Mixing performance evaluation of additive manufactured milli-scale reactors

The mixing performance of three passive milli-scale reactors with different geometries was investigated at different Reynolds numbers. The effects of design and operating characteristics such as mixing channel shape and volume flow rate were investigated. The main objective of this work was to demonstrate a process design method that uses on Computational Fluid Dynamics (CFD) for modeling and Additive Manufacturing (AM) technology for manufacture. The reactors were designed and simulated using SolidWorks and Fluent 15.0 software, respectively. Manufacturing of the devices was performed with an EOS M-series AM system. Step response experiments with distilled Millipore water and sodium hydroxide solution provided time-dependent concentration profiles. Villermaux-Dushman reaction experiments were also conducted for additional verification of CFD results and for mixing efficiency evaluation of the different geometries. Time-dependent concentration data and reaction evaluation showed that the performance of the AM-manufactured reactors matched the CFD results reasonably well. The proposed design method allows the implementation of new and innovative solutions, especially in the process design phase, for industrial scale reactor technologies. In addition, rapid implementation is another advantage due to the virtual flow design and due to the fast manufacturing which uses the same geometric file formats.

Linjasekoittimensekoituskyvyn määrittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää sekoituskyvyn empiirinen monimuuttujafunktio eräälle dynaamiselle linjasekoittimelle. Monimuuttujafunktio oli tarkoitus kehittää sekoittimen kierrosnopeuden, virtaavien materiaalien ja tilavuusvirtausten perus-teella. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin pääosin dynaamisia linjasekoittimia ja niiden toimintaperiaatteita sekä sekoituskyvyn määrittämiseen soveltuvia mittausmene-telmiä. Sekoitettavien aineiden epähomogeenisuus määritettiin mittaamalla termoelemen-teillä sekoittimen jälkeisen virran lämpötilavaihtelut. Sekoitettavina aineina käy-tettiin kolmea erilaista seosta: vesi-vesi-, kuitususpensio-vesi- ja karboksyylime-tyyliselluloosa-vesiseoksia. Muita muuttujia kokeissa olivat neljä eri sekoittimen kierrosnopeutta, neljä eri päävirran tilavuusvirtausta ja kolme päävirran sekäsii-hen lisättävän sivuvirran suhdetta. Monimuuttujafunktiokehitettiin vain kuitususpensio-vesiajojen pohjalta muilla seoksilla tehtyjen koeajojen osittaisen epäonnistumisen vuoksi. Hallitsevaksi pa-rametriksi monimuuttujafunktiossa osoittautui sekoittimen kierrosnopeus. Osittai-nen epäonnistuminen kokeissa johtui osaksi termoelementtien käytön sopimatto-muudesta sekoituskyvyn määrittämiseen ja osaksi sekoitettavien aineiden valin-nasta. Jatkotutkimuksiaajatellen muista sekoituskyvyn mittaamiseen käytettävissä olevista menetelmistäkäyttökelpoisimmaksi arvioitiin sähkötomografia.

Process intensification: From optimised flow patterns to microprocess technology

This thesis is focused on process intensification. Several significant problems and applications of this theme are covered. Process intensification is nowadays one of the most popular trends in chemical engineering and attempts have been made to develop a general, systematic methodology for intensification. This seems, however, to be very difficult, because intensified processes are often based on creativity and novel ideas. Monolith reactors and microreactors are successful examples of process intensification. They are usually multichannel devices in which a proper feed technique is important for creating even fluid distribution into the channels. Two different feed techniques were tested for monoliths. In the first technique a shower method was implemented by means of perforated plates. The second technique was a dispersion method using static mixers. Both techniques offered stable operation and uniform fluid distribution. The dispersion method enabled a wider operational range in terms of liquid superficial velocity. Using dispersion method, a volumetric gas-liquid mass transfer coefficient of 2 s-1 was reached. Flow patterns play a significant role in terms of the mixing performance of micromixers. Although the geometry of a T-mixer is simple, channel configurations and dimensions had a clear effect on mixing efficiency. The flow in the microchannel was laminar, but the formation of vortices promoted mixing in micro T-mixers. The generation of vortices was dependent on the channel dimensions, configurations and flow rate. Microreactors offer a high ratio of surface area to volume. Surface forces and interactions between fluids and surfaces are, therefore, often dominant factors. In certain cases, the interactions can be effectively utilised. Different wetting properties of solid materials (PTFE and stainless steel) were applied in the separation of immiscible liquid phases. A micro-scale plate coalescer with hydrophilic and hydrophobic surfaces was used for the continuous separation of organic and aqueous phases. Complete phase separation occurred in less than 20 seconds, whereas the separation time by settling exceeded 30 min. Fluid flows can be also intensified in suitable conditions. By adding certain additives into turbulent fluid flow, it was possible to reduce friction (drag) by 40 %. Drag reduction decreases frictional pressure drop in pipelines which leads to remarkable energy savings and decreases the size or number of pumping facilities required, e.g., in oil transport pipes. Process intensification enables operation often under more optimal conditions. The consequent cost savings from reduced use of raw materials and reduced waste lead to greater economic benefits in processing.

