Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation:

First principles modeling of metallic alloys and alloy surfaces

By alloying metals with other materials, one can modify the metal’s characteristics or compose an alloy which has certain desired characteristics that no pure metal has. The field is vast and complex, and phenomena that govern the behaviour of alloys are numerous. Theories cannot penetrate such complexity, and the scope of experiments is also limited. This is why the relatively new field of ab initio computational methods has much to give to this field. With these methods, one can extend the understanding given by theories, predict how some systems might behave, and be able to obtain information that is not there to see in physical experiments. This thesis pursues to contribute to the collective knowledge of this field in the light of two cases. The first part examines the oxidation of Ag/Cu, namely, the adsorption dynamics and oxygen induced segregation of the surface. Our results demonstrate that the presence of Ag on the Cu(100) surface layer strongly inhibits dissociative adsorption. Our results also confirmed that surface reconstruction does happen, as experiments predicted. Our studies indicate that 0.25 ML of oxygen is enough for Ag to diffuse towards the bulk, under the copper oxide layer. The other part elucidates the complex interplay of various energy and entropy contributions to the phase stability of paramagnetic duplex steel alloys. We were able to produce a phase stability map from first principles, and it agrees with experiments rather well. Our results also show that entropy contributions play a very important role on defining the phase stability. This is, to the author’s knowledge, the first ab initio study upon this subject.

Kinetic modeling of mechanisms of industrially important organic reactions in gas and liquid phase

This dissertation is based on 5 articles which deal with reaction mechanisms of the following selected industrially important organic reactions: 1. dehydrocyclization of n-butylbenzene to produce naphthalene 2. dehydrocyclization of 1-(p-tolyl)-2-methylbutane (MB) to produce 2,6-dimethylnaphthalene 3. esterification of neopentyl glycol (NPG) with different carboxylic acids to produce monoesters 4. skeletal isomerization of 1-pentene to produce 2-methyl-1-butene and 2-methyl-2-butene The results of initial- and integral-rate experiments of n-butylbenzene dehydrocyclization over selfmade chromia/alumina catalyst were applied when investigating reaction 2. Reaction 2 was performed using commercial chromia/alumina of different acidity, platina on silica and vanadium/calcium/alumina as catalysts. On all catalysts used for the dehydrocyclization, major reactions were fragmentation of MB and 1-(p-tolyl)-2-methylbutenes (MBes), dehydrogenation of MB, double bond transfer, hydrogenation and 1,6-cyclization of MBes. Minor reactions were 1,5-cyclization of MBes and methyl group fragmentation of 1,6- cyclization products. Esterification reactions of NPG were performed using three different carboxylic acids: propionic, isobutyric and 2-ethylhexanoic acid. Commercial heterogeneous gellular (Dowex 50WX2), macroreticular (Amberlyst 15) type resins and homogeneous para-toluene sulfonic acid were used as catalysts. At first NPG reacted with carboxylic acids to form corresponding monoester and water. Then monoester esterified with carboxylic acid to form corresponding diester. In disproportionation reaction two monoester molecules formed NPG and corresponding diester. All these three reactions can attain equilibrium. Concerning esterification, water was removed from the reactor in order to prevent backward reaction. Skeletal isomerization experiments of 1-pentene were performed over HZSM-22 catalyst. Isomerization reactions of three different kind were detected: double bond, cis-trans and skeletal isomerization. Minor side reaction were dimerization and fragmentation. Monomolecular and bimolecular reaction mechanisms for skeletal isomerization explained experimental results almost equally well. Pseudohomogeneous kinetic parameters of reactions 1 and 2 were estimated by usual least squares fitting. Concerning reactions 3 and 4 kinetic parameters were estimated by the leastsquares method, but also the possible cross-correlation and identifiability of parameters were determined using Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. Finally using MCMC method, the estimation of model parameters and predictions were performed according to the Bayesian paradigm. According to the fitting results suggested reaction mechanisms explained experimental results rather well. When the possible cross-correlation and identifiability of parameters (Reactions 3 and 4) were determined using MCMC method, the parameters identified well, and no pathological cross-correlation could be seen between any parameter pair.

