Analysis of Phase Separator Design Criteria Using Computational Fluid Dynamics

Gravitational phase separation is a common unit operation found in most large-scale chemical processes. The need for phase separation can arise e.g. from product purification or protection of downstream equipment. In gravitational phase separation, the phases separate without the application of an external force. This is achieved in vessels where the flow velocity is lowered substantially compared to pipe flow. If the velocity is low enough, the denser phase settles towards the bottom of the vessel while the lighter phase rises. To find optimal configurations for gravitational phase separator vessels, several different geometrical and internal design features were evaluated based on simulations using OpenFOAM computational fluid dynamics (CFD) software. The studied features included inlet distributors, vessel dimensions, demister configurations and gas phase outlet configurations. Simulations were conducted as single phase steady state calculations. For comparison, additional simulations were performed as dynamic single and two-phase calculations. The steady state single phase calculations provided indications on preferred configurations for most above mentioned features. The results of the dynamic simulations supported the utilization of the computationally faster steady state model as a practical engineering tool. However, the two-phase model provides more truthful results especially with flows where a single phase does not determine the flow characteristics.

Rumpurakenteiden ympäristöongelmat, niiden ehkäisy ja korjaaminen : Keskisuomalainen pilottitutkimus

Tämä on ensimmäinen maakunnanlaajuinen rumpurakennetutkimus Suomessa. Sen tavoitteena on edistää vesialueiden ylitysrakenteisiin liittyvien ympäristöongelmien tunnettavuutta sekä niiden välttämis- ja korjaamiskäytäntöjä. Tarkastelussa keskitytään ensisijaisesti rumpurakenteisiin sekä kaloihin. Tutkimuksen I osassa tarkastellaan keskisuomalaisten ylitysrakenteiden määrää, laatua ja ympäristöhaittoja sekä ylitysrakenteisiin liittyviä lupa-, mitoitus- ja valvontakäytäntöjä. Näiden lisäksi I osan lopussa on kirjallisuustarkastelu rumpurakenteiden ympäristövaikutuksista. Tutkimuksen II osassa annetaan valtakunnallisia suosituksia ylitysrakentamisen synnyttämien ympäristöongelmien ratkaisemiseksi niin suunnittelu-, perustamis-, kunnossapito- kuin uusimistilanteessakin. Tutkimuksen III osaan on koottu rumpurakenteiden kartoitusohjeita. Rumpurakenteisiin liittyvät ympäristökysymykset ovat monin tavoin ajankohtaisia. Ilmastomallit ennustavat valunnan huomattavaa kasvua ja ajallista muutosta, kun taas tuulipuistojen ja metsäteollisuuden tarvitsemat lisätiet merkitsevät uusia vesistöylityksiä. Metsätieverkostomme ja samalla ylitysrakenteiden korjaustarve on myös suuri. Toisaalta aukkomitoitukset on siirretty konsulteille, luonnontilaisia purovesiä on jäljellä enää pari prosenttia ja vesienhoidon tavoite edellyttää vesimuodostumilta hyvää ekologista tilaa. Tila ei voi kuitenkaan olla hyvä, jos ylitysrakenteet katkaisevat virtaveden yhtenäisen jatkumon. Tähän saakka yksittäinen ongelmarumpu on ympäristöllisesti koettu vähäpätöiseksi harmiksi. Kun otetaan huomioon, että Suomessa on noin 90 000 vesistörumpua, että joka kolmas niistä on vaelluseste, että vain pieni osa rakenteista tulee viranomaisten tietoon ja että hankekäytäntöihin sisältyy monia puutteita, asia saakin laajan ympäristöongelman mittasuhteet. Vuosijaksolla 2005–2015 kartoitettiin yli 2 000 ylitysrakennetta, joista yli 85 % rumpuja (Ø < 200 cm). Tyypillinen keskisuomalainen vesistörumpurakenne on muodoltaan pyöreä, pohjaltaan paljas, halkaisijaltaan 90 cm, pituudeltaan 930 cm ja valmistettu betonista. Ylitysrakenteen ympäristöongelma voi johtua rakenteen ominaisuuksista, sen asentamisesta (perustamisesta) ja kunnossapitoon liittyvistä toimista. Miltei kaikki tämän tutkimuksen noin 350 sillasta oli kalojen läpikuljettavissa sekä ylä- että alavirtaan. Sen sijaan lähes 40 % vuosina 2013–2014 tutkituista rummuista (N=830) muodosti pysyvän vaellusesteen. Estevaikutuksen aiheuttivat useimmiten rummun alapään pudotus (keskimäärin 13 cm), liian suuri virtausnopeus, rakenteen pohjan sileys, veden mataluus sekä rakenteen suulla olevat kivi-, jäte- ja karikepadot. Eurooppalaisen vesiensuojelun ja -hoidon perusteeseihin kuuluu virtavesien vapaa uomajatkumo ja hyvälaatuinen elinympäristö. Siksi uusi vesirakentaminen ei saa enää synnyttää vaellusesteitä. Myös ylitysrakenteiden uusimisen ja korjaamisen yhteydessä tulee aiemman rakentamisen aiheuttamia ympäristöhaittoja ja -vahinkoja vähentää tai mieluiten kokonaan poistaa. Valtaosa ylitysrakenteisiin liittyvistä ympäristöongelmista on vältettävissä pelkästään oikealla rakennevalinnalla, oikealla tielinjauksella ja rakenteen oikealla asentamisella. Tämä puolestaan edellyttää ohjeistuksen ja -koulutuksen tehostamista, ympäristöasiantuntemuksen lisäämistä ylityshankkeissa, uusien ylitysrakennemallien kehittämistä sekä vesilain täydentämistä ns. pieniä vesitaloushankkeita koskevan ilmoitusmenettelyn osalta.

