Sürdürülebilir Biyo yakıt üretim sistemlerinin geliştirilmesinde Transport Phenomena
Biyo yakıt üretimine Giriş
Ulaşım fenomenleri - ısı, kütle ve momentum transferinin entegre çalışması - bu transfer süreçlerinin mühendislik omurgasını doğrudan etkiler ve çevresel ayak izi ile elde edilen bir reaktörden, zayıf ısı geri yüklemenin son saflaştırılmasına kadar, her birim işlemi, yetersiz oksijen transfer limitleri ile kontrol edilen bir büyüme ile bağlıdır.
Biyoyakıtlılık Phenomena'nın Rolü
Biyoyakıt üretimindeki sürdürülebilirlik, enerji tüketimi, su kullanımı, atık nesli ve sera gazı emisyonlarını içerecek şekilde yemlemenin ötesine geçer. Örneğin, düşük ısı entegrasyonu güçleri, yüksek dış enerji girişi, artan karbon yoğunluğu, mühendisler enerji talebinin% 20-40 oranında azaltılabilir, toplam karbon verimliliği artırmaktadır.
Bio yakıt üretim sistemlerinde ısı geçişi
Reaktörlerde Heat Transferin Temelleri
Isı transferi üç mekanizma ile gerçekleşir: Katı duvarlarla hareket etmek, sıvılar ve yüzeyler arasında çekim yapmak ve yüksek sıcaklıklarda radyasyon.In biofuel systems, each mekanizması sıvı biyo-petrol işlemine bağlı olarak kullanılır. Örneğin, hızlı pirolizoller ısı transferleri ısı geçişi için ()0[Dönemli ısı transferleri ile sınırlı ısı geçişi için 10 °C) gerekir.
Heat Exchangers ve Enerji Entegrasyonu
Heat exchangers, biyoyakıtlı bitkilerde ubiquitous in biofuel.Onlar sıcak ürün akışlarından ısıtılırlar, dış kullanım tüketimini azaltırlar. Örneğin, bir hücreli tanol bitkisinde, distillery sütunu ek buhar, sıcak ısı değiştiricileri (parçalı) için ısıtılır.
Gelişmiş ısı Transferi Teknolojileri
- [FONT:0) Karbon-nanotube kaplamalarla ilgili olarak ısıtıcı ısıtma[[[DÜT:1) - Küçük ölçekli piroliz reaktörler için hızlı, üniformalı ısıtma sağlar.
- [FONT:0)Mikrodalga destekli ısıtma[DÜT:1) - kutup biyokütle bileşenlerinin seçimi, geleneksel yöntemlere kıyasla% 15-25 oranında genel enerji tüketimini azaltabilir.
- [FONT:0]Oscillatory akış ısı değiştiricileri[Dönem: 1) 2-5 × viskous biyo-petrol işlemesinde, laminar akışı başka türlü performans limitleri ile ısı transfer katlarını geliştirin.
Mass Transfer ve onun Eleştirel Rol
Yönetim İlkeleri ve Puanlama Adımları
Mass transfer, yüksek konsantrasyon bölgelerinden gelen kimyasal türlerin hareketini, difüzyon ve yığınlama ile tahrik eder.Dörtsel biyoyakıtlı biyoyakıtlama süreçleri - sıvı veya sıvı damlacıkların gaz balonları - kütle transferi genellikle kanser öncesi (örneğin, enzimli asit) ısı geçişi için ısı geçişinin difüzyonu ile sınırlı olacaktır.
Anahtar Birim Operasyonlarında Kitle Transferi
Lignocellulosic Preted
Preted, ligin-hemicellulose matrixini bozmayı ve hücreli erişilebilirliği artırmayı amaçlamaktadır. Asit veya alkali katalizörlerin biyokütle partiküllerine aktarılmasını sağlamak kritiktir.İlginç zaman, sıcaklık ve baskı için tüm nüfuz derinliğine bağlı olarak, buhar patlamaları için, buharın hızlı bir şekilde toplu transferini teşvik eder (SOLU)[TFL)
Fermentation and Bioreactor Design
Sıcak tank mayınları, oksijenin gaz balonlarından hücrelere aktarılması, küçük balonlar üreten yüksek agitation hızları ve sparger tasarımları tarafından geliştirilmektedir (yüksek interfacial alanı). Ancak, agitation'den aşırı derecede Shear-sensitive hücrelere zarar verebilir (örneğin, mikroalgae, filamentli mantarlar).
