Implementation of population balances in simulation of gas-liquid reactors using a CFD-PBM coupled approach

In bubbly flow simulations, bubble size distribution is an important factor in determination of hydrodynamics. Beside hydrodynamics, it is crucial in the prediction of interfacial area available for mass transfer and in the prediction of reaction rate in gas-liquid reactors such as bubble columns. Solution of population balance equations is a method which can help to model the size distribution by considering continuous bubble coalescence and breakage. Therefore, in Computational Fluid Dynamic simulations it is necessary to couple CFD and Population Balance Model (CFD-PBM) to get reliable distribution. In the current work a CFD-PBM coupled model is implemented as FORTRAN subroutines in ANSYS CFX 10 and it has been tested for bubbly flow. This model uses the idea of Multi Phase Multi Size Group approach which was previously presented by Sha et al. (2006) [18]. The current CFD-PBM coupled method considers inhomogeneous flow field for different bubble size groups in the Eulerian multi-dispersed phase systems. Considering different velocity field for bubbles can give the advantageof more accurate solution of hydrodynamics. It is also an improved method for prediction of bubble size distribution in multiphase flow compared to available commercial packages.

Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

Mittausmenetelmien kehittaminen kuplakolonnille

Kuplakolonnireaktoreiden CFD-mallinnus on talla hetkella voimakkaasti kehittyva tutkimusalue. Kaksifaasivirtauksen luotettava simulointi ja mallintaminen on haastavaa kuplakolonnireaktorissa tapahtuvien ilmioiden monimutkaisuuden vuoksi. Reaktorin kayttaytymiseen vaikuttavat tekijat, kuten kolonnin hydrodynamiikka ja aineensiirto, tulee tuntea hyvin ennen mallien tekoa. Tassa tyossa on kokeellisesti tutkittu erilaisten mittausmenetelmien soveltuvuutta kuplakolonnin hydrodynamiikan tutkimiseen. Mittausmenetelmissa on keskitytty erityisesti CFD-mallien vaatimiin paikallisiin mittauksiin. Lisaksi tyossa on arvioitu mittausmenetelmien soveltuvuutta j a luotettavuutta CFD-mallien validointiin. Tyon kirjallisuusosassa on perehdytty kuplakolonnireaktorin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen ja siihen vaikuttaviin tekijoihin. Naita ovat mm. reaktorityypit, kaasun dispergointi, virtaustyypit ja -alueet, kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko ja kuplan nousunopeus. Mittauksia tehtiin kahdessa erikokoisessa kuplakolonnissa, joista pienemman halkaisija oli 0,078 m ja suuremman 0,182 m. Molempien kolonnien nestepinnan korkeus oli 4,62 m. Mittaukset tehtiin vesijohtovedella ja epaorgaanisella prosessiliuoksella. Hydrodynaamisista ominaisuuksista mitattiin kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko seka kaasukuplan nousunopeus. Kaasun tilavuusosuusmittaukset tehtiin paaasiassa paine-eromittauksella ja joissakin tapauksissa pinnanmittausmenetelmalla. Kuplakoko- ja kuplan nousunopeusmittaukset tehtiin suumopeusvideokameralla ja laser Doppler-anemometrilla. Mittauksissa kaytettiin kahdeksaa erilaista kaasunjakolaitetta, joilla selvitettiin kaasunjakolaitteen ominaisuuksien vaikutusta kolonnin hydrodynamiikkaan. Tuloksista havaittiin, etta nestefaasin ominaisuuksilla oli suuri vaikutus kolonnin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen. En kaasunjakolaitteilla vesijohtovedella mitatut hydrodynaamiset ominaisuudet eivat poikenneet paljoa toisistaan, kun taas prosessiliuoksella kaasunjakolaitteiden valille saatiin huomattavat erot. Mittausmenetelmista laser Doppler-anemometri ei kaytettavissa olleella optiikalla soveltunut kaasukuplien mittaamiseen. Kuplat olivat menetelmalle liian suuria. Suumopeusvideokamerallaja paine-eromittauksella paastiin hyviin tuloksiin.

Conversioni al cattolicesimo a Roma tra Sei e Settecento. La presenza degli scandinavi nell’Ospizio dei Convertendi.

