Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

Selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia in forced unsteady state reactors - Case based reasoning and mathematical model simulation reasoning

The application of forced unsteady-state reactors in case of selective catalytic reduction of nitrogen oxides (NOx) with ammonia (NH3) is sustained by the fact that favorable temperature and composition distributions which cannot be achieved in any steady-state regime can be obtained by means of unsteady-state operations. In a normal way of operation the low exothermicity of the selective catalytic reduction (SCR) reaction (usually carried out in the range of 280-350°C) is not enough to maintain by itself the chemical reaction. A normal mode of operation usually requires supply of supplementary heat increasing in this way the overall process operation cost. Through forced unsteady-state operation, the main advantage that can be obtained when exothermic reactions take place is the possibility of trapping, beside the ammonia, the moving heat wave inside the catalytic bed. The unsteady state-operation enables the exploitation of the thermal storage capacity of the catalyticbed. The catalytic bed acts as a regenerative heat exchanger allowing auto-thermal behaviour when the adiabatic temperature rise is low. Finding the optimum reactor configuration, employing the most suitable operation model and identifying the reactor behavior are highly important steps in order to configure a proper device for industrial applications. The Reverse Flow Reactor (RFR) - a forced unsteady state reactor - corresponds to the above mentioned characteristics and may be employed as an efficient device for the treatment of dilute pollutant mixtures. As a main disadvantage, beside its advantages, the RFR presents the 'wash out' phenomena. This phenomenon represents emissions of unconverted reactants at every switch of the flow direction. As a consequence our attention was focused on finding an alternative reactor configuration for RFR which is not affected by the incontrollable emissions of unconverted reactants. In this respect the Reactor Network (RN) was investigated. Its configuration consists of several reactors connected in a closed sequence, simulating a moving bed by changing the reactants feeding position. In the RN the flow direction is maintained in the same way ensuring uniformcatalyst exploitation and in the same time the 'wash out' phenomena is annulated. The simulated moving bed (SMB) can operate in transient mode giving practically constant exit concentration and high conversion levels. The main advantage of the reactor network operation is emphasizedby the possibility to obtain auto-thermal behavior with nearly uniformcatalyst utilization. However, the reactor network presents only a small range of switching times which allow to reach and to maintain an ignited state. Even so a proper study of the complex behavior of the RN may give the necessary information to overcome all the difficulties that can appear in the RN operation. The unsteady-state reactors complexity arises from the fact that these reactor types are characterized by short contact times and complex interaction between heat and mass transportphenomena. Such complex interactions can give rise to a remarkable complex dynamic behavior characterized by a set of spatial-temporal patterns, chaotic changes in concentration and traveling waves of heat or chemical reactivity. The main efforts of the current research studies concern the improvement of contact modalities between reactants, the possibility of thermal wave storage inside the reactor and the improvement of the kinetic activity of the catalyst used. Paying attention to the above mentioned aspects is important when higher activity even at low feeding temperatures and low emissions of unconverted reactants are the main operation concerns. Also, the prediction of the reactor pseudo or steady-state performance (regarding the conversion, selectivity and thermal behavior) and the dynamicreactor response during exploitation are important aspects in finding the optimal control strategy for the forced unsteady state catalytic tubular reactors. The design of an adapted reactor requires knowledge about the influence of its operating conditions on the overall process performance and a precise evaluation of the operating parameters rage for which a sustained dynamic behavior is obtained. An apriori estimation of the system parameters result in diminution of the computational efforts. Usually the convergence of unsteady state reactor systems requires integration over hundreds of cycles depending on the initial guess of the parameter values. The investigation of various operation models and thermal transfer strategies give reliable means to obtain recuperative and regenerative devices which are capable to maintain an auto-thermal behavior in case of low exothermic reactions. In the present research work a gradual analysis of the SCR of NOx with ammonia process in forced unsteady-state reactors was realized. The investigation covers the presentationof the general problematic related to the effect of noxious emissions in the environment, the analysis of the suitable catalysts types for the process, the mathematical analysis approach for modeling and finding the system solutions and the experimental investigation of the device found to be more suitable for the present process. In order to gain information about the forced unsteady state reactor design, operation, important system parameters and their values, mathematical description, mathematicalmethod for solving systems of partial differential equations and other specific aspects, in a fast and easy way, and a case based reasoning (CBR) approach has been used. This approach, using the experience of past similarproblems and their adapted solutions, may provide a method for gaining informations and solutions for new problems related to the forced unsteady state reactors technology. As a consequence a CBR system was implemented and a corresponding tool was developed. Further on, grooving up the hypothesis of isothermal operation, the investigation by means of numerical simulation of the feasibility of the SCR of NOx with ammonia in the RFRand in the RN with variable feeding position was realized. The hypothesis of non-isothermal operation was taken into account because in our opinion ifa commercial catalyst is considered, is not possible to modify the chemical activity and its adsorptive capacity to improve the operation butis possible to change the operation regime. In order to identify the most suitable device for the unsteady state reduction of NOx with ammonia, considering the perspective of recuperative and regenerative devices, a comparative analysis of the above mentioned two devices performance was realized. The assumption of isothermal conditions in the beginningof the forced unsteadystate investigation allowed the simplification of the analysis enabling to focus on the impact of the conditions and mode of operation on the dynamic features caused by the trapping of one reactant in the reactor, without considering the impact of thermal effect on overall reactor performance. The non-isothermal system approach has been investigated in order to point out the important influence of the thermal effect on overall reactor performance, studying the possibility of RFR and RN utilization as recuperative and regenerative devices and the possibility of achieving a sustained auto-thermal behavior in case of lowexothermic reaction of SCR of NOx with ammonia and low temperature gasfeeding. Beside the influence of the thermal effect, the influence of the principal operating parameters, as switching time, inlet flow rate and initial catalyst temperature have been stressed. This analysis is important not only because it allows a comparison between the two devices and optimisation of the operation, but also the switching time is the main operating parameter. An appropriate choice of this parameter enables the fulfilment of the process constraints. The level of the conversions achieved, the more uniform temperature profiles, the uniformity ofcatalyst exploitation and the much simpler mode of operation imposed the RN as a much more suitable device for SCR of NOx with ammonia, in usual operation and also in the perspective of control strategy implementation. Theoretical simplified models have also been proposed in order to describe the forced unsteady state reactors performance and to estimate their internal temperature and concentration profiles. The general idea was to extend the study of catalytic reactor dynamics taking into account the perspectives that haven't been analyzed yet. The experimental investigation ofRN revealed a good agreement between the data obtained by model simulation and the ones obtained experimentally.

