Computational fluid dynamics analysis of thermogravimetric characterization of heterogeneous catalytic reacions

Abstract: Accurate kinetic characterization of heterogeneous catalytic reactions is often hindered by coupled transport phenomena within experimental equipment. These effects alter the local reaction environment, typically a porous medium, causing deviations from reference inlet or outlet conditions used for kinetic fitting and introducing uncertainties between measured and intrinsic reaction rates. To address this issue, this study adopts a combined numerical–experimental approach integrating Thermogravimetric Analysis (TGA) with detailed three-dimensional (3D) Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The methodology developed is general and can be applied to any heterogeneous catalytic system analyzed by TGA, while the Catalytic Decomposition of Methane (CDM) is used as a representative case to demonstrate its applicability. CFD simulations provide insight into species and temperature gradients within the porous medium, quantifying bypass flow and dead zone fractions that affect gas–solid contact efficiency. Significant temperature deviations between the local reaction environment and the furnace set point were observed, potentially causing errors in fitted kinetic parameters. A Design of Experiments (DoE) framework was further employed to assess the influence of key factors, including particle size, porosity, basket geometry, basket position, and furnace temperature, on flow and thermal behavior. The results reveal that porous medium properties and basket position mainly affect gas bypass, basket diameter and particle size control the dead-zone fraction, and both basket geometry and temperature have the most substantial impact on thermal deviation. Overall, the integration of CFD and TGA offers a robust and transferable methodology for quantifying transport effects and improving the accuracy of kinetic characterization in heterogeneous catalytic reactions.

La caratterizzazione cinetica accurata delle reazioni catalitiche eterogenee è spesso ostacolata dai fenomeni di trasporto accoppiati presenti nelle apparecchiature sperimentali. Questi effetti modificano l’ambiente di reazione locale, di norma un mezzo poroso, causando deviazioni dalle condizioni di riferimento usate per l’adattamento cinetico e introducendo incertezze tra le velocità di reazione misurate e quelle intrinseche. Per affrontare il problema, questo studio adotta un approccio numerico-sperimentale che integra l’Analisi Termogravimetrica (TGA) con simulazioni tridimensionali di Fluidodinamica Computazionale (CFD). La metodologia proposta è generale e applicabile a qualunque sistema catalitico eterogeneo analizzato con TGA, mentre la Decomposizione Catalitica del Metano (CDM) è usata come caso rappresentativo. Le simulazioni CFD evidenziano gradienti di specie e temperatura nel mezzo poroso, quantificando le frazioni di flusso di bypass e di zone morte che influenzano l’efficienza del contatto gas-solido. Sono state osservate deviazioni termiche rilevanti tra l’ambiente locale e la temperatura impostata del forno, potenzialmente causa di errori nei parametri cinetici. È stato inoltre impiegato un approccio di Design of Experiments (DoE) per valutare l’influenza di fattori chiave, quali dimensione delle particelle, porosità, geometria e posizione del cestello e temperatura del forno. I risultati mostrano che le proprietà del mezzo poroso e la posizione del cestello incidono soprattutto sul flusso di bypass, il diametro del cestello e la dimensione delle particelle controllano la zona morta, mentre geometria e temperatura hanno l’impatto maggiore sulla deviazione termica. In sintesi, l’integrazione di CFD e TGA fornisce una metodologia robusta e trasferibile per quantificare gli effetti di trasporto e migliorare la precisione della caratterizzazione cinetica nelle reazioni catalitiche eterogenee.