Residence time distributions have become an important analytical tool in the analysis of many types of flow systems. Residence time distributions have proven to be effective for analysing trickle bed reactors, as it allows determination of parameters under operating conditions allowing no interference of these conditions. By studying the residence time distribution a great amount of information can be obtained and therefore used to determine a number of hydrodynamic parameters. Due to recent findings that prewetting has a tremendous effect on a number of hydrodynamic parameters such as holdup, wetting efficiency and pressure drop, it is therefore the aim of this study to investigate the effect of trickle flow morphology or prewetting on a trickle bed reactor. The residence time distribution is obtained whereby hydrodynamic parameters are determined and therefore the effect the flow morphology has on various hydrodynamic parameters is highlighted. A number of methods were used to determine these parameters, namely that of the best-fit method, whereby the PDE model was used, and the method of moments. Operating conditions included varying gas and liquid flow rates for porous and non-porous catalyst particles at atmospheric pressure. The different prewetting procedures used during this work included the following: <ul><li>Non-wetted </li> <li>Levec-wetted </li> <li>Super-wetted</li></ul> From this investigation the following conclusions were made: <li>Prewetting has a great effect on the hydrodynamic parameters of trickle bed reactors</li> <li>The differences in prewetting can be attributed to differing flow morphologies for the different prewetted beds i.e. the dominant flow morphology for a non-wetted bed is that of rivulets and for prewetted beds that of film flow</li> <li>It was also found that at low liquid flow rates the flow morphology in prewetted beds changes from film flow to a combination of rivulet and film flow</li> <li>The different flow morphologies for prewetted and non prewetted beds was confirmed by the residence time distributions and various parameters obtained there from</li> <li>At low liquid flow rates the flow morphology becomes a more predominant factor in creating the tailing effect present in residence time distribution for prewetted beds</li> <li>The tailing effect in residence time distributions is a result of both internal diffusion and liquid flow morphology, where the liquid flow morphology is the more dominant factor</li> <li>The use of residence time distributions to determine a number of hydrodynamic parameters proved to be very useful and accurate by means of different methods, i.e. method of moments and best-fit method</li> <li>Differences in the liquid holdup determined from the method of moments and the weighing method confirmed that different flow morphologies exist for different prewetted beds</li> <li>An increase in the dispersion coefficient with prewetting was observed indicating that the amount of micro mixing is different for the different prewetted beds</li> <li>Differences in residence times and high values for the dynamic holdup, for the porous packing, confirmed that the PDE model does not model well the porous packing response curves due to the lack of internal diffusion and internal holdup in this model</li> <li>The dynamic-static mass transfer showed that film flow, as in prewetted beds, results in slower mass transfer as opposed to rivulet flow and therefore it is concluded that prewetting results in different flow morphologies.</li></ul> Following this study it is recommended that a residence time distribution model be used or developed that incorporates the effects of internal diffusion and internal holdup as present in porous catalyst particles. In addition, it was found that very few correlations could accurately predict hydrodynamic parameters due to the absence of the effect of prewetting and therefore it is recommended that correlations be developed that incorporate the effect of prewetting. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2008. / Chemical Engineering / unrestricted

Für die Modellierung der Hochdruck-Partialoxidation von Heiz- und Schweröl werden zunächst Untersuchungen des Einsatzstoffes durchgeführt, um deren Verdampfungs- und Pyrolyseverhalten zu bestimmen. Dazu wird das Verfahren der Hochdruck-Thermogravimetrie verwendet. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik unter Anwendung von detaillierten Reaktionsmechanismen und eines umfangreichen Partikelmodells werden die Zustände im Reaktor modelliert. Die Validierung mit Verweilzeitmessungen wird demonstriert und damit verbundene Probleme aufgezeigt. Anhand von Untersuchungen am Vergasungsrückstand kann die Existenz von Cenosphären (Tropfenrückstände) und von in der Flamme gebildetem Ruß nachgewiesen werden.

