Paperikoneen vesi- ja energiatehokkuuden parantaminen

Työn tavoitteena oli laatia reaaliaikaiset vesi- ja energiatasenäytöt Stora Enso PublicationPaper Veitsiluodon tehtaalle, paperikone 5:lle. Tavoitteena oli myös simuloida kyseisen paperikonelinjan vesitase. Aluksi työssä piirrettiin lohkokaaviot taseita varten paperikoneen kaikista vettä tai energiaa sisältävistä jakeista. Näitä yksinkertaistettuja lohkokaavioita hyväksi käyttäen laadittiin taseidenlaskentakaavat, jotka testattiin tarkastuslaskelmien avulla. Vesi- ja energiataseista tehtiin myös suunnitelmat prosessinohjausjärjestelmän tasenäytöiksi. FlowMac-simulointiohjelmalla rakennetun paperikone 5 vesitaseen simulointimallin tulosten oikeellisuutta arvioitiin herkkyysanalyysin avulla. Tehdyn herkkyysanalyysin tuloksien perusteella voidaan olettaa, että simulointimalli toimii luotettavasti. Tämän vesitaseen simulointimallin avulla tarkasteltiin kiekkosuotimien uudistamisen vaikutuksia paperikonelinjan vesitaseeseen. Tarkastelussa huomattiin, että vaihtamalla kiekkosuotimien syöttöventtiilit kolmea jaetta tuottaviksi, voitaisiin flotaatioallas ja suihkuveden kaarisihti poistaa käytöstä. Tulevaisuudessa simulointimallia voidaan käyttää myös monilla muilla eri tavoin hyödyksi kyseisellä paperikoneella. Työssä laaditut vesi- ja energiataseet saatiin niin tarkoiksi kuin se nykyisiä mittauksia hyödyntäen on mahdollista. Jostaseita haluttaisiin tarkentaa, olisi paperikonelinjalle syytä lisätä joitakin mittauksia. Myös työssä tehty vesitaseen simulointi FlowMac:lla onnistui hyvin mutta kyseisessä ohjelmassa havaittiin silti joitakin kehittämistarpeita. Työn tuloksien perusteella vettä ja energiaa voitaisiin mahdollisesti säästää paperikone 5:llä esimerkiksi laimennussäätöisen perälaatikon avulla, kiekkosuotimien uusimisella sekä kenkäpuristimen käyttöönotolla. Jatkotutkimuskohteita voisivat olla esimerkiksi paperikone 5:n lämpötase, kemiallisesti puhdistetun veden tulolämpötilan nostaminen, hiomon suodosveden ylimääräisen lämmön hyödyntäminen paperikone 5 kirkassuodoksen lämmittämisen jälkeen, lämmön talteenotossa lämmitysvesikennon ja prosessivesikennon järjestyksen vaihtaminen sekä vastaavien vesi- ja energiataseiden laatiminen paperikone 1:lle ja hiomolle.

