(acs symposium volume 168) h. scott fogler (eds.)-chemical reactors-american chemical society (1981)...

384
Chemical  Reactors    P   u    b    l    i   c   a    t    i   o   n    D   a    t   e   :    S   e   p    t   e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9    8    1    |    d   o    i   :    1    0  .    1    0    2    1    /    b    k      1    9    8    1      0    1    6    8  .    f   w    0    0    1 In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.

Upload: karladguerrerog

Post on 07-Jul-2018

217 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 1/383
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .   f   w   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 2/383
    P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .   f   w   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 3/383
The  University  of  Michigan
Based on a symposium
Industrial and Engineering Chemistry
(180th ACS National Meeting),
6 8
AMERICAN CHEMICAL SOCIETY
W A S H I N G T O N ,  D. C
1981
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .   f   w   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 4/383
Chemical
 reactors.
Industrial  and Engineering Chemistry at the Second
Chemical
August
 American
III. Chemical Congress of the North
 American
  Con
TP157.C423
A ll
 Rights Reserved. The appearance of the code at the bottom of the first
 page
 consent
 copies
 of
the article may be made for personal or internal use or for the personal or internal use of
specific clients.  This
 consent
 is given on the condition, however, that the copier pay the
stated per copy fee through the Copyright Clearance Center, Inc. for copying beyond that
permitted by Sections 107 or 108 of the U.S.
 Copyright Law.
 consent does
 not extend
to copying or transmission by any means—graphic or electronic—for any other purpose,
such as for general distribution, for advertising or promotional purposes, for creating new
collective work, for resale, or for information storage and retrieval systems.
The
 citation of trade names and/or names of manufacturers in this publication is not to be
construed as an endorsement or as approval by
 ACS
 of the commercial products or services
referenced herein; nor should the mere reference herein to any drawing, specification,
chemical process, or other data be regarded as a
 license
permission, to the holder, reader, or any other person or
 corporation,
 to manufacture, repro
duce, use, or sell any patented invention or copyrighted work that may in any way be
related thereto.
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .   f   w   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 5/383
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .   f   w   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 6/383
T h e A C S
  S Y M P O S I U M S ER IE S
  was founded in  1974  to provide
a medium for publishing symposia quickly in book
 form.
  The
format
 of the Series parallels that of the continuing
  A D V A N C E S
I N C H E M I S T R Y S ER IE S  except
  that in order to
mitted by the authors in camera-ready  form.  Papers are re
viewed under the supervision of the
 Editors
and
embrace both
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .   f   w   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 7/383
PREFACE
T
he symposium upon which this volume is based focused on three areas
in
and
  packed bed reactors.  Each  area comprises a section of this book.
Professor J. R.
 chaired and coordinated the fluidized bed sessions;
Professors Y. T. Shah and A. Bishop, the bubble column reactor session;
and
Fluidized
 bed reactors have received increased interest in recent years
owing to their application in coal gasification. The section on fluidized
beds
 areas in fluid bed reactor modeling. Computer simu
lation of both solid-catalyzed gas phase reactions as well as gas-solid
reactions are included.
ters
 needed for scale-up are presented along with models for reaction and
heat transfer. The mixing characteristics of columns are described as are
the directions for future research work on bubble column reactors.
The
  presents
niques for solving the differential
 mass
reactors. The advantages and limitations of various models
  (e.g.,
 pseudo-
homogeneous
  vs.
  heterogeneous)
are
 also
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8    1    |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  p   r   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 8/383
Department
Vancouver, Canada V6T
 1W5
C r i t i c a l   a r e a s in  f l u i d bed r e a c t o r  m o d e l i n g
 are
  dis
cussed
 in
 in  this
 symposium.
T h e r e  c o n t i n u e s to be a wide  d i v e r s i t y of
 a s s u m p t i o n s
u n d e r l y i n g
  m o d e l s .
  However,
 it is now
 c l e a r t h a t p r e
d i c t i o n s are
 g e n e r a l ly
 much more
  s e n s i t i v e to
 some
a s s u m p t i o n s   t h a n
 to
  For
 mod
e l i n g of i n t e r p h a s e exchange is  g e n e r a l l y
 more
cal
 the
 a s s u m p t i o n s a d o p t e d
 to
  a x i a l
g a s d i s p e r s i o n
 in
 the
 e m u l s i o n
  p h a s e . For
t he 1980's  a d v a n c e s
 are
 looked
  for
  e s p e c i a l l y
 in
 more
  s o p h i s t i c a t e d
 computer
 mod
e l s ,
  u n s t e a d y  s t a t e r e p r e s e n t a t i o n s s u i t a b l e
 for
 con
  w h i c h
  d e s c r i b e h i g h
  v e l o c i t y
r e g i m e s
 of  f l u i d i z a t i o n ,
  i n c l u s i o n
 of g r i d and
 f r e e
  e f f e c t s , and
 s t u d y
 of  radial
T h i s
 volume
  b r i n g s t o g et h e r
 a
 number
 of
 p a p e r s  u n d e r
 the
theme of f l u i d i z e d bed r e a c t o r  m o d e l i n g .  T h i s  f i e l d is of r e l a
t i v e l y   r e c e n t
  o r i g i n .
  T a b l e I g i v e s
 the
 emphasis in  r e s e a r c h in
s u c c e s s i v e
  decade s
  b e gi n n i n g w i t h the 1940's.
  It is s e e n
  t h a t
  r e s e a r c h
 was
  p r i m a r i l y
 to
  p r o b l e m s
  a s s o c i
a t e d w i t h
 the
 o pe r a t i o n of f l u i d i z e d bed r e a c t o r s and to v e r y
s i m p l e  m o d e l s .  W i t h
 the
 p a s s a g e of t i m e models have been  d e v i s e d
w h i c h
 are i n c r e a s i n g l y s o p h i s t i c a t e d .  Reviews
 of
de velopme n t
 f l u i d i z e d beds
 as
 r e a c t o r s have been  p r e p a r e d
 by
 the
 1970
1
 were
 a
 number
 (3-7)
w h i c h  c o n s i d e r e d  f l u i d i z e d bed r e a c t o r  m o d e l i n g .
I n o r d e r
 to be
 to
 r e p r e s e n t  the b e h a v i o u r
 of  f l u i d i z e d
bed r e a c t o r s w i t h c o n f i d e n c e ,
 one
 a
 t h o r o u g h  u n d e r s t a n d
i n g of
 the
 bed h y d r o d y n a m i c s and of
 the
 r e a c t i o n  k i n e t i c s .  A l m o s t
a l l of
 the r e a c t i o n s
  c ar r i e d
 out
 in f l u i d i z e d beds
 are e i t h e r
s o l i d - c a t a l y s e d
 gas
 phase
 or
 g a s - s o l i d r e a c t i o n s .