Hiilinanoputkireaktorin suunnittelu

Hiilinanoputki on vasta 90-luvun alussa löydetty uusi hiilestä koostuva materiaali, jonka erinomaiset mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet tarjoavat niiden käytölle useita mahdollisia sovelluskohteita. Teknologian puute ja valmistusmenetelmien korkeat kustannukset ovat kuitenkin estäneet tehokkaasti niiden käytön nykyisten materiaalien ja puolijohteiden korvaajana. Tämän työn tarkoituksena on esitellä yleisimmät menetelmät hiilinanoputkien syntetisoimiseksi sekä suunnitella laite yksiseinäisten hiilinanoputkien tuottamiseen kemiallisen höyrydeposition avulla. Lisäksi tavoitteena on luoda laitteelle modulaarinen rakenne, jolloin sen eri osien korvaaminen rajapintojen sallimissa rajoissa on helppoa. Reaktorin mekaanisen suunnittelun ja komponenttien valinnan lisäksi työssä käsitellään laitteen kaasu- ja lämpövirtauksia, prosessissa tärkeiden katalyyttipartikkelien tuotantoa sekä laitteessa tarvittavien jäähdytysjärjestelmien mitoituksia. Tuloksena syntyi helposti toteutettava suunnitelma yksiseinäisiä nanoputkia tuottavan reaktorin valmistamiseksi. Työ jatkuu laitteen rakentamisella, testaamisella sekä jatkokehittelyllä.

