Press forming of paperboard – advancement of converting tools and process control

Press forming is nowadays one of the most common industrial methods in use for producing deeper trays from paperboard. Demands for material properties like recyclability and sustainability have increased also in the packaging industry, but there are still limitations related to the formability of paperboard. A majority of recent studies have focused on material development, but the potential of the package manufacturing process can also be improved by the development of tooling and process control. In this study, advanced converting tools (die cutting tools and the press forming mould) are created for production scale paperboard tray manufacturing. Also monitoring methods that enable the production of paperboard trays with enhanced quality, and can be utilized in process control are developed. The principles for tray blank preparation, including creasing pattern and die cutting tool design are introduced. The mould heating arrangement and determination of mould clearance are investigated to improve the quality of the press formed trays. The effect of the spring back of the tray walls on the tray dimensions can be managed by adjusting the heat-related process parameters and estimating it at the mould design stage. This enables production speed optimization as the process parameters can be adjusted more freely. Real-time monitoring of pressing force by using multiple force sensors embedded in the mould structure can be utilized in the evaluation of material characteristics on a modified production machinery. Comprehensive process control can be achieved with a combination of measurement of the outer dimensions of the trays and pressing force monitoring. The control method enables detection of defects and tracking changes in the material properties. The optimized converting tools provide a basis for effective operation of the control system.

Control and Simulation of Batch Crystallization

Concerning process control of batch cooling crystallization the present work focused on the cooling profile and seeding technique. Secondly, the influence of additives on batch-wise precipitation process was investigated. Moreover, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model for simulation of controlled batch cooling crystallization was developed. A novel cooling model to control supersaturation level during batch-wise cooling crystallization was introduced. The crystallization kinetics together with operating conditions, i.e. seed loading, cooling rate and batch time, were taken into account in the model. Especially, the supersaturation- and suspension density- dependent secondary nucleation was included in the model. The interaction between the operating conditions and their influence on the control target, i.e. the constant level of supersaturation, were studied with the aid of a numerical solution for the cooling model. Further, the batch cooling crystallization was simulated with the ideal mixing model and CFD model. The moment transformation of the population balance, together with the mass and heat balances, were solved numerically in the simulation. In order to clarify a relationship betweenthe operating conditions and product sizes, a system chart was developed for anideal mixing condition. The utilization of the system chart to determine the appropriate operating condition to meet a required product size was introduced. With CFD simulation, batch crystallization, operated following a specified coolingmode, was studied in the crystallizers having different geometries and scales. The introduced cooling model and simulation results were verified experimentallyfor potassium dihydrogen phosphate (KDP) and the novelties of the proposed control policies were demonstrated using potassium sulfate by comparing with the published results in the literature. The study on the batch-wise precipitation showed that immiscible additives could promote the agglomeration of a derivative of benzoic acid, which facilitated the filterability of the crystal product.