Le séchage est une opération incontournable pour la valorisation énergétique des boues résiduaires. La flexibilité pour ajuster la teneur en matière sèche finale de la boue est un critère important pour le choix d'une technologie. Cet objectif est difficile à atteindre pour les sécheurs à palettes. La modélisation du processus est alors essentielle. Malheureusement, le comportement rhéologique des boues est complexe et la mécanique des fluides numérique est hors de portée. La notion de Distribution des Temps de Séjour est employée ici pour caractériser l'écoulement. Un protocole fiable et reproductible a été établi et mis en œuvre sur un pilote de laboratoire. Des injections Dirac d'oxyde de titane et de sels métalliques, avec la spectrométrie de fluorescence X comme méthode de détection, ont été employées pour caractériser les DTS du solide anhydre et de la boue humide. Pré-Mélanger la boue pâteuse, pour disperser le traceur par exemple, modifie la structure du matériau. Ceci a été mis en évidence par des mesures de distribution en taille des particules et par des caractérisations rhéologiques. Cependant, des expériences de séchage en batch ont montré que ce pré-Mélange n'a aucune influence sur la cinétique et sur la phase plastique. Nous avons montré que le solide anhydre et le solide humide s'écoulent de la même manière. Une seconde méthode, basée sur une détection par conductimétrie, a alors été développée. Plus facile à mettre en œuvre et moins onéreuse, cette méthode s'avère tout aussi fiable que la première. L'influence de la durée de stockage de la boue, avant séchage, a été évaluée. Le temps de séjour de la boue dans le sécheur double quand la durée de stockage passe de 24h à 48h. Finalement, un modèle d'écoulement, basé sur la théorie de chaînes de Markov, a été développé. L'écoulement du solide anhydre est décrit par une chaîne de n cellules parfaitement mélangées, n correspondant au nombre de palettes. Les probabilités de transition entre les cellules sont régies par deux paramètres : le ratio de recyclage interne, R, et la masse de solides retenus, MS. R est déterminé par la relation de Van der Laan et MS est identifié par ajustement du modèle aux données expérimentales. Le modèle décrit de manière satisfaisante les DTS. La masse de solides retenus identifiée est toujours plus faible que la quantité mesurée expérimentalement. Une partie de la boue, collée aux parois du sécheur et au rotor, agit comme un volume mort. / Drying is an unavoidable operation prior to sludge valorization in incineration, pyrolysis or gasification. The flexibility to adapt the solid content of the dried sludge to the demand is a major requirement of any drying system. This objective is difficult to reach for paddle dryers. Modeling the process is thus essential. Unfortunately, sludge rheological behavior is complex and computational fluid dynamics is out of reach for the time being. The concept of Residence Time Distribution (RTD) is used here to investigate sludge flow pattern in a paddle dryer. A reliable and reproducible protocol was established and implemented on a lab-Scale continuous dryer. Pulse injections of titanium oxide and of salt metals, with X-Ray fluorescence spectroscopy as detection method, were used to characterize the RTD of anhydrous solid and wet sludge, respectively. Premixing the pasty sludge, for tracer powder dispersion for instance, changes the structure of the material. This was highlighted through the measurements of particle size distributions and characterization of rheological properties. However, drying experiments performed in batch emphasized that premixing does not have any influence on the kinetic and the sticky phase. The RTD curves of the anhydrous solid are superimposed on those of the moist sludge. Consequently, a simpler protocol, based on pulse injection of chloride sodium and offline conductivity measurements, was established. Easier to implement in industry and cheaper, this method proves to be as reliable as the first one. The influence of storage duration prior to drying was assessed. The mean residence time doubles when the storage duration changes from 24h to 48h. Finally, a model based on the theory of Markov chains has been developed to represent the RTD. The flow of anhydrous solids is described by a chain of n perfectly mixed cells, n corresponding to the number of paddles. The transition probabilities between the cells are governed by two parameters: the ratio of internal recirculation, R, and the solids hold-Up, MS. R is determined from the Van der Laan's relation and MS is identified by fitting the model to the experimental RTD. The model describes the flow pattern with a good accuracy. The computed hold-Up is lower than the experimental one. Part of the sludge is stuck to the walls of the dryer, acting as dead volumes in the process.

