Formation of valine microcrystals through rapid antisolvent precipitation

In this work we have experimentally studied concentration effects on antisolvent precipitation of valine (an amino acid) from aqueous isopropanol solutions. Our experiments showed that the valine precipitation is very sensitive to both the supersaturation and to the water content in the final solution. Results from spectrophotometric measurements and supersaturation analysis showed that the crystal formation kinetics are strongly dependent on both mixing and concentration profiles in the early stages of the process, even though no visible change in the systems occurs immediately upon mixing with the antisolvent or subsequent dilution. Results from small-angle static light scattering measurements showed that the first visible crystals are of micron size and they grow only little over time, while their number increases gradually. Taken together, these experiments point to intermediate phase separation of (possible amorphous) precursors, being either very small nanoparticles or droplets with their refractive index closely matching that of the continuous phase, which subsequently assemble into micron size valine crystals

Mathematical Modeling of Heat and Mass Transfer during Moisture–Heat Treatment of Castor Beans to Improve the Quality of Vegetable Oil

У даній роботі представлена математична модель динаміки повного циклу вологої і термічної обробки олійної сировини в багатоступеневому нагрівальному чайнику безперервної дії з урахуванням всіх особливостей технологічного процесу. Модель включає в себе рівняння енергії, записане для системи в цілому, і рівняння масообміну для фаз рідини, пари і повітря в дисперсному шарі пористих стислих частинок насіння. При зволоженні шару парофаза переходить в рідку фазу, а при обсмажуванні шару рідка фаза переходить в парову. Це відбивається в знаку терміна-джерела. Теплофізичні характеристики дисперсного шару визначаються з урахуванням зміни концентрації компонентів зв'язаної речовини і пористості εla шару і Π пористих частинок. Дана математична модель в поєднанні з розробленим чисельним методом її розрахунку є універсальним методом математичного моделювання для дослідження динаміки тепломасообмінних процесів і фазових перетворень, що відбуваються в багатоступеневій циліндричній жаровні при волого–термічній обробці подрібненої касторової та інших олійних культур. Такі дослідження лежать в основі ефективної апаратної організації волого–термічної обробки олійних культур відповідно до необхідної температурою і вологістю спресованих насіння, а також конструктивними особливостями жаровні.An important process in the technology of plant oil production by mechanical pressing is the wet–heat treatment of crushed oilseeds, in which the oilseed (compressed seed) is exposed to saturated vapor and a conductive heat supply. Optimal mode selection of wet–heat treatment based on a detailed study of the physical processes taking place in the compressed seed increases oil release, improves its quality indicators, and decreases energy consumption. Mathematical modeling is an advanced method for studying the dynamics of humidification and frying in the compressed seed. The article introduces a mathematical model and a numerical method for calculating heat-and-mass transformation and phase conversion in the process of the humidification and frying of compressed seeds of the castor plant in a continuous multi-stage heating kettle. This study provides equations for calculating the intensity of phase transformation on the inner and outer surfaces of the wet layer. Data verification indicates the adequacy of the mathematical model, effectiveness of the numerical method, and possibility of their use in optimizing the modes of wet–heat treatment for compressed seed raw material.Department of Chemical and Biochemical Engineering, Faculty of Chemical and Food Technology, Slovak University of Technology in Bratislava, Radlinského 9, 812 37 Bratislava, SlovakiaВажливим процесом в технології виробництва рослинної олії методом механічного пресування є волого–термічна обробка подрібнених олійних культур, при якій олійна культура (спресоване насіння) піддається впливу насиченої пари і провідного теплопостачання. Вибір оптимального режиму волого–термічної обробки заснований на детальному вивченні фізичних процесів, що відбуваються в стислому насінні, збільшує виділення олії, покращує її якісні показники, знижує енергоспоживання. Математичне моделювання є вдосконаленим методом вивчення динаміки зволоження і смаження в спресованому посівному матеріалі. У статті представлено математичну модель та чисельний метод розрахунку тепломасного перетворення та перетворення фаз у процесі зволоження та смаження спресованого насіння касторової установки в чайнику безперервного багатоступеневого нагріву. Дане дослідження дає рівняння для розрахунку інтенсивності фазового перетворення на внутрішній і зовнішній поверхнях вологого шару. Перевірка даних свідчить про адекватність математичної моделі, ефективність чисельного методу та можливість їх використання при оптимізації режимів волого–термічної обробки стисненої насіннєвої сировини

