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.

Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

Mass transfer and particleinteractions in granular systems and suspension flows

The purpose of this study was to investigate some important features of granular flows and suspension flows by computational simulation methods. Granular materials have been considered as an independent state ofmatter because of their complex behaviors. They sometimes behave like a solid, sometimes like a fluid, and sometimes can contain both phases in equilibrium. The computer simulation of dense shear granular flows of monodisperse, spherical particles shows that the collisional model of contacts yields the coexistence of solid and fluid phases while the frictional model represents a uniform flow of fluid phase. However, a comparison between the stress signals from the simulations and experiments revealed that the collisional model would result a proper match with the experimental evidences. Although the effect of gravity is found to beimportant in sedimentation of solid part, the stick-slip behavior associated with the collisional model looks more similar to that of experiments. The mathematical formulations based on the kinetic theory have been derived for the moderatesolid volume fractions with the assumption of the homogeneity of flow. In orderto make some simulations which can provide such an ideal flow, the simulation of unbounded granular shear flows was performed. Therefore, the homogeneous flow properties could be achieved in the moderate solid volume fractions. A new algorithm, namely the nonequilibrium approach was introduced to show the features of self-diffusion in the granular flows. Using this algorithm a one way flow can beextracted from the entire flow, which not only provides a straightforward calculation of self-diffusion coefficient but also can qualitatively determine the deviation of self-diffusion from the linear law at some regions nearby the wall inbounded flows. Anyhow, the average lateral self-diffusion coefficient, which was calculated by the aforementioned method, showed a desirable agreement with thepredictions of kinetic theory formulation. In the continuation of computer simulation of shear granular flows, some numerical and theoretical investigations were carried out on mass transfer and particle interactions in particulate flows. In this context, the boundary element method and its combination with the spectral method using the special capabilities of wavelets have been introduced as theefficient numerical methods to solve the governing equations of mass transfer in particulate flows. A theoretical formulation of fluid dispersivity in suspension flows revealed that the fluid dispersivity depends upon the fluid properties and particle parameters as well as the fluid-particle and particle-particle interactions.

Development of advanced silicon radiation detectors for harsh radiation environment

This thesis describes the development of advanced silicon radiation detectors and their characterization by simulations, used in the work for searching elementary particles in the European Organization for Nuclear Research, CERN. Silicon particle detectors will face extremely harsh radiation in the proposed upgrade of the Large Hadron Collider, the future high-energy physics experiment Super-LHC. The increase in the maximal fluence and the beam luminosity up to 1016 neq / cm2 and 1035 cm-2s-1 will require detectors with a dramatic improvement in radiation hardness, when such a fluence will be far beyond the operational limits of the present silicon detectors. The main goals of detector development concentrate on minimizing the radiation degradation. This study contributes mainly to the device engineering technology for developing more radiation hard particle detectors with better characteristics. Also the defect engineering technology is discussed. In the nearest region of the beam in Super-LHC, the only detector choice is 3D detectors, or alternatively replacing other types of detectors every two years. The interest in the 3D silicon detectors is continuously growing because of their many advantages as compared to conventional planar detectors: the devices can be fully depleted at low bias voltages, the speed of the charge collection is high, and the collection distances are about one order of magnitude less than those of planar technology strip and pixel detectors with electrodes limited to the detector surface. Also the 3D detectors exhibit high radiation tolerance, and thus the ability of the silicon detectors to operate after irradiation is increased. Two parameters, full depletion voltage and electric field distribution, is discussed in more detail in this study. The full depletion of the detector is important because the only depleted area in the detector is active for the particle tracking. Similarly, the high electric field in the detector makes the detector volume sensitive, while low-field areas are non-sensitive to particles. This study shows the simulation results of full depletion voltage and the electric field distribution for the various types of 3D detectors. First, the 3D detector with the n-type substrate and partial-penetrating p-type electrodes are researched. A detector of this type has a low electric field on the pixel side and it suffers from type inversion. Next, the substrate is changed to p-type and the detectors having electrodes with one doping type and the dual doping type are examined. The electric field profile in a dual-column 3D Si detector is more uniform than that in the single-type column 3D detector. The dual-column detectors are the best in radiation hardness because of their low depletion voltages and short drift distances.

