Gas permeation effect on the Two-Section Two-Zone Fluidized Bed Membrane Reactor (TS-TZFBMR) fluid dynamics: A CFD simulation study

Two-Fluid Model simulations were conducted using the commercial software Ansys CFX and Fluent to study the effect of the gas extraction on the fluid dynamic behavior of a membrane-assisted Two-Section Two-Zone Fluidized Bed Membrane Reactor (TS-TZFBMR). Simulated bubble properties and bed dynamics were analyzed and compared among different membrane reactor configurations, including reactor-wall (RWM) and immersed tubular (ITM) membranes, for their future use in catalytic reactions, e.g., alkane dehydrogenation or methane steam reforming. According to the solids hold-up distribution at different fluidization regimes and permeation fluxes, the ITM configuration is the most suitable to enhance the gas-particle contact and to favor the solids axial mixing for in-situ catalyst regeneration purposes. However, the RWM configuration provides a greater permeation area for selective gas removal and is preferred to enhance purification. It was found that relative permeation fluxes above 20% of the total feed gas have a significant impact on the fluid dynamic regime within the TS-TZFBMR, concerning the appearance of local defluidized regions, gas channeling and solids axial mixing

Calibration of Computational Models with Categorical Parameters and Correlated Outputs via Bayesian Smoothing Spline ANOVA

It has become commonplace to use complex computer models to predict outcomes in regions where data does not exist. Typically these models need to be calibrated and validated using some experimental data, which often consists of multiple correlated outcomes. In addition, some of the model parameters may be categorical in nature, such as a pointer variable to alternate models (or submodels) for some of the physics of the system. Here we present a general approach for calibration in such situations where an emulator of the computationally demanding models and a discrepancy term from the model to reality are represented within a Bayesian Smoothing Spline (BSS) ANOVA framework. The BSS-ANOVA framework has several advantages over the traditional Gaussian Process, including ease of handling categorical inputs and correlated outputs, and improved computational efficiency. Finally this framework is then applied to the problem that motivated its design; a calibration of a computational fluid dynamics model of a bubbling fluidized which is used as an absorber in a CO2 capture system

Investigation of drag models for the two fluid simulation of Geldart group A powders

This is the author accepted manuscript. The final version is available from Elsevier via http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2016.07.063Electrical capacitance tomography and magnetic resonance imaging were used to investigate two drag models used when simulating Geldart group A powders with the two fluid model. Experiments were performed using cylindrical fluidised beds 50 mm in diameter with a silica-alumina catalyst support particle of diameter 63 μm. A dense phase, bubbling fluidised bed and a dilute phase, circulating fluidised bed were studied. Simulations were performed using the open source software MFIX. The two drag models considered were the revised Gibilaro model and the Energy Minimisation Multiscale model. Both of these models have previously been shown to be effective at describing the fluidisation of Geldart group A powders. The comparison of the simulations with experimental measurements presented here demonstrates that the revised Gibilaro model can be used to predict the voidage and particle velocity distribution in the dense fluidised bed with a high degree of accuracy, however when used to simulate the circulating fluidised bed it underestimates the solids circulation rate by approximately a factor of 4. The Energy Minimisation Multiscale drag model is able to predict the circulating fluidised bed solids circulation rate to within about 50%, however it does not predict the correct voidage distribution in the dense fluidised bed. These results indicate that neither model is able to predict the fluidisation behaviour across the entire range of fluidisation conditions.Engineering and Physical Science Research Council (Grant ID: EP/K008218/1

Fluidodinámica de un reactor de lecho fluidizado de dos zonas con cambio de sección y su aplicación usando membrana permeoselectiva

