Gas-liquid mass transfer in bubbly flow: Estimation of mass transfer, bubble size and reactor performance in various applications

Gas-liquid mass transfer is an important issue in the design and operation of many chemical unit operations. Despite its importance, the evaluation of gas-liquid mass transfer is not straightforward due to the complex nature of the phenomena involved. In this thesis gas-liquid mass transfer was evaluated in three different gas-liquid reactors in a traditional way by measuring the volumetric mass transfer coefficient (kLa). The studied reactors were a bubble column with a T-junction two-phase nozzle for gas dispersion, an industrial scale bubble column reactor for the oxidation of tetrahydroanthrahydroquinone and a concurrent downflow structured bed.The main drawback of this approach is that the obtained correlations give only the average volumetric mass transfer coefficient, which is dependent on average conditions. Moreover, the obtained correlations are valid only for the studied geometry and for the chemical system used in the measurements. In principle, a more fundamental approach is to estimate the interfacial area available for mass transfer from bubble size distributions obtained by solution of population balance equations. This approach has been used in this thesis by developing a population balance model for a bubble column together with phenomenological models for bubble breakage and coalescence. The parameters of the bubble breakage rate and coalescence rate models were estimated by comparing the measured and calculated bubble sizes. The coalescence models always have at least one experimental parameter. This is because the bubble coalescence depends on liquid composition in a way which is difficult to evaluate using known physical properties. The coalescence properties of some model solutions were evaluated by measuring the time that a bubble rests at the free liquid-gas interface before coalescing (the so-calledpersistence time or rest time). The measured persistence times range from 10 msup to 15 s depending on the solution. The coalescence was never found to be instantaneous. The bubble oscillates up and down at the interface at least a coupleof times before coalescence takes place. The measured persistence times were compared to coalescence times obtained by parameter fitting using measured bubble size distributions in a bubble column and a bubble column population balance model. For short persistence times, the persistence and coalescence times are in good agreement. For longer persistence times, however, the persistence times are at least an order of magnitude longer than the corresponding coalescence times from parameter fitting. This discrepancy may be attributed to the uncertainties concerning the estimation of energy dissipation rates, collision rates and mechanisms and contact times of the bubbles.

Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.

Evaluation of Bubble Formation and Break Up in Suppression Pools by Using Pattern Recognition Methods

During a possible loss of coolant accident in BWRs, a large amount of steam will be released from the reactor pressure vessel to the suppression pool. Steam will be condensed into the suppression pool causing dynamic and structural loads to the pool. The formation and break up of bubbles can be measured by visual observation using a suitable pattern recognition algorithm. The aim of this study was to improve the preliminary pattern recognition algorithm, developed by Vesa Tanskanen in his doctoral dissertation, by using MATLAB. Video material from the PPOOLEX test facility, recorded during thermal stratification and mixing experiments, was used as a reference in the development of the algorithm. The developed algorithm consists of two parts: the pattern recognition of the bubbles and the analysis of recognized bubble images. The bubble recognition works well, but some errors will appear due to the complex structure of the pool. The results of the image analysis were reasonable. The volume and the surface area of the bubbles were not evaluated. Chugging frequencies calculated by using FFT fitted well into the results of oscillation frequencies measured in the experiments. The pattern recognition algorithm works in the conditions it is designed for. If the measurement configuration will be changed, some modifications have to be done. Numerous improvements are proposed for the future 3D equipment.

