Stability of a Feed-Effluent Heat Exchanger/Reactor system for catalytic combustion of VOCs: Influence of variable emission patterns

In this contribution, a theoretical study of the dynamic behaviour (open- and closed-loop) of a Feed-Effluent Heat Exchanger (FEHE) / Reactor system for the catalytic combustion of Volatile Organic Compounds (VOCs) is carried out. An additional supply of energy is provided by means of a furnace to achieve the desired reactor inlet temperature. The positive feedback of energy to the reactor inlet is a source of instability that leads to pronounced limit cycles in the main state variables. The strong thermal oscillations predicted can damage the catalyst and cause considerable stress on both the reactor and heat exchanger materials. To prevent this scenario, a control structure that considers the manipulation of a bypass flow of the feed stream around the FEHE is selected. A single-loop feedback control system is successfully applied to maintain the inlet temperature set-point, rejecting the VOC's concentration disturbances and enabling a stable operation. The results demonstrate that the controllability of the process is ensured with high external heat supplies (low heat recovery in the FEHE) which increases the fuel demand and the operating costs. Additionally, a high FEHE transfer area enables efficient heat recovery and avoids the controllability loss due to a suitable by-pass valve regulation.Fil: Miranda, Angel Federico. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Rodriguez, Maria Laura. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Luis. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química. Universidad Nacional de San Luis. Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química; ArgentinaFil: Cadus, Luis Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Luis. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química. Universidad Nacional de San Luis. Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química; ArgentinaFil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química (I). Grupo Vinculado al Plapiqui - Investigación y Desarrollo en Tecnología Química; Argentin

Diseño de reactores para la producción y purificación de hidrógeno a partir de hidrocarburos y alcoholes

En los últimos años, existe una demanda creciente de H2 impulsada por legislaciones más restrictivas en cuanto a contaminantes en combustibles (e.g., Ultra-Low Sulfur Diesel, ULSD) y a la generación de combustibles sintéticos a partir de gas natural (Gas to Liquids, GTL), biomasa (BTL) y carbón (CTL). Por su parte, el incremento esperado en la generación de potencia mediante celdas de combustible abre nuevas posibilidades para la generación distribuida de H2 en plantas de pequeña o mediana escala, tanto para aplicaciones estacionarias como móviles (automóviles eléctricos). A pesar de que habitualmente se refiere al H2 como un combustible renovable, más del 90 % del H2 producido en el mundo proviene del reformado de gas natural con vapor (NGSR), proceso altamente afianzado en la industria. A menores escalas, como en aplicaciones para celdas de combustible PEM, se ha preferido al metanol como materia prima para el reformado, entre otras razones porque reacciona a temperaturas sensiblemente menores (200-300 ºC)4 , lo que simplifica la integración energética del proceso. Sin embargo, el metanol también es un combustible de origen fósil, sintetizado industrialmente a partir de gas de síntesis obtenido por reformado de gas natural. En la última década se ha prestado una atención creciente a la investigación de procesos catalíticos para la producción de H2 o gas de síntesis a partir del reformado con vapor de etanol (ESR) 5-7. El bioetanol es un combustible renovable, de baja toxicidad y alta densidad energética, que se produce industrialmente en gran escala por fermentación de azúcar de caña, maíz o cereales.Fil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Simulation of an Industrial Packed Column for Reactive Absorption of CO2

The steady-state simulation of a reactive absorption column is presented. The absorber is used in a large-scale ammonia plant to remove CO2 from the process gas stream. To enhance the absorption process, high pressures and low temperatures are commonly used (T = 45-80 °C, P = 30-40 bar). At the outlet of the absorber, the CO2 content in the process gas must be reduced to less than 500 ppm (dry basis) to avoid an excessive temperature rise in the methanation reactor (downstream of the absorption section). To represent the gas-liquid system, a rigorous mathematical model based on the two-film theory is considered. The heat effects are taken into account. The behaviour of different process variables for a reference operating condition is analyzed. The influence of changes in some operating variables is evaluated.Fil: Gómez, C.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Schbib, Noemi Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Kinetic analysis of enzymatic esterification of fatty acids and ethanol

The esterification of oleic acid and ethanol with immobilised lipase in a solvent-free media is presented in this work. The reaction has been carried out at a laboratory scale in a stirred tank reactor operating batchwise. The evolution of oleic acid conversion to ester was determined by using two analysis techniques: measurement of the acid index and gas chromatography. The influence of the operating conditions on the equilibrium conversion and conversion-time profiles was analysed. The amount of enzyme, temperature, initial alcohol/oleic acid molar ratio and initial water content were considered. A kinetic model has been developed for the enzymatic esterification of oleic acid and ethanol catalysed by Candida Antartica immobilised lipase. Some kinetic models were considered and a second order reaction kinetic was selected. The parameter adjustment was carried out by using a computer program based on Marquardt algorithms. The results from the simulated experiments by using the proposed model showed a satisfactory agreement with the experimental data.Fil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Trubiano, G.C.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Perez, Guillermo Agustin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Errazu, Alberto Felipe. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Influence of the operating conditions and the external mass transfer limitations on the synthesis of fatty acid esters using a Candida antarctica lipase

