Population balance modelling of interactive fluid-solid disperse systems  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
77955
Type K
Principal investigator Lakatos, Béla
Title in Hungarian Interaktiv fluidum-szilárd diszperz rendszerek modellezése populációs modellekkel
Title in English Population balance modelling of interactive fluid-solid disperse systems
Keywords in Hungarian Modellezés; populációs mérleg; diszperz rendszer; interakciók; mikrokeveredés; ütközéses hőtranszport; kristályosítás; polimerizáció
Keywords in English Modelling; Population balance; disperse system; interactions; micromixing; collisional heat transfer; crystallization; polymerisation
Discipline
Chemical Engineering (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Industrial chemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Department of Chemical and Process Engineering (University of Pannonia)
Participants Abonyi, János
Chován, Tibor
Nagy, Lajos
Németh, Sándor
Szeifert, Ferenc
Ulbert, Zsolt
Starting date 2009-04-01
Closing date 2014-03-31
Funding (in million HUF) 19.102
FTE (full time equivalent) 11.50
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás célja új populációs modellek és számítógépes megoldásaik kidolgozása olyan interaktív fluidum-szilárd rendszerek tulajdonságainak és viselkedésének a leírására, amelyek 10-8 m-10-2 m mérethatárok közé eső szilárd szemcsék képzésére szolgálnak. E populációs model-lek alkalmazásával, numerikus és fizikai kísérletekkel vizsgáljuk a fluidumok makro- és mik-rokeveredésének, valamint a szilárd szemcsék, fluidum elemek és folytonos felületek (fal, fázishatár) ütközések által előidézett anyag- és hőátadási folyamatok hatását a szilárd szem-csék keletkezésére és növekedésére, így azok méretére, alakjára, méreteloszlására, struktúrá-jára és hőmérsékletére kristályosítási és szuszpenziós polimerizációs folyamatokban. A flui-dum-szilárd rendszerek alapvető fontosságúak és rendkívül nagy gazdasági jelentőséggel ren-delkeznek a folyamatiparban. A kidolgozandó módszerek lehetővé teszik modell-alapú folya-mattervező eljárások tervezését ”jól szabott” kristályok és polimer szemcsék, valamint agglo-merátumaik előállítására.
A projekt tudományos céljai hozzájárulnak egy számítógéppel támogatott modellezési bá-zis kialakításához folyamatmérnöki célokra a fludium-szilárd rendszerek területén. Ezt a kuta-tást egy lépésnek szánjuk a modell-vezérelt folyamatmérnökség kifejlesztésében is, amely a modelleket elsőrendű mérnöki eszközökként kezeli. A tudományos eredmények mellett a ku-tatást és eredményeit jól fel tudjuk használni a korszerű folyamatmérnöki és vegyészmérnöki képzésben is.
Summary
The aim of the project is to develop new population balance models and computer solutions for describing the properties and behaviour of interactive fluid-solid systems, involving solid particles having size of orders of magnitudes 10-8 [m]-10-2 [m]. In the framework of this approach, solution crystallization and suspension polymerisation are studied by means of computer and physical experimentation, investigating the effects of macro- and micromixing, as well as the collisional mass and heat transfers between the solid particles, fluid elements and continuous surfaces (wall, phase boundary) on formation of particles, and by this way on the size, shape, size distribution, structure and temperature of particles. Particulate systems are prevalent and of enormous economic importance in the processing industries, and the methods to be developed allow designing suitable operation modes for model-based tailoring of crystals and polymer particles, as well as their agglomerates.
