A CFD-based investigation of the transport properties in open cellular structures for catalytic applications

Open cellular structures are regarded as potential substrates for intensification of catalytic reactors affected by fluid-solid heat and mass transfer limitations. They are characterized by high void fractions, leading to low pressure drops compared to packed beds, high surface areas for catalyst deposition and intense fluid-solid interaction, which leads to enhanced fluid-solid transfer rates compared to the state-of-the-art structured substrate, i.e., the honeycomb monolith. The main aim of this work is thus the development of novel structured substrates for intensification of catalytic reactors, specifically for fluid-solid mass transfer limited processes. Despite their great potential, their application in industry is hindered by the limited understanding of the transport phenomena. In particular, few literature correlations are available for the prediction of momentum and mass transfer, which emphasizes the necessity of a fundamental study of such mechanisms. This PhD thesis thus aims at filling this gap through numerical investigation rooted on Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. CFD offers deep insights into the flow field, enabling to describe in detail the transport mechanisms. In this work, detailed CFD simulations are exploited as in-silico experiments for the fundamental investigation of the transport properties of cellular structures, and the hierarchical approach is employed to derive CFD-based engineering correlations for their prediction. By virtue of the developed correlations, porous media CFD simulations and macroscopic reactor models are introduced for the simulation of structured catalytic reactors based on cellular substrates. By employing the CFD-based engineering correlations as closure models, these simplified approaches fully retain the accuracy of detailed simulations, allowing for a faithful prediction of the reactor behavior. The different CFD approaches are coupled with a comprehensive geometrical analysis of the structures and reactors, in view of obtaining adequate computational domains representative of their complex geometry. The thesis is organized in four sections. The first section (Chapter 1) discusses the motivation and aims of the work along with an overview of the numerical methods and a brief survey of the main results. In the second section (Chapters 2 and 3), a fundamental investigation of the fluid-solid mass transfer and pressure drop is carried out on Periodic Open Cellular Structures (POCS) having Diamond and Tetrakaidekahedral (TKKD) unit cell, which were identified as the most promising lattice shapes based on a literature review. A systematic procedure for the detailed simulation of lattices was developed. In particular, periodic boundary conditions were introduced for compressible reacting flow in the three-dimensional space, to simulate POCS in fully developed flow and concentration profiles. Then, a detailed analysis of the transport mechanisms (Chapter 2) and pressure drop (Chapter 3) was carried out. The analysis of Chapter 3 was performed in combination with dedicated experimental activity to cross-validate numerical and experimental results obtained on the pressure drop. To do so, the virtual models for numerical analysis were accurately reproduced by means of 3D printing. A parametrical investigation of the effect of the geometrical properties (porosity, cell size) on the transport properties and pressure drop was carried out, and the numerical and experimental evidences were employed to formulate engineering correlations. Thanks to them, the performances of POCS and other structured catalytic substrates were compared in terms of fluid-solid transport coefficients and of the trade-off between fluid-solid transport and pressure drop. Accordingly, the Diamond lattice was identified as the best geometry offering the highest transport coefficient compared to open cell foams and the state-of-the-art honeycomb monolith, although, a higher pressure drop resulting in a worse trade-off between the two properties was obtained compared to the honeycomb. Advanced designs have then been investigated in the third section (Chapters 4-5) in view of the intensification of catalytic applications affected by the trade-off between fluid-solid mass transfer and pressure drop, such as environmental catalysis applications. Two design strategies have been examined at the POCS unit cell level. In Chapter 4, an advanced Diamond design was obtained by changing the struts orientation to the flow direction. In doing so, the unit cell was stretched along the flow direction modifying the fluid-solid interaction. This solution enables to boost the trade-off between fluid-solid mass transfer and pressure drop by a factor of 2 compared to the honeycomb, potentially allowing for the intensification of mass-transfer limited catalytic reactors. In Chapter 5, streamlined elliptical struts lined up to the flow direction have been envisioned. Also in this case, this solution benefits the pressure drop versus mass transfer trade-off enabling to outperform the state-of-the-art honeycomb monolith, while offering at the same time higher specific surface areas for catalyst deposition. In the last section (Chapter 6), the engineering models previously developed through fundamental investigations are employed for reactor design, presenting a new technology for a realistic exhaust aftertreatment system based on cellular materials for DeNOx-SCR. To limit the pressure drop, an alternative configuration of the reactor based on radial flow was considered in this case, hence, the conventional device equipped with the state-of-the-art honeycomb substrate was substituted with the radial flow reactor equipped with cellular substrates. Such a configuration is only possible for cellular substrates, since they are characterized by isotropic permeability in contrast to the segregated flow in the honeycomb channels. The new reactor was found to be a compelling solution, offering higher NOx conversions than the standard device by virtue of the cellular substrates higher transport coefficient, but with comparable or even lower pressure drop than the honeycomb due to the radial flow. In conclusion, Chapters 4-6 highlight that cellular substrates flexibility in design may pave the way to improved reactor solutions for Process Intensification.

