Aerosolien vaikutus säteilynkulkuun ilmakehässä

Aerosolien vaikutusta säteilynkulkuun ilmakehässä tutkitaan muun muassa niiden ilmastonmuutokseen vaikuttavien ominaisuuksien sekä erilaisten maanpuolustukseen liittyvien sovellusten vuoksi. Tässä työssä keskityttiin aerosolien aiheuttamaan infrapunasäteilyn vaimenemiseen horisontaalisella polulla. Mitattuja vaimennuksen arvoja verrattiin mallinnettuihin ja etsittiin syitä niiden välisiin eroihin. Työn alussa tutustuttiin aerosolien tyypillisiin ominaisuuksiin sekä säteilyn ja aerosolien väliseen vuorovaikutukseen. Tämän jälkeen esiteltiin mittauksissa käytetyt laitteet sekä mallinnuksessa käytetty ohjelmisto ja tiedonkäsittely. Työssä tutkittiin mitattujen ja mallinnettujen aerosolivaimennuskertoimien käyttäytymistä eri sääpametrien (näkyvyys, suhteellinen kosteus ja lämpötila) suhteen. Tutkimuksessa tarkasteltiin myös mitattuja kokojakaumia ja niitä verrattiin mallinnuksessa käytettyihin. Mittalaitteiden epävarmuuksien ja käyttökelpoisten mittaustulosten vähyyden johdosta täyttä varmuutta mittauksien tarkkuudesta ei saavutettu. Mittausten epävarmuudesta huolimatta kävi ilmi, että mitatut kokojakaumat eivät täysin vastaa mallin käyttämiä kokojakaumia. Tulevaisuudessa mittauksia pitää jatkaa, jotta tiedon analysointiin saadaan tarpeeksi kelvollisia mittaustuloksia ja mittalaitteiden luotettavuus selviää.

Inversion and assimilation methods with applications in geophysical remote sensing

Stratospheric ozone can be measured accurately using a limb scatter remote sensing technique at the UV-visible spectral region of solar light. The advantages of this technique includes a good vertical resolution and a good daytime coverage of the measurements. In addition to ozone, UV-visible limb scatter measurements contain information about NO2, NO3, OClO, BrO and aerosols. There are currently several satellite instruments continuously scanning the atmosphere and measuring the UVvisible region of the spectrum, e.g., the Optical Spectrograph and Infrared Imager System (OSIRIS) launched on the Odin satellite in February 2001, and the Scanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY) launched on Envisat in March 2002. Envisat also carries the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) instrument, which also measures limb-scattered sunlight under bright limb occultation conditions. These conditions occur during daytime occultation measurements. The global coverage of the satellite measurements is far better than any other ozone measurement technique, but still the measurements are sparse in the spatial domain. Measurements are also repeated relatively rarely over a certain area, and the composition of the Earth’s atmosphere changes dynamically. Assimilation methods are therefore needed in order to combine the information of the measurements with the atmospheric model. In recent years, the focus of assimilation algorithm research has turned towards filtering methods. The traditional Extended Kalman filter (EKF) method takes into account not only the uncertainty of the measurements, but also the uncertainty of the evolution model of the system. However, the computational cost of full blown EKF increases rapidly as the number of the model parameters increases. Therefore the EKF method cannot be applied directly to the stratospheric ozone assimilation problem. The work in this thesis is devoted to the development of inversion methods for satellite instruments and the development of assimilation methods used with atmospheric models.

