Acoplamiento de dinámica de fluidos computacional y modelos cinéticos mediante un modelo compartimentado aplicado a...

Área de la Ciencia:

• Ingeniería Ambiental
• Ingeniería Bioquímica
• Sistemas de Energía Renovable

Sus antecedentes:

• La digestión anaeróbica es vital para la mitigación del cambio climático, pero carece de estudios de interacción hidrodinámica y biocinética a escala completa.
• Comprender estas interacciones es crucial para optimizar la producción de biogás y la eficiencia del digestor.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y validar un Modelo Compartimentado (CM) para digestores anaeróbicos agrícolas a escala completa.
• Investigar la interacción entre la hidrodinámica y la biocinética, incluido el impacto de la agitación mecánica.
• Proporcionar una alternativa computacionalmente eficiente a la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para la modelización de digestores.

Principales métodos:

• Se desarrolló un Modelo Compartimentado (CM) dividiendo un digestor a escala completa en compartimentos basados en campos de velocidad de CFD.
• Se validó el componente hidrodinámico del CM comparando la Distribución de Tiempo de Residencia (RTD) con simulaciones de CFD.
• Se integró el Modelo de Digestión Anaeróbica No. 1 (ADM1) en el CM para simular procesos biocinéticos en el tiempo y el espacio.

Principales resultados:

• El CM predijo con precisión la RTD, ofreciendo una alternativa más rápida a la CFD para el análisis hidrodinámico.
• La mayor actividad biológica (58,9% de la producción de CH4) ocurrió en el 26,8% del volumen del reactor cerca de la entrada, lo que indica un alto riesgo de acidificación.
• Las simulaciones mostraron que los sistemas sin agitación mecánica produjeron más metano (CH4) pero tuvieron un mayor riesgo de acidificación en comparación con los sistemas agitados.

Conclusiones:

• El CM desarrollado es una herramienta potente y computacionalmente eficiente para analizar digestores anaeróbicos a escala completa.
• La región de entrada es crítica para el rendimiento del digestor y requiere una monitorización cuidadosa para prevenir la acidificación.
• La agitación mecánica influye tanto en la RTD como en la producción de CH4, con compensaciones entre el rendimiento y la estabilidad operativa.