Reaktoreiden termisen tehon laskennan epävarmuuksien kartoitus

Diplomityössä selvitettiin Fortum Power and Heat Oy:n Loviisan VVER-440 painevesireaktorilaitosten termisen tehon laskentaan liittyviä epävarmuuksia. Laitoksen turvallisuusteknisissä käyttöehdoissa (TTKE) määrätään reaktorin suurimmaksi sallituksi lämpötehoksi 1500 MW. Tähän perustuen haluttiin selvittää nykyiseen RT1 laskentaan liittyvät epävarmuudet tarkastamalla nykyinen laskenta ja siinä käytetyt termohydrauliset laskentasovitteet. Työn alussa selostetaan lyhyesti Loviisan voimalaitoksen toimintaperiaate, jonka jälkeen esitellään laskentaan osallistuvat prosessimittaukset ja niihin liittyvät epävarmuustekijät. Mittauksille määritettiin epävarmuudet käyttäen hyödyksi komponenttivalmistajien tietoja sekä laitoksen kalibrointitodistuksia ja näiden lisäksi laskettiin standardin mukainen virhe virtauslaipoille. Edellä mainittujen virheiden perusteella voitiin laskea tehon epävarmuudet yksittäiselle höyrystimelle, josta edelleen varianssien summamenetelmällä saatiin reaktorin termiselle teholle 0,78 %:n epävarmuus 95 % luottamustasolla. Laskettua tehon epävarmuutta verrattiin Monte Carlo -menetelmällä suoritettuun tarkistuslaskentaan, jolla termisen tehon epävarmuudeksi saatiin 0,53 %, luottamustason ollessa 95 %. Työssä tarkasteltiin keskiarvotuksen vaikutusta mittausdataan. Näissä tarkasteluissa havaittiin pinnansäädöstä aiheutuva reaktoritehon huojunta, joka oli työn merkittävin havainto.

CFD Simulation of Two-phase and Three-phase Flows in Internal-loop Airlift

Airlift reactors are pneumatically agitated reactors that have been widely used in chemical, petrochemical, and bioprocess industries, such as fermentation and wastewater treatment. Computational Fluid Dynamics (CFD) has become more popular approach for design, scale-up and performance evaluation of such reactors. In the present work numerical simulations for internal-loop airlift reactors were performed using the transient Eulerian model with CFD package, ANSYS Fluent 12.1. The turbulence in the liquid phase is described using κ- ε the model. Global hydrodynamic parameters like gas holdup, gas velocity and liquid velocity have been investigated for a range of superficial gas velocities, both with 2D and 3D simulations. Moreover, the study of geometry and scale influence on the reactor have been considered. The results suggest that both, geometry and scale have significant effects on the hydrodynamic parameters, which may have substantial effects on the reactor performance. Grid refinement and time-step size effect have been discussed. Numerical calculations with gas-liquid-solid three-phase flow system have been carried out to investigate the effect of solid loading, solid particle size and solid density on the hydrodynamic characteristics of internal loop airlift reactor with different superficial gas velocities. It was observed that averaged gas holdup is significantly decreased with increasing slurry concentration. Simulations show that the riser gas holdup decreases with increase in solid particle diameter. In addition, it was found that the averaged solid holdup increases in the riser section with the increase of solid density. These produced results reveal that CFD have excellent potential to simulate two-phase and three-phase flow system.

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.