Sommario Le strutture cellulari a cella aperta sono esaminate come potenziali supporti catalitici per l’intensificazione di reattori catalitici penalizzati da limitazioni di trasporto gas-solido di massa ed energia. Tali strutture sono caratterizzate da alti gradi di vuoto, e di conseguenza provvedono perdite di carico inferiori ai letti impaccati, e alte aree superficiali per la deposizione della fase catalitica attiva. Inoltre, forniscono generalmente un coefficiente di trasporto gas-solido più alto del monolite a nido d’ape, il quale rappresenta lo stato dell’arte come supporto strutturato. Nonostante le potenzialità delle strutture cellulari a cella aperta, la mancanza di una comprensione fondamentale delle loro proprietà di trasporto previene la loro applicazione a livello industriale. Infatti, in letteratura sono pressocché assenti correlazioni ingegneristiche che consentano di stimare il loro coefficiente di trasporto e le perdite di carico, e ciò sottolinea la necessità di uno studio fondamentale di questi meccanismi. Lo scopo della presente tesi è pertanto affrontare questi problemi, mediante un’investigazione numerica basata su simulazioni di Fluidodinamica Computazionale (CFD). La CFD consente di predire e visualizzare nel dettaglio il campo di moto e i profili di concentrazione all’interno delle strutture, consentendo di descrivere nel dettaglio i fenomeni di trasporto. In questo lavoro le simulazioni CFD sono utilizzate come esperimenti virtuali, per valutare parametricamente le proprietà in funzione della geometria dei sistemi e delle proprietà del gas d’esercizio. L’approccio gerarchico è successivamente utilizzato per derivare correlazioni ingegneristiche totalmente basate sui dati CFD, per predire il fattore di attrito e il coefficiente di trasporto delle strutture in funzione dei detti parametri. Le correlazioni possono essere successivamente impiegate come modelli di chiusura nell’approccio CFD semplificato detto Porous Media (PM), o in modelli reattoristici macroscopici. Le simulazioni CFD-PM e i modelli macroscopici offrono così un’accuratezza compatibile alle simulazioni dettagliate, e consentono di conseguenza di predire accuratamente il comportamento del reattore catalitico strutturato. La tesi è stata organizzata in quattro parti. Nella prima parte (Capitolo 1), sono riportati il motivo e gli obbiettivi del lavoro, i metodi numerici e infine una visione d’insieme dei risultati principali del lavoro. Nella seconda parte (Capitoli 2-3) viene riportata l’investigazione fondamentale delle proprietà di trasporto e delle perdite di carico nelle strutture cellulari periodiche a cella aperta (POCS) basate sulla cella unitaria Diamante e Tetracaidecaedro (TKKD), essendo queste considerate come le celle unitarie più promettenti in seguito all’analisi di letteratura. Inizialmente, è stata sviluppata una procedura sistematica per la simulazione dettagliata delle celle. Per poter simulare i POCS in profilo di velocità e concentrazione completamente sviluppati, sono state introdotte condizioni al contorno di periodicità nelle 3 direzioni per fluido comprimibile e reattivo, per tutte le grandezze caratteristiche del fluido (e.g., velocità, pressione, campi di concentrazione). Successivamente, è stata fatta un’analisi dettagliata delle proprietà di trasporto (Capitolo 2) e perdite di carico (Capitolo 3). L’analisi numerica del Capitolo 3 è stata abbinata a una campagna sperimentale per poter validare reciprocamente i due approcci. Per poterlo fare, i provini generati virtualmente per l’analisi numerica sono stati riprodotti accuratamente mediante la stampa 3D. È stata