Antennimittausjärjestelmän toteutus ja ominaisuuksien määrittäminen

Diplomityössä tarkasteltiin antennien säteilykuviomittauksiin käytettävien antennimittaratojen ominaisuuksia. Sovelletun elektroniikan laboratorion antennimittaradasta kehitettiin toimiva säteilykuvion mittausjärjestelmä, johon kuuluvat radiokaiuton kammio, suuntauskoneisto ja antennikannakkeet, HP 8720D -piirianalysaattori ja RF-kaapelointi sekä valmistutetut mitta-antennitorvet. Työssä vertailtiin koaksiaalikaapeleita ja valittiin antennimittaukseen soveltuvat. 1,70–2,60 GHz:n taajuusalueen mittastandardiksi suunniteltiin torviantenni, jonka kaksi prototyyppiä valmistutettiin konetekniikan osastolla. Torviantennien ominaisuudet mitattiin. Antennimittaradan ominaisuudet ja soveltuvuus erilaisiin antennimittauksiin selvitettiin sekä teoreettisesti että mittauksin.

Kaivosteollisuudessa syntyvän kipsin hyödyntäminen

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää käyttökohde kaivosteollisuudessa syntyvälle märälle kipsisivuvirralle, joka sisältää metalliepäpuhtauksina alumiinia, rautaa ja mangaania ja jonka määrä on noin 1 000 000 t/a. Kirjallisuuden pohjalta tutkittiin aluksi mahdollisuutta hyödyntää kipsiaines asfaltti- ja sementtiteollisuuden raaka-aineena. Sementin joukkoon lisätään tavallisesti noin 5 p-% kipsiä, mutta harvinaisimpiin sementtilaatuihin sitä voidaan lisätä jopa 30 p-%. Tästä huolimatta vain pieni osa tutkimuksen kohteessa syntyvästä kipsisivuvirrasta voitaisiin hyödyntää tässä sovelluksessa. Lisäksi kipsisivuvirran sisältämät epäpuhtaudet täytyisi poistaa tai saattaa inaktiiviseen muotoon. Myöskään sen kosteuspitoisuus ei saisi olla suuri. Näin ollen tämän kipsisivuvirran hyödyntäminen asfaltti- ja sementtiteollisuuden lisäaineena ei ole mahdollista Seuraavaksi harkittiin kipsin kierrättämistä, jolloin yhtenä vaihtoehtona oli hajottaa kipsi termisesti rikkioksideiksi ja valmistaa niistä rikkihappoa. Taloudellisista syistä hajoamistuotteen on oltava rikkitrioksidia, josta voitaisiin veteen imeyttämällä valmistaa rikkihappoa. Kipsin hajottaminen termovaa´alla osoitti, että kipsi vaatii noin 1400 ºC:n lämpötilan ja haihtuvat komponentit ovat H2O, SO ja SO2, muttei SO3. Alempien oksidien muuttaminen rikkihapoksi vaatisi katalyyttisen hapetuksen, mikä olisi käytännössä liian kallista. Toisena vaihtoehtona kipsin kierrättämiseksi tutkittiin sen biologista pelkistämistä rikkivedyksi ja kalsiumhydroksidilietteeksi. Laboratoriossa Ca(OH)2-lietteestä valmistettiin hiilidioksidin avulla kalsiumkarbonaattia, jolloin päästiin 90 %:n kalsiumhydroksidin konversiossa. Lisäksi alumiinihydroksidi saatiin erotettua kipsilietteestä kokeellisesti hydrosyklonin avulla. Diplomityössä päädyttiin siihen, että sulfaatin biologinen pelkistäminen ja alumiinihydroksidin mekaaninen erotus jatkuvatoimisesti on varteenotettava vaihtoehto kipsisivuvirran hyödyntämiseksi.

