Concentration of hydrogen peroxide and improving its energy efficiency

Distillation is a unit operation of process industry, which is used to separate a liquid mixture into two or more products and to concentrate liquid mixtures. A drawback of the distillation is its high energy consumption. An increase in energy and raw material prices has led to seeking ways to improve the energy efficiency of distillation. In this Master's Thesis, these ways are studied in connection with the concentration of hydrogen peroxide at the Solvay Voikkaa Plant. The aim of this thesis is to improve the energy efficiency of the concentration of the Voikkaa Plant. The work includes a review of hydrogen peroxide and its manufacturing. In addition, the fundamentals of distillation and its energy efficiency are reviewed. An energy analysis of the concentration unit of Solvay Voikkaa Plant is presented in the process development study part. It consists of the current and past information of energy and utility consumptions, balances, and costs. After that, the potential ways to improve the energy efficiency of the distillation unit at the factory are considered and their feasibility is evaluated technically and economically. Finally, proposals to improve the energy efficiency are suggested. Advanced process control, heat integration and energy efficient equipment are the most potential ways to carry out the energy efficient improvements of the concentration at the Solvay Voikkaa factory. Optimization of the reflux flow and the temperatures of the overhead condensers can offer immediate savings in the energy and utility costs without investments. Replacing the steam ejector system with a vacuum pump would result in savings of tens of thousands of euros per year. The heat pump solutions, such as utilizing a mechanical vapor recompression or thermal vapor recompression, are not feasible due to the high investment costs and long pay back times.

Teräsvalimon energia-analyysi

Teräksen valuprosessi kuluttaa runsaasti energiaa ja tuottaa merkittävästi lämpöä. Ylimääräinen lämpö on poistettava tuotantotiloista, sillä se sisältää yleensä myös paljon hiukkasia ja muita epäpuhtauksia. Lämmön talteenottaminen vähentää teräsvalimon energiankulutusta, mutta sen toteuttaminen ei ole ongelmatonta. Energia-analyysi selvittää yrityksen energian käytön ja tuotannon kehityksen sekä nykytilan. Analyysi pyrkii selvittämään kohteet, joissa energiaakuluu ja joissa sitä syntyy eniten. Tämä opinnäytetyö on sovellettu teollisuuden energia-analyysi, joka sisältää ehdotuksia energian käytöntehostamismahdollisuuksista ja säästömahdollisuuksista. Ehdotuksissa esitelläänviisi tärkeimmäksi katsottua ja kahdeksan muuta energiansäästökohdetta. Näiden lisäksi on annettu seitsemän ehdotusta muista tuotantoa ja energiansäästöä tukevista toimenpiteistä.

Energiansäästömahdollisuudet energiayhtiön toiminnassa

Työn tarkoituksena oli etsiä energian säästökohteita Etelä-Savon Energia Oy:n voimalaitos-, kaukolämpö- sekä sähkön siirto- ja jakelualalta. Työ liittyi Etelä-Savon Energia Oy:n sopimaan valtakunnalliseen energiansäästösopimukseen, jossa yhtiö sitoutui analysoimaan energian käyttönsä ja tekemään energia-analyysin pohjalta energiansäästösuunnitelman. Tässä työssä analysoitiin nykyinen energian käyttö ja etsittiin säästökohteita. Löydetyille säästökohteille määritettiin säästön sekä tarvittavan investoinnin suuruus ja suora takaisinmaksuaika investoinnille. Voimalaitoksen osalta ei löydetty suuria säästökohteita, mutta muutamia pienempiä lähinnä lämmityksiin liittyviä kohteita havaittiin. Kaukolämmön osalta säästökohteita löytyi lähinnä lämpökeskusten seisonta-aikaisista lämmityksistä, mutta kaukolämpöverkon osalta ei kannattavia säästökohteita löydetty. Sähkön siirron ja jakelun osalta loistehon kompensoinnin lisääminen vähentäisi häviöitä verkossa ja vähentäisi kompensoinnin tarvetta voimalaitoksen generaattorilla. Isoja säästökohteita ei löydetty, koska yhtiö on vuosien varrella tehostanut toimintaansa ja pienentänyt aktiivisesti energiahäviöitä.

