A computational framework for the simulation of a gas solid catalytic reactor based on a multiregion approach

A fundamental understanding of a catalytic chemical reactor is a prerequisite for the development and optimization of industrial catalytic technologies. In particular, this requires the interplay of phenomena occurring at different time and length scales. In a previous work (Goisis and Osio 2011) a dedicated numerical tool has been developed (called catalyticFOAM), to allow for the CFD of heterogeneous catalytic reactor based on a detailed microkinetic description of the surface reactivity. In that tool the transport phenomena within the porous medium were neglected in first place. Aim of this work is the development of a numerical framework which allows the description of the actual physics of the system in both fluid and solid phase, handling in detail the coupling at the interface. This leads to a full comprehension of the catalytic process, being an accurate description of both phases, essential when considering systems in which heat and mass transfer limitations inside the catalyst play a major role and the catalyst morphology can thus not be neglected. In order to achieve this objective, a multi-region structure has been developed, which allows the solver to investigate systems with an arbitrary number of different domains with their own properties, whose geometry can be of arbitrary complexity. A segregated approach for physical coupling of neighboring regions at the interface has been implemented, involving the solution on each domain and the achievement of convergence on the boundary conditions through an iterative loop. Furthermore, an operator splitting technique has been adopted to overcome the complexity of the numerical problem. The solver developed (catalyticFOAM-multiRegion) thus allows for the dynamic solution of reacting flows over solid catalysts, through a mathematical model detailing both intra-phase phenomena occurring inside the fluid and solid phase and inter-phase phenomena occurring between them. The surface reactivity is described with detailed kinetic mechanisms with no theoretical limits to the number of species or reactions involved, and the possibility to investigate systems with geometries of arbitrary complexity confers generality and flexibility to the solver. The resulting numerical framework has been tested by simulating cases of increasing complexity. Moreover, a validation has been performed in order to investigate the reliability of the solver. In particular, the fuel-rich H2 combustion over Rh catalyst has been analyzed and the simulation results have been compared with experimental data. The capability to detail intra-phase phenomena inside the catalytic volume is proven to be critical to describe the real physics of the system, providing a better fit with experimental data with respect to the models in the literature.

La conoscenza approfondita di un reattore catalitico è un prerequisito fondamentale per lo sviluppo e l’ottimizzazione delle tecnologie catalitiche industriali. In particolare, ciò richiede la descrizione di fenomeni che avvengono a diverse scale spaziali e temporali. In un lavoro di Tesi precedente (Goisis e Osio 2011) è stato sviluppato uno strumento destinato alla simulazione CFD di reattori catalitici eterogenei basata su una descrizione microcinetica dettagliata della reattività di superficie. Tuttavia, in questo modello, i fenomeni di trasporto all’interno del mezzo poroso erano stati trascurati in prima approssimazione. Scopo di questo lavoro è lo sviluppo di un framework numerico che permetta di descrivere la reale fisica del problema sia all’interno della fase fluida che all’interno della fase solida, gestendo inoltre in dettaglio l’accoppiamento in corrispondenza dell’interfaccia. Solo in questo modo è possibile arrivare a una piena comprensione del processo catalitico, soprattutto quando si considerano sistemi in cui limitazioni al trasporto di materia ed energia all’interno del catalizzatore giocano un ruolo importante (e la morfologia del catalizzatore non può quindi essere trascurata). Per raggiungere questo obiettivo è stato sviluppato un codice di calcolo fluidodinamico multi-regione, che permette di studiare sistemi costituiti da un numero arbitrario di domini differenti con proprietà distinte, la cui geometria può essere di arbitraria complessità. L’accoppiamento sull’interfaccia delle diverse regioni è stato gestito attraverso una tecnica segregata, che prevede l’ottenimento delle soluzioni su ogni dominio e il raggiungimento della convergenza sulle condizioni al contorno attraverso una procedura iterativa. Inoltre, per superare le difficoltà numeriche caratteristiche del problema, è stata adottata la tecnica dell’operator-splitting. Il codice di calcolo sviluppato (catalyticFOAM-multiRegion) permette quindi di descrivere la dinamica dei flussi reattivi su catalizzatori solidi, attraverso un modello matematico che descrive in modo dettagliato sia i fenomeni intra-fase che avvengono nelle fasi fluida e solida, sia i fenomeni inter-fase che avvengono fra di loro. La reattività della superficie catalitica è descritta con schemi cinetici dettagliati, in modo che non vi sia un limite teorico al numero di specie o di reazioni coinvolte. Inoltre la possibilità di studiare sistemi aventi geometrie di arbitraria complessità, considerando un numero arbitrario di regioni diverse caratterizzate da diverse proprietà, conferisce generalità e flessibilità al solutore. Il framework risultante è stato testato attraverso simulazioni di casi di complessità crescente. Inoltre è stata condotta una convalida del solutore al fine di studiarne l’affidabilità. In particolare, è stata analizzata la combustione su Rh di una corrente ricca in H2 ed i risultati sono stati confrontati con i dati sperimentali. La descrizione dettagliata dei fenomeni intra-fase all’interno del volume catalitico si è rivelata in questo caso essere di fondamentale importanza per descrivere la reale fisica del problema, permettendo di ottenere un migliore accordo con i dati sperimentali rispetto ai modelli proposti nella letteratura.