Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

Describing innovative business models and evaluating their wealth potential – Cases Stora Enso and E-bay

Tutkimuksen tavoitteena oli analysoida liiketoimintamalleihin liittyviä teorioita ja erilaisten mallien pohjalta rakentaa selkeä teoria, jota yritykset voivat käyttää määritellessään ja analysoidessaan liiketoimintamalleja. Tutkimuksen kohteena olleet yritykset voitiin jaotella sisäisesti fokusoituneisiin ja ulkoisesti suuntautuneisiin. Jaottelun pohjalta oli mahdollista tehdä johtopäätöksiä koskien liiketoimintamallien potentiaalia. Tutkimus oli luonteeltaan kvalitatiivinen. Tutkimuksen tuloksena on liiketoimintamallien rakentamiseen ja analysointiin sopiva työkalu, jota voidaan käyttää yrityksen strategisessa suunnittelussa.

Stellar population synthesis: the effect of improved Asymptotic Giant Branch models and of interstellar dust on mass-to-light–color relations

Teoreettisen populaatiosynteesin avulla voidaan mallintaa tähtijoukkojen ja galaksien fotometrisiä ominaisuuksia yhdistämällä yksittäisten tähtien tuottama säteily, joka saadaan teoreettisista tähtien kehitysmalleista. Valitsemalla sopiva massajakauma syntyville tähdille voidaan muodostaa yksinkertainen tähtipopulaatio, joka koostuu saman ikäisistä ja kemialliselta koostumukseltaan yhtenäisistä tähdistä. Monimutkaisempia tähtipopulaatioita voidaan muodostaa konvoloimalla yksinkertaisten tähtipopulaatioiden luminositeetti jonkin valitun tähtienmuodostushistorian kanssa sekä yhdistämällä näin muodostettuja populaatioita. Tässä työssä tarkastellaan asymptoottisen jättiläishaaran (AGB) tähtien uusien, tarkentuneiden evoluutiomallien vaikutusta populaatiosynteesin tuloksiin niin yksinkertaisten tähtipopulaatioiden kuin galaksien mallinnukseen soveltuvien monimutkaisempien tähtipopulaatioiden kohdalla. Työn päätarkoitus on tuottaa uudistuneisiin malleihin perustuvat populaation massa-luminositeetti -suhteen ja värin väliset relaatiot (MLC-relaatiot). MLC-relaatioita voidaan käyttää populaation massan määrittämiseen sen fotometristen ominaisuuksien (väri, luminositeetti) perusteella. Lisäksi tutkitaan tähtienvälisen pölyn vaikutusta yksinkertaisen spiraaligalaksimallin MLC-relaatioihin. Työssä käytetyt tähtien kehitysmallit perustuvat julkaisuun Marigo et al. (Astronomy & Astrophysics 482, 2008). Havaitaan, että AGB-tähtien vaikutus populaation integroituun luminositeettiin on pieni näkyvillä aallonpituuksilla, mutta merkittävä lähi-infrapuna-alueella. Vaikutus MLC-relaatioihin on vastaavasti merkittävä tarkkailtaessa luminositeettia lähi-infrapunassa sekä käytettäessä värejä, joissa yhdistetään optisia ja lähi-infrapunan kaistoja. Todetaan, että MLC-relaatioiden käyttö lähi-infrapunassa edellyttää tarkentuneen AGB-vaiheen sisällyttämistä populaatiosynteesin malleihin. Tähtienvälisen pölyn vaikutus MLC-relaatioihin todetaan riippuvan käytetystä kaistasta ja väristä, mutta vaikutuksen havaitaan olevan suurin optisen ja lähi-infrapunan väriyhdistelmillä.

Analysis of electricity distribution network operation business models and capitalization of control room functions with DMS

Electricity distribution network operation (NO) models are challenged as they are expected to continue to undergo changes during the coming decades in the fairly developed and regulated Nordic electricity market. Network asset managers are to adapt to competitive technoeconomical business models regarding the operation of increasingly intelligent distribution networks. Factors driving the changes for new business models within network operation include: increased investments in distributed automation (DA), regulative frameworks for annual profit limits and quality through outage cost, increasing end-customer demands, climatic changes and increasing use of data system tools, such as Distribution Management System (DMS). The doctoral thesis addresses the questions a) whether there exist conditions and qualifications for competitive markets within electricity distribution network operation and b) if so, identification of limitations and required business mechanisms. This doctoral thesis aims to provide an analytical business framework, primarily for electric utilities, for evaluation and development purposes of dedicated network operation models to meet future market dynamics within network operation. In the thesis, the generic build-up of a business model has been addressed through the use of the strategicbusiness hierarchy levels of mission, vision and strategy for definition of the strategic direction of the business followed by the planning, management and process execution levels of enterprisestrategy execution. Research questions within electricity distribution network operation are addressed at the specified hierarchy levels. The results of the research represent interdisciplinary findings in the areas of electrical engineering and production economics. The main scientific contributions include further development of the extended transaction cost economics (TCE) for government decisions within electricity networks and validation of the usability of the methodology for the electricity distribution industry. Moreover, DMS benefit evaluations in the thesis based on the outage cost calculations propose theoretical maximum benefits of DMS applications equalling roughly 25% of the annual outage costs and 10% of the respective operative costs in the case electric utility. Hence, the annual measurable theoretical benefits from the use of DMS applications are considerable. The theoretical results in the thesis are generally validated by surveys and questionnaires.