Jälkikäsitellyn jätevesikirkasteen uusiokäyttö Anjalan paperitehtailla

Työssä tarkasteltiin aktiivilietelaitoksen jätevesikirkasteen uusiokäyttöä Anjalan paperitehtailla. Tavoitteena oli löytää keino jätevesimäärän vähentämiseksi, kierrättämällä jatkokäsiteltyä jätevesikirkastetta. Työssä tehtiin prosessisuunnitelma kirkasteen kierrättämiseksi; suunnitelman vaikutuksia arvioitiin kirjallisuuden, simuloinnin ja arkkikokeiden avulla. Lisäksi arvioitiin kierrätyksen taloudellisia näkökohtia. Prosessisuunnittelussa päädyttiin vaihtoehtoon, jossa tehtaan nykyinen tehdasvesijae korvataan jälkikäsitellyllä jätevesikirkasteella. Esitetty prosessimuutos vähentäisi jokeen laskettavan kirkasteen määrää 20 %. Haitta-ainetason muutoksia selvitettiin simuloimalla prosessisuunnitelman mukainen suolatase. Simuloinnin kohteena oli haitta-ainetason muutokset PK3:lla. Tuloksista pääteltiin, että PK3:lla tapahtuu normaalissa ajotilanteessa suurempia muutoksia suolatasoissa kuin prosessimuutoksen aiheuttama suolatason muutos. Arkkikokeilla selvitettiin kirkasteen ja tehdasveden vaikutuksia PK3:n massan vaaleuteen ja vaaleuden pysyvyyteen. Kirkasteen vaikutus massan vaaleuteen oli suurempi kuin tehdasvedellä, kun kirkastetta oli käsitelty tehdasmittakaavan flotaatiolla ja hiekkasuodatuksella. Pilot-mittakaavan hiekkasuodatuksella ja laboratoriomittakaavassa laskeutetulla kirkasteella oli pienempi vaikutus arkkien vaaleuteen kuin tehdasvedellä. Vaaleuden pysyvyydessä ei havaittu eroa kirkasteen ja tehdasveden välillä. Kirkasteella oli voimakas vaikutus arkkien keltaisuuteen. Tehdasvesi ei vaikuttanut arkkien keltaisuuteen. Mikäli prosessisuunnitelman mukainen kirkastevirtaus jatkokäsiteltäisiin hiekkasuodatuksella, arvioitiin päälaitteista kerroinmenetelmällä tehdasinvestoinniksi 5.20 milj. euroa. Vuosittaisiksi kemikaalikustannuksiksi arvioitiin 0.21 milj. euroa ja teoreettiseksi energiasäästöksi 0.87 milj. euroa.

Validation of plant dynamic model by online and laboratory measurements – a tool to predict online COD loads out of production of mechanical printing papers

COD discharges out of processes have increased in line with elevating brightness demands for mechanical pulp and papers. The share of lignin-like substances in COD discharges is on average 75%. In this thesis, a plant dynamic model was created and validated as a means to predict COD loading and discharges out of a mill. The assays were carried out in one paper mill integrate producing mechanical printing papers. The objective in the modeling of plant dynamics was to predict day averages of COD load and discharges out of mills. This means that online data, like 1) the level of large storage towers of pulp and white water 2) pulp dosages, 3) production rates and 4) internal white water flows and discharges were used to create transients into the balances of solids and white water, referred to as “plant dynamics”. A conversion coefficient was verified between TOC and COD. The conversion coefficient was used for predicting the flows from TOC to COD to the waste water treatment plant. The COD load was modeled with similar uncertainty as in reference TOC sampling. The water balance of waste water treatment was validated by the reference concentration of COD. The difference of COD predictions against references was within the same deviation of TOC-predictions. The modeled yield losses and retention values of TOC in pulping and bleaching processes and the modeled fixing of colloidal TOC to solids between the pulping plant and the aeration basin in the waste water treatment plant were similar to references presented in literature. The valid water balances of the waste water treatment plant and the reduction model of lignin-like substances produced a valid prediction of COD discharges out of the mill. A 30% increase in the release of lignin-like substances in the form of production problems was observed in pulping and bleaching processes. The same increase was observed in COD discharges out of waste water treatment. In the prediction of annual COD discharge, it was noticed that the reduction of lignin has a wide deviation from year to year and from one mill to another. This made it difficult to compare the parameters of COD discharges validated in plant dynamic simulation with another mill producing mechanical printing papers. However, a trend of moving from unbleached towards high-brightness TMP in COD discharges was valid.