Effect of hydrodynamics on modelling, monitoring and control of crystallization

Crystallization is a purification method used to obtain crystalline product of a certain crystal size. It is one of the oldest industrial unit processes and commonly used in modern industry due to its good purification capability from rather impure solutions with reasonably low energy consumption. However, the process is extremely challenging to model and control because it involves inhomogeneous mixing and many simultaneous phenomena such as nucleation, crystal growth and agglomeration. All these phenomena are dependent on supersaturation, i.e. the difference between actual liquid phase concentration and solubility. Homogeneous mass and heat transfer in the crystallizer would greatly simplify modelling and control of crystallization processes, such conditions are, however, not the reality, especially in industrial scale processes. Consequently, the hydrodynamics of crystallizers, i.e. the combination of mixing, feed and product removal flows, and recycling of the suspension, needs to be thoroughly investigated. Understanding of hydrodynamics is important in crystallization, especially inlargerscale equipment where uniform flow conditions are difficult to attain. It is also important to understand different size scales of mixing; micro-, meso- and macromixing. Fast processes, like nucleation and chemical reactions, are typically highly dependent on micro- and mesomixing but macromixing, which equalizes the concentrations of all the species within the entire crystallizer, cannot be disregarded. This study investigates the influence of hydrodynamics on crystallization processes. Modelling of crystallizers with the mixed suspension mixed product removal (MSMPR) theory (ideal mixing), computational fluid dynamics (CFD), and a compartmental multiblock model is compared. The importance of proper verification of CFD and multiblock models is demonstrated. In addition, the influence of different hydrodynamic conditions on reactive crystallization process control is studied. Finally, the effect of extreme local supersaturation is studied using power ultrasound to initiate nucleation. The present work shows that mixing and chemical feeding conditions clearly affect induction time and cluster formation, nucleation, growth kinetics, and agglomeration. Consequently, the properties of crystalline end products, e.g. crystal size and crystal habit, can be influenced by management of mixing and feeding conditions. Impurities may have varying impacts on crystallization processes. As an example, manganese ions were shown to replace magnesium ions in the crystal lattice of magnesium sulphate heptahydrate, increasing the crystal growth rate significantly, whereas sodium ions showed no interaction at all. Modelling of continuous crystallization based on MSMPR theory showed that the model is feasible in a small laboratoryscale crystallizer, whereas in larger pilot- and industrial-scale crystallizers hydrodynamic effects should be taken into account. For that reason, CFD and multiblock modelling are shown to be effective tools for modelling crystallization with inhomogeneous mixing. The present work shows also that selection of the measurement point, or points in the case of multiprobe systems, is crucial when process analytical technology (PAT) is used to control larger scale crystallization. The thesis concludes by describing how control of local supersaturation by highly localized ultrasound was successfully applied to induce nucleation and to control polymorphism in reactive crystallization of L-glutamic acid.

Delay reduction in courts of justice – possibilities and challenges of process improvement in professional public organizations

Delays in the justice system have been undermining the functioning and performance of the court system all over the world for decades. Despite the widespread concern about delays, the solutions have not kept up with the growth of the problem. The delay problem existing in the justice courts processes is a good example of the growing need and pressure in professional public organizations to start improving their business process performance.This study analyses the possibilities and challenges of process improvement in professional public organizations. The study is based on experiences gained in two longitudinal action research improvement projects conducted in two separate Finnish law instances; in the Helsinki Court of Appeal and in the Insurance Court. The thesis has two objectives. First objective is to study what kinds of factors in court system operations cause delays and unmanageable backlogs and how to reduce and prevent delays. Based on the lessons learned from the case projects the objective is to give new insights on the critical factors of process improvement conducted in professional public organizations. Four main areas and factors behind the delay problem is identified: 1) goal setting and performance measurement practices, 2) the process control system, 3) production and capacity planning procedures, and 4) process roles and responsibilities. The appropriate improvement solutions include tools to enhance project planning and scheduling and monitoring the agreed time-frames for different phases of the handling process and pending inventory. The study introduces the identified critical factors in different phases of process improvement work carried out in professional public organizations, the ways the critical factors can be incorporated to the different stages of the projects, and discusses the role of external facilitator in assisting process improvement work and in enhancing ownership towards the solutions and improvement. The study highlights the need to concentrate on the critical factors aiming to get the employees to challenge their existing ways of conducting work, analyze their own processes, and create procedures for diffusing the process improvement culture instead of merely concentrating of finding tools, techniques, and solutions appropriate for applications from the manufacturing sector

