Experimental study of mass transfer and pressure drops in open cell foams and periodic open cellular structures

In today's context, the use of catalysts is not only crucial to the realization of the most important chemical processes, but also plays a primary role in reducing pollutant emissions in exhaust gases The most common media used in the catalytic processes are solid pellets ceramic or metallic honey-combs having various industrial disadvantages. In this thesis innovative metal supports are investi-gated experimentally, in particular the material transport properties, of open cell foam and high po-rosity cellular structures (POCS). In fact, these structures could allow the realization of new, more resistant, lighter and more compact devices, thanks to their high porosity and specific surface area available. The lack of reliable engineering correlations for the estimation of the main transport prop-erties requires a fundamental and in-depth study of these properties to better illustrate the ad-vantages of these supports over conventional structures. In this dissertation, a first part is devoted to the presentation of the state of the art of these materials and their applications. In the second chapter the experimental procedure is described then, charac-terization and catalytic preparation of the samples tested will presented. The second part of the dis-sertation is aimed at the critical analysis of the experimental results obtained, the estimation of the material transport coefficients and the measures of pressure drops for which engineering correlations will be developed to predict such properties. In the last part, an analysis of results will be performed using the previously developed correlations, these will be compared to the current available solutions on the market as regards the possible use of these structures as catalytic supports for exhaust gas aftertreatment devices in the automotive indus-try.

Nel contesto odierno, l’utilizzo di catalizzatori non solo è fondamentale per la realizzazione dei più rilevanti processi chimici, ma ricopre anche un ruolo primario nella riduzione di emissioni inquinanti contenute nei gas esausti. I supporti più comuni utilizzati in processi catalitici sono pellets solidi, honeycomb ceramici o metal-lici che presentano varie svantaggi dal punto di vista industriale. In questo lavoro, vengono studiati sperimentalmente supporti metallici innovativi in particolare vengono investigate le proprietà di tra-sporto di materia e le perdite di carico di schiume a cella aperta e di strutture cellulari ordinate ad alta porosità (POCS). Queste strutture potrebbero permettere la realizzazione di nuovi supporti, più performanti, più leggeri e più compatti grazie all’elevata porosità e area superficiale disponibile. La mancanza di correlazioni ingegneristiche affidabili per la stima delle principali proprietà di trasporto rende necessario uno studio fondamentale e approfondito di quest’ ultime per meglio mettere in evidenza i vantaggi di questi supporti rispetto a substrati convenzionali. In questo lavoro di tesi una prima parte è dedicata allo stato dell’arte di questi materiali e delle loro applicazioni, una volta descritta la procedura sperimentale segue un capitolo sulla caratterizzazione e sulla preparazione catalitica dei campioni testati. La seconda parte della tesi è rivolta all’analisi critica dei risultati sperimentali ottenuti, la stima dei coefficienti di trasporto di materia e le misure delle perdite di carico per cui verranno sviluppate correlazioni di tipo ingegneristico per predire tali pro-prietà. Nell’ultima parte si farà un’analisi delle performance delle strutture testate tramite l’utilizzo delle correlazioni precedentemente sviluppate, queste verranno infine confrontate con le attuali soluzioni disponibili sul mercato per quanto riguarda un possibile utilizzo come supporti catalitici per sistemi di post trattamento di gas esausti nel settore automobilistico.