An Eulerian-Lagrangian framework for the reactive CFD simulation of fluidized bed reactors

The present Thesis proposes a Computational Fluid Dynamic (CFD) Euler-Lagrange numerical framework able to deal with reactive gas-solid fluidized bed, adopting a multiscale modeling approach. The detailed characterization of the complex fluid dynamic behavior is coupled with the accurate description of the heterogeneous chemistry by means of microkinetic mechanisms. The reactive framework has been developed starting from an existing non-reactive CFD-DEM methodology. Therefore, the existing code has been assessed and improved by increasing its numerical stability and accuracy. Then, the detailed description of the species and temperature transport and of chemical reactivity has been introduced and validated. In this view, a numerical tool, i.e. catalyticDPMFoam, have been developed based on CFD-DEM state of art in OpenFOAM®. The reliability and accuracy of the predictions of the proposed framework have been tested through several case studies investigating fluidized beds in the order of 10000 particles. Moreover, fixed bed regime has been considered for the framework validation due to the availability of well-established one dimensional models. The fluid dynamic results have shown an excellent agreement with the available experimental data for fluidized bed in several different regimes, in terms of bed pressure drop and bubble shape and pattern. Moreover, minimum fluidization velocity predictions have been investigated by performing increasing inlet gas velocity simulations, starting from fixed bed regime and adopting different particle diameters (i.e. 0.1, 2.5, 3, 5 and 7 mm). Results have shown some inaccuracies only for the large particles (above 3 mm) due to the neglected turbulence effects and intrinsic mesh size limitations of the methodology. The framework capabilities in the management of the thermal dynamics and the reactivity of fluidized systems have been studied. In particular, the thermal dynamics of two fluidized beds has been reproduced obtaining an excellent agreement with literature data for the required total heating time. The reliability and accuracy of the developed heterogeneous chemistry modeling has been validated in both fixed and fluidized bed regime. The steady state mass fraction profiles of reactants and products have been compared with well-established one dimensional pseudo-homogeneous model predictions. Finally, a lab scale fluidized bed reactor of 300000 particles for the Catalytic Partial Oxidation (CPO) of methane has been investigated. The dimension of this system is challenging due to the large computational effort and represents one of the largest reactive CFD-DEM simulation in literature. In this view, the capabilities of the framework in dealing with complex chemistry and large number of particles have been assessed in terms of accuracy and computational cost.

Il presente lavoro di Tesi propone una metodologia numerica CFD Euleriana-Lagrangiana capace di gestire i sistemi reattivi gas-solido a letto fluidizzato, adottando un approccio modellistico multiscala. La descrizione dettagliata del complicato comportamento fluidodinamico è stata accoppiata con la descrizione accurata della chimica eterogenea mediante meccanismi microcinetici. La metodologia reattiva è stata sviluppata a partire da un codice CFD-DEM non reattivo esistente. Perciò, esso è stato verificato e migliorato incrementandone la stabilità numerica e accuratezza. In seguito, sono state introdotte e convalidate la descrizione dettagliata della reattività e della distribuzione di specie e temperatura nel sistema. A questo scopo, è stato sviluppato un nuovo strumento numerico, i.e. catalyticDPMFoam, sulla base dello stato dell’arte CFD-DEM in OpenFOAM®. L’affidabilità e accuratezza delle previsioni della metodologia proposta sono state valutate mediante diversi casi di studio, investigando letti fluidi composti, come ordine di grandezza, da 10000 particelle. Inoltre, il regime di letto fisso è stato considerato per la convalida della metodologia in ragione della disponibilità di modelli monodimensionali ben consolidati. I risultati fluidodinamici hanno mostrato un eccellente accordo con i dati sperimentali disponibili per diversi regimi di letto fluidizzato, in termini di perdite di carico e di forma e percorso delle bolle. Inoltre, sono state studiate le previsioni della velocità di minima fluidizzazione simulando sistemi a velocità crescente, a partire dal regime di letto fisso ed adottando particelle con differenti diametri (i.e. 0.1, 2.5, 3, 5 e 7 mm). I risultati hanno mostrato alcune imprecisioni solo per le particelle più grosse (sopra i 3 mm di diametro) a causa della turbolenza e delle limitazioni sulla finezza della griglia computazionale, intrinseche nella metodologia proposta. Successivamente è stata analizzata la capacità della metodologia numerica di descrivere la dinamica termica e la reattività dei sistemi. In particolare, è stata riprodotta la dinamica termica di due letti fluidi ottenendo un eccellente accordo con i dati di letteratura riguardanti il tempo richiesto per il riscaldamento completo del letto. L’affidabilità e accuratezza della modellazione della chimica eterogenea sviluppata in questo lavoro, sono state convalidate in regime sia di letto fisso che di letto fluido. I profili a stazionario di frazione massiva dei reagenti e dei prodotti sono stati confrontati con le previsioni di un modello monodimensionale pseudo-omogeneo. Infine, è stato studiato un reattore di scala di laboratorio per la CPO (Catalytic Partial Oxidation) del metano, composto da 300000 particelle. Le dimensioni di questo sistema sono impegnative a causa dello sforzo computazionale e rappresentano una delle più grosse simulazioni reattive CFD-DEM in letteratura. Sono state perciò valutate le capacità della metodologia implementata nella gestione di una chimica complessa e di un elevato numero di particelle in termini di accuratezza e costo computazionale.