El reactor de lecho fluidizado de dos zonas, recientemente patentado por la Universidad de Zaragoza (PCT/ES2009/070241), ha sido propuesto como una solución efectiva al problema de la desactivación catalítica que tiene lugar en procesos gas-sólido catalíticos en los que intervienen hidrocarburos gaseosos. El fundamento del reactor radica en la alimentación fraccionada de gas en el lecho. Por un punto intermedio de este se introduce una corriente de gas reactivo, mientras que por la parte inferior del mismo se alimenta una corriente de gas oxidante. De este modo se inducen dos zonas con atmósferas diferentes en un mismo lecho fluidizado (reductora y oxidante) y la circulación de partículas entre ambas zonas del lecho permite mantener una actividad catalítica constante a lo largo del tiempo. En la zona superior del lecho tiene lugar la reacción catalítica que genera, como subproducto, un depósito carbonoso (coque) sobre la superficie activa del catalizador mientras que en la zona inferior del lecho se produce la combustión de dicho coque obteniéndose partículas de catalizador regeneradas y nuevamente activas para desarrollar la actividad catalítica en la zona superior. A fin de ganar versatilidad y poder mantener el régimen de fluidización (la velocidad del gas) entre ambas zonas del lecho, aún trabajando con caudales muy diferentes de corriente reactiva y de regeneración, el diseño original del RFLDZ se modificó añadiendo un cambio de sección (RLFDZ-CS). Adicionalmente, se propuso la inclusión de membranas en la zona de superior del lecho para retirar selectivamente los productos de reacción (RLFDZ-CS+MB) con el objetivo de desplazar el equilibrio termodinámico en reacciones limitadas por éste. La presente tesis abarca la caracterización fluidodinámica del novedoso RLFDZ-CS+MB así como su demostración experimental en base al proceso productivo de propileno a partir de la deshidrogenación catalítica de propano. Las limitaciones de este proceso (bajas conversiones de equilibrio, elevada endotermicidad y rápida desactivación catalítica) pretenden ser mitigadas con el reactor multifuncional descrito. El estudio fluidodinámico del RLFDZ-CS+MB incluye la medición experimental del movimiento de las partículas catalíticas en el lecho, la caracterización del régimen de burbujeo en función de las condiciones de operación, el desarrollo de modelos matemáticos para predecir el grado de mezcla axial de sólidos y las propiedades de burbuja y la validación de códigos de fluidodinámica computacional, CFD, para simular el comportamiento del lecho. En concreto, se han utilizado técnicas de tratamiento digital de imagen y velocimetría de partículas para caracterizar el movimiento de sólidos y burbujas en el lecho, haciendo uso de trazadores ópticos fosforescentes para realizar el seguimiento del grado de mezcla axial entre las zonas superior e inferior del lecho catalítico. Se han desarrollado correlaciones hidrodinámicas para estimar la variación del tamaño y velocidad de burbujas de gas con la posición vertical en el lecho y se ha implementado el modelo de retromezcla a contracorriente (Counter-current Back-Mixing, CCBM) para predecir la evolución temporal del grado de mezcla axial. Se ha simulado el comportamiento fluidodinámico del RLFDZ-CS+MB mediante los códigos CFD comerciales Ansys CFX y Fluent, validando experimentalmente los resultados obtenidos por dichos modelos. Esencialmente, se ha evaluado el efecto del tipo de partícula, velocidad del gas, ángulo de cambio de sección y posición relativa de la alimentación superior en el comportamiento fluidodinámico del reactor. Adicionalmente se ha estudiado la influencia del cambio de escala, el uso y disposición de membranas en el lecho y la inclusión de obstáculos (internals) en el régimen de burbujeo y mezcla de sólidos. Se han analizado las limitaciones operacionales del sistema relativas la aparición de zonas muertas, by-pass de gas y regímenes de slugging y se ha descrito una ventana de operación para el correcto funcionamiento fluidodinámico del reactor. La demostración experimental del funcionamiento del RLFDZ-CS+MB, en base a la información recogida en la caracterización fluidodinámica, se ha llevado a cabo estudiando la deshidrogenación catalítica de propano en presencia de un catalizador activo y selectivo a la deshidrogenación (Pt-Sn/MgAl2O4) y de membranas densas basadas en paladio para la extracción selectiva de hidrógeno de los gases de reacción. Se ha establecido un rango de temperaturas de operación y fracciones de agente oxidante en la alimentación óptimos para maximizar la producción estacionaria de propileno. La intensificación de procesos llevada a cabo en el RLFDZ-CS+MB multifuncional ha mejorado las tasas de rendimiento a propileno de procesos comerciales, obteniéndose los mejores resultados (SC3H6 = 92%, YC3H6 = 58%) entre los reportados en literatura

