The Optimization of Flotation Process Parameters in the Deinking Plant

Tämän diplomityön tavoitteena oli sekundäärisen esiflotaation optimointi Stora Enso Sachsen GmbH:n tehtaalla. Optimoinnin muuttujana käytettiin vaahdon määrää ja optimointiparametreinä ISO-vaaleutta, saantoja sekä tuhkapitoisuutta. Lisäksi tutkittiin flotaatiosakeuden vaikutusta myös muihin tehtaan flotaatioprosesseihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin flotaatiotapahtumaa, poistettavien partikkeleiden ja ilmakuplien kontaktia, vaahdon muodostumista sekä tärkeimpiä käytössä olevia siistausflotaattoreiden laiteratkaisuja. Kokeellisessa osassa tutkittiin flotaatiosakeuden pienetämisen vaikutuksia tehtaan flotaatioprosesseihin tuhkapitoisuuden, ISO-vaaleuden, valon sironta- ja valon absorpiokerrointen kannalta. Sekundäärisen esiflotaation optimonti suoritettiin muuttamalla vaahdon määrää kolmella erilaisella injektorin koolla, (8 mm, 10 mm ja 13 mm), joista keskimmäinen kasvattaa 30 % massan tilavuusvirtaa ilmapitoisuuden muodossa. Optimonnin tarkoituksena oli kasvattaa hyväksytyn massajakeen ISO-vaaleutta, sekä kasvattaa kuitu- ja kokonaissaantoa sekundäärisessä esiflotaatiossa. Flotaatiosakeuden pienentämisellä oli edullisia vaikutuksia ISO-vaaleuteen ja valon sirontakertoimeen kussakin flotaatiossa. Tuhkapitoisuus pieneni sekundäärisissä flotaatioissa enemmän sakeuden ollessa pienempi, kun taas primäärisissä flotaatiossa vaikutus oli päinvastainen. Valon absorptiokerroin parani jälkiflotaatioissa alhaisemmalla sakeudella, kun taas esiflotaatioissa vaikutus oli päinvastainen. Sekundäärisen esiflotaation optimoinnin tuloksena oli lähes 5 % parempi ISO-vaaleus hyväksytyssä massajakeessa. Kokonaissaanto parani optimoinnin myötä 5 % ja kuitusaanto 2 %. Saantojen nousu tuottaa vuosittaisia säästöjä siistauslaitoksen tuotantokapasiteetin noustessa 0,5 %. Tämän lisäksi sekundäärisessä esiflotaatiossa rejektoituvan massavirran pienentyminen tuottaa lisäsäästöjä tehtaan voimalaitoksella.

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Spectral Radiative Properties of Combustion Gases in Oxy/Air-Fired Combustion Systems

Energy efficiency is one of the major objectives which should be achieved in order to implement the limited energy resources of the world in a sustainable way. Since radiative heat transfer is the dominant heat transfer mechanism in most of fossil fuel combustion systems, more accurate insight and models may cause improvement in the energy efficiency of the new designed combustion systems. The radiative properties of combustion gases are highly wavelength dependent. Better models for calculating the radiative properties of combustion gases are highly required in the modeling of large scale industrial combustion systems. With detailed knowledge of spectral radiative properties of gases, the modeling of combustion processes in the different applications can be more accurate. In order to propose a new method for effective non gray modeling of radiative heat transfer in combustion systems, different models for the spectral properties of gases including SNBM, EWBM, and WSGGM have been studied in this research. Using this detailed analysis of different approaches, the thesis presents new methods for gray and non gray radiative heat transfer modeling in homogeneous and inhomogeneous H2O–CO2 mixtures at atmospheric pressure. The proposed method is able to support the modeling of a wide range of combustion systems including the oxy-fired combustion scenario. The new methods are based on implementing some pre-obtained correlations for the total emissivity and band absorption coefficient of H2O–CO2 mixtures in different temperatures, gas compositions, and optical path lengths. They can be easily used within any commercial CFD software for radiative heat transfer modeling resulting in more accurate, simple, and fast calculations. The new methods were successfully used in CFD modeling by applying them to industrial scale backpass channel under oxy-fired conditions. The developed approaches are more accurate compared with other methods; moreover, they can provide complete explanation and detailed analysis of the radiation heat transfer in different systems under different combustion conditions. The methods were verified by applying them to some benchmarks, and they showed a good level of accuracy and computational speed compared to other methods. Furthermore, the implementation of the suggested banded approach in CFD software is very easy and straightforward.

