Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

APPLICATION INTEGRATION IN GLOBAL ENTERPRISE

Diplomityö tehtiin Partek Oyj Abp:lle antamaan IT-järjestelmistä vastuussa oleville ja niihin tukeutuville johtohenkilöille yleisnäkemys IT-sovellusintegroinnista sekä luomaan ohjeet integrointi projekteihin. Diplomityön alkuosassa esitellään liiketoiminnan prosessien pulmakohtia ja sovellusintegrointien liiketoiminnalle tuomia etuja yleisellä tasolla perustuen kirjallisuuteen. Yleisen tason etuja saadaan mm. nopeampien prosessien, paremman tiedon saatavuuden ja ihmisille tulevien uusien toimintatapojen kautta tulevista eduista. Työn seuraavassa osiossa esitellään mitä sovellusintegraatio tarkoittaa käytännössä, mitä erilaisia vaihtoehtoja integroinneille on ja mitä etuja ja haittoja erilaisista integrointitavoista on. Integrointitavoista viesti-pohjainen integrointitapa on noussut suosituimmaksi sen yksinkertaisuuden, luotettavuuden ja helpon liitettävyyden takia. Integrointisovelluksilla on mahdollista siirtää, muokata, prosessoida ja varastoida viestejä. Näiden ominaisuuksien avulla on mahdollista luoda reaaliaikaisia yhteistyöverkostoja. Tämä osio perustuu kirjallisuuteen , artikkeleihin ja haastatteluihin. Kolmas osio keskittyy integrointi projektin ominaispiirteisiin luoden toimintakartan integrointiprojektin kululle. Osiossa esitellään huomioitavat tekniset asiat, kustannukset ja edut sekä mallipohjia integroinnin dokumentointiin. Osio perustuu omiin kokemuksiin, haastatteluihin sekä kirjallisuuteen. Neljännessä osiossa esitellään Partekissa tehty integrointiprojekti. Integrointityö tehtiin ostajille tarkoitetun toimittajarekisterin (PPM) ja ERP-järjestelmän (Baan) välillä. Integrointiin käytettiin yhtä suosituinta integrointityökalua nimeltään IBM WebSphere MQ.Osio perustuu projektin dokumentointiin, omiin kokemuksiin ja kirjallisuuteen. Diplomityön päättää yhteenveto. Kolme pääetua voidaan saavuttaa integroinneilla ja toimintakartalla; tiedon luotettavuus paranee, toimintakartalla saadaan integroinneille malli ja luodaan riippumattomuutta tiettyihin avain henkilöihin tarkalla dokumentoinnilla ja toimintatapojen standardoinnilla.

ASIANTUNTIJAORGANISAATION TOIMINNAN TEHOSTAMINEN

Jatkuvasti muuttuva työympäristö vaatii organisaatiolta kykyä muuntua nopeasti vastaamaan tehokkaasti uusiin haasteisiin. Organisaation on tärkeää tuntea kriittiset menestystekijänsä ja pystyä mittaamaan suorituskykyään. Tämän vuoksi asiantuntijaorganisaatioiden suorituskykyyn on alettu kiinnittää entistä enemmän huomiota. Mittareiden käyttö asiantuntijatyön suorituskyvyn mittaamisessa ei ole kovinkaan yleistä johtuen tehtävän työn erityispiirteistä. Asiantuntijatyössä älyllisellä pääomalla, kuten esimerkiksi henkilöstön tiedoilla ja osaamisella, on merkittävä rooli organisaation toimintaan. Tämä asettaa omat erityisvaatimuksensa suorituskyvyn mittaamiselle, toiminnan ohjaamiselle ja erityisesti motivoinnille. Tutkielmassa pyrittiin löytämään tutkimuksen kohteena olleen yrityksen kehittämisen tärkeät toiminta-alueet henkilöstölle suunnatun kyselyn avulla. On erittäin tärkeää, että henkilöstö kokee mittauksen ja tehostamistoimenpiteet omaa työtä tukeviksi asioiksi. Tutkimuksen tuloksena löytyivät selkeästi kehittämistä vaativat osa-alueet. Haastava jatkotoimenpide on määritellä sopivat suorituskykymittarit älylliseen pääomaan liittyville kriittisille menestystekijöille.