FCC-yksikön NOx-päästöjen hallinta

Työssä tutkittiin typen oksidien (NOx) päästöjen muodostumista ja NOx-päästöjen poistomenetelmiä leijukatalyyttisessa krakkausyksikössä (FCC). Koeajossa Porvoon öljynjalostamon FCC-yksikössä tutkittiin NOx-päästöjen hallintaa CO-promoottorin (CO:n palamista edistävä lisäaine) annostelun avulla. Kirjallisuusosassa käsiteltiin NOx-päästöjen muodostumista FCC-yksikön regeneraattorissa. Katalyyttisten lisäaineiden vaikutusta NOx-päästöjen muodostumiseen tarkasteltiin laajasti. Katalyyttisten lisäaineiden ohella käsiteltiin muitakin NOx-päästöjen poistomenetelmiä. Koeajojen tarkoituksena oli optimoida FCC-yksikön katalyyttikiertoon annosteltavan CO-promoottorin määrä. CO-promoottorin sisältämä platina lisää NOx-päästöjen muodostumista regeneraattorissa, mutta vähentää jälkipalamista. Jälkipalamisen vuoksi regeneraattorin ylimenolinjan lämpötila nousee. Regeneraattorin ylimenolinjan lämpötila oli CO-promoottorin vähentämistä rajoittava tekijä, NOx-päästöjä pyrittiin vähentämään ilman merkittävää jälkipalamisen kasvua. Tuorekatalyytin platinapitoisuuden pienentäminen vähentää merkittävästi NOx-päästöjä.

Sisäisten donorien vaikutus Polypropeeni Ziegler-Natta katalyytissä

Tässä työssä tutkittiin erilaisten sisäisten donorien vaikutusta polypropeenin ominaisuuksiin käytettäessä Ziegler-Natta-katalyyttiä, joka valmistettiin Borealiksen aiemmin kehittämällä kaksifaasimenetelmällä. Tällä uudella menetelmällä katalyytti voidaan valmistaa ilman lisättyä sisäistä donoria ja kantajaa. Katalyyttihiukkaset saadaan kaksifaasisysteemin ansiosta muodoltaan pyöreiksi. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia Mg-komplekseja, jossa sisäinen donori muodostuu in-situ alkoholin ja karboksyylihappokloridin reagoidessa keskenään. Katalyyttisynteesissä Mg-kompleksi reagoi TiCl4:n kanssa. Saatujen katalyyttien ominaisuuksia testattiin polymeroimalla niillä propeenia 70 °C:ssa tunnin ajan. Polymeerien ominaisuuksia tutkittiin useiden eri karakterisointimenetelmien avulla. Lisäksi tutkittiin mahdollisuutta valmistaa katalyytti, joka ei sisältäisi ftalaattia. Työssä havaittiin, että katalyytin valmistusmenetelmä on käyttökelpoinen myös muilla sisäisillä donoreilla kuin referenssinä käytetyllä DOP:lla. Kaksiliuosfaasi-systeemi saatiin aikaan myös kahdella muulla työssä tutkitulla sisäisellä donorilla. Lisäksi faasitasapainokokeissa kahden liuosfaasin systeemi saatiin aikaan sisäisellä donorilla, joka ei sisältänyt ftalaattia. Kyseisellä katalyytillä havaittiin olevan muista katalyyteistä poikkeavia ominaisuuksia. Esimerkiksi se antoi matalamman isotaktisuuden kuin referenssikatalyytti ja se saattaisikin soveltua matalan isotaktisuuden pehmeille tuotteille. Työssä kokeiltiin yhdellä uudella katalyytillä myös eteenin polymerointia, sillä katalyytin donoripitoisuus oli hyvin matala. Katalyytin aktiivisuus eteenipolymeroinnissa oli varsin hyvä.

Cross-border post-acquisition integration performed by a Nordic information & telecommunication technology company in the transition economy context of the Czech Republic

Diplomityön tarkoituksena oli arvioida akvisition jälkeistä integraatioprosessia. Integraation tarkoitus on mukauttaa ostettu yritys toimivaksi osaksi konsernia. Työn empiirisenä ongelmana oli yleisesti tunnustettu integraatiojohtamisen kompleksisuus. Samoin myöskin akateemisesta kirjallisuudesta puuttui koherentti malli, jolla arvioida integraatiota. Tutkimuskohteena oli akvisitio, jossa suomalainen tietotekniikkan suuryritys osti osake-enemmistön tsekkiläisestä keskisuuresta ohjelmistoyrityksestä. Tutkimuksessa generoitiin integraatiojohtamisen malli tietopohjaiseen organisaatioon. Mallin mukaan integraatio koostuu kolmesta eriävästä, mutta toisiaan tukevasta alueesta: organisaatiokulttuurin yhdentyminen, tietopääoman tasaaminen ja konsernin sisäisten prosessien yhdenmukaistaminen. Näistä kaksi kaksi jälkimmäistä ovat johdettavissa, mutta kulttuurin yhdentymiseen integraatiojohtamisella voidaan vaikuttaa vain katalysoivasti. Organisaatiokulttuuri levittäytyy vain osallisten vuorovaikuksien kautta. Lisäksi tutkimus osoitti, miten akvisitio on revolutionaarinen vaihe yrityksen kehityksessä. Integraation ensimmäinen ajanjakso on revolutionaarista. Tällöin suurimmat ja näkyvimmät johdettavat muutokset pyritään saamaan aikaan, jotta integraatiossa edettäisiin evolutionaariseen kehitykseen. Revolutionaarisen intergaation vetojuhtana toimii integraatiojohto, kun taas evolutionaarinen integraatio etenee osallisten (organisaation jäsenten) itsensä toiminnan ja vuorovaikutusten kautta.