The scientific aims of the project make a contribution to develop a computer aided modelling basis for process engineering purposes. This research work is intended to be a further step towards the concept of Model-Driven Process Engineering that refers to the systematic use of models as primary engineering artefacts throughout the engineering lifecycle. Beside the new scientific results, the research and its results provide a framework in training stu-dents of modern process and chemical engineering.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A fluidum-szilárd diszperz rendszerek matematikai leírására több-dimenziós populáció mérleg-egyenletet dolgoztunk ki, amely a diszperz elemek által hordozott extenzív mennyiségek viselkedését is leírja. Tartalmazza a diszperz elemek közötti közvetlen interakciókkal indukált átadásokat és a diszperz elemekben végbemenő folyamatokat is. A teljes modellt három csatolt, mikro-, mezo- és makro-léptéken reprezentáltuk. Kidolgoztuk a diszperz elemek közötti komponens- és hőátadás konstitutív összefüggéseit. A többdimenziós populáció mérleg-egyenletek megoldására egy hibrid folytonos idő-Monte Carlo megoldási módszert dolgoz-tunk ki. A populáció mérleg-egyenlet alkalmazásával a homogén reaktorok mikro-keveredésének leírására dolgoztuk ki a gCR (generalised coalescence/redispersion) modellt. A hűtéses, reakció és kisózásos kristályosítás modellezésével vizsgáltuk a kristályok morfológiai változásait, a tűszerű kristályok viselkedését és törését, és a gCR modell alkalmazásával az oldat mikrokevertségének hatását a kristályos termék tulajdonságaira. Kimutattuk, hogy a gáz-szilárd rendszerekben a szemcsék közötti közvetlen hőátadás jelentős hatással van a rendszerek termikus tulajdonságaira. A vinil-klorid szuszpenziós polimerizációjának leírására kidolgozott részletes modellel meghatároztuk a monomer-polimer cseppek viselkedésének (koaleszcencia, törés, ütközéses komponens- és hőátadás) folyamatra gyakorolt hatásait, valamint a termikusan biztonságos üzemelés feltételeit.
Results in English
We developed a multi-dimensional population balance equation for interactive fluid-solid disperse systems governing also the behaviour of extensive quantities carried by the disperse elements. It includes terms describing collisions induced exchanges of extensive quantities between the disperse elements with the processes occurring within those. The full model is represented at three, coupled, micro-, meso- and macro-scales. Constitutive equations of exchange of species and heat were elaborated. A hybrid continuous time-Monte Carlo method was developed for solution of multi-dimensional population balance equations. Applying the population balance equation, we developed the gCR (generalised coalescence/ redispersion) model for describing micromixing in homogeneous chemical reactors. By modelling cooling, reaction and anti solvent crystallization, the morphological changes of crystals, behaviour and breakage of needle-shape crystals, and, by using the gCR model, the effects of micromixing on the properties of crystalline products were studied. We proved that the collisions induced exchange of heat between the particles affects significantly the thermal behaviour of gas-solid systems. Using the mathematical model developed for suspension polymerization of vinyl chloride, we demonstrated the effects of monomer-polymer droplets (coalescence, breakage, exchange of species and heat) on the polymerisation process, and the thermally safe conditions of operation.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=77955
Decision
Yes





 

List of publications

  
Bárkányi, Á., Németh, S., Lakatos, B.G.: Three-scale modelling and simulation of a batch suspension polymerization vinyl chloride reactor, Proceedings ESCAPE 24 (in press), 2014