Jatkuvan äänitehojakautuman algoritmi pitkien käytävien äänikenttien mallintamiseen

JÄKÄLA-algoritmi (Jatkuvan Äänitehojakautuman algoritmi Käytävien Äänikenttien LAskentaan) ja sen NUMO- ja APPRO-laskentayhtälöt perustuvat käytävällä olevan todellisen äänilähteen kuvalähteiden symmetriaan. NUMO on algoritmin numeerisen ratkaisun ja APPRO likiarvoratkaisun laskentayhtälö. Algoritmia johdettaessa oletettiin, että absorptiomateriaali oli jakautunut tasaisesti käytävän ääntä heijastaville pinnoille. Suorakaiteen muotoisen käytävän kuvalähdetason muunto jatkuvaksi äänitehojakautumaksi sisältää kolme muokkausvaihetta. Aluksi suorakaiteen kuvalähdetaso muunnetaan neliön muotoiseksi. Seuraavaksi neliön muotoisen kuvalähdetason samanarvoiset kuvalähteet siirretään koordinaattiakselille diskreetiksi kuvalähdejonoksi. Lopuksi kuvalähdejono muunnetaan jatkuvaksi äänitehojakautumaksi, jolloin käytävän vastaanottopisteen äänenpainetaso voidaan laskea integroimalla jatkuvan äänitehojakautuman yli. JÄKÄLA-algoritmin validiteetin toteamiseksi käytettiin testattua kaupallista AKURI-ohjelmaa. AKURI-ohjelma antoi myös hyvän käsityksen siitä, miten NUMO- ja APPRO-yhtälöillä lasketut arvot mahdollisesti eroavat todellisilla käytävillä mitatuista arvoista. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöitä testattiin myös vertaamalla niiden antamia tuloksia kolmen erityyppisen käytävän äänenpainetasomittauksiin. Tässä tutkimuksessa on osoitettu, että akustisen kuvateorian pohjalta on mahdollista johtaa laskenta-algoritmi, jota voidaan soveltaa pitkien käytävien äänikenttien pika-arvioinnissa paikan päällä. Sekä teoreettinen laskenta että käytännön äänenpainetasomittaukset todellisilla käytävillä osoittivat, että JÄKÄLA-algoritmin yhtälöiden ennustustarkkuus oli erinomainen ideaalikäytävillä ja hyvä niillä todellisilla käytävillä, joilla ei ollut ääntä heijastavia rakenteita. NUMO- ja APPRO-yhtälöt näyttäisivät toimivan hyvin käytävillä, joiden poikkileikkaus oli lähes neliön muotoinen ja joissa pintojen suurin absorptiokerroin oli korkeintaan kymmenen kertaa pienintä absorptiokerrointa suurempi. NUMO- ja APPRO-yhtälöiden suurin puute on, etteivät ne ota huomioon pintojen erilaisia absorptiokertoimia eivätkä esineistä heijastuvia ääniä. NUMO- ja APPRO- laskentayhtälöt poikkesivat mitatuista arvoista eniten käytävillä, joilla kahden vastakkaisen pinnan absorptiokerroin oli hyvin suuri ja toisen pintaparin hyvin pieni, ja käytävillä, joissa oli massiivisia, ääntä heijastavia pilareita ja palkkeja. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöt antoivat tutkituilla käytävillä kuitenkin selvästi tarkempia arvoja kuin Kuttruffin likiarvoyhtälö ja tilastollisen huoneakustiikan perusyhtälö. JÄKÄLA-algoritmin laskentatarkkuutta on testattu vain neljällä todellisella käytävällä. Algoritmin kehittämiseksi tulisi jatkossa käytävän vastakkaisia pintoja ja niiden absorptiokertoimia käsitellä laskennassa pareittain. Algoritmin validiteetin varmistamiseksi on mittauksia tehtävä lisää käytävillä, joiden absorptiomateriaalien jakautumat poikkeavat toisistaan.