Tenojoen pääuoman habitaattien määrä ja merkitys lohen (Salmo salar) poikastuotannolle

Atlantin lohen (Salmo salar) kannanhoidollisia toimenpiteitä varten vaaditaan tietoa lisääntymisjoissa olevien habitaattien määrästä ja laadusta. Tässä tutkielmassa selvitettiin Tenojoen pääuoman erilaisten habitaattien määrää ja niiden merkitystä lohen poikashabitaatteina. Tenojoen pääuoma kartoitettiin lohen habitaattien kartoitukseen kehitetyllä mesohabitaatti-luokittelulla, jossa joki kartoitetaan havainnoimalla sen hydromorfologisia piirteitä, virtausnopeutta, syvyyttä ja pohjan raekokoa. Lisäksi mitattiin suojakolojen määrää ja syvyysluokkaa erilaisilla substraateilla, ja tämän perusteella arvioitiin pohjan raekoon vaikutusta suojakolojen määriin ja syvyyteen. Lohenpoikasten esiintyvyyttä erilaisilla mesohabitaateilla, syvyyksillä ja substraateilla selvitettiin koekalastamalla laajoja alueita erityisvalmisteisella sähkökoekalastusveneellä. Raekoon, syvyyden ja suojakolojen vaikutusta lohenpoikastiheyksiin testattiin lisäksi tilastollisin menetelmin käyttämällä Luonnonvarakeskuksen tekemiä sähkökoekalastuksia. Mesohabitaattikartoituksen ja veneellä tehtyjen sähkökoekalastuksien aikana virtaama Tenojoessa oli lähellä vuosittaista minimiä. Mesohabitaattikartoituksesta selvisi, että Tenojoesta valtaosa (67 %) kuului hiekkapohjaiseen ja >50 cm/s virtaavaan mesohabitaattiin. Veneellä tehdyissä sähkökoekalastuksissa näiltä hiekka-alueilta saatiin vain vähäisiä määriä lohenpoikasia, ja nekin rantavyöhykkeiltä, joilla oli kivien ja lohkareiden muodostamia suojapaikkoja. Noin 32 % Tenojoesta on pienen virtaaman aikana lohen poikashabitaattina merkittäviä, nivamaisia tai koskimaisia alueita, jotka voidaan luokitella syvyyden ja virtausnopeuden mukaan eri mesohabitaattiluokkiin. Suojakolomittauksien perusteella vallitseva raekoko vaikuttaa merkitsevästi suojakolojen määrään ja syvyyteen. Kesän vanhat (0+) ja vanhemmat (>0+) poikaset suosivat eri syvyisiä suojakoloja, ja etenkin >0+ poikasten määrä ja >10 cm syvien suojakolojen määrän välillä oli voimakas positiivinen korrelaatio (p = 0,01). Ympäristöparametrien (syvyys, virtausnopeus ja raekoko) ja poikastiheyksien välinen suhde vastasi hyvin aiempia tutkimuksia, mutta sekä kesän vanhoja (0+) ja vanhempia (>0+) poikasia havaittiin aikaisempien tutkimuksien preferenssiarvoja syvemmillä alueilla. Veneellä tehdyissä sähkökoekalastuksissa havaittiin suurempia poikastiheyksiä rannanläheisillä linjoilla verrattuna joen keskellä tehtyihin koekalastuslinjoihin, kun vertailtiin habitaattiolosuhteiltaan samankaltaisia linjoja, jotka olivat ainakin osittain joen pituussuunnassa päällekkäin.