Elinkaariarviointi ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tavoitteiden asettamisen tukena

Diplomityössä tutkittiin elinkaariarvioinnin ja sillä saatavien tulosten käyttöä ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tukena. Työn alussa kuvaillaan niitä asioita, jotka yhdistävät yrityksen ympäristöasioihin. Työn aikana suoritettiin kahden yritysten tuotteille elinkaariarvioinnit. Näistä tutkimuksista saatuja käytännön kokemuksia on käytetty diplomityössä. Pääpainopiste käytännön kokemuksissa oli itse elinkaariarvioinnin tekemisessä esille tulleissa seikoissa sekä tulosten tulkinnassa ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tavoitteiden asettamisen näkökulmasta. Ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tavoitteet ovat: materiaali- ja energiakulutuksen vähentäminen, kierrätettävyyden parantaminen, tuotteen käyttöiän pidentäminen ja ympäristölle haitallisten raaka-aineiden välttäminen. Jokaisella ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tavoitteella on oma erityispiirteensä, joka on huomioitava elinkaariarviointia käytettäessä. Työn aikana havaittiin, että erityinen huomio on kiinnitettävä lähtötietojen keruuvaiheeseen. Vielä nykyään on vaikea saada, etenkin alihankkijoilta, kaikkia tarvittavia inventaariotietoja. Tähän elinkaariarvioinnin suorittamisen kannalta ratkaisevaan vaiheeseen, on kaikkien osapuolten kiinnitettävä tulevaisuudessa huomiota. Myös tulosten tulkintaan kiinnitettiin huomioita. Merkittävien tekijöiden ja niihin vaikutusmahdollisuuksien havaitseminen on tärkeä osa tavoitteiden asettamista. Hyvin perusteltujen tavoitteiden asettamisen edellytys on kattavat ja luotettavat elinkaariarvioinnin tulokset. Nämä taas edellyttävät riittävän laajoja, laadukkaita ja yhdenmukaisia lähtötietoja, joita vielä nykyään on harvoin saatavilla.

Classification-Based compression of Multispectral Images

The purpose of this thesis is to present a new approach to the lossy compression of multispectral images. Proposed algorithm is based on combination of quantization and clustering. Clustering was investigated for compression of the spatial dimension and the vector quantization was applied for spectral dimension compression. Presenting algo¬rithms proposes to compress multispectral images in two stages. During the first stage we define the classes' etalons, another words to each uniform areas are located inside the image the number of class is given. And if there are the pixels are not yet assigned to some of the clusters then it doing during the second; pass and assign to the closest eta¬lons. Finally a compressed image is represented with a flat index image pointing to a codebook with etalons. The decompression stage is instant too. The proposed method described in this paper has been tested on different satellite multispectral images from different resources. The numerical results and illustrative examples of the method are represented too.