In my PhD dissertation, I have examined a group of people of Scandinavian origin received by Ospizio dei Convertendi. This group has been hitherto largely unknown to historical research. The Ospizio was an institute founded by the Oratorian Congregation in Rome in 1673 to provide religious instruction and material aid to both recent and aspirant converts to Roman Catholicism. My research traces the profile of converts and a typology of motives, examining different factors which influenced the conversion process. I show that the key factors were often of a social rather than a religious nature. Moreover, I have analyzed the hospice in the context of Counter-Reformation charity as well. In terms of numbers, the Scandinavians formed a somewhat marginal yet not insignificant group within the Roman hospice. Out of a total of 2203 guests received between 1673 and 1706, 4.6 % were Scandinavians: 74 Swedes (including Finland and Livonia) and 27 Danes (including Norway). They came from a rigorously Protestant region which reacted to Catholicism with severe legislative measures. Converts to Catholicism risked confiscation of their goods, expulsion or even capital punishment. Since both Sweden and Denmark were practically impenetrable to Catholicism at the time and clandestine missionary attempts often failed before they had even properly started, the Roman Catholic Church shifted its interest towards Northerners arriving in Rome, a preferred destination for young noblemen, artists and migrant craftsmen. The material related to Ospizio dei Convertendi, conserved in the Vatican archives, is a scarcely known yet unusually rich source, not only for the religious history of our continent, but also for social history and the study of migration in early modern Europe. It contains a wealth of information about members of the subordinate classes, of their travels and lives in Europe. The profile delineated in these documents is of individuals who had a wide range of different professions and different aspirations. These documents encompass a vast social spectrum that was highly mobile on a continent which by that time had become pluriconfessional. Therefore, these migrants faced the complex religious reality in their everyday life. The principal corpus of my research consists of two types of manuscript sources created for administrative and in a way also for apologetic purposes of the Roman Catholic Church. My starting point is the Primo registro generale of Ospizio dei Convertendi. This is a volume in which the following information about each guest was registered: name, nationality, city of origin, age, sex, profession, confession professed before converting, date of arrival, departure, abjuration and baptism. Typically, the convert was male, originating from Stockholm or Copenhagen, from 21 to 30 years of age. The biggest occupational groups in descending order were soldiers, noblemen, craftsmen and sailors. Thus the data reflects a multiform reality of interurban and long distance migration, ideals regarding the education of young noblemen and gentry as well as the need of European armies to hire foreign mercenaries in their various campaigns. Against this background the almost total absence of women is hardly surprising: there is only one woman in the material I have studied. The second main source, Nota degl’ospiti ricevuti e spese fatte per essi, sheds more light on the choices of the converts, their motivations and their lives outside Scandinavia before reaching Rome. This narrative material permits an analysis which completes but also goes far beyond the columns of the Institute’s general register. This material consists of reports written by Catholic priests based on an interview conducted upon each guest’s arrival. The material frequently includes information on what the converts would do following their departure from the Institute as well. These sources have a specific narrative form and contain short biographies, list reasons for converting and information about the journey from the North to the Mediterranean - a journey which in many cases took several years. Moreover, they show that certain unorthodox practices such as calling on the saints and pleading for help from them were not uncommon in the Protestant popular religion. The recording of information on conversions from Protestantism to Catholicism reflects both religious and social interest on the part of the receiving institute. The information obtained was used for the purposes of religious teaching, for finding adequate ways of inserting the convert into Italian society so that he could earn a living, and to find effective methods to convert others with a similar cultural and geographical background. The stories recorded were based on interviews with the newly-arrived, information obtained from a travel companion or fellow countrymen, or from written documents the aspirant converts carried with them. These sources illustrate, although sometimes in rather simplified ways, the circumstances and motivations which were relevant to the choice of changing one’s confession. In addition, I have examined petitions addressed to the hospice and other Roman authorities in order to get financial aid. These petitions were written by Italian scrittori, and they contain certain conventions and topoi of presenting the conversion with the purpose of improving the chances of obtaining financial aid. It is through these filters, which may seem initially almost invisible, that the remote voice of the converts reaches us. The results of the analysis are particularly interesting because they disagree with some of the principal conclusions of previous work on the subject. First, earlier research has focused almost exclusively on the conversions of noblemen, and has argued, second, that the Queen Christina of Sweden was the driving force behind their change of confession. The sources examined for this dissertation present a profile of long-distance migrants, many of them members of the subordinate classes, who were looking for ways to make their living in Europe. These people had in many cases left their country of origin several years earlier and not for religious reasons, so, crucially, we are not dealing with confessional migration in these cases. Rather, conversion was a complex process, intricately tied up with strategies of survival, integration and upward social mobility. At the same time, while these components are significant on their own right, they do not necessarily point to the absence of motivations of a more clearly religious nature.