Voimalaitoksen käytönaikaisen optimoinnin määrittely

Tässä diplomityössä määritellään biopolttoainetta käyttävän voimalaitoksen käytönaikainen tuotannon optimointimenetelmä. Määrittelytyö liittyy MW Powerin MultiPower CHP –voimalaitoskonseptin jatkokehitysprojektiin. Erilaisten olemassa olevien optimointitapojen joukosta valitaan tarkoitukseen sopiva, laitosmalliin ja kustannusfunktioon perustuva menetelmä, jonka tulokset viedään automaatiojärjestelmään PID-säätimien asetusarvojen muodossa. Prosessin mittaustulosten avulla lasketaan laitoksen energia- ja massataseet, joiden tuloksia käytetään seuraavan optimointihetken lähtötietoina. Optimoinnin kohdefunktio on kustannusfunktio, jonka termit ovat voimalaitoksen käytöstä aiheutuvia tuottoja ja kustannuksia. Prosessia optimoidaan säätimille annetut raja-arvot huomioiden niin, että kokonaiskate maksimoituu. Kun laitokselle kertyy käyttöikää ja historiadataa, voidaan prosessin optimointia nopeuttaa hakemalla tilastollisesti historiadatasta nykytilanteen olosuhteita vastaava hetki. Kyseisen historian hetken katetta verrataan kustannusfunktion optimoinnista saatuun katteeseen. Paremman katteen antavan menetelmän laskemat asetusarvot otetaan käyttöön prosessin ohjausta varten. Mikäli kustannusfunktion laskenta eikä historiadatan perusteella tehty haku anna paranevaa katetta, niiden laskemia asetusarvoja ei oteta käyttöön. Sen sijaan optimia aletaan hakea deterministisellä optimointialgoritmilla, joka hakee nykyhetken ympäristöstä paremman katteen antavia säätimien asetusarvoja. Säätöjärjestelmä on mahdollista toteuttaa myös tulevaisuutta ennustavana. Työn käytännön osuudessa voimalaitosmalli luodaan kahden eri mallinnusohjelman avulla, joista toisella kuvataan kattilan ja toisella voimalaitosprosessin toimintaa. Mallinnuksen tuloksena saatuja prosessiarvoja hyödynnetään lähtötietoina käyttökatteen laskennassa. Kate lasketaan kustannusfunktion perusteella. Tuotoista suurimmat liittyvät sähkön ja lämmön myyntiin sekä tuotantotukeen, ja suurimmat kustannukset liittyvät investoinnin takaisinmaksuun ja polttoaineen ostoon. Kustannusfunktiolle tehdään herkkyystarkastelu, jossa seurataan katteen muutosta prosessin teknisiä arvoja muutettaessa. Tuloksia vertaillaan referenssivoimalaitoksella suoritettujen verifiointimittausten tuloksiin, ja havaitaan, että tulokset eivät ole täysin yhteneviä. Erot johtuvat sekä mallinnuksen puutteista että mittausten lyhyehköistä tarkasteluajoista. Automatisoidun optimointijärjestelmän käytännön toteutusta alustetaan määrittelemällä käyttöön otettava optimointitapa, siihen liittyvät säätöpiirit ja tarvittavat lähtötiedot. Projektia tullaan jatkamaan järjestelmän ohjelmoinnilla, testauksella ja virityksellä todellisessa voimalaitosympäristössä ja myöhemmin ennustavan säädön toteuttamisella.

Liquid transportation and distribution during (re)wetting : impact on coated papers in printing