The influence of crystallization conditions on the filtration characteristics of sulphathiazole suspensions

Cooling crystallization is one of the most important purification and separation techniques in the chemical and pharmaceutical industry. The product of the cooling crystallization process is always a suspension that contains both the mother liquor and the product crystals, and therefore the first process step following crystallization is usually solid-liquid separation. The properties of the produced crystals, such as their size and shape, can be affected by modifying the conditions during the crystallization process. The filtration characteristics of solid/liquid suspensions, on the other hand, are strongly influenced by the particle properties, as well as the properties of the liquid phase. It is thus obvious that the effect of the changes made to the crystallization parameters can also be seen in the course of the filtration process. Although the relationship between crystallization and filtration is widely recognized, the number of publications where these unit operations have been considered in the same context seems to be surprisingly small. This thesis explores the influence of different crystallization parameters in an unseeded batch cooling crystallization process on the external appearance of the product crystals and on the pressure filtration characteristics of the obtained product suspensions. Crystallization experiments are performed by crystallizing sulphathiazole (C9H9N3O2S2), which is a wellknown antibiotic agent, from different mixtures of water and n-propanol in an unseeded batch crystallizer. The different crystallization parameters that are studied are the composition of the solvent, the cooling rate during the crystallization experiments carried out by using a constant cooling rate throughout the whole batch, the cooling profile, as well as the mixing intensity during the batch. The obtained crystals are characterized by using an automated image analyzer and the crystals are separated from the solvent through constant pressure batch filtration experiments. Separation characteristics of the suspensions are described by means of average specific cake resistance and average filter cake porosity, and the compressibilities of the cakes are also determined. The results show that fairly large differences can be observed between the size and shape of the crystals, and it is also shown experimentally that the changes in the crystal size and shape have a direct impact on the pressure filtration characteristics of the crystal suspensions. The experimental results are utilized to create a procedure that can be used for estimating the filtration characteristics of solid-liquid suspensions according to the particle size and shape data obtained by image analysis. Multilinear partial least squares regression (N-PLS) models are created between the filtration parameters and the particle size and shape data, and the results presented in this thesis show that relatively obvious correlations can be detected with the obtained models.

Suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaaminen metyylisalisylaatilla -mittaus- ja analyysimenetelmien kehittäminen ja validointi

Tässä diplomityössä kehitettiin mittaus- ja analyysimenetelmät suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaamiseksi sekä neste- että kaasumaisella metyylisalisylaatilla. Kehitystyö tehtiin standardin SFS-EN ISO 6529 pohjalta. Tämä standardi kuvaa kuitenkin varsin yleisellä tasolla suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testimenetelmät, eikä se ole mikään tarkka työohje. Näytteenotto- ja analyysimenetelmät joudutaan siis valitsemaan sekä validoimaan jokaiselle kemikaalille erikseen, tässä tapauksessa metyylisalisylaatille. Työn tarkoituksena oli kehittää toimivat menetelmät ja laitteistot siten, että olisi mahdollista suorittaa metyylisalisylaatin määritys on-line mittauksena läpäisytestauksessa. Läpäisytestaustoiminnan nopeuttamiseksi työssä myös suunniteltiin ja rakennettiin laitteistot kolmen rinnakkaisen testikennon yhdenaikaista testausta varten sekä kaasumaisen että nestemäisen metyylisalisylaatin ollessa testikemikaalina. Havaittiin, että UV/VIS-spektrofotometri varustettuna läpivirtauskyvetillä ja näyteenottopumpulla on toimiva ja käyttökelpoinen analyysimenetelmä metyylisalisylaatin määrittämiseen nesteistä on-line mittauksena läpäisyn testauksessa. Kaasumaisen metyylisalisylaatin tapauksessa määritysmenetelmänä päädyttiin käyttämään kokonaishiilivetyanalysaattoria, joka on varustettu liekki-ionisaatiodetektorilla. Molemmissa tapauksissa saatiin aikaan toimivat ja on-line mittauksiin kykenevät näytteenotto- ja määritysmenetelmät, joilla loppukäyttäjä voi suorittaa laajempaa läpäisytestausta.