  (We
 not
 c o n s i d e r  h e r e
 homogeneous
 gas
 phase  r e a c t i o n s , r e a c t i o n s
in  l i q u i d   f l u i d i z e d beds or r e a c t i o n s in  t h r e e phase  f l u i d i z e d
beds.)  W h i l e
 the c h e m i c a l
  k i n e t i c s
 can o f t e n
 be
 complex,
0097-6156/81/0168-0003$05.00/0
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 9/383
  i n t h e
  g a s i f i c a t i o n
  o r c om b u s t i o n o f  c o a l ,  t h e h y d r o -
dynamic  a s p e c t s have  g i v e n t h e g r e a t e s t
  d i f f i c u l t y
  and have been
s u b j e c t  t o t h e g r e a t e s t d e b at e . W h i l e c o n s i d e r a b l e p r o g r e s s h as
been made  i n a c h i e v i n g an u n d e r s t a n d i n g o f many  a sp e c t s o f b ed
b e h a v i o u r , t h e r e a r e
 many
 w h i c h
  r e m a i n p o o r l y u n d e r
s t o o d .  Some
 of t h e s e ( e. g. r eg im e s o f bed beha v i o u r , ga s m i x i n g
p a t t e r n s ,  and exchange  of gas between  p h a s e s )  can  a f f e c t  p r o
f o u n d l y  t h e n a t u r e o f t h e model  adopted.
T a b l e  I : Focu s of Res ear ch on
  F l u i d i z e d
  Bed R ea c t o r s
Decade  Emphasis
1940's  P r a c t i c a l  d e s i g n an d o p e r a t i o n p r o b le ms .  S i n g l e
phase models  o n l y .
1950
1
 g a s - p h a s e
  s o l i d - c a t a l y s e d
r e a c t i o n s .
I 9 6 0
1
s   I n c o r p o r a t i o n o f  p r o p e r t i e s  o f
  s i n g l e
  b u b b l e s .  E a r l y
models
  f o r  g a s - s o l i d
  r e a c t i o n s .
1970
T
s  A d d i t i o n  of end  ( g r i d  a n d f r e e b o a r d )
  e f f e c t s .  More
s o p h i s t i c a t e d models  f o r  s p e c i f i c  g a s - s o l i d  r e a c t i o n s
i n c l u d i n g  e n er gy b a l an c e s . C o n s i d e r a t i o n o f complex
k i n e t i c s .
1980
1
 emphasis
  o n n o n - b u b b l i n g
  ( t u r b u l e n t
  and
f a s t
  fluidization)  r e g i m e s . P r o b a b l e  c o n s i d e r a t i o n
o f  e f f e c t s  o f  a i d s  t o  fluidization  ( e. g.  c e n t r i f u g a l ,
magnetic and  e l e c t r i c a l   f i e l d s ,
  b a f f l e s ) .
  I n c r e a s i n g
emphasis
  on more complex  h y d r o d y n a m i c s  and
  k i n e t i c s ,
w i t h models  r e q u i r i n g
  compu t e r s
  f o r
  s o l u t i o n .
The p ap e r s p r e s e n t ed a t t h e L a s
 Vegas
 symposium, most  o f
w h i c h  a r e r e p r o d u c e d i n
  this
  volume,  b o t h  i l l u s t r a t e  t h e  d i v e r
s i t y  of modeli ng approac h and  show some  new
  d i r e c t i o n s
  f o r  r e a c t o r
model i n g i n t h e 1980's.  B e f o r e  t u r n i n g  t o t h e s e m a t t e r s i n d e
t a i l ,  i t is n e c e s s a r y t o d i s c u s s  b r i e f l y  t h r e e of t h e p ap e r s
w h i c h  a r e f u n d a m e n t a l l y  d i f f e r e n t  i n f oc u s f r om t h e o t h e r  e i g h t .
The paper by
  Rami r e z
 jet aJL (8) co n s i de r s th e i mport ant qu es
t i o n
  of  p a r t i c l e- t o - g a s  heat  t r a n s f e r  in  f l u i d i z e d  beds. I n ad
d i t i o n  t o t h e i mp or t a n c e of  this  q u e s t i o n i n i t s own  r i g h t ,  p a r
t i c l e - t o - g a s   hea t  t r a n s f e r  c a n b e i m po r t a n t f o r   f l u i d  b ed r e a c
t o r s ,
  f o r example  i n de t e r m i n i n g t h e r m a l g r a d i e n t s in t h e e n t r y
( g r i d )  r e g i o n , in
  e s t a b l i s h i n g
  t h e s u r f a c e t e m pe r a t u r e o f
  p a r t i
c l e s
  u n d e r g o i n g
  r e a c t i o n s ,
  a n d v i a t h e a n a l o go u s c a s e o f g a s - t o -
p a r t i c l e
 mass
  t r a n s f e r .
  Ther e has been  c o n s i d e r a b l e c o n t r o v e r s y
o v e r t h e  f a c t  t h a t  N u s s e l t an d  Sherwood numbers
 have
 been  fou nd
t o f a l l  w e l l below  2, the lower  l i m i t   f o r a
  s i n g l e
  sphere in a
 medium.
  f u r t h e r
  e v i d e n c e of S h
« 2 and Nu « 2 and co n s i de r th es e
  r e s u l t s
  i n t h e
  l i g h t
  o f
 models  i n t h e
  l i t e r a t u r e .
The paper by Blake and
  Chen
  ( 9) r e p r e s e n t s a n e x t e n s i o n o f
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 10/383
  Reactors
5
  S y s t e m s ,
  S c i e n c e a n d S o f t w a r e
group. In what
 must
  be the most  a mb i t i o u s a nd  c o m p r e h e n s i v e
fluidization  m o d e l i n g  e f f o r t  t o d a t e ,  this  g r o u p  has used modern
c o m pu t a t i o n a l t e c h n i q u e s t o s o l v e a s e t o f e q u a t i o n s r e p r e s e n t i n g
t h e p h y s i c s an d c h e m i s t r y o f
  f l u i d i z e d
  bed
  Hy-
d r o d y n a m i c   f i x t u r e s  a r e r e p r e s e n t e d by a s e t o f  c o n t i n u u m equa
t i o n s  and
  c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p s ,
  w h i l e c h e m i c a l
  k i n e t i c s
e q u a t i o n s a r e w r i t t e n f o r k ey h e t er o g en e o u s an d
 homogeneous
  r e
a c t i o n s  b as ed o n s t u d i e s r e p o r t e d i n t h e  l i t e r a t u r e .  I n p r e v i o u s
p a p e r s , t h e a u t h o r s have
 shown
  t h a t  t h e model  g i v e s a  r e a l i s t i c
s i m u l a t i o n
  o f a j e t o f gas
  i s s u i n g i n t o
  a bed of  s o l i d s .  I n t h e
p r e s e n t pape r t h e y  s e e k  t o  d u p l i c a t e
  r e s u l t s
  o b t a i n e d i n t h e I G T
and  W e s t i n g h o u s e  p i l o t   s c a l e r e a c t o r s .  The  r e s u l t s  a r e o f co n
s i d e r a b l e
  i n t e r e s t ,  g i v i n g  a good match  w i t h most  o f t h e
  e x p e r i
m e n t a l  r e s u l t s .
