Single Pellet String Reactor for Intensification of Catalyst Testing in Gas/Liquid/Solid Configuration

Abstract

Résumé -Réacteur catalytique de type "filaire" pour l'intensification de tests catalytiques en configuration gaz/liquide/solide -L'optimisation du catalyseur est une étape clé pour l'optimisation d'un procédé catalytique du point de vue des rendements, de l'efficacité énergétique et de la sélectivité des réactions. La stratégie de développement d'un catalyseur comprend des tests effectués sur des réacteurs pilotes avec des charges réelles ou modèles. Cette étape a fait l'objet de nombreuses études ces dernières décennies portant sur le dimensionnement des réacteurs, l'amélioration des outils d'analyses et les procédures opératoires. La plupart des études ont pour but de déterminer l'activité catalytique de catalyseur sous forme de grain dans des conditions isothermes de façon à pouvoir déterminer les paramètres cinétiques de la réaction. Avec l'optimisation des catalyseurs, les flux de transfert de matières externes aux grains peuvent devenir l'étape limitante, dans les réacteurs de laboratoire standard, par rapport aux flux de réaction. Ce problème est particulièrement critique pour les réactions rapides et très exothermiques. Une nouvelle géométrie de réacteur est proposée pour intensifier les transferts de matières autour des grains de catalyseur et accélérer les vitesses superficielles des fluides : le "réacteur filaire". Pour caractériser cette nouvelle géométrie de réacteur, une étude hydrodynamique a été menée avec un réacteur filaire horizontal de section carrée de 4,0 × 4,0 mm 2 rempli de particules sphériques de diamètre compris entre 2 et 4 mm et simulant des grains de catalyseur. Les régimes d'écoulement ont été étudiés à partir d'analyses d'images, des mesures de perte de pression et de distribution de temps de séjour qui ont été effectuées en écoulement monophasique liquide et diphasique gaz/liquide. Deux principaux régimes d'écoulements ont été observés: un régime de "bulles isolées" et un régime de type "stratifié". Les rétentions liquides sont toujours supérieures à 60 %, ce qui indique en complément d'observations visuelles que le catalyseur est toujours correctement irrigué par l'écoulement liquide. En écoulement diphasique gaz/liquide, l'écoulement est de type piston puisque les nombres de Peclet sont toujours supérieurs à 40. La perte de pression est principalement contrôlée par les forces de frottement liquide/solide et les valeurs de perte de pression restent très faibles en conditions de tests catalytiques (< 0,1 bar). Les caractéristiques hydrodynamiques indiquent donc que ce réacteur est approprié pour des tests catalytiques. Enfin, ce type de réacteur a été mis en oeuvre en conditions de réactions catalytiques pour effectuer des tests d'un catalyseur commercial pour une réaction d'hydrogénation de l'allène. Le réacteur a permis d'effectuer des tests en conditions isothermes avec une très faible quantité de catalyseur (inférieure à 2 cc) et d'accéder aux performances catalytiques pour des temps de contact très courts impossible à atteindre avec des réacteurs à lits fixes conventionnels ...

Advantage of the single pellet string reactor for testing real-size industrial pellets of potassium-doped CoMnAl catalyst for the decomposition of N2O

“…In this geometry, the reactor diameter is close to the particle one (tube diameter/particle diameter \1.2) and the ratio between a reactor length and its diameter is very large [13]. Channeling and wall effects often occurred in fix bed reactors but were not observed in the SPSR configuration [12]. The small diameter of SPSR allows obtaining high flow superficial velocities, close to the industrial ones.…”

“…This is problematic for quick reactions, where the reaction rate is faster than the mass transfer flux that arrives from the bulk liquid or gas to the catalytic sites in the particle [9]. An elegant way to circumvent these difficulties was suggested by Scott et al [13] and later by Hippolito group [9,12,13]: large spherical porous pellets are in reactor tube stacked in a column on each other. Such a configuration was called single-pellet-string reactor (SPSR) [13].…”

“…Despite the obvious benefits of SPSR, these laboratory reactors are not commonly used for laboratory catalysts testing and only a few works describing their use were published, e.g. for the fast hydrogenation of allene [12], hydrogenation of cinnamaldehyde [14], hydrogenation of alphamethylstyrene [15] and hydrodesulfurized heavy gas oil fractions [10,11].…”

Hydrodynamics and Mass Transfer in a Pellet String Reactor for Gas‐Liquid‐Solid Reactions

“…Zum Einfluss der Betriebsbedingungen auf die erzielbare Stoffumwandlung, d. h. die Reaktorleistung, werden in der Fachliteratur widersprüchliche Abhängigkeiten berichtet. So wurde durch einen erhöhten Druck im Reaktor eine Erhöhung des Umsatzes [9], ein konstanter Umsatz [10] sowie ein steigender und fallender Umsatz bewirkt [20]. Jedoch beobachteten Tadepalli et al [20] einen gegenläufigen Trend.…”

“…Verweilzeit im ReaktorDie Verweilzeit der flüssigen Phase im Reaktor bestimmt die Kontaktzeit mit dem heterogenen Katalysator und damit die erzielbaren Umsätze am Reaktorausgang. Für Festbettreaktoren korreliert der Stoffübergangskoeffizient mit der Strömungsgeschwindigkeit zur Potenz 2/3[10]. Im Filmströmungsregime strömt die Flüssigkeit größtenteils schwerkraftgetrieben und verhältnismäßig langsam über die Katalysatorpartikel.…”