Hydrodynamic and thermal experimentation on square-based spouted beds for polymer upgrading and unit scale-up

Authors

  • Carlo Beltramo,

    1. Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica, Politecnico di Torino, C.so Duca degli Abruzzi, 24 10129 Torino, Italy
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  • Giorgio Rovero,

    Corresponding author
    1. Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica, Politecnico di Torino, C.so Duca degli Abruzzi, 24 10129 Torino, Italy
    • Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica, Politecnico di Torino, C.so Duca degli Abruzzi, 24 10129 Torino, Italy
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  • Giuliano Cavaglià

    1. Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica, Politecnico di Torino, C.so Duca degli Abruzzi, 24 10129 Torino, Italy
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  • This article is a contribution to the special issue on Spouted Beds that was produced recently in honour of Prof. N. Epstein.

Abstract

This paper presents the results from an extensive experimentation on polyester chips heating, crystallization and upgrading in three different size spouted bed units: a cylindrical 0.15 m diameter × 1.3 m tall, a 0.35 m square-based × 2.1 m tall parallelepiped and a sextuple multi-spouting 0.7 × 1.05 m2 demonstration reactor for solid state post-polymerization. The first apparatus was finalized to measuring several process operating variables (maximum gas temperature at the inlet, overall heat transfer coefficient and particle agglomeration tendency); the second unit provided the hydrodynamical data necessary to scale-up the system, insert into a PET upgrading process of 30 ton/day operating capacity and partially replace a bubbling fluidized bed heating/crystallizing unit. The ultimate goal of the project consisted in intensifying the process design by saving gas compression and thermal energy. The hydrodynamical findings of the squared modular unit were compared against several existing correlations: Manurung's equations for the maximum pressure drop and the pressure drop at stable spouting required a minimal alteration; Mathur and Gishler's equation properly fitted the experimental minimum spouting velocity. The continuously operating multiple spouting apparatus showed that regulating the solids level was an issue mainly due to the very large particle throughput, if related to the mixing efficiency of each module; reciprocal interference between spouted bed cells was manifested.

Abstract

Ce document présente les résultats d'une vaste expérimentation sur le chauffage, la cristallisation et l'enrichissement de la concentration de copeaux de polyester dans trois dispositifs à lits jaillissants de dimensions différentes: un lit cylindrique de 0,15 m de diamètre par 1,3 m de hauteur, un lit à base carrée de 0,35 m par 2,1 m de hauteur en parallélépipède et un réacteur de démonstration à jaillissement sextuple de 0,7 par 1,05 m2 en vue de la post-polymérisation à l'état solide. Le premier appareil a été mis au point dans le but de mesurer plusieurs variables de fonctionnement du processus (la température maximale des gaz à l'admission, le coefficient de transfert thermique global et la tendance d'agglomération des particules); le deuxième appareil a fourni les données hydrodynamiques nécessaires pour mettre le système à l'échelle, introduire un procédé d'enrichissement de la concentration du PET d'une capacité de fonctionnement de 30 tonnes/jour et pour remplacer partiellement un appareil de chauffage/cristallisation à lit bouillonnant fluidisé. Le but ultime du projet consistait à intensifier la conception du processus en économisant la compression des gaz et l'énergie thermique. Les constatations hydrodynamiques de l'appareil modulaire équerré ont été comparées à plusieurs corrélations existantes: les formules de Manurung concernant la chute de pression maximale et la chute de pression dans des conditions de jaillissement stables ont dû être légèrement modifiées; la formule de Mathur et Gishler a bel et bien correspondu à la vitesse de jaillissement minimale expérimentale. Les nombreux appareils jaillissants en fonctionnement continu ont montré que la régulation du niveau de solides a posé un problème, principalement en raison du très grand débit de particules, s'il était lié à l'efficacité du mélange de chacun des modules; une interférence réciproque entre les cellules de lits jaillissants s'est manifestée.

Ancillary