Liqum-järjestelmän optimointi eräällä paperikoneella

Tämän työn tarkoituksena oli jalkauttaa Liqum Oy:n kehittämä Chemistry Navi-gator (Chena) kunnossapidon ja tuotannon päivittäiseksi työkaluksi prosessin märän pään kemian seurantaan. Chena – analysaattorin mittausteknologia perustuu hapetus – pelkistysreaktioiden mittaamiseen. Analysaattori mittaa paperimassassa olevien ionien ja ionikombinaatioiden konsentraatioita ja aktiivisuuksia kuudella anturilla, joiden toiminta perustuu sähkökemiallisiin muutoksiin mitattavassa näytteessä. Diplomityön tarkoituksena oli erityisesti Chena – järjestelmän toimintakuntoon saattaminen sekä tutkia minkälaisia muutoksia märkäosan kemian tilassa analysaattorilla voidaan havaita. Työn kirjallisuusosassa esitellään yleisesti paperikoneen märkäosan kemiallisia ilmiöitä ja kemian tilan muuttujia. Lisäksi esitellään yleisimpiä prosessiin annosteltavia paperin laatuun sekä prosessin toimivuuteen vaikuttavia kemikaaleja. Kokeellisessa osassa optimoitiin järjestelmässä olevien ajoparametrien raja-arvoja vastaamaan nykypäivän ajo-olosuhteita sekä tutkittiin miten Chenan signaalit reagoivat eri massasuhteilla ja kemikaaliannoksilla. Kokeellisen osassa suoritettujen askelvastekokeiden tulosten perusteella havait-tiin, että peroksidi ja ditioniitti antoivat voimakkaimmat vasteet Chenan signaaleihin varsinkin suuremmilla pitoisuuksilla. Myös retentio- ja vaahdonestoaineen osalta oli havaittavissa selviä vasteita Chenan signaaleissa. Massasuhteiden osalta merkittävimmät vasteet Chenan signaaleihin PK4:n puolella aiheuttivat täysin hylytön massaseos sekä puolet kokonaistilavuudesta päällystämätöntä hylkyä sisältänyt massaseos. PK7:n puolella voimakkaimmat vasteet aiheutuivat alhaisen hylkypitoisuuden massoista. Chena avulla saadaan uutta

Soodakattilan lentotuhkan uudentyyppisen analysaattorin arviointi

RBDA (Recovery Boiler Dust Analyzer) on soodakattilan savukaasujen hiukkasten määrää mittaava laite. Yksi laitteen mahdollisista sovelluskohteista on soodakattilan nuohouksen optimointi. Tämän työn tarkoituksena oli parantaa RBD-analysaattorin toimintaa ja erityisesti tutkia laitteen toimivuutta soodakattilan nuohouksen optimoinnis-sa. Soodakattilan nuohouksen optimoinnilla voidaan vähentää nuohoukseen kuluneen höyryn määrää ja näin saavuttaa taloudellisia säästöjä. RBD-analysaattorin toimivuutta testattiin toimivan soodakattilan avulla. Tutkimuksen tueksi testeissä käytetyn soodakattilan savukaasujen lämpötilat ja tuhkan tarttumisomi-naisuudet selvitettiin. Laitteen toimivuutta testattiin vertaamalla RBDA:n mittaustulosta standardin mukaiseen savukaasujen hiukkasmittausmenetelmään. Mittajärjestelmän soveltuvuutta soodakattilan nuohouksen optimointiin tutkittiin ajamalla nuohoimia käsin eri seisonta-aikojen jälkeen sekä mittaamalla soodakattilan normaalia nuohousjärjes-tystä. Mittausten perusteella todettiin, että RBDA havaitsee savukaasujen pölypitoisuuden ja sen muutokset luotettavasti. Nuohouksen optimointiin RBDA:n todettiin soveltuvan ny-kyisessä mallissaan vain vedenesilämmittimien osalta. Keittopinnan ja tulistimien nuo-hointen optimointiin ei saatu riittävän luotettavia mittaustuloksia. RBDA:n kehittäminen jatkotutkimuksilla todettiin mahdolliseksi.