Käytetyn voiteluöljyn regenerointilaitoksen prosessivesien karakterisointi

Käytetyn voiteluöljyn regeneroinnissa muodostuu prosessivettä useista lähteistä. Tehokas päästöjenhallinta on yksi tärkeimmistä tavoitteista regenerointilaitoksen operoinnissa ja sen takia sitä tulee kehittää jatkuvasti entistä paremmaksi. Tavoitteisiin pääsemiseksi on oleellista tunnistaa vesienkäsittelyprosessin laadullinen massatase ja laadunvaihtelut ajotilanteiden mukaan. Työssä tutkitaan ja analysoidaan veden sisältämiä epäpuhtauksia sekä kirjallisuuslähteiden perusteella, että standardimenetelmillä ja modifioiduilla menetelmillä, joilla on akkreditointi. Analyysituloksista muodostetaan laadullinen massatase, josta nähdään epäpuhtauksien ja niitä kuvaavien parametrien kuormitukset kussakin prosessivesivirrassa. Tulosten perusteella arvioidaan nykyisen vesienkäsittelyn tehokkuutta, sen säätömahdollisuuksia ja kehitystarvetta. Tarkastelun ulkopuolelle kuitenkin jätetään vesienkäsittelystä ulosjohdettavan prosessiveden puhdistuslaitos. Tutkimusten perusteella regenerointilaitoksessa muodostuvien prosessivesien epäpuhtaudet koostuvat öljystä, BTEX-yhdisteistä, fenoliyhdisteistä, liuottimista, polttoaineiden ja voiteluöljyjen lisäaineista, typpi- ja rikkiyhdisteistä, metalliyhdisteistä sekä kiintoaineesta. Öljy jakautuu kevyisiin (C5-C10), keskiraskaisiin (C10-21) ja raskaisiin (C21-40) jakeisiin. Vesienkäsittelyssä suurin osa öljystä ja epäpuhtauksista saadaan erottumaan vedestä, jolloin puhdistuslaitokselle päätyy jäämäpitoisuudet öljyä, haihtuvia yhdisteitä sekä muita epäpuhtauksia. Puhdistuslaitosta kuormittavat eniten liuenneet orgaaniset yhdisteet sekä korkeaa kemiallista hapenkulutusta aiheuttavat epäorgaaniset yhdisteet (suolat), joiden erottamista prosessivesistä on syytä tulevaisuudessa kehittää.

Energiapuun kastelu jätetäytön suotovedellä tuhkasta ja kompostista valmistetussa kasvualustassa

Tässä työssä tutkitaan suotoveden käsittelyä käyttämällä sitä kierrätysmateriaaleista valmistetussa tuhkamullassa loppusijoitusalueen päällä kasvatettavan energiapuukasvuston kasteluun. Kyseisen toimintamallin tarkoituksena on haihduttaa suotovettä energiapuiden avulla sekä sitouttaa ravinteita ja haitta-aineita sekä kasvustoon että kasvualustaan. Tavoitteena on selvittää toimintamallin hyödyntämiskelpoisuus ja tehokkuus suotovesien käsittelymenetelmänä sekä kastelun vaikutukset energiapuun kasvuun. Työssä suoritettiin kesän ja syksyn 2014 aikana energiapuun kastelukoe Mustankorkea Oy:n jätteenkäsittelykeskuksen alueella Jyväskylässä. Kokeessa loppusijoitusalueen päälle istutettuja eri kasvuvaiheissa olevia energiapajukasvustoja sekä hybridihaapakasvustoa kasteltiin jätetäytön suotovedellä. Kokeessa käytettiin kasvualustoina tuhkamultaa, joka oli valmistettu tuhkasta, kompostista ja ylijäämämaa- aineksesta, sekä kompostia. Kasteluveden, valumavesien, kasvualustojen ja pajukasvuston ominaisuuksia seurattiin kokeen aikana analyysien avulla. Lisäksi alueen vesitaseen selvittämiseksi suoritettiin lysimetrikokeet, joissa lysimetreihin istutettuja pajuja kasteltiin suotovedellä sekä hanavedellä. Tulosten perusteella suotovesikastelu lisäsi sekä pajun että haavan kasvua. Kastelu lisäsi pajun ravinnepitoisuuksia. Se myös heikensi hieman pajun poltto-ominaisuuksia. Kasvualustan ominaisuuksiin kastelulla ei havaittu olevan vaikutuksia. Kastelumäärä, jota voidaan käyttää ilman valumia, on kokeen perusteella n. 100–600 mm/kasvukausi käytetyllä kastelujärjestelmällä. Kastelujärjestelmää kehittämällä on kuitenkin luultavasti mahdollista lisätä haihduntaa ja siten kastelumäärää merkittävästi.

