Compartmentalized modeling of fluidized bed reactors for ethylene polymerization

Fluidized bed reactors are widely used in industry for ethylene polymerization in gas phase. In this work a compartmentalized, multi-phase, steady-state and fully mixed model, based on simplified fluid dynamics correlations, will be developed. This type of model has been selected as reasonable compromise between prediction ability and computational effort. The prediction ability of the model in terms of flow behavior has been validated by comparison with the flow results provided by detailed CFD simulations. The validation was carried out through a series of parametric simulations for conditions of pure fluidization, that is without polymerization reaction and without solid injection and withdrawal. Then, the proposed model has been updated by implementing the polymerization reaction, the feed of catalyst and the withdrawal of polymer, to obtain a first version of macroscale FBR model. The resulting compartmentalized model is finally used to make parametric simulations aimed to investigate the effects of important operating parameters on the system behavior, with emphasis on solid segregation, gas velocity, and broadening of the particle/catalyst size distribution. Very limited effects of the selected parameters on the system behavior have been found, especially due to the highly mixed conditions established, showing that, for the operating conditions typical of Polyethylene FBRs, compartmentalization is not always required.

I reattori a letto fluido sono ampiamente utilizzati, industrialmente, per la polimerizzazione dell'etilene in fase gas. In questo lavoro un modello compartimentalizzato, multi-fase, in condizioni di stazionarietà e di miscelazione perfetta, basato su correlazioni fluidodinamiche semplificate, verrà sviluppato. Questo tipo di modello è stato scelto come ragionevole compromesso tra abilità predittive e sforzo di calcolo. L'abilità predittiva di tale modello è stata validata dal punto di vista fluidodinamico attraverso un confronto con i risultati forniti da dettagliate simulazioni di CFD. La validazione è stata ottenuta attraverso una serie di calcoli parametrici in condizioni di pura fluidizzazione, ovvero senza reazione di polimerizzazione, alimentazione di catalizzatore e prelievo di polimero. Dopodiché, il modello proposto è stato migliorato implementando la reazione di polimerizzazione, l'alimentazione di catalizzatore ed il prelievo di polimero, al fine di ottenere una prima versione di modello di macro-scala. Il modello compartimentalizzato risultante è stato infine utilizzato per fare calcoli parametrici atti ad investigare gli effetti che i più importanti parametri operativi hanno sul comportamento del sistema, concentrandosi sulla segregazione di solido, sull'effetto della velocità del gas, e sul ruolo delle distribuzioni di particelle/catalizzatore. I parametri analizzati hanno mostrato effetti marginali sul comportamento del sistema, specialmente a causa delle condizioni di forte miscelazione, mostrando che, nelle condizioni operative tipiche dei reattori a letto fluido per la produzione di Polietilene, la compartimentalizzazione non è sempre necessaria.