Introduction

Your efforts to design a controller for a bioreactor met with great success and praise from your clients. Drunk off these compliments, you begged for a bigger challenge with more danger and excitement. Your boss has therefore put you in charge of the DEsign of A high-THroughput reactiON pAthway with SuperfasT  Intrinsic Cyanide Kinetics (DEATHONASTICK) project, involving the production of hydrogen cyanide.

Hydrogen  cyanide  (HCN)  is  an  important  chemical  used  in  a variety  of applications  in fumigation, electroplating and mining. It is most importantly used as an essential reagent in the  production of synthetic  polymer fibres  (polyamides) as well as  pesticides and dyes. Polyamides  are  used  in  textiles  and  carpet  fibres  in  additional  to  packaging  and  other applications.

Unfortunately,  conventional  HCN  production  routes  are  dangerous,  highly  polluting  and inefficient. Therefore, your company chemists have developed an environmentally synthetic route to cyanide from ammonia and methane using a catalyst that your chief chemist has been working on since 1955. Unfortunately, they are chemists and therefore have absolutely no idea how to carry out the reaction at scale.

Your task is to design a catalytic reactor to produce hydrogen cyanide from nitrogen gas. MATLAB will be used to carry out the calculations and simulations. The inlet conditions to be used are given in Table 2. Data for HCN synthesis (rate equations, heat capacities, equilibrium constant etc) are given below.

The Design Project

Your boss has told you to design an adiabatic catalytic reactor to produce 150 tonnes per day of HCN with a single catalyst bed, using the inlet conditions given in Table 2.

REACTION KINETICS

There are two reactions occurring in parallel. One is cyanide synthesis (desired) and the other is ammonia degradation (undesired):

2 3  ↔ 2  + 3 2                                (2)

The rate expressions for the two reactions have been careful measured by a research group at a prestigious UK university:

  ∗  4 ∗3            

[ 1+∗]4          ∗

 2   =     2∗  3    

(4)

Where:

  = 1.6189 ∗   ()

  2   = 0.0371 ∗     ()

2390

 = 1.2050 ∗     (bar-0.5)

Using Matlab, generate data and create the following plots:

•    Catalyst weight vs. extent of reaction 1

•    Extent of reaction 2 vs. extent of reaction 1

•    T vs. extent of reaction 1

•    P vs. extent of reaction 1

In addition, make a plot of the rate of reaction 1 vs. the extent of reaction 1

Consider the operating conditions in the single adiabatic catalyst bed. Pay attention to the efficiency of use of the catalyst i.e. HCN production/weight of catalyst. Consider and discuss ways in which this can be improved. Use additional simulations as necessary.

You will need to investigate the possibility of increasing or decreasing the flow rate into the reactor (i.e. changing production capacity) in response to changes in market demand or random accounting decisions.

You will also need to include in this study an investigation of the sensitivity of the design to the various reaction parameters. This is necessary because the parameters were obtained from an academic research group at a disreputable university (Cambridge).

•    Kinetics reaction parameters A-E

•    Temperature dependence of the heat capacities

•    Equivalent catalyst particle diameter

•    Catalyst voidage

ASSUMPTIONS

a) The gas is perfect at all temperatures and pressures (despite the high pressure)

b) The gas is in plug flow in the reactor.

DATA

a) Heat Capacity

Cp  (in units of J.mol-1 K-1) of each pure component is a function of temperature only, given by:

  =  a  +  bT  +  cT2   +  dT−2

with constants:

Assume the heat capacity of the mixture is a mole fraction weighted sum of the individual

heat capacities. For a mixture with mole fractions yi :

C  =  ∑  C

e) Catalyst data

The catalyst particles are cylinders of diameter 5.5 mm and length 16 mm (equivalent         particle diameter of 7.04 mm) and have a (particle) density of 1400 kg/m3 . The bed voidage may be taken as 0.4

f) Pressure drop

It can be assumed that the pressure gradient in a fixed-bed of particles governed by the Ergun equation which, for these Reynolds numbers, reduces to:

= −

where G is the superficial mass velocity of the fluid (mass/(time*area)).

ε is the bed voidage

Dp  is the equivalent particle diameter

ρ is the gas density

Project Logistics

1.   Duration and assistance. The project is available now (otherwise you could not read this). The project will run for two term weeks (28 February until 11 March). There will be  GTA  assistance  available  both  in  person  and  via  MS  Teams  on  Mondays, Tuesdays, Thursdays and Fridays from 0900- 1200. Please wait in the main MS Teams channel for a GTA to take you to a breakout room (for group privacy/commotion reduction). Your course coordinator will be available via Blackboard, or you can make an appointment via email to discuss any group issues.

2.   Groups. Your boss has assigned you to a group of (normally) 4 engineers for the duration of the project. Because of your boss’s abhorrence of paperwork, there will be no switching permitted.