Simulation of hydrogen peroxide direct synthesis in a microreactor

A set of models in Aspen plus was built to simulate the direct synthesis process of hydrogen peroxide in a micro-reactor system. This process model can be used to carry out material balance calculation under various experimental conditions. Three thermodynamic property methods were compared by calculating gas solubility and Uniquac-RK method was finally selected for process model. Two different operation modes with corresponding operation conditions were proposed as the starting point of future experiments. Simulations for these two modes were carried out to get the information of material streams. Moreover, some hydrodynamic parameters such as gas/liquid superficial velocity, gas holdup were also calculated with improved process model. These parameters proved the proposed experimental conditions reasonable to some extent. The influence of operation conditions including temperature, pressure and circulation ratio was analyzed for the first operation mode, where pure oxygen was fed into dissolving tank and hydrogen-carbon dioxide mixture was fed into microreactor directly. The preferred operation conditions for the system are low temperature (2°C) and high pressure (30 bar) in dissolving tank. High circulation ratio might be good in the sense that more oxygen could be dissolved and fed into reactor for reactions, but meanwhile hydrodynamics of microreactor should be considered. Furthermore, more operation conditions of reactor gas/liquid feeds in both of two operation modes were proposed to provide guidance for future experiment design and corresponding hydrodynamic parameters were also calculated. Finally, safety issue was considered from thermodynamic point of view and there is no explosion danger at given experimental plan since the released reaction heat will not cause solvent vaporization inside the microchannels. The improvement of process model still needs further study based on the future experimental results.

Development of chemical looping combustion process

Chemical looping combustion (CLC) provides a promising technology to help cut carbon dioxide emissions. CLC is based on separated oxidation and reduction processes. Oxygen carrier, which is made from metal and supporting material, is in continuous recirculation between the air and fuel reactors. The CLC process does not require separation unit for carbon dioxide. The fuel reactor can produce an almost pure carbon dioxide feed which decrease costs of carbon capture and storage (CCS). The CLC method is one of the most promising ones for energy efficient carbon capture. A large amount of literature was examined for this study and from it the most promising methods and designs were chosen. These methods and designs were combined as reactor system design which was then sized during the making of this thesis. Sizing was done with a mathematical model that was further improved during the study.

Kuulakekoreaktorin sydämen jäähdytevirtauksen CFD-mallinnus

Kandidaatintyössä luotiin CFD-malli mallintamaan jäähdytevirtausta kuulakekoreaktorin sydämessä käyttämällä Ansys Fluent -ohjelmaa. Mallin avulla tarkasteltiin virtauksen käyttäymistä ja painehäviötä ja saatuja tuloksia verrattiin aiempiin tutkimuksiin. Kandidaatin työssä on myös kerrottu mallintamisen etenemisestä ja laskentateoriaa.

Introduktionen av kärnkraften i Finland

Finlands industri har av tradition varit starkt energikrävande. Träförädlingsindustrin, som fick sin egentliga start i medlet på 1800-talet, använde stora mängder energi liksom metallförädlingsföretagen i ett senare skede. Krigstiden med sin energiransonering visade handgripligen för allmänheten liksom för specialisterna att en tillräcklig tillgång till energi är ett livsvillkor för vår industri och därmed för vårt land. Efterkrigstiden kännetecknades av en allt snabbare utbyggnad av den på vatten- och ångkraft baserade elkraftskapaciteten, en utbyggnad som den inhemska verkstadsindustrin i stor utsträckning deltog i. Men redan på 1950-talet var vattenkraften till stor del utbyggd, varför den privata såväl som den statliga sektorns intresse allt mera inriktade sig på den speciellt i USA favoriserade atomenergin. Efter fördjupade studier i kärnfysik och kärnteknik vid the International School of Nuclear Science and Engineering i USA deltog författaren av dessa rader intensivt (först som Ahlströmanställd och senare som VD för Finnatom) i den utvecklingsverksamhet inom det kärntekniska området som inte bara elproducenterna utan även verkstadsindustrin i vårt land genomförde. Det var därför naturligt för mig att som objekt för min doktorsavhandling välja introduktionen av kärnkraften i Finland med speciell fokus på den inhemska verkstadsindustrins roll. Jag ställde följande forskningsfrågor: a. När och hur skedde introduktionen av kärnkraften i Finland? b. Vilka var orsakerna till och resultatet av denna introduktion? c. Vilken var den inhemska verkstadsindustrins roll? Ett grundligt studium av litteraturen inklusive mötesprotokoll och tidningsreferat samt personligen genomförda intervjuer med ett trettiotal av de verkliga aktörerna i den långa och komplicerade introduktionsprocessen ledde till en teori, vars riktighet jag anser mig ha kunnat bevisa. Den inhemska verkstadsindustrins roll var synnerligen central. Dess representanter lyckades, bl.a. refererande till erfarenheterna från utbyggnaden av vatten- och ångkraften liksom till byggandet av den underkritiska milan YXP samt forskningsreaktorn TRIGA, övertyga beslutsfattarna om att den besatt nödig kompetens för att kompensera den kompetensbrist som kunde iakttas inom vissa områden hos den sovjetiska kärnkraftverksleverantören. De inhemska leveranserna påverkade även driftsresultatet, speciellt i fallet Lovisa, i positiv riktning. Introduktionsprocessen, som omfattade tiden från slutet av 1950-talet till början på 1980-talet, beskrevs, noterande bl.a. J. W. Creswells anvisningar, i detalj i avhandlingen. Introduktionen fick som resultat konkurrenskraftig elkraft, impuls till start av nya företag, exempelvis Nokia Elektronik, liksom en klar höjning av den tekniska nivån hos vår industri, inkluderande kärnteknisk tillverkning i stor skala. Katastrofen i Tjernobyl i slutet av april 1986 innebar emellertid att utvecklingen tog en paus på ett par decennier. Erfarenheterna från introduktionsfasen kan förhoppningsvis utnyttjas till fullo nu, när utbyggnaden av kärnkraften återupptagits i vårt land.