In many industrial applications, such as the printing and coatings industry, wetting of porous materials by liquids includes not only imbibition and permeation into the bulk but also surface spreading and evaporation. By understanding these phenomena, valuable information can be obtained for improved process control, runnability and printability, in which liquid penetration and subsequent drying play important quality and economic roles. Knowledge of the position of the wetting front and the distribution/degree of pore filling within the structure is crucial in describing the transport phenomena involved. Although exemplifying paper as a porous medium in this work, the generalisation to dynamic liquid transfer onto a surface, including permeation and imbibition into porous media, is of importance to many industrial and naturally occurring environmental processes. This thesis explains the phenomena in the field of heatset web offset printing but the content and the analyses are applicable in many other printing methods and also other technologies where water/moisture monitoring is crucial in order to have a stable process and achieve high quality end products. The use of near-infrared technology to study the water and moisture response of porous pigmented structures is presented. The use of sensitive surface chemical and structural analysis, as well as the internal structure investigation of a porous structure, to inspect liquid wetting and distribution, complements the information obtained by spectroscopic techniques. Strong emphasis has been put on the scale of measurement, to filter irrelevant information and to understand the relationship between interactions involved. The near-infrared spectroscopic technique, presented here, samples directly the changes in signal absorbance and its variation in the process at multiple locations in a print production line. The in-line non-contact measurements are facilitated by using several diffuse reflectance probes, giving the absolute water/moisture content from a defined position in the dynamic process in real-time. The nearinfrared measurement data illustrate the changes in moisture content as the paper is passing through the printing nips and dryer, respectively, and the analysis of the mechanisms involved highlight the roles of the contacting surfaces and the relative liquid carrier properties of both non-image and printed image areas. The thesis includes laboratory studies on wetting of porous media in the form of coated paper and compressed pigment tablets by mono-, dual-, and multi-component liquids, and paper water/moisture content analysis in both offline and online conditions, thus also enabling direct sampling of temporal water/moisture profiles from multiple locations. One main focus in this thesis was to establish a measurement system which is able to monitor rapid changes in moisture content of paper. The study suggests that near-infrared diffuse reflectance spectroscopy can be used as a moisture sensitive system and to provide accurate online qualitative indicators, but, also, when accurately calibrated, can provide quantification of water/moisture levels, its distribution and dynamic liquid transfer. Due to the high sensitivity, samples can be measured with excellent reproducibility and good signal to noise ratio. Another focus of this thesis was on the evolution of the moisture content, i.e. changes in moisture content referred to (re)wetting, and liquid distribution during printing of coated paper. The study confirmed different wetting phases together with the factors affecting each phase both for a single droplet and a liquid film applied on a porous substrate. For a single droplet, initial capillary driven imbibition is followed by equilibrium pore filling and liquid retreat by evaporation. In the case of a liquid film applied on paper, the controlling factors defining the transportation were concluded to be the applied liquid volume in relation to surface roughness, capillarity and permeability of the coating giving the liquid uptake capacity. The printing trials confirmed moisture gradients in the printed sheet depending on process parameters such as speed, fountain solution dosage and drying conditions as well as the printed layout itself. Uneven moisture distribution in the printed sheet was identified to be one of the sources for waving appearance and the magnitude of waving was influenced by the drying conditions.

Machine vision methods for process measurements in pulping

The papermaking industry has been continuously developing intelligent solutions to characterize the raw materials it uses, to control the manufacturing process in a robust way, and to guarantee the desired quality of the end product. Based on the much improved imaging techniques and image-based analysis methods, it has become possible to look inside the manufacturing pipeline and propose more effective alternatives to human expertise. This study is focused on the development of image analyses methods for the pulping process of papermaking. Pulping starts with wood disintegration and forming the fiber suspension that is subsequently bleached, mixed with additives and chemicals, and finally dried and shipped to the papermaking mills. At each stage of the process it is important to analyze the properties of the raw material to guarantee the product quality. In order to evaluate properties of fibers, the main component of the pulp suspension, a framework for fiber characterization based on microscopic images is proposed in this thesis as the first contribution. The framework allows computation of fiber length and curl index correlating well with the ground truth values. The bubble detection method, the second contribution, was developed in order to estimate the gas volume at the delignification stage of the pulping process based on high-resolution in-line imaging. The gas volume was estimated accurately and the solution enabled just-in-time process termination whereas the accurate estimation of bubble size categories still remained challenging. As the third contribution of the study, optical flow computation was studied and the methods were successfully applied to pulp flow velocity estimation based on double-exposed images. Finally, a framework for classifying dirt particles in dried pulp sheets, including the semisynthetic ground truth generation, feature selection, and performance comparison of the state-of-the-art classification techniques, was proposed as the fourth contribution. The framework was successfully tested on the semisynthetic and real-world pulp sheet images. These four contributions assist in developing an integrated factory-level vision-based process control.

Determination of collector chemicals from flotation process waters using capillary electrophoresis