A
  f u r t h e r
  pape r b y G i b b s ( 10) d e a l s w i t h d e s i g n a nd m o d e l i n g
o f
  c e n t r i f u g a l  f l u i d i z e d  b e d s .  I n
  this
  cas e gas i s fed  r a d i a l l y
i nward s
  i n t o
  a s p i n n i n g b e d. On acco u n t o f t h e  g r e a t l y augmented
e f f e c t i v e  g r a v i t y
  f o r c e ,
  g r e a t e r t h r o u g h - p u t s o f g as c a n be a c
commodated
  a n d e n t r a i n m e n t i s
  g r e a t l y
  l ow e r e d . T h i s new t e c h
n i q u e h a s r e c e i v e d  a t t e n t i o n  i n t h e  l a t e  1970
1
  s  e s p e c i a l l y  i n
c o n n e c t i o n w i t h  c o a l  c o m b u s t i o n .  Some u n i q u e  p r o b l e m s  a r e e n
c o u n t e r e d , e .g. t h e
 minimum
  fluidization
 becomes  a
  of bed depth, while
  e j e c t e d
  i n t o
1 1
  by bubbles  b u r s t i n g  a t t h e b ed s u r f a c e  t r a v e l
  i n i t i a l l y
n e a r l y
  a t
  r i g h t
  a n gl e s t o t h e ga s
  e x i t d i r e c t i o n .
  T h i s pape r
g i v e s  a p r e l i m i n a r y scheme  f o r d e a l i n g w i t h some  o f t h e s e
problem s.
C l a s s i f i c a t i o n  o f R e ac t o r Models
T h e r e a r e many  c h o i c e s t o b e
 made
  in
  bed r e a c t o r mod
e l i n g
  and
  l i t t l e
  u n a n i m i t y among  t h o s e who d e v i s e s u ch models  on
t h e b e s t c h o i c e s . T a b l e I I
  l i s t s
  some  of the  p r i n c i p a l  a r e a s
f o r  d e c i s i o n
  an d t h e c o r r e s p o n d i n g c h o i c e s o f t h e o t h e r   e i g h t
pape r s a t  this
  symposium
  (11-18).
P h a s e s . B o t h two-phase  an d t h r e e- p h as e r e p r e s e n t a t i o n s a r e
w i d e l y u s e d a s
 shown
  s c h e m a t i c a l l y i n F i g u r e 1. I n two-phase
r e p r e s e n t a t i o n s  t h e  d i l u t e phase  may r e p r e s e n t bu b b l e s a l o n e ,  j e t s
( i n
  r e g i o n ) ,
  o r b u bb l es p l u s c l o u d s .  T h r e e - p h a s e  r e p r e
s e n t a t i o n s   g e n e r a l l y u s e t h e scheme  f o l l ow e d b y
  K u n i i
  and Leve n -
 whereby
  b u b b l es , c l o u d s , an d " e m u l s i o n " ( i . e . t h a t
p a r t  o f t h e  n o n - b u b b l e  b ed n o t i n cl u d e d i n t h e cl o u d s ) a r e e ach
t r e a t e d
  as s e p a r a t e r e g i o n s . As
 shown
  i n T a b le I I , a l l o f t h e s e
p o s s i b i l i t i e s  a r e r e p r e s e n t e d in t h e
 models
a u t h o r s i n
  this
  symposium.
 however,
  t o be an in
c r e a s i n g  t e n d e n c y t o ado p t t h r e e phase  m o d e l s ,  p r o b a b l y as a r e
s u l t  o f e x p e r i m e n t a l  r e s u l t s  (20)  w h i c h
 showed
  t h a t  t h e  K u n i i  and
L e v e n s p i e l model gave  a  b e t t e r  r e p r e s e n t a t i o n o f
 measured
    P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 11/383
  D,
 dense
phase;
 E,
 b;
 three-phase models, c
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 12/383
  B ed
  Reactors
7
t r a t i o n p r o f i l e s  f o r a  p a r t i c u l a r  p a r t i c l e s i z e  t h a n o t h e r
 models
t e s t e d .  The b u bbl e s t h em s el v e s a r e  u s u a l l y t r e a t e d  a s b e i n g
 com
p l e t e l y  d e v o i d o f
  p a r t i c l e s ,
  bu t it is important (21)  t h a t  s o l i d s
d i s p e r s e d  i n t h e b u bbl e s b e  i n c l u d e d  w i t h t h e b u b b l e phase  f o r
f a s t
  r e a c t i o n s ,
  e v e n  t ho u g h  t h e i r  c o n c e n t r a t i o n i s s m a ll  ( t y p i
c a l l y
  < 1% by v olu me).
G a s M i x i n g i n t h e Dense  o r E m u l s i o n  P h a s e ,  No o t h e r f e a t u r e
of  f l u i d i z e d  bed  r e a c t o r  modeli ng has been  s u b j e c t e d t o s o
 many
a l t e r n a t i v e
  a s s u m p t i o n s a s  a x i a l  mi x i n g i n t h e  d e n s e  p h a s e .  At
l e a s t  e i g h t  p o s s i b i l i t i e s
 have
 shown
  i n F i g u r e 2 .
T h e s e  r a n g e f r om upward  p l u g f l o w , t h r o u g h  p e r f e c t  m i x i n g and
s t a g n a n t g a s , t o downflow.  I n t e r m e d i a t e d eg r e e s o f m i x i n g have
been  r e p r e s e n t e d by  a x i a l
  d i s p e r s i o n models
  a nd well - m i x ed
s t a g e s
  in  s e r i e s .  As shown  in
 Tabe
  p o s s i b i l i
t i e s
 have been
  c o v e r e d in t h e p r e s e n t
 symposium.
I n  v i ew of t h e  l a r g e number  o f d i s p a r a t e r e p r e s e n t a t i o n s o f
d e n s e
 phase
  a x i a l
  m i x i n g , o n e m i g h t  e a s i l y  c o n c l u d e  t h a t
  this
  is
 more
  i m p o r t a n t m o d e l i n g  f e a t u r e s .  I n  p r a c t i c e  this  is
n o t t h e c as e , u n l e s s h i g h c o n v e r s i o n s ( e . g . 90 % o r g r e a t e r i n a
s i n g l e  s t a g e ) a r e s o u g h t . F o r l ow er c o n v e r s i o n s ,  o v e r a l l  r e a c t o r
p e r fo rm a n c e t e n d s t o b e  i n s e n s i t i v e  t o t h e p a t t e r n o f
  a x i a l
 mix
  s e v e r a l
  i l l u s t r a t i o n s  o f  this  p o i n t
in
  this
  al
  ( 1 6 ), r e
placement of th e downflow  c o n d i t i o n  a d op t e d b y F r y e r an d P o t t e r
(22) by
  p e r f e c t
  m i x i n g i n t h e em u ls i o n l e d t o c o n v e r s i o n s
  w h i c h
were  b a r e l y
  d i s t i n g u i s h a b l e
  f r o m t h o s e g i v e n b y t h e  e a r l i e r mod
e l .   ( A t t h e same  t i m e  s o l u t i o n became
 much
  s i m p l e r . )  J a f f r e s  £t
a l   (15) show  t h a t  the two  extreme  c a s e s o f  p e r f e c t  m i x i n g a nd
p l u g  f l o w i n t h e O r c u t t models  (23)  l e a d  t o  s i m i l a r  r e s u l t s .  ( I n
t h e i r  c a s e , however,  b u b b l e  p r o p e r t i e s were
  v a r i e d
  t o g e t h e r w i t h
k i n e t i c
  c o n s t a n t s i n
  t h e i r
  o p t i m i z a t i o n  s o i t i s h a rd e r t o
  d i s
t i n g u i s h  t h e  i n f l u e n c e  o f t h e m i x i n g as s u m p t i o n s a l o n e . )  E l n a -
s h a i e  and  E l s h i s h i n i  (12)  f u r t h e r show  t h a t  t he  e f f e c t  of  a x i a l
d i s p e r s i o n
  i s n o t o n l y  r e l a t i v e l y s l i g h t  in
  t e r m s
  o f  o v e r a l l  c o n
v e r s i o n ,
  bu t
  t h a t  d e n s e phase
  m i x i n g  a l s o  p l a y s a  r e l a t i v e l y
m i n o r
  r o l e
  i n d e t e r m i n i n g
  s e l e c t i v i t y
  f o r c o n s e c u t i v e
  r e a c t i o n s
and  m u l t i p l i c i t y  of s t ea d y  s t a t e s .