Tislauskolonnin pohjaosan likaantumisen vähentäminen sisärakenteita muuttamalla

Tässä työssä tutkittiin pohjaöljy-yksikössä sijaitsevan tislauskolonnin pohjaosan likaantumista ja likaantumisen vähentämistä kolonnin sisärakenteita muuttamalla. Tislauskolonnin likaantuminen aiheutuu raskaista molekyyleistä, asfalteeneistä, joita pohjaöljy sisältää. Pohjaöljyä krakattaessa kevyemmiksi tisleiksi asfalteenien liukoisuus pienenee. Asfalteenimolekyylit alkavat lopulta yhdistyä, minkä seurauksena muodostuu asfalteenejä sisältävä hiilimäinen mesofaasi. Radikaalireaktioiden kautta mesofaasista muodostuu koksia. Mesofaasi tarttuu tiukasti tislauskolonnin sisärakenteiden pinnoille aiheuttaen koksaantumista. Koksaantumisen seurauksena strippausvälipohjina käytettävien suihkupohjien tislausteho huononee. Koksaantumisen johdosta suihkupohjien ja kolonnin pohjaosan tukkeentumisen riski kasvaa. Suihkupohjien likaantumista pyritään vähentämään muuttamalla suihkupohjat sileiksi välipohjiksi ilman patolevyjä ja reikiä. Tällä tavoin saadaan neste virtaamaan vapaasti välipohjalta toiselle, mikä vähentää mesofaasin ja koksin muodostumista. Likaantumista voitaisiin myös vähentää tuomalla jäähdytyskiertopalautus välipohjille, minkä avulla neste saadaan jäähtymään nopeammin alle lämpökrakkautumislämpötilan, mikä vähentää koksaantumista. Kolonnin pohjaosassa sijaitsevan pohjaseulan likaantumista voitaisiin vähentää harventamalla pohjaseulan tankoja, mikä vähentää koksin tarttumapinta-alaa. Likaantumisen online-seurantaa saadaan parannettua lisäämällä pintalämpötilamittauksia järjestelmällisesti samoille korkeuksille kolonnin vastakkaisille puolille.

Thermal reactions of the major hydrocarbon components of biomass gasification gas

Gasification of biomass is an efficient method process to produce liquid fuels, heat and electricity. It is interesting especially for the Nordic countries, where raw material for the processes is readily available. The thermal reactions of light hydrocarbons are a major challenge for industrial applications. At elevated temperatures, light hydrocarbons react spontaneously to form higher molecular weight compounds. In this thesis, this phenomenon was studied by literature survey, experimental work and modeling effort. The literature survey revealed that the change in tar composition is likely caused by the kinetic entropy. The role of the surface material is deemed to be an important factor in the reactivity of the system. The experimental results were in accordance with previous publications on the subject. The novelty of the experimental work lies in the used time interval for measurements combined with an industrially relevant temperature interval. The aspects which are covered in the modeling include screening of possible numerical approaches, testing of optimization methods and kinetic modelling. No significant numerical issues were observed, so the used calculation routines are adequate for the task. Evolutionary algorithms gave a better performance combined with better fit than the conventional iterative methods such as Simplex and Levenberg-Marquardt methods. Three models were fitted on experimental data. The LLNL model was used as a reference model to which two other models were compared. A compact model which included all the observed species was developed. The parameter estimation performed on that model gave slightly impaired fit to experimental data than LLNL model, but the difference was barely significant. The third tested model concentrated on the decomposition of hydrocarbons and included a theoretical description of the formation of carbon layer on the reactor walls. The fit to experimental data was extremely good. Based on the simulation results and literature findings, it is likely that the surface coverage of carbonaceous deposits is a major factor in thermal reactions.

Modelling the exothermic heat and the demand of cooling in paper and pulp industry biological wastewater treatment

This master thesis presents a study on the requisite cooling of an activated sludge process in paper and pulp industry. The energy consumption of paper and pulp industry and it’s wastewater treatment plant in particular is relatively high. It is therefore useful to understand the wastewater treatment process of such industries. The activated sludge process is a biological mechanism which degrades carbonaceous compounds that are present in waste. The modified activated sludge model constructed here aims to imitate the bio-kinetics of an activated sludge process. However, due to the complicated non-linear behavior of the biological process, modelling this system is laborious and intriguing. We attempt to find a system solution first using steady-state modelling of Activated Sludge Model number 1 (ASM1), approached by Euler’s method and an ordinary differential equation solver. Furthermore, an enthalpy study of paper and pulp industry’s vital pollutants was carried out and applied to revise the temperature shift over a period of time to formulate the operation of cooling water. This finding will lead to a forecast of the plant process execution in a cost-effective manner and management of effluent efficiency. The final stage of the thesis was achieved by optimizing the steady state of ASM1.