Photo-microreactor designs applied for gas-phase photocatalytic degradation

Abstract

Neste trabalho, estudos baseados em CFD foram realizados para a otimização e uma investigação detalhada do fluxo de fluido e características de mistura de diferentes projetos de microrreatores. A degradação fotocatalítica de NOx foi utilizada como reação modelo em todos os casos, uma vez que uma discussão abrangente dessa reação foi relatada anteriormente considerando os parâmetros intrínsecos. O documento foi dividido em dois estudos de caso, simbolizando os dois projetos diferentes de microrreator (microrreator comercial Micronit® e reator de canal curvo). No primeiro caso, a simulação computacional baseada em CFD de um chip microfluídico comercial Micronit® usado como microrreator foi realizada de forma abrangente e um método de otimização híbrida foi descrito para investigar os parâmetros operacionais do foto-microrreator combinando modelagem baseada em CFD com redes neurais artificiais (RNA) e algoritmo genético (AG). Nesta etapa, um modelo em CFD tridimensional do microrreator permitiu a investigação dos efeitos do tempo de residência, intensidade luminosa, umidade relativa e concentração inicial de NO no desempenho da reação fotocatalítica de redução de NOx. Além disso, uma RNA foi implementada e um algoritmo genético foi aplicado visando determinar as condições ótimas de operação que maximizam o desempenho do processo fotocatalítico. No segundo caso, um estudo numérico baseado em CFD de um reator de canal curvo foi realizado e comparado com um reator de canal reto convencional. Nesta etapa, foi possível avaliar o efeito do escoamento secundário na dinâmica dos fluidos, no aumento da transferência de massa e no desempenho da reação em um canal curvo de seção transversal quadrada. Ainda há muitas oportunidades para melhorar o desempenho dos foto-microrreatores, otimizando o projeto dos microcanais e os parâmetros operacionais. Assim, esta tese visa estudar alguns diferentes projetos de foto-microrreatores aplicados a um modelo de reação, identificando fatores essenciais que contribuem para o aumento da conversão, bem como comportamentos inerentes a cada projeto.

Abstract: In this work, CFD-based studies have been carried out for the optimization and a detailed investigation of the fluid flow and mixing characteristics of different microreactor designs. Photocatalytic NOx abatement was used as a model reaction in all cases since a comprehensive discussion of this reaction was previously reported considering the intrinsic parameters. The document was divided into two cases, symbolizing the two different microreactor designs (Micronit® commercial microreactor and curved channel reactor). In the first case, the CFD- based computer simulation of a Micronit® commercial microfluidic chip used as a microreactor was performed comprehensively, and a hybrid optimization method was described to investigate the operational parameters of the photo-microreactor combining CFD modeling with artificial neural networks (ANN) and genetic algorithm (GA). At this stage, a three- dimensional CFD model of the microreactor allowed the investigation of the effects of residence time, light intensity, relative humidity, and initial NO concentration on the performance of the photocatalytic NOx abatement reaction. In addition, an ANN was implemented, and GA was applied to find the optimal operating conditions that maximize the performance of the photocatalytic process. In the second case, a CFD-based numerical study of a curved channel reactor was carried out and compared with a conventional straight channel reactor. In this step, it was possible to evaluate the effect of the secondary flow on the fluid dynamics, the mass transfer enhancement, and the reaction performance in a curved channel with a square cross-section. There is still a lot of opportunity for improving the performance of photo-microreactors, optimizing the design of the microchannels and the operational parameters. Therefore, this thesis comes to study some different designs of photo-microreactors applied to a model reaction, identifying essential factors that contribute to the conversion enhancement, as well as interesting behaviors inherent to each design.