Passiiviset turvallisuusjärjestelmät kolmannen sukupolven painevesireaktorilaitoksissa

Kandidaatintutkielmassa esitellään kolmannen sukupolven painevesireaktorilaitosten passiivisia turvallisuusjärjestelmiä.

Monte Carlo -reaktorifysiikkalaskennan ja laskennallisen virtausmekaniikan kytkentä kuulakekoreaktorissa

Monte Carlo -reaktorifysiikkakoodit nykyisin käytettävissä olevilla laskentatehoilla tarjoavat mielenkiintoisen tavan reaktorifysiikan ongelmien ratkaisuun. Neljännen sukupolven ydinreaktoreissa käytettävät uudet rakenteet ja materiaalit ovat haasteellisia nykyisiin reaktoreihin suunnitelluille laskentaohjelmille. Tässä työssä Monte Carlo -reaktorifysiikkakoodi ja CFD-koodi yhdistetään kytkettyyn laskentaan kuulakekoreaktorissa, joka on yksi korkealämpötilareaktorityyppi. Työssä käytetty lähestymistapa on uutta maailmankin mittapuussa ajateltuna.

Production of Biofuels by Fischer Tropsch Synthesis

Production of biofuel via biomass gasification followed by Fischer Tropsch synthesis is of considerable interest because of the high quality of fuels produced which do not contain sulphur and are free of carbon dioxide. The purpose of this Master’s thesis is to study feasibility production of biofuels integrated with Fischer Tropsch process using Aspen Plus simulation. The simulation results were used to size process equipment and carry out an economic evaluation. The results show that lowering the reactor temperature from 1000 oC - 850 oC and raising the water gas shift temperature from 500 oC - 600 oC can improve overall gas efficiency, which in turn leads to better production of ultra clean syngas for the Fischer Tropsch synthetic reactor. Similarly, the Fischer Tropsch offgas is converted into a gas turbine for power production, and finally biodiesel is produced as fuels for transportation.

Reaktorisydämen valvontajärjestelmän modernisointi Olkiluodon kiehutusvesilaitoksella

