生物反应器与发酵研究

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通过实验研究了多孔燃烧器中稳定的超稀薄火焰对燃料流量波动的响应。这项研究的动机是小型沼气发生器生产的燃料的流量和化学成分随时间变化。所采用的多孔燃烧器包括放置在石英管内的碳化硅多孔泡沫层。该燃烧器配备了一系列轴向排列的热电偶，并通过数码相机进行成像。甲烷以及甲烷和二氧化碳的混合物（模拟沼气）与空气混合，然后以低于 0.3 的当量比送入燃烧器。通过在稳定的燃料流量上施加具有可变幅度和频率的正弦波，利用可编程质量流量控制器来调节燃料流量。

实验装置示意图

通过对火焰图像和收集的温度轨迹的分析，表明施加的干扰导致燃烧器内的火焰运动。人们发现这种运动定性地遵循甲烷和沼气燃料流的时间变化。尽管如此，发现甲烷的火焰振荡幅度高于沼气。此外，据观察，燃烧器长时间（180 秒）暴露于燃料波动最终会导致火焰不稳定。然而，甲烷混合物在 60 秒内以稳定值 0 至 30% 的幅度实现了稳定燃烧。这项研究揭示了多孔介质中的非稳态传热对火焰位置波动的强烈影响。

稳定 CH ₄ /沼气混合物 (a) 当量比与热能 (b) 当量比与 CO 排放

参考

Habib, R.、Yadollahi, B.、Saeed, A.、Doranehgard, MH、Li、LKB 和 Karimi, N. (2021)。多孔燃烧器中甲烷和沼气的不稳定超稀薄燃烧——一项实验研究。应用热工程，182, 116099。 https://doi.org/10.1016/j.appl Thermaleng.2020.116099

抽象的

本文详细介绍了沼气升级生物滴滤池 (BTF) 反应器概念上正确的数学模型的开发、验证和分析。该模型考虑了气体通过固定床的对流传输和分散以及固定生物膜中吸收气体的传质和反应。湿润和非湿润生物膜、氢气和CO ₂转化为甲烷时通过床的气体体积收缩以及轴向扩散都包含在模型中。该模型成功预测了实验室规模 BTF 升级各种原料沼气成分的性能。

参数敏感性分析表明，流入气体流速、生物膜比表面积和最大反应速率（Rmax）是最敏感的参数。此外，将湿润生物膜比例降低 54%（湿润生物膜比例为 12%）是实现可再生天然气标准（>97% 排放甲烷）的最简单的优化措施。

实际上，这可以通过例如应用间歇滴流方式来实现。液膜传质系数（kLa）不是一个敏感参数。这是因为该模型预测大部分底物转化发生在非润湿的生物膜中，这一发现进一步支持了减少这些 BTF 中生物膜润湿的重要性。总体而言，该模型为未来模拟沼气升级过程的研究提供了强大的概念框架。此外，它有可能成为扩展和优化沼气升级应用的 BTF 生物反应器的有用工具。

参考

TL 杜普诺克和马萨诸塞州 Deshusses (2020)。生物滴滤过滤器升级沼气的综合模型的开发和验证。化学工程杂志，407, 126614。https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126614

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淡水大型藻类是一种未得到充分利用的普遍存在的藻类，其产量潜力比大多数陆地能源作物更大，但其燃烧特性尚不完全清楚。这项工作使用固定床并流反应器对含有 100% 松木和大型藻类的颗粒状固体燃料混合物（90%/10% 和 75%/25% 松木/大型藻类）的燃烧进行了比较。大型藻类增加了颗粒密度，因为其蛋白质和钙含量促进氢键结合并交联多糖的羧酸官能团。

此外，较高浓度的淡水巨藻生物质需要更大的空气流速才能实现燃烧所需的混合。由于大型藻类的燃料氮和燃料硫含量较高，氮氧化物和硫氧化物的排放量随着该燃料比例的增加而大幅增加。总体而言，颗粒状大型藻类可以与木质生物质共同燃烧，其预处理（水冲洗和调节培养条件）可以减少或消除收获的天然藻类材料中发现的缺点。

参考

Gessler, B.、Jalal, A.、Yun, J.、Peltier, E. 和 Depcik, C. (2021)。使用固定床反应器燃烧颗粒状淡水大型藻类和松树混合物。生物资源技术报告，16, 100871。https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100871

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低温储罐中液化天然气 (LNG) 混合物产生的蒸发气体 (BOG) 必须根据储罐形状、热量进入、热分层、压力和液体体积分数进行可靠预测。然而，目前估算大型储罐 BOG 率的方法完全是经验性的，并且基于有限的可用数据，没有可用于可靠预测的模型。这会影响液化天然气运输船优化 BOG 压缩机尺寸的能力。开发了一种新装置来探索热通量、液体分层、体积和混合物成分对测量的蒸发率的影响。

该装置使用液氮进行演示，BOG 速率被量化为各种热通量、压力和初始液体体积分数的函数。观察到三个不同的沸腾阶段：加压阶段、瞬态阶段和稳态阶段。将这些数据与现有文献以及解释过热蒸汽传热的新动态模型的预测进行比较。模型预测与加压和稳态阶段测量的数据之间观察到极好的一致性。然而，该模型没有捕获瞬态阶段观察到的 BOG 速率，这表明在未来的 LNG 蒸发模型中应考虑液体热分层。

参考

Perez, F.、Al Ghafri, SZS、Gallagher, L.、Siahvashi, A.、Ryu, Y.、Kim, S.、Kim, SG、Johns, ML 和 May, EF (2021)。低温液氮中蒸发气体和分层的测量对液化天然气的储存和运输的影响。能源，222, 119853。https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.119853

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经济可扩展的碳分子筛 (CMS) 中空纤维膜依靠可调节的双峰孔形态，利用埃级尺寸辨别来分离气体对。新形成的 CMS 膜会经历自我延缓的物理老化，这反映在渗透性损失和选择性增益上，与膜的使用寿命相比，它们会在短时间内稳定下来。由于超微孔最大尺寸范围的收紧，自阻滞形态重排在这里特别令人感兴趣，从而导致聚酰亚胺衍生的 CMS 老化。我们报告了这种老化对两个 A/B 渗透剂对 C ₃ H ₆ /C ₃ H ₈和 CO ₂ /CH _4的影响。这两对不仅具有不同的平均尺寸 d¯A/B，而且每对中的成员之间也具有不同的尺寸差异 ΔdA/B。

我们主要关注 C ₃ H ₆ /C ₃ H ₈对，这是两对中最难分离的，并使用一些 CO ₂ /CH ₄结果作为比较案例。我们研究了通过在 550 °C、600 °C 和 650 °C 下热解衍生自 6FDA:BPDA-DAM (1:1) 聚酰亚胺的 CMS。我们建议加速、延缓甚至抑制 CMS 膜老化过程的条件和物理原因。最后，我们建议如何通过了解 6FDA:BPDA-DAM (1:1) 聚酰亚胺衍生 CMS 的结果来推广对其他前体和其他渗透剂对衍生的 CMS 的分析。

参考

阿拉伯 P.、刘 Z.、纳赛尔 M.、邱 W.、马丁内斯 M.、弗里克 D.、罗伊 A.、刘 J. 和科罗斯 WJ (2021)。渗透剂尺寸对源自 6FDA:BPDA-Dam 聚酰亚胺的碳分子筛膜的分离有微妙的影响。碳，184, 214–222。https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.08.005