Lämmöntalteenotto kosteasta poistoilmasta prosessiteollisuudessa

Tämän diplomityön päämääränä on tehdä prosessiteollisuuden tarpeisiin Excel-taulukkolaskentaohjelmassa toimiva putkilämmönsiirtimen mitoitusohjelma. Prosessiteollisuudessa lämmönvaihtimien toimintaympäristöt ja olosuhteet vaihtelevat merkittävästi ja niinpä jokaisen vaihtimen suunnittelu ja mitoitus on toteutettava tapauskohtaisesti. Työssä käsitellään rekuperatiivisen ristivirtaputkilämmönvaihtimen yleinen lämpötekninen mitoitus sisältäen putken sisäpinnalle tapahtuvan mahdollisen lauhtumisen. Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin. Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona. Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen.

Jätteenpolton typenoksidipäästöjen vähentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää jätteenpolton typenoksidipäästöjen puhdistusmahdollisuuksia. Työssä käydään läpi typen oksidien muodostuminen poltossa ja typen oksidien poistomenetelmät. Poistomenetelmiä käsiteltäessä painotus on arinapoltossa ja erityisesti selektiivisessä ei-katalyyttimenetelmässä (SNCR). Työn kokeellinen osa tehtiin Ekokem Oy Ab:n jätevoimalassa Riihimäellä. Kokeellisessa osassa selvitettiin ensin ammoniakkiveden massavirran, SNCR-laitteiston veden massavirran ja räjähdysnuohouksen vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Samalla selvitettiin muita typenoksidipitoisuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä SNCR-laitteiston puhdistustehokkuus. Sen jälkeen selvitettiin parhaita toiminta-arvoja öljyisen veden massavirralle, SNCR-laitteiston massavirralle ja primääri- ja sekundääri-ilman suhteelle typenoksidipitoisuuden, ammoniakki-slip:n, ilokaasupitoisuuden, ammoniakkiveden kulutuksen ja höyryn tuotannon kannalta. Tulokseksi saatiin, että ammoniakkiveden massavirran lisääminen pienentää typenoksidipitoisuutta, mutta voi aiheuttaa ammoniakkipäästön. Paras SNCR-laitteiston veden massavirta on suurin tutkittu, 800 kg/h, jolloin typenoksidipitoisuus sekä typenoksidipitoisuuden hetkittäinen vaihtelu, ammoniakkiveden kulutus ja ammoniakkipäästö ovat pienimmät. Samalla tosin höyryn virtaama pienenee. SNCR-laitteiston puhdistustehokkuudeksi saatiin 60 %. Räjähdysnuohouksella ei ole havaittavaa, eikä öljyisen veden massavirralla merkittävää vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Ammoniakkiveden kulutuksen kannalta paras öljyisen veden määrä on 600 kg/h, kun taas ammoniakki-slip:n kannalta paras öljyisen veden määrä on 950 kg/h. Primääri-ilman osuuden pienentäminen pienentää ammoniakki-slip:iä ja ammoniakkiveden kulutusta.

Talviaikainen happitilanne eräissä Pohjois-Savon järvissä vuosina 1997-2008

Pohjois-Savossa seurattiin talviaikaista happitilannetta vuosina 1997-2008. Seurannan kohteena oli neljä pienehköä järveä (Iso-Valkeinen, Kevätön, Kolmisoppi ja Vehmasjärvi), jotka ovat erityyppisiä syvyydeltään, rehevyystasoltaan ja humuspitoisuudeltaan. Näiden esimerkkijärvien oli tarkoitus antaa yleisemminkin viitteitä happitilanteen kehityksestä talven aikana. Alkutalven tulosten perusteella annettiin vuosittain tiedote, jossa arvioitiin happikatojen mahdollisuutta kevättalven kuluessa. Yleisöllä oli myös mahdollisuus seurata happi- ja lämpötilatuloksia Pohjois-Savon ympäristökeskuksen verkkopalvelun kautta. Hapenkulutusnopeus oli rehevimmässä seurantajärvessä kaksinkertainen verrattuna karumpiin ja syvyyden myötä ero vain korostui. Pohjanläheisessä vesikerroksessa 1 mg/l:n happipitoisuus kului karuissa järvissä noin kahdessa viikossa ja rehevässä noin kolmessa päivässä. Vuosien välinen vaihtelu oli kuitenkin hyvin suurta. Vaihtelu oli suurta myös karuissa järvissä. Veden jäätymisajankohdalla ja veden lämpötilalla on merkittävä vaikutus siihen, millainen kevättalven happitilanteesta muodostui. Seurantajärvien aineiston perusteella voidaan karkeasti arvioida, että kuukauden viivästyminen jäätymisessä tai vesipatsaan viilentyminen ennen jäätymistä asteen verran kylmemmäksi merkitsevät noin kolmanneksen korkeampaa happipitoisuutta kevättalvella. Vesipatsaan happitilanteen heikentymisen sekä ravinne- ja rautapitoisuuksien välillä todettiin vahvat yhteydet. Kaikkien järvien aineistossa happitilanteen heikkeneminen johti voimakkaimmin alusveden ammoniumtyppi-, kokonaisfosfori- ja rautapitoisuuksien kasvuun. Pitoisuusmuutokset olivat talven aikana suurimmat rehevimmässä kohdejärvessä, Kevättömässä, jossa kokonaisfosforipitoisuudet keskimäärin kymmenkertaistuivat, fosfaattifosforipitoisuudet kasvoivat keskimäärin 20-kertaisiksi ja rautapitoisuudet yli seitsenkertaisiksi.

