Experimental investigation of open-cell foams as enhanced catalytic substrates : analysis of heat transfer properties in reactive conditions and pressure drops

Open-Cell Foams have been proposed as enhanced catalyst supports for their several advantages in terms of heat transfer properties and pressure drop performances that may overcome many limitations of the conventional random packed bed reactors. These aspects are currently under investigation in an ERC grant awarded to Prof. E. Tronconi - Grant Agreement no. 694910 (INTENT) - aimed at the intensification of tubular reactor design by the adoption of highly conductive connected internals, thanks to their strong potential for handling heat management in extremely exo- or endo-thermic catalytic processes. In this work, an experimental investigation of reactive heat transfer in open-cell foams has been performed on washcoated aluminum samples in the presence of the CO oxidation reaction as paradigm of strongly exothermic process. Another aspect considered in this work was the experimental evaluation of pressure drops of additive manufactured foam samples for the development of a novel correlation valid in a wide range of fluid dynamic conditions. Many activities have been already undertaken in the heat transfer field, but for the first time in this work highly conductive open-cell foams were tested experimentally under reactive conditions, in order to improve our understanding of the thermal behavior of these novel catalyst supports. In particular, two categories of samples were considered: short samples completely coated with Pd/CeO_2-based catalyst formulation (FCF samples) and longer samples with one half of the foam as reactive portion and one half left inert as pre-mixing zone (DZCF samples). In order to check washcoat resistance and define the most suitable operating procedure, a FCF sample was tested with a random packing of particles as premixing element upstream. This preliminary activity provided a first understanding of the complexity of the phenomena occurring inside the system when an exothermic chemical reaction is introduced, and paved the way for the novel DZCF configuration that, exploiting the intrinsic characteristics of foam structures, helped to achieve more reasonable inlet conditions -impractical in the previous cases-, in view of a proper numerical modeling. In this way, it was possible to assess the effect of the morphological properties of these supports in the measured temperature profiles. Concerning pressure drops analysis, samples with different porosities and cell sizes were previously virtually generated and manufactured by means of 3D printing, to run experiments devoted to the validation of numerical CFD simulations carried out by Bracconi et al. in LCCP group. The experimental results obtained in this work were then useful in the derivation of a novel correlation for pressure drops in open-cell foams also in the low Reynolds numbers regime where already available models are not able to describe the experimental evidence. This thesis includes 8 main chapters. In the first chapter, an overview about open-cellular metallic structures is provided, emphasizing their promising beneficial properties in industrial heterogeneous catalysis applications. Chapter 2 is dedicated to the description of the experimental set-up and procedures adopted both for heat transfer and pressure drops investigation. In Chapter 3, it is reported a short morphological characterization of all the samples employed in this work. Chapter 4 includes the description of the catalytic activation of aluminum samples for heat transport evaluation. . In Chapter 5 a review of the recent literature in terms of heat transfer and the description of the developed model are provided, while Chapter 6 goes through the corresponding experimental results. Chapter 7 presents the experimental results derived from the pressure drops investigation together with the development of the new correlation. Finally, conclusive remarks are reported and further developments are proposed in Chapter 8.