Jatkuvatoiminen ioninvaihto ja kompleksoituvien metallien sorptio kloridiympäristössä

Työn tarkoituksena oli tutkia kompleksoituvien metallien erotusta kloridiliuoksesta ioninvaihdolla. Kirjallisessa osassa perehdyttiin metallikompleksien muodostumiseen, ja erityisesti hopean, kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin muodostamiin komplekseihin kloridin ja nitraatin kanssa. Kirjallisessa osassa käsiteltiin myös metallien erottamista kiintopetikolonneissa jatkuvatoimisilla ioninvaihtomenetelmillä. Tässä työssä jatkuvatoimisen ioninvaihdon prosessivaihtoehdot jaoteltiin pyöriviin ja paikallaan pysyviin kolonneihin, sekä tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtoja kolonnien kytkentöjen suhteen. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenarvoisten metallien erottamista yhdenarvoisista metalleista sekä luotiin koedataa vastaavanlaisen erotusprosessin simulointiin. Kokeissa käytettiin anioninvaihtohartsia ja kelatoivaa selektiivistä ioninvaihtohartsia. Kahdenarvoisen kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin adsorptiota hartseihin tutkittiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Anioninvaihtohartsilla tehtyjen tasapaino- ja kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti sinkkiä kloridiliuoksista, koska sinkki muodostaa stabiileja anionisia klorokomplekseja. Muiden tutkittujen kahdenarvoisten metallien adsorptio hartsiin oli huomattavasti vähäisempää. Tulosten perusteella tutkittu anioninvaihtohartsi on hyvä vaihtoehto sinkin erottamiseen muista tutkituista kahdenarvoisista metalleista kloridiympäristössä. Kelatoivalla hartsilla tehdyt tasapaino- ja kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kloridiliuoksista hyvin kahdenarvoista kalsiumia, magnesiumia, lyijyä ja sinkkiä, mutta ei adsorboi yhdenarvoista hopeaa. Tulosten perusteella kahdenarvoisten metallien erottaminen yhdenarvoisista metalleista voidaan toteuttaa kokeissa käytetyllä kelatoivalla ioninvaihtohartsilla.

SMB-laitteiston suunnittelu hydrometallurgisiin sovelluksiin

Työn tarkoituksena oli suunnitella, ohjelmoida ja koekäyttää SMB-laitteisto (Simulated Moving Bed) hydrometallurgisiin erotuksiin. Simuloitu liikkuvapeti saadaan aikaan vaihtamalla sisään- ja ulostuloporttien paikkaa nestevirran suuntaan. Tällöin aikaansaadaan kiintoaineen vastavirtaus minkä johdosta erotustehokkuus kasvaa. Komponenttien retentiotaipumuseroista johtuen komponentit liikkuvat eri nopeuksilla kolonnijärjestelmässä. Enemmän pidättäytyvät komponentit liikkuvat nestevirtaa vastaan ja vähemmän pidättäytyvät komponentit nestevirran mukana. Hydrometallurgiassa vastavirtauksen käyttöä ei ole tieteellisissä julkaisuissa käsitelty laajalti ja saatavilla oleva informaatio onkin kaupallisten yritysten tuottamaa. Hydrometallurgiassa vastavirtausta käyttävissä ioninvaihtolaitteistoissa hyödynnetään irrallisia regenerointivyöhykkeitä. Venttiilijärjestelmän osalta päädyttiin ratkaisuun jossa käytetään yhtä kiertoventtiiliä kullekin virralle, minkä lisäksi kolonnien väleillä käytetään solenoidiventtiiliä. Tämä järjestelmä mahdollistaa yleisimpien SMB-menetelmien käytön mukaan lukien irralliset vyöhykkeet. Laitteiston ohjauksesta vastaa LabVIEW 2010:llä ohjelmoitu ohjelmisto, joka sisältää kaikkien tarvittavien laitteiden ohjausrutiinit. Se mahdollistaa venttiilien synkroniset ja epäsynkroniset vaihdot. Laitteiston puhdistusta varten on ohjelmistoon rakennettu oma rutiini venttiilejä varten. Pumppujen osalta ohjelmisto mahdollistaa vakiovirtauksen sekä lineaaristen ja porrasmuotoisten gradienttien käytön. Ongelmatilanteita varten ohjelmisto valvoo pumppujen ja venttiilien toimintaa ja pysäyttää laitteiston tarvittaessa. Koekäytön avulla pystyttiin todentamaan laitteiston toimivuus.

