Artur Steiff

Modeling and simulation of bubble column reactors

Abstract The mathematical equations and a comprehensive computer program for modeling and simulating bubble column reactors with internal heat exchange installations are presented. Detailed reactor model equation systems on the basis of the axial dispersion model and the cell model with backflow are developed by linking together the mathematical description o the multiphase flow properties with the momentum, mass and energy balances of the reactor. A highly modular constructed computer program is presented summarizing a lot of theoretical and empirical knowledge about multiphase flow and heat and mass transfer processes in bubble columns. The enhanced possibilities of this new software system are demonstrated by simulating two industrial processes. The methanol synthesis in the slurry phase is chosen in oder to test the model accuracy for a multicomponent reaction system including a hermodynamically balanced chemical reaction. Secondly, the wet air oxidation of municipal sewage sludge in a large-scale slurry bubble column reactor is simulated as an example of a highly exothermic oxidation carried out at extreme pressure and temperature conditions. This chemical process requires special attention for reaction heat removal. The numerical treatment of the algebraic equation system based on the cell model with backflow is easier and leads to average computing times up to 100 times lower than for the reactor model based on the axial dispersion model. The iteration process for solving the boundary value problem runs into numerical convergence difficulties for the case of highly exothermic process conditions with considerable temperature gradients in the reactor. So the finite-difference technique cannot be recommended from a numerical point of view, whereas the cell model formulation allows computations on an IBM-compatible PC (386, 25 MHz) with tolerable computing times of the order of minutes.

Heat transfer in two- and three-phase bubble column reactors with internals

Abstract Indirect and direct heat transfer is an important aspect in the design of bubble column reactors used for many industrial organic and inorganic processes. Longitudinal flow or cross-flow tube-bundle heat-exchangers, jacket cooling, direct evaporative cooling or circulation cooling are possible methods for this purpose. The existing physical and empirical models describing heat transfer in bubble columns are reviewed. The results of experimental investigations of longitudinal-flow and cross-flow tube-bundle heat-exchangers in bubble columns are presented and compared with empirical and semi-theoretical correlations. In the second part of the article the governing equations describing heat transfer in gas/liquid bubble column reactors are derived under the assumptions of the axial dispersion model and the cell model with backflow. For steady-state conditions, the axial dispersion model leads to a boundary value problem consisting of non-linear ordinary differential equations, whereas the cell model with backflow can be represented by a system of non-linear algebraic equations. Both equation systems include strong non-linearities and can be solved only by special numerical methods. As an example of the use of heat-transfer correlations in modelling bubble columns, the wet air oxidation of municipal sewage sludge carried out in a three-phase bubble column reactor (18 m in height, 2 m in diameter) is simulated considering different heat-removal methods. The simulation runs were carried out with the BCR program, which was developed at the University of Dortmund and the UMSICHT institute for the simulation of bubble column reactors operated under industrial conditions.

Wärmeübergang und Druckverlust wässeriger Tensidlösungen in Rohren

ZusammenfassungEine Zugabe geringer Mengen kationischer Tenside in Wasser bewirkt eine Dämpfung der axialen und vornehmlich radialen Turbulenzschwankungen und daraus resultierend eine Verminderung der Rohrreibungsverluste und des Wärmeübergangs gegenüber relnem Wasser. Neu entwickelte mizellare Tensidsysteme erfüllen die von der Fernwärmewirtschaft gestellten Anforderungen an eine hohe thermische und mechanische Langzeitstabilität und können als Reibungsminderer zur Reduzierung der Pumpleistung in den Transport- und Verteilungsleitungen eingesetzt werden. Um die Kosten beim Einsatz reibungsmindernder Tenside in Fernwärmesystemen beurteilen zu können, sind zunächst genauere Daten zum Wärmeübergang und Druckverlust in den für die Wärmeein- und- auskopplung benötigten Wärmetauschern zu ermitteln. In dieser Arbeit werden der Wärmeübergang und der Druckverlust wässeriger Tensidlösungen in geraden Rohren experimentell untersucht und unter Einbeziehung der in der Literatur vorliegenden Informationen zum Strömungsverhalten dieser Lösungen beschrieben. Den Abschluß der Arbeit bildet die Aufstellung einer Berechnungsgleichung für den Wärmeübergang wässeriger Tensidlösungen.

Pilot Plant Tests of Pressure Relief with High‐Viscosity, Reactive and Nonreactive Systems

Pressure relief experiments with a highly viscous nonreactive and runaway reaction system were carried out on the pilot plant scale. Highly viscous reactive and nonreactive polyvinyl pyrrolidone solutions with varying viscosity were chosen as the working fluids. In principle, the pressure relief of systems with and without chemical reactions shows a similar characteristic behavior in view of the influence of the viscosity. Generally, the vapor/liquid disengagement decreases with higher viscosities for both nonreactive and reactive systems.

