A mathematical model for anaerobic digestion in plug-flow reactors is proposed on the basis of mass balance considerations. The model consists of a system of parabolic partial differential equations for the variables representing the concentrations of the bio-components constituting the waste matrix and takes into account convective and diffusive phenomena. The plug-flow reactor is modelled as a one-dimensional domain; the waste matrix moves in the direction of the reactor axis and undergoes diffusive phenomena which reproduce the movement of the bio-components along the reactor axis due to a gradient in concentration. The velocity characterizing the convection of the waste matrix is not fixed a priori but it is considered as an additional unknown of the mathematical problem. The variation in the convective velocity allows to account the mass variation occurring along a plug-flow reactor due to the conversion of solids. The equation governing the convective velocity is derived by considering the density of the waste matrix within the reactor constant over time and the sum of the volume fractions of the bio-components constituting the waste matrix constrained to unity. The waste matrix undergoes biochemical transformations catalysed by anaerobic microbial species which lead to the production of gaseous methane, the final product of the anaerobic digestion process. Biochemical processes are modelled using a simplified scheme and a differential equation is used to describe the dynamics of the produced gaseous methane. A finite difference scheme is used for the numerical integration. Model consistency is showed through numerical simulations which investigate the effect of the variation of some operating parameters on process performance. The model is then applied to a real case scenario of engineering interest. Simulations produce results in good agreement with experimental observations.


翻译:在质量平衡考虑的基础上,提出了插流反应堆厌氧消化的数学模型。模型包括代表构成废物矩阵的生物成分浓度的变量的抛动部分偏差方程式系统,其中考虑到对流现象。插流反应堆是一个单维域的模型;废物矩阵向反应堆轴的方向移动,并经历由于浓度梯度的梯度而沿反应堆轴复制生物成分移动的模糊现象。废物矩阵的对流速度特性不是先验的,但被视为数学问题的另一个未知因素。对流速度的变化可以说明因固态转换而沿插流反应堆堆流反应发生的质量变化。调节速度的方程式通过考虑反应堆常数中的废物矩阵密度以及构成废物矩阵一致性的量差异总和而产生。废物矩阵的速异性特性不是固定的,而是将废物矩阵的速率变化视为数学问题的另一个未知因素。对数值模型的变异异性将模型的数值模型分析结果用于生物物理化学模型的模型化过程。该模型将模型的精确性能转化为生物化学模型的精确性变异性过程。该模型将生物化学模型的精确性模型用于生物化学模型生产过程。

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