Arvometallien liuospuhdistus jatkuvatoimisella ioninvaihdolla

Työn tarkoituksena oli tutkia arvometalleja sisältävän liuoksen puhdistamista jat-kuvatoimisella ioninvaihdolla. Teoriaosassa käsitellään ioninvaihdon periaate, sekä jatkuvatoimisen ioninvaihdon laiteratkaisuja ristivirta- ja vastavirtasysteemeissä. Lopuksi esitellään Simuloidun liikkuvapedin (SMB) virtausnopeuksien laske-miseksi käytettävä kolmiomenetelmä. Kokeellisen osan tarkoituksena on demonstroida laboratorioon rakennetun jatku-vatoimisen ioninvaihtimen, Simuloidun liikkuvapedin, käyttö arvometallia sisäl-tävän liuoksen puhdistamiseksi kahdenarvoisista metalli-ioneista. Kokeissa käy-tettiin hopeaa sisältävää NaCl-liuosta, josta pyrittiin puhdistamaan Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionit ekstraktina. Laitteistolla suoritettiin kolme ajoa, joista kaksi edusti vastavirtasysteemiä ja yksi ristivirtasysteemiä. Ensimmäisessä vastavirta-ajossa sekä ekstrakti että raffinaattin erottuva hopealiuos tulivat puhtaina. Toisessa vastavirta-ajossa pyrittiin parantamaan tuottavuutta nostamalla syötön virtausnopeutta, jolloin raffinaatin puhtaus kärsi Pb2+ ja Mg2+-ionien kulkeutuessa liuosfaasin mukana raffinaattiin. Ristivirta-ajossa vain yksi kolmesta raffinaatista saavutti 100 % puhtauden. Kokeet osoittivat, että Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionien erottaminen hopeaionista on mahdollista käyttämällämme SMB-laitteistolla. Tuottavuuden parantaminen syötön virtausnopeutta nostamalla kuitenkin heikentää puhtautta. Cross-flow-systeemin erilleenkytkettyjen kolonnien ansioista painehäviö on pienempi, mikä mahdollistaa korkeammat virtausnopeudet, mikäli ei vaadita 100 % puhtautta.

Kaksi tietä huipulle. Media ja puoluejohtajuus Suomessa naisten noususta populismin aaltoon