Mathematical Model and Numerical Method of Calculating the Dynamics of High-Temperature Drying of Milled Peat for the Production of Fuel Briquettes

В даній роботі представляється математична модель високотемпературного сушіння фрезерного торфу, яке на заключному етапі супроводжується початковою стадією термодеструкції. Математична модель включає диференційні рівняння ене-ргії та масопереносу рідкої, парової і повітряної фаз, що побудовані на основі рівняння переносу субстанції для систем що деформуються Нікітенко М.І.. Для замикання системи рівнянь залучаються: формула Дарсі для розрахунку фільтраційних швидкостей фаз, рівняння стану для розрахунку тисків компонентів газової фази, вираз для капілярного тиску рідини, формула для площі поверхні контакту рідкої і газової фаз в порах тіла, рівняння термоконцентраційного деформування, формули для інтенсивності фазових перетворень на зовнішній і внутрішніх поверхнях частинок торфу та для коефіцієнтів дифузії рідкої і газової фаз. Термічне розкладання торфу врахо-вувалось відповідним значенням енергії активації. В [6,8] експериментально доведено активаційний характер термічного розкладання твердої фази фрезерного торфу. Обробка результатів [6] дериватографічних досліджень термічних властивостей твер-дого залишку фрезерного торфу, з використанням кінетичної моделі А.А. Broido дозволила визначити числові значення ефективної енергії активації Аef частинок зв’язаної речовини. В момент початку розкладання геміоцелюлози ефективне значення енергії активації досить різко змінюється і впливає на інтенсивність тепломасопереносу. Розроблено чисельний метод розрахунку математичної моделі, який дозволяє визначати динаміку зміни температури і об’ємних концентрацій компонентів зв’язаної речовини в пористій частинці в залежності від її теплофізичних, структурних і геометричних характеристик а також параметрів сушильного агенту. На таких обчисленнях базується розробка режимів сушіння пористих матеріалів, що забезпечують скорочення часу процесу і відповідно енергоресурсів на його проведення при збереженні високої якості кінцевого продукту.Milled peat must be dried for the production of peat fuel briquettes. The current trend in the creation of drying technologies is the intensification of the dehydration process while obtaining a high-quality final product. An increase in the temperature of the drying agent, above 300 C, significantly accelerates the reaching of the final moisture content of the peat. In the final stage, it is also accompanied by partial thermal decomposition of the solid phase. Its first stage, which is the decomposition of hemicellulose, contributes to a decrease in weight and an increase in the caloric content of the dry residue. The development of high-temperature drying modes consists of determining the temperature and velocity of the drying agent, wherein the duration of the material reaching the equilibrium moisture content will be minimal and the temperature of the material will not rise above the second-stage decomposition temperature of cellulose. This problem can be solved by the mathematical modeling of the dynamics of peat particles drying in the flow. The article presents a mathematical model of heat and mass transfer, phase transitions, and shrinkage during the dehydration of milled peat particles. The equations of the mathematical model were built based on the differential equation of mass transfer in open deformable systems, which, in the absence of deformations, turns into the known equation of state. A numerical method for implementing a mathematical model has been developed. The adequacy of the mathematical model is confirmed by comparing the results of numerical modeling with known experimental data.Slovak University of Technology in Bratislava, Radlinského 9, 812 37 Bratislava, SlovakiaДля виробництва торф'яних паливних брикетів фрезерний торф підлягає сушінню. Найбільш поширеним типом сушильних установок для зневоднення сипучих дисперсних матеріалів є барабанні і аеродинамічні сушарки, в яких частинки вологого матеріалу рівномірно омиваються нагрітим газовим теплоносієм. Сучасною тенденцією створення сушильних технологій є інтенсифікація процесу зневоднення при отриманні кінцевого продукту високої якості. Підвищення температури сушильного агенту вище 300 0С значно прискорює досягнення торфом кінцевої вологості і на заключному етапі супроводжується термічним розкладанням твердої фази, перша стадія якого – розкладання геміоцелюлози - сприяє зменшенню ваги і підвищенню калорійності сухого залишку. Розробка режимів високотемпературного сушіння полягає у визначенні температури і швидкості сушильного агенту, при яких тривалість досягнення матеріалом рівноважного вологовмісту буде мінімальною і температура матеріалу не підвищиться вище температури розкладання гемі-целюлози. Ця проблема може бути вирішена на базі математичного моделювання дина-міки сушіння частинок торфу в потоці теплоносія. В статті представляється математична модель тепло- і масопереносу, фазових перетворень і усадки при зневодненні частинок фрезерного торфу, яка дозволяє розраховувати поля температур, об’ємних концентрацій рідкої, парової і повітряної фаз, а також час сушіння в залежності від параметрів теплоно-сія і вологої частинки. Враховуючи активаційний характер процесів дифузії, випаровування і термодеструкції, запропоновано підхід розрахунку впливу термічного розкладання на динаміку високотемпературного сушіння. Рівняння математичної моделі будувались на базі диференційного рівняння переносу субстанції у відкритих системах, що деформуються [1], яке при відсутності деформацій переходить у відоме рівняння Умова. Розроблено чисельний метод реалізації математичної моделі. Адекватність математичної моделі підтверджується порівнянням результатів чисельного моделювання з відомими експериментальними даними