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Global supply chains are facing significant challenges due to the changes in supply and demand. This will increase the need for flexible and sustainable management. Lean production is a widely adopted methodology that companies use to enhance efficiency, reduce costs, and shorten lead times by optimizing internal logistics systems. Mapping and visualization tools are essential for understanding and improving transportation processes within companies while minimizing waste.The objective of this study is to provide companies with clearer insights into theirinternal transport flows through lean production and facility planning. By mappingtheir structures, companies can enhance their decision-making processes. This studyaims to achieve an understanding of the need for internal transport flow mappingthrough various methods and analyses. It also seeks to increase knowledge ofdifferent tools within lean production and facility planning to visualize the currentstate of internal transportation between buildings.The study was conducted through interviews, observations, and GPS measurements to map the transport processes at Xylem. Data were analyzed both qualitatively and quantitatively to ensure high scientific quality. The results and current state analysiswere based on these methods, leading to reliable conclusions about Xylem's current state.By using various lean tools and facility planning techniques, it is possible to create a mapping that provides companies with insights into their current situation. Several improvement suggestions for the current structure and work methods can potentially create faster flows with fewer misunderstandings in the work process. The study concludes that flow mapping functions as a tool to create a simplified simulation model. By interviewing and observing drivers and using diagrams to show utilization and time distribution, it is possible to analyze and examine internal transport planning and identify unnecessary waste.

La congélation partielle du mix dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR)est l'étape la plus critique dans la fabrication d'un sorbet, car c'est la seule étape où de nouveaux cristaux de glace se forment; par la suite ces cristaux ne font que grossir. L'objectif principal est de produire un grand nombre de cristaux les plus petits possibles afin d'obtenir une texture onctueuse. Pendant le procédé de congélation, le produit est soumis à des interactions couplées d'écoulement du fluide, de transfert de chaleur, de changement de phase et de cisaillement. Ces interactions sont déterminées par les conditions opératoires du procédé de congélation et affectent l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace, ainsi que la texture finale du produit. Ce travail présente la caractérisation expérimentale et la modélisation du procédé de congélation d'un sorbet. La congélation du sorbet à été effectuée dans un ECSR à l'échelle pilote. L'objectif principal de ce travail est l'étude de l'influence des conditions opératoires du procédé de congélation sur les caractéristiques finales du produit: distribution de taille de cristaux de glace, température du produit, fraction volumique de glace et viscosité apparente. Le comportement de l'écoulement du produit dans l'ECSR a été caractérisé par une étude expérimentale et une modélisation de la distribution du temps de séjour (DTS). Une approche de modélisation de la cristallisation de la glace couplant le modèle de DTS avec des équations de transfert de chaleur et de bilan de population des différentes classes de taille de cristaux a été développée. À partir d'une première estimation des paramètres, le modèle de cristallisation prédit de façon satisfaisante les tendances expérimentales et donne un bon aperçu de l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace au cours du procédé de congélation dans l'ECSR. / The partial freezing of the mix inside the scraped surface heat exchanger (SSHE) is the most critical step in sorbet manufacturing, since it is the only stage where new ice crystals are produced; further in the process these ice crystals will only grow. The main objective of the freezing process is to form the smallest possible ice crystals, so as to assure a smooth texture in the final product. During the freezing process the product is subjected to coupled interactions of fluid flow, heat transfer, ice phase change and shear. These interactions are determined by the freezing operating conditions and affect the evolution of the ice crystals size distribution (CSD) and the final texture of the product. This work presents the experimental characterization and the modelling of the initial freezing process of a sorbet. The freezing of sorbet was carried out in a SSHE at the pilot scale. The main objective of this work was the study of the influence of the freezing operating conditions on the final product characteristics: ice CSD, product temperature, ice volume fraction, apparent viscosity. The product flow behaviour in the SSHE was characterized by an experimental and modelling study of the residence time distribution (RTD) of the product. An ice crystallization modelling approach, taking into account the coupling of an empirical RTD model with heat transfer equations and a population balance of the different ice crystal size classes was developed. With a first set of estimated parameters, the ice crystallization model predicts satisfactorily the experimental trends, and made it possible to have an insight on the evolution of ice CSD during the freezing process in the SSHE.