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan suomalaisen puoluejohtajuuden ja suuren puolueen johtajaksi nousun murroskautta 1980-luvun lopulta 2010-luvulle median ja politiikan vuorovaikutuksen näkökulmasta. Puolueiden johtaminen on myös Suomessa ollut miesten työtä, ja perinteisesti tehtävään on ollut yksi väylä: asettuminen ehdolle puheenjohtajavaalissa ja valituksi tulo puoluekokouksessa. Tarkastelujakson alkupuolella naisia oli Suomessa ensimmäistä kertaa ehdolla suurten puolueiden puheenjohtajavaaleissa. Kauden loppupuolella heitä myös valittiin tuohon tehtävään ja ensimmäiset naiset nousivat pääministeriksi. Tämä historiallinen murros päätti liki satavuotisen perinteen, jossa miehet ovat olleet Suomessa sekä suurten puolueiden että hallitustyön johtajia. Julkisessa keskustelussa kysymys tasa-arvosta jäi toissijaiseksi: naisia alettiin valita puoluejohtajiksi tilanteissa, joissa heidän valintansa nähtiin puolueille edulliseksi. Naisen valinta tulkittiin miehen valintaa merkittävämmäksi symboliseksi viestiksi, johon liitettiin ajatuksia uudistumisesta ja puolueen julkisuuskuvan parantamisesta. Merkille pantavaa on, että naisten ensimmäiset valinnat suurten puolueiden johtajiksi tapahtuivat vaiheessa, jossa puoluejohtajien valta-asema on vahvin kautta suomalaisen poliittisen historian. Tässä valossa näyttää siltä, että valta ei aina pakenekaan naisilta. Vaikka suomalainen yhteiskunta ja suomalaiset naiset ovat monessa mielessä olleet edelläkävijöitä tasa-arvon suhteen, politiikan johtopaikkoja tavoitelleet naiset ovat meilläkin kohdanneet kansainvälisessä tutkimuksessa naisten haasteeksi osoitettuja lasikattoja, pyöröovia ja liukkaita jyrkänteitä. Tutkittavan ajanjakson aikana konkretisoitui myös toinen mahdollinen, joskin poikkeuksellinen reitti suuren puolueen johtajaksi: pienen puolueen nouseminen suurten joukkoon eduskuntavaaleissa. Tämä vaihtoehto toteutui vuonna 2011 perussuomalaisten eduskuntavaalivoiton myötä. Perussuomalaisten nousu eduskunnan pienimmästä puolueesta kolmanneksi suurimmaksi mursi perinteisen kolmen suuren puolueen asetelman. Puolueen menestyksen seuraukset ovat olleet kauaskantoisemmat kuin ehkä ensin ajateltiin: perussuomalaisten vaalivoiton sosiaalidemokraateille, keskustalle, ja kokoomukselle aiheuttama järkytys heijastui myöhemmin myös niiden johtajavaihdoksiin ja -valintoihin. Sekä naisten läpimurrossa että populismin voittokulussa median rooli oli monisyisempi kuin siihen perinteisesti liitetty tiedon välittäjän ja valtaa pitävien toimia kriittisesti seuraavan neljännen valtiomahdin tehtävänkuva. Tutkittavalla jaksolla tiedotusvälineet tekivät onnistuneen intervention politiikan osapuoleksi. Toimittajat ottivat kantaa valintoihin ja ohjeistivat puolueita, ja puolueet taas mukauttivat näkyvyyden maksimoidakseen käytäntöjään median tarpeisiin. 1980-luvun lopulta 2010-luvulle ulottuvalla jaksolla suuren puolueen puoluejohtajaksi valikoitumisen kriteerit muuttuivat, samalla kun median merkitys johtajavalinnoissa ja myös puoluejohtajan käytännön työssä kasvoi. Mediasta tuli aiempaa konkreettisemmin johtajavalintojen ja valtakamppailun areena, ja siihen liittyvät näkökohdat nousivat myös keskeisiksi johtajan taitoja arvioitaessa. Kuka ehdokkaista toisi näkyvyyttä, ”pärjäisi” median paineissa ja vakuuttaisi äänestäjät? Vielä 1980- ja 1990-lukujen taitteessa johtajavalinnat olivat pitkälti puolueorganisaatioiden hallinnoimia prosesseja, joista lehdistö raportoi askeleen jäljessä kulkien. Viimeistään 2000-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä puolueet omaksuivat ajatuksen median hyödyllisyydestä. Tämän strategisen muutoksen myötä puolueet tulivat samalla luovuttaneeksi määriteltyvaltaa oman organisaationsa ulkopuolelle. Kokoomuksen vuoden 2014 johtajavaalissa silmiinpistävää oli pyrkimys sekä hyötyä julkisuudesta että palauttaa valtaa takaisin puolueelle. Politiikan mediajulkisuuden alttius tarttua myyviin poliitikkopersooniin, ilmiöihin, ristiriitoihin ja draamaan sekä vastaavasti populistijohtaja Timo Soinin ja perussuomalaisten kyky tarjota kaikkia näitä auttoivat puolueen suurvoittoon vuoden 2011 eduskuntavaaleissa. Organisaatioltaan pieni ja johtajaansa henkilöityvä puolue sai selvästi poliittista painoarvoaan suuremman julkisuuden, koska kiinnostavuus määritti näkyvyyden ja puolueen nousevasta kannatuksesta tuli yksi vaalien pääaiheista. Median ja politiikan suhteessa tapahtuneet muutokset olivat vauhdittamassa niin naisten nousua suurten puolueiden johtajiksi kuin populistisen johtajuuden läpimurtoa ja perussuomalaisten menestystä. Koska suurten puolueiden johtajista valikoituvat myös pääministerit, näiden muutosten vaikutus ulottuu Suomen poliittisesti vaikutusvaltaisimpaan tehtävään asti.

