Scale Effects in Laboratory and Pilot-Plant Reactors for Trickle-Flow Processes Les conséquences de l'extrapolation appliquée aux procédés à écoulement ruisselant réalisés en laboratoire et dans les réacteurs des unités-pilotes

Abstract

Research and development studies in a laboratory are necessarily conducted on a scale which is orders of magnitude smaller than that in commercial practice. In the case of the development and commercialization of an unprecedented novel process technology, available laboratory results have to be translated into envisaged technology on a commercial scale, i. e. the problem is that of scaling-up. However, in many circumstances the commercial technology is more or less defined as far as type of reactor is concerned and laboratory studies are concerned with the generation of predictive information on the behaviour of new catalysts, alternative feedstocks, etc. , in such a reactor. In many cases the complexity of feed composition and reaction kinetics preclude the prediction to be made on the basis of a combination of fundamental kinetic data and computer models, so that there is no other option than to simulate the commercial reactor on a laboratory scale, i. e. the problem is that of scaling-down. From the point of view of R & D Defficiency, the scale of the laboratory experiments should be as small as possible without detracting from the meaningfulness of the results. In the present paper some problems in the scaling-down of a trickle-flow reactor as applied in hydrotreating processes to kinetically equivalent laboratory reactors of different sizes will be discussed. Two main aspects relating to inequalities in fluid dynamics resulting from the differences in scale will be treated in more detail, viz. deviations from ideal plug flow and non ideal wetting or irrigation of the catalyst particles. Although a laboratory reactor can never be a true small-scale replica of a commercial trickle-flow reactor in all respects, it can nevertheless be made to provide representative data as far as the catalytic conversion aspects are concerned. By ressorting to measures such as catalyst bed dilution with fine catalytically inert material it proves possible to carry out meaningful process research on hydrotreating processes on the scale of micro-reactors. Les études et mises au point effectuées en laboratoire sont nécessairement effectuées à plus petite échelle que les réalisations commerciales. Dans le cas de la mise au point et de la commercialisation de la technologie d'un procédé nouveau, il faudra traduire les résultats obtenus en laboratoire pour la technologie envisagée à l'échelle commerciale; le problème est donc l'extrapolation vers le haut. Cependant, bien souvent, la technologie commerciale, pour ce qui touche au type de réacteur, est plus ou moins bien définie et les études de laboratoire s'attachent à produire des données permettant de prévoir le comportement qu'auront dans ce réacteur des catalyseurs nouveaux, de matières premières de substitution, etc. Dans bien des cas, étant donné la complexité de la composition de la matière première et la cinétique de réaction, il est impossible de mener la prévision en s'appuyant sur les données cinétiques et les modèles informatiques, de sorte qu'il n'y a pas d'autre solution que la simulation du réacteur commercial à l'échelle du laboratoire; le problème est donc l'extrapolation vers le bas. Du point de vue de l'efficacité des études de recherche et développement, pour les expériences en laboratoire, l'échelle devra être aussi petite que possible sans nuire à la signification des résultats. Le présent article examine certains problèmes liés à l'extrapolation vers le bas d'un réacteur à écoulement ruisselant telle qu'elle est appliquée dans les procédés d'hydrotraitement à des réacteurs de laboratoire de tailles différentes cinétiquement équivalents. Deux aspects principaux relatifs à des inégalités de dynamique des fluides résultant de différences d'échelle sont décrits plus en détail, i. e. les écarts par rapport à un écoulement idéal donnant lieu à un effet bouchon et au mouillage ou à l'irrigation non-idéal des particules de catalyseur. Bien qu'un réacteur de laboratoire ne puisse jamais être la réplique exacte à petite échelle d'un réacteur commercial à écoulement ruisselant, il peut néanmoins être conçu de façon à fournir des données représentatives en ce qui concerne les aspects de la conversion catalytique. En considérant les mesures telles que la dilution du lit de catalyseur à l'aide d'un produit inerte du point de vue catalytique, il se révèle possible de mener à bien une recherche significative sur les procédés d'hydrotraitement à l'échelle des micro-réacteurs.