The thermal effects on the methanol-to-olefins reaction: A modelling and experimental approach

With the projection of an increasing world population, hand-in-hand with a journey towards a bigger number of developed countries, further demand on basic chemical building blocks, as ethylene and propylene, has to be properly addressed in the next decades. The methanol-to-olefins (MTO) is an interesting reaction to produce those alkenes using coal, gas or alternative sources, like biomass, through syngas as a source for the production of methanol. This technology has been widely applied since 1985 and most of the processes are making use of zeolites as catalysts, particularly ZSM-5. Although its selectivity is not especially biased over light olefins, it resists to a quick deactivation by coke deposition, making it quite attractive when it comes to industrial environments; nevertheless, this is a highly exothermic reaction, which is hard to control and to anticipate problems, such as temperature runaways or hot-spots, inside the catalytic bed. The main focus of this project is to study those temperature effects, by addressing both experimental, where the catalytic performance and the temperature profiles are studied, and modelling fronts, which consists in a five step strategy to predict the weight fractions and activity. The mind-set of catalytic testing is present in all the developed assays. It was verified that the selectivity towards light olefins increases with temperature, although this also leads to a much faster catalyst deactivation. To oppose this effect, experiments were carried using a diluted bed, having been able to increase the catalyst lifetime between 32% and 47%. Additionally, experiments with three thermocouples placed inside the catalytic bed were performed, analysing the deactivation wave and the peaks of temperature throughout the bed. Regeneration was done between consecutive runs and it was concluded that this action can be a powerful means to increase the catalyst lifetime, maintaining a constant selectivity towards light olefins, by losing acid strength in a steam stabilised zeolitic structure. On the other hand, developments on the other approach lead to the construction of a raw basic model, able to predict weight fractions, that should be tuned to be a tool for deactivation and temperature profiles prediction.

Three-dimensional radiobiological dosimetry of kidneys for treatment planning in peptide receptor radionuclide therapy.

PURPOSE: Peptide receptor radionuclide therapy (PRRT) delivers high absorbed doses to kidneys and may lead to permanent nephropathy. Reliable dosimetry of kidneys is thus critical for safe and effective PRRT. The aim of this work was to assess the feasibility of planning PRRT based on 3D radiobiological dosimetry (3D-RD) in order to optimize both the amount of activity to administer and the fractionation scheme, while limiting the absorbed dose and the biological effective dose (BED) to the renal cortex. METHODS: Planar and SPECT data were available for a patient examined with (111)In-DTPA-octreotide at 0.5 (planar only), 4, 24, and 48 h post-injection. Absorbed dose and BED distributions were calculated for common therapeutic radionuclides, i.e., (111)In, (90)Y and (177)Lu, using the 3D-RD methodology. Dose-volume histograms were computed and mean absorbed doses to kidneys, renal cortices, and medullae were compared with results obtained using the MIRD schema (S-values) with the multiregion kidney dosimetry model. Two different treatment planning approaches based on (1) the fixed absorbed dose to the cortex and (2) the fixed BED to the cortex were then considered to optimize the activity to administer by varying the number of fractions. RESULTS: Mean absorbed doses calculated with 3D-RD were in good agreement with those obtained with S-value-based SPECT dosimetry for (90)Y and (177)Lu. Nevertheless, for (111)In, differences of 14% and 22% were found for the whole kidneys and the cortex, respectively. Moreover, the authors found that planar-based dosimetry systematically underestimates the absorbed dose in comparison with SPECT-based methods, up to 32%. Regarding the 3D-RD-based treatment planning using a fixed BED constraint to the renal cortex, the optimal number of fractions was found to be 3 or 4, depending on the radionuclide administered and the value of the fixed BED. Cumulative activities obtained using the proposed simulated treatment planning are compatible with real activities administered to patients in PRRT. CONCLUSIONS: The 3D-RD treatment planning approach based on the fixed BED was found to be the method of choice for clinical implementation in PRRT by providing realistic activity to administer and number of cycles. While dividing the activity in several cycles is important to reduce renal toxicity, the clinical outcome of fractionated PRRT should be investigated in the future.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Characterization and drying of caja bagasse (Spondias mombin L.) in a tray dryer using a factorial planning

The caja (Spondias mombin L.) is used in the manufacture of ice-cream, jams, pulps, beverages being also consumed in natura. One of the most important procedures in food conservation is drying, considering that most fresh fruits contain approximately 80% of water. Food drying is used to obtain two basic aspects: (1) the economic factor; in the shipping and handling of the product; (2) at the manipulation; once dried and grinded, the material is rehydrated, at desirable levels, to formulate a new product as in ice cream, jams, yoghurts and drinks and may also be added to pasta, biscuits and other industrialized products. The aim of this study was to investigate the kinetics of caja bagasse drying in a fixed-bed tray dryer, using central composite factorial planning. The following factors were evaluated: temperature (55, 65 and 75 ºC), dryer inlet air velocity (3.2, 4.6 and 6.0 m.s-1) and cake thickness (0.8, 1.2 and 1.6 cm) where the response of the considered variable was caja bagasse moisture content (b.s.) and the results showed that the main effects and their interactions were significant at a 95% confidence level being the best condition obtained at temperature of 75 ºC, velocity of 6.0 m.s-1 and cake thickness of 0.8 cm.