Prosessiautomaatio pinnankorkeusmittauksen koelaitteistoissa

Pinnankorkeuden tunteminen kiehutusvesireaktorin painesäiliössä on erittäin tärkeää sen turvallisuusvaikutusten takia. Pinnankorkeutta mitataan vesipatsaiden korkeutta havaitsevien paine-eromittausten avulla. Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeiden mukaan turvallisuuteen vaikuttavien mittausten täytyy noudattaa moninkertaistus- ja erilaisuusperiaatteita. Yleensä erilaisuusperiaatetta on toteutettu käyttämällä erityyppisiä paine-eromittareita, mutta erilaisella fysikaalisella toimintaperiaatteella oleva mittaus olisi parempi ja toteuttaisi paremmin erilaisuusperiaatetta. Uimurikytkin olisi tällainen fysikaalisesti eri periaatteeseen perustuva pinnankorkeuden mittauslaite. Ydinvoimalaan tarkoitettu teknologia tulee kelpoistaa riippumattoman tahon toimesta ennen käyttöönottoa. Kelpoistamiskokeita varten Lappeenrannan teknillisen yliopiston Ydinturvallisuuden tutkimusyksikköön rakennettiin vuosina 2011–2013 kaksi koelaitteistoa. Näillä koelaitteistoilla tutkittiin uimurikytkimien toimintaa ja ominaisuuksia erilaisissa kiehutusvesireaktorin käyttötilanteissa. Koelaitteistot tarvitsivat toimiakseen automaatiojärjestelmät, jotka suunniteltiin pääosin noudattamalla suunnittelun elinkaarimallia sekä automaatiosuunnittelun sisältökokonaisuuksia. Automaatiojärjestelmien suunnittelu aloitettiin määrittelemällä koejärjestelyjen asettamat vaatimukset, jonka jälkeen tehtiin teknologiavalinnat. Seuraavaksi suunniteltiin automaatiojärjestelmien logiikkaohjelmistot, joiden kuvaukseen tämä työ pääasiassa keskittyy. Logiikkaohjelmistot toteutettiin graafisella National Instruments LabView -ohjelmointikielellä. Logiikkaohjelmistojen tuli hoitaa tiedonkeruuta, käyttöautomaatiota, turvallisuustehtäviä sekä kokeisiin liittyviä erikoistehtäviä. Ohjelmistot saatiin esikokeiden aikana toimimaan halutusti, ja varsinaiset kokeet voitiin suorittaa ilman merkittäviä ongelmia.

Readout architectures for hybrid pixel detector readout chips

The original contribution of this thesis to knowledge are novel digital readout architectures for hybrid pixel readout chips. The thesis presents asynchronous bus-based architecture, a data-node based column architecture and a network-based pixel matrix architecture for data transportation. It is shown that the data-node architecture achieves readout efficiency 99% with half the output rate as a bus-based system. The network-based solution avoids “broken” columns due to some manufacturing errors, and it distributes internal data traffic more evenly across the pixel matrix than column-based architectures. An improvement of > 10% to the efficiency is achieved with uniform and non-uniform hit occupancies. Architectural design has been done using transaction level modeling (TLM) and sequential high-level design techniques for reducing the design and simulation time. It has been possible to simulate tens of column and full chip architectures using the high-level techniques. A decrease of > 10 in run-time is observed using these techniques compared to register transfer level (RTL) design technique. Reduction of 50% for lines-of-code (LoC) for the high-level models compared to the RTL description has been achieved. Two architectures are then demonstrated in two hybrid pixel readout chips. The first chip, Timepix3 has been designed for the Medipix3 collaboration. According to the measurements, it consumes < 1 W/cm^2. It also delivers up to 40 Mhits/s/cm^2 with 10-bit time-over-threshold (ToT) and 18-bit time-of-arrival (ToA) of 1.5625 ns. The chip uses a token-arbitrated, asynchronous two-phase handshake column bus for internal data transfer. It has also been successfully used in a multi-chip particle tracking telescope. The second chip, VeloPix, is a readout chip being designed for the upgrade of Vertex Locator (VELO) of the LHCb experiment at CERN. Based on the simulations, it consumes < 1.5 W/cm^2 while delivering up to 320 Mpackets/s/cm^2, each packet containing up to 8 pixels. VeloPix uses a node-based data fabric for achieving throughput of 13.3 Mpackets/s from the column to the EoC. By combining Monte Carlo physics data with high-level simulations, it has been demonstrated that the architecture meets requirements of the VELO (260 Mpackets/s/cm^2 with efficiency of 99%).