quindi effettuata un’analisi parametrica degli effetti delle proprietà geometriche delle strutture (i.e., porosità, dimensione cella) sulle proprietà di trasporto e perdite di carico, e i risultati sperimentali e numerici sono stati utilizzati per sviluppare correlazioni ingegneristiche seguendo l’approccio gerarchico. Le prestazioni dei POCS sono state quindi valutate e paragonate ad altri supporti strutturati (i.e., il monolite e le schiume) in termini di proprietà di trasporto e perdite di carico. In particolare, la struttura a Diamante è stata identificata come la miglior geometria POCS, consentendo di ottenere un coefficiente di trasporto più alto rispetto a TKKD e schiume a pari dimensione di cella e porosità, e più alto rispetto anche a monoliti commerciali. Tuttavia, ciò si verifica con maggiori perdite di cariche del monolite, risultando complessivamente in peggiori prestazioni che potrebbero impedire l’utilizzo dei POCS in applicazioni reali. Di conseguenza, sono stati proposti ed esaminati design più avanzati di POCS nella terza parte della tesi (Capitolo 4-5), per poter intensificare applicazioni dominate da un compromesso tra proprietà di trasporto e perdite di carico, quantificato mediante un parametro concentrato definito Indice di Merito (M.I.), e.g., sistemi di trattamento dei gas di scarico. Sono state esaminate due diverse opzioni di design avanzato. Nel capitolo 4, la struttura Diamante è stata modificata riorientando gli strut rispetto alla direzione del fluido. Ciò consente di modificare l’interazione gas-solido, e in particolare utilizzando una struttura Diamante allungata lungo la direzione del fluido consente di incrementare l’Indice di Merito di un fattore 2, ottenendo migliori prestazioni del monolite a nido d’ape e consentendo quindi potenziale intensificazione delle applicazioni catalitiche di interesse. Nel Capitolo 5, invece, sono stati introdotti strut ellittici allineati rispetto alla direzione del fluido, consentendo di avere strutture affusolate che offrono inferiore resistenza al fluido. Anche questa soluzione comporta un beneficio sulle perdite di carico, consentendo di incrementare il M.I. della struttura Diamante e ottenere migliori prestazioni dei monoliti. Nell’ultima parte del lavoro (Capitolo 6), le correlazioni ingegneristiche sviluppate mediante investigazioni fondamentali sono state impiegate per poter effettuare design reattoristici, in particolare sviluppando nuove tecnologie basate su supporti cellulari per sistemi d’abbattimento di gas inquinanti DeNOx-SCR. Per ridurre le perdite di carico dei supporti cellulari a cella aperta, è stata esaminata una configurazione alternativa del reattore basata sul flusso radiale. In particolare, il reattore convenzionale basato sul monolite a nido d’ape è stato sostituito dal reattore in flusso radiale equipaggiato con supporti cellulari a cella aperta. Tale configurazione del reattore è infatti solamente possibile per questi supporti, poiché forniscono una permeabilità isotropa al contrario del monolite, caratterizzato da flusso segregato in canali. La nuova tipologia di reattore si dimostra essere una soluzione convincente, capace di offrire una migliore capacità di abbattimento degli NOx rispetto al reattore convenzionale grazie al migliore coefficiente di trasporto dei supporti cellulari, e con pari o perfino inferiori perdite di carico rispetto al monolite grazie al flusso radiale. In conclusione, i capitoli 4-6 dimostrano come la flessibilità di design e realizzazione dei supporti cellulari può risultare in nuove e migliori soluzioni reattoristiche in vista dell’Intensificazione di Processo.