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Keywords:

  • CFRR;
  • catalytic combustion;
  • heat and mass transfer;
  • DOE;
  • model predictive control

Abstract

The combustion of lean methane air mixtures in a catalytic flow reversal reactor (CFRR) is studied using a two dimensional heterogeneous continuum model, based on mole and energy balance equations for the solid (the inert and catalytic sections of the reactor) and the fluid phases. Following a design of experiments (DOE), many simulations were carried out to investigate the reactor performance. The results show the impact on the methane conversion and the maximum temperature in the reactor of key process parameters such as the methane inlet concentration, the superficial gas velocity, the switching time, and the mass extraction rate. A simple empirical model is deduced to predict the maximum temperature and conversion of methane in the reactor at stationary state. This model is combined with a model predictive control (MPC) strategy in the form of a terminal constraint to improve the controller performance. Results show that the control of the reactor is improved.

On étudie la combustion de mélanges pauvres d'air et de méthane dans un réacteur catalytique à inversion d'écoulement (RCIE) à l'aide d'un modèle de continuum hétérogène bidimensionnel, fondé sur des équations d'équilibre molaire et énergétique des phases solides (les sections inertes et catalytiques du réacteur) et fluides. En suivant un plan d'expériences (PE), plusieurs simulations ont été effectuées pour étudier le rendement du réacteur. Les résultats montrent l'effet exercé sur la conversion du méthane et la température maximale dans le réacteur par les paramètres de fonctionnement essentiels, comme la concentration d'entrée du méthane, la vitesse superficielle des gaz, le temps de commutation et le taux d'extraction de masse. On en déduit un modèle empirique simple pour prédire la température maximale et la conversion optimale du méthane dans le réacteur à l'état stationnaire. Ce modèle est combiné à une stratégie de contrôle prédictif des modèles (CPM) sous forme de contrainte terminale dans le but d'améliorer le rendement du contrôleur. Les résultats montrent que le contrôle du réacteur s'est amélioré.