Modelling and simulation of industrial purge bins
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
2018-02-27
Department
Major/Subject
Chemical Engineering
Mcode
CHEM3027
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
59+4
Series
Abstract
The objective of the master’s thesis was to gain a deeper understanding of industrial purge bins, used for de-volatilization of polymers. The deep understanding is needed for optimization of the process and equipment sizing. De-volatilization of industrial polymers is needed since they often contain impurities in the form of volatile organic compounds, which may originate from unreacted monomers, solvents or side reactions. The impurities are harmful for both the environment and health. Besides, it might cause odour and taste when used in different applications; therefore, it should be reduced in the produced polymers. This may be performed through post-production treatment in industrial purge bins, which involves passing liquid or gas (as in this case) at elevated temperatures and/or pressures through some vessel containing the polymer particles (or pellets). The impurities are evaporated and diffused through the polymer. In the applied part, mass and energy balances were written for the polymer and gas phases of the purge bin. The mass transfer was described through an equilibrium concentration between the phases by Henry’s law and the ideal gas law. The energy transfer was modelled through direct coupling of the equations of the phases. The diffusion through a single polymer particle/pellet was modelled by Fick’s law. A parameter describing the phase resistance, between the polymer and gas, of the mass and energy transfer needed to be added to each of the above-mentioned equations. These parameters are the mass transfer, energy transfer and diffusion coefficients. The equations were solved numerically and simulated in Aspen Custom Modeller, which offers both a model development environment and flowsheet modelling. Experimental data from pilot scale tests were used for parameter estimation and comparison for the model. The results of the simulated energy balances and single particle model looked as expected. The single particle model showed an exponential decrease of the impurities in the pellets. Model predictions are close to the experimental data with relative errors that do not exceed 15% in most of the cases studied. The experimental data showed a fast initial decrease of the hydrocarbons. The mass balance model showed similar patterns but less obvious. The mass transfer coefficient should be made time dependent in order to emphasise the exponential decrease and temperature dependent in order to emphasise the temperature effect on the de-volatilization, as an improvement on the model. Finally, the single particle model and the mass balance should be combined, in order to describe the mass transfer through the polymer by Fick’s law.Målet med detta diplomarbete var att få mer utförlig förståelse beträffande avgasningsreaktorer i industrin, vilka används för avgasning av polymerer. Behovet av avgasningen uppstår då industriella polymerer ofta innehåller orenheter i form av flyktiga organiska ämnen (VOC). Dessa härstammar framför allt från kvarblivna monomerer, lösningsmedel eller från sidoreaktioner och är skadliga för miljö och hälsa i stora mängder och bör därför avlägsnas från produkten. Detta kan utföras i avgasningsreaktorer genom att utsätta polymererna för hög temperatur och/eller tryck. Orenheterna avdunstar från polymererna genom diffusion. I den tillämpade delen härleddes material- och energibalanser för avgasningsreaktorns polymer- och gasfas. Materialutbytet mellan polymer och gasfasen beskrevs genom en balanskoncentration som beskrivs av Henrys lag och den ideala gaslagen. Energiutbytet beskrevs genom direkt parning av de två fasernas energibalanser. Diffusionen genom en enskild polymerpartikel beskrevs genom Ficks lag. En parameter som beskriver fasresistansen för materialutbytet mellan polymererna och gasen tillfogades ekvationerna. Denna beskrivs genom materialutbytes, energiutbytes och diffusionskonstanten. Ekvationerna löstes numeriskt och simulerades i mjukvaran Aspen Custom Modeller (ACM). Experimentell data på materialbalansen fanns tillgänglig från experiment i pilotskala. Data för energibalansen samt evolutionen av koncentrationen i den enskilda polymerpartikeln fanns inte tillgänglig. Simuleringsresultaten av energibalansen och diffusionen genom den enskilda partikeln gav förväntade resultat. Materialbalansen gav nöjaktiga resultat. Koncentrationen i polymerfasen i den experimentella datan visade en exponentiell förminskning, såsom simuleringen av den enskilda polymerpartikeln. Massbalansmodellen visade även en exponentiell förminskning, men inte en lika drastisk som den experimentella datan. Några förbättringsförslag för modellen inkluderar att göra materialutbyteskonstanten tids- och temperaturberoende för att förstärka kopplingen mellan materialutbyte och tid (eftersom diffusionen är som störst i början av avgasningen) samt materialutbyte och temperatur. Slutligen borde modellen för den enskilda partikeln sammanslås med materialbalansen.Description
Supervisor
Alopaeus, VilleThesis advisor
Al-Haj Ali, MohammadVisuri, Juha
Keywords
purge bin, de-volatilization, VOCs, mass balance, energy balance, ACM