Vaahdotusprosessia käytetään yleisesti erottamaan arvokkaita mineraaleja malmeista. Toimiakseen tehokkaasti prosessi tarvitsee kokoojakemikaaleja, joiden tehtävänä on sitoa halutut mineraalit ilmakupliin. Jotta näiden kemikaalien käyttäytymistä prosessissa voitaisiin ymmärtää paremmin ja prosessin ohjausta tehostaa, pitää kokoojia pystyä analysoimaan prosessivesistä. Työn kirjallisuusosassa on koottu ja vertailtu erilaisia kirjallisuudesta löytyneitä analyysimenetelmiä kokoojakemikaaleille. Kokeellisessaosassa on kehitetty kaksi kapillaarielektroforeesimenetelmää näiden kemikaalien tutkimiseen. Menetelmien toteamisrajat tutkituille kemikaaleille olivat seuraavanlaiset: natrium diiosobutylditiofosfaattille (DTP) 2,7 mg/L puhtaassa vedessä ja 6,7 mg/L prosessivedessä; natrium diisobutyldithiofosfinaatille (DTPI) vastaavasti 4,5 mg/L ja 6,7 mg/L; etyyli ksantaatille 0,025 mg/L ja 0,16 mg/L; ja isobutyyli ksantaatille 0,41 mg/L ja 0,62 mg/L. Näitä menetelmiä voidaan tulevaisuudessa kehittää kokoojien hajoamistuotteiden analysointia varten sekä prosessien on-line mittauksiin.

High speed release -mittausmenetelmän käyttäminen tarralaminaattiprosessin ohjaukses

Työn tavoitteena oli tutkia HSR(High Speed Release)-mittausmenetelmän käyttämistä tarralaminaattiprosessin ohjauksessa UPM Raflatacissa. Nykyisin käytössä olevaan LSR(Low Speed Release)-menetelmään verrattuna HSR-menetelmä kuvaa paremmin tarralaminaatin jatkojalostuksessa sekä etiketöinnissä tapahtuvaa irrotustyötä. Lisäksi työssä tutkittiin irrotusnopeuden vaikutusta HSR-arvoon. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin tarralaminaatin rakenteeseensekä valmistusprosessiin. Koska silikonin valinnalla on merkittävä vaikutus tarralaminaatin releasearvoon, kirjallisessa osassa syvennytään tarkastelemaan tarralaminaatin valmistuksessa käytettyjä silikoneja sekänäiden rakennetta. Kirjallisuusosassa on myös käsitelty muita releasetasoon vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellisessa osassa oli tarkoituksena tutkia HSR-mittausmenetelmän käytettävyyttä tarralaminaatin prosessinohjauksessa. Tätä tutkittiin selvittämällä nykyisin käytössä olevan LSR-menetelmän sekä HSR-menetelmän välistä korreloituvuutta. Mikäli näidenvälillä olisi korreloituvuutta, voitaisiin prosessinohjauksessa ajatella siirtyvän HSR-mittaukseen. Korrelaatiota näiden kahden menetelmän välille ei kuitenkaan löydetty. Työssä tutkittiin myös irrotusnopeuden vaikutusta tuotteen HSR-arvoon. Testeihin valittiin useita eri tuotteita useilta tuotantolaitoksilta. Kaikilla näillä tuotteilla releasearvo kasvoi irrotusnopeutta lisättäessä. Lisäksi työssä määritettiin uudet HSR-spesifikaatiot tietyille tuotteille. Kaikille UPM Raflatacin tuotteille on määritetty LSRspesifikaatiot, HSR-spesifikaatiot on asetettu vain tietyille tuotteille.

