A Scale-Up Strategy for a Commercial Scale Bubble Column Slurry Reactor for Fischer-Tropsch Synthesis

Abstract

Résumé -Stratégie d'extrapolation vers un réacteur industriel de synthèse Fischer-Tropsch en colonne à bulles avec catalyseur en suspension -Les réacteurs à colonne à bulles trouvent de plus en plus d'applications dans l'industrie. Cette technologie est très en vue dans les procédés de transformation du gaz naturel en carburants liquides et en oléfines légères par le procédé de Fischer-Tropsch. On rencontre des problèmes considérables pour l'étude et l'extrapolation de ce type de réacteur. D'abord, il faut une grande capacité de traitement du gaz, ce qui nécessite l'emploi de réacteurs d'un grand diamètre, généralement de 5-8 m, souvent en parallèle. En deuxième lieu, le procédé fonctionne à haute pression, généralement 40 bar. Ensuite, pour obtenir un haut rendement, il est nécessaire d'avoir une grande hauteur de réacteur, généralement de 30-40 m, et d'utiliser des suspensions très concentrées, à presque 40 % en volume. Enfin, la nature exothermique du procédé exige d'insérer des tubes de refroidissement dans le réacteur pour évacuer la chaleur dégagée. La commercialisation de cette technologie dépend absolument d'une réelle compréhension des principes d'extrapolation des colonnes à bulles dans les conditions mentionnées ci-dessus, principes qui vont au-delà de la plupart des théories et des corrélations publiées. Pour développer de véritables règles d'extrapolation de ces réacteurs avec catalyseur en suspension, nous avons réalisé un programme complet d'étude hydrodynamique (taux de rétention du gaz, distribution radiale des vitesses de liquide, mélange en retour des liquides) dans des colonnes ayant un diamètre de 0,05; 0,1; 0,15; 0,174; 0,19; 0,38 et 0,63 m. Pour la phase liquide, on a utilisé divers liquides (eau, tétra-décane, paraffine, huile de Tellus). On a ajouté dans les paraffines des particules de silice à des concentrations allant jusqu'à environ 40 % en volume afin d'étudier l'hydrodynamique de la suspension. Une colonne de 0,15 m de diamètre a été mise sous des pressions de 0,1 à 1,3 MPa avec un système air/eau, et l'on a mesuré le taux de rétention du gaz et le transfert de masse gaz/liquide. De plus, une étude d'images vidéo a été réalisée sur une colonne rectangulaire à deux dimensions, pour étudier les caractéristiques de montée des bulles simples, les interactions entre les bulles, et les phénomènes de rupture et de coalescence. Nos expériences montrent que le diamètre de la colonne, les pressions élevées et la concentration de la suspension exercent une influence importante sur l'hydrodynamique. Ces effets ne sont pas convenablement décrits dans les corrélations déjà publiées dans la littérature. L'extrapolation des données obtenues dans des unités de laboratoire à froid vers des réacteurs à une échelle industrielle demande une approche systématique basée sur la compréhension des principes d'extrapolation de la dynamique des bulles et du comportement des dispersions à deux phases dans les colonnes à grande échelle. Nous développons ici, pour l'extrapolation du réacteur à colonne à bulles...

Hydro-power plant equipped with Pelton turbines: basic experiments relating to the influence of backpressure on the design

“…Krishna [2] gave a summary of flow processes studied in bubble-column reactors. Air bubble swarms were made to rise vertically through the water fill at different pressure stages.…”

“…Recent developments have shown that multiple-jet Pelton turbines working under backpressure conditions in hydro-electric power plants may be an adequate choice in the case of (1) major tailwater-level oscillations, (2) full turbine operation between 0 and 100% being required without any major efficiency loss, and (3) the need to reduce the difference in turbine and pump levels to minimise construction cost. Figure 1 is a section through the typical arrangement of a vertical-shaft backpressure Pelton turbine.…”

New Approaches for Theoretical Estimation of Mass Transfer Parameters in Both Gas-Liquid and Slurry Bubble Columns

“…In the homogeneous flow regime there is a narrow bubble size distribution and the researchers use frequently the Sauter−mean bubble diameter d s for their mass transfer calculations. The bubbles rise uniformly in nearly straight lines and have roughly uniform bubble size (Krishna, 2000;Lucas et al, 2005). Therefore, it is a reasonable simplification in the homogeneous flow regime to use the mean bubble diameter and disregard the bubble size distribution.…”

“…The dimensionless gas density ratio is probably needed because the correlation of Wilkinson et al (1994) was derived for pressures up to 1.5 MPa only, whereas the present data extend up to the pressure of 4 MPa. It is worth noting that Krishna (2000) also used such a dimensionless gas density ratio for correcting his correlations for large bubble rise velocity and dense−phase gas holdup. Figure 1 illustrates the decrease of the product f c (ρ G /1.2) -0.07 with increasing Eo.…”

Gas holdup in a gas-liquid-fiber semi-batch bubble column

“…In section 4.1, it was explained that gas channeling in the lower column region resulted in a negligible decrease in gas holdup when additional fiber is added to the column because the fiber dispersion is not uniform. Krishna (2000) argued that the slurry dispersion coefficient is proportional to the liquid circulation velocity and bubble column diameter. At the fiber mass fraction where channeling is observed, more fibers disperse in the larger diameter bubble column leading to a more uniform fiber dispersion.…”