Experimental and multiscale-modelling analysis of innovative fluidized technologies for the energy transition

This Ph.D. thesis investigates innovative fluidized bed technologies for heterogeneous catalysis to address the challenges associated with the current energy transition. This work integrates extensive experimental campaigns performed in packed bed, fluidized bed, and fountain confined spouted bed reactors with a multiscale modelling strategy combining detailed Computational Fluid Dynamic approaches (Euler–Lagrange and Euler–Euler) and macroscopic models. In the first part of the thesis, the hydrodynamics of a dynamically structured pulsed fluidized bed is examined through CFD-DEM simulations to quantify the influence of gas properties and oscillation parameters on bubble dynamics. The study highlights the dominant role of gas viscosity in preserving flow stability and provides fundamental insights for the design of pulsated systems operating at high temperatures. Understanding how the system’s hydrodynamics vary with gas properties is fundamental for optimizing reactor design and scale-up, ultimately enabling the adoption of this technology for process intensification. The second part of the work focuses on the application of numerical modelling to catalytic methane pyrolysis, a process of growing interest for the production of turquoise hydrogen, that is free of direct CO₂ emissions and accompanied by the co-production of solid carbon, which can be valorized to improve overall process economics. Kinetic experiments were performed in a packed-bed reactor using an Fe–Al2O3 catalyst previously identified as optimal for catalytic methane pyrolysis. The resulting intrinsic rate equation, coupled with a one-dimensional dynamic model accounting for catalyst deactivation, successfully reproduces methane conversion, hydrogen productivity, and carbon deposition under a wide range of operating conditions, offering a reliable tool for reactor design and scale-up. To address the limitations of fixed bed operation, the thesis examines catalytic methane pyrolysis in a fluidized bed reactor, linking catalyst evolution to hydrodynamic behaviour. Experimental characterization of coked particles revealed that carbon accumulation alters key solid properties, reducing bulk density and increasing particle size. Euler–Euler simulations, integrated with the measured catalyst properties, accurately predicted bed expansion and voidage profiles and enabled the derivation of hydrodynamic correlations suitable for integration into macroscopic reactor models. Finally, the feasibility of catalytic methane pyrolysis in a Fountain Confined Spouted-Bed Reactor was experimentally demonstrated for the first time. Tests conducted with Fe-based catalysts showed stable operation without distributor clogging or defluidization issues, while maintaining high methane conversions even at long reaction times. These results confirm the potential of this reactor configuration as a robust alternative to conventional fluidized beds for continuous, high-carbon-load operation. Overall, this thesis establishes a comprehensive experimental–numerical framework for the design, optimisation, and scale-up of next-generation fluidized-bed reactors for methane pyrolysis, enabling continuous operation while mitigating challenges associated with catalyst evolution and carbon deposition.

Questo lavoro di tesi si pone l'obiettivo di investigare tecnologie innovative a letto fluidizzato per la catalisi eterogenea, al fine di affrontare le sfide associate all’attuale transizione energetica. Il lavoro integra estese campagne sperimentali condotte in reattori a letto fisso, a letto fluidizzato e a letto zampillante con una strategia di modellazione multiscala che combina approcci avanzati di Fluidodinamica Computazionale (CFD) (Euler–Lagrange ed Euler–Euler) e modelli macroscopici. Nella prima parte della tesi, la fluidodinamica di un letto fluidizzato pulsato viene analizzata mediante simulazioni CFD-DEM per quantificare l’influenza delle proprietà del gas e dei parametri di oscillazione sulla dinamica delle bolle. Lo studio evidenzia il ruolo dominante della viscosità del gas nel preservare la stabilità del flusso e fornisce indicazioni fondamentali per la progettazione di sistemi pulsati operanti ad alte temperature. La comprensione di come la fluidodinamica del sistema vari in funzione delle proprietà del gas è essenziale per l’ottimizzazione della progettazione del reattore e del suo scale-up, consentendo in ultima analisi l’adozione di questa tecnologia per l’intensificazione di processo. La seconda parte del lavoro si concentra sull’applicazione della modellazione numerica alla pirolisi catalitica del metano, un processo di crescente interesse per la produzione di idrogeno turchese, privo di emissioni dirette di CO₂ e accompagnato dalla coproduzione di carbonio solido, valorizzabile per migliorare l’economia complessiva del processo. Esperimenti cinetici sono stati condotti in un reattore a letto fisso utilizzando un catalizzatore Fe–Al₂O₃ precedentemente identificato come ottimale per la pirolisi catalitica del metano. L’equazione cinetica intrinseca ottenuta, accoppiata a un modello dinamico monodimensionale che tiene conto della disattivazione del catalizzatore, riproduce con successo la conversione del metano, la produttività di idrogeno e la deposizione di carbonio in un ampio intervallo di condizioni operative, offrendo uno strumento affidabile per la progettazione e lo scale-up del reattore. Per superare i limiti operativi del letto fisso, la tesi analizza la pirolisi catalitica del metano in un reattore a letto fluidizzato, mettendo in relazione l’evoluzione del catalizzatore con il comportamento fluidodinamico. La caratterizzazione sperimentale delle particelle di catalizzatore disattivato ha mostrato che l’accumulo di carbonio modifica le proprietà chiave del solido, riducendo la densità apparente e aumentando la dimensione delle particelle. Le simulazioni Euler–Euler, integrate con le proprietà del catalizzatore misurate sperimentalmente, hanno predetto accuratamente l’espansione del letto e i profili di porosità, consentendo inoltre la derivazione di correlazioni fluidodinamiche idonee all’integrazione in modelli macroscopici di reattore. Infine, la fattibilità della pirolisi catalitica del metano in un reattore a letto zampillante è stata dimostrata sperimentalmente per la prima volta. Le prove condotte con catalizzatori a base di ferro hanno evidenziato un funzionamento stabile, senza problemi di intasamento del distributore o di defluidizzazione, mantenendo al contempo elevate conversioni di metano anche per lunghi tempi di reazione. Questi risultati confermano il potenziale di questa configurazione di reattore come valida e robusta alternativa ai letti fluidizzati convenzionali per operazioni continue con elevati carichi di carbonio. Nel complesso, questa tesi definisce un quadro sperimentale–numerico completo per la progettazione, l’ottimizzazione e lo scale-up di reattori a letto fluidizzato di nuova generazione per la pirolisi del metano, rendendo possibile un funzionamento continuo e mitigando le criticità legate all’evoluzione del catalizzatore e alla deposizione di carbonio.