Kemikaalisekoituksen vaikutus kartongin liimausasteen pienimittakaavaiseen vaihteluun

Tässä diplomityössä tutkittiin massaliimauksen stabiilisuutta kartonkikoneella ja himan sekoituskonseptin muuttamisen vaikutusta liimausasteeseen ja liimausasteen pienimittakaavaiseen vaihteluun konerullan sisällä. Koeajoista saadut tulokset olivat erittäin lupaavia. Koeajoissa annosteltiin hartsia kahdella eri TrumpJet™-installaatiolla. Ensimmäisessä koeajossa hartsi sekoitettiin kaikkiin kolmeen kerrokseen sakean massan syöttölinjaan, ennen pyörrepuhdistuksen vaatimaa laimennusta. Toisessa koeajossa hartsi annosteltiin kolmella TrumpJet-suuttimella kartongin pintakerrokseen konesihdin jälkeen ja muihin kerroksiin perinteisesti sekoitussäiliön. Tuloksista nähtiin, että hartsin syöttö perälaatikon lähestymisvirtaukseen on mahdollista kartongin laadun ja liimausasteen siitä karsimatta. Liimausaste määritettiin Stora Enson spesifisen REP-menetelmän (raw edge penetration) avulla. Koesarjojen välille ei syntynyt merkittäviä eroja reunaimeytymätasoihin, eikä koesarjojen sisäisiin vaihteluihin verrattaessa referensikonerulliin.

Design and implementation of a multipurpose reactor for scale-up studies

In the theoretical part, the different polymerisation catalysts are introduced and the phenomena related to mixing in the stirred tank reactor are presented. Also the advantages and challenges related to scale-up are discussed. The aim of the applied part was to design and implement an intermediate-sized reactor useful for scale-up studies. The reactor setting was tested making one batch of Ziegler–Natta polypropylene catalyst. The catalyst preparation with a designed equipment setting succeeded and the catalyst was analysed. The analyses of the catalyst were done, because the properties of the catalyst were compared to the normal properties of Ziegler–Natta polypropylene catalyst. The total titanium content of the catalyst was slightly higher than in normal Ziegler–Natta polypropylene catalyst, but the magnesium and aluminium content of the catalyst were in the normal level. By adjusting the siphonation tube and adding one washing step the titanium content of the catalyst could be decreased. The particle size of the catalyst was small, but the activity was in a normal range. The size of the catalyst particles could be increased by decreasing the stirring speed. During the test run, it was noticed that some improvements for the designed equipment setting could be done. For example more valves for the chemical feed line need to be added to ensure inert conditions during the catalyst preparation. Also nitrogen for the reactor needs to separate from other nitrogen line. With this change the pressure in the reactor can be kept as desired during the catalyst preparation. The proposals for improvements are presented in the applied part. After these improvements are done, the equipment setting is ready for start-up. The computational fluid dynamics model for the designed reactor was provided by cooperation with Lappeenranta University of Technology. The experiments showed that for adequate mixing with one impeller, stirring speed of 600 rpm is needed. The computational fluid dynamics model with two impellers showed that there was no difference in the mixing efficiency if the upper impeller were pumping downwards or upwards.