I n  a lm os t a l l p r e v i o u s mo de li n g  work,  o n e - d i m e n s i o n a l f l o w
has been assumed  in each  p h a s e ,  radial  g r a d i e n t s b e i n g t a k e n as
n e g l i g i b l e .  There is some  e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e (24)  t h a t  s u b
s t a n t i a l r a d ia l  g r a d i e n t s may  e x i s t , however.  R a d i a l  g r a d i e n t s
a r e
  e s p e c i a l l y  i m p o r t a n t f o r
  f l u i d
  bed  c o m b u s t o r s  wi t h in-bed
f e e d i n g  o f  f r e s h c o a l  v i a a  s e r i e s  o f n o z z l e s . I n
  this
  c a s e t h e
r a p i d  d e v o la t i l i z a t i o n  r e a c t i o n s
  w i l l
  o c c u r
  c l o s e
  t o t h e  d i s t r i
b u t ed feed  p o i n t s ,  and  radial
  d i s p e r s i o n
  o f  v o l a t i l e s away  from
t h e s e p o i n t s an d
 oxygen
 them
  w i l l
  b e e x t r e m e l y i m p o r t a n t
i f  t h e  v o l a t i l e s  a r e t o b u r n o u t  w i t h i n  t he bed. Fan and Chang
(13) have  c o n s i d e r e d
  this
  p r o b le m , c o u p l i n g a n a s s u m p t i o n o f p e r
f e c t a x i a l  m i x i n g w i t h a
  d i f f u s i o n - t y p e
  m i x i n g model  i n t h e r a -
    P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 13/383
 
   P   u    b    l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h    0    0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.;
ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 14/383
 
   P   u    b    l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h    0    0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.;
ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 15/383
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 16/383
11
d i a l   d i r e c t i o n .  A l t h o u g h
 the u n d e r l y i n g
  a s s u m p t i o n s
 of  d i f f u s i o n -
t y p e models  o f t e n seem  i n a p p r o p r i a t e
 to a x i a l
  m i x i n g
 in
  f l u i d i z e d
b e d s (25) ,  t h e r e is some  e v i d e n c e ( e . g . 26) t h a t  l a t e r a l   m i x i n g
ca n
 be d es c r i b e d in  this
 manner.  Hence
 a
  a p p r o a c h
 to the
 d e s c r i p t i o n
 of
a n i m p o r t a n t p r o b l e m .
I n t e r p h a s e
 Gas
 the
 in  this
symposium  ( s e e T a b l e I I )
 on
 t h e mass  t r a n s f e r  e q u a t i o n s p r o p o s e d
b y D a v i d s o n and H ar r i s o n  (27) and by
 K u n i i
 and L e v e n s p i e l  ( 1 9 ) ,
o ne m i gh t r e a s o n a b l y c o n c l u d e
  t h a t
  t h e s e a p p r o a c h e s have  b e e n s u p
p o r t e d
 by at
 l e a s t  t h e  m aj o r i t y
 of
 e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e . N o t h i n g
c o u l d
 be
  f u r t h e r  f r o m
 the
 t r u t h .
T h e D a v i d s o n
 and
 H a r r i s o n  a p p r o a c h c o n c e n t r a t e s s o l e l y
 on the
r e s i s t a n c e
 at the
 b u b b l e / c l o u d b o u n da r y ( o r bu b b l e / de n s e p h as e
b o u n d a r y f o r
 α < 1 ) .  The t r a n s f e r  c o e f f i c i e n t ,  r e f e r r e d to bubble
s u r f a c e  a r e a , is
\ r   ° -
  ( 1 )
A l t e r n a t i v e l y , on a bubble volume
  b a s i s ,
  this  becomes
  w v o *  (2)
Th e   f i r s t  t e r m in  e a c h c a s e  a r i s e s  f r o m b u l k f l o w of gas i n t o the
f l o o r of an i s o l a t e d
  bubble
 by the
h y d r o d y n a m i c
 model of
 and
 .  The
 of
e x p e r i m e n t a l  e v i d e n c e , f r om
  s t u d i e s
 of
 c l o u d
  s i z e  ( 2 8 , 2 9 ) , f r o m
c h e m i c a l  r e a c t i o n
  s t u d i e s
  ( e . g . 3 0 ) , and f r o m  i n t e r p h a s e  t r a n s f e r
s t u d i e s
  (e .g. 31 ,32) ,
 is
  be t t e r  d e s c r i b e d
 by the
  p r o p o s e d
 by
 .  The
  l a t t e r   l e a d s
 to a
  r e d u c t i o n
in  t h e f i r s t  t e r m by a  f a c t o r of 3. Some enhancement of the b u l k
f l o w
 component
  o c c u r s f o r i n t e r a c t i n g  b u b b l e s ( 3 4 , 3 5 ) , but  this
enhancement
 a
  f r e e l y  b u b b l i n g
 bed is
 of 20-
30% (35),
  would
 be
 r e q u i r e d  f o r
 the
 b u l k f l o w
t e r m E q ua t i o n s (1) and (2) to be  v a l i d .