Szilágyi, B., Agachi, P.Ş., Barabás, R, Lakatos, B.G.: Coupled population balance-CFD modelling of a continuous precipitation reactor, Proceedings ESCAPE 24 (in press), 2014
Bárkányi, Á., Németh, S., Lakatos, B.G.: Temperature Control of Batch Suspension Polyvinyl Chloride Reactors, Chemical Engineering Transactions, Vol. 39 (SJR=0.310) (in press), 2014
Szilágyi, B., Barabás, R., Lakatos, B.G.: Modelling and simulation of particle size distribution of precipitates in continuous tubular crystallizers, Periodica Politechnica - Chemical Engineering (in press), 2014
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Investigation and simulation of crystallization of high aspect ratio crystals with fragmentation, Chemical Engineering Research and Design, doi: 10.1016/j.cherd.2013.08.020, 2014
Szilágyi, B., Muntean, N., Barabás, R., Ponta, O., Lakatos, B.G.: Reaction precipitation of amorphous calcium phosphate: population balance modelling and kinetics, Chemical Engineering Research and Design, doi: 10.1016/j.cherd.2014.04.003, 2014
Lakatos, B.G., Bárkányi, Á., Németh, S.: Hybrid continuous time-Monte Carlo simulation of disperse systems, Modelling and Simulation 2013 - European Simulation and Modelling Conference, ESM 2013, pp. 13-20., 2013
Lakatos, B.G., Bárkányi, Á., Németh, S.: Continuous stirred tank coalescence/redispersion reactor: A simulation study, Chemical Engineering Journal, 169, 247-257, 2011
Bárkányi, Á., Lakatos,B.G., Németh S.: Modelling of polymer particle formation using population balance model, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 38 (2) 83-88, 2010
Orbán-Mihálykó, É., Mihálykó, Cs., Lakatos, B.G.: Szintátmentési probléma és általánosítása a Sparre Andersen-modellben, Alkalmazott Matematikai Lapok, 27 (1) 1-15, 2010
Bárkányi Á.: Polimerizációs reaktorokban kialakuló szemcseméret eloszlás vizsgálata, Pannon Egyetem, Diplomadolgozat, 2010
Bárkányi Á., Németh S., Lakatos B.G.: Effects of mixing on the formation of polymer particles in suspension polymerization, Chemical Engineering Transactions, 24, 613-618, 2011
Süle, Z., Lakatos, B.G., Mihálykó, Cs.: Modelling of heat transfer processes with compartment/population balance model, Simulation News Europe (in press), 2011
Bárkányi Á., Németh S., Lakatos, B.G.: Populáció-mérleg modell vinil-klorid szuszpenziós polimerizációjának vizsgálatára, Acta Agraria Kaposváriensis, 14 (3) 39-48, 2010
Borsos Á., Lakatos B.G.: Modeling 2D crystal shape in cooling crystallization by moment method, Proceedings 4th Intertech, pp. 345-349, 2011
Bárkányi Á., Németh S., Lakatos G.B.: A monomer kezdeti cseppméret-eloszlásának hatása a polimer termékek átlagos molekulatömegére, Acta Agraria Kaposváriensis (közlésre elküldve), 2011
Borsos Á., Lakatos G.B.: Kristályok méretfüggő növekedési sebességének egy modellje, Acta Agraria Kaposváriensis (közlésre elküldve), 2011
Lakatos B.G.: Cumulant-neglect closure for population balance models, Chemical Engineering Science (revised manuscript re-submitted), 2013
Lakatos B.G., Ulbert Zs., Borsos Á.: Two-population model of crystallization from solution. A multi-scale approach, Proceeding ISIC 18, 357-358, 2011
Borsos Á., Lakatos B.G.: 2D population balance model for crystallization of needle-shape crystals with fragmentation, Proceedings ISIC 18, ETH Zurich, pp. 104-105, 2011
Lakatos B.G., Süle, Z., Mihálykó, Cs.: Modelling and simulation of heat transfer in bubbling fluidized beds using population balance model, Powder technology (revised manuscript resubmitted), 2012
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Influence of cooling profile on the product properties in cooling crystallizers, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 39 (3) 401-406, 2011
