Bioreaktor- und Fermentationsforschung
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Instationäre ultraschwache Verbrennung von Methan und Biogas in einem Porenbrenner - eine experimentelle Studie
Abstrakt
Die Reaktion ultraschlanker Flammen, die in einem porösen Brenner stabilisiert werden, auf die Schwankungen des Brennstoffdurchsatzes wird experimentell untersucht. Die Studie ist durch die Wahrscheinlichkeit motiviert, dass kleine Biogasgeneratoren Brennstoffe mit zeitlichen Schwankungen in der Durchflussmenge und der chemischen Zusammensetzung erzeugen. Der verwendete Porenbrenner besteht aus Schichten von porösem Siliziumkarbidschaum, die in einem Quarzrohr angeordnet sind. Der Brenner ist mit einer Reihe von axial angeordneten Thermoelementen ausgestattet und wird mit einer Digitalkamera abgebildet. Methan und ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid (zur Nachahmung von Biogas) werden mit Luft gemischt und dem Brenner in Äquivalenzverhältnissen unter 0,3 zugeführt. Der Brennstoffdurchsatz wird mit einem programmierbaren Massendurchflussregler moduliert, indem dem gleichmäßigen Brennstoffstrom eine Sinuswelle mit variabler Amplitude und Frequenz aufgezwungen wird.
Die Analyse der Flammenbilder und der erfassten Temperaturspuren zeigt, dass die aufgezwungenen Störungen zu einer Bewegung der Flamme im Brenner führen. Diese Bewegung folgt sowohl bei Methan als auch bei Biogas qualitativ den zeitlichen Schwankungen des Brennstoffflusses. Allerdings ist die Amplitude der Flammenschwingungen für Methan höher als für Biogas. Des Weiteren wird festgestellt, dass eine lange Zeit (180 s), in der der Brenner den Brennstoffschwankungen ausgesetzt ist, schließlich zu einer Destabilisierung der Flamme führt. Eine stabilisierte Verbrennung wurde jedoch für Methangemische bei Amplituden zwischen 0 und 30% der konstanten Werte über einen Zeitraum von 60 s erreicht. Diese Studie zeigt die starken Auswirkungen der instationären Wärmeübertragung in porösen Medien auf die Schwankungen der Flammenposition.
Referenz
Habib, R., Yadollahi, B., Saeed, A., Doranehgard, M. H., Li, L. K. B., & Karimi, N. (2021). Unstetige ultraschlechte Verbrennung von Methan und Biogas in einem porösen Brenner - eine experimentelle Studie. Angewandte Wärmetechnik, 182, 116099. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116099
Entwicklung und Validierung eines umfassenden Modells für Biotropfkörper zur Aufbereitung von Biogas
Abstrakt
Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung, Validierung und Analyse eines konzeptionell korrekten mathematischen Modells für Reaktoren mit biologischen Tropfkörpern (BTF) zur Biogasaufbereitung. Das Modell berücksichtigt den konvektiven Transport und die Dispersion von Gasen durch das Festbett sowie den Stoffaustausch und die Reaktion von absorbierten Gasen in immobilisierten Biofilmen. Benetzte und nicht benetzte Biofilme, Gasvolumenkontraktion durch das Bett als Wasserstoff und CO2 in Methan umgewandelt werden, sowie die axiale Dispersion wurden in das Modell einbezogen. Das Modell prognostizierte erfolgreich die Leistung einer BTF im Labormaßstab, die verschiedene Rohbiogaszusammensetzungen aufbereitet.
Eine parametrische Sensitivitätsanalyse ergab, dass die einströmende Gasdurchflussrate, die spezifische Oberfläche des Biofilms und die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (Rmax) die empfindlichsten Parameter waren. Darüber hinaus war die Reduzierung des benetzten Biofilmverhältnisses um 54% (12% benetzt) die einfachste Optimierungsmaßnahme zur Erreichung der Standards für erneuerbares Erdgas (>97% Methan im Abfluss).