Kartonkikoneen tuoreveden käytön vähentäminen kemiallisesti puhdistettua jätevesikirkastetta hyödyntäen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia mahdollisuutta hyödyntää kemiallisesti puh-distettua jätevettä prosessivetenä. Vedensäästöpotentiaalin perusteella tutkimuskohteeksi valittiin kartonkikone 4. Tutkimuksen tavoite oli tuoreveden käytön ja jätevesipäästöjen vähentäminen Stora Enso Imatran tehtailla. Työn kirjallisuusosa keskittyy kemialliseen jätevedenkäsittelyyn, kartonkikoneen veden käyttöön ja prosessiveden laatuun vaikuttaviin tekijöihin. Työn kokeellisessa osassa laa-dittiin vesitase tuoreveden käyttökohteiden ja veden tarpeen määrittämiseksi. Kemialli-sesti puhdistetun jäteveden ja prosessiveden ominaisuudet määritettiin, jotta saatiin sel-ville ne ominaisuudet, jotka voisivat estää jätevesikirkasteen hyötykäytön. Laboratoriomääritykset osoittivat, että hyötykäytön esteenä ovat jätevesikirkasteen kiin-toaine-, sulfaatti- ja karbonaattipitoisuus sekä mikrobitaso ja väri. Metallien ja suolaionien haittavaikutusten selvittäminen vaatii lisätutkimusta. Lisäpuhdistusmenetelmien avulla, kuten käänteisosmoosi, jätevesikirkasteen laatu saataisiin vastaamaan prosessiveden tasoa ja hyötykäyttö olisi mahdollista myös kartonkikone 4:n ulkopuolella.

Modelling growth and nitrogen balance of barley under ambient and future conditions

Selostus: Ohran kasvun ja typpidynamiikan mallintaminen nykyisissä ja tulevaisuuden olosuhteissa

Dynamic Modelling of Circulating Fluidized Bed Plant with Gas Turbine Repowering

Increasing amount of renewable energy source based electricity production has set high load control requirements for power grid balance markets. The essential grid balance between electricity consumption and generation is currently hard to achieve economically with new-generation solutions. Therefore conventional combustion power generation will be examined in this thesis as a solution to the foregoing issue. Circulating fluidized bed (CFB) technology is known to have sufficient scale to acts as a large grid balancing unit. Although the load change rate of the CFB unit is known to be moderately high, supplementary repowering solution will be evaluated in this thesis for load change maximization. The repowering heat duty is delivered to the CFB feed water preheating section by smaller gas turbine (GT) unit. Consequently, steam extraction preheating may be decreased and large amount of the gas turbine exhaust heat may be utilized in the CFB process to reach maximum plant electrical efficiency. Earlier study of the repowering has focused on the efficiency improvements and retrofitting to maximize plant electrical output. This study however presents the CFB load change improvement possibilities achieved with supplementary GT heat. The repowering study is prefaced with literature and theory review for both of the processes to maximize accuracy of the research. Both dynamic and steady-state simulations accomplished with APROS simulation tool will be used to evaluate repowering effects to the CFB unit operation. Eventually, a conceptual level analysis is completed to compare repowered plant performance to the state-of-the-art CFB performance. Based on the performed simulations, considerably good improvements to the CFB process parameters are achieved with repowering. Consequently, the results show possibilities to higher ramp rate values achieved with repowered CFB technology. This enables better plant suitability to the grid balance markets.