Th e s e c o n d t e r m
 in
 (1) and (2)
 a c c o u n t s f o r
  d i f f u -
s i o n a l t r a n s f e r  a c r o s s the b u b bl e b o u n d a r y .  (A f a c t o r ε
  f / i l + ^ f )
 in the
 of Eq. 2 Ψο
f o r  the
 d e n s e p h a s e
  d i f f u s i o n a l
  r e s i s t a n c e . )  T h e r e
 is some
  q u e s
t i o n  (30) of the e x t e n t to wh i c h   t h e r e is  i n t e r f e r e n c e between
t h e  b u l k f l o w and
 d i f f u s i o n
  t e r ms . N e v e r t h e l e s s ,
 most
  e x p e r i m e n t
a l
  e v i d e n c e s u gg e s t s  t h a t
 the two
 are
 and
 the
d i f f u s i o n a l
  t e r m
 by the
 p e n e t r a t i o n  t h e o r y . W i t h
t h e s e  c h a n g e s , and i n c l ud i n g a s m a l l
 enhancement
  f a c t o r  f o r b u bb l e
i n t e r a c t i o n ,  S i t and G r a c e ( 35 ) have
 recommended
 the f o l l o w i n g
e q u a t i o n s
 as
 b e i n g
 in b e s t a c c o r d
=
(3)
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 17/383
  3
K u n i i
  a n d
  L e v e l s p i e l
  (19) a g a i n u s e E q u a t i o n (2) t o d e s c r i b e
b u b b l e / c l o u d
  t r a n s f e r .  B a s e d
  o n t h e p e n e t r a t i o n t h e o r y , t h e y
p r o p o s e t h e
  f o l lo w i n g
  e x p r e s s i o n f o r c l o ud / e m uI s i o n
  t r a n s f e r :
k
  1
c e mf b b
E q u a t i o n (5) c o n s i d e r s ga s  d i f f u s i o n  t o be t h e o n l y mechanism  o f
t r a n s f e r  a c r o s s t h e o u t e r c l o u d b o u n d a r y .  I n  p r a c t i c e  t h e r e a r e
a t
  l e a s t  t h r e e o t h e r i m po r t a n t
 mechanisms
  n o t a c c o u n t e d f o r :
( a) Th e c l o u d  b o u n d a r y   i s a s t r e a m l i n e f o r ga s e l e me n t s b ut n o t
f o r
  s o l i d  p a r t i c l e s .
  P a r t i c l e s  e n t e r i n g an d
  le a v i n g
  t h e c l o u d
b o u n d a r y   w i l l  c a r r y  a d s o r be d s p e c i e s w i t h them.  (b) Th e re i s
s t r o n g  e v i d e n c e o f s h e d d i n g o f e le m e n t s f r o m t h e
 wakes.
  P h o t o
grap h s (28)  i n d i c a t e  t h a t  t h e s e sh e d e l e me n t s   r e s u l t s  i n  t r a n s f e r
o f
  c l o u d ga s t o t h e e m u l s i o n . ( c ) Th e c o n c e p t o f t h e c l o u d is
b a s e d o n s t e a d y
  s t a t e
  a n a l y s e s
 (27,33)
 .
  W h i l e a m a n t e l o f g a s
a p pe a r s t o r e m ai n a s s o c i a t e d w i t h b ub bl e s a s t h e y c o a l e s c e , t h e s e
" c l o u d s '
1
  l i k e
  t h e b ub bl e s t h e m s e l v e s ,
  d i s t o r t
  a n d
c h a n g e s
  d u r i n g b ub bl e
  i n t e r a c t i o n
  a nd c o a l e s c e n c e ( 28 , 36 ). T h i s
no
  d o u b t   f u r t h e r
 enhances
  c l o u d / e m u ls i o n
  t r a n s f e r .
F o r most
  p r a c t i c a l  c o n d i t i o n s ,
  a c o m p a r i s o n o f k ^ a n d k ^
f r o m E q u a t i o n s (4) a n d (5)
  w oul d
  t h a t
  t h e  p r i n c i p a l  r e
s i s t a n c e
  t o
  r e s i d e s
  a t t h e o u t e r c l o u d
  bo u n d a r y .
  How
e v e r , when  ( a ) , ( b) a n d ( c ) a r e t a k e n
  i n t o
  this
  t h e c a s e . I n
  f a c t ,
  e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e ( e .g .
 30,31,32)
i n d i c a t e s s t r o n g ly t h a t
  t h e  p r i n c i p a l
  r e s i s t a n c e
  i s a t t h e b u b bl e /
c l o u d
  i n t e r f a c e .
  W i t h
  mind,
  i t i s p r o b a b l y
 more  s e n s i b le
t o  i n c l u d e t h e c l o u d w i t h t h e
  d e n s e phase
  ( a s i n t h e O r c u t t ( 23 ,
27)
 models)
  r a t h e r t h a n w i t h t h e bu bb le s ( a s i n t h e P a r t r i d g e a nd
Rowe  (37) model)  i f a two-phase  r e p r e s e n t a t i o n i s t o be a d o pt e d
( s e e
  F i g u r e 1 ) . I f t h r e e - p h a s e
 models
  a r e u s e d , t h e n E q u a t i o n s
(2) an d (5)  a p p e a r   t o be a p o o r b a s i s f o r p r e d i c t i o n .  F o r t u n a t e
l y
  e r r o r s
  go i n o p p o s i t e
  d i r e c t i o n s ,
  E q u a t i o n (2) o v e r p r e -
d i c t i n g
  t h e b u bb l e / c l o u d
  t r a n s f e r
  c o e f f i c i e n t ,
  w h i l e E q u a t i o n ( 5)
u n d e r e s t i m a t e s t h e c l o u d / e m u l s i o n
  t r a n s f e r  c o e f f i c i e n t .
  T h i s
p r o b a b l y a c c o u n t s f o r t h e  f a c t  t h a t  t h e
  K u n i i
  a nd L e v e n s p i e l model
(19) c a n g i v e r e a s o n a b l e
  p r e d i c t i o n s
  i n
  s p e c i f
 i c i n s t a n c e s (e , g.20).
F l o w  D i s t r i b u t i o n between  P h a s e s . On e o f t h e  p r i n c i p a l
a s s ump ti o n s un d e r l y i n g
 many
 models
  o f  f l u i d i z e d  be d
  r e a c t
o r s  i s t h e "two-phase  t h e o r y o f   f l u i d i z a t i o n .   T h i s t h e o r y ,
r e a l l y  no
 more
  t h a n a p o s t u l a t e , h o l d s
  t h a t
 beyond  t h a t
r e q u i r e d
  f o r
 minimum  fluidization
  p a s s e s t h r o u gh t h e be d a s
  t r a n s
l a t i n g
  v o i d  u n i t s .
  A l t h o u gh n o t i n c l u d e d i n what  t h e  o r i g i n a t o r s
o f
  this
  p o s t u l a t e (38) a p p e a r e d t o
 have
  phase
t h e o r y i s o f t e n h e l d t o i m pl y , i n
  a d d i t i o n , t h a t
  t h e
  d e n s e phase
v o i d a g e re m a i n s c o n s t a n t a nd e q u a l t o ε f o r a l l U > U .
Much
  s a i d
  about th e two
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 18/383
  Fluidized  Bed
  see 39). For our purpos e s here i t
  s u f f i c e s
  t o n o t e t h a t
t h e r e  i s v e r y   l i t t l e  e v i d e n ce i n d e e d t h a t t h e f l o w  d i s t r i b u t i o n
r e a l l y  f o l l o w s t h e t h e o r y . I n  f a c t ,  t he
  w e i g h t
  o f e v i d e n ce ( s e e
39) s u gge s t s t h a t t h e t h e o r y
  s e r i o u s l y
  o v e r e s t i m a t e s t h e f l o w a c
coun t ed f or b y  t r a n s l a t i o n  of bub bles , e x cept i n the  l i m i t   as  s lug
f l ow c o n d i t i o n s a r e
  a p p r o a c h e d .