Development of a Filter Aid Proportioning, Mixing, and Feeding System for a Polishing Filter

The purpose of this work was to study the characteristics of the most commonly used filter aid materials and their influences on the design of proportioning, mixing, and feeding system for polishing filter family. Based on the literature survey and hands-on experience a system was designed with defined equipment and capital and operating costs. The system was designed to serve precoating and bodyfeeding applications and is easily extended to be used in multiple filter processes. Also a test procedure was carried out where influences of flux and filter cloths to accumulated cake were studied. Filter aid is needed in challenging conditions to improve filtration efficiency and cleaning, and thus extend the operating life of the filter media. Filter aid preparation and feeding system was designed for the use of two different filter aids; precoat and bodyfeed. Precoating is used before the filtration step initiates. If the solids in the filterable solution have a tendency to clog the filter bag easily, precoat is used on the filter bag to obtain better filtration efficiency and quality. Diatomite or perlite is usually used as a precoating substance. The intention is to create a uniform cake to the overall surface of the filter cloth, with predetermined thickness, 2 – 5 mm. This ensures that the clogging of the filter cloth is reduced and the filtration efficiency is increased. Bodyfeed is used if the solids in the filterable solution have a tendency to form a sticky impermeable filter cake. The cake properties are enhanced by maintaining the permeability of the accumulating cake by using the filter aid substance as bodyfeed during the filtration process.

Mixing in rotating drums

Tämän diplomityön tarkoitus on parantaa meesauunin toiminnallista tehokkuutta tehostamalla lämmönsiirtoa. Lämmönsiirron parantamiseksi kehitetään erilaisia nostinratkaisuja. Kokeita suoritetaan käyttäen eri sekoitinratkaisuja ja erilaisia prosessiparametreja. Työn kirjallisuusosassa esitetään meesauuni sekä rumpumaisten uunien toiminta. Työssä selvitetään myös sekoituksen analysointiin käytettäviä tapoja ja laskukaavoja. Kirjallisuusosassa keskitytään myös rummussa tapahtuviin fysikaalisiin ilmiöihin sekä erilaisten fluidien reologiaan. Työn kokeellisessa osassa käytettiin LUT Kemiantekniikalla suunniteltua pilot -kokoluokan rumpu-uunia, jolla kokeitaan suoritettiin, käyttäen erilaisia sekoitinratkaisuja ja sekoitusprosessiparametreja. Kokeissa käytettiin myös eri viskositeetin omaavia materiaaleja. Valitut materiaalit olivat vesi, CMC (karboksimetyyliselluloosa) ja kiinteä meesa. Kokeiden tuloksena löydettiin nostinratkaisuja, joilla sekoittumista ja lämmönsiirtoa pystytään parantamaan sekä pidentämään viipymäaikaa.

Association between protein feeding and reproductive efficiency in the dairy cow : specific emphasis on protein feeding in Finland

Selostus: Lypsylehmien valkuaisruokinnan ja hedelmällisyyden yhteys: kirjallisuustutkimus valkuaisruokinnan vaikutuksista Suomen olosuhteissa

Phosphorus extractability in surface soil samples as affected by mixing with subsoil

Selostus: Muokkauskerrokseen sekoitetun pohjamaan vaikutus maasta uuttuvan fosforin määrään

Efficiency of split nitrogen fertilization with adjusted irrigation on potato

Selostus: Jaetun typpilannoituksen käyttömahdollisuudet perunalle

Increasing the efficiency of disparity computation by interpolation

Tässä diplomityössä tutkitaan dispariteettikartan laskennan tehostamista interpoloimalla. Kolmiomittausta käyttämällä stereokuvasta muodostetaan ensin harva dispariteettikartta, jonka jälkeen koko kuvan kattava dispariteettikartta muodostetaan interpoloimalla. Kolmiomittausta varten täytyy tietää samaa reaalimaailman pistettä vastaavat kuvapisteet molemmissa kameroissa. Huolimatta siitä, että vastaavien pisteiden hakualue voidaan pienentää kahdesta ulottuvuudesta yhteen ulottuvuuteen käyttämällä esimerkiksi epipolaarista geometriaa, on laskennallisesti tehokkaampaa määrittää osa dispariteetikartasta interpoloimalla, kuin etsiä vastaavia kuvapisteitä stereokuvista. Myöskin johtuen stereonäköjärjestelmän kameroiden välisestä etäisyydestä, kaikki kuvien pisteet eivät löydy toisesta kuvasta. Näin ollen on mahdotonta määrittää koko kuvan kattavaa dispariteettikartaa pelkästään vastaavista pisteistä. Vastaavien pisteiden etsimiseen tässä työssä käytetään dynaamista ohjelmointia sekä korrelaatiomenetelmää. Reaalimaailman pinnat ovat yleisesti ottaen jatkuvia, joten geometrisessä mielessä on perusteltua approksimoida kuvien esittämiä pintoja interpoloimalla. On myöskin olemassa tieteellistä näyttöä, jonkamukaan ihmisen stereonäkö interpoloi objektien pintoja.

