Simulering av biogasprocesser

Transkript

1 Simulering av biogasprocesser Elin Ossiansson Björn Goffeng

2 Upplägg Vad är en modell? Modellering av uppgradering Hur kan modeller användas? Hur kan rötning modelleras? Vilka modeller finns? Hur bra fungerar de?

3 BioMil och modellering Elin Ossiansson, exjobb Modeling Anaerobic Digestion, LTH 2008 Björn Goffeng, modellering av uppgradering 2009

4 Vad är en modell?

5 Svart Grå Vit Ingen struktur Ändring av parametrar och struktur Ex. polynom anpassning Fördefinierad struktur Ändring av parametrar Fördefinerad struktur Ingen ändring av parametrar Ex. fysikaliska modeller

6 Modellering - Simulering Modellering är en matematisk beskrivning av ett system Simulering är modellen när beräknas över t.ex. tiden Program Matlab/Octave Aquasim Aspen

7 Modellering av uppgradering Simulering Optimering Design Störningar

8 Modellering av uppgradering Massöverföring Kemisk reaktion reaktionskinetik Fysikaliska begränsningar

9 Varför modellera rötning? Ökad förståelse Optimering Processdesign Styrning av processer - Billigare att göra misstag i datorn än i fullskala!

10 Ökad förståelse Hur hänger processerna ihop? Vilka delprocesser styr, och när? Lära genom att leka!

11 Optimering Kan biogasproduktionen ökas med längre uppehållstid? När blir ammonium inhiberande? Optimering av ph, T, substratblandning, mm

12 Processdesign En eller två rötkammare? Förhydrolys? Vilken förbehandling krävs? Metanbildning H y d r o ly s Syrabildning Metanbildning

13 Styrning Vilka parametrar styr processen? Anpassa inmatning efter t.ex. alkalinitet eller ammoniumhalt

14 Modellen Val av modell Ta fram indata Karakterisering av substrat, hydrolyskontant genom litteratur eller försök Anpassning av modellen Anpassning av modellparametrar genom jämförelse med data Validera modellen Beskriver den verkligheten tillräckligt bra? Data från försök Ny data från försök Använd modellen! Optimering, processdesign, lärande mm

15 Modellen Val av modell Ta fram indata Karakterisering av substrat, hydrolyskontant genom litteratur eller försök Anpassning av modellen Anpassning av modellparametrar genom jämförelse med data Validera modellen Beskriver den verkligheten tillräckligt bra? Data från försök Ny data från försök Använd modellen! Optimering, processdesign, lärande mm

16 Hur kan man göra en modell för rötning? K o m p le x a o r g a n is k a fö r e n in g a r F e tte r, p r o te in e r, k o lh y d r a te r 1. H y d r o ly s Enkla föreningar (monomerer) A m i n o s y r or, f e t t s y r o r, e n k l a s o ck e r a r t e r 2. S y r abildning 3. Ä t t i k s y r abildning Intermediära föreningar Flyktiga Organiska S y r o r (V F A) Ättiksyra 4. M e t a nbildning K o l d i o x i d, vätgas Biogas M e t a n, k o l d i o x i d

17 Ett annat sätt att se processen Process Hydrolys av kolhydater Hydrolys av protein Hydrolys av Lipider Syrabildning från socker Syrabildning från aminosyror Ättiksyrabildning från långa fettsyror Ättiksyrabildning från VFA Metanbildning från vätgas Metanbildning från ättiksyra KolLånga Övriga hydrater Protein Lipider Socker Aminosyror fettsyror Alkalinitet Ättiksyra VFA Vätgas Koldioxid Metan

18 Stökiometri Bygger på mätningar och balanser

19

20 Vad påverkar processen? Koncentration av substrat till bakterierna påverkar tillväxt Lågt ph, hög halt av VFA och höga ammoniumhalter inhiberar Försök görs för att få fram modeller och parametrar för alla processer

21 Exempel: Hydrolys Första ordningens hydrolysmodell hastighet = konstant * koncentration av substrat v=kh*s N e d b r y tn in g a v s u b s tra t [% ] 7 0 M ängd ,0 1,0 2,0 3,0 T id Substrat 4,0 5,0 [d a g a r] Producerad biogas

22 Modeller ADM1 (International Water Association, Batstone 2002) - Utvecklad av ett internationellt forskarteam - Den mest kända och använda modellen Flera andra modeller finns publicerade, men används lite - Siegrist 2002, Angelidaki 1999, Vavilin 1994

23 Indata Val av modell Ta fram indata Karakterisering av substrat, hydrolyskontant genom litteratur eller försök Anpassning av modellen Anpassning av modellparametrar genom jämförelse med data Validera modellen Beskriver den verkligheten tillräckligt bra? Data från försök Ny data från försök Använd modellen! Optimering, processdesign, lärande mm

24 Resultat från utrötningsförsök Hydrolys-bestämning av kh