Kaasutuskaasun puhdistus

Tässä diplomityössä on selvitetty hiilestä, jätteestä tai biopolttoaineesta kaasutetun kaasun märkä- ja kuivapuhdistusta. Kaasutuskaasun puhdistuksella voidaan likainen ja jopa ongelmallinen aines muuttaa tai puhdistaa sellaiseksi ympäristökelpoiseksi polttoaineeksi, että sitä voidaan käyttää nykyisissä kulutuskohteissa ongelmitta. Lisäkannustusta kaasutuskaasun puhdistus saa uusista EU-direktiiveistä, jotka tulevat rajoittamaan jätteiden läjittämistä kaatopaikoille. Loppusijoitukseen meneviä jätevirtoja voidaan energiakäytöllä pienentää huomattavasti.Työ on tehty PVO-Engineering Oy:n voimalaitostekniikan osastolle kevään 2001 aikana. Työn tavoitteena oli kasvattaa yrityksen tietomäärää kaasutuskaasun puhdistuksen osalta. Lisäksi pyrittiin selvittämään uuden keraamisen pussisuodatinmateriaalin käyttöä kaasutuskaasun kuumakuivasuodatuksessa. Työn ensimmäisessä osassa esitetään kaasutuskaasun koostumuksen ja syntymisen lisäksi tämän työn lähtökohdat ja tavoitteet. Toisessa osassa selvitetään kaasulle asetettavia vaatimuksia eri käyttötapojen mukaan. Kolmannessa ja neljännessä osassa selvitetään puhdistettavien komponenttien käyttäytymistä ja sopivia puhdistusmenetelmiä.Kaasutuskaasun puhdistustekniikka vaihtelee paljonkin riippuen kaasun käyttökohteesta. Eroja syntyy käyttökohteen asetettamista vaatimuksista polttoaineelle, kaasutettavan polttoaineen koostumuksesta ja laadun vaihtelusta. Puhdistuksessa keskitytään kloori -, rikki -, typpi - ja metalliyhdisteiden poistamiseen kaasuvirrasta. Erotuskyvyllä arvioituna eri puhdistusmenetelmistä tehokkaimpia ovat pesurisähkösuodatinyhdistelmät. Niiden suuret jätemäärät ovat kuitenkin iso ongelma. Kuumakuivapuhdistuksessa pyritään kehittämään menetelmä, jossa syntyvät jätemäärät ovat pieniä ja puhdistustulos on riittävä. Puhdistuksen apukeinona käytetään usein erilaisia katalyyttejä. Tunnetuimpia ovat erilaiset kalsiumpohjaiset materiaalit ja mineraalit. Katalyyteillä voidaan tehostaa tarpeellisia kemiallisia reaktioita puhdistusprosessissa. Kaikki puhdistukseen liittyvät ongelmat ovat kooltaan niin suuria, että niiden ratkaisemiseksi on tulevaisuudessa tehtävä lujasti töitä. Markkinanäkymät toimivalle puhdistustekniikalle ovat nykymaailmassa hyvät. Niinpä tuotekehitykseen laitetut panokset voivat tulevaisuudessa olla yritykselle kullan arvoisia.