3.  Assessments. The project will be assessed in the following ways:

a.   MATLAB programme for reactor design (1 per group!) – 40%

b.   Reactor design report (1 per group!) – 60%

4.   Notes

a.  You MUST use MATLAB version R2021b for your design and simulations

5.   Deliverables

a.   Submit your best Matlab code by 1 1/03/22 at 1630

b.   Submit your report by 1 1/03/22 at 1630

Marking scheme for the reactor report:

•    Presentation: overall style, clarity and organisation 20%

•    Description of theory 20%

•    Results and discussion of the initial simulations 25%

•    Results and discussion of the advanced/sensitivity analyses 35%

Report Guidelines

The following items are to be submitted:

(a) One report

The submission of one report by each group of students will be required. Please use the normal  departmental  template  for  report  writing.  A  penalty  will  be  imposed  on  reports exceeding the page limit. Arial 11-point font (minimum) and 2 cm margins (minimum) . Single spacing is acceptable.

Each report should not exceed 10 pages, including main body text and all figures (introduction through  conclusions,  inclusive),  but  excluding  the  title  page,  author  names,  abstract, references or table of contents.

Do not try to include all of the results you generate but do include meaningful analyses to go with the figures or tables. Adopt compact and efficient ways to present the results. A compare- and-contrast approach may be helpful with overlaid plots from different simulations shown on the same graph with appropriate legends (you can programme Matlab to do this for you or manually transfer the data).

The following is a suggested structure for the report and the topics for inclusion under the major headings. There is also a suggestion of an appropriate page limit for the different headings.

Overall page limit – 10. No addendum permitted.

(i) Abstract and Keywords: The abstract must summarize the content of the report and the main conclusions. This is normally a short paragraph.

(ii) Introduction: The HCN process description; general aims and objectives of the reactor design and specific aims for this HCN process.

(iii) Theory and Methodology: Only the theory and methods used in the work should be presented (the report is not a tutorial). It can cover the chosen reactor design elements and any required details on mass balances, reactor modifications, etc., with salient equations as appropriate; methodology to implement these strategies or any experimental simulations.

(iv) Results and analysis: Results and analysis (not all cases, but the ones that you judge as the  most  important);  sample  calculations;  clear  statements  of  parameters  used  and simulations performed. The use of multiple plots on one set of axes is useful for showing comparisons.

(v) Discussion: The discussions must give insights. It is not enough to just describe the results. One way is to make tables or graphs showing trends and to provide an explanation for the observed trends.                                                                                                                         (vi) Conclusions and suggestions for future work to improve your design.

Report Marking

Reports are due to be submitted electronically (BlackBoard) by 16:30 on Friday 11th  March. Late  submissions will  be  penalized.  It  is wise  to  allow  plenty  of time when  attempting submission at peak times in case the electronic submission system becomes overloaded.

Marks will be awarded for quality of the results and presentation of the report. The assessors will look for: Good English and proper grammar including appropriate punctuation marks; organisation of the report in a coherent and logical manner with sections and sub-sections as necessary  under the  major headings;  inclusion of proper citations and references; good formatting  including figures with  legible  lines, appropriate  background,  legend  positioned appropriately and figures of proper size (neither too big nor too small); titles for figures and tables placed appropriately (below the figures and above the tables) and labelled accordingly. Proofread carefully to identify typos (I did!)

Reports are checked against each other as well as those from previous years, and against other electronic sources worldwide using the TurnItIn service.

Reports showing evidence of plagiarism are always penalized.

(b) Program listing

ONE copy of the  Matlab  program files should  be sent  in a single  .zip file  by e-mail to (ic.rdcp@gmail.com - please do not cc the module leader) indicating all group member names.  The  computer  program  should  be  well  documented,  and  in  particular,  units  of calculated quantities should be added in comments. Due by 1630 on Friday, 1 1th  March.

File type and naming

•    Reactor design

•    Please     use     one     reactor     design     programme     if     possible     (i.e. ‘HCN_reactor_design’)

•    Otherwise – please ensure all files are appropriately named and collected in a single zip file:

▪    Compress this folder to a  .zip and rename it to ‘RD Group [Group number].zip’ . So for example group 54 would submit ‘RD Group 54.zip’

•    Submission

•    Submit one .zip file toic.rdcp@gmail.comwith the subject line ‘Group [Group Number] - files’ . Send ONE email per group. Please do not cc the module leader.

(c) Data files

All additional calculations that were carried out in spreadsheets, etc. should be included in a data file and e-mailed along with the program files in the .zip folder.

(d) Individual reactor design derivations

At the beginning of the course, all students will be expected to individually derive the PFR design equation for the reactors. Please note that you are not expected to analytically solve this design equation, as it is likely impossible.

It is also suggested to check your initial reactor design with the GTAs with an initial rate check (i.e. the rate at the reactor inlet) using the initial conditions only. This is possible before programming any loops into the programme and can be verified by hand calculation .

Other information

•    Please post any questions on the Discussion Board on Blackboard. Please do not e-mail questions to the module leader – he is likely to just tell you to post it on Blackboard because he is rude.

•    Please do not send your project files (code, report) to the module leader or cc him, as this will cause his inbox to crash and make him sad.

•    Table 2 (each group’s inlet conditions for the reactor design) is on the next page