Kiinteäkerroskaasuttimen toiminnan teoreettinen tarkastelu ja puupellettien kaasutuskokeet myötävirtareaktorilla

Tämä työ on osa tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena on kehittää uudentyyppinen kaasutustekniikkaan perustuva kiinteistöjen lämmitysjärjestelmä. Työ on tehty osaksi kirjallisuustutkimuksena käyttämällä hyödyksi alalla tehtyjä tutkimuksia ja kirjallisuutta. Kirjallisuustutkimuksen tavoitteena oli luoda yhtenäinen tietopaketti lämmitysjärjestelmän kehityksen tueksi. Työn kokeellisen osion tavoitteena oli tutkia lämmitysjärjestelmän kaasuttimen prototyypin toimintaa ja selvittää sen käyttöön liittyviä ongelmia. Kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksen vaiheita: alkulämpeneminen ja kuivuminen, syttyminen, pyrolyysi sekä jäännöshiilen palaminen ja kaasutus. Varsinkin pyrolyysiprosessin tunteminen on merkittävää, kun halutaan parantaa biomassan poltto- ja kaasutusprosessien suunnittelua. Lisäksi kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksessa syntyvän tuotekaasun ominaisuuksia: koostumus, lämpöarvo, tiheys ja palamisominaisuudet. Tuotekaasun ominaisuudet vaihtelevat suuresti kaasutusprosessista ja -olosuhteista sekä polttoaineesta riippuen. Tuotekaasun kohdalta käsitellään myös sen käyttökohteita. Perinteisesti kaasutuksen tuotekaasua käytetään lämmöntuotantoon, mutta tulevaisuuden haasteena on tuotekaasun käyttö kaasuturbiineissa sähköntuotantoon. Tuotekaasun käyttöä laajemmin rajoittaa sen sisältämät epäpuhtaudet. Tämän vuoksi kirjallisuusosiossa käsitellään myös tuotekaasun puhdistusmenetelmiä ja sen poltossa syntyvien päästöjen vähentämiskeinoja. Kokeellisessa osiossa suoritettiin puupellettien kaasutuskokeita TTKK:n Energia- ja prosessitekniikan laitoksen raskaaseen laboratorioon rakennetulla kaasutusreaktorilla. Kaasutuskokeiden avulla löydettiin kaasutusreaktorin toiminnan ongelmakohdat ja pystyttiin aloittamaan lämmitysjärjestelmän jatkokehitys.

Sakkaroosin hydrolyysi immobilisoidulla entsyymillä

Työssä tutkittiin sakkaroosin hydrolyysiä anioninvaihtohartseihin immobilisoidun entsyymin avulla tavoitteena löytää sellainen kantaja-entsyymi -yhdistelmä, jolla konversio halutuiksi lopputuotteiksi olisi mahdollisimman korkea. Työhön valittiin aikaisemmissa laboratoriokokeissa parhaita tuloksia saavuttaneet kantaja-entsyymi -parit. Entsyymeinä oli kaksi nestemäistä Saccharomyces cerevisiae -hiivasta eristettyjä entsyymivalmistetta. Kokeissa käytetyt kantajamateriaalit olivat erilaisia heikkoja anioninvaihtohartseja. Entsyymit immobilisoitiin kantajaan sekoitusreaktorissa ja niiden aktiivisuudet määritettiin sitomisen jälkeen. Hydrolyysikokeet tehtiin jatkuvatoimisessa kiintopetireaktorissa ja lisäksi panos-kokeina tutkittiin ominaisuuksiltaan erilaisten kantajien eroja hydrolyysissä. Reaktio-olosuhteet pidettiin kaikissa kokeissa samoina. Sakkaroosiliuoksen pitoisuus oli 50 p-%, reaktiolämpötila 50 oC ja pH 5. Kiintopetikolonnissa tutkittiin myös sakkaroosi-liuoksen viipymäajan vaikutusta sivutuotteiden syntyyn. Näytteet analysoitiin neste-kromatografilla. Kiintopetikolonnissa lyhimmän viipymäajan (15 min) kokeissa ainoastaan hitaimmilla kantaja-entsyymi -pareilla muodostui sivutuotteita, jotka hydrolyysireaktion edetessä kuitenkin hävisivät. Kun viipymäaikaa kasvatettiin sivutuotteiden synty väheni ja lopulta niitä ei havaittu syntyvän lainkaan. Hydrolyysin edetessä viipymäajan ollessa tarpeeksi pitkä pienet sivutuotekomponentit hävisivät sakkaroosin hajotessa kokonaan glukoosiksi ja fruktoosiksi. Verrattaessa partikkelikoon ja hartsimatriisin vaikutusta samaan entsyymiin sidottuna havaittiin, että niillä kummallakin on vaikutusta sekä sakkaroosin hydrolyysi-nopeuteen että sivutuotteiden muodostumiseen.

