An innovative reactor configuration for pollutant abatement using open-cell foams as catalytic support

Open-cell foams are 3D-cellular materials formed by an interconnected network of ligaments, containing pores through which fluid is allowed to flow. They are characterized by high surface area per unit volume and high void fractions. Due to their geometrical features and their flexibility in design, open-cell foams are considered potential catalytic supports for process intensification of environmental applications. The aims of this thesis work is to assess possible applications of these structures for the ammonia-SCR reaction and compare the results with state-of-the-art honeycomb supports. The focus of the work was the comparison of pressure drop and pollutant conversion, which are crucial aspect in these devices. The analysis was carried out by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. A porous-media approach was chosen, where the different structures were described by means of proper geometrical properties and closure terms. First, the comparison between the structures was performed in axial flow configuration: a parametric analysis has been performed to evaluate how typical geometrical parameters (i.e. porosity, cell diameter, etc.) influence open-cell foams performances. However, open-cell foams exhibit worse performances than monolith in due to higher pressure drops, especially at high mass flow rates. To reduce them, open-cell foams have been employed in radial flow configuration. A more detailed analysis was performed, adding the residence time distributions to the parametrical analysis to understand the behavior of this innovative solution. Optimized reactor configuration enabled a strong reduction of pressure drops without detrimental effects on flow distribution and mass transfer thus achieving comparable or better results than honeycombs.

Le schiume a cella aperta sono materiali tridimensionali formati da una rete interconnessa di legamenti, contenendo pori attraverso i quali può scorrere la fase fluida. Esse sono caratterizzate da un'ampia area superficiale per unità di volume, alti gradi di vuoto. Grazie alle proprietà geometriche e ad un'elevata adattabilità nel design, esse rappresentano potenziali supporti catalitici per l’intensificazione di processo ed il controllo delle emissioni. Il proposito di questa tesi è quello di valutare la possibile applicazione di tali strutture nella reazione SCR con ammoniaca, confrontando i risultati con i supporti monolitici a nido d’ape, impiegati oggigiorno. Il focus di questo lavoro è stato il paragone delle perdite di carico e della conversione degli inquinanti, essendo aspetti cruciali in questi dispositivi. L’analisi è stata condotta per mezzo della fluidodinamica computazionale (CFD). È stato scelto un approccio di mezzo poroso, dove le differenti strutture sono state descritte tramite adeguate proprietà geometriche e termini di chiusura. In primo luogo, il confronto è stato svolto impiegando una configurazione assiale: è stata effettuata un'analisi parametrica per valutare come i parametri geometrici tipici delle schiume (quali il diametro della cella, la porosità, etc.) influenzino le performance di questi dispositivi. Confrontandole con quelle dei monoliti, è risultato che le schiume a cella aperta presentano performance peggiori, in quanto presentano perdite di carico maggiori, specialmente per portate elevate. Per ridurre tale effetto, si è pensato di applicare le schiume in una configurazione radiale. In questo caso è stata condotta un'indagine più approfondita, aggiungendo all’analisi parametrica quella dei tempi di residenza del fluido nella schiuma per capire il comportamento di queste strutture innovative. Utilizzando la configurazione ottimale si nota una forte riduzione delle perdite di carico senza intaccare la distribuzione dei gas o il mass transfer, raggiungendo risultati comparabili o migliori rispetto ai monoliti a nido d’ape.