Ürün Kurtarmasında Kitle Transferi
Downstream işleme ayrıca kitlesel transfere çok fazla güveniyor. Distillation, ekstraksiyon ve membran ayırımları istenen bileşiklerin seçici olarak taşınmasına bağlı olarak, broth, azeotrope'yi yenmeye devam ederken, ehrin (PDMS) membranların kütle transferi buharlı denge ve tepsi hidrolikler tarafından yönetilmelidir. Gelişmiş membran işlemleri, pervaporasyon gibi, reaktif olarak 5 ila 12 dakika boyunca sülatif olarak sulara bağlı olarak tahrif edilen bir membranı kullanın.
Momentum Transfer ve Akışkanlar Dinamik
Akış Regimes ve Mix
Momentum transferleri hız alanlarını, hear oranları ve baskı biyoyakıt reaktörleri anlamak için gereklidir.Yerel zaman dağıtımlarını tahmin etmek, ölü bölgelerin minimisyonlarını sağlamak ve 20-30 sürekli karıştırılmış tank reaktörleri (CSTR) sağlamak, sert tasarım ve hız pompalayıcı kapasite ve güç numarasını belirlemek için gereklidir.For non-Newtonian sıvıları, yüksek çözünürlükte (örneğin, mısır solaşımlarını) kullanır.
Gaz-Liquid-Solid Sistemleri için reaktör Hidrodinamik
Birçok biyoyakıtlama işlemi üç aşamayı içerir: katı biyokütle partikülleri, sıvı çözücü veya katalizörü ve gaz balonlarını (CO2, H2 veya hava) üç fazlı sıvılaşmış yataklar (örneğin, katalitik Hidrojektiflerin ve yatakların sıvılaştırılması) için son derece yüksek çözünürlükte, homojen geçişler ve ısı geçişinin arttırılması için kullanılan hızlar için yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte.
Preted ve Kırgızıklıkta Parçacık Dinamikleri
Momentum transferi ayrıca mekanik pretedavide rol oynar. Jet değirmenleri yüksek seviyeli gaz jetlerini etkiler ve biyokütle partikülleri alt-100 mikronlere ayırarak, daha sonraki reaksiyonlar için artan yüzey alanı sağlar.Bu tür sürekli cihazlarda enerji girişi, çift geçişli ön tedavi modelleri ile doğrudan ilişkilidir, rotasyonel hız ve kova geometri kontrol eder ve aynı anda ısı ve hear stresi kontrol eder ve biyokütle biyokütleler için daha az miktardaki fark eder.
Design Phenomena'nın Process Design
Çiftli Transport Effects
Sıcaklık, kütle ve momentum transferi nadiren bağımsızdır. Örneğin, mikro yakıt üretimi için mikropuz hücrede, elektronlar CO2'yi bir elektrottan, CO2'yi bir araya getiren bakterilere transfer edilir.SOL veya ANSYS gibi araçlar kullanarak çok fizyolojik bir model yapmak gerekir.
Süreç Intensification
Ulaşım fenomenleri, intensification (PI) ile işlem için merkezidir - Biyo yakıtlarda ekipman boyutunu ve enerji kullanımını dramatik bir şekilde azaltan stratejiler şunlardır:
- [FONT=0)Reaktif distillasyon[DÜDÜT 1: 1): Tek bir sütunda reaksiyon ve ayrılık ısı entegrasyonunu geliştirir ve ekipman sayısını %50 azaltır. biyodiesel, ester eş zamanlılaştırma ve su kaydıraklarına karşı dengeyi azaltır.
- [FONT:0)Oscillatory baffled reaktörler (OBRs))[Uygun baffles ile sıvı yağdırarak, OBRs, düşük net akış oranlarında mükemmel ısı ve kütle transferi ile bağlantıya ulaşır, sürekli fizikasyon veya transification için idealdir.
- [FONT:0)Mikromixers ve mikroreactors[[Dönetici: 100-500 mikron kanal boyutlarıyla, bu cihazlar ısı ve kütle transfer dirençlerini azaltan yüksek yüzey-to-volume oranları üretirler.
Süreç Sistemleri Mühendisliği ve Yaşam Döngüsü Değerlendirme
Ulaşım fenomenlerini sürdürülebilir süreçlere dönüştürmek için mühendisler süreç sistemlerini mühendislik (PSE) araçlarını kullanır. Steady-state simülatörü (Aspen Plus, ProSim) birlikte ısı ve kütle dengesi termodinamik modelleri ile birlikte, dinamik simülatörler (gPROMS, Realca) geçici davranışları yakalarken, bir temel durumdaki taşıma fenomenlerini doğru bir şekilde doğru bir şekilde çevirerek, tümleşik bir enerji (CHP) bütünleşik biyorefinerişim ağı optimize etti.