Regeneroidun selluloosapinnan modifiointi kestämään mikro-organismien toimintaa

Työn tavoitteena oli kehittää mikro-organismeja kestävä suoli eli makkarankuori. Työ suoritettiin modifioimalla regeneroitua selluloosaa. Modifiointiliuoksena käytettiin etikkahapon ja etikkahappoanhydridin seosta, johon lisättiin rikkihappoa katalyytiksi. Työssä etsittiin parasta yhdistelmää, joka koostui modifiointiradannopeudesta, modifiointiliuoskoostumuksesta ja erilaisista modifiointimenetelmistä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin yleisesti asetaattikalvoja, niiden valmistusta ja ominaisuuksia. Lisäksi perehdyttiin entsyymin ominaisuuksiin ja toimintaan yleisesti. Entsyymeistä yksi otettiin lähempään tarkasteluun. Kokeissa regeneroitua selluloosaa modifioitiin liuoksessa, jonka koostumusta muunneltiin. Kokeissa oli kolme erilaista modifiointimenetelmää, joissa käytettiin neljää modifiointiliuoskoostumusta ja kolmea modifiointinopeutta. Mittauksissa tutkittiin modifioinnin vaikutusta suoliin verrattuna normaaleihin suoliin. Suolille tehtiin sekä mekaanisia että kemiallisia testejä. Kemiallisista testeistä tärkein oli testi, jossa modifioitu suoli altistettiin mikro-organismille. Tulosten perusteella valittiin paras menetelmä. Työssä havaittiin yhden menetelmän olevan muita paljon parempi. Tällä menetelmällä suoritettiin toistokokeita, jotka varmistivat jo saatuja tuloksia. Liuoskoostumusten välillä ei ollut suuria eroja, mutta kuitenkin niistä yksi osoittautui parhaimmaksi. Nopeutta oli vaikeampi määrittää, mutta siitäkin saatiin määritettyä tietty haarukka, jossa reaktio oli tehokkain.

Removal of Lipophilic Wood Extractives from TMP Process Waters by Wet Oxidation

Työssä tutkittiin kokeellisesti rasvaliukoisten uuteaineiden poistamista TMP -prosessin vesikierroista märkähapetuksen avulla. Työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuudet hyödyntää TMP -prosessissa vallitsevaa korkeaa lämpötilaa rasvaliukoisten uuteaineiden poistamiseen hapettamalla niitä puhtaalla hapella. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin märkähapetuksen teknologiaa, reaktiomekanismia, käytettyjä katalyyttejä, käyttökohteita sekä kustannuksia. Kokeita suoritettiin autoklaavireaktorissa lämpötiloissa 140 °C, 160 °C ja 180 °C. Vetyperoksidia käytettiin katalyyttinä lisätyn vetyperoksidin määrän ollessa 100 - 1800 mg/l ja hapen osapaineen ollessa 0 ( typpiatmosfääri) - 15 baria. Kokeissa tarkasteltiin kemiallisen hapenkulutuksen (COD), rasvaliukoisten uuteaineiden konsentraation, orgaanisen kokonaishiilen (TOC) ja värin muutoksia kokeiden aikana eri lämpötiloilla, hapen osapaineilla ja lisätyn vetyperoksidin määrillä. Kokeissa saavutettiin 30 %:n COD:n vähenemä sekä 90 %:n vähenemä rasvaliukoisissa uuteaineissa lämpötiloissa 160 °C ja 180 °C. Lisäämällä vetyperoksidia katalyyttinä saavutettiin lähes sama tulos lämpötilassa 140 °C. Suurin tässä työssä havaittu ongelma oli lisääntynyt värinmuodostus vedessä olevassa hienojakoisessa kiintoaineessa hapetuksen aikana. Tämän vuoksi lisätutkimukset ovat tarpeellisia sen seikan selvittämiseksi, voidaanko muodostunut väri mahdollisesti poistaa massan valkaisussa.

Wet Oxidation of TMP Concentrated Paper Mill Process Water. Kinetics of the reaction