  Y et , d e s p i t e a l l
  this
  e v i d e n c e ,
the two  phase  t h e or y c o n t i n u e s as an u n d e r p i n n i n g f o r
 much
  model i ng
  work,
  a s is a g a i n e v i d e n t f r om T a b l e I I .
  T h e r e
a r e s e v e r a l p r o b a b le r e a s o n s f o r t he c o n t i n u i n g p o p u l a r i t y o f t h e
two  phase  t h e o r y i n t h e f ace o f
  c o n t r a d i c t i n g
  e v i d e n c e :
( i )   T h e r e
  i s a l a c k o f
  al t e r n a t i v e
  approaches.
( i i )   T h e r e
  i s c o n f u s i o n
 between
  v i s i b l e and  i n v i s i b l e
( i . e .  b u l k f l o w o r " t h r o u gh f l ow" )
  t e r m s .
  Toomey  and John s t o ne
(38) appear ed t o
 have
  in
 mind
  o n l y t h e  v i s i b l e ( i . e . f l o w du e t o
v o i d  u n i t  t r a n s l a t i o n )
  t e r m .  As no t ed  ab o v e ,  t h e t h e o r y t h e n
o v e r e s t i m a t e s t h e b u b bl e f l o w .
  However,
  i f the bubble flow i s
t a k e n t o i n c l u d e t h e  i n v i s i b l e  th r ough flow, t he the or y may do
b e t t e r  and may
  e v e n
  u n d e r e s t i m a t e t h e b u b b l e f l ow.  Many
  w o r k e r s
f a i l
  t o
  d i s t i n g u i s h
  c l e a r l y
 whether
  of  v i s i b l e  or
t o t a l
  bub ble f low.
  al
  i n th at i t at t empt s
a new
  to the two
  f l o w
  d i s t r i b u t i o n  p r o b l e m .
  F u r
t h e r
  d e t a i l s  a r e g i v e n i n a n o t h e r
  pape r
  by the
  a u t h o r s ( 4 0) .
However,  t h e a u t h o r s   f a i l  t o
  d i s t i n g u i s h
  c l e a r l y between  v i s i b l e
and  i n v i s i b l e  f l o w
 components
  At
this
  a p p r o a c h
 must
  be r e g a r d e d a s a p u r e l y e m p i r i c a l
method
  w h i c h  ap pe a r s t o g i v e a r e a s o n a b l e match  w i t h
  s e l e c t e d
  ex
p e r i m e n t a l d a t a .
B u b b l e  S i z e .
  A
 number
  o f e m p i r i c a l an d s e m i - e m p i r i c a l a p
p r o ach e s a r e
  a v a i l a b l e
  f o r  p r e d i c t i n g
 mean
  b u b b l e  s i z e  a s a f u n c
t i o n  o f h e i g h t an d o t h e r c o n d i t i o n s i n g as
  f l u i d i z e d
  b e d s .
  J u d g
  a p p r o a c h
  f ol lo we d by Mo r i and Wen (41) a p
p e a r s t o have
 become
  t h e f a v o r e d method  of  p r e d i c t i n g  d^. Th i s
e q u a t i o n is s e m i - e m p i r i c a l ; p r e d i c t i o n s a r e
 bounded
 between  an
i n i t i a l  s i z e
  produced at a
  di s t r i b u t o r
  and a
  a c h i e v
ed o nl y
  u n d e r  s l u g
  f lo w c o n d i t i o n s .
  A n o t h e r
  r e c e n t m e c h a n i s t i
c a l l y
  based e q ua t io n due to Dar t o n e t a l (42) i s
  a l s o  r e c e i v i n g
c o n s i d e r a b l e
  a t t e n t i o n ,
  but has no t been  t e s t e d by a ny o f t h e a u
t h o r s  in  this
  symposium.  B o t h a p p r o a c h e s seem
  t o r e p r e s e n t
 marked
improvements
  o v e r p r e v i o u s e q u a t i o n s o f a
  s o l e l y
  e m p i r i c a l n a t u r e
i n t h e  l i t e r a t u r e .  A method  is  s t i l l  r e q u i r e d f o r  p r e d i c t i n g
bubble
  in
 beds
  c o n t a i n i n g t u b es a s i n t h e
 Type  Β
  c o m b u s t o r
c o n s i d e r e d by Fa n a n d
  Chang
  (13).
F i v e  o f t h e p a p e r s s u r v e y e d i n Tabe  I I  t r e a t  t h e bubbl e  s i z e
a s i f i t were  i n d e p e n d e n t o f h e i g h t . I n two c a s e s ( 14 , 17) d ^ i s
a l l o w e d t o v a r y w i t h h e i g h t . W h i l e t h e
  l a t t e r
  a s s um pt i o n i s c e r
t a i n l y
 more
  r e a l i s t i c ,
  a s s u mp t i o n o f a c o n s t a n t bu bb l e
  s i z e
  i s d e
f e n s i b l e  o n t h e  g r o u n d s   o f  s i m p l i c i t y  a nd  l i m i t e d
  s e n s i t i v i t y
  r e l
  t o
 o f t h e o t h e r
  a s s u m p t i o n s
  d i s c u s s e d i n
  this
H e a t
  B a l a n c e . F o r
 many
  y e a r s i t h a s
 been  c u s t o ma r y
  t o
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 19/383
f l u i d
  be d r e a c t o r s a s i s o t h e r m a l a nd t o i g n o r e  e n e r g y  b a la n c e s  in
t h e  m o d e l i n g  p r o c e s s .  R e c e n t emphasis  on c o a l  c o m b u s t i o n  and
o t h e r g a s - s o l i d r e a c t i o n s w i t h h i g h  h e a t s  o f r e a c t i o n h as l e d t o
t h e i n c l u s i o n o f  h e a t
  b a la n c e s
  w i t h more  and more
 m o d e l s . H e a t
b a l a n c e s
  a r e i g n o r e d i n o n l y t h r e e o f t h e e i g h t
  p a p e r s
  s u r v e y e d
i n T a b le I I c o n f i r m i n g  this  t r e n d .
S t e a d y
  v e r s u s
  U n s t e a d y
  S t a t e
  M o d e l s .
  U n t i l  v e r y r e c e n t l y ,
f l u i d i z e d
  bed r e a c t o r models have  d e a l t  a l m o s t   e x c l u s i v e l y w i t h
s t e a d y  s t a t e c o n d i t i o n s .  S t e a d y   s t a t e models  a r e u n s u i t a b l e f o r
c o n t r o l  p u r po s e s ,   f o r l o a d f o l l o w i n g i n
  f l u i d
  bed  c o m b u s t o r s ,   and
f o r  s t a r t - u p a nd  shutdown  p ur p o s e s .  I t i s a welcome  s i g n t h a t
two o f t h e  p a p e r s  i n  this
  symposium
 (13,15)  d e r i v e models  w h i c h
a r e p o t e n t i a l l y s u i t a b l e f o r   t h e s e
  p u r p o s e s .