Paperikoneen vesi- ja energiatehokkuuden parantaminen

Työn tavoitteena oli laatia reaaliaikaiset vesi- ja energiatasenäytöt Stora Enso PublicationPaper Veitsiluodon tehtaalle, paperikone 5:lle. Tavoitteena oli myös simuloida kyseisen paperikonelinjan vesitase. Aluksi työssä piirrettiin lohkokaaviot taseita varten paperikoneen kaikista vettä tai energiaa sisältävistä jakeista. Näitä yksinkertaistettuja lohkokaavioita hyväksi käyttäen laadittiin taseidenlaskentakaavat, jotka testattiin tarkastuslaskelmien avulla. Vesi- ja energiataseista tehtiin myös suunnitelmat prosessinohjausjärjestelmän tasenäytöiksi. FlowMac-simulointiohjelmalla rakennetun paperikone 5 vesitaseen simulointimallin tulosten oikeellisuutta arvioitiin herkkyysanalyysin avulla. Tehdyn herkkyysanalyysin tuloksien perusteella voidaan olettaa, että simulointimalli toimii luotettavasti. Tämän vesitaseen simulointimallin avulla tarkasteltiin kiekkosuotimien uudistamisen vaikutuksia paperikonelinjan vesitaseeseen. Tarkastelussa huomattiin, että vaihtamalla kiekkosuotimien syöttöventtiilit kolmea jaetta tuottaviksi, voitaisiin flotaatioallas ja suihkuveden kaarisihti poistaa käytöstä. Tulevaisuudessa simulointimallia voidaan käyttää myös monilla muilla eri tavoin hyödyksi kyseisellä paperikoneella. Työssä laaditut vesi- ja energiataseet saatiin niin tarkoiksi kuin se nykyisiä mittauksia hyödyntäen on mahdollista. Jostaseita haluttaisiin tarkentaa, olisi paperikonelinjalle syytä lisätä joitakin mittauksia. Myös työssä tehty vesitaseen simulointi FlowMac:lla onnistui hyvin mutta kyseisessä ohjelmassa havaittiin silti joitakin kehittämistarpeita. Työn tuloksien perusteella vettä ja energiaa voitaisiin mahdollisesti säästää paperikone 5:llä esimerkiksi laimennussäätöisen perälaatikon avulla, kiekkosuotimien uusimisella sekä kenkäpuristimen käyttöönotolla. Jatkotutkimuskohteita voisivat olla esimerkiksi paperikone 5:n lämpötase, kemiallisesti puhdistetun veden tulolämpötilan nostaminen, hiomon suodosveden ylimääräisen lämmön hyödyntäminen paperikone 5 kirkassuodoksen lämmittämisen jälkeen, lämmön talteenotossa lämmitysvesikennon ja prosessivesikennon järjestyksen vaihtaminen sekä vastaavien vesi- ja energiataseiden laatiminen paperikone 1:lle ja hiomolle.

Kuorimon automaatiojärjestelmän optimointi

Työn tavoitteena oli pienentää kuorinnassa syntyviä puuhäviöitä ja parantaa linjan käytettävyyttä nykyaikaisella puunkuorimolla. Tavoitteet toteutettiin automaatiojärjestelmään tehdyillä muutoksilla. Rumpukuorintaprosessi on säilynyt pitkään samanlaisena. Viime vuosina on markkinoille tullut uusia älykkäitä mittalaitteita ja optimointiin kykeneviä säätöjärjestelmiä. Uudenlaisella automaatiotekniikalla on mahdollista mitata kuorintatulosta ja kuorinnassa syntyneitä puuhäviöitä reaaliaikaisesti. Laaduntarkkailun lisäksi tietoja hyödynnetään kuorintaprosessin automaattisessa ohjauksessa. Optimaalisen kuorintatuloksen saavuttaminen edellyttää virheetöntä automaation toimintaa ja tarkkaa viritystä säädöiltä. Työssä perehdyttiin kuorimon perusautomaatioon ja ylemmän tason säädön toimintaan. Prosessinohjauksessa havaitut ongelmakohdat korjattiin. Lopputuloksena saatiin vakiokuorintatehon malli, joka pienentää puuhäviöitä ja parantaa linjaston käytettävyyttä. Saaduilla tuloksilla on merkittävä taloudellinen arvo, ja menetelmät ovat hyödynnettävissä myös toisilla rumpukuorimoilla.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Käyttöönottosuunnitelma toiminnanohjausjärjestelmän laajentamiseksi.

Tämän työn tavoitteena on kuvata erään yrityksen erään tulosyksikön toiminnanohjausjärjestelmän käytön laajentamista. Työssä on pyritty kehittämään tulosyksikön toimintaprosesseja sekä keskitytty erityisesti tuotantoprosessin ja sen ohjauksen kehittämiseen. Työn alussa on esitelty kohdeyritys ja kohdeorganisaatio, parkettiosasto, sekä toiminnanohjausjärjestelmien historiaa, käsitettä ja rakennetta. Työn teoriaosuudessa on käsitelty tuotannonsuunnittelun ja -ohjauksen periaatteita sekä toiminnanohjausjärjestelmän käyttöönottoprojektin suunnittelua. Työn käytännönosuudessa kuvataan toiminnanohjausjärjestelmän laajentamisen vaikutuksia organisaation toimintoihin, laitteistoarkkitehtuuriin, toiminnanohjausjärjestelmän käyttöön sekä esitetään ajoitettu käyttöönottosuunnitelma. Työn tuloksena on yksityiskohtainen kuvaus käyttöönottosuunnitelmas-ta. Yhtenä työn keskeisimmistä johtopäätöksistä voidaan todeta, että monet tyypillisimmistä projektin epäonnistumiseen johtaneista syistä tai riskeistä ovat ennakoitavissa huolellisella projektin etukäteissuunnittelulla.

