Theoretical Interpretation of Residence-Time Distribution Measurements in Industrial Processes
Distribution des temps de séjour dans les procédés industriels : interprétation théorique
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CNRS-ENSEM
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PROGEPI-CNRS-ENSIC
Corresponding author: propegi@ensic. u-nancy. fr
The Residence-Time Distribution (RTD) is a chemical engineering concept introduced by Danckwerts in 1953. It has been described in a multitude of scientific papers and applied for various industrial processes. The development of Computer Fluid Dynamics will improve the comprehension and optimisation of such processes. However, this approach remains difficult in case of complex industrial processes. Therefore, the extension of the RTD concept is an alternative way to obtain hydrodynamic data and help for improvement of the processes. Actually, the models derived from tracer experiments are often restricted to the use of simple elementary reactors such as perfect mixing cells in series or plug flow with axial dispersion. The resulting information is often not sufficient for the understanding of complex processes. Better understanding may be obtained by the creation of complex networks of interconnected elementary reactors. However, that can lead to two problems to be solved: the first one is the possibility to realise an easy simulation of any complex network, the second one is to create realistic models on a sound physical basis. Indeed, complex models contain so many parameters that two different models may give the same result or the same model may give an identical result with different sets of parameters. A software package has been developed to simulate the response to an input of any complex network of elementary reactors properly interconnected. Processes with multiple inlets or outlets can be modelled by convolution and optimisation procedures. The software may equally be used to determine the parameters of different models giving the same response, and the subsequent examination of the physical soundness of these parameters leads to the choice of a realistic model. In addition, local measurements may be validated through the possibility to simulate the local response within the model and to optimise the corresponding parameters. Also, a general procedure has been developed to optimise the different flow rates of models in complex industrial processes with many undetermined recirculation flow rates. Future developments including RTD under transient state and automatic generation of flow models are also presented. They are illustrated through experiments and literature analysis. Finally, different perspectives of recent concepts are suggested.
Résumé
Le concept de Distribution des Temps de Séjour (DTS) a été introduit par Danckwerts en 1953 afin de caractériser l'écoulement dans les réacteurs. Il a été décrit de nombreuses fois et appliqué à des cas divers. Bien que les récents développements des codes de calcul de mécanique des fluides doivent permettre de mieux comprendre le fonctionnement des procédés industriels, les applications de ces codes restent difficiles pour des procédés complexes. La méthode des distributions des temps de séjour reste alors la seule voie possible pour obtenir des informations sur l'hydrodynamique et améliorer ces procédés. Les modèles représentatifs des expériences de traçage se limitent souvent à des réacteurs simples, comme les cascades de réacteurs parfaitement agités en série ou le réacteur piston à dispersion axiale, et l'information ainsi déduite peut se révéler très insuffisante. La création de modèles hydrodynamiques obtenus par la création de réseaux complexes de réacteurs élémentaires peut permettre d'obtenir des informations plus précises sur un procédé. Cependant, cette approche induit deux problèmes de fond : premièrement la résolution rapide d'un système d'équations quels que soient le réseau et les réacteurs choisis, deuxièmement la difficulté à obtenir un modèle réaliste et représentatif de la physique du procédé. En fait, les réseaux complexes contiennent tellement de paramètres que deux modèles très différents peuvent répondre de la même façon à un signal d'entrée quelconque, ou qu'un même modèle peut donner des réponses similaires avec des jeux de paramètres différents. En tenant compte de ces difficultés, un logiciel a été développé afin de calculer facilement la réponse de réseaux complexes à un signal d'entrée quelconque. Ce logiciel permet aussi d'étudier les systèmes à entrées et/ou sorties multiples et d'optimiser les paramètres des modèles correspondants, et peut également être utilisé pour déterminer les paramètres qui permettront d'obtenir des réponses identiques avec deux modèles différents. L'analyse physique de ces paramètres permet ensuite de déterminer le modèle le plus réaliste. Enfin, les mesures expérimentales locales peuvent être interprétées grâce à la possibilité d'obtenir les réponses du modèle en tout point du réseau. Une procédure générale d'optimisation des débits, dans le cas de procédés industriels comportant des recirculations pour lesquelles les débits sont indéterminés, a aussi été développée. Des perspectives de développement incluant notamment les DTS en régime transitoire et la génération automatique de modèles d'écoulement sont aussi présentées. Elles sont illustrées par des exemples expérimentaux et des résultats tirés de la littérature. Finalement, des perspectives et de nouveaux concepts possibles sont présentés.
© IFP, 2000