Reaktorisydämen valvonnalla varmistetaan, että polttoaineelta vaaditut termiset marginaalit toteutuvat ja polttoaineen suojakuori säilyy ehjänä. Olkiluodon kiehutusvesilaitoksen nykyinen sydämen valvontajärjestelmä koostuu SIMULATE-3-sydänsimulaattoriohjelmasta, reaktorisydämen instrumentoinnista, termisen tehon laskentaohjelmasta, tiedonkeruuohjelmista ja käynnistysautomatiikasta. Uusi järjestelmä koostuu näiden lisäksi GARDEL-ohjelmasta, joka on kehitetty kevytvesireaktoreiden sydämen käytön suunnitteluun ja valvontaan. GARDEL käyttää laskentaan samoja ohjelmia, jotka ovat jo Olkiluodon kiehutusvesilaitoksella käytössä. Tämän työn tarkoituksena oli verrata nykyistä ja uutta sydämen valvontajärjestelmää Olkiluodon kiehutusvesilaitoksella. Työssä tutkittiin LPRM-detektorien kalibroinnin jälkeisen datan käsittelyä, palamapäivitystä, stabiilisuuslaskentaa ja adaptiivisia menetelmiä. Järjestelmien vertailuun käytettiin Olkiluoto 2 -laitosyksiköltä käyttöjaksolta 31 (2011–2012) saatuja laskentuloksia. Tulosten perusteella havaittiin uuden järjestelmän laskennassa yksittäisiä virheitä, jotka tulee korjata. Lisäksi uuden järjestelmän toiminnasta tarvitaan lisäselvitystä.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.

Atomikerroskasvatuksen soveltaminen kemiantekniikassa

Tässä kirjallisuustyössä tutkittiin atomikerroskasvatuksen (ALD) soveltamista kemiantekniikassa. Työn alussa kerrottiin atomikerroskasvatuksesta, sen toimintaperiaatteista ja prosessitekniikasta. Tämän jälkeen tutkittiin viittä eri kemiantekniikan sovellusta, jotka olivat polymeerien pinnoittaminen, heterogeenisten katalyyttien syntetisointi, membraanien modifiointi, korroosionesto ja kaasunilmaisimet. ALD on ohutkalvotekniikka, jolla voidaan valmistaa nanometrin tai jopa Ångströmin (1 Å = 0.1 nm) tarkkuudella epäorgaanisia materiaalikerroksia, jotka yleensä ovat metallioksideja, kuten alumiinioksidi. ALD perustuu kaasu-kiintoainereaktioihin, joissa kaasumaiset kemialliset prekursorit reagoivat vuorotellen kasvualustan kanssa. Tyypilliset prekursorit ovat metalliligandi ja vesi, joka on yleisin hapen lähde ALD-reaktioissa. ALD−reaktiot suoritetaan yleensä matalassa paineessa (100−200 Pa) ja korkeassa lämpötilassa (200–400 °C) suljetussa reaktorikammiossa. ALD-prosesseissa voidaan hyödyntää myös plasmaa alentamaan reaktiolämpötiloja. Plasman avulla prekursoreista luodaan hyvin reaktiivisia radikaaleja, jotka voivat reagoida jopa huoneenlämmössä. Lämpöherkkiä polymeerejä voidaan pinnoittaa ohutkalvoilla, joilla voidaan lisätä esimerkiksi pakkausmateriaalien suojaa happea ja vesihöyryä vastaan. ALD:llä voidaan syntetisoida tarkasti nanomittakaavan heterogeenisiä katalyyttejä, joilla on korkea dispersio tukimateriaalin pinnalla. ALD:n avulla voidaan säästää katalyyttimateriaalia menettämättä katalyytin aktiivisuutta, mikä on tärkeää monien katalyyttisovellusten taloudellisuuden kannalta, esimerkiksi polttokennot. ALD soveltuu hyvin membraanien modifiointiin, koska kaasumaiset prekursorit leviävät tasaisesti membraanin huokosiin. Membraanien pinnoittamisella pyritään vaikuttamaan, selektiivisyyteen, hydrofiilisyyteen, liuotinkestävyyteen, huokoskokoon ja sen jakaumaan. Lisäksi membraaneja voidaan pinnoittaa katalyyttisillä ohutkalvoilla, mikä on tärkeää nanoreaktoreiden kehityksen kannalta. ALD:llä voidaan pinnoittaa esimerkiksi terästä, ja vähentää täten teräksen korroosiota. Puolijohtavia metallioksideja voidaan käyttää kaasunilmaisimina, joiden valmistuksessa ALD:n tarkkuudesta on suurta hyötyä.