Molecular modeling of asymmetric induction in heterogeneously catalyzed hydrogenation of the C=O bond

Modifiering av metallytor med starkt adsorberade kirala organiska molekyler är eventuellt den mest relevanta teknik man vet i dag för att skapa kirala ytor. Den kan utnyttjas i katalytisk produktion av enantiomeriskt rena kirala föreningar som behövs t.ex. som läkemedel och aromkemikalier. Trots många fördelar av asymmetrisk heterogen katalys jämfört med andra sätt för att få kirala föreningar, har den ändå inte blivit ett allmänt verktyg för storskaliga tillämpningar. Detta beror t.ex. på brist på djupare kunskaper i katalytiska reaktionsmekanismer och ursprunget för asymmetrisk induktion. I denna studie användes molekylmodelleringstekniker för att studera asymmetriska, heterogena katalytiska system, speciellt hydrering av prokirala karbonylföreningar till motsvarande kirala alkoholer på cinchona-alkaloidmodifierade Pt-katalysatorer. 1-Fenyl-1,2-propandion (PPD) och några andra föreningar, som innehåller en prokiral C=O-grupp, användes som reaktanter. Konformationer av reaktanter och cinchona-alkaloider (som kallas modifierare) samt vätebundna 1:1-komplex mellan dem studerades i gas- och lösningsfas med metoder som baserar sig på vågfunktionsteori och täthetsfunktionalteori (DFT). För beräkningen av protonaffiniteter användes också högst noggranna kombinationsmetoder såsom G2(MP2). Den relativa populationen av modifierarnas konformationer varierade som funktion av modifieraren, dess protonering och lösningsmedlet. Flera reaktant–modifierareinteraktionsgeometrier beaktades. Slutsatserna på riktning av stereoselektivitet baserade sig på den relativa termodynamiska stabiliteten av de diastereomeriska reaktant–modifierare-komplexen samt energierna hos π- och π*-orbitalerna i den reaktiva karbonylgruppen. Adsorption och reaktioner på Pt(111)-ytan betraktades med DFT. Regioselektivitet i hydreringen av PPD och 2,3-hexandion kunde förklaras med molekyl–yta-interaktioner. Storleken och formen av klustret använt för att beskriva Pt-ytan inverkade inte bara på adsorptionsenergierna utan också på de relativa stabiliteterna av olika adsorptionsstrukturer av en molekyl. Populationerna av modifierarnas konformationer i gas- och lösningsfas korrelerade inte med populationerna på Pt-ytan eller med enantioselektiviteten i hydreringen av PPD på Pt–cinchona-katalysatorer. Vissa modifierares konformationer och reaktant–modifierare-interaktionsgeometrier var stabila bara på metallytan. Teoretiskt beräknade potentialenergiprofiler för hydrering av kirala α-hydroxiketoner på Pt implicerade preferens för parvis additionsmekanism för väte och selektiviteter i harmoni med experimenten. De uppnådda resultaten ökar uppfattningen om kirala heterogena katalytiska system och kunde därför utnyttjas i utvecklingen av nya, mera aktiva och selektiva kirala katalysatorer.

Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

Modeling of electrolyte sorption – from phase equilibria to dynamic separation systems

In this thesis, general approach is devised to model electrolyte sorption from aqueous solutions on solid materials. Electrolyte sorption is often considered as unwanted phenomenon in ion exchange and its potential as an independent separation method has not been fully explored. The solid sorbents studied here are porous and non-porous organic or inorganic materials with or without specific functional groups attached on the solid matrix. Accordingly, the sorption mechanisms include physical adsorption, chemisorption on the functional groups and partition restricted by electrostatic or steric factors. The model is tested in four Cases Studies dealing with chelating adsorption of transition metal mixtures, physical adsorption of metal and metalloid complexes from chloride solutions, size exclusion of electrolytes in nano-porous materials and electrolyte exclusion of electrolyte/non-electrolyte mixtures. The model parameters are estimated using experimental data from equilibrium and batch kinetic measurements, and they are used to simulate actual single-column fixed-bed separations. Phase equilibrium between the solution and solid phases is described using thermodynamic Gibbs-Donnan model and various adsorption models depending on the properties of the sorbent. The 3-dimensional thermodynamic approach is used for volume sorption in gel-type ion exchangers and in nano-porous adsorbents, and satisfactory correlation is obtained provided that both mixing and exclusion effects are adequately taken into account. 2-Dimensional surface adsorption models are successfully applied to physical adsorption of complex species and to chelating adsorption of transition metal salts. In the latter case, comparison is also made with complex formation models. Results of the mass transport studies show that uptake rates even in a competitive high-affinity system can be described by constant diffusion coefficients, when the adsorbent structure and the phase equilibrium conditions are adequately included in the model. Furthermore, a simplified solution based on the linear driving force approximation and the shrinking-core model is developed for very non-linear adsorption systems. In each Case Study, the actual separation is carried out batch-wise in fixed-beds and the experimental data are simulated/correlated using the parameters derived from equilibrium and kinetic data. Good agreement between the calculated and experimental break-through curves is usually obtained indicating that the proposed approach is useful in systems, which at first sight are very different. For example, the important improvement in copper separation from concentrated zinc sulfate solution at elevated temperatures can be correctly predicted by the model. In some cases, however, re-adjustment of model parameters is needed due to e.g. high solution viscosity.

