A detailed CFD investigation of bubble dynamics for turquoise hydrogen production from methane pyrolysis in molten metals

Methane pyrolysis in molten metal bubble column reactors (MMBCRs) represents a promising pathway for turquoise hydrogen production, as it produces hydrogen and solid carbon without direct CO2 emissions. The efficiency of this process strongly depends on bubble dynamics, since bubble formation, size, and rise determine gas residence time and interfacial area which, in turn, directly affects methane conversion and product yield. However, experimental studies in molten metals are limited due to the opacity and harsh operating conditions of the system, leading to fundamental knowledge gaps of these phenomena. In this context, this work employs a Volume-of-Fluid (VOF) method to carry out Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, to study bubble formation and rise in molten metals. By coupling them with a detailed gas-phase kinetic mechanism, these findings are integrated into a macroscopic methane pyrolysis reactor model, to describe the impact of local bubble phenomena on the reactor performance. CFD simulations have been used to study the system in terms of both bubble formation and bubble rise. These simulations show that bubble formation mechanism in molten metals differs fundamentally from aqueous systems, and highlight the influence of wettability, gas flowrate, and injector geometry on detachment behaviour and bubble size. The results indicate that classical correlations, developed for aqueous systems or millimeter-sized orifices, need to be adapted, leading to the proposal of a modified predictive correlation suitable for molten metals across several injector dimensions. Bubble rise simulations, which include the study of the effect of confinement and wall interactions, show that terminal rising velocities are only weakly affected by size, and that existing correlations remain valid under molten metal conditions. The CFD-derived hydrodynamic parameters are incorporated into a macroscopic reactor model of methane pyrolysis, enabling the evaluation of methane conversion and product distribution as a function of operating conditions. The results of the model show that reactor performances depend primarily on bubble residence time and temperature. Overall, this work advances the understanding of bubble dynamics in molten metals and provides modelling tools to support the design and optimization of MMBCRs.

La pirolisi di metano in reattori a bolle con metalli fusi (MMBCR) rappresenta un metodo promettente per la produzione di idrogeno turchese, perché produce idrogeno e carbonio solido senza emissioni dirette di CO2. L’efficienza del processo dipende fortemente dalla dinamica delle bolle, poiché formazione, dimensione, e risalita delle bolle determinano i tempi di residenza e l'area interfacciale del gas, che influenzano la conversione di metano e la resa dei prodotti. Tuttavia, gli studi sperimentali in metalli fusi sono limitati a causa dell’opacità e delle severe condizioni operative del sistema, causando lacune nella conoscenza fondamentale di questi fenomeni. In questo contesto, questo lavoro utilizza un metodo Volume-of-Fluid (VOF) per condurre simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD), al fine di studiare la formazione e la risalita di bolle in metalli fusi. Integrandoli con un meccanismo cinetico dettagliato per la fase gas, questi risultati sono incorporati in un modello macroscopico di reattore per pirolisi di metano, che permette di descrivere l’impatto dei fenomeni locali delle bolle sulle prestazioni del reattore. Simulazioni CFD sono state usate per studiare il sistema sia a livello di formazione che di risalita di bolle. Queste simulazioni mostrano che il meccanismo di formazione di bolle nei metalli fusi differisce in maniera fondamentale dai sistemi acquosi, e evidenziano l’effetto di bagnabilità, portata e geometria dell’iniettore sul meccanismo di distacco e sulla dimensione delle bolle. I risultati indicano che le correlazioni classiche, sviluppate per sistemi acquosi o per orifizi di dimensioni millimetriche, non sono adeguate, portando a proporre una correlazione predittiva modificata, adatta a metalli fusi per diverse dimensioni di iniettore. Le simulazioni di risalita di bolle, che includono effetti di confinamento e interazione con le pareti, mostrano che le velocità terminali sono solo debolmente influenzate dalla dimensione, e che le correlazioni esistenti sono valide in condizioni di metalli fusi. I parametri idrodinamici ottenuti con la CFD sono incorporati in un modello macroscopico di reattore per pirolisi di metano, che permette di valutare la conversione di metano e la distribuzione dei prodotti in funzione delle condizioni operative. I risultati mostrano che le prestazioni del reattore dipendono soprattutto dal tempo di residenza delle bolle e dalla temperatura. In generale, questo lavoro approfondisce la comprensione della dinamica di bolle in metalli fusi e fornisce strumenti di modellazione per supportare la progettazione e l’ottimizzazione di MMBCR.