Rehufosfaattitehtaan raaka-ainesyöttöjen säätöpiirien kehitys

Diplomityö tehtiin Kemira Chemicals Oy:n Kokkolan tehtaiden rehufosfaattitehtaalla. Työn tavoitteena oli uusien reseptiohjauksien suunnittelu ja käyttöönotto sekä tasaussäiliön pinnansäädön ja rakeistusrummun suhdesäädön suunnittelu. Käyttöhenkilöstön koulutus uuteen prosessinohjaukseen kuului myös osaksi diplomityötä. Uuden reseptiohjauksen avulla pyrittiin saamaan prosessin ohjaus havainnollisemmaksi ja ennustettavammaksi käyttäjille, yhdenmukaistamaan käyttäjien ajotapaa sekä suunnitella tuotereseptit vastaamaan paremmin todellista tuotantoa. Uusi reseptiohjaus mahdollistaa myös lajikekohtaisten parametrien käytön ja hyväksi havaittujen ajoreseptien tallennuksen. Tasaussäiliön pinnankorkeuden säädön tavoitteena on poistaa tuotantokatkokset, jotka johtuivat säiliön tyhjenemisestä tai täyttymisestä. Rakeistusrummun suhdesäädön tavoitteena on reaktoriliemen ja kuiva-ainesyöttöjen oikean suhteen säilyttäminen. Uuden reseptiohjauksen käyttöönoton jälkeen ajoreseptit ovat vastanneet todellista tuotantoa ja tuotantovauhti on jäänyt pysyvästi korkeammalle tasolle. Tasaussäiliön pinnansäätö toimii suunnitellulla tavalla ja on myös otettu käyttöön. Reaktoriliemen ja kuivasyöttöjen suhdesäätö on testattu käytännössä ja toimii halutulla tavalla. Suhdesäädön paremman toiminnan kannalta epätarkkoja toimilaitteita tulisi kuitenkin uusia.

Sekoitusprosessin laadunvalvonnan suunnittelu

Nokian Renkaat Oyj:ssä on suuntaus päivittäin valmistettavien kumisekoitusten määrien lisäämiseen. Sekoitusmäärien kasvaessa myös laadunvalvontamittauksien kapasiteettia pitää nostaa tai vaihtoehtoisesti vähentää näytteiden tutkimiseen kuluvaa aikaa tai tutkittavien näytteiden määrää. On mietitty, voitaisiinko näytteenottopaikkaa vaihtamalla saada edustavampi näyte. Aikaistamalla näytteenottopaikkaa näytteet saataisiin tutkittua aikaisemmin ja siten sekoitukset saataisiin käyttöön entistä nopeammin. Teoriaosassa käsitellään kumisekoitusprosessia ja tutustutaan käytettävään prosessilaitteistoon ja prosessin eri vaiheisiin. Lisäksi tutustutaan prosessin ohjaukseen, prosessimittauksiin, prosessin säätöihin ja hälytyksiin. Työssä käsitellään myös laatuun vaikuttavia tekijöitä ja perehdytään käytössä oleviin laadunvalvontamittauksiin ja näytteiden analysointiin. Kokeellisessa osassa tutkitaan, mikä olisi paras näytteenottokohta, mietitään mittausten ja mittausajan vähentämisen vaikutuksia sekä sitä, miten näytteet tulisi merkitä. Lisäksi kokeellisessa osassa tehdään neuroverkkomalli viskositeetin ennustamiseksi.