Modeling a Network of Heat Exchangers

This research work addresses the problem of building a mathematical model for the given system of heat exchangers and to determine the temperatures, pressures and velocities at the intermediate positions. Such model could be used in nding an optimal design for such a superstructure. To limit the size and computing time a reduced network model was used. The method can be generalized to larger network structures. A mathematical model which includes a system of non-linear equations has been built and solved according to the Newton-Raphson algorithm. The results obtained by the proposed mathematical model were compared with the results obtained by the Paterson approximation and Chen's Approximation. Results of this research work in collaboration with a current ongoing research at the department will optimize the valve positions and hence, minimize the pumping cost and maximize the heat transfer of the system of heat exchangers.

Selluloosapohjaisten superkondensaattorien valmistaminen hiilinanoputkista

Tämän työn tarkoitus on seuloa oleelliset prosessiparametrit superkondensaattoreiden elektrodikomposiittien valmistuksessa, jotka vaikuttavat kondensaattorin laatuun. Tarkoitus on tutkia parametreja, joiden avulla prosessia on mahdollista optimoida. Työn tarkoituksena on tutkia myös itse komponenttimateriaalien valmistusvaiheen sekoitusprosessia mitatulla ja laskennallisella seokseen siirtyvällä tehonkulutuksella. Työn kirjallisuusosassa esitetään superkondensaattoreiden rakennetta, toimintamekanismia ja ominaisuuksia sähköenergian varastoijana. Lisäksi tarkastellaan tavallisimpia kondensaattoreihin sisältyviä materiaaleja, erityisesti hiilinanoputkia ja selluloosakuituja. Sekoitusprosesseista tarkastellaan kokeellisessa osassa käytettävien sekoituslaitteita ja niiden toimintamekanismeja komponenttien sekoitusprosesseissa. Kokeellisessa osassa tutkimuskysymyksiksi asetettiin eri sekoitusparametrien (materiaalin määrä ja laatu sekä sekoitusajat) vaikutus superkondensaattorien elektrodiarkkien ominaiskapasitansseihin. Testit suoritettiin LUT Prosessien laboratoriossa, ja testeissä massojen sekoitukseen käytettiin roottoristaattoria ja ultraäänisekoitinta. Lisäksi tutkittiin prosessin skaalausta varten skaalatulla laitteistolla sekoitettuja massanäytteitä. Sekoitusprosessin riittävyyttä varten tutkittiin kokeellisesti käytettyjen sekoituslaitteiden tehonkulutusta. Lisäksi roottoristaattorille tehtiin laskentaohjelmalla virtaussimulaatio paikallisen tehonkulutuksen selvittämiseksi Testeissä todettiin tutkittujen parametrien vaikutus, mutta tulosten perusteella varsinaista optimointia ei kyetty tekemään. Tulokset kuitenkin antavat suunnan, johon prosessia voi optimointia varten kehittää. Myös sekoitukseen todettiin siirtyvän suuri määrä tehoa tutkituilla laitteilla, mitä voidaan pitää mahdollisesti riittävänä käytettyjen komponenttien sekoitukseen.

Haihdutusnopeuksien määritys glysiinin alipainekiteytyksessä

Alipainekiteytyksessä tasalaatuisen lopputuotteen valmistamiseksi kiteytysolosuhteiden vaikutus liuottimen haihtumisvuohon ja kiteiden ominaisuuksiin on huomioitava. Kandidaatin työn tavoitteena oli selvittää, miten glysiinin alipainekiteytyksessä vesiliuoksesta kiteytysolosuhteet (lämpötila ja paine) vaikuttavat liuottimen haihtumisvuohon ja syntyvien kiteiden polymorfiaan. Haihdutuskokeet suoritettiin puhtaalle vedelle ja alipainekiteytyskokeet glysiinin 95 % kylläiselle vesiliuokselle lämpötiloissa 40 °C, 50 °C ja 60 °C ja paineissa 40 mbar, 60 mbar ja 80 mbar. Kiteyttimenä käytettiin suljettua, virtaushaitoilla, sekoittimella ja ohjausputkella varustettua reaktoria johon oli kytketty alipainepumppu ja termostaatti paineen ja lämpötilan ohjaamiseksi. Nesteen määrä haihdutuskokeissa oli 2 kg ja alipainekiteytyskokeissa 1,2 kg. Osa alipainekiteytyskokeista saaduista kiteistä analysoitiin jauheröntgendiffraktioanalysaattorin (PXRD, engl. powder x-ray diffraction) avulla. Kaikki PXRD-laitteella analysoidut alipainekiteytyskokeissa saadut kiteet osoittautuivat glysiinin γ-polymorfiksi. Kiteytysolosuhteilla oli selkeä vaikutus haihtumisvuohon, mutta vaikutusta glysiinikiteiden polymorfiaan ei havaittu koealueella.