Type  o f R e a c t i o n and A p p l i c a t i o n . An i n c r e a s e d
  emphasis
  o n
g a s - s o l i d  r e a c t i o n s h as  been  e v i d e n t f o r   a b o u t  a
  d e c a d e .
  T h r e e
o f t h e  p a p e r s  i n  this
  symposium
  t r e a t g a s - s o l i d r e a c t i o n s , two
(13,18)  d e a l i n g w i t h c o a l  c o m b u s t i o n   a nd t h e o t h e r (11) w i t h c a t
a l y s t  r e g e n e r a t i o n . Of t h e f o u r
  p a p e r s  wh i c h
  c o n s i d e r  s o l i d - c a t
a l y s e d
  g a s - p h a s e
  r e a c t i o n s , o n e (15) d e a l s w i t h a
  s p e c i f i c
  a p p l i
c a t i o n ( p r o d u c t i o n o f m a l e i c a n h y d r i d e ) , a nd o ne (12) t r e a t s a n
u n s p e c i f i e d
  c o n s e c u t i v e r e a c t i o n o f t h e
  t y p e
  A •> Β C; th e o t h e r
two  (14,16)  a r e  c o n c e r n e d   wi t h u n s p e c i f i e d   f i r s t  o r d e r
  i r r e v e r s i
b l e r e a c t i o n s . Th e  f i n a l  p a p e r   (17) c o n s i d e r s a  r e l a t i v e l y  r e
c e n t a p p l i c a t i o n ,
  f l u i d i z e d
  bed a e r o s o l
  f i l t r a t i o n .
  P r i n c i p l e s
o f
  be d r e a c t o r
  m o d e l i n g
  a r e  d i r e c t l y  a p p l i c a b l e t o
  s u c h
  a
c a s e : A e r o s o l
  p a r t i c l e s
  d i s a p pe a r by a d s o r p t i o n on t h e
  c o l l e c t o r
( f lu i d i z e d ) p a r t i c l e s much  a s a  g a s e o u s
 component
  d i s a p p e a r s by
r e a c t i o n in t h e  c a s e  o f a s o l i d - c a t a l y s e d r e a c t i o n .
E x p e r i m e n t a l  D a t a . W h i l e  t h e emphasis  in  this  s e s s i o n was
o n r e a c t o r  m o d e l i n g , models  c a n o n ly u l t i m a t e l y   p r o v e  s u c c e s s f u l
i f
  t h e y
  a r e compared  t o e x p e r i m e n t a l d a t a . T h i s p o i n t may  seem
o b v i o u s ,
  but it is
 making  s i n c e
  m o d e l i n g
  e f f o r t s  to o o f t e n
seem  to be  i n t e l l e c t u a l  e x e r c i s e s r a t h e r  t h a n   e f f o r t s  t o r e p r e s e n t
r e a l i t y .   W h i l e  t h e r e i s a  n e e d   t o  v e r i f y some o f t h e models  p r e
s e n t e d a t  this  symposium,  it is  g r a t i f y i n g  t h a t t h r e e o f t h e p a
p e r s (11,15,17) have  a l r e a d y  been
  e x p o s e d
  t o t h e  t e s t  o f e x p e r i
m e n t a l  d a t a .
O t h e r Model
  F e a t u r e s
Some o f t h e   p r i n c i p a l  f e a t u r e s common  t o t h e  d i f f e r e n t models
a r e d i s c u s s e d   a b o v e .  I n  this  s e c t i o n some  f u r t h e r f e a t u r e s o f r e
a c t o r models  a r e c o n s i d e r e d   b r i e f l y  w i t h r e f e r e n c e t o i n d i v i d u a l
p a p e r s
  i n  this  symposium.
O nl y   t h e  p a p e r  by de  L a s a  ^ t a l (11)  e x p l i c i t l y  t r e a t s t h e
e n t r y o r  g r i d  r e g i o n a s a  n o n - b u bb li n g  r e g i o n . T h i s r e g i o n is
modeled
  t e r m s
  o f d i s c r e t e ga s
  j e t s ,
  a n i d e a o r i g i n a t e d by Be -
h i e a n d  Kehoe  ( 43 ), bu t c o n t e s t e d  a c t i v e l y  by Rowe e t  al  (44). As
i n d i c a t e d in t h e  p a p e r s  by J a f f r e s e t a l (15) a nd  Rehmat  et. a l
( 18) , t h e  g r i d  r e g i o n is  c l e a r l y  a
 zone
  o f  e f f e c t i v e  ga s - s o l i d
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 20/383
  Fluidized
c o n t a c t i n g ,
  bu t c o n s i d e r a b l e
 work
  is r e q u i r e d t o a c h i e v e a n u n
d e r s t a n d i n g  o f t h e  h y d r o d y n a m i c s  and gas exchange  p r o c e s s e s
t h e r e i n .
None
  this
  e x p l i c i t l y
  c o n s i d e r s t h e
f r e e b o a r d  r e g i o n al t h o u g h b o t h de L a s a £ t a l ( 11 ) an d
  J a f f r e s
  e t
a l
  t o p r e v i o u s
 work w h i c h
  has
 shown
  t h a t t h e f r e e b o a r d
ca n pl a y a n i m po r t a n t
  r o l e
  i n d e t e r m i n i n g t h e
  o v e r a l l
  r e a c t o r pe r
f o r m a n c e .  None  of the paper s
  t r e a t s
 d i r e c t l y  f l o w
  r e g i m e s
  o t h e r
t h a n t h e b u b b l i n g
  r e g i m e ,
  a l t h o u g h
 Rehmat
  et a l (18)  m e n t i o n  the
t u r b u l e n t
  f l o w
  r e g i m e
  ( t o g e t h e r w i t h
  r a p i d
  i n t e r p h a s e
 exchange
  in
t he  g r i d  r e g i o n ) a s  j u s t i f i c a t i o n  f o r u s i n g a
 model  w h i c h
  t r e a t s
the gas as a
  s i n g l e
 phase  i n plu g flow. As al r ea d y s ugges ted i n
T ab l e I ,  e f f o r t s  t o model  t u r b u l e n t an d  f a s t  f l u i d i z e d
 beds
  a r e
l i k e l y   t o be i m p o r t a n t f e a t u r e s o f t h e
 1980
f
s.
I n  model i ng  g a s - s o l i d  r e a c t i o n s in  f l u i d   b e d s ,
  p r o v i s i o n
must
  be
 made
  f o r d e a l i n g w i t h
  p a r t i c l e  s i z e  d i s t r i b u t i o n s
  and w i t h
s o l i d s
  m i x i n g .
  S o l i d s
  mi x i n g i s
  u s u a l l y
  a d e q u a t e l y d e s c r i b e d i n
t e r m s   o f
  p e r f e c t
  m i x i n g . To a c co u n t f o r  s i z e d i s t r i b u t i o n  e f
f e c t s ,  p o p u l a t i o n b a la n c e s a r e g e n e r a l l y r e q u i r e d .