Research on the electrocoagulation (EC) of hexane extractable materials (HEM) has been conducted at the University of New Orleans using a proprietary bench-scale EC reactor. The original reactor configuration forced the fluid to follow a vertical upward-downward path. An alternate electrode arrangement was introduced so that the path of flow became horizontal. Both configurations were evaluated by comparing the residence time distribution (RTD) data generated in each case. These data produced indication of internal recirculation and stagnant water when the fluid followed a vertical path. These anomalies were attenuated when the fluid flowed horizontally and at a velocity higher than 0.032 m s-1 . A series of EC experiments were performed using a synthetic emulsion with a HEM concentration of approximately 700 mg l-1. It was confirmed that EC of HEM follows first-order kinetics, and kinetic constants of 0.0441 s-1 and 0.0443 s-1 were obtained from applying both the dispersion and tanks-in-series (TIS) models, respectively. In both cases R2 was 0.97. Also, the TIS model indicated that each cell of the EC behaves as an independent continuous-stirred-tank reactor.

Les systèmes électroniques embarqués dans les véhicules ont une complexité sans cesse croissante. Cependant, il est crucial d'en maîtriser le comportement temporel afin de garantir la sécurité ainsi que le confort des passagers. La vérification des contraintes temporelles de bout-en-bout est donc un enjeu majeur lors de la conception d'un véhicule. Dans le contexte de l'architecture logicielle AUTOSAR standard dans les véhicules, nous décomposons la vérification d'une contrainte de bout-en-bout en sous-problèmes d'ordonnancement sur les calculateurs et sur les réseaux de communication que nous traitons ensuite séparément. Dans un premier temps, nous présentons une approche permettant d'améliorer l'utilisation des calculateurs exécutant un grand nombre de composants logiciels, compatible avec l'introduction progressive des plateformes multi-coeurs. Nous décrivons des algorithmes rapides et efficaces pour lisser la charge périodique sur les calculateurs multi-coeurs en adaptant puis en améliorant une approche existant pour les bus CAN. Nous donnons également des résultats théoriques sur l'efficacité des algorithmes dans certains cas particuliers. Enfin, nous décrivons les possibilités d'utilisation de ces algorithmes en fonction des autres tâches exécutées sur le calculateur. La suite des travaux est consacrée à l'étude des distributions de temps de réponse des messages transmis sur les bus CAN. Dans un premier temps nous présentons une approche de simulation basée sur la modélisation des dérives d'horloges des calculateurs communicant sur le réseau. Nous montrons que nous obtenons des distributions de temps de réponse similaires en réalisant une longue simulation avec des dérives d'horloge ou en faisant un grand nombre de courtes simulations sans dérives d'horloge. Nous présentons enfin une technique analytique pour évaluer les distributions de temps de réponse des trames CAN. Nous présentons différents paramètres d'approximation permettant de réduire le nombre très important de calculs à effectuer en limitant la perte de précision. Enfin, nous comparons expérimentalement les résultats obtenus par analyse et simulation et décrivons les avantages et inconvénients respectifs de ces approches / The complexity of electronic embedded systems in cars is continuously growing. Hence, mastering the temporal behavior of such systems is paramount in order to ensure the safety and comfort of the passengers. As a consequence, the verification of end-to-end real-time constraints is a major challenge during the design phase of a car. The AUTOSAR software architecture drives us to address the verification of end-to-end real-time constraints as two independent scheduling problems respectively for electronic control units and communication buses. First, we introduce an approach, which optimizes the utilization of controllers scheduling numerous software components that is compatible with the upcoming multicore architectures. We describe fast and efficient algorithms in order to balance the periodic load over time on multicore controllers by adapting and improving an existing approach used for the CAN networks. We provide theoretical result on the efficiency of the algorithms in some specific cases. Moreover, we describe how to use these algorithms in conjunction with other tasks scheduled on the controller. The remaining part of this research work addresses the problem of obtaining the response time distributions of the messages sent on a CAN network. First, we present a simulation approach based on the modelisation of clock drifts on the communicating nodes connected on the CAN network. We show that we obtain similar results with a single simulation using our approach in comparison with the legacy approach consisting in numerous short simulation runs without clock drifts. Then, we present an analytical approach in order to compute the response time distributions of the CAN frames. We introduce several approximation parameters to cope with the very high computational complexity of this approach while limiting the loss of accuracy. Finally, we compare experimentally the simulation and analytical approaches in order to discuss the relative advantages of each of the two approaches

