An efficient computational framework for the advanced modeling and design of industrial catalytic reactors

The present Thesis proposes an extensive and comprehensive optimization of the catalyticFOAM solver, a CFD code for the modeling of multi-dimensional systems with homogeneous and heterogeneous reactions. The final aim of the work is the improvement and the validation of the code and its application to cases of industrial interest. The catalyticFOAM solver was developed in a couple of previous Theses [1,2] in order to investigate catalytic systems on the basis of the so-called “first principle approach”. In particular, two different versions of the code were implemented, but both of them were tested only with simple geometries, without exploring all their capabilities. As a consequence, before applying the codes for the simulation of industrial cases, usually characterized by huge dimensions and complex boundary conditions, several critical points had to be investigated and corrected during this work. Moreover, in order to exploit the possibility to use multi-processor machines, several parts of the codes were completely rewritten or optimized. The first solver, named catalyticFOAM-0.9, is a CFD code able to simulate catalytic reactive systems in arbitrarily complex multi-dimensional geometries with a detailed microkinetic description of the surface reactivity. Nevertheless, the modeling of the solid catalyst was neglected. Two main open issues were found and fixed during this Thesis: i) the coupling strategy between the species and energy transport equations; ii)the order in which the transport equations are solved in the context of the operator-splitting algorithm, on which the catalyticFOAM solver is based. The first aspect is a critical step in the development of a reliable and accurate CFD code, because of the strong non-linearities of the system that may cause instability during the numerical solution. The effectiveness of the mathematical coupling here introduced has been tested in different cases with several reactive systems: hydrogen combustion, reverse water gas shift and steam reforming.The second issue has been addressed to identify an efficient numerical methodology that allows to solve accurately the equations following the operator splitting technique. In particular the influence of the position of the stiff term, which corresponds to the reactive (or chemical) term, has been investigated in order to find the best solution that guarantees stability of the algorithm. In agreement with several literature articles, in order to have high level of accuracy, it was demonstrated that the stiff term has always to terminate the splitting process due to its stabilizing effect on the solution. The second solver, named catalyticFOAM-multiRegion, introduces a detailed description of the solid catalyst. It allows for the dynamic solution of reacting flows over solid catalysts through the development of a multi-region structure. In this way is possible to investigate complex systems with an arbitrary number of different domains. The most critical issue in this code was a weak mathematical description of the interface coupling between the different regions. A new coupling strategy, based on a physical arguments, was identified during this work. In particular a segregated approach for the coupling of the neighboring regions at the interface was implemented, involving the solution in sequence on each domain and the achievement of convergence on the boundary conditions through an iterative loop, named PIMPLE loop. The capability of the new solver was tested by performing several simulations of increasing complexity. In particular, the results in steady-state conditions were compared with available analytical solutions and experimental data. Another important novelty introduced in this work is the parallelization of the multi-region solver. This issue is of utmost importance to reduce the computational simulation times and allow the modeling of industrial cases with very large and complex meshes. Eventually, once the improved versions of the two codes had been developed, several numerical simulations of a packed bed catalytic reactor for the ethylene oxidation have been carried out during an internship period at the CFD Department of the BASF production plant of Ludwigshafen (Germany). Three different beds (spheres, cylinders and rings) of different lengths have been analyzed. They have been set up using a computational tool based on the DEM (Discrete Element Method) methodology; Different tests have been performed in a wide range of operative conditions in order to analyze the effect of the geometry of the catalytic bed on the reactants conversion. Moreover, using the multi-region approach, the presence of diffusive limitations inside the catalyst, reducing the performances of the whole process, has been highlighted. In conclusion, the capabilities of the two codes to successfully describe inter and intra-phase phenomena in both the solid and the fluid phase have been demonstrated in the present Thesis. The possibility to model cases of industrial interest highlights the potential of the codes, representing an important breakthrough with respect to the literature.

