Purification of Hydrocarbon Waste Streams

Purification of hydrocarbon waste streams is needed to recycle valuable hydrocarbon products, reduce hazardous impacts on environment, and save energy. To obtain these goals, research must be focused on the search of effective and feasible purification and re-refining technologies. Hydrocarbon waste streams can contain both deliberately added additives to original product and during operation cycle accumulated undesired contaminants. Compounds may have degenerated or cross-reacted. Thus, the presence of unknown species cause additional challenges for the purification process. Adsorption process is most suitable to reduce impurities to very low concentrations. Main advantages are availability of selective commercial adsorbents and the regeneration option to recycle used separation material. Used hydrocarbon fraction was purified with various separation materials in the experimental part. First screening of suitable materials was done. In the second stage, temperature dependence and adsorption kinetics were studied. Finally, one fixed bed experiment was done with the most suitable material. Additionally, FTIR-measurements of hydrocarbon samples were carried out to develop a model to monitor the concentrations of three target impurities based on spectral data. Adsorption capacities of the tested separation materials were observed to be low to achieve high enough removal efficiencies for target impurities. Based on the obtained data, batch process would be more suitable than a fixed bed process and operation at high temperatures is favorable. Additional pretreatment step is recommended to improve removal efficiency. The FTIR-measurement was proven to be a reliable and fast analysis method for challenging hydrocarbon samples.

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.

Bacterial community structure and petroleum hydrocarbon degradation in the Baltic Sea

The Baltic Sea is unique by its biological, geochemical and physical features. The number of species of larger organisms is small and the species composition is distinctive. On the contrary microbial communities are diverse. Because of the low salinity levels, bacterial communities differ from the ones in the oceans. Knowing the structure of these communities better and how they response to different environmental conditions helps us to estimate how different factors affect the balance and function of the Baltic Sea ecosystem. Bacteria are the key players when it comes to natural biogeochemical processes and human-induced phenomena like eutrophication, oil spills or disposal of other harmful substances to the sea ecosystem. In this thesis, bacterial community structure in the sea surface microlayer and subsurface water of the Archipelago Sea were compared. In addition, the effect of diatom derived polyunsaturated aldehydes on bacterial community structure was studied by a mesocosm experiment. Diesel, crude oil and polycyclic aromatic hydrocarbon degradation capacity of the Baltic Sea bacteria was studied in smaller scale microcosm experiments. In diesel oil experiments bacteria from water phase of the Archipelago Sea was studied. Sediment and iron manganese concretions collected from the Gulf of Finland were used in the crude oil and polycyclic aromatic hydrocarbon experiments. The amount of polycyclic aromatic hydrocarbon degradation genes was measured in all of the oil degradation experiments. The results show how differences in bacterial community structure can be seen in the sea surface when compared to the subsurface waters. The mesocosm experiment demonstrated how diatom-bacteria interactions depend on other factors than diatom derived polyunsaturated aldehydes, which do not seem to have an effect on the bacterial community structure as has been suggested in earlier studies. The dominant bacterial groups in the diesel microcosms differed in samples taken from a pristine site when compared to a site with previous oil exposure in the Archipelago Sea area. Results of the study with sediment and iron-manganese concretions indicate that there are diverse bacterial communities, typical to each bottom type, inhabiting the bottoms of the Gulf of Finland capable to degrade oil and polycyclic aromatic hydrocarbon compounds.  

