Innovative approach for monolith texture optimization

A mathematical model of hierarchical porous monolith employed as structured reactor has been developed in this work with the purpose of investigating how the monolith textural properties affect the monolithic reactor performances. Hierarchically organized porous monolith are structured materials consisting in solid body where generally, two classes of pores are present: a first class of micrometer sized pores called macropore and a second class of smaller pores, known as mesopores with length of the order of nanometers. The objective of this work is to investigate the potential benefits that hierarchical porous monolith can bring when used as structured reactor. To accomplish this task, a heterogeneous reactor model in one dimension accounting for intraparticle diffusion has been built. Furthermore, the developed model involves in its description the textural properties characterizing the structured reactor; specifically, the textural parameters are the macropore wall thickness, the macropore diameter and the mesopority tortuosity ratio. In the monolithic reactor model with two reacting systems are studied, one describes the highly unsaturated C4 hydrogenation, namely the butadiene; the second one describes the methylacetylene propadiene hydrogenation. For both the two systems a consecutive kinetic scheme was adopted and the relative kinetic rate laws for hydrogenation reaction were implemented in the model. Then, a sensitivity analysis was performed by investigating the system behavior varying each of textural properties included in the model. For the two hydrogenation reactions we identified that the macropore wall thickness as the parameter able to affect significantly the olefin selectivity. Furthermore, the C3 hydrogenation system resulted to higher sensitivity to the wall thickness and more in general to the other the textural parameters than the butadiene hydrogenation system. The mesopority tortuosity ratio has demonstrated to influence the system improving the intraparticle diffusion. On other hand, the macropore diameter sensitivity analysis in the range of the micrometer showed no significant improvement for the reactor performances.

Un modello matematico di un monolite con porosità gerarchizzata, utilizzato come reattore strutturato, è stato sviluppato in questo lavoro con l’obiettivo di studiare come le caratteristiche strutturali del monolite influiscono sulle prestazioni del reattore. I monoliti con porosità gerarchizzata sono materiali costituiti da un corpo solido dove, in genere, due classi di pori sono presenti: la prima classe di pori ha dimensioni dell’ordine dei micrometri, per questo definiti macropori; la seconda classe di pori, chiamati invece mesopori, hanno dimensione dell’ordine dei nanometri. L’obiettivo di questo lavoro è valutare i benefici potenziali che un monolite a porosità gerarchizzata può portare in applicazioni reattoristiche. Per raggiungere questo obiettivo, un modello monodimensionale ed eterogeneo che tiene conto della diffusione all’interno del catalizzatore è stato realizzato. Inoltre, il modello del reattore monolitico include nella sua descrizione le proprietà strutturali del monolite. I parametri che descrivono le caratteristiche strutturali del monolite sono il diametro dei macropori, lo spessore della parete solida che circonda i macropori e il rapporto tra la mesoporosità e tortuosità. Nel reattore monolitico due sistemi reagenti sono stati studiati: il primo descrive l’idrogenazione del butadiene; il secondo descrive l’idrogenazione del metilacetilene e del propadiene. Uno schema di reazione consecutivo è stato utilizzato per i sistemi reagenti, le relative leggi cinetiche sono state implementate nel modello. Una volta realizzato il modello è stata effettuata una analisi di sensitività. In entrambi i sistemi reagenti lo spessore della parete è stato identificato come il parametro in grado di influenzare in modo significativo la selettività nei confronti delle olefine. Il sistema reagente che descrive l’idrogenazione del metilacetilene e del propadiene ha mostrato una maggiore sensitività allo spessore della parete e agli parametri strutturali. Il rapporto tra la mesoporosità e la tortuosità si è dimostrato in grado di influenzare le prestazioni del reattore migliorando le proprietà diffusive all’interno della parete solida dei macropori. Infine, una analisi di sensitività è stata effettuata nei confronti del diametro dei macropori ma non sono stati osservati miglioramenti significativi.