Modellazione computazionale di trasporto reattivo in letti impaccati: il caso dell’Aqueous Phase Reforming = Computational modeling of reactive transport in packed beds: the Aqueous Phase Reforming case

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’analisi di due modelli numerici utilizzati nella modellazione del trasporto di materia reattivo all’interno di reattori catalitici a letto impaccato nell’ambito del processo di Aqueous Phase Reforming. L’interesse nello studio di questo processo scaturisce in primis dal fatto che è uno dei processi di produzione di idrogeno verde, ma anche per le sue basse emissioni in termini di anidride carbonica, rispetto ai classici processi termochimici come lo Steam Reforming. All’interno delle simulazioni, realizzate tramite il software OpenFOAM, sono state modellate la reazione principale di APR e una reazione parallela parassita che consuma l’idrogeno prodotto. Le cinetiche utilizzate, ricavate da indagini sperimentali condotte all’interno del Dipartimento, sono di due tipi: cinetiche lineari semplificate, usate nelle simulazioni iniziali, e cinetiche complesse, implementate all’interno delle simulazioni con l’intero letto impaccato. I due modelli utilizzati sono i seguenti. Il primo modello (chiamato nel seguito modello superficiale) rappresenta la reazione catalitica come un fenomeno che avviene solo sulla superficie delle particelle solide di catalizzatore, risultando quindi in un dominio computazionale che rappresenta solo la porzione di fluido del sistema. Questo modello non descrive i fenomeni di trasporto all’interno del solido, risultando in una soluzione limite dove i fenomeni diffusivi all’interno sono molto veloci; ciò equivale ad un profilo di concentrazione piatto all’interno del pellet. Ne consegue che questo modello non può essere attendibile nella modellazione di problemi che presentano fenomeni diffusivi rilevanti. Il secondo modello (chiamato nel seguito modello volumetrico) è una evoluzione naturale del primo e implementa numericamente equazioni di governo che regolano il trasporto di materia valide all’interno del dominio solido del pellet, includendo la diffusività dei composti presenti. Simula, infatti, il volume catalitico nella sua interezza. Questo lo rende necessariamente più pesante a livello computazionale, ma più accurato nel descrivere i sistemi in cui il fenomeno diffusivo è rilevante. Lo studio condotto sui due modelli ha quindi evidenziato quali siano le differenze presenti e i limiti intrinseci e, al contempo, quali possano essere i loro limiti di funzionamento e di applicazione in termini di numeri adimensionali e di utilizzo in campo di ottimizzazione del processo di APR.