Orbán-Mihálykó, É., Mihálykó, Cs., Lakatos, B.G., Szabó, T., Papp, A.: Profit optimiza-tion of batch-continuous production systems under stochastic processing conditions by simulation, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 39 (3) 353-358, 2011
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Crystallization of para-xylene in a batch cooling crystallizer, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 39 (1) 1-6, 2011
Mihálykóné Orbán É., Mihálykó Cs., Papp A., Lakatos, B.G.: Haszon maximalizálás átmeneti tárolókkal csatolt termelési rendszerek esetén, Műszaki Kémiai Napok 2011 Kon-ferencia Kiadványa, pp. 85-89, 2011
Borsos Á., Lakatos, B.G.: Hűtési profil hatása a hűtéses kristályosítók termékminőségére, Műszaki Kémiai Napok 2011 Konferencia Kiadványa, pp. 60-65, 2011
Bárkányi Á., Németh S., Lakatos, B.G.: A mikrokeveredés hatása autokatalitikus reakció-rendszer viselkedésére, Műszaki Kémiai Napok 2011 Konferencia Kiadványa, pp. 53-559, 2011
Bárkányi, Á., Németh, S., Lakatos, B.G.: Modelling of suspension polymerization of vinyl chloride using the population balance approach, Proceedings Interfaces’11, p. 54, 2011
Lakatos, B.G.: Multi-scale approach to population balance modelling of disperse systems, Simultech 2011, Proceedings 1st International Conference on Simulation and Modeling Methodologies, Technologies and Applications, pp. 186-191, 2011
Lakatos, B.G., Süle, Z., Mihálykó, Cs., Orbán-Mihálykó, É.: Modelling of heat transfer processes with compartment/population balance model, Proceedings MKN 2012, pp. 104-117, 2012
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Influence of breakage on crystal production in a continuous cooling crystallizer, Proceedings MKN 2012, pp. 68-74, 2012
Bárkányi, Á., Lakatos, B.G., Németh, S.: Modelling of heat exchange between drops in suspension polymerization of vinyl chloride, Proceedings MKN 2012, pp. 60-67, 2012
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Simulation and analysis of crystallization of high aspect ratio crystals with fragmentation, Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 30, 1028-1032, 2012
Bárkányi, Á., Lakatos, B.G., Németh, S.: Modelling and simulation of suspension polymerization of vinyl chloride using a population balance model, Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 30, pp. 1108-1112, 2012
Borsos, Á., Lakatos, B.G., Németh, S.: Application of Aspen Plus for simulation of crystallization. A comparative study, Proceedings 5th Intertech 2012, pp. 37-41, 2012
Bárkányi, Á., Németh, S., Lakatos, B.G.: Modelling and simulation of suspension polymerization of vinyl chloride, Proceedings 5th Intertech 2012, pp. 27-31, 2012
Lakatos, B.G.: Effects of micromixing on salting out crystallization. A multi-scale approach, Proceedings BIWIC 2012, pp. 62-70, 2012
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Investigation and simulation of crystallization of high aspect ratio crystals with fragmentation, Chemical Engineering Research and Design (manuscript submitted), 2012
Lakatos, B.G.: The generalized coalescence/redispersion micromixing model. A multi-scale approach, Chemical Engineering Science (revised manuscript re-submitted), 2012
Lakatos, B.G., Bárkányi, Á., Németh S.: Non-isothermal generalized coalescence/redispersion model for micro-mixing. Adiabatic stirred tank reactor, Chemical Engineering Journal (revised manuscript re-submitted), 2012
Lakatos, B.G.: Two-population model for micromixing in reaction crystallization processes, Crystal Growth and Design (submitted), 2012
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Transient analysis of continuous cooling crystallizers with needle-shaped crystals,, International Journal of Engineering Research and Development, 2 (6) 8-15, 2012