Water vapor tightness of packages: methods and optimizing

Työn tarkoituksena oli testata jo tutkimuskeskuksella käytössä ollutta ja tutkimuskeskukselle tässä työssä kehitettyä pakkauksen vesihöyrytiiveyteen liittyvää mittausmenetelmää. Saatuja tuloksia verrattiin keskenään sekä materiaalista mitattuihin arvoihin. Elintarvikepakkauksia tutkittiin myös kosteussensoreiden, säilyvyyskokeen sekä kuljetussimuloinnin avulla. Optimoinnilla tutkittiin pakkauksen muodon vaikutusta vesihöyrytiiveyteen. Pakkauksen vesihöyrynläpäisyn mittaamiseen kehitetty menetelmä toimi hyvin ja sen toistettavuus oli hyvä. Verrattaessa sitä jo olemassa olleeseen menetelmään tulokseksi saatiin, että uusi menetelmä oli nopeampi ja vaati vähemmän työaikaa, mutta molemmat menetelmät antoivat hyviä arvoja rinnakkaisille näytteille. Kosteussensoreilla voitiin tutkia tyhjän pakkauksen sisällä olevan kosteuden muutoksia säilytyksen aikana. Säilyvyystesti tehtiin muroilla ja parhaan vesihöyrysuojan antoivat pakkaukset joissa oli alumiinilaminaatti- tai metalloitu OPP kerros. Kuljetustestauksen ensimmäisessä testissä pakkauksiin pakattiin muroja ja toisessa testissä nuudeleita. Kuljetussimuloinnilla ei ollutvaikutusta pakkausten sisäpintojen eheyteen eikä siten pakkausten vesihöyrytiiveyteen. Optimoinnilla vertailtiin eri muotoisten pakkausten tilavuus/pinta-ala suhdetta ja vesihöyrytiiveyden riippuvuutta pinta-alasta. Optimaalisimmaksi pakkaukseksi saatiin pallo, jonka pinta-ala oli pienin ja materiaalin sallima vesihöyrynläpäisy suurin ja vesihöyrybarrierin määrä pienin.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Practical applications of a systematic approach to the chemical abatement of pollutants in water and air

The present dissertation is devoted to the systematic approach to the development of organic toxic and refractory pollutants abatement by chemical decomposition methods in aqueous and gaseous phases. The systematic approach outlines the basic scenario of chemical decomposition process applications with a step-by-step approximation to the most effective result with a predictable outcome for the full-scale application, confirmed by successful experience. The strategy includes the following steps: chemistry studies, reaction kinetic studies in interaction with the mass transfer processes under conditions of different control parameters, contact equipment design and studies, mathematical description of the process for its modelling and simulation, processes integration into treatment technology and its optimisation, and the treatment plant design. The main idea of the systematic approach for oxidation process introduction consists of a search for the most effective combination between the chemical reaction and the treatment device, in which the reaction is supposed to take place. Under this strategy,a knowledge of the reaction pathways, its products, stoichiometry and kinetics is fundamental and, unfortunately, often unavailable from the preliminary knowledge. Therefore, research made in chemistry on novel treatment methods, comprisesnowadays a substantial part of the efforts. Chemical decomposition methods in the aqueous phase include oxidation by ozonation, ozone-associated methods (O3/H2O2, O3/UV, O3/TiO2), Fenton reagent (H2O2/Fe2+/3+) and photocatalytic oxidation (PCO). In the gaseous phase, PCO and catalytic hydrolysis over zero valent ironsare developed. The experimental studies within the described methodology involve aqueous phase oxidation of natural organic matter (NOM) of potable water, phenolic and aromatic amino compounds, ethylene glycol and its derivatives as de-icing agents, and oxygenated motor fuel additives ¿ methyl tert-butyl ether (MTBE) ¿ in leachates and polluted groundwater. Gas-phase chemical decomposition includes PCO of volatile organic compounds and dechlorination of chlorinated methane derivatives. The results of the research summarised here are presented in fifteenattachments (publications and papers submitted for publication and under preparation).

