A fundamental analysis of pressure drop and mass transfer in cubic cell periodic ordered cellular structures with elliptical struts as innovative catalyst supports

Periodic Open Cellular Structures (POCS) are cellular materials made of an ordered assembly of interconnected unit cells with well-defied geometry. POCS are characterized by high surface area per unit volume and high void frac tions. Due to their geometrical features and their flexibility in design, POCS are considered potential catalytic supports for process intensification of environmental applications. This thesis aims to assess the fluid dynamic and transport properties of cubic-cell POCS with elliptical struts, a novel design aimed to enhance the performances of structured catalyst supports with this design context of environmental applications. This thesis, under the framework of INTENT ERC project, is aimed to study in detail the pressure drops and the mass transfer properties of these structures as a function of the main geometrical properties of the structures by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. After a brief introduction where the current technologies are illustrated, the discussion deals with the detailed geometrical characterization of the structure. Proper geometrical descriptive parameters are determined along with the structure main geometrical features (porosity, specific surface area). Then, the governing equations and the numerical schemes used in CFD simulations are illustrated. First, the pressure drops are investigated. Initially, the analysis of the entrance effect is carried out proving that entrance effects are relevant and affect the structure performance in real applications. Then, a parametrical investigation of the effect of porosity and elliptical distortion of struts cross section on pressure drops is carried out in the case of fully developed flow. The results reveal that the pressure drops of such structures are close to the honeycombs ones proving the potential of the envisioned system. The gas-to-solid mass transfer is examined under the same flow conditions. Firstly, entrance effects contribution on the external mass transfer is evaluated. The study reveals that entrance effects barely affect transport properties; hence, their contribution can be generally neglected. The effect of porosity and elliptical distortion on the volumetric mass transfer coefficient are studied as well. Then, the structures overall performance is evaluated by means of a dimensionless parameter, the Merit Index, accounting for the trade-off between external mass transfer and pressure drops. The structure is shown to be most performant for higher porosities and by increasing the elliptical distortion of the struts. In laminar conditions, cubic-cell POCS with elliptical struts widely outperform even honeycomb monoliths. Structures performance have been evaluated in developed flow conditions, although entrance effects have proven to strongly affect the structure fluid dynamic behaviour. Cubic-cell POCS with elliptical structures have proven to be promising catalysts support for environmental application, as they exhibit outstanding performances able to boost the current performances.

Le strutture cellulari periodiche a cella aperta (POCS) sono materiali cellulari originati dalla ripetizione periodica di celle unitarie, aventi una precisa geometria e tra di loro comunicanti. I POCS sono caratterizzati da un’alta area superficiale per unità di volume e da alti gradi di vuoto. Grazie a queste proprietà geometriche e grazie anche alla loro adattabilità nel design, i POCS dimostrano di essere potenziali supporti catalitici per l’intensificazione di processo e per applicazioni volte al controllo delle emissioni. Il proposito di questa tesi è di analizzare le proprietà fluidodinamiche e di trasporto dei POCS a cella cubica con strut ellittici, poiché rappresentano un potenziale ed innovativo supporto catalitico capace di incrementare le performance degli attuali dispositivi di controllo delle emissioni. La tesi, inquadrata all’interno del progetto INTENT ERC, analizza nel dettaglio le perdite di carico e le proprietà di trasporto di queste strutture, con particolare attenzione a comprendere il legame tra le proprietà e le caratteristiche geometriche. L’analisi viene condotta per mezzo della fluidodinamica computazionale (CFD). Dopo una breve introduzione dove si delineano le tecnologie attuali, vengono illustrate le proprietà geometriche della struttura. Vengono pertanto scelti dei parametri descrittivi della geometria, e vengono fornite le espressioni per il calcolo della porosità e della superficie specifica in funzione di questi. Segue quindi l’illustrazione degli schemi numerici e delle equazioni utilizzate nelle simulazioni CFD. Per ciò che riguarda lo studio delle perdite di carico, sono anzitutto esaminati gli effetti d’imbocco. L’analisi dimostra la rilevanza di tali fenomeni, che potrebbero interessare le performance di queste strutture in applicazioni reali. A ciò segue la modellazione delle perdite di carico per profilo fluidodinamico completamente sviluppato in funzione della porosità e della distorsione delle sezioni ellittiche. Le perdite di carico per tali strutture sono molto simili a quelle fornite dai monoliti a nido d’ape (honeycombs), dimostrando la potenzialità del sistema illustrato. In seguito, vengono esaminate le proprietà di trasporto convettivo di materia tra gas e solido. Anzitutto, si studia la dipendenza di tali proprietà dagli effetti d’imbocco. Esse risultano pressocché indipendenti tali effetti, di conseguenza i risultati ottenibili dall’analisi su profilo completamente sviluppato possono essere ritenuti rappresentativi dell’intera struttura. Pertanto, si studia la dipendenza del trasporto di materia dalla geometria del sistema (porosità, distorsione delle sezioni ellittiche). Infine, per poter valutare le performance della struttura, si fa ricorso al Merit Index, un parametro adimensionale che tiene conto del compromesso tra perdite di carico e trasporto di materia sulle performance della struttura in applicazioni reali. Viene discussa la variazione del Merit Index in funzione delle proprietà geometriche: in particolar modo, si può constatare che questo è massimo per la struttura con porosità e deformazione delle sezioni ellittiche massime. In condizioni laminari, i POCS a cella cubica con strut ellittici dimostrano di avere prestazioni migliori dei monoliti a nido d’ape. I POCS a cella cubica con strut ellittici hanno dimostrato di essere un promettente supporto catalitico per applicazioni ambientali, poiché paiono offrire notevoli prestazioni in grado di migliorare i sistemi già esistenti