Höyryturbiinin käytönaikaisen suorituskyvyn seuranta

Tässä diplomityössä jatkettiin Loviisan voimalaitoksen höyryturbiinien suorituskyvyn parannuspotentiaalien tutkimusta. Tavoitteena oli kehittää laitoksen höyryturbiinien suorituskyvyn käytönaikaisia on-line-mittauksia. Selvityksessä perehdyttiin norjalaisen IFE:n kehittämään stationääritilan TEMPOohjelmaan( The Thermal Performance Monitoring And Optimisation system), sen käyttöohjeisiin ja toimintaperiaatteisiin. Työssä esiteltiin laajasti tiedon yhteensovittamisen laskentateoriaa, johon TEMPOn toiminta perustuu. Työssä tarkasteltiin turbiinin todellista paisuntaprosessia, koska sen ymmärtäminen on tärkeässä osassa turbiinin suorituskyvyn valvonnassa. Tutkimuksessa esiteltiin myös turbiineille mahdollisia vikoja sekä niiden syntymisprosesseja. Työssä tarkasteltiin TEMPOn sovittamien tulostiedostojen analysointiohjelman toimivuutta havaitsemalla itse aiheutettuja poikkeamia todellisiin mittaustiedostoihin. Analysointiohjelmalla muodostettuja kuvaajia vertailtiin todellisen prosessin ajotilanteen kuvaajiin ja tarkasteltiin, kuinka poikkeamia on mahdollista havaita kuvaajien avulla. TEMPO-ohjelmalle löydettiin tutkimuksen edetessä kehittämisehdotuksia. Näillä muutoksilla ohjelma saadaan mallintamaan Loviisan voimalaitoksen turbiiniprosessia tarkemmin ja tuloksista saadaan hyödyllisempiä.

Ligniinin hienojauhatus planeettamyllyllä

Kirjallisuusosassa tarkastellaan ligniiniä luonnon polymeerinä sekä sen kemiallisia perustietoja. Aiheena on myös sen tuotanto ja käyttö uusiutuvana raaka-ainelähteenä energian-, materiaali- ja kemikaalituotantoon sekä niiden mahdolliset tulevaisuudennäkymät. Mekaanisten prosessien osalta keskitytään kiintoaineen hienontamiseen. Lisäksi perehdytään planeettamyllyn toiminnan teoriaan sekä tuoreimpiin tutkimuksiin planeettamyllyjauhatukseen liittyen. Työn kokeellisen osan tarkoituksena oli tutkia ligniinin jauhautuvuutta, sillä partikkelien pienentämisellä voidaan kasvattaa ligniininijauheen ominaisalaa ja tasoittaa sen kokojakaumaa. Jauhautuvuuden avulla voidaan esimerkiksi arvioida ligniinille tehtävän hienojauhatuksen kannattavuutta jatkoprosesseja varten. Tutkimuskysymyksinä oli ”kuinka hyvin ligniini jauhautuu planeettamyllyllä?”, ”onko kylmäkäsittelyllä vaikutusta jauhatustulokseen?”, ”miten eri parametrit (jauhatusaika, kuulakoko ja kierrosnopeus) vaikuttavat jauhatustulokseen?” sekä ”muuttaako hienojauhatus ligniinin kemiallista koostumusta?”. Tutkittavana materiaalina oli kaupallinen kraft-ligniini ja koelaitteena käytettiin planeettamyllyä. Syötölle ja kaikille jauhatustuotteille suoritettiin partikkelikokoanalyysi, ja lisäksi syötölle ja erittäin hienoksi jauhetulle tuotteelle suoritettiin FTIR-analyysi. Kokeiden mukaan ligniini oli hyvin jauhautuvaa, eikä kylmäkäsittelyllä ollut merkittävää vaikutusta jauhatukseen. Kuulakoon pienentäminen sekä jauhatusajan ja kierrosnopeuden kasvattaminen alensivat ligniininjauheen partikkelikokoa. Lisäksi hienojauhatuksen ei todettu muuttaneen ligniinin kemiallista koostumusta.

