Design correlations for stirred tank reactors
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020-12-15
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
148+42
Series
Abstract
Stirred tanks are used in more than half of the chemical production processes. Reactors are usually designed for a specific process, which means the proper design of the reactor is very important in order to produce the desired product. Experimental methods, correlations or computational fluid dynamics, CFD can be used to find the optimal design and process conditions for a reactor. The use of design correlations is easy and reduces the used time compared to other methods. The aim of this thesis was first, to review the state-of-the-art correlations in the scientific literature and second, from these correlations, to find the best design correlations for the sizing of selected industrial reactors. In this thesis, power numbers, mixing time, drop size, bubble size, gas hold-up, and heat transfer correlations are examined. The theoretical background to relevant phenomena to these correlation types are presented. A sensitivity analysis was conducted to compare the relative responses of the correlations. It could be seen that within the correlations designed for the same or similar systems, the variation in the predicted outcome, as well as the variation in the relative response was significant. It could be concluded that the validation of correlations is an important step before using them for example for process development. The correlations were validated with four case studies. Factory data from an industrial partner and results from computational fluid dynamic simulations were used for this purpose. The power numbers, mixing time, drop size, gas hold-up and heat transfer could be validated with good precision. For mixing time, CFD data was available only for one validation case. For other cases, the median predicted mixing time of relevant correlations was compared to current process procedures to analyze for risk of inhomogeneities in the system. All correlations predicted larger bubble size compared to the validated size. All correlations predicted a too low apparent viscosity for a pseudoplastic fluid in the conditions of a studied stirred tank reactor. A broad range of correlations were tested for each case, and in several cases the best correlation to describe the studied system was not originally designed for that specific impeller type. The correlations has proven to be useful, but the selection of the correlation should be made with care.Tankreaktorer med omrörning används i över hälften av kemiska produktionsprocesser. Reaktorer designas för en specifik process, och för att kunna producera den avsedda produkten är det viktigt att designa reaktorn korrekt. Experimentella metoder, korrelationer eller beräkningsströmings-dynamik (CFD) kan användas för att hitta en optimal design och optimala processförhållanden för reaktorn. Korrelationer är lätta och snabba att använda jämfört med andra metoder. Syftet med det här arbetet var för det första att ge en översikt över de nuvarande viktigaste och mest relevanta korrelationerna i vetenskaplig litteratur och för det andra att från dessa korrelationer hitta de som fungerar bäst för dimensionering av utvalda industriella reaktorer. I det här arbetet granskas korrelationer för effekttal, omrörningstid, droppstorlek, bubbelstorlek, gasens volymandel och värmeöverföring. Teoretisk bakgrund för relevanta fenomen presenteras för ovannämnda korrelationstyper. En känslighetsanalys utfördes för att jämföra korrelationers relativa respons. Känslighetsanalysen visade att skillnaden mellan de förutspådda resultaten och responsen var stor emellan olika korrelationer designade för liknande system. Som slutsats kunde dras, att validering av korrelationerna är viktigt före de används till processutveckling. Korrelationer validerades med fyra fallstudier. Fabriksdata från en industriell partner samt resultat från beräkningsströmingsdynamik användes för det här syftet. Effekttal, omrörningstid, droppstorlek, gasens volymandel och värmeöverföring kunde valideras med god noggrannhet. Beräkningsströmingsdynamik var tillgänglig endast för en fallstudie. För de andra fallen jämfördes medianen av förutspådda omrörningstider till processförfaranden, och risk för inhomogen blandning i systemet analyserades. Alla korrelationer förutspådde större bubbelstorlek jämfört med den validerade bubbelstorleken. Samtliga korrelationer förutspådde för låg uppenbar viskositet för en pseudoplastisk fluid under de studerade processförhållandena. Ett brett urval av korrelationer undersöktes för varje fall, och i flera av fallen var korrelationen som beskrev systemet bäst inte ursprungligen utvecklad för omröraren i fråga. Korrelationerna har visar sig vara nyttiga, men valet av korrelation bör göras med omtanke.Description
Supervisor
Alopaeus, VilleThesis advisor
Touronen, JouniKeywords
stirred tank reactor, design correlations, power number, mixing time, non-Newtonian fluid, heat transfer