Uimahallien vedestä haihtuvat epäpuhtaudet ja niiden leviäminen allastilassa

Uimaveden klooridesinfioinnissa syntyy sivutuotteena haihtuvia ja haitallisia halogeeniyhdisteitä, kuten trihalometaaneja ja triklooriamiinia, jotka voivat heikentää allas-tilan sisäilman laatua merkittävästi. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa näiden desinfioinnin sivutuotteiden pitoisuuksia suomalaisissa uimahalleissa sekä selvittää epäpuhtauksien kulkeutumista allastiloissa. Lisäksi pyrittiin löytämään merkittävimmät veden laatu- ja käsittelyparametrit sekä ilmanvaihtotekniset tekijät, jotka vaikuttavat vedestä haihtuvien epäpuhtauksien pitoisuuksiin hallitiloissa. Mittaukset tehtiin kymmenessä eri puolilla Suomea sijaitsevassa uimahallissa. Mittausten perusteella havaittiin, että allastilojen kloroformipitoisuudet vaihtelivat välillä 8,9-84,0 ¿g/m3. Terapia-allasostoilta mitatut pitoisuudet olivat pääallastiloista mitattuja pitoisuuksia suurempia ja aamulla mitattu pitoisuus alhaisempi kuin illalla mitattu. Lisäksi ilmastoiduista valvomoista mitatut pitoisuudet olivat merkittävästi allastilojen pitoisuuksia pienempiä. Triklooriamiininäytteistä suurin osa oli alle määritysrajan. Sisäilman kloroformipitoisuuden havaittiin korreloivan veden lämpötilan sekä ilman kosteuden kanssa. Triklooriamiinille tilastollista analyysiä ei voitu tehdä mm. määritys-rajan alle jääneiden näytteiden suuren osuuden vuoksi. Teknisten kyselyiden ja ilmanvaihtomittausten perusteella todettiin, että uimahallien ilmanvaihto toimii lämmitystarpeen vuoksi sekoittavana ja epäpuhtauksien leviämistä allastilassa ei voida käytännössä katsoen estää. Ilman virtausnopeudet pääaltaiden reunoilla olivat pieniä ja ilman virtauskenttien ei todettu vaikuttavan epäpuhtauksien kulkeutumiseen allastiloissa. Mittauskohteiden vähyydestä ja vedenkäsittelyn hallikohtaisista erityispiirteistä johtuen luotettavia johtopäätöksiä vedenkäsittelymenetelmien vaikutuksesta allasveden ja allastilan ilman laatuun ei pystytty tekemään.

Radiaalikompressorin valinta hiilivetyteollisuudessa

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää hiilivetyteollisuudessa käytettävien radiaali-kompressorien ominaisuuksia, toimintaympäristöjä, turvallisuusasioita, etuja ja rajoitteita. Tämän lisäksi selvitettiin vaihtoehtoisia yleisesti käytettyjä menetelmiä radiaalikompressorien simuloimiseksi. Työssä tutkittiin myös kaupallisten mitoitusohjelmien soveltuvuutta laitesuunnittelun tueksi Neste Jacobs Oy:ssä. Työn kirjallisuusosassa käsiteltiin radiaalikompressorien toimintaympäristöjä, säätötapoja sekä näistäja muista tekijöistä aiheutuvia rajoitteita ja vaatimuksia. Kirjallisuustutkimuksen perusteella laadittiin tarkistuslista asioista, jotka tulee selvittää ennenvarsinaista radiaalikompressorien mitoittamista. Soveltuvaakaupallista kompressorien mitoitusohjelmaa ei tutkimuksessa löytynyt. Tämän vuoksi työn kokeellisessa osassa laadittiin Excel-laskentataulukko, joka perustuu yhteen kirjallisuusosassa esitettyyn mitoitustapaan. Laaditun laskentataulukon soveltuvuutta kompressorien esivalintaan testattiin vertailemalla ohjelman mitoituksia Neste Jacobs Oy:llä käytössä olevaan mitoitusohjelmaan ja toiseen työssä esitettyyn mitoitus-menetelmään. Lisäksi Excel-laskentataulukon ja Neste Jacobs Oy:n ohjelman mitoituksia verrattiin todellisen, käytössä olevan kompressorin suunnittelu- ja operointiarvoihin. Lisäksi tutkimuksessa arvioitiin laaditun laskentataulukon käytettävyyttä, rajoitteita ja kehitysmahdollisuuksia. Saatujen tulosten perusteella työssä laadittu laskentataulukko soveltuu sellaisenaan Neste Jacobs Oy:n radiaalikompressorien simulointiin.