Bárkányi, Á., Lakatos, B.G., Németh, S.: Modelling of heat exchange between drops in suspension polymerization of vinyl chloride, Periodica Politechnica Chemical Engineering, 2012
Süle, Z., Lakatos, B.G., Mihálykó, Cs., Mihálykó-Orbán, É.: Modelling of heat transfer processes with compartment/population balance model, Periodica Politechnica Chemical Engineering (in press), 2013
Bárkányi, Á., Lakatos, B.G., Németh, S.: Modelling of heat exchange between drops in suspension polymerization of vinyl chloride, Chemical Engineering Transactions (in press), 2013
Lakatos, B.G.: Multi-scale modelling of disperse systems via population balance approach, Proceedings of Simultech 2013 (in press), 2013
Szilágyi, B., Barabás, R., Lakatos, B.G.: Modelling and simulation of particle size distribution of precipitates in continuous tubular crystallizers, Proceedings of MKN 2013, 2013
Bárkányi, Á., Németh, S., Lakatos, B.G.: Modelling and simulation of vinyl chloride via population balance model, Computers and Chemical Engineering (in press), 2013
Szilágyi, B., Muntean, N., Barabás, R., Lakatos, B.G.: Modelling and simulation of Ca_3(PO_4)_2 precipitation using the direct quadrature method of moments, Chemical Engineering and Processing (submitted), 2013
Süle, Z., Lakatos, B.G., Mihálykó, Cs.,: Axial dispersion/population balance model of heat transfer in gas–solid turbulent fluidized beds, Computers and Chemical Engineering, 34, 753-762, 2010
Lakatos, B.G., Ulbert, Zs.: The gCR model for micromixing in reaction crystallization, Proceedings 17th International Workshop on Industrial Crystallization, pp. 317-325., 2010
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Influence of breakage on the crystal production in a continuous cooling crystallizer, Periodica Politechnica - Chemical Engineering, 56 (2), 65-69., 2012
Lakatos, B.G., Bárkányi, Á., Németh, S.: Continuous stirred tank coalescence/redispersion reactor: A simulation study, Chemical Engineering Journal, 169, 247-257, 2011
Bárkányi Á., Németh S., Lakatos B.G.: Effects of mixing on the formation of polymer particles in suspension polymerization, Chemical Engineering Transactions, 24, 613-618 (SJR=0.260), 2011
Bárkányi Á., Németh S., Lakatos G.B.: A monomer kezdeti cseppméret-eloszlásának hatása a polimer termékek átlagos molekulatömegére, Acta Agraria Kaposváriensis, 15 (3), 155-170., 2011
Lakatos B.G., Ulbert Zs., Borsos Á.: Two-population model of crystallization from solution. A multi-scale approach, Proceedings ISIC 18, pp. 357-358, 2011
Orbán-Mihálykó, É., Mihálykó, Cs., Lakatos, B.G., Szabó, T., Papp, A.: Profit optimization of batch-continuous production systems under stochastic processing conditions by simulation, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 39 (3) 353-358, 2011
Mihálykóné Orbán É., Mihálykó Cs., Papp A., Lakatos, B.G.: Haszon maximalizálás átmeneti tárolókkal csatolt termelési rendszerek esetén, Műszaki Kémiai Napok 2011 Konferencia Kiadványa, pp. 85-89, 2011
Bárkányi, Á., Németh, S., Lakatos, B.G.: Modelling of suspension polymerization of vinyl chloride using the population balance approach, Proceedings Interfaces’11, pp. 54-63, 2011
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Simulation and analysis of crystallization of high aspect ratio crystals with fragmentation, Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 30, pp. 1028-1032, 2012
Bárkányi, Á., Lakatos, B.G., Németh, S.: Modelling of heat exchange between drops in suspension polymerization of vinyl chloride, Periodica Politechnica - Chemical Engineering, 56 (2), 55-64, 2012
Süle, Z., Lakatos, B.G., Mihálykó, Cs., Mihálykó-Orbán, É.: Modelling of heat transfer processes with compartment/population balance model, Periodica Politechnica - Chemical Engineering, 57 (1-2), 3-9., 2013