The enzymatic esterification of fatty acids (mainly oleic acid) and ethanol is studied in this work. The reactions are catalyzed by commercial immobilized lipases from Candida antarctica (Novozyme 435) and are carried out in a batch reactor at solvent free conditions. The influence of several important reactions conditions as temperature, initial molar ratio, initial water percentage, and enzyme percentage on the equilibrium conversion and the initial reaction rates is carefully analyzed. A non-linear relationship is established between the initial reaction rates and the enzyme percentage. An optimum value of the initial molar ratio is detected for each enzyme percentage and the effect of inhibition by alcohol is confirmed. Under the studied conditions, it is demonstrated that the influence of the external mass transfer resistance on the reaction rate is not significant. Therefore, the experimental data are appropriated for kinetic modeling purposes.Fil: Trubiano, G.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Errazu, Alberto Felipe. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Ethyl Oleate Synthesis Using Candida rugosa Lipase in a Solvent-Free System. Role of Hydrophobic Interactions

The solvent-free esterification reaction of a commercial oleic acid and ethanol was selected as the test reaction for Candida rugosa lipase immobilized on polypropylene (PP) at 318 K (initial molar ratio 1:1). Adding of water from 0 to 30 wt. % (in gram per gram of fatty acid × 100) and the pretreatment of Candida rugosa lipase with polyethylenglycol (PEG), octane, and acetone increases the conversion to ethyl esters. The role of hydrophobic interactions of the lipase with PP and PEG was studied using molecular mechanics (MM2) for calculation of steric energies and the parametrized model (PM3) for calculation of enthalpy changes upon interaction. The nonpolar lateral groups of amino acids interact strongly with PP, whereas polar groups interact more strongly with PEG. Both interactions stabilize the open, active conformation of the lipase from Candida rugosa. Activities ranged from 5 × 10-5 to 2.0 × 10-4 mol ethyl oleate/h/mg enzyme, depending on reaction conditions. Steric energy changes vary between +30 and -10 kcal/mol, whereas the enthalpy changes ranged from +10 to -10 kcal/mol.Fil: Trubiano, G.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Ferreira, María Luján. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Oxygen feeding strategies for methane ATR

The performance of different reactor designs for methane autothermal reforming (ATR) with diverse options of O2 feeding is comparatively explored. The designs under consideration include a single bed reactor with O2 feed at the inlet, multibed reactors in series with inter-bed oxygen injection, and a multitubular membrane reactor with O2 feeding through the porous wall. The distribution of O2 leads to low O2 concentrations in the reaction mixture and less severe thermal conditions. The evolution of methane reforming and combustion reactions proceeds in parallel due to a suitable degree of reduction of the Ni catalyst. Particularly, the membrane reactor can produce H2 in a more distributed way along the reactor. The leakage of O2 at the membrane reactor outlet can be prevented with a final section of a non-porous wall. The modified membrane reactor demonstrates flexibility to carry out the methane ATR with lower temperatures without deterioration of H2 yield.Fil: Rodríguez, M. L.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Luis. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química. Universidad Nacional de San Luis. Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química; ArgentinaFil: Pedernera, Marisa Noemi. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Two dimensional modeling of a membrane reactor for ATR of methane

A theoretical study of a multitubular membrane reactor for the autothermal reforming of methane over a Ni/Al2O3 catalyst is presented. A 2-D model is selected to account for the strong composition and temperature gradients along the axial and radial coordinates. The effect of the degree of reduction of the Ni catalyst on the reforming reaction rates is taken into account in the model. The influence of the main operating conditions on the reactor behavior is studied. The results suggest that the membrane reactor is a promising alternative to carry out ATR of methane at milder conditions than those commonly found in a conventional reactor. The axial distribution of the O2 fed to the reactor is a powerful tool to influence the axial temperature profiles. Nevertheless, a careful design is necessary to avoid risky conditions such as oxygen accumulation in the tubes.Fil: Rodriguez, Maria Laura. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Luis. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química. Universidad Nacional de San Luis. Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química; ArgentinaFil: Pedernera, Marisa Noemi. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Effect of heat losses on monolithic reactors for VOC abatement

In this contribution a theoretical study of the thermal effects due to heat losses on monolithic reactors for the catalytic combustion of VOC is carried out. To describe the performance of the reactor under steady-state non-isothermal non-adiabatic conditions a heterogeneous 1D Multiple Channel Model is considered, where the monolith is represented by several zones in the form of square concentric rings, each one represented by a square section single channel. Internal and external mass transfer diffusional limitations are taken into account as well as external heat transfer resistance. Heat transfer by conduction through the solid (cordierite) is considered along the cross-section coordinate of the monolith, i.e., from the central zones to peripheral zones at lower temperatures. Although an efficient thermal insulation is selected, the channels of the periphery can operate several degrees colder that the channels of the central zones, these lower temperatures are associated to non-complete VOC conversions, which are emitted into the atmosphere. Studies of parametric sensitivity with respect of inlet temperature reveals that heat losses become more relevant when the reactor is operating near the Emission Limit Value. In relation to design considerations, as the reactor scale decreases and the external area/volume ratio increases, the effect of heat losses on VOC emissions is magnified. The inlet temperature set point should be high enough to prevent high VOC emissions due to lower inlet VOC concentration in a heat loss scenario. This results in higher energetic requirements to ensure VOC complete conversion. To face the reactor performance issues related with heat losses to the environment, optimized designs were proposed aiming to increase the residence times in peripheral zones, which effectively enhance the reactor performance.Fil: Rodriguez, Maria Laura. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Luis. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química. Universidad Nacional de San Luis. Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química; ArgentinaFil: Cadus, Luis Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Luis. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química. Universidad Nacional de San Luis. Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química; ArgentinaFil: Borio, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin