Transient modeling and performance comparison of structured and packed-bed reactors for hydrogen peroxide (HTP) decomposition

Research on the modeling of hydrogen peroxide decomposition in catalytic reactors has regained significant interest, as High Test Peroxide (HTP) represents a promising substitute for more toxic propellants and oxidizers for in-space propulsion systems. Reliable numerical modeling is essential to predict reactor performance, reduce experimental effort, and enable the optimization of catalyst design and operating conditions. The literature presents several numerical models that differ in their physical assumptions, closure relations, and the specific catalyst for which they were developed. Consequently, their applicability across different catalyst structures remains limited, as tuned parameters and empirical correlations are often geometry-specific and derived from particular experimental configurations. This thesis focuses on the development of a heterogeneous, transient, multiscale model for multiple catalyst support geometries. By employing a unified modeling framework, all catalyst configurations are evaluated under the same assumptions, providing a consistent baseline for meaningful comparison. The resulting model is evaluated against experimental data available in the literature, producing a normalized root-mean-square error below 10% of the peak value for the gyroid and pellet-bed configurations, and 15% for the square-channel monolith, across all investigated variables. In addition, a sensitivity and error analysis is performed to assess parameter influence, quantify model uncertainty, and identify the dominant mechanisms governing reactor performance. The results indicate that the convective heat transfer coefficient and the kinetic parameters have the strongest influence on model predictions, and that the sensitivity varies significantly with the support geometry. Finally, the different catalyst geometries are compared under equal operating conditions to isolate and evaluate the influence of the support characteristics on reactor behavior.

La ricerca sulla modellazione della decomposizione del perossido di idrogeno in reattori catalitici ha recentemente suscitato rinnovato interesse, poiché l’High Test Peroxide (HTP) rappresenta una promettente alternativa a propellenti e ossidanti più tossici per applicazioni spaziali. Una modellazione numerica affidabile è essenziale per prevedere le prestazioni del reattore, ridurre l’impegno sperimentale e consentire l’ottimizzazione del design del catalizzatore e delle condizioni operative. La letteratura propone diversi modelli numerici che differiscono per ipotesi fisiche, relazioni di chiusura e per lo specifico catalizzatore per cui sono stati sviluppati. Di conseguenza, la loro applicabilità a differenti strutture catalitiche risulta limitata, poiché i parametri calibrati e le correlazioni empiriche sono spesso specifici della geometria e derivati da particolari configurazioni sperimentali. La presente tesi sviluppa un modello eterogeneo, transitorio e multiscala per diverse geometrie di supporto catalitico. Attraverso l’adozione di un modello unificato, tutte le configurazioni vengono valutate secondo le medesime ipotesi, fornendo una base comune per un confronto significativo. I risultati prodotti dal modello vengono confrontati con dati sperimentali disponibili in letteratura, mostrando una radice dell’errore quadratico medio normalizzato inferiore al 10% per il supporto giroide e il letto di pellet sferici e del 15% per il monolite a canali quadrati. Inoltre, viene condotta un’analisi di sensibilità e di propagazione dell’errore al fine di valutare l’influenza dei parametri, quantificare l’incertezza del modello e identificare i meccanismi dominanti che governano le prestazioni del reattore. I risultati evidenziano che il coefficiente di scambio termico convettivo e i parametri cinetici di reazione rappresentano i fattori più influenti sulle previsioni del modello e che la sensibilità dipende in maniera significativa dalla geometria del supporto. Infine, le diverse geometrie di supporto catalitico vengono confrontate a parità di condizioni operative, così da isolare e valutare l’influenza delle caratteristiche del supporto sul comportamento del reattore.