Wavelet Filter Parameterization for Compression of Spectral Images

Vaatimus kuvatiedon tiivistämisestä on tullut entistä ilmeisemmäksi viimeisen kymmenen vuoden aikana kuvatietoon perustuvien sovellutusten myötä. Nykyisin kiinnitetään erityistä huomiota spektrikuviin, joiden tallettaminen ja siirto vaativat runsaasti levytilaa ja kaistaa. Aallokemuunnos on osoittautunut hyväksi ratkaisuksi häviöllisessä tiedontiivistämisessä. Sen toteutus alikaistakoodauksessa perustuu aallokesuodattimiin ja ongelmana on sopivan aallokesuodattimen valinta erilaisille tiivistettäville kuville. Tässä työssä esitetään katsaus tiivistysmenetelmiin, jotka perustuvat aallokemuunnokseen. Ortogonaalisten suodattimien määritys parametrisoimalla on työn painopisteenä. Työssä todetaan myös kahden erilaisen lähestymistavan samanlaisuus algebrallisten yhtälöiden avulla. Kokeellinen osa sisältää joukon testejä, joilla perustellaan parametrisoinnin tarvetta. Erilaisille kuville tarvitaan erilaisia suodattimia sekä erilaiset tiivistyskertoimet saavutetaan eri suodattimilla. Lopuksi toteutetaan spektrikuvien tiivistys aallokemuunnoksen avulla.

Muutos- ja oppimisprosessin johtaminen teollisuusyrityksessä

Kilpailukeinojen muuttuessa teollisuusyritysten muutostarve nopeutuu. Tämä aiheuttaa yritysten henkilökunnalle uusia haasteita ja lisää paineita elinikäiseen oppimiseen. Samalla se aiheuttaa koko yrityksen organisaatiolle yhteisen oppimisen tarpeen eli muuttumisen oppivaksi organisaatioksi. työssä on tutkittu oppivan organisaation käsitettä, valmiuksia muutosjohtamiseen sekä tarvittavaa asennetta muutosten tehokkaaseen läpivientiin. Muutoksen johtamiseen on esitetty muutosmallia, jonka sovellettavuutta on arvioitu case-yrityksen avulla. Muutosasenteen lisäksi on kiinnitetty huomiota mittaamiseen ja muutosten jatkumiseen päättymättöminä prosesseina. Työn tulokseksi saatiin mm. seuraavia toimenpide-ehdotuksia: Koulutusta tulisi lisätä ylimmälle johdole ja mielipidevaikuttajille. Organisaatiota pitäisi muuttaa tiedonkulkua suosivaksi ja saattaa tietojärjestelmät joustaviksi ja muutoksia tukeviksi järjestelmmiksi.

Dynamic Capabilities and Real Options

Tutkielman tavoitteena oli selvittää dynaamisten kyvykkyyksien teorian kehittymistä ja nykytilaa. Työssä tarkastellaan myös mahdollisuuksia yhdistää reaalioptioajattelua ja dynaamisten kyvykkyyksien teoriaa. Tutkielma on toteutettu teoreettisena kirjallisuuskatsauksena. Dynaamisten kyvykkyyksien teorian mukaan muuttuvassa toimintaympäristössä yritysten kilpailuetu perustuu kykyyn rakentaa, yhdistää ja muokata resursseja ja kyvykkyyksiä. Yritysten täytyy pystyä löytämään, sulauttamaan ja muuntamaan tietoa voidakseen tunnistaa uusia mahdollisuuksia ja pystyäkseen reagoimaan niihin. Tutkielma tuo esille uusia yhteyksiä dynaamisten kyvykkyyksien teorian ja yritysten käyttäytymisen välillä. Reaalioptioajattelu auttaa tunnistamaan yrityksen rajojen määrittämiseen vaikuttavia tekijöitä. Työssä tehdään ehdotuksia dynaamisten kyvykkyyksien teorian jatkotutkimusta varten.

Wavelet Analysis in Turbulence

The objective of this thesis is to study wavelets and their role in turbulence applications. Under scrutiny in the thesis is the intermittency in turbulence models. Wavelets are used as a mathematical tool to study the intermittent activities that turbulence models produce. The first section generally introduces wavelets and wavelet transforms as a mathematical tool. Moreover, the basic properties of turbulence are discussed and classical methods for modeling turbulent flows are explained. Wavelets are implemented to model the turbulence as well as to analyze turbulent signals. The model studied here is the GOY (Gledzer 1973, Ohkitani & Yamada 1989) shell model of turbulence, which is a popular model for explaining intermittency based on the cascade of kinetic energy. The goal is to introduce better quantification method for intermittency obtained in a shell model. Wavelets are localized in both space (time) and scale, therefore, they are suitable candidates for the study of singular bursts, that interrupt the calm periods of an energy flow through various scales. The study concerns two questions, namely the frequency of the occurrence as well as the intensity of the singular bursts at various Reynolds numbers. The results gave an insight that singularities become more local as Reynolds number increases. The singularities become more local also when the shell number is increased at certain Reynolds number. The study revealed that the singular bursts are more frequent at Re ~ 107 than other cases with lower Re. The intermittency of bursts for the cases with Re ~ 106 and Re ~ 105 was similar, but for the case with Re ~ 104 bursts occured after long waiting time in a different fashion so that it could not be scaled with higher Re.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Organisaation kehittämisen merkitys yrityksen tulokselle. Tapaustutkimus Elimäen Osuuspankista

