Assessment of the performances of a Deep-Injection Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition reactor for carbon nanotubes production through reactive CFD

This work investigates high-temperature deep-injection floating-catalyst chemical vapor deposition (DI-FCCVD) reactor, with the aim of studying the interplay between flow, heat and mass transport, and chemistry during carbon nanotube (CNT) synthesis. A multiscale Computational Fluid Dynamics (CFD) model of a lab-scale DI-FCCVD reactor, which consists of a cylindrical vessel equipped with a small coxial injection cannula, has been developed. Simulations have been performed for different operating conditions, varying carrier gas composition, injection depth, reactor orientation, and external heating to describe the fluid dynamics and the thermal pyrolysis inside the reactor. Initially, non-reactive simulations were conducted to quantify the influence of carrier gas composition, injection depth, and reactor orientation on the thermo-fluid dynamic behavior. In particular, the analysis focuses on the length of jet established at the outlet of the injection cannula and on temperature distribution in the reactor. Results show that the Reynolds number at the cannula outlet strongly correlates with jet length, and that the temperature at the cannula exit is primarily determined by carrier gas properties and cannula length. Injection depth and reactor orientation were found to have only a minor effect on the overall flow field and temperature distribution in the hot region. The chemical behavior of the system has been studied through reactive CFD simulations using a detailed kinetic mechanism for thermal pyrolysis. The simulations show that macroscopic flow parameters such as Reynolds number at the cannula end, jet length and inert gas composition also correlate with methane conversion and product yields. Moreover, it has also been observed that by increasing the hydrogen content in the inlet mixture, independently on the other parameters, the chemical reactivity is hindered reducing the methane conversion. This enables to predict the reactor behavior based on simple macroscopic indicators despite the complex flow field obtained in the reactor. Overall, this work provides valuable insights into the thermo-fluid dynamic behavior of the DI-FCCVD reactor, as well as its interplay with thermal pyrolysis kinetics.

Questa tesi indaga la fluidodinamica e la reattività di un processo di Deep Injection Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition (DI-FCCVD) ad alta temperatura, con l'obiettivo di descrivere l’interazione tra fluidodinamica, fenomeni di trasporto e chimica durante la sintesi di nanotubi di carbonio (CNT). È stato utilizzato un modello multiscala di Fluidodinamica Computazionale (CFD) di un reattore DI-FCCVD attualmente in funzione su scala di laboratorio. Il reattore consiste di un reattore cilindrico e una cannula sottile, concentrica al corpo esterno, utilizzata per l'iniezione. Sono state effettuate simulazioni in diverse condizioni operative, variando composizione del gas in ingresso, profondità di iniezione, orientamento del reattore e riscaldamento esterno, al fine di descrivere la fluidodinamica e la pirolisi termica all'interno del reattore. Inizialmente, simulazioni non reattive sono state utilizzate per quantificare l’influenza di composizione del gas, profondità di iniezione e orientamento del reattore sul comportamento termo-fluidodinamico. In particolare, l'analisi è focalizzata sulla lunghezza del getto e sulla distribuzione di temperatura nel reattore. I risultati mostrano che il numero di Reynolds all’uscita della cannula è correlato alla lunghezza del getto, e la temperatura all’uscita della cannula è determinata principalmente dalle proprietà del gas in ingresso e dalla lunghezza della cannula, mentre profondità di iniezione e orientamento del reattore hanno un effetto minore sul campo di moto complessivo e sulla distribuzione di temperatura nella zona calda. Successivamente, è stato studiato il comportamento chimico del sistema tramite simulazioni CFD reattive, utilizzando un meccanismo cinetico dettagliato di pirolisi termica. Queste simulazioni mostrano che parametri macroscopici come il numero di Reynolds, la lunghezza del getto e la composizione del gas inerte sono correlati a metriche chimiche come la conversione e la resa di specie chiave. Inoltre, si è osservato che aumentare la quantità di idrogeno introdotta, indipendentemente dagli altri parametri, inibisce la pirolisi riducendo la conversione di metano. Ciò permette di predirre il comportamento chimico del reattore basandosi su indicatori macroscopici nonostante il campo di moto complesso ottenuto nel reattore. In conclusione, questo lavoro fornisce contributi preziosi per la descrizione del comportamento termo-fluidodinamico del reattore DI-FCCVD, e della sua interazione con la cinetica di pirolisi termica.