No meio científico são bastante utilizados os modelos matemáticos para avaliar as características hidrodinâmicas de reatores, porém a literatura é pobre em informações relativas à aplicação do equacionamento matemático em regime não-permanente. Neste trabalho foi aplicado um modelo matemático simulando a hidrodinâmica de reatores tubulares com dispersão para avaliar o efeito da variação de vazão afluente sobre os parâmetros hidrodinâmicos. As simulações foram efetuadas considerando vazão e volume constantes, vazão e volume variáveis e vazão variável e volume constante. Foi investigada a influência de dois tipos de ensaios estímulo-resposta, pulso e degrau, para aplicação de modelos matemáticos e determinação das curvas de distribuição do tempo de residência (DTR) experimentais. Teoricamente ambos devem fornecer os mesmos resultados embora o ensaio em pulso costume apresentar maior sensibilidade experimental. Conforme esperado, ambos os ensaios apresentaram os mesmos resultados finais. Também foram avaliados os traçadores empregados nos dois tipos de ensaios estímulo-resposta, pulso e degrau. Foram empregados três traçadores diferentes - verde de bromocresol, azul de bromofenol e eosina Y que proporcionaram curvas com diferentes características. Como ferramenta auxiliar da modelação foram estudas a determinação das curvas DTR experimentais com auxílio de duas técnicas distintas. Para calibrar o modelo matemático proposto foram utilizados dados de reatores em escala de bancada com diferentes configurações submetidas a variações de vazões afluentes. Os dados de um reator UASB em escala piloto - submetido a variações cíclicas de vazão afluente de 40 e 60% - foram empregados para calibrar e verificar o modelo matemático proposto. Os resultados encontrados com o modelo matemático proposto nesta pesquisa demonstraram que a variação de vazão afluente não deve ser negligenciada. O modelo utilizado representou adequadamente o reator UASB. Seus resultados, quando comparados aos modelos matemáticos que não consideram a variação de vazão, mostraram que para flutuações de vazão elevadas, vazões com valores até 60% maiores do que a vazão média, os valores dos coeficientes de difusão diferem significativamente em função das hipóteses empregadas no desenvolvimento do modelo matemático. / Mathematical models for hydrodynamic characteristics evaluation of reactors are commonly used however there is a lack of information in the literature concerning the application of mathematical modeling for non-steady state flow. In this thesis, it is presented a non-steady mathematical model to simulate the hydrodynamic behavior of pipe flow reactors with diffusion in order to evaluate the effect of the variation of the influent flowrate in the hydrodynamic parameters. The simulations were performed considering constant flowrate and volume, variable flowrate and volume and, variable flowrate and constant volume. It was investigated the influence of two types of stimulus-response assays, pulse and step function, on the application of mathematical models and the determination of the experimental retention time distribution curves. Theoretically, both tests should provide the same results although the pulse stimulus assay usually presents higher experimental sensitivity. As it was expected, both tests presented the same final results. The tested tracers were also evaluated in relation to the pulse and step stimulus-response tests. Three tracers were tested (bromocresol green, bromophenol blue and eosin Y) and it was shown that they provided different curves. It was studied the construction of the experimental retention time distribution curves using two procedures as an auxiliary tool for modeling. The proposed mathematical model was calibrated with data of bench scale reactors submitted to different cyclical variations of flowrates. Moreover, data of UASB reactor in pilot scale - submitted to 40 and 60% of cyclical variations of flowrates were utilized to calibrate and verify the obtained mathematical model. The results found with the mathematical model proposed in this research showed that the variations in influent flow rate can not be neglected. The model adequately represented a pilot scale UASB reactor. The results showed that the diffusion coefficients differ significantly for high flowrate fluctuations, when compared to other mathematical models that do not incorporate variable flowrate, depending upon the hypothesis used to derive the model.