Bárkányi, Á., Lakatos, B.G., Németh, S.: Modelling and simulation of batch Polyvinyl Chloride reactor, Chemical Engineering Transactions, 32, 769-774 (SJR=0.310), 2013
Szilágyi, B., Barabás, R., Lakatos, B.G.: Modelling and simulation of particle size distribution of precipitates in continuous tubular crystallizers, Proceedings of MKN 2013, pp. 140-146., 2013
Bárkányi, Á., Németh, S., Lakatos, B.G.: Modelling and simulation of vinyl chloride via population balance model, Computers and Chemical Engineering, 59, 211-218, 2013
Süle, Z., Lakatos, B.G., Mihálykó, Cs.,: Axial dispersion/population balance model of heat transfer in gas–solid turbulent fluidized beds, Computer Aided Chemical Engineering 26, 719-724, 2009
Lakatos, B.G.: Population balance model of heat transfer in gas-solid processing systems, Belmiloudi, A. (Ed.), Heat Transfer – Mathematical Modelling, Numerical Methods and Information Technology. InTech, Rijeka, pp. 409-434., 2011
Borsos Á., Lakatos G.B.: 2D kristályméret eloszlás modellezése szakaszos hűtéses kristályosítóban, MKN’2010 Konferencia Kiadvány, Veszprém, pp. 176-182., 2010
Bárkányi Á., Németh S., Lakatos G.B.: Vinil-klorid szuszpenziós polimerizációjának vizsgálata populáció-mérleg modellel, MKN’2010 Konferencia Kiadvány, Veszprém, pp. 176-182., 2010
Mihálykóné Orbán É., Mihálykó Cs., Lakatos G.B., Szabó T.: Átmeneti tárolóval csatolt szakaszos-folyamatos termelési rendszerek gazdaságossági optimalizálása sztochasztikus üzemelési feltételek esetén, MKN’2010 Konferencia Kiadvány, Veszprém, pp. 156-162., 2010
Süle Z.: Hőátadási folyamatok számítógéppel segített elemzése és tervezése populációs modellekkel, Pannon Egyetem, 2009
Lakatos, B.G.: Moment method for multidimensional population balance models, Proceedings 4th International Conference on Population Balance Modelling, pp. 885-903, 2010
Lakatos, B.G.,, Ulbert, Zs.: The gCR model for micromixing in reaction crystallization, Proceeding 17th International Workshop on Industrial Crystallization, 317-325., 2010
Borsos, Á., Lakatos, B.G.: Influence of breakage on the crystal production in a continuous cooling crystallizer, Periodica Politechnica Chemical Engineering, 2012
Borsos Á., Lakatos G.B.: Hűtéses kristályosítás dinamikus folyamatainak vizsgálata tűszerű kristályok esetén, Acta Agraria Kaposváriensis (nyomtatásban), 2010
Borsos Ákos: Hűtéses kristályosítók modellezése és optimalizálása, Pannon Egyetem, Diplomadolgozat, 2009
Süle, Z., Lakatos, B.G., Mihálykó, Cs.,: Axial dispersion/population balance model of heat transfer in gas–solid turbulent fluidized beds, Computers and Chemical Engineering, 34, 753-762, 2010
Egedy, A., Fogarasi, Sz., Varga, T., Imre-Lucaci, Á., Chován, T.: CFD Assisted Scale Up of a Rotating Drum Leaching Reactor, Chemical Engineering Transactions, Vol. 39 (SJR=0.310) (in press), 2014
Kulcsár, T., Abonyi, J.: Statistical quality control based performance evaluation of online analyzers, Hungarian Journal of Industry and Chemistry (in press), 2014
Lakatos, B.G., Szilágyi, B.: Interactions of micro- and macromixing in reaction crystallizers. A multi-scale approach, International Symposium of Industrial Crystallization 2014, ISIC19 (accepted), 2014
Szilágyi, B., Agachi, P.Ş., Lakatos, B.G.: Modelling crystallization with size-dependent crystal growth using the quadrature method of moments, International Symposium of Industrial Crystallization 2014, ISIC19 (accepted), 2014
Szilágyi, B., Lakatos, B.G.: 2D population balance model for crystallization of high aspect ratio crystals, Chemical Engineering Science (submitted), 2014
Lakatos, B.G.: The generalized coalescence/redispersion micromixing model. A multiscale approach, Chemical Engineering Science (submitted), 2014



Back »