Jätevesilaitosten mallinnus

TäTässä työssä tarkastellaan jäteveden biologiseen puhdistukseen käytettävän aktiiviliete-prosessin kuvaamista matemaattisen mallintamisen avulla. Jäteveden puhdistus on jo vanha keksintö ja aktiivilieteprosessikin on otettu ensimmäisen kerran pilot- käyttöön vuonna 1914. Myös jätevesilaitosten matemaattinen mallintaminen on ollut pitkään tunnettu tekniikka ja ensimmäiset dynaamiset mallit kehitettiin 1950–luvulla. Työn alkuosassa on tarkasteltu jätevesilaitosten matemaattista mallintamista kirjallisuus-lähteiden pohjalta. Tarkastelun painopiste on suunnattu erilaisiin matemaattisiin malleihin ja mallintamisen kehitykseen. Mallintamisen ohessa on kiinnitetty huomiota aktiiviliete-prosessiin ja siihen vaikuttaviin tekijöihin. Mallintamiseen vaikuttavista tekijöistä erityistä huomiota on kiinnitetty ilmastukseen, bakteerien kasvuun ja selkeytykseen sekä niiden vaikutuksiin prosessin kannalta. Matemaattisen mallintamisen tarkastelun jälkeen työssä on pohdittu CFD–mallintamisen hyödyntämismahdollisuuksia aktiivilieteprosessien kuvaamisessa. Mallintamisosiossa on tarkasteltu Activated Sludge Model No. 3 (ASM 3) mallin rakennetta ja sisältöä sekä sen eri tekijöiden vaikutuksia malliin. Työn tässä osassa on tarkasteltu myös hapensiirtoa ilmastuksessa ilmakuplista veteen ja selkeytystä osana aktiivilieteprosessia. Tässä osiossa on käyty läpi myös kaikki prosessin kannalta oleelliset yhtälöt, esimerkiksi reaktionopeus- ja massataseyhtälöt.

Reaction Kinetics and Viscosity Modelling in the Fusion Syntheses of Ca- and Ca/Mg-resinates

Rosin is a natural product from pine forests and it is used as a raw material in resinate syntheses. Resinates are polyvalent metal salts of rosin acids and especially Ca- and Ca/Mg- resinates find wide application in the printing ink industry. In this thesis, analytical methods were applied to increase general knowledge of resinate chemistry and the reaction kinetics was studied in order to model the non linear solution viscosity increase during resinate syntheses by the fusion method. Solution viscosity in toluene is an important quality factor for resinates to be used in printing inks. The concept of critical resinate concentration, c crit, was introduced to define an abrupt change in viscosity dependence on resinate concentration in the solution. The concept was then used to explain the non-inear solution viscosity increase during resinate syntheses. A semi empirical model with two estimated parameters was derived for the viscosity increase on the basis of apparent reaction kinetics. The model was used to control the viscosity and to predict the total reaction time of the resinate process. The kinetic data from the complex reaction media was obtained by acid value titration and by FTIR spectroscopic analyses using a conventional calibration method to measure the resinate concentration and the concentration of free rosin acids. A multivariate calibration method was successfully applied to make partial least square (PLS) models for monitoring acid value and solution viscosity in both mid-infrared (MIR) and near infrared (NIR) regions during the syntheses. The calibration models can be used for on line resinate process monitoring. In kinetic studies, two main reaction steps were observed during the syntheses. First a fast irreversible resination reaction occurs at 235 °C and then a slow thermal decarboxylation of rosin acids starts to take place at 265 °C. Rosin oil is formed during the decarboxylation reaction step causing significant mass loss as the rosin oil evaporates from the system while the viscosity increases to the target level. The mass balance of the syntheses was determined based on the resinate concentration increase during the decarboxylation reaction step. A mechanistic study of the decarboxylation reaction was based on the observation that resinate molecules are partly solvated by rosin acids during the syntheses. Different decarboxylation mechanisms were proposed for the free and solvating rosin acids. The deduced kinetic model supported the analytical data of the syntheses in a wide resinate concentration region, over a wide range of viscosity values and at different reaction temperatures. In addition, the application of the kinetic model to the modified resinate syntheses gave a good fit. A novel synthesis method with the addition of decarboxylated rosin (i.e. rosin oil) to the reaction mixture was introduced. The conversion of rosin acid to resinate was increased to the level necessary to obtain the target viscosity for the product at 235 °C. Due to a lower reaction temperature than in traditional fusion synthesis at 265 °C, thermal decarboxylation is avoided. As a consequence, the mass yield of the resinate syntheses can be increased from ca. 70% to almost 100% by recycling the added rosin oil.