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.

Eetteröintiprosessien simulointivalmiuksien kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ETBE-prosessien simulointimallin kehittämistä. Simulointia varten valittiin eetteröinnin syöttövirroiksi etanoli ja tyypillinen FCC-kolonnin hiilivetysyöttö. Kirjallisuusosassa paneuduttiin tutkimaan syitä ETBE:n käytölle bensiinissä, valmistukseen tarvittavien raaka-aineiden lähteitä ja mahdollisia korvaavia raaka-aineita sekä mietittiin etanolissa olevien epäpuhtauksien vaikutusta prosessin tuotespesifikaatioihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lisäksi eri valmistajien markkinoimia eetteröintiteknologioita. Eetteröintiteknlogiat jaettiin perinteiseen tislaukseen pohjautuviin prosesseihin, reaktiiviseen tislaukseen pohjautuviin prosesseihin sekä Neste Engineering:in markkinoimaan NExETHERS-teknologiaan. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin sekä etanolin epäpuhtauksien kulkeutumista prosessissa että kokeellisesti saadusta höyry-nestetasapainotiedosta määritettyjen Wilsonin yhtälön binääri-interaktioparametrien vaikutusta eetteröintiprosessin simulointituloksiin. Lopuksi simulointiin prosessia, jossa oli prosessin kannalta kriittiseksi havaitut etanolin epäpuhtaudet sekä hyviksi todetut binääri-interaktioparametrit etanolin ja FCC-syöttövirran C4-hiilivetyjen välillä. Uusilla binääriparametreilla saatuja simulointituloksia vertailtiin aikaisemmin samasta mallista vanhoilla binääriparametreilla saatuihin tuloksiin. Lopuksi tehtiin yhteenveto työn tuloksista ja annettiin ehdotukset jatkotutkimuksia varten.

Teräspalkkirakenteiden palomitoitus hiilivetypalossa

Työn tavoitteena oli kehittää teräspalkkirakenteiden palosuunnittelua ja palosuojauksen toteutusta öljynjalostamolla käytettävien kantavien teräspalkkirakenteiden osalta. Lisäksi tavoitteena oli luoda suunnitteluohjeen runko palomitoituksen toteuttamiseksi Neste Engineering Oy:ssä. Ongelmakohtia työssä olivat rakenteiden kapasiteettien tarkka määritys, toimivien toteutusratkaisujen etsiminen, sekä öljynjalostamolla mitoituspalona käytettävän hiilivetypalon SFS-ENV-1992-1-2 käyttö yleisemmin mitoituspalona käytettävän standardipalo ISO-834 sijaan. Työssä perehdyttiin kirjallisuuden perusteella eri palosuojausmenetelmiin. Tarkemman jatkotutkimuksen kohteeksi otettiin jo käytössä hyväksi havaittu teräsputkipalkkien sisäpuoleinen betonitäyttö. Menetelmässä teräsputkipalkin oletetaan kantavan kuormat normaalitilassa ja sisällä olevan raudoitetun betonin palossa. Palkkirakenteiden kapasiteettimitoitus määritettiin laskennallisesti poikkileikkauksille. Mitoitus perustuu palkissa tapahtuvien sisäisten venymien ja puristumien tarkasteluun, sekä poikkileikkauksen tarkan lämpötilajakauman huomioimiseen. Raudoitustankojen ankkurointia palkki-pilari-liitoksessa kehitettiin valmistuksen kannalta yksioikoisemmaksi ja helpommin toteutettavaksi. Palkkien raudoituksiin suunniteltiin kierremuhvijatkoksella toteutettava ankkurointimenetelmä, jolla palkkien raudoitustangot saadaan ankkuroitua täydestä kapasiteetistaan tapauskohtaisesti pilarin vastakkaisella puolella olevaan palkkiin tai ankkurointikappaleella pilariin. Teräsputkipilarin betonivalun vaihtoehtoisiin menetelmiin tutustuttiin. Pilarin alapäähän asennettavan venttiilin läpi tapahtuva täyttö helpottaa betonointityövaihetta. Tutkimuksen tuloksena luotiin suunnitteluohjeen runko, jonka pohjalta voidaan tehdä lopullinen ohje. Myös työn tuloksena saatu laskentaohjelma palkkien momentti-kapasiteetin ja pilarin nurjahduskuorman laskemiseksi helpottaa suunnittelua. Raudoituksen ankkurointiin ja betonointiin esitettyjen menetelmien toimivuus on syytä kokeilla käytännössä ja tehdä jatkokehitys näistä saatavien kokemusten pohjalta.

