Analog simulation of a plug flow tubular reactor

127 Pages·2016·5.27 MB·English

by  Jon Douglas Carson

SScchhoollaarrss'' MMiinnee
Masters Theses Student Theses and Dissertations
1967
AAnnaalloogg ssiimmuullaattiioonn ooff aa pplluugg flflooww ttuubbuullaarr rreeaaccttoorr
Jon Douglas Carson
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Carson, Jon Douglas, "Analog simulation of a plug flow tubular reactor" (1967). Masters Theses. 7045.
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ANAlDG SIMULATION OF A PLOO
FLOW TUBULAR REACTOR
JON
A
THESIS
submitted to the faculty or
THE UNIVERSITY OF MISSOURI AT ROLLA
in partial fulfillment of the requir.ments for the
Degree of
MASTER OF SCIENCE IN CHE20:CAL ENGINEERING
Rolla, Missouri
1967
Approved by
ii
ABSTRACT
'Ibis thesis stresses the importance of anal.og and digital computers
•.
in the field of reaction kinetics. 'lbe analog computer is used to
simulate a chemical reaction, the hydrolysis of acetic anhydride. The
hydrolysis reaction takes place in a tubular reactor. The reactor is
3/4 inch in diameter and 20 feet long. These reactor dimensions allow
the reaction system to approach plug flow, if the reactants now through
the reactor at turbulent flow rates.
'lhe reactor, system is used to obtain experimental data
~ical,
for the hydrolysis reaction. The data is obtained at reactor
temperatures between 75 and 100°F. Feed concentrations of acetic
anhydride range between 0.0340 and 0.0760 lb.moles/ft.3. 'lbe experi
mental data is compared with the analog simulation at various feed
temperatures and feed concentrations of acetic ~de. 'lbe analog
simulation success~ follows these changes in initial conditions.
PACTOLUS, a digital analog simula.tor, provides a check on the
validity of the analog simulation. The PACTOLUS simulation confirms
the results obtained from the analog simul.ation.
iii
TABLE OF CONTENTS
Page
LIST OF FIG U.RES ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• v
LIST OF 'rABLES •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• vii
I. IN'rRODUCTION .M4"'D RESEARCH PLAN • ••••••••••••••••••• 1
II. REVIl!."W OF LITERATURE • ••••••••••••••••••••••••••••• 3
A. General Survey •••••••••••••••·••••••••••••••• 3
1. Plug Flow ••••••••••••••••••••••••••• ·• • 3
2. Axial Mixing •••••••••••••••••••••••••• 4
3. Radial Mixing ••••••••••••••••••••••••• 5
4. Entrance Effects •••••••••••••••••••••• 6
5. Radial Temperature Variations ••••••••• 6
6. Plug Flow Design Criterion •••••••••••• 7
B. Experimental Tubular Reactors •••••••••••••••• 8
c.
Tubular Reactor Simulation ••••••••••••••••••• 9
1. Analog Simulation ••••••••••••••••••••• 10
2. Hybrid Simulation ••••••••••••••••••••• 11
D. Hydro~sis of Acetic Anhydride ••••••••••••••• 12
1. Kinetic Studies ••••••••••••••••••••••• 12
2. Heat of Hydrolysis •••••••••••••••••••• 16
3. Aniline~Iater Method •••••••••••••••••• 17
III. SIMULATION OF THE REACTOR SYSTEM • ••••••••••••••••• 18
A. Introduction ••••••••••••••••••••••••••••••••• 13
B. Derivation of Differential Equations ••••••••• 18
1. Material Balance •••••••••••••••••••••• 19
2. Energy Balance •••••••••••••••••••••••• 19
c.
Dimensionless Equations •••••••••••••••••••••• 20
D. Analog Scaling ••••••••••••••••••••••••••••••• 21
E. Numerical Value of Constants ••••••••••••••••• 21
F~ Analog Program ••••••••••••••••••••••••••••••• 22
G. PACTOLUS Simulation •••••••••••••••••••••••••• 31
H. Other ~sical Situations •••••••••••••••••••• 31
1. Nonadiabatic Reactor •••••••••••••••••• 31
2. Second Order Reaction Kinetics •••••••• 37
IV. EXPERIMENTAL EQUIFMENT •••••••••••••••••••••••••••• 44
A. Description of Reactor ••••••••••••••••••••••• 44
B. Description of Supporting Equipment •••••••••• 45
1. Tanlcs ••••••••••••••••••••••••••••••••• 45
2. .Plm!.,PS ••••••••••••••••••••••••••••••••• 45
3. Rotameters •••••••••••••••••••••••••••• 47
c.