Aineominaisuuksien mallinnustarkkuuden vaikutukset lämmönsiirtimien lämpöteknisessä simuloinnissa

Työssä on käsitelty fluidien aineominaisuuksien vaikutuksia paperikoneiden kuivatusosissa käytettävien lämmönsiirtimien lämpöteknisessä simuloinnissa. Pääkohteena selvitettiin kostean ilman ja veden fysikaalisien aineominaisuuksien mallinnustarkkuuden vaikutuksia lämpövirtaan lauhduttamattomissa ja lauhduttavissa tapauksissa. Asiaa tutkittiin tekemällä herkkyysanalyysi työssä kehitetyille termodynaamisille malleille. Perinteisen herkkyysanalyysin lisäksi herkkyyksiä tutkittiin myös Bayesiläisellä tilastoanalyysillä. Työssä käsiteltiin myös aineominaisuuksien käyttäytymistä ja mallintamista lämmönsiirtimissä. Kirjallisuudesta etsittiin aineominaisuusmallit, joilla kostean ilman ja veden fysikaalisia aineominaisuuksia voidaan kuvata riittävän tarkasti. Työssä havaittiin, että yksittäisistä aineominaisuuksista selkeästi suurimmat vaikutukset on ominaisentalpioiden mallinnuksen epätarkkuuksilla. Myös kaikkien aineominaisuuksien epätarkkuuksilla havaittiin olevan huomattavan suuret yhteisvaikutukset lämpövirran laskentatarkkuuteen. Viiden prosentin epätarkkuus kaikkien aineominaisuuksien mallinnuksessa johtaa 3 - 7 %:n epätarkkuuteen lämpövirran laskennassa. Näin ollen kaikkien aineominaisuuksien mallintamiseen tulee kiinnittää huomiota.

Virtauslaskentaa ja energia-analyysiä hyödyntävä huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli

Huonetilojen lämpöolosuhteiden hallinta on tärkeä osa talotekniikan suunnittelua. Tavallisesti huonetilan lämpöolosuhteita mallinnetaan menetelmillä, joissa lämpödynamiikkaa lasketaan huoneilmassa yhdessä laskentapisteessä ja rakenteissa seinäkohtaisesti. Tarkastelun kohteena on yleensä vain huoneilman lämpötila. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli, jossa rakenteiden lämpödynamiikka lasketaan epästationaarisesti energia-analyysilaskennalla ja huoneilman virtauskenttä mallinnetaan valittuna ajanhetkenä stationaarisesti virtauslaskennalla. Tällöin virtauskentälle saadaan jakaumat suunnittelun kannalta olennaisista suureista, joita tyypillisesti ovat esimerkiksi ilman lämpötila ja nopeus. Simulointimallin laskentatuloksia verrattiin testihuonetiloissa tehtyihin mittauksiin. Tulokset osoittautuivat riittävän tarkoiksi talotekniikan suunnitteluun. Mallilla simuloitiin kaksi huonetilaa, joissa tarvittiin tavallista tarkempaa mallinnusta. Vertailulaskelmia tehtiin eri turbulenssimalleilla, diskretointitarkkuuksilla ja hilatiheyksillä. Simulointitulosten havainnollistamiseksi suunniteltiin asiakastuloste, jossa on esitetty suunnittelun kannalta olennaiset asiat. Simulointimallilla saatiin lisätietoa varsinkin lämpötilakerrostumista, joita tyypillisesti on arvioitu kokemukseen perustuen. Simulointimallin kehityksen taustana käsiteltiin rakennusten sisäilmastoa, lämpöolosuhteita ja laskentamenetelmiä sekä mallinnukseen soveltuvia kaupallisia ohjelmia. Simulointimallilla saadaan entistä tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa lämpöolosuhteiden hallinnan suunnitteluun. Mallin käytön ongelmia ovat vielä virtauslaskennan suuri laskenta-aika, turbulenssin mallinnus, tuloilmalaitteiden reunaehtojen tarkka määritys ja laskennan konvergointi. Kehitetty simulointimalli tarjoaa hyvän perustan virtauslaskenta- ja energia-analyysiohjelmien kehittämiseksi ja yhdistämiseksi käyttäjäystävälliseksi talotekniikan suunnittelutyökaluksi.