Surface Studies of Thiolate Adsorbates on Some Metals

The results and discussions in this thesis are based on my studies about selfassembled thiol layers on gold, platinum, silver and copper surfaces. These kinds of layers are two-dimensional, one molecule thick and covalently organized at the surface. They are an easy way to modify surface properties. Self-assembly is today an intensive research field because of the promise it holds for producing new technology at nanoscale, the scale of atoms and molecules. These kinds of films have applications for example, in the fields of physics, biology, engineering, chemistry and computer science. Compared to the extensive literature concerning self-assembled monolayers (SAMs) on gold, little is known about the structure and properties of thiolbased SAMs on other metals. In this thesis I have focused on thiol layers on gold, platinum, silver and copper substrates. These studies can be regarded as a basic study of SAMs. Nevertheless, an understanding of the physical and chemical nature of SAMs allows the correlation between atomic structure and macroscopic properties. The results can be used as a starting point for many practical applications. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and synchrotron radiation excited high resolution photoelectron spectroscopy (HR-XPS) together with time-offlight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) were applied to investigate thin organic films formed by the spontaneous adsorption of molecules on metal surfaces. Photoelectron spectroscopy was the main method used in these studies. In photoelectron spectroscopy, the sample is irradiated with photons and emitted photoelectrons are energy-analyzed. The obtained spectra give information about the atomic composition of the surface and about the chemical state of the detected elements. It is widely used in the study of thin layers and is a very powerful tool for this purpose. Some XPS results were complemented with ToF-SIMS measurements. It provides information on the chemical composition and molecular structure of the samples. Thiol (1-Dodecanethiol, CH3(CH2)11SH) solution was used to create SAMs on metal substrates. Uniform layers were formed on most of the studied metal surfaces. On platinum, surface aligned molecules were also detected in investigations by XPS and ToF-SIMS. The influence of radiation on the layer structure was studied, leading to the conclusion that parts of the hydrocarbon chains break off due to radiation and the rest of the layer is deformed. The results obtained showed differences depending on the substrate material. The influence of oxygen on layer formation was also studied. Thiol molecules were found to replace some of the oxygen from the metal surfaces.