Modeling of residual stresses and distortion due to welding in fillet welds

Welding has a growing role in modern world manufacturing. Welding joints are extensively used from pipes to aerospace industries. Prediction of welding residual stresses and distortions is necessary for accurate evaluation of fillet welds in relation to design and safety conditions. Residual stresses may be beneficial or detrimental, depending whether they are tensile or compressive and the loading. They directly affect the fatigue life of the weld by impacting crack growth rate. Beside theoretical background of residual stresses this study calculates residual stresses and deformations due to localized heating by welding process and subsequent rapid cooling in fillet welds. Validated methods are required for this purpose due to complexity of process, localized heating, temperature dependence of material properties and heat source. In this research both empirical and simulation methods were used for the analysis of welded joints. Finite element simulation has become a popular tool of prediction of welding residual stresses and distortion. Three different cases with and without preload have been modeled during this study. Thermal heat load set is used by calculating heat flux from the given heat input energy. First the linear and then nonlinear material behavior model is modeled for calculation of residual stresses. Experimental work is done to calculate the stresses empirically. The results from both the methods are compared to check their reliability. Residual stresses can have a significant effect on fatigue performance of the welded joints made of high strength steel. Both initial residual stress state and subsequent residual stress relaxation need to be considered for accurate description of fatigue behavior. Tensile residual stresses are detrimental and will reduce the fatigue life and compressive residual stresses will increase it. The residual stresses follow the yield strength of base or filler material and the components made of high strength steel are typically thin, where the role of distortion is emphasizing.

Mathematical modeling of laboratory scale three-phase fixed bed reactors

Detta arbete fokuserar på modellering av katalytiska gas-vätskereaktioner som genomförs i kontinuerliga packade bäddar. Katalyserade gas-vätskereaktioner hör till de mest typiska reaktionerna i kemisk industri; därför behandlas här packade bäddreaktorer som ett av de populäraste alternativen, då kontinuerlig drift eftersträvas. Tack vare en stor katalysatormängd per volym har de en kompakt struktur, separering av katalysatorn behövs inte och genom en professionell design kan den mest fördelaktiga strömningsbilden upprätthållas i reaktorn. Packade bäddreaktorer är attraktiva p.g.a. lägre investerings- och driftskostnader. Även om packade bäddar används intensivt i industri, är det mycket utmanande att modellera. Detta beror på att tre faser samexisterar och systemets geometri är komplicerad. Existensen av flera reaktioner gör den matematiska modelleringen även mera krävande. Många förenklingar blir därmed nödvändiga. Modellerna involverar typiskt flera parametrar som skall justeras på basis av experimentella data. I detta arbete studerades fem olika reaktionssystem. Systemen hade studerats experimentellt i vårt laboratorium med målet att nå en hög produktivitet och selektivitet genom ett optimalt val av katalysatorer och driftsbetingelser. Hydrering av citral, dekarboxylering av fettsyror, direkt syntes av väteperoxid samt hydrering av sockermonomererna glukos och arabinos användes som exempelsystem. Även om dessa system hade mycket gemensamt, hade de också unika egenskaper och krävde därför en skräddarsydd matematisk behandling. Citralhydrering var ett system med en dominerande huvudreaktion som producerar citronellal och citronellol som huvudprodukter. Produkterna används som en citrondoftande komponent i parfymer, tvålar och tvättmedel samt som plattform-kemikalier. Dekarboxylering av stearinsyra var ett specialfall, för vilket en reaktionsväg för produktion av långkedjade kolväten utgående från fettsyror söktes. En synnerligen hög produktselektivitet var karakteristisk för detta system. Även processuppskalning modellerades för dekarboxylerings-reaktionen. Direkt syntes av väteperoxid hade som målsättning att framta en förenklad process att producera väteperoxid genom att låta upplöst väte och syre reagera direkt i ett lämpligt lösningsmedel på en aktiv fast katalysator. I detta system förekommer tre bireaktioner, vilka ger vatten som oönskad produkt. Alla dessa tre reaktioner modellerades matematiskt med hjälp av dynamiska massbalanser. Målet med hydrering av glukos och arabinos är att framställa produkter med en hög förädlingsgrad, nämligen sockeralkoholer, genom katalytisk hydrering. För dessa två system löstes ämnesmängd- och energibalanserna simultant för att evaluera effekter inne i porösa katalysatorpartiklar. Impulsbalanser som bestämmer strömningsbetingelser inne i en kemisk reaktor, ersattes i alla modelleringsstudier med semi-empiriska korrelationsuttryck för vätskans volymandel och tryckförlust och med axiell dispersionsmodell för beskrivning av omblandningseffekter. Genom att justera modellens parametrar kunde reaktorns beteende beskrivas väl. Alla experiment var genomförda i laboratorieskala. En stor mängd av kopplade effekter samexisterade: reaktionskinetik inklusive adsorption, katalysatordeaktivering, mass- och värmeöverföring samt strömningsrelaterade effekter. En del av dessa effekter kunde studeras separat (t.ex. dispersionseffekter och bireaktioner). Inverkan av vissa fenomen kunde ibland minimeras genom en noggrann planering av experimenten. På detta sätt kunde förenklingar i modellerna bättre motiveras. Alla system som studerades var industriellt relevanta. Utveckling av nya, förenklade produktionsteknologier för existerande kemiska komponenter eller nya komponenter är ett gigantiskt uppdrag. Studierna som presenterades här fokuserade på en av den teknisk-vetenskapliga utfärdens första etapper.

