Dynamic simulation of packed bed reactors : general framework and industrial applications

Both the research and the industrial worlds are often faced with the task of developing mathematical models for the simulation of chemical processes; what is even more time- and resource-consuming is the development of different models for different applications and the difficulty in switching between research-level modelling and industrial-level modelling, which may have different and even conflicting targets. This contributes to the separation of the two realities. The main goal of this thesis is therefore the preparation of a general mathematical model of a catalytic reactor, which compromises between the level of detail required in academia and the speed and ease of use sought after in industry. This model has been implemented in a framework that allows the user to quickly simulate different problems with very few modifications to the data. The system has been validated with experimental data from a miniplant and tested on an industrial application, a plantwide CLAUS process simulation. Next a parameter estimation routine, following the same principles of usability, has been developed where some criticalities have emerged. In the end, an overview of a possible future application of the model, experimental design, has been carried out, highlighting the concepts behind it and showing solutions and examples.

Sia il mondo accademico sia quello industriale si confrontano spesso con la difficoltà di sviluppare modelli matematici per la simulazione di processi chimici; un ulteriore consumo di tempo e risorse è dato dalla necessità di modelli diversi per applicazioni diverse e dalle complicazioni dovute al passaggio tra la modellazione per la ricerca e quella per l'industria, che possono avere scopi diversi e perfino in conflitto. Tutto ciò contribuisce alla separazione delle due realtà. L'obiettivo di questa tesi è quindi la scrittura di un modello matematico generalizzato per un reattore catalitico, che sia un compromesso fra il livello di dettaglio richiesto dalla ricerca e la velocità e facilità di utilizzo voluti dall'industria. Questo modello è stato inserito in una struttura che permette all'utente di simulare velocemente problemi diversi con poche modifiche ai dati. Il sistema è stato convalidato con dati sperimentali da un impianto pilota e testato su un'applicazione industriale. Successivamente è stata sviluppata una funzione di stima dei parametri che seguisse lo stesso principio di adattabilità, e da cui sono emersi alcuni punti critici del sistema. Al termine, è stata data una visione d'insieme di una possibile applicazione futura, il design degli esperimenti, mettendo in evidenza i concetti alla base e mostrando soluzioni ed esempi.