Relative Technical Efficiency of European Transportation Systems

Talouden kasvaessa myös tavarankuljetusmäärät kasvavat. Kuljetusjärjestelmät ja niiden sujuva toiminta on erittäin tärkeää taloudellisen kasvun kannalta tällä hetkellä, ja se tulee olemaan yhä tärkeämpää tulevaisuudessa. Tulevaisuudessa tarvitaan kokonaisvaltainen ja selkeästi tehokkaampi kuljetusjärjestelmä, mikäli tulevaisuuden kuljetusvirrat halutaan hoitaa kestävästi. Tässä opinnäytetyössäni tutkin kolmen eurooppalaisen kuljetusjärjestelmän (rautatiet, lentoliikenne ja konttiliikenne meritse) suhteellista teknistä tehokkuutta ja menetelmänä on data envelopment analysis (DEA). Vertailtaessa kuljetusjärjestelmiä löytyi suuria eroja kuljetusmuotojen välille. lentoyhtiöt suoriutuivat huomattavan tasaisesti eli tehokkaiden ja ei-tehokkaiden toimijoiden välillä ei ollut suuria eroja. Rautatiepuolella erot venyivät huomattavan suuriksi niin eri yritysten välillä kuin jopa saman yrityksen sisällä eri vuosina. Pikaisemmassa laivayhtiöiden tarkastelussa erot niiden välillä olivat lähes yhtä pieniä kuin lentoyhtiöiden välillä. Tarkasteltaessa omistajuuden vaikutusta lentoyhtiöiden toiminnassa huomattiin, että yksityisessä omistuksessa olevat yritykset olivat huomattavasti tehokkaampia matkustajien kuljettamisessa. Rahtipuolella merkittäviä eroja ei havaittu. Merkittävät korrelaatiot eri mallien välillä antoivat joitain viitteitä myös kuljetuspoliittiseen päätöksentekoon; investoinnit matkustajienkuljetuksiin raiteilla parantaisivat koko rautatiepuolen teokkuutta, mutta myös samalla lentopuolen matkustajakuljetuksen tehokkuutta.

Using software metrics to increase efficiency in product creation

Opinnäytetyö etsii korrelaatiota ohjelmistomittauksella saavutettujen tulosten ja ohjelmasta löytyneiden virheiden väliltä. Työssä käytetään koeryhmänä jo olemassaolevia ohjelmistoja. Työ tutkii olisiko ohjelmistomittareita käyttämällä ollut mahdollista paikallistaa ohjelmistojen ongelmakohdat ja näin saada arvokasta tietoa ohjelmistokehitykseen. Mittausta voitaisiin käyttää resurssien parempaan kohdentamiseen koodikatselmuksissa, koodi-integraatiossa, systeemitestauksessa ja aikataulutuksessa. Mittaamisen avulla nämä tehtävät saisivat enemmän tietoa resurssien kohdistamiseen. Koeryhmänä käytetään erilaisia ohjelmistotuotteita. Yhteistä näille kaikille tuotteille on niiden peräkkäiset julkaisut. Uutta julkaisua tehtäessä, edellistä julkaisua käytetään pohjana, jonka päällekehitetään uutta lähdekoodia. Tämän takia ohjelmistomittauksessa pitää pystyä erottelemaan edellisen julkaisun lähdekoodi uudesta lähdekoodista. Työssä käytettävät ohjelmistomittarit ovat yleisiä ja ohjelmistotekniikassalaajasti käytettyjä mittaamaan erilaisia lähdekoodin ominaisuuksia, joiden arvellaan vaikuttavan virhealttiuteen. Tämän työn tarkoitus on tutkia näiden ohjelmistomittareiden käytettävyyttä koeryhmänä toimivissa ohjelmistoympäristöissä. Käytännön osuus työstä onnistui löytämään korrelaation joidenkinohjelmistomittareiden ja virheiden väliltä, samalla kuin toiset ohjelmistomittarit eivät antaneet vakuuttavia tuloksia. Ohjelmistomittareita käyttämällä näyttää olevan mahdollista tunnistaa virhealttiit kohdat ohjelmasta ja siten parantaa ohjelmistokehityksen tehokkuutta. Ohjelmistomittareiden käyttö tuotekehityksessäon perusteltavaa ja niiden avulla mahdollisesti pystyttäisiin vaikuttamaan ohjelmiston laatuun tulevissa julkaisuissa.