Työpisteiden tiedonkäyttö ja hyödyntäminen osana palveluyhtiön johtamisjärjestelmää

Tutkimuksen tavoitteena oli etsiä kohdeorganisaation taustalla olevia tekijöitä, jotka joko edesauttavat tai estävät nykyisen johtamisjärjestelmän soveltamista, tiedon käyttöä ja hyödyntämistä organisaation työpisteissä. Kohdeorganisaatio on Varenso Oy, Tekniset tuotantopalvelut. Teoriaosiossa käsitellään tietojohtamiseen liittyvää käsitteistöä sekä tiedon luomiseen, johtamiseen ja hyödyntämiseen liittyviä tekijöitä. Johtamista lähestytään myös perustehtävän, strategian ja muutosvalmiuden, valta- ja organisaatiorakenteiden sekä informaatio- ohjauksen näkökulmasta. Lopuksi käsitellään suorituskykyä, tavoitteiden asettamista, mittaamista funktionaalisissa- ja prosessijohdetuissa organisaatioissa. Empiirisessä osiossa tehtiin kyselytutkimus. Tulokset analysoitiin monimuuttujamenetelmiä soveltaen ja löydettiin faktorit, joiden avulla on mahdollista vaikuttaa kohdeorganisaation toimintaan. Kyselytutkimuksen avulla tulkittiin organisaation tämän hetkistä suorituskykyä ja asemaa suhteessa tavoitteisiin. Tuloksena syntyi myös toimenpideehdotuksia.

Tilastollisia perusmenetelmiä yleistajuisesti

Kirjallisuusarvostelu

Configuring Health Care Services - Service Control Improvement

The costs of health care are increasing, and at the same time, population is aging. This leads health care organizations to focus more on home based care services. This thesis focuses on the home care organization of the South Karelian District of Social and Health Services (Eksote), which was established in 2010; how its operation is organized and managed, and which problem types are faced in the daily operation of home care. This thesis examines home care services through an extensive interview study, process mapping and statistical data analysis. To be able to understand the nature of services and special environment theory models, such as service management and performance measurement, service processes and service design are introduced. This study is conducted from an external researcher‟s point of view and should be used as a discussion opener. The outcome of this thesis is an upper level development path for Eksote home care. The organization should evaluate and build a service offering, then productize home care services and modularize the products and identify similarities. Service processes should be mapped to generate efficiency for repeating tasks. Units should be reasonably sized and geographically located to facilitate management and operation. All this can be done by recognizing the different types of service products: runners repeaters and strangers. Furthermore, the organization should not hide behind medical issues and should understand the legislative, medical and operational frameworks in health care.

Productizing of advanced service for power plants

Työn tavoitteena on kehittää ABB:lle palvelutuote, jota voidaan tarjota voimalaitosasiakkaille. Uuden palvelutuotteen tulee vastata ABB:n uuden strategian linjauksiin. Palvelulla tarjotaan asiakkaille 1.1.2015 voimaan tulleen energiatehokkuuslain määrittelemien pakollisten toimenpiteiden suoritusta. Työssä kerätään, käsitellään ja analysoidaan tietoa voimalaitosasiakkaille suunnatun palvelun tuotteistamisprosessin päätöksenteon tueksi. Palvelutuotteen kehittämistä varten tutkitaan ABB:n nykyisiä palvelutuotteita, osaamista ja referenssi projekteja, energiatehokkuuslakia, voimalaitosten energiatehokkuus-potentiaalia ja erilaisia energiakatselmusmalleja. Päätöksenteon tueksi tehdään referenssiprojektina energia-analyysi voimalaitokselle, jossa voimalaitoksesta tehdään ipsePRO simulointiohjelmalla mallinnus. Mallinnuksen ja koeajojen avulla tutkitaan voimalaitoksen minimikuorman optimointia. Markkinatutkimuksessa selvitetään lainsäädännön vaikutusta, nykyistä markkinatilannetta, potentiaalisia asiakkaita, kilpailijoita ja ABB:n mahdollisuuksia toimia alalla SWOT–analyysin avulla. Tutkimuksen tulosten perusteella tehdään päätös tuotteistaa voimalaitoksille palvelutuote, joka sisältää kaikki toimet energiatehokkuuslain asettamien vaatimusten täyttämiseen yrityksen energiakatselmuksen vastuuhenkilön, energiakatselmuksen ja kohdekatselmuksien teon osalta. Lisäksi työn aikana Energiavirasto myönsi ABB:lle pätevyyden toimia yrityksen energiakatselmuksen vastuuhenkilönä, mikä on edellytyksenä palvelun tarjoamiselle.