First-principles study on electronic and structural properties of Cu(In/Ga)Se alloys for solar cells

Thin-film photovoltaic solar cells based on the Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS) alloys have attracted more and more attention due to their large optical absorption coefficient, long term stability, low cost, and high efficiency. Modern theoretical studies of this material with first-principles calculations can provide accurate description of the electronic structure and yield results in close agreement with experimental values, but takes a large amount of calculation time. In this work, we use first-principles calculations based on the computationally affordable meta- generalized gradient approximation of the density-functional theory to investigate electronic and structural properties of the CIGS alloys. We report on the simulation of the lattice parameters and band gaps, as a function of chemical composition. The obtained results were found to be in a good agreement with the available experimental data.

Influence of reactant absorption and dissolution in heterogeneous precipitation processes

In this research work, the aim was to investigate the volumetric mass transfer coefficient [kLa] of oxygen in stirred tank in the presence of solid particle experimentally. The kLa correlations as a function of propeller rotation speed and flow rate of gas feed were studied. The O2 and CO2 absorption in water and in solid-liquid suspensions and heterogeneous precipitation of MgCO3 were thoroughly examined. The absorption experiments of oxygen were conducted in various systems like pure water and in aqueous suspensions of quartz and calcium carbonate particles. Secondly, the precipitation kinetics of magnesium carbonate was also investigated. The experiments were performed to study the reactive crystallization with magnesium hydroxide slurry and carbon dioxide gas by varying the feed rates of carbon dioxide and rotation speeds of mixer. The results of absorption and precipitation are evaluated by titration, total carbon (TC analysis), and ionic chromatrography (IC). For calcium carbonate, the particle concentration was varied from 17.4 g to 2382 g with two size fractions: 5 µm and 45-63 µm sieves. The kLa and P/V values of 17.4 g CaCO3 with particle size of 5µm and 45-63 µm were 0.016 s-1 and 2400 W/m3. At 69.9 g concentration of CaCO3, the achieved kLa is 0.014 s-1 with particle size of 5 µm and 0.017 s-1 with particle size of 45 to 63 µm. Further increase in concentration of calcium carbonate, i.e. 870g and 2382g , does not affect volumetric mass transfer coeffienct of oxygen. It could be concluded from absorption results that maximum value of kLa is 0.016 s-1. Also particle size and concentration does affect the transfer rate to some extend. For precipitation experiments, the constant concentration of Mg(OH)2 was 100 g and the rotation speed varied from 560 to 750 rpm, whereas the used feed rates of CO2 were 1 and 9 L/min. At 560 rpm and feed rate of CO2 is 1 L/min, the maximum value of Mg ion and TC were 0.25 mol/litre and 0.12 mol/litre with the residence time of 40 min. When flow rate of CO2 increased to 9 L/min with same 560 rpm, the achieved value of Mg and TC were 0.3 mol/litre and 0.12 mol/L with shorter residence time of 30 min. It is concluded that feed rate of CO2 is dominant in precipitation experiments and it has a key role in dissociation and reaction of magnesium hydroxide in precipitation of magnesium carbonate.