Identification of Dangerous States in Chemical Batch Reactors Using Neural Networks

Abstract This paper presents a neural network approach to the identification and diagnosis of dangerous states in chemical batch reactors. The efficiency of this approach has been proven when monitoring an exothermic chemical process, i.e. the esterification between acetic anhydride and methanol. For training and for testing the state classifiers, data sets delivered both from a process simulator and measurements in a laboratory reactor were used. The classification behaviour of neural networks is compared with fuzzy pattern classification. Results show that perceptron networks might be successfully applied as an additional supervision method to support the operator in making decisions under critical situations.

Hydrodynamische Einlauflänge und Widerstandsgesetz von reibungsmindernden kationschen Tensidlösungen

ZusammenfassungDurch Zugabe geeigneter Tensidsysteme in Wasser kann der Strömungsdruckverlust in geraden Rohren erheblich gesenkt werden. Die diesem Effekt zugrunde liegenden Mechanismen wurden in früheren Arbeiten eingehend diskutiert. In dieser Arbeit werden neue Ergebnisse vorgestellt, die sowohl die Bestimmung der hydrodynamischen Einlauflänge als auch die Ermittlung der Widerstandsbeiwerte im ausgebildeten Strömungszustand ermöglichen. Für den Bereich der ausgebildeten Rohrströmung wird eine neue Berechnungsgleichung vorgeschlagen. Durch Erweiterung der bisherigen Modellvorstellungen ergibt sich ein Widerstandsgesetz für den gesamten Wirkungsbereich des Tensids. Die Ergebnisse stützen sich auf Untersuchungen mit zwei verschiedenen Additivsystemen, bei denen die Parameter Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Einsatzkonzentration variiert wurden.

Quasi‐One‐Dimensional Modelling of Pressure Relief with Systems of Varying Viscosity

A theoretical background for the dynamic multiphase flow during the pressure relief process is developed on the basis of the balance equations for quasi-one-dimensional vapour/liquid flow. The vapour in the reactor is assumed to consist of two phases with small and large bubbles. The differential mass and momentum conservation equations in the axial direction of the reactor are formulated in Eulerian approach for all three phases with particular regard to the consideration of the interfacial exchange between the phases. Experimental investigations of the pressure relief with systems of varying viscosity in different reactor scales are used for the validation of the developed physical model.

Früherkennung gefährlicher Betriebszustände in Chemieanlagen mit neuronalen Netzen

Prof . Dr . F r a n k P e t e r W e i ß ist D i r ek to r d e s Inst i tuts f ü r S i c h e r h e i t s f o r s c h u n g im F o r s c h u n g s z e n t r u m R o s s e n d o r f e .V . und Inhaber de r P ro f e s su r A n l a g e n s icherhe i l an de r T e c h n i s c h e n Univers i t ä t Dresden . H a u p t a r b e i t s f e l d : S icherhe i t von c h e m i s c h e n und nuk l ea r en A n l a g e n .

Wärmeübergang und Druckverlust wässeriger Tensidlösungen an einer querangeströmten berippten Rohrwendel

ZusammenfassungDurch Zugabe geeigneter Reibungsminderer in das Wasser von Fernwärmenetzen kann der auftretende Druckverlust beträchtlich gesenkt und somit die benötigte elektrische Antriebsenergie der Förderpumpen reduziert werden. Neu entwickelte Tensidsysteme erfüllen die Anforderungen der Fernwärmepraxis an die thermische und mechanische Belastbarkeit. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Beeinflussung des Wärmeüberganges in den für Fernwärmenetze gebräuchlichen Wärmeübertragern. In früheren Arbeiten wurden der Wärmeübergang und der Druckverlust wässeriger Tensidlösungen in geraden Rohren und in Rohrwendeln untersucht. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden in dieser Arbeit der Wärmeübergang und der Druckverlust wässeriger Tensidlösungen bei umströmten Rippenrohren, wie sie bei Brauchwassererwärmern auftreten, untersucht. Das Ziel ist die Darstellung und Beschreibung der auftretenden Effekte beim Einsatz solcher Lösungen, wobei aufgrund der komplexen Strömungszustände bisher keine Berechnungsgleichungen entwickelt werden konnten.

Zur Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von evakuierten Dämmaterialien

Presentation de modeles pour le calcul de la conductivite thermique effective de materiaux isolants dans lesquels on a fait le vide