Sahalaitosten häiriömittauskäytännön yhtenäistäminen

Työn tavoitteena oli selvittää kahdeksan sahalaitoksen häiriöseurannan nykytila sekä selvittämisen jälkeen ehdottaa sahalaitoksille otettavaksi käyttöön yhtenäinen samoihin häiriön luokitus- ja kirjaamisperiaatteisiin perustuva mittauskäytäntö. Yhtenäisen käytännön myötä sahalaitoksilta saatavat häiriötiedot ovat sahalaitosten kesken vertailukelpoisia. Mittauskäytännön yhtenäistämisellä pyritään nostamaan tuotantolinjojen käytettävyyttä. Sahalaitosten häiriömittauskäytännöissä oletettiin olevan merkittäviä eroja. Työ suoritettiin lähettämällä kysymykset sähköpostilla etukäteen sahalaitoksille, jonka jälkeen käytiin sahalaitoksissa haastattelemassa häiriöasioiden kanssa tekemisissä olevia henkilöitä. Haastattelujen jälkeen sahalaitoksilta saatuja tietoja täydennettiin sähköpostin välityksellä. Näiden toimintatapojen lisäksi tutkittiin sahalaitoksilta saatuja häiriöraportteja ja syykoodilistoja sekä verrattiin tutkimuksessa satuja tuloksia aihetta käsittelevään kirjallisuuteen. Tutkimustulokset vahvistavat työn aloitusvaiheessa tehdyn oletuksen, jonka mukaan sahalaitosten häiriömittauskäytännöissä on merkittäviä eroja. Tutkimusta hyödyntäen asiantuntijatyöryhmä yhtenäisti sahalinjojen ja tasaamoiden pien-häiriöiden ja varsinaisten häiriöiden laukaisurajat sekä häiriöiden mittauspaikat. Myös syykoodilistat yhtenäistettiin. Tämän lisäksi muodostettiin yhtenäinen vertailuraportti, jotta sahalaitosten häiriötietojen vertaileminen on mahdollista.

Agent-augmented process automation system in a panel board factory

Kiristyvä kansainvälinen kilpailu pakottaa automaatiojärjestelmien valmistajat ottamaan käyttöön uusia menetelmiä, joiden avulla järjestelmien suorituskykyä ja joustavuutta saadaan parannettua. Agenttiteknologiaa on esitetty käytettäväksi olemassa olevien automaatiojärjestelmien kanssa vastaamaan automaatiolle asetettaviin uusiin haasteisiin. Agentit ovat itsenäisiä yhteisöllisiä toimijoita, jotka suorittavat niille ennalta määrättyjä tehtäviä. Ne tarjoavat yhtenäisen kehyksen kehittyneiden toimintojen toteutukselle. Agenttiteknologian avulla automaatiojärjestelmä saadaan toimimaan joustavasti ja vikasietoisesti. Tässä työssä selostetaan agenttiteknologian ajatuksia ja käsitteitä. Lisäksi selvitetään sen soveltuvuutta monimutkaisten ohjausjärjestelmien kehittämiseen ja etsitään käyttökohteita sen soveltamiselle levytehtaassa. Työssä käsitellään myös aatteita, jotka ovat johtaneet agenttiteknologian käyttöön automaatiojärjestelmissä, sekä selostetaan agenttiavusteisen esimerkkisovelluksen rakenne ja testitulokset. Tutkimuksen tuloksena löydettiin useita kohteita agenttiteknologian käytölle levytehtaassa. Esimerkkisovellus osoittaa sen sopivan hyvin kehittyneiden toimintojen toteutukseen automaatiojärjestelmissä.