Estudio fluidodinámico de la fase gas en un reactor de lecho fluidizado de dos zonas con cambio de sección (RLFDZ-CS): Experimentación, modelado matemático y simulación mediante CFD

El Reactor de Lecho Fluidizado de Dos Zonas con Cambio de Sección (RLFDZ-CS), recientemente patentado por la Universidad de Zaragoza, ha sido propuesto como una solución efectiva para llevar a cabo reacciones catalíticas heterogéneas en las cuáles el catalizador sufre una rápida desactivación por deposición de coque sobre su superficie activa. La integración de reacción catalítica y regeneración del catalizador en un mismo lecho fluidizado es posible debido a la circulación de las partículas de catalizador entre las dos zonas de lecho sometidas a atmósferas reactiva y regenerativa, respectivamente. Dicha circulación de sólido está causada por las burbujas de gas, que generan un transporte axial de partículas en el interior del lecho fluidizado. El estudio de la formación y el crecimiento de burbujas de gas proporciona una valiosa información sobre el comportamiento fluidodinámico de un reactor de lecho fluidizado y determina las condiciones de diseño del mismo. Entre las variables que determinan el tamaño de las burbujas de gas y, por tanto, la circulación de catalizador en el lecho, están la velocidad del gas de fluidización introducido en cada una de las entradas de gas al lecho, la geometría del reactor (el ángulo de cambio de sección entre zonas reactiva y regenerativa) y el tipo de partículas de catalizador a utilizar. El objetivo principal del presente trabajo es llevar a cabo un estudio fluidodinámico de la fase gas en un RLFDZ-CS a fin de establecer unas condiciones de trabajo que garanticen el buen comportamiento de la fluidización en dicho reactor. La metodología utilizada para alcanzar el objetivo final del trabajo se detalla a continuación: a) Puesta a punto del sistema de medida experimental de burbujeo. b) Determinación del perfil axial de tamaños de burbuja experimental mediante análisis digital de imágenes (DIA). c) Post-procesado de imágenes para relacionar la velocidad de las burbujas con su tamaño y posición. d) Modelado matemático de la evolución axial del tamaño y velocidad de burbuja. Comparativa de resultados experimentales con correlaciones clásicas. e) Validación de simulaciones fluidodinámicas llevadas a cabo en un simulador CFD con los resultados experimentales anteriores

Evaluation of bi-velocity methods in two-fluid model for granular flows : application to fluidized beds

Rapid Granular Flows occur in a number of natural and industrial processes therefore the need to accurately describe these flows is apparent. The Euler-Euler based model of Kinetic Theory of Granular Flows is used to model fluidized bed systems within this thesis. Kinetic Theory of Granular Flows is still flawed in its development due to assumptions and simplifications required. This model needs further development to capture other various flow effects. This thesis will further develop the Kinetic Theory of Granular Flows by adding a correction of the Navier-Stokes equations and including nonNewtonian flow characteristics. It has been noted recently that the Navier-Stokes-Fourier equations do not describe compressible flows accurately. This has been attributed to the definition of fluid velocity in the derivation of fluid flow equations. In the incompressible flow regime, the derivation of the fluid flow is based on the velocity of the mass of the fluid. When fluids become compressed the mass flux will not change but the volume flux does change and gives an additional Volume velocity which affects the viscosity of the fluid. Korteweg Stress model provides another route to capture non-Newtonian phenomenon. These corrections to the Navier-Stokes system are extended and investigated into some Rapid Granular-Gas Flow equations in this thesis. The modifications to the Kinetic Theory of Granular Flows of the compressible volume velocity and the Korteweg approach are considered and tested on simple systems of a fluidized cylinder bed and a recirculating fluidized bed. A six-cyclone recirculating fluidized bed is then used as a larger and more complex system. It been found that by combining both modifications the overall results were improved