Modelling of combustion and sorbent reactions in three-dimensional flow environment of a circulating fluidized bed furnace

This thesis presents a three-dimensional, semi-empirical, steady state model for simulating the combustion, gasification, and formation of emissions in circulating fluidized bed (CFB) processes. In a large-scale CFB furnace, the local feeding of fuel, air, and other input materials, as well as the limited mixing rate of different reactants produce inhomogeneous process conditions. To simulate the real conditions, the furnace should be modelled three-dimensionally or the three-dimensional effects should be taken into account. The only available methods for simulating the large CFB furnaces three-dimensionally are semi-empirical models, which apply a relatively coarse calculation mesh and a combination of fundamental conservation equations, theoretical models and empirical correlations. The number of such models is extremely small. The main objective of this work was to achieve a model which can be applied to calculating industrial scale CFB boilers and which can simulate all the essential sub-phenomena: fluid dynamics, reactions, the attrition of particles, and heat transfer. The core of the work was to develop the model frame and the required sub-models for determining the combustion and sorbent reactions. The objective was reached, and the developed model was successfully used for studying various industrial scale CFB boilers combusting different types of fuel. The model for sorbent reactions, which includes the main reactions for calcitic limestones, was applied for studying the new possible phenomena occurring in the oxygen-fired combustion. The presented combustion and sorbent models and principles can be utilized in other model approaches as well, including other empirical and semi-empirical model approaches, and CFD based simulations. The main achievement is the overall model frame which can be utilized for the further development and testing of new sub-models and theories, and for concentrating the knowledge gathered from the experimental work carried out at bench scale, pilot scale and industrial scale apparatus, and from the computational work performed by other modelling methods.

Numerical Studies of Dark Energy Models and Observations

The cosmological standard view is based on the assumptions of homogeneity, isotropy and general relativistic gravitational interaction. These alone are not sufficient for describing the current cosmological observations of accelerated expansion of space. Although general relativity is extremely accurately tested to describe the local gravitational phenomena, there is a strong demand for modifying either the energy content of the universe or the gravitational interaction itself to account for the accelerated expansion. By adding a non-luminous matter component and a constant energy component with negative pressure, the observations can be explained with general relativity. Gravitation, cosmological models and their observational phenomenology are discussed in this thesis. Several classes of dark energy models that are motivated by theories outside the standard formulation of physics were studied with emphasis on the observational interpretation. All the cosmological models that seek to explain the cosmological observations, must also conform to the local phenomena. This poses stringent conditions for the physically viable cosmological models. Predictions from a supergravity quintessence model was compared to Supernova 1a data and several metric gravity models were studied with local experimental results. Polytropic stellar configurations of solar, white dwarf and neutron stars were numerically studied with modified gravity models. The main interest was to study the spacetime around the stars. The results shed light on the viability of the studied cosmological models.

Application Architecture Design for an Industrial Service Company

Työssä oli tavoitteena suunnitella globaali sovellusarkkitehtuuri, joka ohjaa teollisen huoltoyrityksen sovellusten kehitystyötä. Sovellusarkkitehtuuri kuvaa tietokoneohjelmien toiminnallisuuteen loppukäyttäjien näkökulmasta ja sen laatiminen on osa strategista tietojärjestelmäsuunnittelua. Arkkitehtuurin tehtävänä on varmistaa, että tietojärjestelmät suunnitellaan kokonaisuutena tukemaan organisaation toimintaa. Arkkitehtuurin tekemistä ohjasi strategisen tietojärjestelmäsuunnittelun periatteet ja mallit. Tekniikat olivat samoja kuin projektikohtaisessa tietojärjestelmäsuunnittelussa. Sovellusarkkitehtuurin tekeminen alkoi tutustumalla yrityksessä vallitsevaan tilanteeseen sekä liiketoiminta- ja tietotekniikkastrategioihin. Tarkastelun kohteena olivat pääasiassa liiketoimintaprosessit ja käytössä olevat sovellukset. Tutustuminen tapahtui lähinnä haastatteluin ja dokumentteihin tutustumalla. Seuraavaksi johdettiin vaatimukset tulevaisuuden sovelluksille haastatteluista ja edellisen vaiheen materiaalin perusteella. Liiketoiminnan kannalta tärkeimmät vaatimukset valittiin täytettäväksi arkkitehtuurilla. Varsinaisen arkitehtuurin tekeminen oli lähinnä sovellusten valitsemisesta ja niiden keskinäisten suhteiden määrittelyä. Arkkitehtuurin perusteella määritettiin kehityshankeet.