Toimintamalli asuinkiinteistö öljyvahingon hoitamiseksi

Pienkiinteistöjen öljyvahingot ovat viime vuosina lisääntyneet. Tämän työn tarkoituksena on luoda öljyvahingon torjuntaan ja jälkihoitoon osallistuvalle urakoitsijalle toimintamalli asuinkiinteistön öljyvahingon hoitamiseksi. Mallin halutaan erityisesti kuvaavan öljyvahingon hoitoon osallistuvien viranomaisten ja muiden tahojen vastuita ja velvollisuuksia. Työn tavoitteena on myös tunnistaa pienkiinteistöissä tapahtuvat öljyvahinkotyypit sekä niille altistavat riskitekijät. Öljyn päästäminen ympäristöön sekä öljyn käsittely ja varastointi niin, että siitä aiheutuu öljyvahingon vaara, kielletään laissa. Vahinkojen torjumiseksi on annettu määräyksiä muun muassa öljylämmityslaitteistojen turvallisuutta koskien. Asuinkiinteistöjen öljyvahingot liittyvät yleensä öljysäiliön täyttötilanteisiin. Vahinkojen syynä on usein säiliön ja sen varusteiden puutteellisuus tai huono kunto. Asuinrakennusten lämmitykseen käytetään kevyttä polttoöljyä. Maahan joutuessaan polttoöljy imeytyy sora- ja hiekkamaahan nopeasti, jolloin vaarana on öljyn kulkeutuminen pohjaveteen ja vesistöihin. Asuinkiinteistön öljyvahingossa öljyä joutuu usein myös rakenteisiin. Öljyvahingosta tulee ilmoittaa aina hätäkeskukseen. Vastuu öljyvahinkojen torjunnasta kuuluu alueelliselle pelastustoimelle. Torjuntatoimiin osallistuu usein myös urakoitsija. Jos vahinkokohdetta ei torjuntatoimin saada kunnostettua, alueellinen ympäristökeskus voi määrätä puhdistamisesta vastuussa olevan selvittämään pilaantuneen alueen laajuuden ja puhdistamistarpeen sekä toteuttamaan mahdollisen kunnostuksen. Pilaantuneen maaperän kunnostus voidaan toteuttaa massan vaihtona tai paikan päällä maata kaivamatta. Likaantuneiden rakenteiden saneerausta tarvitaan sisäilman hajuhaittojen poistamiseksi. Öljyvahingon kustannukset voivat nousta hyvinkin suuriksi. Ensisijainen vastuu niistä kuuluu vahingonaiheuttajalle.

Reagenssin pinta-aktiivisuuden hyödyntäminen sinkin uutossa

Työssä tutkittiin sinkin uutossa käytettävän di(2-etyyliheksyyli)fosforihappo (D2EHPA) -uuttoreagenssin faasikäyttäytymistä ja miten laimentimen koostumus, lämpötila ja orgaanisen faasin sinkkipitoisuus vaikuttavat faasitasapainoon. Laimentimen vaikutuksen havaittiin olevan pientä, kun taas lämpötilan nostaminen yli huoneenlämpötilan leventää faasidiagrammin yksifaasialuetta. Pienet orgaanisen faasin sinkkipitoisuudet eivät juuri vaikuta faasitasapainoon. Sinkin ja D2EHPA:n moolisuhteen ollessa välillä 0,1–0,2 kompleksin rakenne ilmeisesti muuttuu. Sinkkipitoisuuden kasvaessa yksifaasialue muodostuu pienemmillä ammoniakkimäärillä. Suurilla orgaanisen faasin sinkkipitoisuuksilla ja ammoniakkimäärillä muodostuu orgaanisen faasin ja vesifaasin välille kolmas nestefaasi. D2EHPA:n (40 p %) vesipitoisuuden ja viskositeetin pH riippuvuutta tutkittiin, kun laimentimena oli alifaattinen hiilivetyliuotin. Nostettaessa pH yli 3,5:n uuttoreagenssi alkoi muodostaa käänteismisellejä, jolloin orgaanisen faasin vesipitoisuus ja viskositeetti kasvoivat eksponentiaalisesti. Sinkin mukana uuttautuu epäpuhtauksia kuten Al3+, Co2+, Cu2+, Na+, Ni2+, Cl- ja F-. Takaisinuuton kautta epäpuhtaudet joutuvat talteenottoelektrolyysiin, jossa ne voivat vaikuttaa tuotteen laatuun ja laskea virtahyötysuhdetta. Tarkoituksena oli tutkia väheneekö epäpuhtauksien myötäuuttautuminen jollakin tietyllä sinkin latausasteella. Fluoridin ja kuparin uuttautumisen havaittiin vähenevän vasta, kun sinkin pitoisuus orgaanisessa faasissa oli yli 20 g/L lämpötilasta riippumatta. Fluoridi uuttautuu mahdollisesti alumiinikompleksina ja/tai fluorihappona. Koboltin ja nikkelin myötäuuttautumisen havaittiin vähenevän, kun sinkin latausaste oli yli 10 g/L. Natrium ja kloridi eivät myötäuuttautuneet.