Valtionpäämiehen vastuu sotarikoksesta : tapausesimerkkinä Charles Taylor

Tämä tutkimus sijoittuu sotilasjohtamisen alalle. Siinä on hyödynnetty oikeustieteen lähestymistapoja ja tutkimusmenetelmiä. Tieteenfilosofisesti tutkimus noudattaa eurooppalaisen oikeuspositivismin periaatteita. Tutkimuskohteena oli Liberian entisen presidentin Charles Taylorin sotarikosoikeudenkäynti Sierra Leonen erityistuomioistuimessa. Tavoitteena oli muodostaa oikeustapausta tarkastelemalla perusteltu näkemys siitä, miten kansainvälisen oikeuden oikeussäännöt nykyään vaikuttavat valtionpäämiehen vastuuseen sotarikostapauksissa. Keskeisin tutkimusongelma ja päätutkimuskysymys oli mikä on valtionpäämiehen vastuu sotarikoksista nykyisen oikeuskäytännön mukaan (tapausesimerkkinä tapaus Charles Taylor)? Tämä on ensimmäinen suomalainen sotatieteellinen tutkimus, joka käsittelee valtionpäämiehen vastuuta sotarikoksista. Tutkittava tapaus valikoitui sen merkittävyyden perusteella. Taylorin oikeudenkäynti on toisen maailmansodan jälkeen ensimmäinen, jossa valtion päämies joutui rikosoikeudelliseen vastuuseen sotarikoksista. Tapausta voidaan pitää ennakkotapauksena ja prosessiesimerkkinä kansainvälisen rikosoikeuden soveltamisesta valtionpäämiestä koskevassa sotarikoskysymyksessä. Tapaus oli erittäin mielekäs tutkimuskohde, koska kyseinen oikeustapaus on saatu päätökseen. Nyt voitiin ensimmäistä kertaa analysoida valtionpäämieheen liittyvää kansainvälisoikeudellista prosessia kokonaisuutena. Tuomioistuimen päätöksen perusteella voidaan todeta, millä perusteilla valtionpäämiehen asemassa oleva henkilö voidaan tuomita sotarikoksista. Tutkimusmenetelmänä käytettiin aineistolähtöistä sisällönanalyysia, koska aiheesta oli suuri määrä kirjallista aineistoa. Analyysissa päädyttiin induktiiviseen eli aineistolähtöiseen päättelylogiikkaan, ja tutkimusstrategiaksi muodostui tapaustutkimus, koska tutkimuksen kohde oli selkeästi rajattu. Tutkimuksen primääriaineiston muodostivat erilaiset asiakirjat. Keskeisimmät tutkittavat dokumentit olivat Sierra Leonen erityistuomioistuimen oikeudenkäyntiasiakirjat ja oikeuslähteinä käytetyt viralliset dokumentit kuten valtiosopimukset ja tuomioistuinten peruskirjat. Tietoa taustoitettiin ja syvennettiin kirjallisuudella ja lehdistön tiedoilla. Tutkimuksessa selvitettiin ja kuvailtiin Charles Taylorin oikeusprosessi ja sen historialliset taustat. Pääpaino oli oikeustapauksen analyysissä. Tutkimusraporttiin liitettiin käsitteenmäärittelyosuus, jossa kuvaillaan niitä periaatteita ja oikeussääntöjä, joiden perusteella johtopäätöksiä tutkimuksessa tehtiin. Tutkimuksen johtopäätökset vastaavat tutkimuskysymyksiin. Keskeisimmät havainnot ja johtopäätökset ovat: 1. Valtionpäämiehen vastuu sotarikoksista perustuu kansainvälisen oikeuden oikeuslähteisiin. Taylorin vastuu rikoksiin voidaan osoittaa ja johtaa kaikista kansainvälisen oikeuden oikeuslähteistä. 2. Valtionpäämiehen status ei suojannut Charles Tayloria rikosoikeudelliselta vastuulta, koska rikokset, joista häntä syytettiin, olivat niin vakavia. Kansallisilla ja kansainvälisillä rikostuomioistuimilla on oikeus syyttää henkilöitä sotarikoksista ja rikoksista ihmisyyttä vastaan heidän valtiollisesta statuksestaan riippumatta. Esimerkiksi valtion immuniteetti tai valtionpäämiehen diplomaattinen asema eivät anna suojaa rikosoikeudelliselta vastuulta silloin, kun tutkitaan vakavia kansainvälisiä rikoksia. Tällaisiksi rikoksiksi luetaan esimerkiksi joukkotuhonta, sotarikokset ja rikokset ihmisyyttä vastaan. 3. Esimiehen vastuu seuraa komentoketjussa aina sen korkeimmalle huipulle saakka poikkeuksetta. Komentoketjun huipulla olevalla henkilöllä, esimerkiksi valtionpäämiehellä, ei ole rikosoikeudellista immuniteettia, mikäli häntä epäillään teoista, jotka täyttävät sotarikoksen tai rikoksien ihmisyyttä vastaan määritelmät. 4. Todisteet eivät riittäneet Taylorin tuomitsemiseksi suoraan esimiehen vastuun perusteella. Syyttäjä ei pystynyt näyttämään toteen, että Taylorilla olisi ollut suora esimiesasema Sierra Leonessa rikoksia tehneisiin henkilöihin tai järjestöihin. Tuomioistuin kuitenkin totesi Taylorin olleen rikosoikeudellisessa vastuussa, koska hänen katsottiin avustaneen (aiding and abetting) rikosten tekemistä ja osallistuneen niiden suunnitteluun (planning). 5. Taylorin tapaus vahvistaa kansainvälisen oikeuden periaatetta siitä, että esimiehen rikosoikeudellinen vastuu seuraa häntä myös tilanteissa, joissa hän ei itse ole varsinaisesti tehnyt rikoksia mutta on hyväksynnällään, ohjeillaan, asennoitumisellaan tai laiminlyönneillään edesauttanut niiden tekemistä. Henkilöllä ei tarvitse olla suoraa komentosuhdetta rikoksentekijöihin. Riittää, että hänellä on heihin vaikutusvaltaa. 6. Taylorin tuomio on merkittävä ennakkotapaus. Sillä on todennäköisesti tulevaisuudessa merkitystä vastaavia tapauksia selvitettäessä. Se antaa suuntaviivoja ja esimerkin siitä, miten valtionpäämiestä koskeva kansainvälinen rikosoikeudellinen prosessi voidaan toteuttaa onnistuneesti. Sillä voidaan toivoa myös olevan pelotearvoa. Se osoittaa, että vakavimpia rikoksia tehneet valtionpäämiehet eivät voi paeta vastuutaan asemaansa perustuvan rikosoikeudellisen immuniteetin tai diplomaattisen suojan perusteella.