Computational study of particle distribution development in a cold-flow laboratory scale downer reactor

• López-Montoya, Tatiana ^[1] ; Bustamante, Carlos Andrés ^[1] ; Nieto-Londoño, Cesar ^[1] ; Gómez-Velásquez, Natalia ^[1]
  1. [1] Universidad Pontificia Bolivariana

     Universidad Pontificia Bolivariana

     Colombia

     
• Localización: CT&F - Ciencia, tecnología y futuro, ISSN-e 0122-5383, Vol. 11, Nº. 1, 2021, págs. 33-46
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Estudio computacional del desarrollo de la distribución de partículas en un reactor downer en frío a escala de laboratorio
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• Resumen
  • español

    El uso de reactores tipo downer (flujo de sólidos y gas en dirección de la gravedad) cada día es más común en el proceso de craqueo catalítico (FCC, por su siglas en inglés) para el refinamiento de crudos pesado en productos de mayor valor. Este tipo de reactores es caracterizado por presentar distribuciones axiales y radiales de flujo homogéneas, evitando el retro mezclado, y por tener tiempos de residencia menores en comparación con reactores tipo riser. A pesar de que los reactores downer son empleados desde hacevarias décadas, la información disponible en la literatura acerca del comportamiento hidrodinámico en procesos FCC a escala industrial es escasa. Por lo tanto, es necesario llevar a cabo estudios experimentales y computacionales con el objetivo de mejorar el entendimiento de la hidrodinámica del flujo bifásico en dirección de la gravedad. El software de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) Ansys Fluent, es empleado para estudiar el flujo bidimensional de gas (aire) y sólidos (partículas de catalizador) en la sección downer de un sistema frío de lecho fluidizado circulante (CFB, por su siglas en inglés) a escala de laboratorio. El modelo computacional implementado es validado mediante la comparación de resultados numéricos, para las distribuciones de velocidad y fracción volumétrica de sólidos, con las mediciones realizadas en el sistema CFB con una sonda de fibra óptica de velocimetría láser. De acuerdo con los resultados numéricos obtenidos para diferentes velocidades de gas y flux de sólidos, el desarrollo de flujo no puede ser estimado sólo con base en cambios de la velocidad axial a lo largo del reactor. Es necesario considerar las variaciones axiales de la fracción volumétrica puesto que los perfiles radiales pueden cambiar incluso cuando los perfiles de velocidad están desarrollados.

  • English

    The use of downer reactors (gas-solid co-current downward flow) in the Fluid Catalytic cracking (FCC) process for the upgrading of heavy crude oil into more valuable products has gradually become more common in the last decades. This kind of reactor is characterized by having homogeneous axial and radial flow structures, no back mixing, and shorter residence times as compared with the riser reactor type. Although downer reactors were introduced a long time ago, available information in literature about the multiphase hydrodynamic behavior at FCC industrial scale is scarce. Therefore, it is necessary to conduct experimental and computational studies to enhance the understanding of the hydrodynamics of two-phase co-current downward flow. The Computational Fluids Dynamics (CFD) software, Ansys Fluent, is used to study two-dimensional gas (air) and solid (catalyst particle) flow in a downer section of a cold-flow circulation fluidized bed (CFB) system at a laboratory scale. The implemented computational model is validated by comparing numerical results for solid velocity and volume fraction with measurements carried out on a CFB system using a fiber-optic probe laser velocimeter. According to numerical results obtained for different gas velocity and solid flux, flow development cannot only be estimated by considering solid axial velocity changes along the reactor; it is also necessary to take into account solid volume fraction axial variations as radial profiles can change even when velocity profiles are developed.