In der Praxis könnte dies z. B. durch ein intermittierendes Rieselverfahren erreicht werden. Der Flüssigkeits-Film-Massentransferkoeffizient (kLa) war kein empfindlicher Parameter. Dies lag daran, dass das Modell vorhersagte, dass ein Großteil der Substratumwandlung im nicht benetzten Biofilm stattfand, ein Ergebnis, das die Bedeutung der Reduzierung der Biofilmbenetzung in diesen BTFs weiter unterstreicht. Insgesamt bietet das Modell einen soliden konzeptionellen Rahmen für zukünftige Studien zur Modellierung von Biogasaufbereitungsprozessen. Darüber hinaus hat es das Potenzial, ein nützliches Werkzeug für die Skalierung und Optimierung von BTF-Bioreaktoren für Biogasaufbereitungsanwendungen zu sein.
Referenz
Dupnock, T. L., & Deshusses, M. A. (2020). Entwicklung und Validierung eines umfassenden Modells für Biotrickling-Filter zur Aufbereitung von Biogas. Zeitschrift für Chemieingenieurwesen, 407, 126614. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126614
Verbrennung von pelletierten Süßwasser-Makroalgen und Kiefernmischungen in einem Festbettreaktor
Abstrakt
Süßwassermakroalgen sind eine unzureichend genutzte Gruppe allgegenwärtiger Algen, deren Ertragspotenzial größer ist als das der meisten terrestrischen Energiepflanzen, deren Verbrennungseigenschaften jedoch noch nicht vollständig bekannt sind. In diesem Versuch wurde die Verbrennung von pelletierter 100%-Kiefer und makroalgenhaltigen Festbrennstoffmischungen (90%/10% und 75%/25%-Kiefer/Makroalgen) in einem Festbett-Gleichstromreaktor verglichen. Die Makroalgen erhöhten die Pelletdichte, da ihr Protein- und Kalziumgehalt die Wasserstoffbindung förderte und die Carbonsäurefunktionalität der Polysaccharide vernetzte.
Darüber hinaus erforderten höhere Konzentrationen von Süßwassermakroalgen-Biomasse einen größeren Luftdurchsatz, um die für die Verbrennung erforderliche Durchmischung zu erreichen. Da die Makroalgen einen höheren Anteil an Brennstoff-Stickstoff und Brennstoff-Schwefel aufwiesen, nahmen die Emissionen von Stickstoff- und Schwefeloxiden mit zunehmendem Anteil dieses Brennstoffs stark zu. Insgesamt können pelletierte Makroalgen zusammen mit holzartiger Biomasse verbrannt werden, und ihre Vorbehandlung (Wasserspülung und Anpassung der Anbaubedingungen) kann die Nachteile des geernteten natürlich vorkommenden Algenmaterials verringern oder beseitigen.
Referenz
Gessler, B., Jalal, A., Yun, J., Peltier, E., & Depcik, C. (2021). Verbrennung von pelletierten Süßwasser-Makroalgen und Kiefernmischungen in einem Festbettreaktor. Berichte zur Bioressourcentechnologie, 16, 100871. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100871
Messungen von Boil-Off-Gas und Schichtung in kryogenem Flüssigstickstoff mit Auswirkungen auf die Lagerung und den Transport von verflüssigtem Erdgas
Abstrakt
Das Boil-Off-Gas (BOG), das aus Flüssigerdgasmischungen (LNG) in kryogenen Lagertanks entsteht, muss als Funktion der Tankform, des Wärmeeinbruchs, der thermischen Schichtung, des Drucks und des Flüssigkeitsvolumenanteils zuverlässig vorhergesagt werden. Die derzeitigen Methoden zur Schätzung der BOG-Raten für große Tanks sind jedoch rein empirisch und basieren auf begrenzten verfügbaren Daten, wobei keine Modelle für zuverlässige Vorhersagen zur Verfügung stehen. Dies beeinträchtigt die Fähigkeit von LNG-Tankern, die Dimensionierung von BOG-Kompressoren zu optimieren. Es wurde ein neues Gerät entwickelt, um die Auswirkungen von Wärmestrom, Flüssigkeitsschichtung, Volumen und Gemischzusammensetzung auf die gemessene Boil-off-Rate zu untersuchen.
