solides en suspension - à slurry-, lits entraînés- risers - gaz-solide et lits fluidisés, lits bouillonnants et cuves agitées) sont opaques, parce que la phase dispersée occupe une fraction de volume importante. Tous les phénomènes physiques jouant sur la dynamique des fluides de tels systèmes ne sont pas encore entièrement compris. Cela rend extrêmement difficile la prédiction de paramètres importants du procédé, tels que la perte de charge, les profils de vitesse et de rétention, le taux de rétromélange, etc. Les concepts industriels reposent sur des corrélations, et celles-ci sont sujettes à une grande incertitude dès que l'on s'écarte des conditions d'exploitation des bases de données. Dans la plupart des cas, il serait bienvenu de prévoir les paramètres du procédé en se basant sur des modèles de dynamique des fluides. Cependant, même les meilleurs modèles (ceux qui sont aptes à traiter des récipients et des conduites de grand volume) nécessitent des lois de fermeture pour les termes d'interaction des phases, qui sont encore actuellement incertains et sujets à discussion. Il est donc nécessaire de vérifier ces modèles en mesurant avec précision les grandeurs que l'on souhaite prédire à l'aide de ces modèles, c'est-à-dire les taux et les profils de rétention des différentes phases, les profils de vitesse, le rétromélange, etc. Mais ces systèmes sont opaques, et il est donc impossible de voirà l'intérieur, ce qui apparaît comme un cercle vicieux et laisse présager que les prédictions des modèles sont destinées à rester invérifiées. Heureusement, comme deux importantes et récentes études l'ont montré (Chaouki et al. , 1997a, 1997b), des techniques peuvent nous offrir les informations souhaitées. Nous examinons ici deux d'entre elles : la tomographie assistée par rayon gamma (CT) pour la mesure des profils de rétention, et le traçage des particules radioactives assisté par ordinateur (CARPT) pour la mesure des profils de vitesse et des paramètres de rétromélange. Nous montrons comment utiliser ces techniques pour obtenir une information sur les systèmes industriellement intéressants et comportant des catalyseurs en mouvement comme les réacteurs élévateurs (risers) gaz-solide ou gaz-liquide, et les colonnes à bulles gaz-liquide. L'aptitude des codes CFD (Computational Fluid Dynamics) existants à prédire correctement les grandeurs hydrodynamiques observées est également brièvement discutée. Nous abordons ensuite les problèmes de l'écoulement disphasique dans les lits garnis, de l'évolution des techniques expérimentales et des modèles utilisés pour mieux quantifier les paramètres de ces réacteurs. Enfin, l'on évoque les applications des méthodes de traçage pour l'analyse et le traitement des incidents dans les réacteurs industriels.