Le schiume a celle aperte sono state indicate all’interno della comunità scientifica come promettenti substrati catalitici, alla luce dei loro notevoli vantaggi relativi al trasporto di calore e delle migliori performance in termini di perdite di carico nelle applicazioni di catalisi eterogena industriale, rendendole in grado di superare le molteplici limitazioni che inficiano i convenzionali letti impaccati. Attualmente questi aspetti sono il fulcro della ricerca scientifica del gruppo del Prof. Tronconi, in virtù del premio ERC- Grant Agreement no.694910 (INTENT) assegnatogli, rivolto all’intensificazione della tecnologia dei reattori tubolari, grazie all’impiego di strutture metalliche altamente conduttive che si contraddistinguono per il loro spiccato potenziale nella gestione del calore all’interno di processi estremamente eso- ed endo-termici. Questo lavoro si propone di portare avanti uno studio sperimentale dello scambio termico reattivo, promosso da schiume di alluminio ricoperte di uno strato di washcoat per l’attivazione della reazione catalitica di ossidazione del CO, scelta come paradigma di processo fortemente esotermico. Parallelamente, questo lavoro affronta la valutazione delle perdite di carico prodotte da campioni di schiume in resina realizzati attraverso metodi innovativi di stampa 3D, al fine di sviluppare una nuova correlazione valida in un ampio intervallo di condizioni fluidodinamiche. Numerose attività sono state già avviate nell’ambito dello scambio termico in passato, ma per la prima volta questo lavoro si rivolge all’approfondimento dal punto di vista sperimentale degli stessi fenomeni in presenza di una reazione, in modo tale da consegnare un quadro più ampio circa il comportamento di tali supporti conduttivi in termini di controllo termico. In particolare, sono state testate due categorie di campioni: alla prima afferiscono campioni di dimensioni più piccole, completamente rivestiti da uno strato di materiale catalitico a base di Pd/CeO_2 (campioni FCF), mentre della seconda fanno parte campioni di alluminio più lunghi washcoattati solo per metà, affinché la porzione lasciata inerte potesse funzionare come elemento di uniformazione delle proprietà del flusso (campioni DZCF). Al fine di verificare la resistenza del washcoat agli stress termici e meccanici a e al fine di definire la pratica sperimentale più appropriata, i campioni FCF sono stati sottoposti ad una campagna sperimentale di scambio termico reattivo con uno strato di particelle impaccate a monte della struttura come elemento di pre-miscelazione. Questa attività preliminare è stata utile a indentificare la sovrapposizione di un certo numero di fenomeni che concorrono insieme nel sistema a fronte dell’esotermicità della reazione, gettando le basi per la proposta della soluzione a due zone (DZCF). Sfruttando le proprietà intrinseche di tali strutture, questa configurazione ha contribuito al raggiungimento di ragionevoli condizioni di ingresso, irrealizzabili invece nella configurazione precedente, in vista della modellazione numerica. In questo modo è stato possibile stabilire l’effetto delle caratteristiche morfologiche di tali strutture sui profili termici misurati. Per quanto riguarda lo studio delle perdite di carico, i campioni sono stati precedentemente generati virtualmente e prodotti attraverso la tecnica di stampa 3D con diverse porosità e diametri di cella, per eseguire esperimenti dedicati alla convalida delle simulazioni CFD effettuate da Bracconi et al. I risultati sperimentali sulle perdite di carico ottenuti in questo lavoro, sono stati poi utili alla derivazione di una nuova correlazione per le perdite di carico nelle schiume a celle aperte anche nel regime caratterizzato da bassi numeri di Reynolds dove altri modelli preesistenti in letteratura non sono in grado di fornire un’accurata descrizione. Questa tesi si compone di 8 capitoli principali. Nel primo capitolo è offerta una revisione generale sulle schiume a celle aperte, ponendo l’accento sulle promettenti proprietà che le rendono interessanti nella applicazioni di catalisi industriale. Il Capitolo 2 è dedicato alla descrizione della configurazione sperimentale e delle procedure adottate sia nel caso dello scambio termico sia nel caso delle perdite di carico. Nel Capitolo 3 è fornita una breve caratterizzazione morfologica di tutti I campioni usati in questo lavoro. Il Capitolo 4 contiene la descrizione dell’attivazione catalitica dei supporti in alluminio per le prove di trasporto del calore. Nel capitolo 5 è presentata una breve review di letteratura sullo scambio termico in materiali cellulari ed è presentato il modello matematico utilizzato per la simulazione delle prove sperimentali. Il Capitolo 6 ne ripercorre i corrispondenti risultati sperimentali mentre il Capitolo 7 riporta I dati sperimentali derivati dall’analisi delle perdite di carico, insieme allo sviluppo della nuova correlazione. Infine, commenti conclusivi e ulteriori sviluppi sono presentati nell’ultimo capitolo.