Säiliöperheen tuotekehitysprojekti

Tässä kandidaatintyössä käsiteltiin polttoainesäiliöiden tuotekehitysprojektia. Työssä käytiin läpi erilaisia eristysvaihtoehtoja sekä niiden ominaisuuksia valmistuksessa. Lisäksi käsiteltiin luodinkestävyyttä, palosuojausta sekä mahdollisia muutoksia jakeluasemastandardiin.

Suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaaminen metyylisalisylaatilla -mittaus- ja analyysimenetelmien kehittäminen ja validointi

Tässä diplomityössä kehitettiin mittaus- ja analyysimenetelmät suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaamiseksi sekä neste- että kaasumaisella metyylisalisylaatilla. Kehitystyö tehtiin standardin SFS-EN ISO 6529 pohjalta. Tämä standardi kuvaa kuitenkin varsin yleisellä tasolla suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testimenetelmät, eikä se ole mikään tarkka työohje. Näytteenotto- ja analyysimenetelmät joudutaan siis valitsemaan sekä validoimaan jokaiselle kemikaalille erikseen, tässä tapauksessa metyylisalisylaatille. Työn tarkoituksena oli kehittää toimivat menetelmät ja laitteistot siten, että olisi mahdollista suorittaa metyylisalisylaatin määritys on-line mittauksena läpäisytestauksessa. Läpäisytestaustoiminnan nopeuttamiseksi työssä myös suunniteltiin ja rakennettiin laitteistot kolmen rinnakkaisen testikennon yhdenaikaista testausta varten sekä kaasumaisen että nestemäisen metyylisalisylaatin ollessa testikemikaalina. Havaittiin, että UV/VIS-spektrofotometri varustettuna läpivirtauskyvetillä ja näyteenottopumpulla on toimiva ja käyttökelpoinen analyysimenetelmä metyylisalisylaatin määrittämiseen nesteistä on-line mittauksena läpäisyn testauksessa. Kaasumaisen metyylisalisylaatin tapauksessa määritysmenetelmänä päädyttiin käyttämään kokonaishiilivetyanalysaattoria, joka on varustettu liekki-ionisaatiodetektorilla. Molemmissa tapauksissa saatiin aikaan toimivat ja on-line mittauksiin kykenevät näytteenotto- ja määritysmenetelmät, joilla loppukäyttäjä voi suorittaa laajempaa läpäisytestausta.