Työn tarkoituksena oli tutkia lämpötilan, paineen, pH:n ja katalyytin vaikutusta paperitehtaan TMP-konsentroidun prosessiveden märkähapetuksessa. Teoriaosio sisältää katsauksen sellu- ja paperiteollisuuteen, jätevesien käsittelyyn, nanosuodatuksen ja märkähapetusprosessin toimintaperiaatteet ja sovellukset hybriditeknologialle nanosuodatus-märkähapetuksessa. Empiirinen osa koostuu märkähapetuskokeista eri lämpötiloissa, paineissa, pH:ssa ja eri katalyyseillä. Työssä tutkittiin näiden vaikutusta kemialliseen hapenkulutukseen (COD), Biologiseen hapenkulutukseen (BOD), Välittömästi saatavana olevan biologisen hapenkulutukseen (IABOD), ligniiniin, täysin orgaanisen hiileen (TOC) ja rasvaliukoisten uuteaineiden (LWEs) pitoisuuteen. Tuloksina kokeellisesta työstä saatiin korkeimmat COD:n alenemat ja BOD/COD (biohajoavuus) suurimmilla lämpötilaolosuhteilla (COD:n alenema 70 % ja BOD/COD 97 % 200 °C:ssa ja hapen 10 bar osapaineella). Tutkimuksessa, jossa selvitettiin hapen osapaineen vaikutusta saatiin tuloksena, että hapen osapaineen kasvu parantaa orgaanisen kuormituksen poistoa: COD poisto oli olosuhteilla130°C, 5bar 5 %, olosuhteilla 130 °C, 15bar 15 %, olosuhteilla 170 °C, 5bar 20 % ja olosuhteilla 170 °C, 15bar 50 %. Lähes täydellinen LWEs –poisto saavutettiin 150 °C ja 10bar olosuhteilla, vaikka tässä lämpötilassa ei saavutettu korkeata orgaanisen kuormituksen poistoa. Emäksinen pH vaikutti suosivan hapettavia reaktioita, koska korkein COD:n poisto saavutettiin näissä olosuhteilla; kuitenkin alkalisen väliaineen tehokkuudelle löydettiin tärkeä lämpötilariippuvuus.

Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.

Ilmaan johdettavien epäpuhtauksien päästökartoitus Porvoon öljynjalostamolla

Työn tarkoituksena oli laatia suunnitelma ilmaan johdettavien epäpuhtauksien päästökartoitukselle Porvoon öljynjalostamolla. Raskasmetallien, metaanin, fluorivetyhapon, rikkivedyn ja ammoniakin merkittävät päästöpaikat ja -tarkkailumenetelmät kartoitettaisiin tulevaa päästöraportointia varten. Tarkkailun alaisten komponenttien muodostuminen, kulkeutuminen ja merkittävät päästöpaikat Porvoon jalostamolla selvitettiin kirjallisuuslähteiden, jalostamon toimintajärjestelmän ohjeiden sekä työntekijöiden haastattelujen perusteella. Merkittäviä häiriöpäästötilanteita kartoitettiin ja arvioitiin jalostamon poikkeamatilastojen ja haastattelujen avulla. Normaalitoiminnan aikana tarkkailun alaisista epäpuhtauksista vapautuu ilmaan merkittäviä määriä ainoastaan metaania ja raskasmetalleja. Metaania vapautuu ilmaan polttoprosesseissa sekä hajapäästönä. Raskasmetallipäästöjä syntyy pohjaöljyn poltossa energialaitoksella sekä leijukatalyyttisessä krakkauksessa. Rikkilaitosten häiriötilanteista aiheutuu rikkivety- ja ammoniakkipäästöjä pääasiassa soihtujärjestelmän kautta. Alkylointiyksikön vuodoissa voi vapautua fluorivetyhappoa ilmaan. Päästömääriä arvioidaan pääosin laskennallisesti. Päästökartoitussuunnitelma on kokonaisuudessaan tämän työn liitteenä. Näyttäisi siltä, että TRS-yhdisteiden, ammoniakin ja fluorivetyhapon ilmapäästöt eivät ole merkittäviä Porvoon öljynjalostamolla. Uuden pohjaöljy-yksikön käyttöönotto on vähentänyt myös raskasmetallipäästöjä energialaitoksella. Metaanipäästö vaikuttaa kartoitukseen sisällytettävistä epäpuhtauksista merkityksellisimmältä Porvoon öljynjalostamolla.