Effect of compression wood on surface roughness and surface absorption of medium density fiberboard

Abstract

Hienopaperimassojen lujuusominaisuudet nopeassa vetokuormituksessa

Työssä verrattiin koivu-, akaasia- ja eucalyptussellujen käyttökelpoisuutta hienopapereiden kuituraaka-aineena. Kirjallisuusosassa todettiin radan hallinnan paperikoneiden avoimissa vienneissä riippuvan käytetyn geometrian lisäksi lujuus- ja relaksaatio-ominaisuuksista. Kuituverkoston käyttäytymiseen jännityksen alaisena vaikuttavat kuitudimensiot, kosteus ja lämpötila sekä kuituverkostoon kohdistetun jännityksen nopeus ja määrä. Relaksaationopeus ja vetolujuus kasvavat kuivilla papereilla vetonopeuden lisääntyessä. Kosteuspitoisuuden kasvattaminen alentaa puukuiduissa olevien polymeerien lasisiirtymälämpötilaa, jonka seurauksena vetolujuus ja relaksaatiokireys laskevat voimakkaasti. Kosteuspitoisuuden kasvaessa murtovenymä kasvaa lähes lineaarisesti ja repäisylujuus sekä murtotyö saavuttavat maksiminsa tietyssä kosteuspitoisuudessa. Kokeellisessa osassa keskityttiin hienopaperimassojen lujuus- ja relaksaatiokäyttäytymisen selvittämiseen nopeassa vetokuormituksessa. Lisäksi määritettiin laatu-, massa- ja rakenneominaisuuksia valituille koepisteille. Muuttujina kokeissa olivat massojen kuiva-ainepitoisuudet ja jauhatusolosuhteet sekä havusellun osuus hienopaperimassoissa.CSF-tasoon 350 ml jauhetuista näytteistä parhaat lujuus ja relaksaatio-ominaisuudet olivat koivulla ja heikoimmat akaasialla. Erot koepisteiden välillä korostuivat pienellä havusellun määrällä, mutta kaventuivat huomattavasti havusellun määrää lisättäessä. Samaan vetolujuuteen jauhettaessa massojen erot poistuvat kokonaan. Kuivilla näytteillä löydettiin erinomainen korrelaatio myötölujuuden ja relaksaatiokireyden välille. Puristinkuivien näytteiden relaksaatiokireyksiä voidaan kokeiden valossa ennustaa parhaiten kuivien näytteiden vetolujuuksista. Myös elastisten venymien osuuksille ja kuituseinämien paksuuksille löydettiin selvä yhteys.Eucalyptus- ja akaasiamassojen erinomaisuus hienopapereiden raaka-aineena korostui niiden optisissa ominaisuuksissa, erityisesti korkeana valonsirontana. Verrattaessa samassa vetolujuudessa ja relaksaatiokireydessä valonsirontakertoimien arvoja havaittiin akaasian olevan paras koivun jäädessä heikoimmaksi. Lisäksi akaasian ja eucalyptuksen kapeat kuitujakaumat ovat edullisia painokoneessa värin tasaisen imeytymisen kannalta. Akaasian pienet ja taipuisat kuidut antavat paperille tasaisen pinnan ja siten painatuksessa tasaisen painoalustan.

Berry polyphenol absorption and the effect of northern berries on metabolism, ectopic fat accumulation, and associated diseases

The prevalence of obesity and type 2 diabetes has increased at an alarming rate in developed countries. It seems in the light of current knowledge that metabolic syndrome may not develop at all without NAFLD, and NAFLD is estimated to be as common as metabolic syndrome in western population (23 % occurrence). Fat in the liver is called ectopic fat, which is triacylglycerols within the cells of non-adipose tissue. Serum alanine aminotransferase (ALT) values correlate positively with liver fat proportions, and increased activity of ALT predicts type 2 diabetes independently from obesity. Berries, high in natural bioactive compounds, have indicated the potential to reduce the risk of obesity-related diseases. Ectopic fat induces common endocrine excretion of adipose tissue resulting in the overproduction of inflammatory markers, which further induce insulin resistance by multiple mechanisms. Insulin resistance inducing hyperinsulinemia and lipolysis in adipocytes increases the concentration of free fatty acids and consequently causes further fat accumulation in hepatocytes. Polyphenolic fractions of berries have been shown to reverse inflammatory reaction cascades in in vitro and animal studies, and moreover to decrease ectopic fat accumulation. The aim of this thesis was to explore the role of northern berries in obesity-related diseases. The absorption and metabolism of selected berry polyphenols, flavonol glycosides and anthocyanins, was investigated in humans, and metabolites of the studied compounds were identified in plasma and urine samples (I, II). Further, the effects of berries on the risk factors of metabolic syndrome were studied in clinical intervention trials (III, IV), and the different fractions of sea buckthorn berry were tested for their ability to reduce postprandial glycemia and insulinemia after high-glucose meal in a postprandial study with humans (V). The marked impact of mixed berries on plasma ALT values (III), as well as indications of the positive effects of sea buckthorn, its fractions and bilberry on omental adiposity and adhesion molecules (IV) were observed. In study V, sea buckthorn and its polyphenol fractions had a promising effect on potprandial metabolism after high-glucose meal. In the literature review, the possible mechanisms behind the observed effects have been discussed with a special emphasis on ectopic fat accumulation. The literature review indicated that especially tannins and flavonoids have shown potential in suppressing diverse reaction cascades related to systemic inflammation, ectopic fat accumulation and insulin resistance development.

