Influence of the wall on the dynamic behavior of homogeneous tubular reactors with a highly exothermic reaction

The influence of the tube wall on the behavior of tubular reactors with a highly exothermic reaction was studied. The effect of heat accumulation in the wall has a considerable influence upon the transient behavior of the reactor. Because of this influence excess temperatures can occur if the feed temperature is lowered or the flow velocity is raised. For a gas phase reaction the transient behavior is determined almost completely by the heat capacity of the wall. An example of multiple steady states caused by axial heat conduction in the wall is given, and the influence of heat conduction in the wall is compared with that in the reaction mixture

Practical problems in the modeling of chemical reactions in fixed bed reactors

Establishing a reaction rate model consists of the following steps: experimental design, evaluation of experimental results, choice of main components and main reaction steps, choice of a mathematical model for the test reactor and the rate equations and parameter identification. It will be shown that each of the above steps requires a number of decisions and assumptions which limit the general validity and extrapo!ability of the resulting model. In particular there is a strong interrelation of the rate equation and the underlying model of the reactor in which the kinetic experiments are performed. The restricted extrapolability requires discrimination between two different ways of using mathematical models. For design purposes, models are required which have the character of interpolations between experiments rather than that of extrapolations. In the second category models are used for speculative extrapolations to gain a better qualitative understanding of the complex interactions of transport and reaction. This in tum provides a base for decisions among rival options in chemical reaction engineering research and development.Die Ermittlung eines Reaktionsgeschwindigkeitsmodells erfordert folgende Schritte: Planung und Auswertung von Versuchen, Auswahl von Schlüsselkomponenten und Hauptreaktionsschritten, Wahl eines mathematischen Modells für den Versuchsreaktor sowie eines Ansatzes für die Reaktionsgeschwindigkeiten und schliesslich Bestimmung der offenen Parameter durch Anpassungsrechnungen. Es soll gezeigt werden, dass jeder der genannten Schritte Annahmen und Entscheidungen zwischen möglichen Optionen erfordert, die die Allgemeingültigkeit und die Extrapolierbarkeit des erhaltenen Modells einschränken. Insbesondere gibt es starke Wechselwirkungen zwischen den resultierenden Reaktionsgeschwindigkeitsausdrücken und dem Reaktormodell, mit dem die Versuche ausgewertet werden. Die eingeschränkte Extrapolierbarkeit führt dazu, dass man zwischen zwei verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten mathematischer Modelle unterscheiden sollte. Fur Auslegungszwecke werden Modelle benötigt, die mehr der Interpolation zwischen verschiedenen Versuchen dienen als der Extrapolation aus dem Versuchsrahmen heraus. Der zweite Anwendungsbereich umfasst die spekulative Vorausberechnung, durch die ein besseres qualitatives Verständnis für die komplexen Wechselwirkungen zwischen Transportvorgängen und chemischer Reaktion erreicht werden kann. Solange andere Kriterien fehlen, bieten solche Abschätzungsrechnungen eine rationale Grundlage für Entscheidungen zwischen unterschiedlichen reaktionstechnischen Alternativen in Forschung und Entwicklung

Mechanismen und Auswirkungen kinetischer Instabilitäten bei heterogen-katalytischen Reaktionen

Die gewonnenen Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß kinetische Instabilitäten bei heterogen-katalytischen Reaktionen mit formalkinetischen Ansätzen vom Langmuir-Typ sinnvoll beschrieben werden können. Die gelegentlich geäußerte Hoffnung, daß aus einer solchen modellmäßigen Beschreibung der Reaktion im Instabilitätsbereich Schlüsse auf die tatsächlich wirksamen Mechanismen (Mikrokinetik) der Reaktion gezogen werden können, wird allerdings selten erfüllt sein. Wie bei der Aufstellung von Langmuir-Hinshelwood-Ansätzen für eine Oberflächenreaktion ergibt sich auch hier eine beinahe unbeschränkte Mannigfaltigkeit bei der Postulation möglicher Mechanismen. Hier wie dort wird es das Ziel der reaktionstechnischen Betrachtung sein, einen möglichst einfachen Mechanismus mit einem möglichst großen Gültigkeitsbereich zu finden. Für den Fall der CO-Oxydation an Platin sollte diese Arbeit einige Hinweise dazu liefern

A reevaluation of fluid flow, heat transfer and chemical reaction in catalyst filled tubes

The problem of heat transfer through the wall in catalyst filled tubes with a tube to particle diameter ratio greater than 4 - 5 and industrial flow rates with and without chemical reaction has been reevaluated through detailed experiments and model calculations. The results confirm and extend findings of Vortmeyer et al. that reaction and heat transfer can only be modeled with independently determined parameters if the radial variation of the axial mass flow velocity is properly considered. In this case the wall heat transfer coefficient hw, and the effective conductivity λr are independent of lenght and have values about 20 to 40 % lower than those obtained from available correlations that are based upon plug flow

Problems of mathematical modelling of industrial fixed-bed reactors

Modelling and computer simulation for the purpose of design and operation of industrial fixed-bed reactors are discussed with the aid of examples. Emphasis is laid upon difficulties and problems arising from aiming at an adequate model formulation. The following aspects are discussed in some detail: 1) The influence of heat and mass transport in the catalyst pellet, especially with complex reactions. 2) Relationships between radial heat transfer and radial flow profile and its influence upon the temperature profile in packed tubes with or without heat generation by reaction. 3) Problems of adequate modelling of catalyst activity changes during the course of operation. 4) Scale-up problem of multitubular fixed-bed reactors, i.e. the problem of achieving and maintaining the same operating conditions in and around all the tubes of the bundle

Zum Einfluß einer genaueren Strömungsmodellierung auf die Beschreibung von Festbettreaktoren

Zur Modellierung und Berechnung von katalytischen Festbettreaktoren gibt es eine große Anzahl von Arbeiten.Dabei ergibt sich, daß bereits recht einfache Modelle das qualitative Verhalten technischer Reaktoren zutreffend beschreiben. Für eine zutreffende quantitative Beschreibung müssen aber in der Regel sowohl die kinetischen Parameter als auch die Parameter des Wärmetransports an die experimentellen Ergebnisse angepaßt werden. Die Extrapolierbarkeit solcher Modelle auf andere Reaktorkonfigurationen ist damit deutlich eingeschränkt. Ein Grund für die mangelnde Extrapolierbarkeit wird in der unvollständigen Beschreibung der Strömungs- und Wärmetransportvorgänge gesehen.Ziel der vorliegenden Mitteilung ist es, die in den vorstehend genannten Arbeiten benutzten Modellvorstellungen weiterzuentwickeln und ihre Aussagen experimentellen Ergebnissen gegenüberzustellen