Insulation System in an Integrated Motor Compressor

A high-speed and high-voltage solid-rotor induction machine provides beneficial features for natural gas compressor technology. The mechanical robustness of the machine enables its use in an integrated motor-compressor. The technology uses a centrifugal compressor, which is mounted on the same shaft with the high-speed electrical machine driving it. No gearbox is needed as the speed is determined by the frequency converter. The cooling is provided by the process gas, which flows through the motor and is capable of transferring the heat away from the motor. The technology has been used in the compressors in the natural gas supply chain in the central Europe. New areas of application include natural gas compressors working at the wellheads of the subsea gas reservoir. A key challenge for the design of such a motor is the resistance of the stator insulation to the raw natural gas from the well. The gas contains water and heavy hydrocarbon compounds and it is far harsher than the sales gas in the natural gas supply network. The objective of this doctoral thesis is to discuss the resistance of the insulation to the raw natural gas and the phenomena degrading the insulation. The presence of partial discharges is analyzed in this doctoral dissertation. The breakdown voltage of the gas is measured as a function of pressure and gap distance. The partial discharge activity is measured on small samples representing the windings of the machine. The electrical field behavior is also modeled by finite element methods. Based on the measurements it has been concluded that the discharges are expected to disappear at gas pressures above 4 – 5 bar. The disappearance of discharges is caused by the breakdown strength of the gas, which increases as the pressure increases. Based on the finite element analysis, the physical length of a discharge seen in the PD measurements at atmospheric pressure was approximated to be 40 – 120 m. The chemical aging of the insulation when exposed to raw natural gas is discussed based on a vast set of experimental tests with the gas mixture representing the real gas mixture at the wellhead. The mixture was created by mixing dry hydrocarbon gas, heavy hydrocarbon compounds, monoethylene glycol, and water. The mixture was chosen to be more aggressive by increasing the amount of liquid substances. Furthermore, the temperature and pressure were increased, which resulted in accelerated test conditions. The time required to detect severe degradation was thus decreased. The test program included a comparison of materials, an analysis of the e ects of di erent compounds in the gas mixture, namely water and heavy hydrocarbons, on the aging, an analysis of the e ects of temperature and exposure duration, and also an analysis on the e ect of sudden pressure changes on the degradation of the insulating materials. It was found in the tests that an insulation consisting of mica, glass, and epoxy resin can tolerate the raw natural gas, but it experiences some degradation. The key material in the composite insulation is the resin, which largely defines the performance of the insulation system. The degradation of the insulation is mostly determined by the amount of gas mixture di used into it. The di usion was seen to follow Fick’s second law, but the coe cients were not accurately defined. The di usion was not sensitive to temperature, but it was dependent upon the thermodynamic state of the gas mixture, in other words, the amounts of liquid components in the gas. The weight increase observed was mostly related to heavy hydrocarbon compounds, which act as plasticizers in the epoxy resin. The di usion of these compounds is determined by the crosslink density of the resin. Water causes slight changes in the chemical structure, but these changes do not significantly contribute to the aging phenomena. Sudden changes in pressure can lead to severe damages in the insulation, because the motion of the di used gas is able to create internal cracks in the insulation. Therefore, the di usion only reduces the mechanical strength of the insulation, but the ultimate breakdown can potentially be caused by a sudden drop in the pressure of the process gas.

Steroidien selektiivinen erottaminen sähköavusteisesti mikroemulsioita käyttäen

Mikroemulsiosähkökineettinen kromatografia on sähköavusteinen erotusmenetelmä. Yhdisteiden erottuminen tapahtuu mikroemulsiopisaroiden vaikutuksesta, kun nanometrien kokoiset öljypisarat ovat dispergoituneena veteen valmistettuun puskuriliuokseen. Yleensä mikroemulsiot valmistetaan raakaöljynkin sisältämistä hiilivedyistä, joita ovat esimerkiksi oktaani ja heptaani. Työn kokeellisessa osassa perehdyttiin seitsemän hydrofobisen ja varauksettoman steroidihormonin erottamiseen mikroemulsioliuoksessa kapillaarielektroforeesitekniikalla. Työssä valmistettiin öljyistä koostuvia mikroemulsioita, joista osan koostumus valittiin kirjallisuuden perusteella. Työssä kokeiltiin myös uusia mikroemulsiokoostumuksia, joissa käytettiin luonnosta peräisin olevia öljyjä: rypsi-, oliivi-, pellavansiemen- ja saksanpähkinäöljyä. Seitsemästä steroidihormonista viisi yhdistettä saatiin erottumaan optimoiduilla menetelmillä. Steroidien erotus perustuu niiden oktanoli-vesi jakautumiskertoimien avulla saatavaan migraatiojärjestykseen. Mikroemulsiossa, jossa käytettiin 1-oktanolia, steroidihormonit erottuivat nopeammin, kuin saksanpähkinäöljyä käytettäessä. Lyhyimmät migraatioajat saatiin mikroemulsiolla, jossa öljyfaasina käytettiin 1-heksanolia ja viidentenä yhdisteenä asetonitriiliä. Selektiivisimmillään menetelmä on, kun erotus tapahtuu liuoksessa, joka koostuu etyyliasetaatista, natriumdodekyylisulfaatista, butanolista, asetonitriilistä ja natriumtetraboraatista. Toteamisrajat tutkituille steroidihormoneille olivat 0,20–0,43 mg/L mikroemulsioissa.