Optimal temperature policies for catalytic transport reactors under periodic operation

Authors


Abstract

The influence of inlet gas concentration cycling on the optimal temperature policy of catalytic transport reactors is studied theoretically. The model considered is based on plug flow of gas and catalyst particles with negligible interand intra-particle diffusional resistances and concentration dependent deactivation kinetics. To utilise the concentration of the reactant and the activity of the deactivating catalyst fully a proper temperature sequence along the reactor is needed. Thus, a general optimal temperature policy using the continuous minimum principle is derived for the reactor under periodic operation. The model equations are solved analytically for gas concentration, activity and temperature profiles. Resonance behaviour (maximum in conversion with pulse width) is obtained using the optimal temperature policy for certain sets of parameters. The effects of activation energy groups, reaction and deactivation constant groups and inlet temperature on the optimal temperature policy under periodic operation are evaluated. In all cases an improvement in conversion with the optimal temperature policy under periodic operation over that with an isothermal policy under periodic operation is obtained. A suboptimal policy, comprising constant temperature over different reactor sections, which is useful for implementation purposes is also discussed.

Abstract

On a étudié de rnanière théorique l'influence du gaz d'entrée en recyclage sur la stratégie de température optimale pour des réacteurs à transport catalytique. Le modèle proposé est basé sur l'éoulement piston de particules de catalyseur et du gaz avec des résistances diffusionnelles inter et intra-particulaires négligeables et une cinétique de désactivation dépendante de la concentration. Afin d'utiliser pleinement la concentration du réactif et l'activité du catalyseur de désactivation, un profil de température approprié est néessaire le long du réacteur. A cette fin on a établi une stratégie générale de température optimale basée sur le principe du minimum continu pour un réacteur fonctionnant en mode harmonique. Les équations du modèle sont résolues de manière analytique pour les profils de concentration du gaz, d'activité et de tempéature. Le comportement en résonance (maximum de conversion avec la largeur d'impulsion) est obtenu à l'aide de la stratkgie de température optimale pour certains jeux de paramètres. On a évalué les effets des groupes de l'énergie de désactivation, de constantes de désactivation et de réaction, ainsi que les effets de la température d'entrée sur la stratégie de température optimale en mode harmonique. Dans tous les cas, on obtient une amélioration de la conversion avec la stratégie de température optimale par rapport à une stratégie isotherme pour un mode harmonique. Une stratégie sous-optimale en partie basée sur une température constante à différentes sections du réacteur et utile sur le plan pratique est également étudiée.

Ancillary