Selecting the most relevant variables for anaerobic digestion imbalances : Two case studies

In this study, a wrapper approach was applied to objectively select the most important variables related to two different anaerobic digestion imbalances, acidogenic states and foaming. This feature selection method, implemented in artificial neural networks (ANN), was performed using input and output data from a fully instrumented pilot plant (1 m 3 upflow fixed bed digester). Results for acidogenic states showed that pH, volatile fatty acids, and inflow rate were the most relevant variables. Results for foaming showed that inflow rate and total organic carbon were among the relevant variables, both of which were related to the feed loading of the digester. Because there is not a complete agreement on the causes of foaming, these results highlight the role of digester feeding patterns in the development of foaming

Catalytic gasification of glycerol in supercritical water

The conversion of glycerol in supercritical water (SCW) was studied at 510-550 °C and a pressure of 350 bars using both a bed of inert and non-porous ZrO2 particles (hydrothermal experiments), and a bed of a 1% Ru/ZrO2 catalyst. Experiments were conducted with a glycerol concentration of 5 wt% in a continuous isothermal fixed-bed reactor at a residence time between 2 and 10 s. Hydrothermolysis of glycerol formed water-soluble products such as acetaldehyde, acetic acid, hydroxyacetone and acrolein, and gases like H2, CO and CO2. The catalyst enhanced the formation of acetic acid, inhibited the formation of acrolein, and promoted gasification of the glycerol decomposition products. Hydrogen and carbon oxides were the main gases produced in the catalytic experiments, with minor amounts of methane and ethylene. Complete glycerol conversion was achieved at a residence time of 8.5 s at 510 °C, and at around 5 s at 550 °C with the 1 wt% Ru/ZrO2 catalyst. The catalyst was not active enough to achieve complete gasification since high yields of primary products like acetic acid and acetaldehyde were still present. Carbon balances were between 80 and 60% in the catalytic experiments, decreasing continuously as the residence time was increased. This was attributed partially to the formation of methanol and acetaldehyde, which were not recovered and analyzed efficiently in our set-up, but also to the formation of carbon deposits. Carbon deposition was not observed on the catalyst particles but on the surface of the inert zirconia particles, especially at high residence time. This was related to the higher concentration of acetic acid and other acidic species in the catalytic experiments, which may polymerize to form tar-like carbon precursors. Because of carbon deposition, hydrogen yields were significantly lower than expected; for instance at 550 °C the hydrogen yield potential was only 50% of the stoichiometric value.

Characterization and Control Strategies of an Integrated Chemical-Biological System for the Remediation of Toxic Pollutants in Wastewater: A case of study

In a previous work, a hybrid system consisting of an advanced oxidation process (AOP) named Photo-Fenton (Ph-F) and a fixed bed biological treatment operating as a sequencing batch biofilm reactor (SBBR) was started-up and optimized to treat 200 mg·L-1 of 4-chlorophenol (4-CP) as a model compound. In this work, studies of reactor stability and control as well as microbial population determination by molecular biology techniques were carried out to further characterize and control the biological reactor. Results revealed that the integrated system was flexible and even able to overcome toxic shock loads. Oxygen uptake rate (OUR) in situ was shown to be a valid tool to control the SBBR operation, to detect toxic conditions to the biomass, and to assess the recovery of performance. A microbial characterization by 16S rDNA sequence analysis reveals that the biological population was varied, although about 30% of the bacteria belonged to the Wautersia genus.

