Single Pellet String Reactor for Intensification of Catalyst Testing in Gas/Liquid/Solid Configuration

Réacteur catalytique de type “filaire” pour l’intensification de tests catalytiques en configuration gaz/liquide/solide

¹ IFP Energies nouvelles-Lyon, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize - France
² Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques, CNRS-CPE, BP 2077, 69616 Villeurbanne Cedex - France
e-mail: ana-isabel.fernandes-hipolito@ifpenergiesnouvelles.fr - mathieu.rolland@ifpenergiesnouvelles.fr - christophe.boyer@ifpenergiesnouvelles.fr - cdb@lgpc.cpe.fr

Abstract

Catalyst improvement is a key route toward process improvement in terms of yield, energy efficiency and selectivity optimization. The catalyst development strategy includes catalyst testing on a model or real feedstock. This key step has been the focus of many studies during the last decades concerning reactor design, analytical tool development and operating procedures. Most studies aim to determine catalytic grain activity in isothermal conditions so as to be able to understand and predict the kinetics. With catalyst improvement, in the lab-scale reactors available, the mass transfer rate can become the limiting step compared with the reaction rate, especially for fast exothermic reactions. A new reactor geometry is proposed to intensify the mass transfer and to accelerate the fluid superficial velocities: the single pellet string reactor. To characterize this new geometry, a hydrodynamic study was carried out in a horizontal single pellet string reactor with a 4.0 × 4.0 mm² square section, filled with spherical particles of diameter varying between 2.0 and 4.0 mm. In this hydrodynamic study, visual observations of the flow patterns were performed, as well as pressure drop measurements and residence time distribution analysis in single liquid phase flow and two-phase flows. In every configuration tested, two main regimes were identified: the “isolated bubbles” regime and the “stratified” regime. Peclet number and liquid hold-up were deduced from the residence time distribution analysis. The measured liquid hold-ups are always higher than 0.6, which indicates, in addition to the visual observations and colorimetric tests, that the catalyst is always fully wetted by the liquid film. The axial dispersion measurements showed that the single liquid phase flow cannot be interpreted by a classical axial dispersion model. However, when a gas phase is added, the flow becomes closer to plug flow, with Peclet numbers always higher than 40. It has been shown that the pressure drop is controlled by the liquid/solid friction surface and that the pressure drop is not a limiting parameter in the reactor’s operation (values always lower than 0.1 bar). So, from a hydrodynamic point of view, this new reactor exhibits characteristics suitable for its use in catalytic tests. Finally, this reactor was implemented under reaction conditions to study hydrogenation reactions with a real industrial catalyst. The selective hydrogenation of allene was studied. The string reactor was shown to run isothermal kinetic tests with a very small amount of industrial-sized catalyst particles (less than 2 cc) and to explore kinetics of fast reaction at high space velocities impossible to achieve in standard fixed bed units with appropriate hydrodynamic conditions. For constant residence time, the allene conversion does not vary with pressure and feed flow rate, which confirms that the string reactor allows one to perform catalytic tests with such a fast reaction without external mass transfer resistance.

Résumé

L’optimisation du catalyseur est une etape cle pour l’optimisation d’un procede catalytique du point de vue des rendements, de l’efficacite energetique et de la selectivite des reactions. La strategie de developpement d’un catalyseur comprend des tests effectues sur des reacteurs pilotes avec des charges reelles ou modeles. Cette etape a fait l’objet de nombreuses etudes ces dernieres decennies portant sur le dimensionnement des reacteurs, l’amelioration des outils d’analyses et les procedures operatoires. La plupart des etudes ont pour but de determiner l’activite catalytique de catalyseur sous forme de grain dans des conditions isothermes de facon a pouvoir determiner les parametres cinetiques de la reaction. Avec l’optimisation des catalyseurs, les flux de transfert de matieres externes aux grains peuvent devenir l’etape limitante, dans les reacteurs de laboratoire standard, par rapport aux flux de reaction. Ce probleme est particulierement critique pour les reactions rapides et tres exothermiques. Une nouvelle geometrie de reacteur est proposee pour intensifier les transferts de matieres autour des grains de catalyseur et accelerer les vitesses superficielles des fluides : le “reacteur filaire”. Pour caracteriser cette nouvelle geometrie de reacteur, une etude hydrodynamique a ete menee avec un reacteur filaire horizontal de section carree de 4,0 × 4,0 mm² rempli de particules spheriques de diametre compris entre 2 et 4 mm et simulant des grains de catalyseur. Les regimes d’ecoulement ontete etudies a partir d’analyses d’images, des mesures de perte de pression et de distribution de temps de sejour qui ont ete effectuees en ecoulement monophasique liquide et diphasique gaz/liquide. Deux principaux regimes d’ecoulements ont ete observes: un regime de “bulles isolees” et un regime de type “stratifie”. Les retentions liquides sont toujours superieures a 60 %, ce qui indique en complement d’observations visuelles que le catalyseur est toujours correctement irrigue par l’ecoulement liquide. En ecoulement diphasique gaz/liquide, l’ecoulement est de type piston puisque les nombres de Peclet sont toujours superieurs a 40. La perte de pression est principalement controlee par les forces de frottement liquide/solide et les valeurs de perte de pression restent tres faibles en conditions de tests catalytiques (< 0,1 bar). Les caracteristiques hydrodynamiques indiquent donc que ce reacteur est approprie pour des tests catalytiques. Enfin, ce type de reacteur a ete mis en oeuvre en conditions de reactions catalytiques pour effectuer des tests d’un catalyseur commercial pour une reaction d’hydrogenation de l’allene. Le reacteur a permis d’effectuer des tests en conditions isothermes avec une tres faible quantite de catalyseur (inferieure a 2 cc) et d’acceder aux performances catalytiques pour des temps de contact tres courts impossible a atteindre avec des reacteurs a lits fixes conventionnels dans de bonnes conditions hydrodynamiques. Pour un meme temps de sejour, la conversion en allene ne varie pas, ni avec la pression operatoire, ni avec le debit de charge, ce qui confirme que ce type de reacteur permet d’effectuer des tests catalytiques avec des reactions rapides sans limitation aux transferts de matieres externes aux grains.