Process Description •••••••••••••••••••••••••• 47
D. Equipnent Layout ••••••••••••••••••••••••••••• 48
E. Calibration of Equipment ••••••••••••••••••••• 48
1. ThermocouPles ••••••••••••••••••••••••• 48
2. Rotameters •••••••••••••••••••••••••••• 48
iv
v.
PLAN OF EXPERDIENTS AND EXPERIMENTAL PROCEDURE • •••• 53
A. 53
Plano£ Experiments •••••••••••••••••••••••••••
B. Aniline~ater Method •••••••••••••••••••••••••• 53
1. of ••••••••••• 53
Preparat~on An111ne~ater
2. Methods of Analya~s •••••••••••••••••••• S4
ss
3. Reliab11ity of Aniline-water Method ••••
c.
Temperatures •••••••••••••••••••••••••••••••••• 55
D. Reactant Flaw Rates ••••••••••••••••••••••••••• 56
E. Effect of Mixing Pump on Experimental. Procedure 56
VI. DISCUSSION OF RESULTS •••••••••••••••••••••••••••••• 57
A. Experimental Data ••••••••••••••••••••••••••••• 57
B. Response CbaracterisUcs of the Adiabat~c
Tubular Reactor Simulat~on •••••••••••••••••••• 57
c.
CCIIlparison of Data with the Simul.at~on •••• •••. 57
D. o£ Heat Transfer to the
Signif~cance
60
Experimental Reactor ••••••••••••••••••••••••••
E. Resu1ts o£ 2nd order Simulation ••••••••••••••• 81
VII. CONCLUSIONS •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 82
VIII. RECOMMENDATIONS •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 83
A. llterations and Additions to Equipaent •• •••••• 83
83
1. Reactor ••••••••••••••••••••••••••••••••
83
2. H20 Feed Tank ••••••••••••••••••••••••••
3. Sealed SampJ ing Procedure •••••••••••••• 83
B. Possibilities for Future St~ •••••••••••••••• 84
1. D~spersion Studies ••••••••••••••••••••• 84
IX. BIBLIOGRAPHI • •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 85
x.
NOMENCLATURE • •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 88
XI. APPENDIX •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Ap~ A •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 90
1. Apparatus •••••••••••••••••••••••••••••• 90
2. Chemicals •••••••••••••••••••••••••••••• 92
3. Operating Instructions ••••••••••••••••• 92
B. 9J
Appendix B ••••••••••••••••••••••••••••••••••••
1. Experimental Data •••••••••••••••••••••• 9J
2. PACTOLUS Runs •••••••••••••••••••••••••• 102
c. Appendix C (Sample CalculaUons) •••••••••••••• 110
D. Appendix D (Anal.og Symbols) ••••••••••••••••••• 111
E. Appendix E (Offset Scaled Anal.og Program) ••••• 113
XII. ACKNOWLBDGEMERT •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 118
XIII. VITA ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 119
v
LIST OF FIGURES
Figures Page
1. Analog program for the 1st order, plug flow tubular reactor 23
2. Effect of feed temperature on the reactor temperature ••• ••• 25
3. Effect of teed temperature on the reactor concentration •••• 26
4. Effect of feed concentration on the reactor temperature •••• 27
5. Effect of feed concentration on the reactor concentration • • 28
6. Effect of fiuid velocity on the reactor t•perature • • ••• •• • 29
1. Effect of fluid velocity on the reactor concentration • • • •• • 30
8. PACTOLUS flow diagram for the plug flow tubular reactor 32
••••
9. Comparison of reactor temperature by the analog and
PACTOLUS programs ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 33
to.
