Вырезки из вашего двора в конечном итоге могут стать топливом для самолета. Исследователи Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) решают сложную задачу использования сельскохозяйственных отходов, образующихся в результате переработки растений в продукты питания, для производства топлива, которое может привести в действие самолет или корабль, вместо того, чтобы полагаться на ископаемое топливо.
Исследователи из Центра вычислительных наук NREL усердно работают над преобразованием биомассы в топливо и продукты в промышленных масштабах. Вычислительные инструменты могут моделировать преобразование биомассы с размерами областей от небольших лабораторных стаканов до заводских масштабов, что может помочь ускорить и снизить риски новейших технологических разработок.
В недавних вычислительных исследованиях по конверсии биомассы использовалось финансирование Управления биоэнергетических технологий (BETO) Министерства энергетики США и высокопроизводительные вычислительные ресурсы NREL для исследования и предоставления решений сложных проблем конверсии, таких как производство экологически чистого авиационного топлива (SAF).
Компьютерное моделирование может дать дополнительную выгоду, позволяя ученым и инженерам тестировать системы без риска приобретения дорогостоящего оборудования, которое может не работать должным образом. Эта возможность моделирования может сэкономить компаниям миллионы долларов, избегая сбоев и сбоев оборудования.
Поворот шнекового питателя
Лигноцеллюлозная биомасса (например, сосновые остатки, кукурузные початки) представляет собой широко распространенное сырье, которое вызвало значительный интерес исследователей в качестве сырья для биотоплива. Одним из первых шагов в переработке биомассы является обработка этого исходного материала, который сильно различается по размеру частиц, золе и содержанию влаги.
Процесс преобразования начинается с подачи твердых веществ в реактор под давлением или при высокой температуре для разрушения биополимеров. Прогнозирование энергетических потребностей и механических нагрузок на оборудование для этого процесса кормления имеет решающее значение, поскольку оно определяет работу всей установки по переработке биомассы.
Именно здесь может помочь информатика . Ученый-исследователь NREL Мохаммад Рахими и его коллеги, работающие в рамках Консорциума интерфейса преобразования сырья (FCIC), финансируемого BETO, разработали прогнозирующую вычислительную модель для шнековых питателей биомассы, которая отражает вязкое, неньютоновское и сжимаемое поведение биомассы. суспензии. Модель успешно предсказывает местонахождение пробки биомассы, что может помочь операторам нефтеперерабатывающих заводов идентифицировать и устранить ее.
«Механические неисправности шнековых питателей являются одной из основных причин непредсказуемых простоев промышленных предприятий по переработке биомассы», — сказал Рахими. «Предотвращение таких сбоев может значительно повысить прибыльность и производственные показатели этих отраслей. Мы разработали вычислительную модель, которая может позволить этим отраслям определить оптимальные условия работы для своих систем транспортировки биомассы и предотвратить большинство будущих механических сбоев».
Путь к промышленному переработке сахара в BDO
Подобно прогнозированию механических повреждений и энергопотребления в процессе конверсии , вычислительные инструменты могут решить проблему контроля распределения кислорода в биореакторах промышленного масштаба, производящих топливо из сахаров, полученных из биомассы. Одним из перспективных направлений является производство 2,3-бутандиола (БДО), важного промежуточного продукта для последующего производства ПАВ и химической продукции.
Микроб Zymomonas mobilis показал большие перспективы в лабораторных масштабах в превращении сахаров в БДО, но контролируемая микроаэрированная среда имеет решающее значение для достижения высоких выходов БДО, что создает проблему для расширения масштабов синтеза БДО с помощью Zymomonas. Новое исследование, финансируемое BETO, под руководством ученого NREL Хари Ситарамана и его команды и опубликованное в журнале « Chemical Engineering Research and Design» , использует высокоточную вычислительную модель для реакции многофазных потоков в крупномасштабных биореакторах для решения этой проблемы масштабирования.
Исследователи изучили производство BDO в промышленных микроаэрируемых биореакторах, используя модель совместной биореакции и вычислительной гидродинамики. Исследование оптимизировало скорость аэрации и геометрию реактора, чтобы повысить выход BDO на 25% в масштабе 500 миллионов литров, и показало, что традиционные реакторы барботажной колонны для производства этанола могут потребовать некоторых изменений в конструкции, прежде чем перепрофилировать их для производства BDO. Это исследование будет иметь решающее значение для расширения производства BDO и будет представлять интерес для промышленности (например, текущее партнерство между Bioprincipia и NREL).
Полный пакет (виртуальный биоперерабатывающий завод)
Поскольку для моделирования отдельных этапов преобразования биомассы используются вычислительные инструменты , имеет смысл, что исследователи могут использовать вычислительные методы, чтобы связать эти симуляции и построить виртуальный биоперерабатывающий завод, фиксирующий весь процесс преобразования биомассы из сырья в топливо. Недавняя работа, финансируемая BETO, Итана Янга, исследователя компьютерных наук NREL, и его команды демонстрирует программное обеспечение для виртуального проектирования (VE), позволяющее ускорить разработку и снизить риск для рыночных процессов преобразования биомассы.
Команда, финансируемая BETO, создала мультифизические и многомасштабные модели, а также разрабатывает инфраструктуру программного обеспечения для проверки концепции, а в будущем будет работать над ее использованием в производстве. Мотивация проекта VE заключается в том, что, хотя для точного прогнозирования мелкозернистой физики взаимодействия одного химического процесса необходимы автономные симуляции и модели, сквозное моделирование, в котором связанные результаты первого процесса влияют на второй процесс ( и так далее) необходимо для прогнозирования общей производительности установки биоконверсии.
Программное обеспечение VE предоставляет пользовательский интерфейс и библиотеку инструментов, позволяющих легко определять и изменять эти межмодельные связи для прогнозирования эффекта заданных условий или разработки оптимальной стратегии управления. Вычислительные модели для каждого этапа конверсии (например, предварительной обработки или гидролиза) в рамках VE были ранее разработаны и проверены командой.
Программное обеспечение VE находится в свободном доступе на GitHub. В настоящее время эта система разработана для биохимической конверсии, но ее можно распространить на новые области, такие как термохимическая конверсия и другие виды сырья (например, пластмассы, твердые бытовые отходы).
«Объединение этих различных моделей позволяет рассмотреть полный каскад зависимостей и дает более четкое представление о том, как изменения в конструкции и эксплуатации повлияют на результаты конверсии в контексте полного биоперерабатывающего завода», — сказал Янг. «Тестирование различных вариантов аппаратного обеспечения и путей преобразования с использованием этого связанного вычислительного подхода происходит быстрее и дешевле по сравнению с экспериментальным подходом, который, по нашему мнению, ускорит новые разработки в области биомассы».
