Development of an hierarchical methodology for the analysis of novel catalytic reactors: an application to micro-packed bed reactors

The first-principles reactor engineering is becoming a very promising tool for the analysis of catalytic reactors. It relies on a fundamental description of all the phenomena occurring in the reactor, where each scale is represented by means of its own governing equations. In heterogeneous catalysis, this approach allows for the accurate description of the interplay between chemistry and transport processes, which is of primary importance in the understanding of the macroscopic observed functionality of the catalyst. Despite its attractive potential, the first-principles reactor engineering is still hampered by numerical issues and computational costs, even for simple reactor geometries. Therefore, it requires the development of specific tools and methodologies to enable its application to advanced reactor design. This thesis consists in two main sections. In the first one, the main numerical problems of the first-principles reactor enginnering are addressed. In particular, a multi-region architecture is proposed to couple the transport of momentum, mass and energy in the gas phase with the description of the diffusion phenomena in the porous catalyst, where the heterogeneous chemistry is represented by micro-kinetic models. In doing so, a numerical method is developed to reduce the computational effort of steady-state multi-region Computational Fluid Dynamics simulations of catalytic reactors. This model is, then, applied to investigate the adequacy of the lumped modes of honeycomb reactors in the catalytic partial oxidation of hydrocarbon fuels. This analysis proves the adequacy of lumped parameters in describing gas-solid interaction, but it also shows a higher accuracy of the multi-scale model in describing the synergy of homogeneous and heterogeneous chemistry. The second part of this thesis deals with the development of a methodology to enable the application of the first-principles reactor engineering to novel reactor geometries. In this regard, the hierarchical approach has been selected as an interesting tool to meet this goal. In essence, it consists in using detailed multi-scale models to analyze a selected and limited number of operating conditions. Then, the results of these simulations are used to derive lumped parameters for the novel geometry. As a consequence, the implementation of these parameters within simplified models enables a fundamental description of the phenomena in the reactors with a reasonable computational cost. The potentialities of this methodology are herein presented by the analysis the transport phenomena in micro packed bed reactors.

Nell’ultimo decennio la metodologia denominata “first-principles reactor engineering” è considerata uno strumento fondamentale per l’analisi reattoristica. Infatti, essa si basa sua una descrizione fondamentale di ciascun fenomeno chimico-fisico presente nel reattore, che, in catalisi eterogenea, permette una rappresentazione dettagliata dell’interazione tra i fenomeni chimici e quelli di trasporto. Nonostante la sua grande attrattiva, la “first-principles reactor engineering” è ancora affetta da problemi numerici e costi computazionali, che limitano la sua applicazione a geometrie reattoristiche molto semplici, lontane da quelle industriali. Per questo motive, l’obiettivo principale di questa tesi è lo sviluppo di metodologie numeriche per estendere l’applicazione della “first-principles reactor engineering” anche a geometrie più complesse. Questa tesi è suddivisa in due sezioni principali. Nella prima parte sono affrontati i principali problemi numerici come lo sviluppo di un software con un’architettura multi-regione, utilizzato per descrivere simultaneamente il trasporto di energia, massa e momento sia nel gas che nella matrice porosa del catalizzatore. Per far fronte all’alto costo computazionale è stato anche sviluppato un apposto algoritmo numerico in grado di ridurre il tempo computazionale richiesto nella risoluzione delle equazioni associate con la reazione chimica. In seguito, questo modello è stato applicato per l’analisi dell’ossidazione parziale catalitica d’idrocarburi in reattori “honeycomb”. Questa analisi ha fornito una maggiore consapevolezza sulla correttezza dei parametri semplificativi implementati in modelli monodimensionali, comunemente usati per l’analisi di dati sperimentali. La seconda parte della tesi, invece, è focalizzata sullo sviluppo di una metodologia in grado di estendere l’applicazione della “first-principles reactor engineering” a nuove geometrie reattoristiche. In particolare, l’analisi gerarchica è stata utilizzata per investigare le proprietà dei “micro packed beds reactors”. Questa metodologia consiste nell’usare modelli a elevata gerarchica su un numero selezionato e limitato di simulazioni per poi derivare parametri semplificativi da usare in modelli a gerarchia inferiore. L’utilizzo di questi parametri quindi permette un’analisi fondamentale dei “micro packed beds reactors” e di nuove geometrie reattoristiche con costi computazionali accettabili.