Faglig innhold

Oversikt og beskrivelse av et utvalg av de reaktortyper som er i industriell bruk, med hovedvekt på fixed bed, fluidized bed, flerfasereaktorer, røretanker og bioreaktorer. Den strukturelle oppbygging av hovedelementene i en reaktormodell: Kinetikk, termodynamikk, strømnings- og transportbeskrivelse og fysikalske data. Med basis i de enkle reaktormodelltyper utvikles homogene og heterogene modeller for flerfasereaktorer. Videre behandles dynamikk, ikke-ideelle strømningsforhold, analyse basert på oppholdstidsfordelingsfunksjoner og populasjonsbalansemodeller.

Læringsutbytte

Etter endt emne skal studentene kunne: - Forstå arbeidsprinsipp/virkemåte for de vanligeste reaktortypene brukt i norsk industri (fixed bed, fluidized bed, bubble column, stirred tank, flerfunksjonelle reaktorer, etc). - Grunnleggende modelleringskonsepter for reaktivflerfasestrømning. Hovedforskjeller på pseudohomogene- og heterogene reaktormodeller. - Forstå komplekse homogene og heterogene reaksjonsskjema og vite hvordan disse introduseres i modellen på en systematisk måte. - Grunnleggende teori for masse- og varmetransport, homogen og heterogen katalyse, reaksjonskinetikk og termodynamikk. Innhente passende korrelasjoner for å bestemme modellparametre (fra litteratur og/eller fra eksperimentelle data). - Diskretisering av beregningsområdet, diskretisere modelligningene ved bruk av enkle numeriske metoder, implementere modellen i Matlab og utføre simuleringer av kjemiske prosesser i industrielle reaktorer. - Grunnleggende prinsipper for dimensjonering, oppskalering og optimisering av drift av reaktorer basert på modellsimuleringer. - Forstå samspillet mellom teoretiske og eksperimentelle analyser som redskaper i arbeidet med å optimalisere eksisterende kjemiske prosesser og for å minimere utviklingskostnader for nye prosesser. - Utlede modelligninger for å beskrive forløp av konsentrasjons-, temperatur, og trykkprofiler i reaktorene med utgangspunkt i de generiske mikroskopiske balanse- og konserveringsigningene. Formulere passende grensebetingelser. - Utlede pelletligningene for katalysator med utgangspunkt i de generiske mikroskopiske balanse- og konserveringsigningene. Formulere passende grensebetingelser. - Utføre numeriske analyser av effekter av variasjon i driftbetingelser som strømningshastighet, kjemisk sammensetning, temperatur og trykk for et utvalg av kjemiske prosesser (e.g., SMR). - Skille mellom industrielle reaktordesign (se forrige pkt) og teoretiske modeller (CSTR, PFR, etc). - Modellere, implementere og simulere relevante industrielle kjemiske prosesser driftet i representative reaktorer. - Vurdere nøyaktighet av numeriske beregninger. - Vurdere om simuleringsresultatene er rimelige. Sammenligne simuleringer med måledata. Modellvalidering.

Læringsformer og aktiviteter

Det generelle underlaget fra reaktormodellering vil bli gjennomgått i forelesninger og prosjektoppgaver. Fire obligatoriske prosjekter må være godkjent for å få adgang til eksamen. I prosjektoppgavene arbeider studentene med å anvende modelleringskonseptene på aktuelle problemstillinger innen petrokjemi, biokjemi, miljøkjemi, og andre beslektede fagområder og ved bruk av Matlab. Forventet arbeidsmengde er tre timer med forelsensninger, to timer med øvinger og sju timer med selvstudie per uke. Totalbelastningen i faget er 200 timer fordelt på forelesninger (25%) og prosjekter/selvstudium (75%).

Anbefalte forkunnskaper

Emne TKP4110 Kjemisk reaksjonsteknikk, emne TKP4160 Transportprosesser og elementært grunnlag i numeriske metoder. Emnet er lagt opp etter studieprogrammets obligatoriske forutgående fagkrets, men vil kunne følges av studenter fra andre studieprogram, eventuelt etter innføring ved selvstudium.

Kursmateriell

Jakobsen, H. A.: Chemical Reactor Modeling: Multiphase Reactive Flows, SPRINGER, 2nd edition, 2014 og utleverte notater.

Studiepoengreduksjon