Catalytic Wet Oxidation of Paper Mill Debarking Water

The objective of the research was to study the influence of temperature, oxygen pressure, catalysts loading and initial COD concentration of debarking wastewater on the pollutants during the catalytic oxidation. More importantly, how the addition of catalyst affects the wet oxidation process. The whole work was divided into two main sections, theoretical and experimental parts. The theoretical part reviews the pulp and paper industry from wood processing to paper production as well as operations that generate wastes. Treatment methods applicable for industrial pulp and paper mill effluents were also discussed. Wet oxidation and catalytic wet oxidation processes including mechanism, reactions, kinetics and industrial applications were previewed. In the experimental part, catalytic wet oxidation process were studied at 120-180°C, 0-10 bar oxygen pressure, 0-1 g/L catalyst concentration and 1000-3000 mg/L initial COD concentration. Responses, such as Chemical oxygen demand (COD), Total organic carbon (TOC), colour, lignin/tannin, Biochemical oxygen demand (BOD) and pH were measured. In the experiment, the best conditions occurred at 180°C, 10 bar, l g/L catalyst concentration and 3000mg/L initial COD. At these conditions; 74% COD, 97% lignin/tannin, 54% TOC, 90% colour were removed from the wastewater. pH was greatly reduced from 7 to 4.6. Lignin/tannin was removed most. Lignin/tannin showed linear dependency with colour during oxidation. Temperature made the most impact in reducing contaminants in debarked wastewater.

Hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistus ja karakterisointi

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistusmenetelmiä, kokeilla eri menetelmiä käytännössä ja tutkia sekä itse valmistettujen että valmiina saatujen hartsien adsorptiokykyä ja muita ominaisuuksia. Kemiallinen adsorptio amiiniryhmän omaavien hartsien avulla on yksi tapa sitoa hiilidioksidia ilmasta. Primäärinen amiiniryhmä sitoo hiilidioksidia parhaiten. Primäärisen amiiniryhmän omaava anioninvaihtohartsi voidaan valmistaa pohjapolymeeristä halogeenialkyloimalla ja aminoimalla, aminoalkyloimalla tai suoraan aminoimalla. Aminoalkylointi voidaan suorittaa erilaisilla reagensseilla ja katalyyteillä. Tässä työssä hartseja valmistettiin aminoimalla polymetyyliakrylaattidivinyylibentseenipohjaista polymeeriä etyylidiamiinilla ja propyylidiamiinilla. Lisäksi suoritettiin polystyreeni-divinyylibentseenipohjaisen polymeerin aminoalkylointi bis(ftaali-imidometyyli)eetterin avulla. Reaktio tehtiin kahdella eri katalyytillä; rikkitrioksidilla ja rautakloridilla. Aminoalkylointireaktioissa tarvittava eetteri piti ennen varsinaista reaktiota valmistaa N-hydroksymetyyliftaali-imidistä. Myös tämän reagenssin syntetisointia ftaali-imidistä kokeiltiin. Kaikki synteesit onnistuivat melko hyvin, paitsi aminoalkylointi rautakloridikatalyytillä. Hartsien valmistuksen lisäksi itse valmistettuja primäärisen amiiniryhmän omaavia hartseja sekä erilaisia amiiniryhmiä omaavia valmiita hartseja karakterisoitiin eri tavoin. Erityisesti haluttiin tutkia hiilidioksidin adsorptiokapasiteettia ja hartsien termistä kestävyyttä. Kaikista tutkituista hartseista lähimpänä haluttuja ominaisuuksia olivat kaksi kaupallista primäärisen amiiniryhmän omaavaa PS-DVBpohjaista makrohuokoista hartsia. Rakenteeltaan samanlainen itse valmistettu hartsi (rikkitrioksidikatalyytin läsnä ollessa aminoalkyloitu) oli myös ominaisuuksiltaan lupaava. Valmistusmenetelmää pitää kuitenkin tutkia ja kehittää lisää vielä parempien tulosten aikaansaamiseksi. Myös kaupallinen polyetyleeni-imiinirakenteen omaava silikapohjainen hartsi oli ominaisuuksiltaan hyvä.