Comment on Rogalev et al. Structural and Parametric Optimization of S-CO2 Thermal Power Plants with a Pulverized Coal-Fired Boiler Operating in Russia. Energies 2021, 14, 7136

The reconstruction of ageing thermal power plants with the possibility of their increased efficiency, prolonged service and decreased environmental impact is an intensely debated and researched topic nowadays. Among various concepts, the replacement of the steam cycle by a supercritical CO2 cycle is proposed with the prospect of reaching higher efficiencies at the same working fluid inlet parameters as the ultra-supercritical steam cycles. A paper published previously by Rogalev et al. (2021) analyzed the variants of supercritical coal power plant reconstruction to a supercritical CO2 cycle and ranked them according to the cycle efficiency. This contribution comments on the scope and applied method in that paper aiming to provide additional input relevant to the decision-making process on thermal power plant reconstruction to such a cycle

Comment on Pietrapertosa et al. How to Prioritize Energy Efficiency Intervention in Municipal Public Buildings to Decrease CO2 Emissions? A Case Study from Italy. Int. J. Environ. Res. Public Health 2020, 17, 4434

This paper responds to the article by Pietrapertosa et al., doi:10.3390/ijerph17124434, published previously in the International Journal of Environmental Research and Public Health. Its aim is to discuss the appropriateness of the studied method, to analyze its weak sides and to propose its robustness improvement. Thus, data presented in the above study were examined and recalculated, yielding, among others, indicators of annual energy savings (in kWh per m2 of total heated area) and specific proposals investment costs (in € per m2 of total heated area). By analyzing the obtained data for all public buildings, a significantly simplified approach to this problematic has been suggested while several other features of the research method and some presented results lack proper reasoning and discussion. Individual approach to each public building has been proposed and discussed point-by-point to enhance the method’s applicability. As a result, more realistic outcomes are obtained, and suitable investment actions can be proposed

Comment on Hamayun et al. Evaluation of Two-Column Air Separation Processes Based on Exergy Analysis. Energies 2020, 13, 6361

Oxygen production from air belongs to energy-intense processes and, as a result, possibilities for its decrease are a frequent topic of optimization studies, often performed with simulation software such as Aspen Plus or Aspen HYSYS. To obtain veritable results and sound solutions, a suitable calculation method hand in hand with justified assumptions and simplifications should form the base of any such studies. Thus, an analysis of the study by Hamayun et al., Energies 2020, 13, 6361, has been performed, and several weak spots of the study, including oversimplified assumptions, improper selection of a thermodynamic package for simulation and omission of certain technological aspects relevant for energy consumption optimization studies, were identified. For each of the weak spots, a recommendation based on good praxis and relevant scientific literature is provided, and general recommendations are formulated with the hope that this comment will aid all researchers utilizing Aspen Plus and Aspen HYSYS software in their work

Carbon-Energy Impact Analysis of Heavy Residue Gasification Plant Integration into Oil Refinery

