Study of non catalytic gas-solid reactions: development of a single particle model

Questa tesi investiga modelli di singola particella per descrivere reazioni gas-solido non catalitiche. E’ stato fatto uno studio comparativo fra il tradizionale shrinking core model e modelli continui più dettagliati che comprendono la risoluzione dei bilanci microscopici per le fasi gas e solida dentro una singola particella porosa. Tale studio ha provato che in alcuni casi lo shrinking core model può condurre ad errori importanti nella predizione della conversione, e che i parametri cinetici nel SCM dipendono dalla dimensione della particella. Sono stati testati diversi modelli di diffusione all’interno del modello continuo, e la non accuratezza della legge di Fick rispetto alla Stefan-Maxwell multicomponente è stata valutata, a seconda della concentrazione del gas reagente nella miscela. La tesi prova anche che la convezione naturale all’interno della particella può essere trascurata cambiando i bilanci da massivi a molari o vice versa, a seconda del tipo di reazione considerata. Un’equazione che descrive la porosità locale della particella è stata inclusa al modello, per tener conto dei cambiamenti della diffusività effettiva del gas per effetto della reazione. L’effetto della distribuzione della dimensione dei pori è stato investigato, riscrivendo il modello di particella come bilancio di popolazione, includendo diverse resistenze diffusive per diverse dimensioni dei pori, per i casi in cui La diffusione di Knudsen o la diffusione in stato solido possono essere importanti. Fenomeni di sinterizzazione sono stati inclusi, estendendo il tradizionale grain model con un’equazione empirica. Sono state fatte simulazioni di reazioni gas solido con più reazioni, considerando anche distribuzioni disomogenee delle fasi solide all’interno della particella: studi di sensitività hanno dimostrato che la posizione dei reagenti solidi nella particella possono avere un effetto importante sui risultati del modello, anche nel caso in cui la diffusione all’interno della particella è veloce rispetto alle reazioni chimiche. Modelli di reazione gas-solido sono stati usati anche per simulare processi reali. In particolare, grazie alla collaborazione con un progetto di ricerca industriale, uno studio cinetico con modelli CFD è stato sviluppato, applicando lo shrinking core model per simulare reattori reali per la riduzione diretta di ossidi di ferro con gas di sintesi ad alte temperature e pressioni. Infine, grazie alla collaborazione con l’Università Tecnica di Eindhoven, un modello continuo è stato usato per simulare reazioni di riduzione di ossidi di ferro-titanio in processi di chemical looping combustion, confrontando i risultati con i dati sperimentali.