Μοντελοποίηση Περιοδικού Αναερόβιου Βιοαντιδραστήρα με Ανακλαστήρες με χρήση Comsol Multiphysics

Δημητρέλλος, Γιώργος; Dimitrellos, George

dc.contributor.author	Δημητρέλλος, Γιώργος	el
dc.contributor.author	Dimitrellos, George	en
dc.date.accessioned	2017-11-20T11:13:53Z
dc.date.available	2017-11-20T11:13:53Z
dc.date.issued	2017-11-20
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45939
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.7623
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Περιοδικός Βιοαντιδραστήρας	el
dc.subject	Αναερόβια Χώνευση	el
dc.subject	Comsol Multiphysics	el
dc.subject	Υπολογιστική Μηχανική	el
dc.subject	Περιοδικός Βιοαντιδραστήρας Αναερόβιας Χώνευσης με Ανακλαστήρες	el
dc.subject	Monod kinetics	el
dc.subject	Blackman model	el
dc.subject	Comsol Multiphysics
dc.subject	PABR
dc.title	Μοντελοποίηση Περιοδικού Αναερόβιου Βιοαντιδραστήρα με Ανακλαστήρες με χρήση Comsol Multiphysics	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10-13
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η προσομοίωση της κατανάλωσης του οργανικού υποστρώματος (υπολογισμένου σε τιμές χημικά απαιτούμενου οξυγόνου) κατά τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης προς παραγωγή βιοαερίου σε έναν πιλοτικής κλίμακας Περιοδικό Αναερόβιο Αντιδραστήρα με Ανακλαστήρες (Periodic Anaerobic Baffled Reactor) ενεργού όγκου 77L (λίτρων). Η μοντελοποίηση πραγματοποιήθηκε με την χρήση πεπερασμένων στοιχείων μέσω του υπολογιστικού πακέτου Comsol Multiphysics® Version 5.2. Αποτελεί δε, το μοντέλο αυτό, συνέχεια των διπλωματικών εργασιών (Γ. Σεϊντής, 2015, Θ. Καμπερίδης, 2016) στις οποίες είχε αποδοθεί η γεωμετρία του εν λόγω αντιδραστήρα και είχε χαρακτηριστεί η ρεολογική του συμπεριφορά ανάλογα με το λόγο του υδραυλικού χρόνου παραμονής (HRT) προς την περίοδο εναλλαγής Τ των διαμερισμάτων. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε απλοποίηση της γεωμετρίας του αντιδραστήρα που είχε ως σκοπό τη μείωση των υπολογιστικών απαιτήσεων. Χρησιμοποιήθηκε αραιότερο πλέγμα από αυτό που απαιτούσε η προηγούμενη γεωμετρία δίνοντας ταυτόχρονα ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το δεύτερο και κυριότερο μέρος αφορούσε την εισαγωγή χημικής αντίδρασης η οποία προσομοιάζει την κατανάλωση του COD (chemical oxygen demand) που επιτυγχάνεται στον αντιδραστήρα με την ταυτόχρονη παραγωγή βιοαερίου. Για τη μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση, σε μοντέλο που αναπτύχθηκε σε περιβάλλον Aquasim που περιγράφει την κατανάλωση υποστρώματος σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας. Η παράμετρος η οποία εκτιμήθηκε ήταν η σταθερά της αντίδρασης κατανάλωσης του COD με βάση τα πειραματικά δεδομένα ενός εργαστηριακού πειράματος τεσσάρων πειραματικών κύκλων λειτουργίας αναερόβιας χώνευσης. Έγινε η παραδοχή από προηγούμενη ρεολογική μελέτη ότι ο PABR συμπεριφέρεται ως CSTR, ενώ η αντίδραση κατανάλωσης του COD ακολουθεί απλή κινητική τύπου Blackman ή μοντέλο δύο φάσεων για S<2K_s. Παρατηρήθηκε ότι ο ρυθμός αντίδρασης της μορφής r=μ(S,X)X (μ: ειδικός ρυθμός ανάπτυξης εκφρασμένoς μέσω του μοντέλου δύο φάσεων, X: συγκέντρωση βιομάζας στον αντιδραστήρα), προβλέπει σε ικανοποιητικό βαθμό την κατανάλωση του υποστρώματος και την παραγωγή βιοαερίου βάση των πειραματικών συνθηκών λειτουργίας του αντιδραστήρα και για τους τέσσερις κύκλους αναερόβιας χώνευσης. Επιπλέον παρατηρείται ο περιοδικός τρόπος με τον οποίο μεταβάλλεται η συγκέντρωση του υποστρώματος καθ’ ύψος των διαμερισμάτων του αντιδραστήρα. Τέλος προτείνεται περαιτέρω απλοποίηση της γεωμετρίας αλλά και η προσάρτηση περισσότερων μεταβολικών αντιδράσεων για λεπτομερέστερη περιγραφή της αναερόβιας χώνευσης, ενώ θα μπορούσε να γίνει μοντελοποίηση των συσσωματωμάτων (granules) της ιλύος στο εσωτερικό του αντιδραστήρα.	el
heal.abstract	The aim of this thesis is the simulation of the organic substrate consumption in terms of chemical oxygen demand , during the process of anaerobic digestion for the production of biogas in a pilot Periodic Anaerobic Baffled Reactor with a useful volume of 77L. The modeling was conducted with the use of finite elements through the simulation software Comsol Multiphysics ® . This model is based on the thesis of George Seintis, 2015 , and Theofilos Kamperidis, 2016 , who have constructed the geometry of the reactor and studied the rheological behavior accordingly with the fraction of hydraulic retention time and th e switching period ( T ) of the departments. In this thesis, a simplification of the reactor geometry was made, which intended to reduce the calculation demands. A coarser mesh was used than the one required in the previous geometry and produced satisfactory results. The second and most important part was the introduction of a reaction which simulates the consumption of chemical oxygen demand (COD) that took place in the reactor with the simultaneous production of biogas. For this study, a parametric estimati on was used for a model that was developed in an Aquasim environment which describes the consumption of substrate in a continuous stirred - tank reactor . The parameter that has been estimated was the reaction rate constant of COD based on the data of an expe rimental process of four experimental periods of anaerobic digestion. It has been taken as a fact from a previous rheological study that a PABR behaves like a CSTR but the reaction of the consumption of COD follows Blackman kinetics ( a two phase model ) when the COD concentration is sufficiently low . It was observed that the rate of the reaction given in the form 푟 = 휇 ( 푆 , 푋 ) 푋 (where μ : the specific growth rate , X : the biomass concentration into the reactor) , describes the consumption of substrate (COD) and the production of biogas at a satisfactory level , concerning the experimental operation requirements of the reactor and the results of the anaerobic digestion experiment . Furthermore, it was observed that the periodic operation modified the concentration of substrate in the compartments of the reactor. In conclusion, a further simplification of the geometry is proposed, as well as the inclusion of more detailed kinetics of anaerobic digestion, while a modeling of the granules for med inside the reactor could also be accomplished.	en
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	92 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true