Strategic choices and performance – an empirical analysis of largest European and North American energy companies

Energy industry has gone through major changes globally in past two decades. Liberalization of energy markets has led companies to integrate both vertically and horizontally. Growing concern on sustainable development and aims to decrease greenhouse gases in future will increase the portion of renewable energy in total energy production. Purpose of this study was to analyze using statistical methods, what impacts different strategic choices has on biggest European and North American energy companies’ performance. Results show that vertical integration, horizontal integration and use of renewable energy in production had the most impact on profitability. Increase in level of vertical integration decreased companies’ profitability, while increase in horizontal integration improved companies’ profitability. Companies that used renewable energy in production were less profitable than companies not using renewable energy.

Statistical Analysis of Spectral Images

Tämä diplomityö liittyy Spektrikuvien tutkimiseen tilastollisen kuvamallin näkökulmasta. Diplomityön ensimmäisessä osassa tarkastellaan tilastollisten parametrien jakaumien vaikutusta väreihin ja korostumiin erilaisissa valaistusolosuhteissa. Havaittiin, että tilastollisten parametrien väliset suhteet eivät riipu valaistusolosuhteista, mutta riippuvat kuvan häiriöttömyydestä. Ilmeni myös, että korkea huipukkuus saattaa aiheutua värikylläisyydestä. Lisäksi työssä kehitettiin tilastolliseen spektrimalliin perustuvaa tekstuurinyhdistämisalgoritmia. Sillä saavutettiin hyviä tuloksia, kun tilastollisten parametrien väliset riippuvuussuhteet olivat voimassa. Työn toisessa osassa erilaisia spektrikuvia tutkittiin käyttäen itsenäistä komponenttien analyysia (ICA). Seuraavia itsenäiseen komponenttien analyysiin tarkoitettuja algoritmia tarkasteltiin: JADE, kiinteän pisteen ICA ja momenttikeskeinen ICA. Tutkimuksissa painotettiin erottelun laatua. Paras erottelu saavutettiin JADE- algoritmilla, joskin erot muiden algoritmien välillä eivät olleet merkittäviä. Algoritmi jakoi kuvan kahteen itsenäiseen, joko korostuneeseen ja korostumattomaan tai kromaattiseen ja akromaattiseen, komponenttiin. Lopuksi pohditaan huipukkuuden suhdetta kuvan ominaisuuksiin, kuten korostuneisuuteen ja värikylläisyyteen. Työn viimeisessä osassa ehdotetaan mahdollisia jatkotutkimuskohteita.

Calculation analysis of energy saving tools for fan and pump applications

This thesis analyses the calculation of FanSave and PumpSave energy saving tools calculation. With these programs energy consumption of variable speed drive control for fans and pumps can be compared to other control methods. With FanSave centrifugal and axial fans can be examined and PumpSave deals with centrifugal pumps. By means of these programs also suitable frequency converter can be chosen from the ABB collection. Programs need as initial values information about the appliances like amount of flow and efficiencies. Operation time is important factor when calculating the annual energy consumption and information about it are the length and profile. Basic theory related to fans and pumps is introduced without more precise instructions for dimensioning. FanSave and PumpSave contain various methods for flow control. These control methods are introduced in the thesis based on their operational principles and suitability. Also squirrel cage motor and frequency converter are introduced because of their close involvement to fans and pumps. Second part of the thesis contains comparison between results of FanSave’s and PumpSave’s calculation and performance curve based calculation. Also laboratory tests were made with centrifugal and axial fan and also with centrifugal pump. With the results from this thesis the calculation of these programs can be adjusted to be more accurate and also some new features can be added.

Statistical Analysis of an SEIR Epidemic Model

This thesis was focussed on statistical analysis methods and proposes the use of Bayesian inference to extract information contained in experimental data by estimating Ebola model parameters. The model is a system of differential equations expressing the behavior and dynamics of Ebola. Two sets of data (onset and death data) were both used to estimate parameters, which has not been done by previous researchers in (Chowell, 2004). To be able to use both data, a new version of the model has been built. Model parameters have been estimated and then used to calculate the basic reproduction number and to study the disease-free equilibrium. Estimates of the parameters were useful to determine how well the model fits the data and how good estimates were, in terms of the information they provided about the possible relationship between variables. The solution showed that Ebola model fits the observed onset data at 98.95% and the observed death data at 93.6%. Since Bayesian inference can not be performed analytically, the Markov chain Monte Carlo approach has been used to generate samples from the posterior distribution over parameters. Samples have been used to check the accuracy of the model and other characteristics of the target posteriors.