Biyo yakıtlar için Transport Phenomena'daki Zorluklar ve İnovasyonlar
Ölçeği -Güncel Kompleksi
Biyoyakıtlı ticarileştirmedeki en büyük engellerden biri, laboratuvar ölçeği ve endüstriyel ölçekli taşıma davranışı ile ilgili yanlış bir takımdır.[DD:0L[DDönetici, duvar etkileri, geri karışım ve ısı kayıpları genellikle negable; pilot ve ticari ölçeklerde, ancak kötü gaz dağıtım ve eksik tanklar nedeniyle, bu adrese göre daha fazla denge sağlayan, yüksek çözünürlükte sabit olmayan sistemlere göre daha fazla denge sağlar.)
Multifa Challenges
Gerçek biyoyakıt sistemleri en az iki aşamayı içerir (solid-liquid, gaz-liquid, sıvı-liquid). Bu karmaşıklık, üç veya dört aşama ile (örneğin, katı katalizör, sıvı reaksiyonlu, gaz ürünü ve biyokütleli olmayan bir devre) geçici elektriksel olmayan hızlar için sayısal kesintiler oluşturmak için sayısal olmayan ölçümler için sayısal olmayan ölçümler için sayısal olarak sabitlenir.
Beslenmeleri ve Benzersiz Ulaşım Gereksinimleri
- [FONT:0)Algae slurries[[Dönetici: Mikroalgae kültürler (0.1-0.5 g/L) ekstrakser polimerler nedeniyle düşük katı içerikli ancak yüksek vizyumlar. CO2 ve ışık dağılımı (a radiative ısı / kütle analogları) kritik.
- [FONT=0)Lignin-rich akışlar[Dönetici: Biyorefineries giderek hedef ligin valorizasyon, molten veya çözünen lignin taşıma özellikleri (yaklaşık% 104 Pa· 25°C) mevcut zorluklara ısı geçişi gerektirir.
- [FONT:0]Municipal katı atık (MSW))[Municipal katı bir atık (MSW)): MSW, 1 mm'den 10 cm'ye kadar olan partikül boyutlarıyla, bir döner kiln gazlandırıcısı ile transfer, ting ve churning tarafından etkileniyor; taşıma modelleri, yoğunluk ve şekil ile ayrımı için ayrı ayrı ayrılığa sahip olmalıdır.
Dış Kaynaklar ve Daha Fazla Okuma
Sürdürülebilir biyoyakıt sistemlerindeki ulaşım fenomenlerini derinleştirmek için aşağıdaki kaynaklar ayrıntılı teknik rehberlik ve son araştırma bulguları sağlar:
- [FONT:0)U.S. Enerji Biyoenerji Teknolojileri Ofisi (BETO)) - Gerçek çarşaflar, raporlar ve ölçeklendirme çalışmaları için fırsatlar sunar.
- [FONT:0) Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) Biyoenerji Portalı[[Dönetici: 1) Access process modelleri, tasarım kılavuzları ve eh ve Hidrokarbon biyo yakıt proseslerinde ulaşım fenomenleri hakkında güncel veriler.
- [FONT:0)Transport Phenomena in Biofuels (Özel Dergi Sayısı, BilimDirect))[Üye Olmayanlar, Isı transfer yenilikleri ve multifaksiyonlu akışlar içeren bir dizi inceleme).
- [FONT:0] American Institute of Chemical Engineers (AIChE))[değiştir | kaynağı değiştir] – Webinars, konferans süreçleri ve ulaşım fenomenlerini yenilenebilir kimyasal üretime uygulama üzerine ders kitapları.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Ulaşım fenomenleri sadece akademik kavramlar değildir; temel ilkeleri uygulayarak veya parçalanabilir enerji tasarrufu ve entegre biyorefineries'ten, sabit bir şekilde, çiftleşme stratejilerine olan ısı geçişi için endüstrinin her yönüne devam ederek, temel ilkeleri uygulama yoluyla geliştirilebilir. Endüstri karmaşık, düşük maliyetli bir gıda taşımacılığı ve entegre biyorepetler için hareket ettirilebilir, çiftleşme stratejilerinin gerektirdiği gibi, basitleştirilmiş modelleme ve yenilikçileştirme stratejilerinin arttırılması gerekir.