Tutkimuksen tarkastelukohteena oli organisaation kehittämisen merkitys yrityksen tulokselle. Tutkielma jakaantui teoreettiseen ja empiiriseen osaan. Teoriaosassa muodostettiin viitekehys organisaation kehittämisen menetelmien ymmärtämiseksi ja siihen vaikuttavien osatekijöiden jaottelemiseksi. Työn empiirisessä osassa tätä viitekehystä hyödynnettiin kysely- ja haastattelututkimuksen sekä asiakas- ja henkilökyselyn pohjana. Organisaation kehittäminen on organisaation ja yksilön oppimista, kykyä oppia ja soveltaa oppimaansa käytäntöön siten, että se saa aikaan taloudellista tulosta. Yrityksen tulos voidaan jakaa taloudelliseen ja laadulliseen tulokseen. Taloudellinen tulos mitataan numeerisesti tilinpäätöksessä. Laadullinen tulos liittyy asiakkuuteen, oppimiskykyyn, sosiaalisen ja inhimillisen arvon mittaamiseen tai tietopääoman kehitykseen, jota voidaan mitata esimerkiksi asiakas- ja henkilöstötutkimuksin. Jotta organisaation kehittämisellä olisi merkitystä yrityksen tulokselle, tulee kehittämistyön olla pitkäjänteistä, systemaattista ja suunnitemallista pohjautuen yrityksen visioon.

Prediction in transformed images

The study is related to lossless compression of greyscale images. The goal of the study was to combine two techniques of lossless image compression, i.e. Integer Wavelet Transform and Differential Pulse Code Modulation to attain better compression ratio. This is an experimental study, where we implemented Integer Wavelet Transform, Differential Pulse Code Modulation and an optimized predictor model using Genetic Algorithm. This study gives encouraging results for greyscale images. We achieved a better compression ration in term of entropy for experiments involving quadrant of transformed image and using optimized predictor coefficients from Genetic Algorithm. In an other set of experiments involving whole image, results are encouraging and opens up many areas for further research work like implementing Integer Wavelet Transform on multiple levels and finding optimized predictor at local levels.

Wavelets in real-time paper web analysis

Online paper web analysis relies on traversing scanners that criss-cross on top of a rapidly moving paper web. The sensors embedded in the scanners measure many important quality variables of paper, such as basis weight, caliper and porosity. Most of these quantities are varying a lot and the measurements are noisy at many different scales. The zigzagging nature of scanning makes it difficult to separate machine direction (MD) and cross direction (CD) variability from one another. For improving the 2D resolution of the quality variables above, the paper quality control team at the Department of Mathematics and Physics at LUT has implemented efficient Kalman filtering based methods that currently use 2D Fourier series. Fourier series are global and therefore resolve local spatial detail on the paper web rather poorly. The target of the current thesis is to study alternative wavelet based representations as candidates to replace the Fourier basis for a higher resolution spatial reconstruction of these quality variables. The accuracy of wavelet compressed 2D web fields will be compared with corresponding truncated Fourier series based fields.

Analysis of outliers in electricity spot prices with exampleof New England and New Zealand markets

Electricity spot prices have always been a demanding data set for time series analysis, mostly because of the non-storability of electricity. This feature, making electric power unlike the other commodities, causes outstanding price spikes. Moreover, the last several years in financial world seem to show that ’spiky’ behaviour of time series is no longer an exception, but rather a regular phenomenon. The purpose of this paper is to seek patterns and relations within electricity price outliers and verify how they affect the overall statistics of the data. For the study techniques like classical Box-Jenkins approach, series DFT smoothing and GARCH models are used. The results obtained for two geographically different price series show that patterns in outliers’ occurrence are not straightforward. Additionally, there seems to be no rule that would predict the appearance of a spike from volatility, while the reverse effect is quite prominent. It is concluded that spikes cannot be predicted based only on the price series; probably some geographical and meteorological variables need to be included in modeling.