Comparison of reactor concentration by the analog and
PACTOLUS programs •••••••••••••••••••••••••••••••••••••
11. Analog additions to figure 1 to simulate a nonadiabatic
tubular reactor ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 36
12. Effect of overall heat transfer coefficient on the reactor
temperature •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
13. Effect of overall heat transfer coefficient on the reactor
concentration ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 39
14. Analog program modifications (figure 1) to simulate 2nd order
tubular reactor ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 41
15. Effect of feed concentration on the 2nd order tubular
reactor temperature ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 42
16. Effect of teed concentration on the 2nd order tubular
reactor concentration ••••••••••••••••••••••••••••••••• 43
17. Process flow sheet ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 46
18. Equipment ~out sketch •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 49
19. Calibration curve for the a.nJvdride rotameter • • • • •• • • • • • • • • .51
20. Reproduction of Brooks calibration curve ••••••••••••••••••• .52
vi
Figures Page
21. Run 7, reactor temperature versus reactor l.ength •• • • • ••• • • 61
22. Run 7, reactor concentration versus reactor l.ength • • • • • • • • 62
23. Run 8, reactor temperature versus reactor l.ength • • • • • • • • • • 63
24. Run 8, reactor concentration versus reactor l.engt.h • • • • • • • • 64
25. Run 10, reactor temperature versus reactor l.ength • • • • • • • • • 6.5
26. Run 10, reactor concentration versus reactor l.ength • • • • • • • 66
27. Run 11, reactor t.D.perature versus reactor l.ength • •••••••• 67
28. Run 11, reactor concefttration versus reactor l.ength • • • • • • • 68
29. Run 12, reactor temperature versus reactor l.ength • • • • • • • • • 69
30. Run 12, reactor concentration versus reactor l.ength • • • • • • • 70
31. Run 13, reactor t•perature versus reactor l.ength • • • • • • • • • 71
32. Run 13, reactor concentration versus reactor l.ength • • • • • • • 72
33. Run 12, reactor temperature versus reactor l.ength for the
nanadiabatic tubular reactor ••••••••••••••••••••••••• 74
34. Run 12, reactor conc8l'ltration versus reactor l.ength for the
nanadiabatic tubUlar reactor ••••••••••••••••••••••••• 7.5
3.5. Run 13, reactor temperature versus reactor l.ength for the
nonadiabat1c tubular reactor ••••••••••••••••••••••••• 76
36. Run 13, reactor concentration versus reactor length for the
nonadiabatic tubular reactor ••••••••••••••••••••••••• 77
37. Run 11, reactor temperature versus reactor length for the
nonadiabatic tubular reactor ••••••••••••••••••••••••• 78
38. Run 11, reactor concentration versus reactor l.engtb for the
nonadiabatic tubular reactor ••••••••••••••••••••••••• 79
39. Otfset scaled analog program •••••••••••••••••••••••••••••• 115
40. Run 12, reactor temperature versus reactor l.ength b7 offset
scaled analog program •••••••••••••••••••••••••••••••• 116
41. Run 12, reactor concentration versus reactor length by
offset scaled analog progra. ••••••••••••••••••••••••• 117
LIST OF TABI,F.S
Table Page
I. ~ ot tb &tper:lmental Runs ••••••••••••••••••••• S8
II. Potenticmeter Set't!Dga for Runs 1 to 13 •••••••••••••• S9
m.
Data tor C~bratiGD of ~· Rotameter •••••••••• 94
IV. Data tram Run 1 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9S
v.
Data t.raa RaD 8 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 96
VI. Data tram BUD 9 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 97
VII. Data fltOJil R\m 10 • •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 98
rraa
1III. Data Ibm 11 • •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 99
II. Data trGa lbm 12 • •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 100
x.
Data tram Ibm 13 • •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 101
I. D~TRODUCTION AND RESEARCH PUN
The goal this research project is to simulate a chemical
o~
reaction system on the analog computer and to validate the simulation.
Simple reaction systems, 1st order-irreversible, are not to
di~ficult
simulate; however, very little has been published on this subject.
This type work is important, since it leads to methods
o~ hope~ully
for simulation of more complicated reactor systems. Of course better
and more straightforward methods are necessary before common use of
these techniques can take place.
A ~sical system serves two purposes: (1) a guide for making the
assumptions on which the :ralh.ematical model of the system is based and
(2) a check on the accuracy of the simulation. The physical system
for this project is a tubular reactor. The following requirements
eliminate most reactions as possibilities: the reaction must be
(1) liquid phase, (2) exothermic, and (3) zero or first order.
Further, the kinetics of this reaction must be well established in order
to calculate potentiometer settings for the analog simulation. If
possible, the reaction should not have been studied at turbulent flow
rates in a tubular reactor.
These requirements are difficult to meet; however, the hydrolysis
of acetic anhydride is an acceptable reaction and is chosen for the
reaction system.
'I'he thesis contains the following major topics ( 1) a review of the
literature, (2) an analog simulation of the reactor system, (3) a
discussion of the design of the reactor, (4) the experimental procedure
2
and experimental data, and (5) a comparison of the experiment.a1 data
nth the analog simulation.