Analisi e convalida di gerarchie di modello per la simulazione di reattori catalitici a letto fisso

There are different models that can be used in modeling of fixed bed reactors. Complex models, developed on a multi-dimensional domain solving the Navier-Stokes equations, are defined higher hierarchy models. On the other hand, the models developed on a one-dimensional domain, and with a lower degree of complexity, represent the lower hierarchy models. The price to pay for this kind of models, characterized by a lower computational cost, consists in a lower accuracy in the solution. The use of adequate correlations to calculate the lumped parameters in the lower hierarchy models allows to compensate for the loss of accuracy. In this thesis, mass transfer phenomena in honeycomb reactors are studied in detail by the use of the framework catalyticFOAM [2,3] e catalyticFOAM-multiRegion. In the first part, the effect of the channel geometry was investigated in the case of first order kinetics, with the purpose of validating the one-dimensional model in which the lumped parameters are implemented for the calculation of the Sherwood number. In the mass transfer regime described in the literature by Tronconi and Forzatti [5], the Sherwood number assumes the same value as the Nusselt number in the Graetz-Nusselt problem with constant wall temperature. Then, the results obtained from the computational fluid dynamics, in which a complex kinetic mechanism was implemented, were used to verify whether the lumped parameters previously considered for a simple kinetics are able to describe with a good accuracy even complex kinetics. Through proper computational fluid dynamic simulations, the Sherwood number was estimated in mass transfer regime for square and triangular geometries in order to investigate the effect of rounding corners due to the washcoat distribution. In the second part, the mass transfer inside the catalyst was also investigated, using a multi-phase CFD solver (catalyticFOAM-multiRegion) [17], which is able to describe the mass transfer both in the fluid phase and in the solid phase. Thanks to the use of specific methods, which take into account the non-uniformity of the washcoat thickness in the honeycomb reactors, the efficiency factor used in the one-dimensional model was calculated. The comparison between the results obtained from the one-dimensional model and the ones produced by computational fluid dynamic allowed us to evaluate the accuracy of the different methods used to calculate the catalytic efficiency.

Esistono vari modelli che possono essere utilizzati nella modellazione di reattori a letto fisso. Tali modelli possono essere suddivisi secondo una gerarchia basata sulla loro complessità. Modelli più complessi sviluppati su un dominio multidimensionale descriventi il campo di moto del sistema attraverso la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes, rappresentano i modelli a gerarchia superiore. Di contro i modelli sviluppati su un dominio monodimensionale e dotati di un grado di complessità minore rappresentano i modelli a gerarchia inferiore. Il prezzo da pagare per l'uso di questi ultimi, caratterizzati da un minor costo computazionale, consiste in una minor accuratezza della soluzione. L'uso di adeguate correlazioni per la valutazione dei parametri concentrati nei modelli a gerarchia inferiore permette di compensare la perdita di accuratezza. In questo lavoro di tesi, sono stati studiati in modo approfondito, mediante l'utilizzo dei risolutori catalyticFOAM [2,3] e catalyticFOAM-multiRegion i fenomeni di trasporto di materia in reattori catalitici a letto fisso. Nella prima parte è stato studiato l'effetto della geometria del canale nel caso di una cinetica del primo ordine con lo scopo di convalidare il modello monodimensionale, nel quale sono stati implementati i parametri concentrati per il calcolo del numero di Sherwood. Tale valore risulta uguale a quello caratteristico del numero di Nusselt nel problema di Graetz-Nusselt per temperatura di parete costante, corrispondente a regime diffusivo esterno come riportato in letteratura da Tronconi e Forzatti [5]. Successivamente i risultati ottenuti dalla simulazione fluidodinamica, nella quale è stata implementata una cinetica complessa, sono stati utilizzati per verificare se i parametri concentrati considerati precedentemente per una cinetica semplice siano in grado di descrivere con una buona accuratezza anche delle cinetiche complesse. Mediante l'uso di un'analisi fluidodinamica è stato ricavato il numero di Sherwood in regime di diffusione esterno per canali a sezione di passaggio quadrata e triangolare caratterizzati da uno smussamento degli spigoli dovuto alla non uniforme distribuzione del washcoat. Nella seconda parte di questa tesi è stato investigato anche il trasporto di materia all'interno del catalizzatore, mediante l'utilizzo del risolutore fluidodinamico, catalyticFOAM multiRegion [17], in grado di descrivere il trasporto di materia sia nella fase fluida che nella fase solida. Grazie all'uso di specifiche metodologie che tengono conto della non uniformità dello spessore del washcoat nei monoliti che costituiscono i reattori a letto strutturato, è stato calcolato inoltre il fattore di efficienza usato nel modello monodimensionale. Il confronto tra i risultati ottenuti dal modello monodimensionale, a gerarchia inferiore, con i risultati della simulazione fluidodinamica, a gerarchia superiore, ha permesso di valutare l'accuratezza dei diversi metodi usati per il calcolo dell'efficienza del catalizzatore.