Physical properties for biobased process development
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2023-03-21
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
113 + 12
Series
Abstract
To fulfil the sustainability needs of society, new solutions are required for environmental problems, such as the climate change. By replacing the non-biodegradable and petroleum-based polymer derivatives with products that are biodegradable and produced from feedstock that is highly available, answers to these problems could be found. The aim of this thesis was first to investigate the polysaccharide derivatives, the properties of these derivatives, and the mixture property estimation methods. In the experimental part, the mixture properties of the selected polysaccharide derivative, cationic starch, were estimated. A case study of cationic starch process was conducted in a laboratory scale and large scale reactors, and the heat transfer of the process was investigated. Finally, a sensitivity analysis was conducted to study the effect of reaction rate constant, starch content, and viscosity on the design of the process. Density, glass transition temperature, and heat capacity of starch-water mixture could be determined using simple mole or mass fraction based mixing rules. The estimation of viscosity required the determination of consistency coefficients and flow indexes at varying starch contents, after which the viscosity could be determined. Thermal conductivity of starch-water system was estimated separately for a mixture containing water 30 wt-% or above and for mixture containing water less than 30 wt-%. Thermal conductivity of starch-water system increases exponentially until the water content of 30 wt-% and linearly after that. The standard enthalpy change of reaction was calculated using the enthalpy of formation of EPTAC estimated in previous study, however, the calculated values are not accurate when compared to the known value. The laboratory and large scale stirred tanks were designed with a conventional cooling jacket, and the heat transfer of the system was calculated. The system was studied with two different impellers, a pitched blade turbine and a helical ribbon impeller, and at two times of the reaction, at 0.5 h and at 80 h. The system with helical ribbon impeller yielded in fewer amount of heat at the beginning of the reaction and the system with pitched blade turbine at the end of the reaction. According to the sensitivity analysis, a maximum viable starch content is 25 wt-%, since above this the process requires a significantly lower cooling water temperature. Also, the increasing viscosity of the mixture lowers the required cooling water temperature significantly.Kestävämmän yhteiskunnan mahdollistamiseksi tarvitaan uusia ratkaisuja ympäristöongelmiin, kuten ilmastonmuutokseen. Korvaamalla hajoamattomat ja öljypohjaiset polymeerijohdannaiset tuotteilla, jotka ovat biohajoavia ja jotka on valmistettu hyvin saatavilla olevista raaka-aineista, näihin ongelmiin voitaisiin löytää vastauksia. Tämän diplomityön tavoitteena oli ensin tutkia polysakkaridijohdannaisia, näiden johdannaisten ominaisuuksia ja seoksen ominaisuuksien arviointimenetelmiä. Kokeellisessa osassa arvioitiin valitun polysakkaridijohdannaisen, kationisen tärkkelyksen, seoksen ominaisuudet. Kationisen tärkkelyksen prosessia tutkittiin teollisessa ja laboratoriomittakaavassa, ja prosessin lämmönsiirtoa tutkittiin. Lopuksi tehtiin herkkyysanalyysi reaktionopeusvakion, tärkkelyspitoisuuden ja viskositeetin vaikutuksen tutkimiseksi prosessin suunnitteluun. Tärkkelys-vesiseoksen tiheys, lasittumislämpötila ja lämpökapasiteetti määritettiin yksinkertaisilla mooli- tai massapohjaisilla sekoitussäännöillä. Seoksen viskositeetin määritys edellytti konsistenssikertoimien ja virtausindeksien määrittämistä vaihtelevilla tärkkelyspitoisuuksilla, minkä jälkeen viskositeetti voitiin määrittää. Tärkkelys-vesiseoksen lämmönjohtavuus määritettiin erikseen seokselle, joka sisältää vettä vähintään 30 m-%, ja seokselle, joka sisältää alle 30 m-% vettä. Tärkkelys-vesiseoksen lämmönjohtavuus kasvaa eksponentiaalisesti, kunnes vesipitoisuus on 30 m-% ja lineaarisesti sen jälkeen. Reaktioentalpian muutos laskettiin käyttämällä edellisessä tutkimuksessa estimoitua EPTAC:n muodostumisentalpiaa, mutta lasketut arvot eivät ole tarkkoja verrattuna tunnettuun arvoon. Teollisen ja laboratoriomittakaavan sekoitussäiliöt suunniteltiin tavanomaisella jäähdytysvaipalla, ja järjestelmän lämmönsiirto laskettiin. Järjestelmää tutkittiin kahdella eri sekoittimella, vinosiipiturbiinilla ja helikaalisella sekoittimella, ja eri kohdissa reaktiota, reaktion alussa ja lopussa. Helikaalisella sekoittimella varustettu systeemi tuotti vähemmän lämpöä reaktion alussa ja systeemi, jossa oli vinosiipiturbiini tuotti vähemmän lämpöä reaktion lopussa. Herkkyysanalyysin mukaan ylin mahdollinen tärkkelyspitoisuus on 25 wt-%, sillä tätä suuremmilla pitoisuuksilla prosessi edellyttää huomattavasti alhaisempaa jäähdytysveden lämpötilaa. Myös seoksen kasvava viskositeetti alentaa vaadittua jäähdytysveden lämpötilaa merkittävästi.Description
Supervisor
Alopaeus, VilleThesis advisor
Laakkonen, MarkoTouronen, Jouni
Keywords
polysaccharides, cationic starch, estimation of mixture properties, heat transfer, stirred tank reactor