A gasification plant may partially replace an industrial thermal plant and hydrogen production plant by polygenerating valuable products (hydrogen, power, steam) from low-value materials. Carbon energy analysis is one way of conceptually evaluating such processes. In this paper, the integration of a heavy residue (HR) gasification plant into a mid-size oil refinery (5 million t per year crude processing rate) is conceptually assessed via the comparison of electricity, natural gas and heavy residue consumption, and CO2 emissions. The main purpose of the integration is to reduce the consumption of natural gas currently used for hydrogen production at the expense of increased HR consumption and to achieve a reduction in CO2 emissions. Two case studies with different modes of operation were compared to base case showing that annual reduction of 2280 GWh in natural gas consumption with constant heat and hydrogen production is possible, accompanied with a slight increase in electricity purchase by 28 GWh per year. HR processing in the refinery increases by over 2800 GWh per year. The refinery’s CO2 emissions increase by more than 20% (up to 350 kt per year) as a result, while, after incorporating external emissions into the balance, a decrease of more than 460 kt CO2 per year can be achieved. This confirms that the integration of gasification plants within industrial enterprises and clusters has a positive environmental and energy impact and supports the idea of converting low-value material to more valuable products in polygeneration plants. The economics of HR gasifier integration in varying operations under real refinery conditions remain to be explored

Improvement of part load efficiency of a combined cycle power plant provisioning ancillary services

According to the type of ancillary service provisioned, operation mode of a power plant may change to part load operation. In this contribution, part load operation is understood as delivering a lower power output than possible at given ambient temperature because of gas turbine power output control. If it is economically justified, a power plant may operate in the part load mode for longer time. Part load performance of a newly built 80 MW combined cycle in Slovakia was studied in order to assess the possibilities for fuel savings. Based on online monitoring data three possibilities were identified: condensate preheating by activation of the currently idle hot water section; change in steam condensing pressure regulation strategy; and the most important gas turbine inlet air preheating. It may seem to be in contradiction with the well proven concept of gas turbine inlet air cooling, which has however been developed for boosting the gas turbine cycles in full load operation. On the contrary, in a combined cycle in the part load operation mode, elevated inlet air temperature does not affect the part load operation of gas turbines but it causes more high pressure steam to be raised in HRSG, which leads to higher steam turbine power output. As a result, less fuel needs to be combusted in gas turbines in order to achieve the requested combined cycle's power output. By simultaneous application of all three proposals, more than a 2% decrease in the power plant's natural gas consumption can be achieved with only minor capital expenses needed.Combined cycle Part load performance Ancillary services Electric efficiency Fuel savings

Mathematical Modeling of Heat and Mass Transfer during Moisture–Heat Treatment of Castor Beans to Improve the Quality of Vegetable Oil

An important process in the technology of plant oil production by mechanical pressing is the wet–heat treatment of crushed oilseeds, in which the oilseed (compressed seed) is exposed to saturated vapor and a conductive heat supply. Optimal mode selection of wet–heat treatment based on a detailed study of the physical processes taking place in the compressed seed increases oil release, improves its quality indicators, and decreases energy consumption. Mathematical modeling is an advanced method for studying the dynamics of humidification and frying in the compressed seed. The article introduces a mathematical model and a numerical method for calculating heat-and-mass transformation and phase conversion in the process of the humidification and frying of compressed seeds of the castor plant in a continuous multi-stage heating kettle. This study provides equations for calculating the intensity of phase transformation on the inner and outer surfaces of the wet layer. Data verification indicates the adequacy of the mathematical model, effectiveness of the numerical method, and possibility of their use in optimizing the modes of wet–heat treatment for compressed seed raw material

Assessment and Prediction of Complex Industrial Steam Network Operation by Combined Thermo-Hydrodynamic Modeling

Steam network operation stability and reliability is vital for any industrial branch. A combined steam network model comprising a balance and a coupled thermo-hydrodynamic model, including seasonal variations impact and system specificities, is presented. A balance model can readily be used by a refinery’s operators. The thermo-hydrodynamic model identifies system bottlenecks and cold spots and evaluates proposed operation and investment measures including heat loss reduction. A three-pressure levels refinery steam network served for model testing and validation. Balance model results reveal significant misbalance in steam production and consumption, reaching 30.5% in the low-pressure steam system, and heat balance differences in the range of 9.2% to 29.5% on individual pressure levels, attributable both to flow measurement accuracy issues and to heat losses. The thermo-hydrodynamic model results differ from the measured steam parameters by less than 5% (temperature) and by less than 4% (pressure), respectively, with the estimated operational insulation heat conductivity exceeding 0.08 W/m/K. Its comparison with that of 0.03 W/m/K for dry insulation material yields the need for pipelines re-insulation and a partial revamp of the steam network. The model is sufficiently general for any type of industry, pursuing the goal of cleaner and energy-efficient steam transport and consumption