Modelling of 3D-printed catalyst structures : influence of the solid phase on heat transfer performance and steam methane reforming reaction

Additive manufacturing promises to unlock large design freedom in designing and shaping catalytic material by means of custom structures. Those novel structures can be altered in order to achieve optimal properties in terms of catalytic holdup, transport properties and pressure drop. In this modelling study, 9 structures are proposed as an alternative to a common Packed-Bed reactor configuration. Two of them represent the so called Log-Pile configuration, while the remaining structures represent an improved version of the first two already mentioned thanks to the introduction of porous baffles acting as a static mixer, generating cross-flow. Additionally, the catalytic support was studied as a viable way to transfer heat inside the structures by means of solid thermal conduction. An Open-FOAM Computational Fluid Dynamics study was performed on the 3D-printed structures to investigate the fluid-solid heat transfer interactions by mapping the heat provided and pressure drop obtained as a function of the solid catalyst thermal conductivity. It is observed that the introduction of porous baffles in synergy with the presence of a thermally conductive catalytic support provides optimal heat transfer performance, outperforming a traditional Packed-Bed in heat management and pressure drop. Moreover, the tested structures were able to perform better than a Packed-Bed also in absence of the conductive catalytic support. Enhancements in heat management are also reached at low values of solid thermal conductivity, which are coherent with the commonly adopted catalytic supports such as Alumina or Silica. This is exemplified by the Steam Methane Reforming reaction test on the structures, which resulted in increased methane conversion thanks to the improved heat and mixing management. Whilst full scale 3D simulations validated by experiments remain to be assessed, this works shows the potential of the novel 3D-printed structures in terms of heat management, pressure drop and reactants conversion.

Il processo di manifattura additiva, conosciuto come "Additive Manufacturing", promette di offrire un'ampia libertà a livello di design e modellazione di materiale catalitico mediante la produzione di strutture personalizzate. Queste strutture catalitiche innovative possono quindi essere modificate per ottenere proprietà ottimali in termini di quantità di catalizzatore, perdite di carico e trasporto di massa ed energia. In questo studio, vengono proposte 9 strutture come alternativa alla tradizionale configurazione di reattore a letto impaccato, conosciuto anche come "Packed-Bed reactor". Due di esse rappresentano la comune e già studiata configurazione "Log-Pile", mentre le restanti strutture rappresentano una versione migliorata delle prime due già menzionate, grazie all'introduzione di setti porosi che agiscono come miscelatore statico, generando un flusso trasversale. Inoltre, il supporto catalitico è stato studiato come via valida per trasferire energia all'interno delle strutture, tramite conduzione termica. Studi di fluidodinamica computazionale tramite Open-FOAM sono stati eseguiti sulle strutture stampate in 3D per studiare le interazioni a livello di trasferimento di calore tra fluido e solido, mappando il calore fornito e le perdite di carico ottenute in funzione della conduttività termica del catalizzatore solido. Si osserva che l'introduzione di deflettori porosi in sinergia con la presenza di un supporto catalitico termicamente conduttivo porta prestazioni ottimali in termini di trasferimento di calore, superando un tradizionale reattore a letto impaccato nella gestione del calore e nella caduta di pressione. Il miglioramento delle prestazioni in termini di calore introdotto si ottiene anche a bassi valori di conducibilità termica del solido, coerenti con i supporti catalitici comunemente adottati come Allumina o Silice. I risultati sulle strutture sono quindi stati testati tramite l'introduzione della reazione di "Steam Methane Reforming", nella quale si è osservato un aumento della conversione del metano grazie alla migliore distribuzione di calore e un migliore grado di miscelazione. Mentre simulazioni su scala reale, convalidate dagli esperimenti, devono ancora essere svolte per completare l'analisi, il lavoro attuale illustra il potenziale di queste nuove classi di catalizzatori strutturati per i reattori chimici intensificati.