Turkic Manuscript in Kazakh-Chaghatai (MS Or.49)

A coverless notebook, written in two columns in ink in various colours. Rhymed verse, written by an author from the Temir-Bolat clan. He mentions the following names: Samarkand, Bukhara, Urgench, Tashkent, Kokand, the Karakalpaks, and the Turkmens. It the opening notes there are names of persons.

Metal oxides prepared through the nanocasting approach-mechanistic study, surface interactions and applications in separation

Mesoporous metal oxides are nowadays widely used in various technological applications, for instance in catalysis, biomolecular separations and drug delivery. A popular technique used to synthesize mesoporous metal oxides is the nanocasting process. Mesoporous metal oxide replicas are obtained from the impregnation of a porous template with a metal oxide precursor followed by thermal treatment and removal of the template by etching in NaOH or HF solutions. In a similar manner to the traditional casting wherein the product inherits the features of the mold, the metal oxide replicas are supposed to have an inverse structure of the starting porous template. This is however not the case, as broken or deformed particles and other structural defects have all been experienced during nanocasting experiments. Although the nanocasting technique is widely used, not all the processing steps are well understood. Questions over the fidelity of replication and morphology control are yet to be adequately answered. This work therefore attempts to answer some of these questions by elucidating the nanocasting process, pin pointing the crucial steps involved and how to harness this knowledge in making wholesome replicas which are a true replication of the starting templates. The rich surface chemistry of mesoporous metal oxides is an important reason why they are widely used in applications such as catalysis, biomolecular separation, etc. At times the surface is modified or functionalized with organic species for stability or for a particular application. In this work, nanocast metal oxides (TiO2, ZrO2 and SnO2) and SiO2 were modified with amino-containing molecules using four different approaches, namely (a) covalent bonding of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), (b) adsorption of 2-aminoethyl dihydrogen phosphate (AEDP), (c) surface polymerization of aziridine and (d) adsorption of poly(ethylenimine) (PEI) through electrostatic interactions. Afterwards, the hydrolytic stability of each functionalization was investigated at pH 2 and 10 by zeta potential measurements. The modifications were successful except for the AEDP approach which was unable to produce efficient amino-modification on any of the metal oxides used. The APTES, aziridine and PEI amino-modifications were fairly stable at pH 10 for all the metal oxides tested while only AZ and PEI modified-SnO2 were stable at pH 2 after 40 h. Furthermore, the functionalized metal oxides (SiO2, Mn2O3, ZrO2 and SnO2) were packed into columns for capillary liquid chromatography (CLC) and capillary electrochromatography (CEC). Among the functionalized metal oxides, aziridinefunctionalized SiO2, (SiO2-AZ) showed good chemical stability, and was the most useful packing material in both CLC and CEC. Lastly, nanocast metal oxides were synthesized for phosphopeptide enrichment which is a technique used to enrich phosphorylated proteins in biological samples prior to mass spectrometry analysis. By using the nanocasting technique to prepare the metal oxides, the surface area was controlled within a range of 42-75 m2/g thereby enabling an objective comparison of the metal oxides. The binding characteristics of these metal oxides were compared by using samples with different levels of complexity such as synthetic peptides and cell lysates. The results show that nanocast TiO2, ZrO2, Fe2O3 and In2O3 have comparable binding characteristics. Furthermore, In2O3 which is a novel material in phosphopeptide enrichment applications performed comparably with standard TiO2 which is the benchmark for such phosphopeptide enrichment procedures. The performance of the metal oxides was explained by ranking the metal oxides according to their isoelectric points and acidity. Overall, the clarification of the nanocasting process provided in this work will aid the synthesis of metal oxides with true fidelity of replication. Also, the different applications of the metal oxides based on their surface interactions and binding characteristics show the versatility of metal oxide materials. Some of these results can form the basis from which further applications and protocols can be developed.