Study of a structured reactor based on high performances heat plate exchanger within a detailed compartments model
Etude d un réacteur chimique structuré de type échangeur à plaques hautes performances à l aide d un modèle à compartiments détaillé :
Résumé
The implementation of exothermic chemical reactions is strongly limited by the dissipation of the heat generated. Because of this, a new concept of structured heat exchanger reactor has been developed by Alfa Laval. This reactor is named OPR (Open Plate Reactor). This reactor is based on high performances heat plate exchanger in which small inserts allow a good mixing of the reactants. Moreover the reactants may be injected in several points whereas numerous configurations allow to alternate co-current and counter-current flows between reactive fluid and cooling fluid depending on the needs. Residence Time Distribution (RTD) experiments have been carried out to characterize the fluid behaviour. The experiments have been conducted in a large range of operating flow-rates and for several viscosities. The flow behaviour has been modelled by the perfect mixing cells in series exchanging with a stagnant zone. The time of exchanging and the volume of the stagnant zone have been precisely estimated as a function of viscosities and flow-rates. The heat and mass balances have been added into this model in order to simulate three chemical reactions in homogeneous liquid medium for which the kinetic s is well known : Alkaline hydrolysis of ethyl acetate, Alkaline hydrolysis of ethylene glycol diacetate, Oxidation of sodium thiosulphate by hydrogen peroxide. A reasonable agreement has been found between experimental results and simulations both for productivity and selectivity of the reactions. For the exothermic reaction the experimental and simulated temperature profiles have been compared. The model gives a reasonable representation except under certain conditions for which the amplitude of the hot point is over estimated. This difference provides that the axial conduction in the solid is not taken into account in the model. The model has been used to study the behaviour of the reactor for several configurations for which experimental results are not still available. Moreover a new concept of compartmental model has been developed to simulate the results obtained with reaction tests for micro mixing evaluation of the reactant s inlet.
La mise en ?uvre de réactions chimiques exothermiques est fortement limitée par la dissipation de l énergie libérée. Afin de proposer une solution à ce problème, un nouveau type de réacteur multifonctionnel a été développé par la société Alfa Laval. Ce réacteur chimique est un échangeur de chaleur à hautes performances au sein duquel des chicanes ont été introduits pour améliorer le mélange. Par ailleurs, les réactifs peuvent être injectés à différents points du réacteur. De plus, de nombreuses configurations de circulation des fluides réactifs et caloporteur sont possibles. L OPR (Open Plate Reactor) contenant 3 passes, l écoulement de ces deux fluides peut être alterné à co- ou contre-courant dans chaque passe d où 8 configurations sera possible. Afin d étudier l écoulement, des mesures de Distribution des Temps de Séjour (DTS) ont été réalisées pour de nombreuses conditions opératoires et pour différentes viscosités de fluide. L écoulement a été modélisé par le modèle des mélangeurs en cascade avec échange avec une zone stagnante. Les temps d échange et la proportion de volume stagnant ont été précisément estimés en fonction des débits et des viscosités. Les bilans de chaleur et de matière ont été inclus dans ce modèle afin de simuler trois réactions chimiques en milieu liquide homogène et pour lesquelles les cinétiques de réaction sont connues : Hydrolyse alcaline de l acétate d éthyle, Hydrolyse alcaline de l éthylène glycol diacétate, Oxydation du thiosulfate par le peroxyde d oxygène. Un accord satisfaisant a été obtenu entre les résultats expérimentaux et le modèle au niveau de la productivité, conversion et de la sélectivité des réactions. Pour la réaction exothermique, les profils de température expérimentaux ont été comparés avec ceux obtenus par le modèle. Les résultats obtenus par le modèle s accordent bien avec ceux des expériences. Cet accord est moins satisfaisant pour certaines conditions opératoires où la température du point chaud est surestimée. Cet écart a été imputé à la conduction axiale dans le solide, non considérée dans le modèle. Le modèle a aussi été utilisé pour étudier le comportement du réacteur dans des configurations pour lesquelles il n y a pas de données expérimentales. De plus, un nouveau concept de modèle à compartiments a été développé pour simuler les résultats obtenus avec des réactions tests de micromélange au niveau des injections des réactifs
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