Coupling heterogeneous and homogeneous kinetic models in CFD simulations of gas solid cataltytic reactors

The present Thesis proposes a validation and test of the catalyticFOAM solver, a CFD code for the modeling of multi-dimensional reacting catalytic systems. The validation was aimed to the resolution of a reactive system in which the homogeneous gas-phase are coupled with heterogeneous solid-phase reactivity. An example of such processes are high temperature catalytic processes carried out in Short Contact Time (SCT) reactors in which fluid chemistry, thermally activated, plays a key role in the process conduction. The gas-phase chemistry introduction coupled with superficial heterogeneous chemistry implies several complications, both in the handling of kinetic schemes and the numerical solution; these are given by the huge number of species considered in the kinetic scheme, as well as the considerable increase of the number of equations. As a result, an increase in the problem's stiffness is obtained, given by the large number of reactions and different characteristic times. Moreover, because of the small reactor dimensions and strong exothermicity, a large amount of heat is produced in the first millimeters of the reactors, resulting in a quasi-adiabatic condition: this fact improves the non linearity of the global system, as kinetic laws have an exponential trend dictated by the Arrhenius law. The catalyticFOAM solver, and particularly catalyticFOAM-multiRegion introduced by (Calonaci, Furnari 2012) and modified by (Gentile, Manelli 2013), hasn't been tested before now in these conditions: this fact has led to the necessity of improving of the pre-existing structure in order to handle in an efficient and proper way the considered systems. In this view, the convergence algorithm between the fluid and solid phase, named PIMPLE loop, has been optimized with the aim to guarantee a better management of the fluid chemistry. The effectiveness of this improvement has been tested by means of a simulation of oxidation of hydrogen in isothermal conditions. In view of the achievement of a realistic description of heat transport, this one has to be represented as much accurately as possible; in order to do so, in this work a mesh with one fluid region and two solid regions was adopted for the adiabatic simulations, so as to have a better depiction of the heat capacity of the reactor. Finally, with the aim of showing the effect of the gas-phase reactivity, several simulations were carried out both in isothermal and adiabatic conditions, comparing the obtained results with the predictions of a simpler one-dimensional heterogeneous model.

Il presente lavoro di tesi propone la validazione e test del solver catalyticFOAM, un codice di fluidodinamica computazionale (CFD) per la modellazione di sistemi catalitici reagenti multi-dimensionali. La validazione ha riguardato la risoluzione di un sistema reagente nel quale le reazioni omogenee in fase gas sono accoppiate alle reazioni eterogenee in fase solida. Un esempio di questi sistemi è rappresentato dai processi catalitici di alta temperatura condotti in reattori a breve tempo di contatto (Short Contact Time, SCT), nei quali appunto la chimica in fase gas, attivata termicamente, gioca un ruolo chiave nella conduzione del processo. L'introduzione della chimica in fase gas accoppiata a quella superficiale eterogenea implica notevoli complicazioni sia a livello di gestione delle cinetiche sia a livello di risoluzione numerica; ciò è dato dal notevole numero di specie da considerare nello schema cinetico, nonché dall'aumento considerevole del numero di equazioni. Come risultato si ottiene pertanto un aumento della stiffness del problema dovuto all'alto numero di reazioni a ai diversi tempi caratteristici di queste. In aggiunta, date le ridotte dimensioni del reattore e la considerevole esotermia del processo, una grande quantità di calore viene prodotta nei primi millimetri di reattore, il quale viene a trovarsi in condizioni di quasi-adiabaticità: ciò aumenta consistentemente la non linearità del sistema complessivo in quanto le leggi cinetiche seguono un andamento esponenziale dettata dalla legge di Arrhenius. Il solver catalyticFOAM, e in particolar modo catalyicFOAM-MultiRegion introdotto da (Calonaci, Furnari 2012) e modificato da (Gentile, Manelli 2013), non era mai stato testato prima d'ora in queste condizioni: questo fatto ha reso necessario il miglioramento della struttura preesistente col fine di trattare in maniera più efficace ed efficiente questi sistemi. In quest'ottica, il metodo di convergenza tra fase fluida e solida, denominato ciclo PIMPLE, è stato ottimizzato per una più efficiente gestione della chimica omogenea in esso. Si è quindi dimostrata l'efficacia del miglioramento attraverso una simulazione di ossidazione di H2 in condizioni isoterme. Per una rappresentazione più aderente alla realtà, il trasporto di calore dev'essere modellato il più accuratamente possibile. Per raggiungere questo scopo, nella conduzione delle simulazioni adiabatiche è stata adottata una mesh con una regione fluida e due solide in modo da ottenere una migliore riproduzione della capacità termica del reattore. In ultimo, al fine di dimostrare l'effetto delle reazioni in fase omogenea, sono state condotte diverse simulazioni in condizioni isoterme e adiabatiche i cui risultati sono stati confrontati con le previsioni ottenute da un più semplice modello eterogeneo mono dimensionale.