Influence of multi-phase phenomena on semibatch crystallization processes of aqueous solutions

Crystal properties, product quality and particle size are determined by the operating conditions in the crystallization process. Thus, in order to obtain desired end-products, the crystallization process should be effectively controlled based on reliable kinetic information, which can be provided by powerful analytical tools such as Raman spectrometry and thermal analysis. The present research work studied various crystallization processes such as reactive crystallization, precipitation with anti-solvent and evaporation crystallization. The goal of the work was to understand more comprehensively the fundamentals, phenomena and utilizations of crystallization, and establish proper methods to control particle size distribution, especially for three phase gas-liquid-solid crystallization systems. As a part of the solid-liquid equilibrium studies in this work, prediction of KCl solubility in a MgCl2-KCl-H2O system was studied theoretically. Additionally, a solubility prediction model by Pitzer thermodynamic model was investigated based on solubility measurements of potassium dihydrogen phosphate with the presence of non-electronic organic substances in aqueous solutions. The prediction model helps to extend literature data and offers an easy and economical way to choose solvent for anti-solvent precipitation. Using experimental and modern analytical methods, precipitation kinetics and mass transfer in reactive crystallization of magnesium carbonate hydrates with magnesium hydroxide slurry and CO2 gas were systematically investigated. The obtained results gave deeper insight into gas-liquid-solid interactions and the mechanisms of this heterogeneous crystallization process. The research approach developed can provide theoretical guidance and act as a useful reference to promote development of gas-liquid reactive crystallization. Gas-liquid mass transfer of absorption in the presence of solid particles in a stirred tank was investigated in order to gain understanding of how different-sized particles interact with gas bubbles. Based on obtained volumetric mass transfer coefficient values, it was found that the influence of the presence of small particles on gas-liquid mass transfer cannot be ignored since there are interactions between bubbles and particles. Raman spectrometry was successfully applied for liquid and solids analysis in semi-batch anti-solvent precipitation and evaporation crystallization. Real-time information such as supersaturation, formation of precipitates and identification of crystal polymorphs could be obtained by Raman spectrometry. The solubility prediction models, monitoring methods for precipitation and empirical model for absorption developed in this study together with the methodologies used gives valuable information for aspects of industrial crystallization. Furthermore, Raman analysis was seen to be a potential controlling method for various crystallization processes.

Benefits of gas driven ground source heat pump systems

This thesis studies energy efficiencies and technical properties of gas driven ground source heat pumps and pump systems. The research focuses on two technologies: gas engine driven compressor heat pump and thermally driven gas absorption heat pump. System consist of a gas driven compressor or absorption ground source heat pump and a gas condensing boiler, which covers peak load. The reference system is a standard electrically powered compressor heat pump with electric heating elements for peak load. The systems are compared through primary energy ratios. Coefficient of performances of different heat pump technologies are also compared. At heat pump level, gas driven heat pumps are having lower coefficient of performances as compared with corresponding electric driven heat pump. However, gas heat pumps are competitive when primary energy ratios, where electricity production losses are counted in, are compared. Technically, gas heat pumps can potentially achieve a slightly higher temperatures with greater total energy efficiency as compared to the electric driven heat pump. The primary energy ratios of gas heat pump systems in relation to EHP-system improves when the share of peak load increases. Electric heat pump system's overall energy efficiency is heavily dependent on the electricity production efficiency. Economy as well as CO2-emissions were not examined in this thesis, which however, would be good topics for further study.