Market efficiency and calendar anomalies in the Russian stock market

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella esiintyykö Venäjän osakemarkkinoilla kalenterianomalioita. Tutkimus keskittyy Halloween-, kuukausi-, kuunvaihde-, viikonpäivä- ja juhlapäiväanomalioiden tarkasteluun. Tutkimusaineistona käytetään RTS (Russian Trading System) indeksiä. Tarkasteluaika alkaa 1. syyskuuta 1995 ja loppuu 31. joulukuuta 2005. Havaintojen kokonaismäärä on 2584. Tutkimusmenetelmänä käytetään pienimmän neliösumman menetelmää (OLS). Tutkimustulokset osoittavat, että Venäjän osakemarkkinoilla esiintyy Halloween-, kuunvaihde- ja viikonpäiväanomalioita. Sen sijaan kuukausi- ja juhlapäiväanomalioita ei tulosten mukaanesiinny Venäjän osakemarkkinoilla. Tulokset osoittavat lisäksi, että suurin osaanomalioista on merkittävämpiä nykyään kuin Venäjän osakemarkkinoiden ensimmäisinä vuosina. Näiden tulosten perusteella voidaan todeta, että Venäjän osakemarkkinat eivät ole vielä tehokkaat.

Testing Weak-Form Efficiency of the Chinese Stock Market

Tämän tutkielman tavoitteena on tarkastella Kiinan osakemarkkinoiden tehokkuutta ja random walk -hypoteesin voimassaoloa. Tavoitteena on myös selvittää esiintyykö viikonpäiväanomalia Kiinan osakemarkkinoilla. Tutkimusaineistona käytetään Shanghain osakepörssin A-sarjan,B-sarjan ja yhdistelmä-sarjan ja Shenzhenin yhdistelmä-sarjan indeksien päivittäisiä logaritmisoituja tuottoja ajalta 21.2.1992-30.12.2005 sekä Shenzhenin osakepörssin A-sarjan ja B-sarjan indeksien päivittäisiä logaritmisoituja tuottoja ajalta 5.10.1992-30.12.2005. Tutkimusmenetelminä käytetään neljä tilastollista menetelmää, mukaan lukien autokorrelaatiotestiä, epäparametrista runs-testiä, varianssisuhdetestiä sekä Augmented Dickey-Fullerin yksikköjuuritestiä. Viikonpäiväanomalian esiintymistä tutkitaan käyttämällä pienimmän neliösumman menetelmää (OLS). Testejä tehdään sekä koko aineistolla että kolmella erillisellä ajanjaksolla. Tämän tutkielman empiiriset tulokset tukevat aikaisempia tutkimuksia Kiinan osakemarkkinoiden tehottomuudesta. Lukuun ottamatta yksikköjuuritestien saatuja tuloksia, autokorrelaatio-, runs- ja varianssisuhdetestien perusteella random walk-hypoteesi hylättiin molempien Kiinan osakemarkkinoiden kohdalla. Tutkimustulokset osoittavat, että molemmilla osakepörssillä B-sarjan indeksien käyttäytyminenon ollut huomattavasti enemmän random walk -hypoteesin vastainen kuin A-sarjan indeksit. Paitsi B-sarjan markkinat, molempien Kiinan osakemarkkinoiden tehokkuus näytti myös paranevan vuoden 2001 markkinabuumin jälkeen. Tutkimustulokset osoittavat myös viikonpäiväanomalian esiintyvän Shanghain osakepörssillä, muttei kuitenkaan Shenzhenin osakepörssillä koko tarkasteluajanjaksolla.