Sorbent characterization for circulating fluidized bed scrubbers

Harmful sulfur dioxide (SO2) emissions from power plants have increasingly been restricted since the 1970’s. Circulating fluidized bed (CFB) scrubber is a dry flue gas desulfurization method of absorbing SO2 out of the flue gas with sorbent. In current commercial plants, the used sorbent is commercial or on-site hydrated calcium hydroxide. The CFB scrubber process is characterized by a close but adequate approach to the flue gas saturation temperature that is achieved by spraying water to the absorber followed by a particulate control device. Very high SO2 removal is achieved along with a dry byproduct that is continuously recirculated back to the absorber for enhanced sorbent utilization. The aim of this work is to develop a method that would characterize the reactivity of sorbents used in CFB scrubbers and to conclude how different process parameters and sorbent properties affect the sulfur absorption. The developed characterization method is based on a fixed bed of sorbent and inert silica sand, through which an SO2 containing gas mixture is led. The reaction occurs in the bed and the SO2 concentration in the outlet as a function of time, a breakthrough curve, is obtained from the analyzer. Reactivity of the sorbents are evaluated by the absorbed sulfur amount. Results suggest that out of process parameters, lower SO2 concentration, lower temperature and higher moisture content enhance the desulfurization. Between different sorbents, specific surface area seems to be the most significant parameter. Large surface area linearly leads to more efficient desulfurization. Overall, the solid conversion levels in the tests were very low creating uncertainty to the validity of the results. New desing is being planned to overcome the problems of the device.

Helmimyllyn toimintaparametrien vaikutus jauhautuvuuteen

Työn teoriaosassa tutkittiin materiaalin hienontamista jauhatuksen näkökulmasta. Jauhatuksessa keskityttiin ultrahienojauhatukseen ja siinä käytettäviin myllyihin, jois-ta lähimmin tarkasteltiin helmimyllyä ja sen toimintaparametrien vaikutusta jauhau-tuvuuteen. Lisäksi teoriaosassa tutkittiin jauhatuksen energiankulutusta, joka on yksi jauhatuksen suurimmista ominaisuuksista. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kalkkikiven jauhautuvuutta ja jauhatuksen omi-naisenergiankulutusta käyttäen kolmea erilaista sekoitinelintä. Kokeissa myllynä käy-tettiin helmimyllyä ja jauhinkappaleina 2 mm:n lasihelmiä. Jauhautuvuutta tutkittiin analysoimalla tuotteiden partikkelikokojakaumat Beckman Coulter LS 13 320 partik-kelikokoanalysaattoria. Energiankulutukset määritettiin lietteen lämpötilan muutok-sen perusteella ensimmäisen viidentoista minuutin aikana. Työn tavoitteena oli selvittää, onko uusi lapamainen sekoitinelin tehokas jauhatta-vuuden kannalta mutta samalla myös energiatehokas. Tämän työn perusteella uusi lapamainen sekoitinelin on tehokas jauhautuvuuden kannalta suuremmilla pyörimis-nopeuksilla. Ominaisenergiankulutus on puolestaan samaa luokkaa suuremmilla pyö-rimisnopeuksilla verrattaessa eri sekoitinelimiä.

The demand-supply balancing process in supply chain management - case mining & metals industry equipment

The aim of this thesis is to search how to match the demand and supply effectively in industrial and project-oriented business environment. The demand-supply balancing process is searched through three different phases: the demand planning and forecasting, synchronization of demand and supply and measurement of the results. The thesis contains a single case study that has been implemented in a company called Outotec. In the case study the demand is planned and forecasted with qualitative (judgmental) forecasting method. The quantitative forecasting methods are searched further to support the demand forecast and long term planning. The sales and operations planning process is used in the synchronization of the demand and supply. The demand forecast is applied in the management of a supply chain of critical unit of elemental analyzer. Different meters on operational and strategic level are proposed for the measurement of performance.

