Scaling of bubbling fluidized bed reactors
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 únic...
- Autores:
-
Macías Naranjo, Robert José
- Tipo de recurso:
- Doctoral thesis
- Fecha de publicación:
- 2020
- Institución:
- Universidad Nacional de Colombia
- Repositorio:
- Universidad Nacional de Colombia
- Idioma:
- eng
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.unal.edu.co:unal/79468
- Palabra clave:
- 330 - Economía::333 - Economía de la tierra y de la energía
Fluidización
Carbón - Clasificación
Escalado
Modelamiento matemático
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Lecho fluidizado
Gasificación
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Escalado de reactores de gasificación de lecho fluidizado |
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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) |
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Meerman JC, Knoope M, Ramírez A, Turkenburg WC, Faaij APC. The Techno-Economic Potential of Integrated Gasification Co-Generation Facilities with CCS Going from Coal to Biomass. Energy Procedia. 2013;37:6053-6061. Higman C, van der Burgt M. Gasification.; 2003. Basu P. Biomas Gasification and Pyrolysis: Practical Design. Elsevier, ed. Published online 2010. Basu P. Front Matter. In: Basu P, ed. Biomass Gasification Design Handbook. Vol 45. Elsevier; 2010:i-i. Rüdisüli M, Schildhauer TJ, Biollaz SM a., van Ommen JR. Scale-up of bubbling fluidized bed reactors — A review. Powder Technology. 2012;217:21-38. Ellis N, Briens LA, Grace JR, Bi HT, Lim CJ. Characterization of dynamic behaviour in gas-solid turbulent fluidized bed using chaos and wavelet analyses. Chemical Engineering Journal. 2003;96(1-3):105-116. Grace JR, Shemilt LW, Bergougnou MA, Engineering Foundation (U.S.). Fluidization VI : Proceedings of the International Conference on Fluidization. Engineering Foundation; 1989. Hernández-Jiménez F, Gómez-García A, Santana D, Acosta-Iborra A. Gas interchange between bubble and emulsion phases in a 2D fluidized bed as revealed by two-fluid model simulations. Chemical Engineering Journal. 2013;215-216(January):479-490. Hernández-Jiménez F, Gómez-García A, Santana D, Acosta-Iborra A. Gas interchange between bubble and emulsion phases in a 2D fluidized bed as revealed by two-fluid model simulations. Chemical Engineering Journal. 2013;215-216(January):479-490. Chejne F, Hernandez JP. Modelling and simulation of coal gasification process in fluidised bed. Fuel. 2002;81(13):1687-1702. Medrano JA, Gallucci F, Boccia F, Alfano N, van Sint Annaland M. Determination of the bubble-to-emulsion phase mass transfer coefficient in gas-solid fluidized beds using a non-invasive infra-red technique. Chemical Engineering Journal. 2017;325:404-414. Cui H, Mostoufi N, Chaouki J. Characterization of dynamic gas-solid distribution in fluidized beds. Chemical Engineering Journal. 2000;79(2):133-143. Vale HM, McKenna TF. Modeling particle size distribution in emulsion polymerization reactors. Progress in Polymer Science. 2005;30(10):1019-1048. Jain AA, Mehra A, Ranade V V. Modeling and simulation of a fluidized bed gasifier. Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering. 2018;13(1):1-17. Abba IA, Grace JR, Bi HT, Thompson ML. Spanning the flow regimes: Generic fluidized-bed reactor model. AIChE Journal. 2003;49(7):1838-1848. Zheng H, Vance Morey R. An unsteady-state two-phase kinetic model for corn stover fluidized bed steam gasification process. Fuel Processing Technology. 2014;124:11-20. Hashimoto K, Silveston PL. Gasification: Part I. Isothermal, kinetic control model for a solid with a pore size distribution. AIChE Journal. 1973;19(2):259-268. huai W, Guodong L, Huilin L, Juhui C, Yurong H, Jiaxing W. Fluid dynamic simulation in a chemical looping combustion with two interconnected fluidized beds. Fuel Processing Technology. 2011;92(3):385-393. Verkoeijen D, Pouw GA, Meesters GMH, Scarlett B. Population balances for particulate processes—a volume approach. Chemical Engineering Science. 2002;57(12):2287-2303. Sotirchos S V, Yu H-C. Mathematical modelling of gas-solid reactions with solid product. Chemical Engineering Science. 1985;40(11):2039-2052. Sweet IR, Gustafson SS, Ramkrishna D. Population balance modelling of bubbling fluidized bed reactors—I. well-stirred dense phase. Chemical Engineering Science. 1987;42(2):341-351. Danish M, Ahmad T. A review on utilization of wood biomass as a sustainable precursor for activated carbon production and application. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018;87:1-21. Navarro M, A. Seaton N, M. Mastral A, Murillo R. Assessment of the development of the pore size distribution during carbon activation: A population balance approach. Studies in Surface Science and Catalysis - STUD SURF SCI CATAL. 