Development of a computational framework for the multiscale simulation of multiphase flow in catalytic reactors

Nowadays, multiphase reactive flows are extensively employed in many different industrial applications where the simultaneous presence of more than one fluid along with a catalytic material is necessary to achieve the required conversion and yields. To achieve a comprehensive description of such systems is required bridging several phenomena characteristic of a broad range of different lengths and time scales, from the active site to the reactor. The intrinsic multiscale nature of the system, the mutual intercoupling, the complexity in dealing with different phases each characterized by its own properties, and the related phenomena that govern the evolution of the system make the problem really challenging. The current investigations are carried out by means of an integral approach with limited insights into the reaction environment. However, the reactor design and the tuning of operating conditions for achieving the best performances cannot be optimized without an accurate description of the phenomena inside the reactor. The development of a numerical tool suitable to fill this task is therefore essential since it is absent in the current literature. The aim of this work is therefore the development of a numerical Computational Fluid Dynamics (CFD) framework, based on OpenFOAM, named interTransportKineticsFoam, able to provide a comprehensive description of multiphase reactive flows with intra- and interphase mass transfer with homogeneous and heterogeneous chemistry through a first-principles approach. The framework employs a Volume-of-Fluid (VOF) method for the tracking of the interface between the fluids and a single-field approach for the description of the governing equations. The numerical model is derived by using the conditional volume-averaging technique introduced by Marschall et al. (Marschall, 2012) for the single-field approach, along with the improvements proposed by Maes et al. (Maes, 2018). The pressure-velocity coupling in the Navier-Stokes equations is treated with the Pressure Implicit with Splitting of Operators (PISO) algorithm. The framework is able to describe the mass transfer within and between the phases by accounting for the concentration jump at the interface determined by the partition coefficient. The linearization of the chemical source terms is employed to account for homogeneous and heterogeneous reactions. In particular, the heterogeneous chemistry is implemented by developing of a novel boundary condition (i.e. multiphaseCatalyticWall). The hereby developed numerical framework is assessed with test cases of increasing complexity. First, the correct reproduction of the hydrodynamic of multiphase flows is assessed for the case of a buoyancy driven Taylor bubble. Second, the analysis of the inter and intra-phase mass transfer under pure diffusional conditions has been considered by employing a 1D stationary system. The analysis revealed the capability of the framework in describing the mass transfer along with the reproduction of the concentration jump at the interface since an excellent agreement is found with respect to analytical solutions. Then, homogeneous and heterogenous chemistry have been considered and the performances of the framework assessed. Finally, the framework has been tested by considering 2D film flow with both homogeneous and heterogenous chemistry. An excellent agreement between the model results and analytical and numerical results has been obtained in several different operating conditions proving the capability of the framework in describing multiphase flow with mass transfer and chemical reactions. Then, the solver has been employed in the analysis of more realistic applications to show the capability in describing the behaviour of the system. In this view, it is intended to provide an insight on the potential of the novel numerical tool. The flexibility of the model in adapting to potentially any geometry of the computational domain, makes it a reliable instrument to fulfil the request of efficient and accurate methods for studying the behaviour of multiphase flows in heterogeneous reactive systems.

Al giorno d’oggi i flussi reattivi multifase sono ampiamente impiegati in molte differenti applicazioni industriali dove la presenza simultanea di più di un fluido insieme al catalizzatore è indispensabile per ottenere conversioni e rese richieste. Per ottenere una descrizione completa di tali sistemi è necessario legare fenomeni caratteristici di una vasta gamma di lunghezze e scale temporali differenti, dal sito attivo del catalizzatore al reattore. La natura intrinsecamente multi-scala del sistema, la reciproca interdipendenza, la complessità nel trattare le diverse fasi ognuna caratterizzata dalle proprie proprietà, e tutti i fenomeni correlati che governano l’evoluzione del sistema rendono il problema veramente complesso da risolvere. Attualmente, le indagini comuni sono condotte attraverso un approccio integrale con limitata comprensione dell’ambiente di reazione. Tuttavia, la modellazione del design del reattore nella fase di progetto e la scelta delle condizioni operative per ottenere le migliori prestazioni non possono essere ottimizzate senza un’accurata descrizione dei fenomeni all’interno del reattore. Lo sviluppo di uno strumento numerico adatto a svolgere questo compito è quindi essenziale, poiché è attualmente assente in letteratura. Lo scopo di questo lavoro è quindi lo sviluppo di un framework numerico di Computational Fluid Dynamics (CFD), basato su OpenFOAM, chiamato interTransportKineticsFoam, in grado di fornire una descrizione completa dei flussi reattivi multifase con trasferimento di materia intra- e inter-fase e con chimica omogenea ed eterogenea attraverso un approccio ai “principi primi”. Il framework utilizza un metodo Volume-of-Fluid (VOF) per il tracciamento dell’interfaccia tra fluidi e un approccio a campo singolo per la definizione delle equazioni che governano il sistema. Il modello numerico è derivato utilizzando la tecnica di mediazione condizionata sui volumi introdotta da Marschall et al. (Marschall, 2012) per un approccio single-field, assieme ai miglioramenti proposti da Maes et al. (Maes, 2018). L’accoppiamento pressione-velocità nelle equazioni di Navier-Stokes è trattato con un algoritmo Pressure Implicit with Splitting of Operators (PISO). Il framework è in grado di descrivere il trasferimento di materia all’interno e tra le fasi tenendo in considerazione il salto di concentrazione all’interfaccia che è determinato dal coefficiente di partizione. È utilizzata una tecnica di linearizzazione dei termini di sorgente chimica per le reazioni omogenee ed eterogenee. In particolare, la chimica eterogenea è implementata sviluppando una nuova condizione al contorno (multiphaseCatalyticWall). Il framework numerico sviluppato nel lavoro di tesi è valutato con test di validazione di complessità crescente. In primo luogo, la corretta riproduzione della fluidodinamica dei flussi multifase è valutata per il caso di moto di una bolla di Taylor per galleggiamento. In secondo luogo, viene considerata l’analisi del trasferimento di materia inter- e intra-fase in condizioni di pura diffusione utilizzando un sistema monodimensionale. L’analisi effettuata ha evidenziato la capacità del solver nel descrivere il trasporto di materia e nel riprodurre il salto di concentrazione all’interfaccia, in quanto è stato rilevato un eccellente accordo con le soluzioni analitiche. Successivamente, sono state introdotte nel sistema la chimica omogenea e quella eterogenea e sono state ancora valutate le prestazioni del framework. Infine, il solver è stato testato considerando un film bidimensionale con reazione chimica omogenea ed eterogenea. È stato ottenuto un eccellente accordo tra i risultati forniti dal modello e i risultati analitici e numerici di riferimento per diverse condizioni operative che dimostrano la capacità del framework nel descrivere il flusso multifase con trasferimento di materia e reazioni chimiche.