Chelating Adsorbents in Purification of Hydrometallurgical Solutions

In this thesis, equilibrium and dynamic sorption properties of weakly basic chelating adsorbents were studied to explain removal of copper, nickel from a concentrated zinc sulfate solution in a hydrometallurgical process. Silica-supported chelating composites containing either branched poly(ethyleneimine) (BPEI) or 2-(aminomethyl)pyridine (AMP) as a functional group were used. The adsorbents are commercially available from Purity Systems Inc, USA as WP-1® and CuWRAM®, respectively. The fundamental interactions between the adsorbents, sulfuric acid and metal sulfates were studied in detail and the results were used to find the best conditions for removal of copper and nickel from an authentic ZnSO4 process solution. In particular, the effect of acid concentration and temperature on the separation efficiency was considered. Both experimental and modeling aspectswere covered in all cases. Metal sorption is considerably affected by the chemical properties of the studied adsorbents and by the separation conditions. In the case of WP-1, acid affinity is so high that column separation of copper, nickel and zinc has to be done using the adsorbent in base-form. On the other hand, the basicity of CuWRAM is significantly lower and protonated adsorbent can be used. Increasing temperature decreases the basicity and the metals affinity of both adsorbents, but the uptake capacities remain practically unchanged. Moreover, increasing temperature substantially enhances intra-particle mass transport and decreases viscosities thus allowing significantly higher feed flow rates in the fixed-bed separation. The copper selectivity of both adsorbents is very high even in the presence of a 250-fold excess of zinc. However, because of the basicity of WP-1, metal precipitation is a serious problem and therefore only CuWRAM is suitable for the practical industrial application. The optimum temperature for copper removal appears to be around 60 oC and an alternative solution purification method is proposed. The Ni/Zn selectivity of both WP-1 and CuWRAM is insufficient for removal of the very small amounts of nickel present in the concentrated ZnSO4 solution.

Remoção do íon amônio de águas produzidas na exploração de petróleo em áreas offshore por adsorção em clinoptilolita

This work describes the use of clinoptilolite for removal of ammonium ions present in waters produced at the Campos' Basin. Samples were previously treated in order to remove organic compounds and metals. Experiments were run in fixed- and fluidized-bed systems, at room temperature. The fluidized-bed systems did not remove efficiently the ammonium ion. The best operational conditions were obtained with clinoptilolite particle size in the range 0.30-0.50 mm, under ascendant flow (3 mL min-1), in a fixed-bed system. The best zeolite performance was found when it was pretreated with 0.5 mol L-1 NaOH. Na+ was the most important interfering ion due to its high concentration in the water. Clinoptilolite lost partially its capacity to retain ammonium ions after several regeneration cycles with NaOH.

Produção de biossurfactante por Aspergillus fumigatus utilizando resíduos agroindustriais como substrato

The objective of this study was to investigate biosurfactant production in solid state by Aspergillus fumigatus in fixed-bed column bioreactors using substrate based on agricultural residues. Without a supplementary carbon source the highest emulsifying activity (EA) was 11.17 emulsifying units (EU) g-1 of substrate at an aeration rate of 148 mL h-1g-1 but in the presence of diesel oil the highest EA value was 9.99 EU g-1 at an aeration rate of 119 mL h-1g-1 of substrate while supplementation with soya oil resulted in only 8.47 EU g-1 of substrate at an aeration rate of 119 mL h-1g-1.

Caracterização de cinza obtida por combustão de casca de arroz em reator de leito fluidizado

The rice husk combustion in a bubbling and atmospheric fluidized bed reactor was investigated. This paper presents the rice husk ash characterization employing the techniques of X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), and scanning electron microscopy (SEM) among others. After combustion, a rice husk ash containing 93% amorphous silica and <3% unburned char was produced. Methods usually applied to fixed bed considering external sources of energy and high reaction times were employed. Thus, the potential of this type of reactors with respect to speed, continuity and self-sufficiency energy of the process was shown.

Removal of phenol and conventional pollutants from aqueous effluent by chitosan and chitin

The present study deals with phenol adsorption on chitin and chitosan and removal of contaminants from wastewater of a petroleum refinery. The adsorption kinetic data were best fitted to first- and second-order models for chitosan and chitin, respectively. The results of adsorption isotherms showed Langmuir model more appropriately described than a Freundlich model for both adsorbents. The adsorption capacity was 1.96 and 1.26 mg/g for chitin and chitosan, respectively. Maximum removal of phenol was about 70-80% (flow rate: 1.5 mL/min, bed height: 18.5 cm, and 30 mg/L of phenol. Wastewater treatment with chitin in a fixed-bed system showed reductions of about 52 and 92% for COD and oil and greases, and for chitosan 65 and 67%, respectively. The results show improvement of the effluent quality after treatment with chitin and chitosan.

Imobilização de lacase de Aspergillus sp. em quitosana e sua aplicação na bioconversão de fenóis em reatores de leito fixo

The immobilization of laccase on chitosan by cross-linking and application of the immobilized laccase in the bioconversion of phenolic compounds in batch and fixed bed reactors were studied. The process for immobilization of enzyme was optimized using a rotational central composite design. The optimized conditions to generate immobilized laccase with maximal activity were determined to be a glutaraldehyde concentration of 1.0% (v/v), a pH of 6.0, an immobilization time of 5.0 hours and an enzyme concentration of 5.2 g L-1. In packed bed reactors, the activity of the immobilized enzyme is maintained for a longer time in the bioconversion of 2,6-dimethoxyphenol than in the bioconversion of syringaldazine.