Partikkelikokoanalyysimenetelmän kehittäminen

Päällystettyä paperia valmistettaessa syntyy päällystettyä hylkyä, joka kierrätetään takaisin prosessiin raaka-aineen tehokkaaksi hyödyntämiseksi. Hylyn mukana takaisin paperikoneen lyhyeen kiertoon päätyy myös pigmenttiaines levymäisinä partikkeleina. Nämä partikkelit rejektoituvat lyhyen kierron pyörrepuhdistimilla. Raaka-aineen hävikin pienentämiseksi käytetään lyhyessä kierrossa täyteaineen talteenottojärjestelmää, jonka tehtävänä on hienontaa päällystysainepartikkelit tasakokoisiksi, jotta ne voitaisiin palauttaa prosessiin. Talteenottolaitteistojen toiminnan tarkkailun kannalta on keskeistä tietää pyörrepuhdistuslaitoksen eri jakeiden partikkelikokojakaumat juuri pigmenttipartikkelien osalta. Tätä määritystä häiritsee näytteissä oleva kuitu. Tässä työssä pyrittiin löytämään partikkelikokoanalyysimenetelmä, jolla pigmenttien partikkelikokojakauma saataisiin selvitettyä kuidusta huolimatta. Aiemmin käytetty näytteen tuhkaus esikäsittelynä ennen partikkelikokoanalyysiä laserdiffraktiometrillä on osoittautunut toimimattomaksi. Kokeiden pääpaino keskittyi näytteen esikäsittelyyn fraktioinnilla ennen laserdiffraktioanalyysiä ja virtaussytometriamittauksiin. Fraktiointiin käytettiin DDJ-laitetta (dynamic drainage jar), joka oli varustettu metalliviiralla. Kumpikaan menetelmistä ei ollut täysin toimiva partikkelikokoanalyysiin, fraktioinnilla saadaan vähennettyä kuidun partikkelikokojakaumaan aiheuttamaa virhettä, mutta sen toimivuus riippuu paljolti näytteestä. Virtaussytometrialla väriainetta SYTO13 käyttämällä saadaan pigmenttipartikkelit tunnistettua ja näin rajattua kuidut pois mittauksista, mutta pigmenttiä ei saada erotettua puuperäisestä hienoaineesta, mikä vääristää mittaustulosta.

An Evaluation of the Paper Profile - a comparative assessment of the applicability of an emerging environmental communication tool in pulp and paper industry

Diplomityön tavoitteena oli arvioida uutta sellu-, paperi- ja kartonkiteollisuuden Paper Profile -ympäristötuoteselostetta. Paper Profilen tarkoituksena on tarjota paperiteollisuuden asiakkaille ja muille kiinnostuneilla sidosryhmille yhtenäistä ympäristöinformaatiota koskien paperituotteiden koostumusta ja tuotteiden tärkeimpiä ympäristöparametrejä. Työn tärkein tavoite oli arvioida kriittisesti Paper Profilea ja verrata konseptia ISO:n, Kansainvälisen stardardisoimisliiton tuoteselosteeseen sekä löytää konseptien yhtäläisyydet ja erot. Tärkein tehtävä oli tunnistaa ne avaintekijät, joiden avulla Paper Profile -tuoteselostetta voitaisiin pitää yhtenevänä ISO/TR 14025 teknisen raportin kanssa. Lisäksi Paper Profile -tuoteselosteen mahdolliset kehittämistarpeet arvioitiin ISO-tuoteselosteen näkökulmasta. Työn toinen tavoite oli kerätä ja analysoida uuteen tuoteselosteeseen liittyvä asiakaspalaute ja verrata sitä Stora Enson tehtaiden ympäristöpäälliköiden antamiin Paper Profilea koskeviin kommentteihin. Työn tuloksena huomattiin, että Paper Profile -konsepti sellaisenaan ei ole kovin informatiivinen vaan tuoteseloste jättää monia ympäristökysymyksiä avoimeksi. Siitä huolimatta Paper Profile tarjoaa riittävän taustan eri paperituotteiden ympäristökuormitusten keskinäiselle vertailuille. Konseptin viestinnällinen näkökulma paranisi huomattavasti, jos tuoteselosteeseen lisättäisiin kolmannen osapuolen verifiointi. Lisäksi referenssiarvot kertoisivat asiakkaille paremmin esitettyjen parametrien taustoista. Stora Enson tehtaiden ympäristöpäälliköiden, samoin kuin asiakkaidenkin mielestä Paper Profile on yleisesti ottaen potentiaalinen ympäristöviestinnän työkalu, mutta silti konseptiin ehdotettiin joitakin pieniä muutoksia. Avoinna olevat metsäsertifiointikysymykset ja niiden puutteellinen tiedottaminen tuoteselosteessa puhututtivat sekä tehtaiden henkilöstöä että yritysasiakkaita.