Design of trickle bed reactors based on hydrodynamic parameters

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi

Authors

Date

2017-03-30

Department

Major/Subject

Chemical Engineering

Mcode

CHEM3027

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

93+2

Series

Abstract

Trickle bed reactors are widely used in the field of chemical and petroleum refining industry. The physical and chemical phenomena as well as operation characteristics inside trickle bed reactors have been extensively studied in small-scale reactors but very little data of industrial-scale reactors is available in literature. In order to design a trickle bed reactor, the performance of industrial-scale reactor must be simulated by using computational methods. In this master's thesis, a computational trickle bed reactor model by Neste Jacobs is used in Aspen Plus to model the performance of a trickle bed reactor, and based on observations a procedure for preliminary design of trickle bed reactor is suggested. Hydrogenation process of benzene is used as an example case. In the literature part of this thesis, the structure and operation characteristics of trickle bed reactors are briefly described. In addition, some important correlations to calculate the key hydrodynamic parameters are introduced and the most suitable ones are selected for the evaluation in the applied part of this thesis. In the applied part, the selected correlations from the literature part are evaluated and the most suitable correlations are selected to be applied in the trickle bed reactor model. The model is then used in Aspen Plus to perform a sensitivity analysis, where the effects of the key hydrodynamic parameters on reactor performance are simulated. Based on the observations of the applied part, design constraints for maximum and minimum reactor diameters are determined. Finally, a single-bed reactor is dimensioned by simulation in Aspen Plus by minimizing the costs of the reactor within the design constraints and with a target conversion as a design specification. As a result, the minimum reactor cost was found to be a compromise of reactor volume and total pressure drop depending on the weight of CAPEX and OPEX. The value of volumetric liquid-side mass transfer coefficient at gas-liquid interface was found to be crucial in terms of reactor performance, and therefore it is suggested that the correlation is selected carefully and its applicability in simulation is confirmed prior to use in reactor design purposes.

Triklekerrosreaktoreita käytetään laajalti kemian sekä öljynjalostusteollisuuden aloilla. Reaktoreiden sisäisiä, fysikaalisia ja kemiallisia ilmiöitä sekä reaktorin toiminnan ominaispiirteitä on tutkittu runsaasti pienen mittakaavan reaktoreissa, mutta teollisen mittakaavan reaktoridataa on erittäin niukasti saatavilla kirjallisuudessa. Jotta triklekerrosreaktoreita voidaan suunnitella, niiden toimintaa täytyy mallintaa käyttäen laskennallisia menetelmiä. Tässä diplomityössä Neste Jacobsin laatimaa laskennallista triklekerrosreaktorimallia käytetään Aspen Plus -ohjelmassa mallintamaan reaktorin toimintaa, ja havaintojen perusteella esitetään menetelmä triklekerrosreaktoreiden esisuunnittelua varten. Bentseenin hydrausprosessia käytetään työssä esimerkkitapauksena. Diplomityön kirjallisessa osassa esitellään lyhyesti reaktoreiden rakenne sekä niiden toiminnan erityispiirteitä. Lisäksi kirjallisessa osassa esitetään joitakin tärkeitä korrelaatioita tärkeimpien hydrodynaamisten parametrien laskemiseksi, joista sopivimmat valitaan tarkasteltavaksi kokeelliseen osaan. Soveltavassa osassa tarkasteluun valittuja korrelaatioita arvioidaan ja niistä sopivimmat sisällytetään reaktorimalliin. Tämän jälkeen, reaktorimallia hyväksikäyttäen suoritetaan herkkyysanalyysi Aspen Plus -simulointiohjelmalla, missä simuloidaan hydrodynaamisten parametrien vaikutusta reaktorin toimintaan. Havaintojen perusteella määritetään rajoitteet reaktorin maksimi- ja minimihalkaisijalle. Lopuksi yksipetinen triklekerrosreaktori mitoitetaan Aspen Plus -simuloinnin avulla minimoimalla reaktorin kustannuksia suunnittelurajoitteiden puitteissa samalla toteuttaen reaktorin tavoitekonversio. Työn lopputuloksena saatiin selville, että reaktorin minimikustannus on kompromissi reaktorin katalyyttipedin tilavuudesta sekä pedin kokonaispainehäviöstä, riippuen investointikustannusten (CAPEX) ja operointikustannusten (OPEX) painoarvoista. Lisäksi todettiin, että tilavuusmittaisella kaasu-neste rajapinnan nestepuolen aineensiirtokertoimen arvolla on ratkaiseva rooli reaktorin toiminnan kannalta, minkä takia reaktorin mallinnuksessa käytettävä aineensiirtokertoimen korrelaatio on valittava huolella ja sen käyttökelpoisuus tarkasteltavassa sovellutuksessa on varmistettava ennen sen käyttöä reaktoreiden suunnittelussa.

Description

Supervisor

Alopaeus, Ville

Thesis advisor

Toppinen, Sami

Keywords

trickle bed reactor, hydrodynamic parameter, reactor design, Aspen Plus, modelling, simulation

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705114599

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM