Design of a laboratory-scale reactor for the in-situ gas characterization of Fluid Catalytic Cracking (FCC)

Abstract

A laboratory-scale reactor was designed and built to test optical techniques for the online and in situ monitoring of the fluid catalytic cracking (FCC) reaction progress. A one-dimensional and a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model, were proposed and solved to assist in the design and to understand the hydrodynamic, mixing, heat and mass transfer phenomena taking place in the reactor. The reactor setup included Evaporation, Heating, Reaction, and Separation zones to evaporate the liquid feed, heat the catalyst particles, allow for the reaction and separate the catalyst from the gaseous stream, respectively. The reactor was a fused-quartz cylinder, 180 cm long and with an internal diameter of 1.3 cm. Five electrical furnaces that could be displaced in the vertical direction provided the heat required to maintain the gas temperature flowing in the reactor at a nominal value while provided space for passing the laser beam through the reactor to characterize the system. A mid-infrared He-Ne laser operating at 3.39 µm wavelength was used to evaluate the concentration of 1-hexene, that was selected as a model compound to represent FCC reactions. Experiments at different temperatures (373 K to 673 K) and 1-hexene concentrations (2.5 mol/m^3 to 12.5 mol/m^3), in the presence and absence of equilibrated FCC catalyst, demonstrated that the fractional transmission presents a linear response to 1-hexene concentration. Despite the fact that the optical setup did not incorporate an on-site correction for laser drift, the results are highly encouraging and suggest that inference of the advance of the FCC reaction with optical techniques in FCC systems of larger scale is possible.

Resumen: Se diseñó y construyó un reactor a escala laboratorio para probar técnicas ópticas de monitoreo en línea e in situ del avance de reacción de craqueo catalítico fluidizado (FCC, por sus siglas en inglés). Fueron propuestos y resueltos un modelo en una dimensión y un modelo de tres dimensiones en dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) los cuales se tomaron como base para el diseño y comprensión de los fenómenos hidrodinámicos, de mezcla y de transferencia de calor y masa que toman lugar en el reactor. La configuración del reactor incluyó zonas de evaporación, calentamiento, reacción y separación para evaporar la alimentación líquida, calentar las partículas de catalizador, permitir la reacción y separar el catalizador de la corriente gaseosa, respectivamente. El reactor fue un cilindro de cuarzo fundido de 180 cm de largo y con un diámetro interno de 1.3 cm. Cinco hornos eléctricos con capacidad de moverse verticalmente proporcionaron el calor necesario para mantener la temperatura del gas que fluye en el reactor a un valor nominal, además, se habilitó un espacio para que el rayo láser pudiese pasar a través del reactor y así caracterizar el sistema. Se usó un láser He-Ne en el infrarrojo medio que funcionaba a una longitud de onda de 3.39 µm para evaluar la concentración de 1-hexeno, que se seleccionó como compuesto modelo para representar las reacciones de FCC. Experimentos a diferentes temperaturas (373 K hasta 673 K) y concentraciones de 1-hexeno (2.5 mol/m^3 a 12.5 mol/m^3), con presencia y ausencia de catalizador de FCC en equilibrio, demostraron que la absorción fraccional presenta una respuesta lineal a la concentración de 1-hexeno. Aunque el montaje óptico no incorporó una corrección en el sitio para la desviación de voltaje del láser, los resultados son altamente alentadores y sugieren que es posible inferir el avance de la reacción FCC con técnicas ópticas en sistemas de FCC a mayor escala.