Spectral characteristics of bacteriorhodopsin water solution

The object of the study is bacteriorhodopsin. This light-sensitive protein have been selected as perspective substance for optical and optoelectronic applications. Bacteriorhodopsin carries out pumping protons through the cell membrane. Biomolecule converts light into an electric signal when sandwiched between electrodes. These properties were utilized in this research to implement photosensors on the basis of BR layers. These properties were utilized in this research to the bR water solution. According to the absorption spectra and using Kramers – Kronig relation the extinction coefficient has been calculated, as well as the related change of the refractive index value.

Inverkan av indirekt rekombination på fotoinducerad absorption

I organiska halvledare påverkas mängden laddningsbärare kraftigt av indirekt rekombination, det vill säga processen då fria laddningsbärare försvinner genom att kombineras med orörliga laddningsbärare av motsatt laddning. De orörliga laddningsbärarna uppstår när laddningsbärare fastnar i fällor, som är energitillstånd med låg energi och densitet. Utöver indirekt rekombination sker även direkt rekombination mellan fria laddningsbärare. Då man tillverkar solceller av organiska halvledare påverkas effektiviteten av energidistributionen och rekombinationsprocesserna i materialen. Utveckling av olika metoder för undersökning av dessa egenskaper är således till nytta i jakten på bättre solcellsmaterial. Målet med detta arbete var att vidareutveckla dataanalysen för cwPA-mätningar(från engelska continuous-wave Photoinduced Absorption) för att ur resultaten få information om indirekt rekombination och fälldistributioner. I cwPA-mätningar studerar man fotoinducerad absorption, det vill säga förändringen i absorption hos ett prov då densiteten av fotogenererade laddningsbärare varierar. Laddningsbärarna genereras av ett pumpljus vars intensitet ges av en fyrkantsvåg som växlar mellan 0 och I med vinkelfrekvensen omega. Resultaten fås i form av i-fas-signal (PAI), som har samma frekvens och fas som pumpljuset, och kvadratur (PAQ), som har samma frekvens som pumpljuset men är fasförskjuten 90 grader. Fördelen med denna mätning är förutom känsligheten att den är kontaktlös, vilket gör att den visar egenskaperna hos det undersökta materialet utan att påverkas av elektriska kontakter. För att undersöka inverkan av indirekt rekombination på cwPA-mätningar simulerades mätresultat genom att använda numeriska beräkningar. Grunden för simuleringarna var att lösa differentialekvationer för densiteter av laddningsbärare i olika tillstånd. Beräkningarna använde en modell med transporttillstånd och fällor placerade så att energidistributionen var symmetrisk för elektroner och hål. Modellen antog att laddningsbärare inte kunde röra sig direkt mellan fällor utan endast via transporttillstånd. Från simuleringarna erhölls användbara samband mellan fotoinducerad absorption och olika fälldistributioner. Särskilt påverkade distributionerna i-fas-signalen för hög intensitet på pumpljuset och kvadraturen för låg frekvens på fyrkantsvågen. För en exponentiell fälldistribution hittades samband mellan mätresultat och distributionens karakteristiska energi (Ech) i förhållande till temperaturen (T). Dessa är för hög intensitet PAI~I^(1+Ech/kT) och för låg frekvens PAQ~omega^(kT/Ech). Resultaten visade att man kan skilja på en exponentiell fälldistribution, en gaussisk fälldistribution och ett system som domineras av direkt rekombination genom att göra cwPA-mätningar vid olika temperaturer.