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’ottimizzazione estesa del solver catalyticFOAM in modo da rendere possibile la sua applicazione alla simulazione di casi di rilevanza industriale. In precedenti tesi sono stati sviluppati due differenti strumenti di modellazione fluidodinamica capaci di modellare sistemi catalitici attraverso un approccio “first principle”. Questi due codici erano stati testati solamente su casi caratterizzati da sistemi reattivi e geometrie semplici. I risultati, tuttavia, presentavano diverse criticità che necessitavano di essere risolte in modo da garantire elevata stabilità del solutore e accuratezza dei risultati. Tale prerequisito è fondamentale nell’ottica di una sua successiva applicazione a casi di grandi dimensioni tipici della scala industriale. Il primo risolutore, chiamato catalyticFOAM, simula sistemi reattivi attraverso un efficiente accoppiamento tra fluidodinamica computazionale e microcinetica. Le reazioni eterogenee interessano solo la superficie esterna del catalizzatore trascurando in prima approssimazione la modellazione dettagliata della fase solida. Le problematiche presenti riguardavano il corretto accoppiamento tra bilancio materiale e di energia e lo sviluppo di un’efficiente strategia di applicazione della tecnica dell’operator splitting. La prima questione è di fondamentale importanza per lo sviluppo di un codice CFD, in quanto, le forti non-linearità del sistema causano notevoli instabilità nella risoluzione. L’efficacia dell’accoppiamento introdotto è stato testato su diversi sistemi reattivi, quali combustione di idrogeno, reverse water gas shift e steam reforming. Come detto, il secondo aspetto riguarda la tecnica dell’operator splitting che consente di separare il termine di trasporto da quello reattivo nelle equazioni costitutive di bilancio materiale e energetico in modo da ottenere un’accurata risoluzione del problema tramite una notevole diminuzione dei tempi di calcolo. E’ stato riscontrato che tale soluzione è fortemente influenzata dalla posizione del termine stiff, ovvero del termine reattivo. In accordo con la letteratura scientifica si è dimostrato che la migliore strategia risolutiva prevede di risolvere il termine stiff a valle delle altre equazioni a causa del suo effetto stabilizzante sulla soluzione. Il secondo risolutore, chiamato catalyticFOAM multiRegion, estende la modellazione catalitica anche alla fase solida. In questo modo si rende possibile una più completa analisi di sistemi costituiti da più regioni. La criticità di questo strumento era dettata da una non corretta descrizione matematica dell’interfaccia tra domini differenti. Di conseguenza l’obiettivo principale è stato quello di sviluppare una nuova strategia di risoluzione che permettesse di descrivere in maniera più fisica il sistema. A fronte di queste esigenze è stato implementato un approccio segregato di accoppiamento tra regioni adiacenti. Questo prevede la soluzione separata di ogni dominio in modo da raggiungere condizioni di convergenza all’interfaccia attraverso un ciclo iterativo denominato PIMPLE loop. Le capacità di questo nuovo strumento sono state testate su casi di progressiva complessità andando a comparare i risultati ottenutati con le simulazioni CFD e dati reperibili in letteratura. Un’ altra importante novità introdotta in questo lavoro è stata la completa parallelizzazione del codice. Tale aspetto è di vitale importanza allo scopo di ridurre notevolmente i tempi di calcolo e quindi di permettere la simulazione di casi industriali di notevole complessità. Infine, una volta sviluppata l’architettura generale dei solutori si è resa possibile la loro applicazione alla modellazione del reattore a letto impaccato adibito alla produzione di ossido di etilene. Queste tematiche sono state argomento di studio durante un periodo di internship presso il dipartimento di fluidodinamica della società BASF a Ludwigshafen (Germania). In particolar modo è stata studiata l’influenza della geometria del letto sulle prestazioni del reattore catalitico stesso. La struttura di questi letti è stata generata attraverso l’ausilio di software basati sulla metodologia DEM (discrete element method). Questi modelli sono in grado di comporre geometrie random attraverso bilanci di forze applicate sulle unità fondamentali costituenti il sistema complessivo. A questo punto sono stati eseguiti differenti test in un ampio intervallo di condizioni operative con entrambi i solutori sviluppati. Questo ha permesso di identificare l’influenza di eventuali limitazioni diffusive sulla reattività del sistema. La capacità di questi strumenti di descrivere efficacemente i fenomeni inter e intra fasici sia nella regione fluida che in quella solida evidenziano la grande flessibilità di questi due solutori e l’innovazione che questi introducono rispetto alla letteratura esistente.