Ultrafine grinding of FGD and phosphogypsum with an attrition bead mill and a jet mill : optimisation and modelling of grinding and mill comparison

Fine powders of minerals are used commonly in the paper and paint industry, and for ceramics. Research for utilizing of different waste materials in these applications is environmentally important. In this work, the ultrafine grinding of two waste gypsum materials, namely FGD (Flue Gas Desulphurisation) gypsum and phosphogypsum from a phosphoric acid plant, with the attrition bead mill and with the jet mill has been studied. The ' objective of this research was to test the suitability of the attrition bead mill and of the jet mill to produce gypsum powders with a particle size of a few microns. The grinding conditions were optimised by studying the influences of different operational grinding parameters on the grinding rate and on the energy consumption of the process in order to achieve a product fineness such as that required in the paper industry with as low energy consumption as possible. Based on experimental results, the most influential parameters in the attrition grinding were found to be the bead size, the stirrer type, and the stirring speed. The best conditions, based on the product fineness and specific energy consumption of grinding, for the attrition grinding process is to grind the material with small grinding beads and a high rotational speed of the stirrer. Also, by using some suitable grinding additive, a finer product is achieved with a lower energy consumption. In jet mill grinding the most influential parameters were the feed rate, the volumetric flow rate of the grinding air, and the height of the internal classification tube. The optimised condition for the jet is to grind with a small feed rate and with a large rate of volumetric flow rate of grinding air when the inside tube is low. The finer product with a larger rate of production was achieved with the attrition bead mill than with the jet mill, thus the attrition grinding is better for the ultrafine grinding of gypsum than the jet grinding. Finally the suitability of the population balance model for simulation of grinding processes has been studied with different S , B , and C functions. A new S function for the modelling of an attrition mill and a new C function for the modelling of a jet mill were developed. The suitability of the selected models with the developed grinding functions was tested by curve fitting the particle size distributions of the grinding products and then comparing the fitted size distributions to the measured particle sizes. According to the simulation results, the models are suitable for the estimation and simulation of the studied grinding processes.

Minimization of the experimental workload for the prediction of pollutants propagation in rivers. Mathematical modelling and knowledge re-use

The present thesis in focused on the minimization of experimental efforts for the prediction of pollutant propagation in rivers by mathematical modelling and knowledge re-use. Mathematical modelling is based on the well known advection-dispersion equation, while the knowledge re-use approach employs the methods of case based reasoning, graphical analysis and text mining. The thesis contribution to the pollutant transport research field consists of: (1) analytical and numerical models for pollutant transport prediction; (2) two novel techniques which enable the use of variable parameters along rivers in analytical models; (3) models for the estimation of pollutant transport characteristic parameters (velocity, dispersion coefficient and nutrient transformation rates) as functions of water flow, channel characteristics and/or seasonality; (4) the graphical analysis method to be used for the identification of pollution sources along rivers; (5) a case based reasoning tool for the identification of crucial information related to the pollutant transport modelling; (6) and the application of a software tool for the reuse of information during pollutants transport modelling research. These support tools are applicable in the water quality research field and in practice as well, as they can be involved in multiple activities. The models are capable of predicting pollutant propagation along rivers in case of both ordinary pollution and accidents. They can also be applied for other similar rivers in modelling of pollutant transport in rivers with low availability of experimental data concerning concentration. This is because models for parameter estimation developed in the present thesis enable the calculation of transport characteristic parameters as functions of river hydraulic parameters and/or seasonality. The similarity between rivers is assessed using case based reasoning tools, and additional necessary information can be identified by using the software for the information reuse. Such systems represent support for users and open up possibilities for new modelling methods, monitoring facilities and for better river water quality management tools. They are useful also for the estimation of environmental impact of possible technological changes and can be applied in the pre-design stage or/and in the practical use of processes as well.