Carponate precipitation with carbon dioxide gas

The aim of this thesis research work focused on the carbonate precipitation of magnesium using magnesium hydroxide Mg(OH)2 and carbon dioxide (CO2) gas at ambient temperature and pressure. The rate of dissolution of Mg(OH)2 and precipitation kinetics were investigated under different operating conditions. The conductivity and pH of the solution were inline monitored by a Consort meter and the solid samples gotten from the precipitation reaction were analysed by a laser diffraction analyzer Malvern Mastersizer to obtain particle size distributions (PSD) of crystal samples. Also the Mg2+ concentration profiles were determined from the liquid phase of the precipitate by ion chromatography (IC) analysis. Crystal morphology of the obtained precipitates were also investigated and discussed in this work. For the carbonation reaction of magnesium hydroxide in the present work, it was found that magnesium carbonate trihydrate (nesquehonite) was the main product and its formation occurred at a pH of around 7-8. The stirrer speed has a significant effect on the dissolution rate of Mg(OH)2. The highest obtained Mg2+ concentration level was 0.424 mol L-l for the 470 rpm and 0.387 mol L-1 for the 560 rpm which corresponded to the processing time of 45 mins and 40 mins respectively. The particle size distribution shows that the average particle size keeps increasing during the reaction as the CO2 is been fed to the system. The carbonation process is kinetically favored and simple as nesquehonite formation occurs in a very short time. It is a thermodynamically and chemically stable solid product, which allows for a long-term storage of CO2. Since the carbonation reaction is a complex system which includes dissolution of magnesium hydroxide particles, absorption of CO2, chemical reaction and crystallization, the dissolution of magnesium hydroxide was studied in hydrochloric acid (HCl) solvent with and without nitrogen (N2) inert gas. It was found on the dissolution part that the impeller speed had effect on the dissolution rate. The higher the impeller speed the higher the pH of the solution, although for the highest speed of 650rpm it was not the case. Therefore, it was concluded that the optimum speed of the stirrer was 560rpm. The influence of inert gas N2 on the dissolution rate of Mg(OH)2 particles could be seen based on measured pH, electric conductivity and Mg2+ concentration curves.

Jätteiden kemiallisten ominaisuuksien spektrometriset online-mittausmenetelmät

Tässä diplomityössä käsiteltiin spektrometrisia online-mittausmenetelmiä jätteiden kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien määrittämiseksi. Tavoitteena oli selvittää, mitä ominaisuuksia menetelmillä voidaan mitata ja kuinka luotettavia tuloksia mittauksilla saadaan. Diplomityössä suoritettiin kirjallisuuskatsaus, jossa käsiteltiin kolmen spektrometrisen menetelmän soveltuvuutta reaaliaikaisiin jätemittauksiin. Työn empiirisessä osassa FPXRFanalysaattorilla mitattiin neljän eri jätenäytteen alkuainepitoisuuksia. Mittauksen tarkoituksena oli selvittää, mitä alkuaineita menetelmällä voidaan mitata. FPXRF-analysaattorilla saatuja tuloksia verrattiin ICP-MS-menetelmällä saatuihin tuloksiin regressioanalyysin avulla. Työssä todettiin, että FPXRF-analysaattori sopii parhaiten kaliumin, kalsiumin, ja raudan pitoisuuksien määrittämiseen. Lisäksi lyijyn, sinkin, kromin, kloorin, kuparin, kadmiumin, arseenin, fosforin, molybdeenin ja vanadiinin määrittäminen on mahdollista, mutta tarkan pitoisuuden saamiseksi laboratoriomenetelmien käyttö voi olla tarpeen. Tutkituista jätenäytteistä menetelmä soveltui parhaiten tuhkalle ja kompostille niiden fyysisten ominaisuuksien, kuten homogeenisuuden ja kosteuspitoisuuden takia. Biojätteelle menetelmä soveltui huonosti. FPXRF-analysaattorin luotettavuuteen vaikuttaa näytteen kosteuspitoisuus, homogeenisuus, partikkelikoko, mittaustapa ja laitteen kalibrointi. Työssä tarkastelluilla menetelmillä ei voida tällä hetkellä täysin korvata laboratorioanalyyseja. FPXRF-analysaattoria voidaan kuitenkin käyttää kvalitatiiviseen tai semikvantitatiiviseen haitta-aineiden analysointiin, millä voidaan vähentää kalliiden laboratorioanalyysien tarvetta.