Asiakaslupausmittariston rakentaminen

Tässä diplomityössä tarkastellaan teollisuusyrityksen suorituskykyä asiakkaiden näkökulmasta. Työn tavoitteena on rakentaa kohdeyritykselle yrityksen suorituskykyä asiakkaan näkökulmasta kuvaava mittaristo. Työn kirjallisuustutkimuksen perusteella tunnistetaan olennaiset menetelmät asiakaspalvelutarpeiden mittaamiseen ja analysointiin. Lisäksi työssä esitellään suorituskyvyn mittariston rakentamisen mallit ja periaatteet, sekä mittariston implementointiin vaikuttavat tekijät. Empiirisessä osassa toteutetaan avainasiakkaiden palvelutarpeiden ja yrityksen suoritustason kartoitus ja analysointi. Kohdeyritykselle rakennetaan mittariston asiakaspalvelutarpeiden perusteella, soveltuen yrityksen toimintaympäristöön ja strategisiin päämääriin. Mittaristo rakennetaa Balanced Scorecardin asiakasnäkökulman asiakaslupausmittareiden pohjalle. Työn tuloksena kohdeyritys saa kuvan palvelutasostaan. Työssä esitetyn asiakaslupausmittariston avulla kohdeyritys voi seurata ja kehittää suorituskykyään. Lisäksi työssä tuodaan ilmi tärkeitä tekijöitä, jotka vaikuttavat mittariston implementointiin ja esitetään suositusten muodossa toimintaperiaatteita implementointiprosessissa.

Using time and stochastic models for software reliability forecasting and analysis

Tämä työ luo katsauksen ajallisiin ja stokastisiin ohjelmien luotettavuus malleihin sekä tutkii muutamia malleja käytännössä. Työn teoriaosuus sisältää ohjelmien luotettavuuden kuvauksessa ja arvioinnissa käytetyt keskeiset määritelmät ja metriikan sekä varsinaiset mallien kuvaukset. Työssä esitellään kaksi ohjelmien luotettavuusryhmää. Ensimmäinen ryhmä ovat riskiin perustuvat mallit. Toinen ryhmä käsittää virheiden ”kylvöön” ja merkitsevyyteen perustuvat mallit. Työn empiirinen osa sisältää kokeiden kuvaukset ja tulokset. Kokeet suoritettiin käyttämällä kolmea ensimmäiseen ryhmään kuuluvaa mallia: Jelinski-Moranda mallia, ensimmäistä geometrista mallia sekä yksinkertaista eksponenttimallia. Kokeiden tarkoituksena oli tutkia, kuinka syötetyn datan distribuutio vaikuttaa mallien toimivuuteen sekä kuinka herkkiä mallit ovat syötetyn datan määrän muutoksille. Jelinski-Moranda malli osoittautui herkimmäksi distribuutiolle konvergaatio-ongelmien vuoksi, ensimmäinen geometrinen malli herkimmäksi datan määrän muutoksille.

Mechanistic population Models in Biology: Model Derivation and Application

In general, models of ecological systems can be broadly categorized as ’top-down’ or ’bottom-up’ models, based on the hierarchical level that the model processes are formulated on. The structure of a top-down, also known as phenomenological, population model can be interpreted in terms of population characteristics, but it typically lacks an interpretation on a more basic level. In contrast, bottom-up, also known as mechanistic, population models are derived from assumptions and processes on a more basic level, which allows interpretation of the model parameters in terms of individual behavior. Both approaches, phenomenological and mechanistic modelling, can have their advantages and disadvantages in different situations. However, mechanistically derived models might be better at capturing the properties of the system at hand, and thus give more accurate predictions. In particular, when models are used for evolutionary studies, mechanistic models are more appropriate, since natural selection takes place on the individual level, and in mechanistic models the direct connection between model parameters and individual properties has already been established. The purpose of this thesis is twofold. Firstly, a systematical way to derive mechanistic discrete-time population models is presented. The derivation is based on combining explicitly modelled, continuous processes on the individual level within a reproductive period with a discrete-time maturation process between reproductive periods. Secondly, as an example of how evolutionary studies can be carried out in mechanistic models, the evolution of the timing of reproduction is investigated. Thus, these two lines of research, derivation of mechanistic population models and evolutionary studies, are complementary to each other.