Optimizing the Performance of a Heat Exchanger Network

This research is the continuation and a joint work with a master thesis that has been done in this department recently by Hemamali Chathurangani Yashika Jayathunga. The mathematical system of the equations in the designed Heat Exchanger Network synthesis has been extended by adding a number of equipment; such as heat exchangers, mixers and dividers. The solutions of the system is obtained and the optimal setting of the valves (Each divider contains a valve) is calculated by introducing grid-based optimization. Finding the best position of the valves will lead to maximization of the transferred heat in the hot stream and minimization of the pressure drop in the cold stream. The aim of the following thesis will be achieved by practicing the cost optimization to model an optimized network.

Continuous Counter-current Solvent Extraction of Magnesium and Calcium from Lithium-rich Brine

Solvent extraction of calcium and magnesium impurities from a lithium-rich brine (Ca ~ 2,000 ppm, Mg ~ 50 ppm, Li ~ 30,000 ppm) was investigated using a continuous counter-current solvent extraction mixer-settler set-up. The literature review includes a general review about resources, demands and production methods of Li followed by basics of solvent extraction. Experimental section includes batch experiments for investigation of pH isotherms of three extractants; D2EHPA, Versatic 10 and LIX 984 with concentrations of 0.52, 0.53 and 0.50 M in kerosene respectively. Based on pH isotherms LIX 984 showed no affinity for solvent extraction of Mg and Ca at pH ≤ 8 while D2EHPA and Versatic 10 were effective in extraction of Ca and Mg. Based on constructed pH isotherms, loading isotherms of D2EHPA (at pH 3.5 and 3.9) and Versatic 10 (at pH 7 and 8) were further investigated. Furthermore based on McCabe-Thiele method, two extraction stages and one stripping stage (using HCl acid with concentration of 2 M for Versatic 10 and 3 M for D2EHPA) was practiced in continuous runs. Merits of Versatic 10 in comparison to D2EHPA are higher selectivity for Ca and Mg, faster phase disengagement, no detrimental change in viscosity due to shear amount of metal extraction and lower acidity in stripping. On the other hand D2EHPA has less aqueous solubility and is capable of removing Mg and Ca simultaneously even at higher Ca loading (A/O in continuous runs > 1). In general, shorter residence time (~ 2 min), lower temperature (~23 °C), lower pH values (6.5-7.0 for Versatic 10 and 3.5-3.7 for D2EHPA) and a moderately low A/O value (< 1:1) would cause removal of 100% of Ca and nearly 100% of Mg while keeping Li loss less than 4%, much lower than the conventional precipitation in which 20% of Li is lost.

Prosessiteollisuuden sekoittimen elinkaariarviointi

Työn tavoitteena oli tehdä elinkaariarviointi (LCA) prosessiteollisuuden sekoittimelle Helmix HF-80 ja analysoida LCA-tulokset, vaikutus ilmaston lämpenemisen potentiaalin (GWP) suhteen, sekä tutkia GWP-vaikutuksen pienentämisen mahdollisuuksia. Tutkittavan sekoittimen mahdolliset käyttökohteet ovat sellu- ja paperiteollisuus, raskaiden jätenesteiden käsittely, sekä muut teollisuusalueet, joissa käytetään tämän tyyppisiä laitteita. Työssä on muun muassa käsitelty sekoitusprosessit, sekoituslaitteiden tyypit, niiden rakenteiden ominaisuudet, käyttötarkoitus, toimintaperiaatteet, sekä sellu- ja paperi-teollisuudessa käytettävien sekoittimien yleiskatsaus. Työssä on myös kuvattu elinkaariarviointi (LCA) -menetelmä ja sen käyttötarkoitus. Tärkeimmistä tuloksista voi mainita sen, että sekoittimen (ilman säiliötä, sähkömoottoria ja vaihteistoa) kokoelinkaaren ilmastonlämpenemisen potentiaali (GWP) on noin 750 000 kg CO2-Equiv. Sekoittimen tuotanto- ja kierrätysaikana syntyy vain 1200 kg CO2-Equiv. ja suurin osa 748 000 kg CO2-Equiv. johtuu sähköenergian kulutuksesta käytön aikana. Käyttöajan vaikutusta voisi pienentää arvoksi 0 kg CO2-Equiv. käyttämällä pelkästään uusiutuvaa energiaa. Jos tuotantoaikana käytetty energia myös korvataan uusiutuvalla energialla, niin GWP-arvo koko elinkaaren aikana laskee arvoon 1006 kg CO2eqv., mikä on vain 0,13 % saaduista tuloksista. Suurin osa tästä arvosta liittyy sekoittimen materiaalin, tässä tapauksessa ruostumattoman teräksen tuotantoon.