2007;160:551-558. Gao X, Diniz da Costa JC, Bhatia SK. Understanding the diffusional tortuosity of porous materials: An effective medium theory perspective. Chemical Engineering Science. 2014;110:55-71. Golfier F, Van de steene L, Salvador S, Mermoud F, Oltean C, Bues MA. Impact of peripheral fragmentation on the steam gasification of an isolated wood charcoal particle in a diffusion-controlled regime. Fuel. 2009;88(8):1498-1503 Fong GH, Jorgensen S, Singer SL. Pore-resolving simulation of char particle gasification using micro-CT. Fuel. 2018;224:752-763. Rodríguez-Reinoso F, Molina-Sabio M, González MT. The use of steam and CO2 as activating agents in the preparation of activated carbons. Carbon. 1995;33(1):15-23. |
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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)Convocatoria 785 de Colciencias “Convocatoria de Doctorados Nacionales 2017”.DoctoradoSistemas energéticos121 páginasapplication/pdfengUniversidad Nacional de ColombiaMedellín - Minas - Doctorado en Ingeniería - Sistemas EnergéticosDepartamento de Procesos y EnergíaFacultad de MinasMedellínUniversidad Nacional de Colombia - Sede Medellín330 - Economía::333 - Economía de la tierra y de la energíaFluidizaciónCarbón - ClasificaciónEscaladoModelamiento matemáticoBalances de poblaciónLecho fluidizadoGasificaciónFluidized bed reactorpopulation balancemathematical modelingaggregation frequencyScaling of bubbling fluidized bed reactorsEscalado de reactores de gasificación de lecho fluidizadoTrabajo de grado - Doctoradoinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06Texthttp://purl.org/redcol/resource_type/TDMeerman JC, Knoope M, Ramírez A, Turkenburg WC, Faaij APC. The Techno-Economic Potential of Integrated Gasification Co-Generation Facilities with CCS Going from Coal to Biomass. Energy Procedia. 2013;37:6053-6061.Higman C, van der Burgt M. Gasification.; 2003.Basu P. Biomas Gasification and Pyrolysis: Practical Design. Elsevier, ed. Published online 2010.Basu P. Front Matter. In: Basu P, ed. Biomass Gasification Design Handbook. Vol 45. Elsevier; 2010:i-i.Rüdisüli M, Schildhauer TJ, Biollaz SM a., van Ommen JR. Scale-up of bubbling fluidized bed reactors — A review. Powder Technology. 2012;217:21-38.Ellis N, Briens LA, Grace JR, Bi HT, Lim CJ. Characterization of dynamic behaviour in gas-solid turbulent fluidized bed using chaos and wavelet analyses. Chemical Engineering Journal. 2003;96(1-3):105-116.Grace JR, Shemilt LW, Bergougnou MA, Engineering Foundation (U.S.). Fluidization VI : Proceedings of the International Conference on Fluidization. Engineering Foundation; 1989.Hernández-Jiménez F, Gómez-García A, Santana D, Acosta-Iborra A. Gas interchange between bubble and emulsion phases in a 2D fluidized bed as revealed by two-fluid model simulations. Chemical Engineering Journal. 2013;215-216(January):479-490.Hernández-Jiménez F, Gómez-García A, Santana D, Acosta-Iborra A. Gas interchange between bubble and emulsion phases in a 2D fluidized bed as revealed by two-fluid model simulations. Chemical Engineering Journal. 2013;215-216(January):479-490.Chejne F, Hernandez JP. Modelling and simulation of coal gasification process in fluidised bed. Fuel. 2002;81(13):1687-1702.Medrano JA, Gallucci F, Boccia F, Alfano N, van Sint Annaland M. Determination of the bubble-to-emulsion phase mass transfer coefficient in gas-solid fluidized beds using a non-invasive infra-red technique. Chemical Engineering Journal. 2017;325:404-414.Cui H, Mostoufi N, Chaouki J. Characterization of dynamic gas-solid distribution in fluidized beds. Chemical Engineering Journal. 2000;79(2):133-143.Vale HM, McKenna TF. 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Population balances for particulate processes—a volume approach. Chemical Engineering Science. 2002;57(12):2287-2303.Sotirchos S V, Yu H-C. Mathematical modelling of gas-solid reactions with solid product. Chemical Engineering Science. 1985;40(11):2039-2052.Sweet IR, Gustafson SS, Ramkrishna D. Population balance modelling of bubbling fluidized bed reactors—I. well-stirred dense phase. Chemical Engineering Science. 1987;42(2):341-351.Danish M, Ahmad T. A review on utilization of wood biomass as a sustainable precursor for activated carbon production and application. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018;87:1-21.Navarro M, A. Seaton N, M. Mastral A, Murillo R. Assessment of the development of the pore size distribution during carbon activation: A population balance approach. Studies in Surface Science and Catalysis - STUD SURF SCI CATAL. 2007;160:551-558.Gao X, Diniz da Costa JC, Bhatia SK. 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