Scaling of bubbling fluidized bed reactors

Abstract

Esta tesis presenta un modelo matemático novedoso para la activación de carbón con CO2, vapor y una mezcla de CO2 / vapor. La principal contribución de este modelo es que el CO2 y el vapor reaccionan con distintos sitios activos, lo que se considera atribuyendo un efecto de estructura de carbón único a cada agente gasificante; la reacción CO2-carbón aumenta la longitud de los poros, mientras que la reacción vapor-carbón aumenta el radio de los poros. Además, en este trabajo se propone un nuevo modelo basado en el balance de población para un reactor de lecho fluidizado burbujeante. Este modelo considera dos fases continuas: burbuja y emulsión. La evolución de la distribución del tamaño de las burbujas se modeló utilizando un balance de población, considerando tanto el movimiento axial como el radial. Este submodelo implica una nueva forma matemática para la frecuencia de agregación, que predice la migración de burbujas desde la pared del reactor hacia el centro del reactor. Además, las partículas que reaccionan fueron consideradas como una fase lagrangiana, que intercambia masa con la fase emulsión. Para cada partícula, también se consideró la variación de la distribución del tamaño de poro. El modelo presentado aquí predijo con precisión los datos experimentales para la gasificación de biochar en un reactor de lecho fluidizado burbujeante a escala de laboratorio. Finalmente, se presenta una nueva estrategia para el escalado de reactores de gasificación de lecho fluidizado burbujeante. Esta estrategia se basa en la distribución del tamaño de las burbujas, el fenómeno de coalescencia de las burbujas y la reactividad química, lo que permite deducir un número adimensional Φ que debe permanecer constante a diferentes escalas para garantizar el régimen de fluidización y los rendimientos. La estrategia propuesta se valida a partir de simulaciones computacionales realizadas en diferentes condiciones de operación. Adicionalmente, se determinaron límites para la validez de esta estrategia de escalado, lo que concuerda con lo reportado en la literatura. (Tomado de la fuente)

This thesis presents a novel mathematical model for coal char activation with CO2, steam, and a CO2/steam mixture. The main contribution of this model is that CO2 and steam react with distinct active sites, considered by attributing a unique char structure effect to each gasifying agent; the CO2-char reaction increases the pore length, whereas the steam-char reaction increases the pore radius. Moreover, in this work proposes a novel population-balance based model for a bubbling fluidized bed reactor. This model considers two continuum phases: bubble and emulsion. The evolution of the bubble size distribution was modeled using a population balance, considering both axial and radial motion. This sub-model involves a new mathematical form for the aggregation frequency, which predicts the migration of bubbles from the reactor wall towards the reactor center. Additionally, the reacting particles were considered as a lagrangian phase, which exchanges mass with the emulsion phases. For each particle, the variation of the pore size distribution was also considered. The model presented here accurately predicted the experimental data for biochar gasification in a lab-scale bubbling fluidized bed reactor. Finally, a new strategy for the scaling of bubbling fluidized bed reactors is presented. This strategy is based on the bubble size distribution, bubble coalescence phenomenon, and the chemical reactivity, allowing to deduct a dimensionless number Φ that must remain constant at different scales to guarantee the fluidization regime. The proposed strategy is validated from computational simulations carried out at different operating conditions. Additionally, limits for the validity of this scaling strategy were determined, which agrees with those reported in the literature. (Tomado de la fuente)