Statistical Inversion Theory in X-ray Tomography

In this thesis the X-ray tomography is discussed from the Bayesian statistical viewpoint. The unknown parameters are assumed random variables and as opposite to traditional methods the solution is obtained as a large sample of the distribution of all possible solutions. As an introduction to tomography an inversion formula for Radon transform is presented on a plane. The vastly used filtered backprojection algorithm is derived. The traditional regularization methods are presented sufficiently to ground the Bayesian approach. The measurements are foton counts at the detector pixels. Thus the assumption of a Poisson distributed measurement error is justified. Often the error is assumed Gaussian, altough the electronic noise caused by the measurement device can change the error structure. The assumption of Gaussian measurement error is discussed. In the thesis the use of different prior distributions in X-ray tomography is discussed. Especially in severely ill-posed problems the use of a suitable prior is the main part of the whole solution process. In the empirical part the presented prior distributions are tested using simulated measurements. The effect of different prior distributions produce are shown in the empirical part of the thesis. The use of prior is shown obligatory in case of severely ill-posed problem.

New Distance Transforms for Gray Level Image Compression

This thesis deals with distance transforms which are a fundamental issue in image processing and computer vision. In this thesis, two new distance transforms for gray level images are presented. As a new application for distance transforms, they are applied to gray level image compression. The new distance transforms are both new extensions of the well known distance transform algorithm developed by Rosenfeld, Pfaltz and Lay. With some modification their algorithm which calculates a distance transform on binary images with a chosen kernel has been made to calculate a chessboard like distance transform with integer numbers (DTOCS) and a real value distance transform (EDTOCS) on gray level images. Both distance transforms, the DTOCS and EDTOCS, require only two passes over the graylevel image and are extremely simple to implement. Only two image buffers are needed: The original gray level image and the binary image which defines the region(s) of calculation. No other image buffers are needed even if more than one iteration round is performed. For large neighborhoods and complicated images the two pass distance algorithm has to be applied to the image more than once, typically 3 10 times. Different types of kernels can be adopted. It is important to notice that no other existing transform calculates the same kind of distance map as the DTOCS. All the other gray weighted distance function, GRAYMAT etc. algorithms find the minimum path joining two points by the smallest sum of gray levels or weighting the distance values directly by the gray levels in some manner. The DTOCS does not weight them that way. The DTOCS gives a weighted version of the chessboard distance map. The weights are not constant, but gray value differences of the original image. The difference between the DTOCS map and other distance transforms for gray level images is shown. The difference between the DTOCS and EDTOCS is that the EDTOCS calculates these gray level differences in a different way. It propagates local Euclidean distances inside a kernel. Analytical derivations of some results concerning the DTOCS and the EDTOCS are presented. Commonly distance transforms are used for feature extraction in pattern recognition and learning. Their use in image compression is very rare. This thesis introduces a new application area for distance transforms. Three new image compression algorithms based on the DTOCS and one based on the EDTOCS are presented. Control points, i.e. points that are considered fundamental for the reconstruction of the image, are selected from the gray level image using the DTOCS and the EDTOCS. The first group of methods select the maximas of the distance image to new control points and the second group of methods compare the DTOCS distance to binary image chessboard distance. The effect of applying threshold masks of different sizes along the threshold boundaries is studied. The time complexity of the compression algorithms is analyzed both analytically and experimentally. It is shown that the time complexity of the algorithms is independent of the number of control points, i.e. the compression ratio. Also a new morphological image decompression scheme is presented, the 8 kernels' method. Several decompressed images are presented. The best results are obtained using the Delaunay triangulation. The obtained image quality equals that of the DCT images with a 4 x 4

Kalman Filtering in Online Paper Quality Assessment

Controlling the quality variables (such as basis weight, moisture etc.) is a vital part of making top quality paper or board. In this thesis, an advanced data assimilation tool is applied to the quality control system (QCS) of a paper or board machine. The functionality of the QCS is based on quality observations that are measured with a traversing scanner making a zigzag path. The basic idea is the following: The measured quality variable has to be separated into its machine direction (MD) and cross direction (CD) variations due to the fact that the QCS works separately in MD and CD. Traditionally this is done simply by assuming one scan of the zigzag path to be the CD profile and its mean value to be one point of the MD trend. In this thesis, a more advanced method is introduced. The fundamental idea is to use the signals’ frequency components to represent the variation in both CD and MD. To be able to get to the frequency domain, the Fourier transform is utilized. The frequency domain, that is, the Fourier components are then used as a state vector in a Kalman filter. The Kalman filter is a widely used data assimilation tool to combine noisy observations with a model. The observations here refer to the quality measurements and the model to the Fourier frequency components. By implementing the two dimensional Fourier transform into the Kalman filter, we get an advanced tool for the separation of CD and MD components in total variation or, to be more general, for data assimilation. A piece of a paper roll is analyzed and this tool is applied to model the dataset. As a result, it is clear that the Kalman filter algorithm is able to reconstruct the main features of the dataset from a zigzag path. Although the results are made with a very short sample of paper roll, it seems that this method has great potential to be used later on as a part of the quality control system.