Mathematical modeling of level of anaesthesia from EEG measurements

Problem of modeling of anaesthesia depth level is studied in this Master Thesis. It applies analysis of EEG signals with nonlinear dynamics theory and further classification of obtained values. The main stages of this study are the following: data preprocessing; calculation of optimal embedding parameters for phase space reconstruction; obtaining reconstructed phase portraits of each EEG signal; formation of the feature set to characterise obtained phase portraits; classification of four different anaesthesia levels basing on previously estimated features. Classification was performed with: Linear and quadratic Discriminant Analysis, k Nearest Neighbours method and online clustering. In addition, this work provides overview of existing approaches to anaesthesia depth monitoring, description of basic concepts of nonlinear dynamics theory used in this Master Thesis and comparative analysis of several different classification methods.

Modeling of high pressure pretreatment process for gold leaching

Investigation of high pressure pretreatment process for gold leaching is the objective of the present master's thesis. The gold ores and concentrates which cannot be easily treated by leaching process are called "refractory". These types of ores or concentrates often have high content of sulfur and arsenic that renders the precious metal inaccessible to the leaching agents. Since the refractory ores in gold manufacturing industry take a considerable share, the pressure oxidation method (autoclave method) is considered as one of the possible ways to overcome the related problems. Mathematical modeling is the main approach in this thesis which was used for investigation of high pressure oxidation process. For this task, available information from literature concerning this phenomenon, including chemistry, mass transfer and kinetics, reaction conditions, applied apparatus and application, was collected and studied. The modeling part includes investigation of pyrite oxidation kinetics in order to create a descriptive mathematical model. The following major steps are completed: creation of process model by using the available knowledge; estimation of unknown parameters and determination of goodness of the fit; study of the reliability of the model and its parameters.

Computational modeling of the properties of TiO2 nanoparticles

In this study we discuss the electronic, structural, and optical properties of titanium dioxide nanoparticles, and also the properties of Ni(II) diimine dithiolato complexes as dyes in dye-sensitized TiO2 based solar cells. The abovementioned properties have been modeled by using computational codes based on the density functional theory. The results achieved show slight evidence on the structure-dependent band gap broadening, and clear blue-shifts in absorption spectra and refractive index functions of ultra-small TiO2 particles. It is also shown that these properties are strongly dependent on the shape of the nanoparticles. Regarding the Ni(II) diimine dithiolato complexes as dyes in dye-sensitized TiO2 based solar cells, it is shown that based on the experimental electrochemical investigation and DFT studies all studied diimine derivatives could serve as potential candidates for the light harvesting, but the e ciencies of the dyes studied are not very promising.

Modeling of Liquid-Solid Flow in Industrial Scale

In the present work, liquid-solid flow in industrial scale is modeled using the commercial software of Computational Fluid Dynamics (CFD) ANSYS Fluent 14.5. In literature, there are few studies on liquid-solid flow in industrial scale, but any information about the particular case with modified geometry cannot be found. The aim of this thesis is to describe the strengths and weaknesses of the multiphase models, when a large-scale application is studied within liquid-solid flow, including the boundary-layer characteristics. The results indicate that the selection of the most appropriate multiphase model depends on the flow regime. Thus, careful estimations of the flow regime are recommended to be done before modeling. The computational tool is developed for this purpose during this thesis. The homogeneous multiphase model is valid only for homogeneous suspension, the discrete phase model (DPM) is recommended for homogeneous and heterogeneous suspension where pipe Froude number is greater than 1.0, while the mixture and Eulerian models are able to predict also flow regimes, where pipe Froude number is smaller than 1.0 and particles tend to settle. With increasing material density ratio and decreasing pipe Froude number, the Eulerian model gives the most accurate results, because it does not include simplifications in Navier-Stokes equations like the other models. In addition, the results indicate that the potential location of erosion in the pipe depends on material density ratio. Possible sedimentation of particles can cause erosion and increase pressure drop as well. In the pipe bend, especially secondary flows, perpendicular to the main flow, affect the location of erosion.