Numéro Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP Energies nouvelles Volume 61, Numéro 3, Mai-Juin 2006 Dossier: Petroleum Industry Applications of Thermodynamics Page(s) 443 - 458 DOI 10.2516/ogst:2006044a

Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, Vol. 61 (2006), No. 3, pp. 443-458
DOI: 10.2516/ogst:2006044a

Scale Up of Slurry Bubble Reactors

Extrapolation des réacteurs slurry

A. Forret¹, J.M. Schweitzer¹, T. Gauthier¹, R. Krishna² and D. Schweich<sup>3

1</sup>  IFP-Lyon, BP 3, 69390 Vernaison - France, email: ann.forret@ifp.fr, j-marc.schweitzer@ifp.fr, thierry.gauthier@ifp.fr
²  Department of Chemical Engineering, University of Amsterdam, 1018 WV Amsterdam - The Netherlands, email: krishna@science.uva.nl
³  LGPC-CNRS, ESCPE, 43, boulevard du 11 Novembre, BP 2077, 69616 Villeurbanne - France, email: dsw@lobivia.cpe.fr

Abstract
Bubble column reactors are finding increasing use in industrial practice. They are in particular appropriate to carry out highly exothermic reactions, such as methanol synthesis or Fischer-Tropsch synthesis of conversion of synthesis gas to liquid paraffins. Industrial process require important volumes of reactors, the reactor diameter can reach 10 m. To control the reaction temperature, internal heat-exchange tubes (vertical tubes) are inserted inside the reactor. This study deals with the effects of scale and the presence of internals on hydrodynamic characteristics, for scale-up purposes based on experiments in cold mockups. Our study shows that the liquid recirculation intensity depends strongly on the column diameter whereas the gas holdup is slightly affected. Two methods are proposed to predict scale effect on liquid velocity: an empirical correlation proposed in the literature and a phenomenological model. Internals guide liquid: the large scale recirculation increases but fluctuations of liquid velocity decrease. Therefore the mixing of liquid is significantly affected by the presence of internals and is not well described by the standard mono dimensional axial dispersion model. A two-dimensional model, taking into account a radially dependent axial velocity profile and both axial and radial dispersion, is therefore developed to describe the liquid mixing in a bubble column with internals.

Résumé
Les réacteurs à colonne à bulles trouvent de plus en plus d'applications dans l'industrie. Ils sont particulièrement appropriés pour mettre en oeuvre des réactions très exothermiques, telles que la synthèse du méthanol ou la synthèse Fischer-Tropsch de conversion du gaz de synthèse en paraffines liquides. Les procédés industriels requièrent des réacteurs de gros volumes, dont le diamètre peut atteindre 10 m, équipés d'échangeur de chaleur interne (tubes verticaux) afin de contrôler la température de réaction. La présente étude a pour objet la compréhension des effets de taille et de la présence des internes sur les caractéristiques hydrodynamiques pour contribuer à l'élaboration des règles d'extrapolation aux conditions industrielles des réacteurs slurry à partir d'expériences menées en maquettes froides. Notre étude montre que l'intensité de la recirculation liquide augmente fortement avec le diamètre de la colonne alors que le taux de vide n'est que peu affecté Deux méthodes sont proposées pour prédire l'effet de taille sur la vitesse liquide : une corrélation empirique tirée de la littérature ainsi qu'un modéle phénoménologique. Les tubes verticaux (simulant des échangeurs de chaleur) guident axialement la circulation liquide, favorisant le transport convectif et diminuant les fluctuations de vitesse. Le mélange du liquide est alors significativement affecté par la présence des internes. Il ne peut plus être décrit correctement par le modèle standard mono dimensionnel de dispersion axial. Un modèle bidimensionnel, prenant en compte le profil radial de la vitesse liquide ainsi que la dispersion axiale et radiale est donc développé pour représenter le mélange du liquide dans une colonne à bulles avec internes.

© IFP 2006

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