Das Gerät wird mit flüssigem Stickstoff vorgeführt, wobei die BOG-Raten als Funktion verschiedener Wärmeströme, Drücke und anfänglicher Flüssigkeitsvolumenanteile quantifiziert werden. Es wurden drei verschiedene Perioden des Boil-Offs beobachtet: die Druckaufbauphase, die Übergangsphase und die Phase des stationären Zustands. Die Daten werden mit der verfügbaren Literatur und den Vorhersagen eines neuen dynamischen Modells verglichen, das die Wärmeübertragung des überhitzten Dampfes berücksichtigt. Es wird eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den Modellvorhersagen und den während der Druckbeaufschlagung und der stationären Phase gemessenen Daten festgestellt. Das Modell erfasst jedoch nicht die BOG-Rate, die in der instationären Phase beobachtet wurde, was darauf hindeutet, dass die thermische Schichtung von Flüssigkeiten in zukünftigen Modellen für LNG-Boil-off berücksichtigt werden sollte.
Referenz
Perez, F., Al Ghafri, S. Z. S., Gallagher, L., Siahvashi, A., Ryu, Y., Kim, S., Kim, S. G., Johns, M. L., & May, E. F. (2021). Messungen von Boil-off-Gas und Schichtung in kryogenem Flüssigstickstoff mit Auswirkungen auf die Lagerung und den Transport von Flüssigerdgas. Energie, 222, 119853. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.119853
Geringfügige Auswirkungen der Penetriermittelgröße auf die Trennung von Kohlenstoffmolekularsiebmembranen, die von 6FDA abgeleitet sind: BPDA-DAM-Polyimid
Abstrakt
Wirtschaftlich skalierbare Hohlfasermembranen aus Kohlenstoffmolekularsieben (CMS) beruhen auf einer abstimmbaren bimodalen Porenmorphologie zur Trennung von Gaspaaren mit einer Größendiskriminierung im Angström-Bereich. Frisch hergestellte CMS-Membranen unterliegen einer selbst retardierenden physikalischen Alterung, die sich in Permeanzverlusten und Selektivitätsgewinnen niederschlägt, die sich im Vergleich zur Lebensdauer der Membran über kurze Zeiträume stabilisieren. Von besonderem Interesse sind dabei die sich selbst verlangsamenden morphologischen Veränderungen, die den größten Größenbereich der Ultramikroporen einengen und damit die Alterung von CMS auf Polyimidbasis verursachen. Wir berichten über die Auswirkungen einer solchen Alterung für zwei A/B-Penetrantenpaare, C3H6/C3H8 und CO2/CH4. Diese beiden Paare haben nicht nur unterschiedliche Durchschnittsgrößen, d¯A/B, sondern auch unterschiedliche Größenunterschiede, ΔdA/B, zwischen den Mitgliedern in jedem Paar.
Wir konzentrieren uns in erster Linie auf die C3H6/C3H8 Paar, das von den beiden Paaren am schwierigsten zu trennen ist, und verwenden Sie etwas CO2/CH4 Ergebnisse als Vergleichsfall. Wir untersuchen CMS, die aus 6FDA:BPDA-DAM (1:1) Polyimid durch Pyrolyse bei 550 °C, 600 °C und 650 °C hergestellt werden. Wir schlagen Bedingungen und physikalische Ursachen vor, die den Alterungsprozess in CMS-Membranen beschleunigen, verzögern oder sogar unterdrücken. Schließlich schlagen wir vor, wie die Analyse von CMS, die aus anderen Ausgangsstoffen und anderen Penetriermittelpaaren gewonnen wurden, verallgemeinert werden kann, indem wir die Ergebnisse für das aus 6FDA:BPDA-DAM (1:1) Polyimid gewonnene CMS verstehen.
Referenz
Arab, P., Liu, Z., Nasser, M., Qiu, W., Martinez, M., Flick, D., Roy, A., Liu, J., & Koros, W. J. (2021). Subtile Auswirkungen der Penetrantengröße auf die Trennung von Kohlenstoffmolekularsiebmembranen aus 6FDA:BPDA-Dam-Polyimid. Kohlenstoff, 184, 214-222. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.08.005