L'étude cinétique d'une réaction catalytique permet une meilleure compréhension du mécanisme réactionnel et du fonctionnement du catalyseur. Elle est nécessaire pour le dimensionnement des réacteurs et des procédés. Les modèles micro-cinétiques sont constitués d'une séquence d'étapes élémentaires sans hypothèses sur les étapes cinétiquement déterminantes. Ces modèles sont applicables sur des plages de conditions opératoires plus larges que celles des modèles plus classiques de type Langmuir-Hinshelwood (LH) ou d'Hougen-Watson. Lorsqu'ils sont implémentés dans un modèle de réacteur, ils permettent d'obtenir une plus grande précision vis-à-vis du dimensionnement du catalyseur et du réacteur. Cependant, cette approche nécessite un nombre d'expériences plus élevé pour estimer les nombreux paramètres cinétiques qui le constituent. Ce travail de thèse porte sur le développement de modèles micro-cinétiques de systèmes catalytiques en exploitant les informations obtenues lorsque le catalyseur fonctionne en régime transitoire. En effet, l'expérimentation en régime transitoire, en comparaison avec celle classiquement réalisée en régime stationnaire, permet d'accéder à plus d'informations par une meilleure sensibilisation des réactions mises en jeu. Les études cinétiques en régime permanent sont plutôt adaptées pour des modèles cinétiques globaux qui considèrent un nombre limité d'étapes cinétiquement déterminantes (en général une seule). De ce fait, la compréhension du mécanisme réactionnel [1], la connaissance du nombre de types de sites actifs mis en jeu ou encore la détermination des vitesses de réaction des étapes élémentaires restent imprécises. Afin d'accéder aux différentes vitesses de réaction des étapes élémentaires, il est nécessaire de réaliser un grand nombre d'expériences en régime permanent, ce qui est très coûteux en temps et en argent. L'expérimentation en régime transitoire est donc une alternative qui permet d'accéder à des informations cinétiques détaillées dans un délai plus rapide. Cependant, l'interprétation des expériences est plus fastidieuse puisqu'elle nécessite le développement de modèles dynamiques de réacteur. Ces études consistent à réaliser des perturbations sous forme de pulses, d'échelons ou bien d'oscillations périodiques d'un certain nombre de paramètres d'état tels que la concentration des réactifs, la pression ou encore la température. Dans ces travaux, des oscillations périodiques de concentration sont réalisées en entrée de réacteur. Ce choix permet de réaliser des variations autour de l'état stationnaire, dans des conditions proches des celles utilisées dans l'industrie. La mise en place et la validation de cette méthodologie ont été réalisées pour un système catalytique réactionnel d'intérêt industriel : l'hydrogénation sélective de l'acétylène. Cette réaction a lieu en phase gaz au contact d'un catalyseur solide et présente l'avantage de mettre en jeu peu de composés facilement analysables. Une voie importante pour la production d'éthylène est le vapocraquage. L'éthylène produit par ce procédé contient de faibles quantités d'acétylène qu'il faut éliminer car il constitue un poison pour les procédés catalytiques en aval. Cette élimination se fait par l'hydrogénation sélective de l'acétylène, en présence d'éthylène, en employant un catalyseur à base de palladium. C'est une réaction rapide dont le mécanisme réactionnel n'est pas encore complètement connu.La cinétique transitoire permet non seulement d'étudier les réactions chimiques mais également de caractériser le transport des réactifs et des produits, de l'échelle du lit catalytique à l'échelle des pores du catalyseur. Un modèle de réacteur incluant un modèle cinétique a été développé pour expliquer les données expérimentales obtenues sur un réacteur pilote. Des manipulations en régime transitoires et une modélisation dynamique de l'unité pilote incluant un modèle micro-cinétique sont réalisées [etc...] / Kinetic experiments performed under stationary conditions mainly give information on the rate determining step. Numerous experiments must be done to estimate a limited number of parameters. Unsteady-state experiments, on the other hand, give more detailed information about the kinetics of the different elementary steps with a small number of experiments. In order to work under dynamic conditions, a perturbation of a process variable (concentration, pressure, temperature, etc.) is introduced at the reactor entrance (pulse, step, oscillation ...). This study explores periodic sinusoidal variations of the flow to obtain kinetics for heterogeneous catalytic processes. The kinetic information is contained in the phase lag and the gain change of the oscillations. The oscillations can be kept small and can be performed around steady-state operation, thus studying the kinetics under relevant conditions. First a model able to directly estimate the gain and phase lag has been created. Secondly, simple cases of adsorption have been performed in order to validate the model and to test the experimental set up. To finish, the approach has been applied to the selective hydrogenation of acetylene. Kinetic modeling was carried out in both stationary and dynamic conditions in order to compared the two methodologies