Wet oxidation of recalcitrant lignin waters: Experimental and kinetic studies

The dissertation is based on four articles dealing with recalcitrant lignin water purification. Lignin, a complicated substance and recalcitrant to most treatment technologies, inhibits seriously pulp and paper industry waste management. Therefore, lignin is studied, using WO as a process method for its degradation. A special attention is paid to the improvement in biodegradability and the reduction of lignin content, since they have special importance for any following biological treatment. In most cases wet oxidation is not used as a complete ' mineralization method but as a pre treatment in order to eliminate toxic components and to reduce the high level of organics produced. The combination of wet oxidation with a biological treatment can be a good option due to its effectiveness and its relatively low technology cost. The literature part gives an overview of Advanced Oxidation Processes (AOPs). A hot oxidation process, wet oxidation (WO), is investigated in detail and is the AOP process used in the research. The background and main principles of wet oxidation, its industrial applications, the combination of wet oxidation with other water treatment technologies, principal reactions in WO, and key aspects of modelling and reaction kinetics are presented. There is also given a wood composition and lignin characterization (chemical composition, structure and origin), lignin containing waters, lignin degradation and reuse possibilities, and purification practices for lignin containing waters. The aim of the research was to investigate the effect of the operating conditions of WO, such as temperature, partial pressure of oxygen, pH and initial concentration of wastewater, on the efficiency, and to enhance the process and estimate optimal conditions for WO of recalcitrant lignin waters. Two different waters are studied (a lignin water model solution and debarking water from paper industry) to give as appropriate conditions as possible. Due to the great importance of re using and minimizing the residues of industries, further research is carried out using residual ash of an Estonian power plant as a catalyst in wet oxidation of lignin-containing water. Developing a kinetic model that includes in the prediction such parameters as TOC gives the opportunity to estimate the amount of emerging inorganic substances (degradation rate of waste) and not only the decrease of COD and BOD. The degradation target compound, lignin is included into the model through its COD value (CODligning). Such a kinetic model can be valuable in developing WO treatment processes for lignin containing waters, or other wastewaters containing one or more target compounds. In the first article, wet oxidation of "pure" lignin water was investigated as a model case with the aim of degrading lignin and enhancing water biodegradability. The experiments were performed at various temperatures (110 -190°C), partial oxygen pressures (0.5 -1.5 MPa) and pH (5, 9 and 12). The experiments showed that increasing the temperature notably improved the processes efficiency. 75% lignin reduction was detected at the lowest temperature tested and lignin removal improved to 100% at 190°C. The effect of temperature on the COD removal rate was lower, but clearly detectable. 53% of organics were oxidized at 190°C. The effect of pH occurred mostly on lignin removal. Increasing the pH enhanced the lignin removal efficiency from 60% to nearly 100%. A good biodegradability ratio (over 0.5) was generally achieved. The aim of the second article was to develop a mathematical model for "pure" lignin wet oxidation using lumped characteristics of water (COD, BOD, TOC) and lignin concentration. The model agreed well with the experimental data (R2 = 0.93 at pH 5 and 12) and concentration changes during wet oxidation followed adequately the experimental results. The model also showed correctly the trend of biodegradability (BOD/COD) changes. In the third article, the purpose of the research was to estimate optimal conditions for wet oxidation (WO) of debarking water from the paper industry. The WO experiments were' performed at various temperatures, partial oxygen pressures and pH. The experiments showed that lignin degradation and organics removal are affected remarkably by temperature and pH. 78-97% lignin reduction was detected at different WO conditions. Initial pH 12 caused faster removal of tannins/lignin content; but initial pH 5 was more effective for removal of total organics, represented by COD and TOC. Most of the decrease in organic substances concentrations occurred in the first 60 minutes. The aim of the fourth article was to compare the behaviour of two reaction kinetic models, based on experiments of wet oxidation of industrial debarking water under different conditions. The simpler model took into account only the changes in COD, BOD and TOC; the advanced model was similar to the model used in the second article. Comparing the results of the models, the second model was found to be more suitable for describing the kinetics of wet oxidation of debarking water. The significance of the reactions involved was compared on the basis of the model: for instance, lignin degraded first to other chemically oxidizable compounds rather than directly to biodegradable products. Catalytic wet oxidation of lignin containing waters is briefly presented at the end of the dissertation. Two completely different catalysts were used: a commercial Pt catalyst and waste power plant ash. CWO showed good performance using 1 g/L of residual ash gave lignin removal of 86% and COD removal of 39% at 150°C (a lower temperature and pressure than with WO). It was noted that the ash catalyst caused a remarkable removal rate for lignin degradation already during the pre heating for `zero' time, 58% of lignin was degraded. In general, wet oxidation is not recommended for use as a complete mineralization method, but as a pre treatment phase to eliminate toxic or difficultly biodegradable components and to reduce the high level of organics. Biological treatment is an appropriate post treatment method since easily biodegradable organic matter remains after the WO process. The combination of wet oxidation with subsequent biological treatment can be an effective option for the treatment of lignin containing waters.