  T h e s e
 must
  s i z e
  d i s t r i b u t i o n  o f t h e f e e d ,
  e l u t r i a t i o n
an d l o s s e s o f
  f i n e s ,  a t t r i t i o n
  ( i f a p p r e c i a b l e ) , an d an y
  c h a n g e s
in  p a r t i c l e s i z e  due t o che m ic al  r e a c t i o n .  The
  pape r
  by
 Rehmat
et
  a l (18)  i l l u s t r a t e s  how t he s e  f a c t o r s  can be take n
  i n t o
  O v e r a l l
  s o l i d
  r e a c t i o n
  r a t e s must  be dete rmi ned by
 sum
ming
  ov er a l l p a r t i c l e
  s i z e s ,
  an d c o n v e r s i o n must  be
  r e l a t e d
  t o
gas c o n v e r s i o n v i a t h e s t o i c h i o m e t r y o f t h e r e a c t i o n s .
C o n c l u d i n g Remarks
I t   is
  c l e a r
  t h a t t h e r e a r e many  u n r e s o l v e d q u e s t i o n s i n t h e
f i e l d
  o f
  f l u i d i z e d
  bed r ea ct o r model i n g. Onl y the bubble and
s l u g
  f l o w
 have
  r e c e i v e d  s i g n i f i c a n t
  a t t e n t i o n .
  Whi le end
e f f e c t s  ( g r i d
  zone  an d f r e e b o a r d r e g i o n  e f f e c t s )  a r e b e g i n n i n g t o
b e t r e a t e d , a lm os t n o  e f f o r t s
 have been made
  t o model  h i g h v e l o c
i t y  f l u i d i z e d beds
  o p e r a t i n g in t h e t u r b u l e n t an d  f a s t
  f l u i d i z a -
t i o n  r e g i m e s .  T h e s e
  r e g i m e s
  a r e o f g r e a t i m por t a n ce  i n d u s t r i a l l y
an d f o r f u t u r e  a pp l i c a t i o n s .
  E v e n
  i n the bubble flow  r e g i m e ,
where  t h e r e i s a w e al t h o f
  h y d r o d y n a m i c
  a n d o t h e r d a t a, some  o f
t h e k e y a s pe c t s o f b e h a v i o r
  r e m a i n
  p o o r l y u n d e r s t o o d .
I t
  c l e a r
  f r o m p r e v i o u s
 work
symposium  t h a t
 models
 more  s e n s i t i v e
  t o
  a s s u m p t i o n s
  in
some  a r e a s t h a n i n o t h e r s . F o r v e r y
  s l o w
  r e a c t i o n s , r a t e s
 become
c o n t r o l l e d
  b y ch e m i cal
  k i n e t i c s
  and
  i n s e n s i t i v e
  t o
  h y d r o -
dynamic  a s s u m p t i o n s
  a r e ad op t e d ( 1 4 , 48). F o r i n t e r m e d i a t e r e a c
t i o n s ,
  i n t e r p h a s e  t r a n s f e r  g e n e r a l l y becomes  the key
  f a c t o r
  c o n
t r o l l i n g  t h e r e a c t o r
  p e r f o r m a n c e ,
  wi t h t h e  d i s t r i b u t i o n  of gas
between
  a l s o
  p l a y i n g a
  s i g n i f i c a n t r o l e .
  As
  o u t l i n e d
a b o v e ,  a d v a n c e s have been made
  i n u n d e r s t a n d i n g b o t h a r e a s , b u t
models have
  g e n e r a l l y been
  s l o w
  to adopt  c h a n g e s  i n t h e b a s i c
a s s u m p t i o n s
  used in
  e a r l y
  b u b b l e  m o d e l s .  For  f a s t  r e a c t i o n s , t h e
   P   u   b
   l   i   c   a    t   i   o   n    D   a    t  e   :    S   e   p    t  e   m    b   e   r    2    1  ,    1    9   8   1
   |    d   o    i  :    1    0  .   1    0    2    1    /   b    k   -   1    9    8    1   -   0    1    6    8  .  c    h   0
   0    1
In Chemical Reactors; Fogler, H.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1981.
8/18/2019 (ACS Symposium Volume 168) H. Scott Fogler (Eds.)-Chemical Reactors-American Chemical Society (1981) (1)
http://slidepdf.com/reader/full/acs-symposium-volume-168-h-scott-fogler-eds-chemical-reactors-american 21/383
CHEMICAL REACTORS
e x t e n t of a x i a l  m i x i n g of gas in the d e n s e or e m ul s i o n phase and
t h e
 of
  a s s i g n e d to the
 d i l u t e
 phase  a l s o become
i m p o r t a n t .  However, a x i a l gas m i x i n g is
  l e s s
  i m p o r t a n t in  g e n e r
a l  t h a n m i gh t  be
  i n d i c a t e d
 by the d e g r e e of a t t e n t i o n  d e v o t e d to
this  f e a t u r e .  On the o t h e r hand,
  radial
  m i x i n g has r e c e i v e d too
l i t t l e  a t t e n t i o n .
T h e p a p e r s p r e s e n t e d in  this
 symposium
a d v a n c e s
  t h a t
  w i l l be  i m p o r t a n t in the
 1980
f
s.
  T h e s e   i n c l u d e :
( a ) f u n d a m e n t a l l y new  t y p e s of models  u s i n g the power of modern
c o m p u t e r s to s o l v e c o m pr e h e n s i v e g o v e r n i n g e q u a t i o n s (9);
(b) c o n t i n u i n g s t r o n g
  a t t e n t i o n
 on  g a s - s o l i d  r e a c t i o n s as w e l l as
g a s - p h a s e   s o l i d - c a t a l y s e d  r e a c t i o n s ;  (c) un s t e a d y  s t a t e models
s u i t a b l e
 for
 c o n t r o l
  pu r p o s e s (13 , 15);  (d) a t t e n t i o n to
  r a t e -
  s t e p s
 and to s e n s i t i v i t y
  a n a l y s e s ;
  (e)
 of  g r i d
a nd f r e e b o a r d   e f f e c t s ;  (f) i n c l u s i o n of e n e r gy b a l a n c e s ; and
(g) stud y
 and
  radial
  d i s p e r s i o n
  ( 1 3 ) .
  r e a c t o r models have
  c h i e f l y been  u s e f u l
 in the p a s t as an
e d u c a t i o n a l  t o o l in
  a i d i n g
  u n d e r s t a n d i n g of
  f l u i d
  bed p r o c e s s e s
a n d ,  to a
  l i m i t e d
  e x t e n t , for
 s i m ul a t i o n
 of e x i s t i n g
  r e a c t o r s
 and
c h e m i c a l p r o c e s s e s .  If t h e s e
 models
 are to become  u s e f u l a l s o for
d e s i g n ,  s c a l e - up and c o n t r o l of new
 equipment
 and p r o c e s s e s , ad
v a n c e