Modeling reaction kinetics and mass transfer in ozonation in water solutions

This dissertation is based on four articles dealing with modeling of ozonation. The literature part of this considers some models for hydrodynamics in bubble column simulation. A literature review of methods for obtaining mass transfer coefficients is presented. The methods presented to obtain mass transfer are general models and can be applied to any gas-liquid system. Ozonation reaction models and methods for obtaining stoichiometric coefficients and reaction rate coefficients for ozonation reactions are discussed in the final section of the literature part. In the first article, ozone gas-liquid mass transfer into water in a bubble column was investigated for different pH values. A more general method for estimation of mass transfer and Henry’s coefficient was developed from the Beltrán method. The ozone volumetric mass transfer coefficient and the Henry’s coefficient were determined simultaneously by parameter estimation using a nonlinear optimization method. A minor dependence of the Henry’s law constant on pH was detected at the pH range 4 - 9. In the second article, a new method using the axial dispersion model for estimation of ozone self-decomposition kinetics in a semi-batch bubble column reactor was developed. The reaction rate coefficients for literature equations of ozone decomposition and the gas phase dispersion coefficient were estimated and compared with the literature data. The reaction order in the pH range 7-10 with respect to ozone 1.12 and 0.51 the hydroxyl ion were obtained, which is in good agreement with literature. The model parameters were determined by parameter estimation using a nonlinear optimization method. Sensitivity analysis was conducted using object function method to obtain information about the reliability and identifiability of the estimated parameters. In the third article, the reaction rate coefficients and the stoichiometric coefficients in the reaction of ozone with the model component p-nitrophenol were estimated at low pH of water using nonlinear optimization. A novel method for estimation of multireaction model parameters in ozonation was developed. In this method the concentration of unknown intermediate compounds is presented as a residual COD (chemical oxygen demand) calculated from the measured COD and the theoretical COD for the known species. The decomposition rate of p-nitrophenol on the pathway producing hydroquinone was found to be about two times faster than the p-nitrophenol decomposition rate on the pathway producing 4- nitrocatechol. In the fourth article, the reaction kinetics of p-nitrophenol ozonation was studied in a bubble column at pH 2. Using the new reaction kinetic model presented in the previous article, the reaction kinetic parameters, rate coefficients, and stoichiometric coefficients as well as the mass transfer coefficient were estimated with nonlinear estimation. The decomposition rate of pnitrophenol was found to be equal both on the pathway producing hydroquinone and on the path way producing 4-nitrocathecol. Comparison of the rate coefficients with the case at initial pH 5 indicates that the p-nitrophenol degradation producing 4- nitrocathecol is more selective towards molecular ozone than the reaction producing hydroquinone. The identifiability and reliability of the estimated parameters were analyzed with the Marcov chain Monte Carlo (MCMC) method. @All rights reserved. No part of the publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior permission of the author.

Near-infraread observation of supernovae with the Nordic Optical Telescope (NOT)

Supernova (SN) is an explosion of a star at the end of its lifetime. SNe are classified to two types, namely type I and II through the optical spectra. They have been categorised based on their explosion mechanism, to core collapse supernovae (CCSNe) and thermonuclear supernovae. The CCSNe group which includes types IIP, IIn, IIL, IIb, Ib, and Ic are produced when a massive star with initial mass more than 8 M⊙ explodes due to a collapse of its iron core. On the other hand, thermonuclear SNe originate from white dwarfs (WDs) made of carbon and oxygen, in a binary system. Infrared astronomy covers observations of astronomical objects in infrared radiation. The infrared sky is not completely dark and it is variable. Observations of SNe in the infrared give different information than optical observations. Data reduction is required to correct raw data from for example unusable pixels and sky background. In this project, the NOTCam package in the IRAF was used for the data reduction. For measuring magnitudes of SNe, the aperture photometry method with the Gaia program was used. In this Master’s thesis, near-infrared (NIR) observations of three supernovae of type IIn (namely LSQ13zm, SN 2009ip and SN2011jb), one type IIb (SN2012ey), in addition to one type Ic (SN2012ej) and type IIP (SN 2013gd) are studied with emphasis on luminosity and colour evolution. All observations were done with the Nordic Optical Telescope (NOT). Here, we used the classification by Mattila & Meikle (2001) [76], where the SNe are differentiated by the infrared light curves into two groups, namely ’ordinary’ and ’slowly declining’. The light curves and colour evolution of these supernovae were obtained in J, H and Ks bands. In this study, our data, combined with other observations, provide evidence to categorize LSQ13zm, SN 2012ej and SN 2012ey as being part of the ordinary type. We found interesting NIR behaviour of SN 2011jb, which lead it to be classified as a slowly declining type.

Titanium dioxide based nanomaterials for photocatalytic water treatment

Water treatment using photocatalysis has gained extensive attention in recent years. Photocatalysis is promising technology from green chemistry point of view. The most widely studied and used photocatalyst for decomposition of pollutants in water under ultraviolet irradiation is TiO2 because it is not toxic, relatively cheap and highly active in various reactions. Within this thesis unmodified and modified TiO2 materials (powders and thin films) were prepared. Physico-chemical properties of photocatalytic materials were characterized with UV-visible spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectrometry (XPS), inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), ellipsometry, time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), Raman spectroscopy, goniometry, diffuse reflectance measurements, thermogravimetric analysis (TGA) and nitrogen adsorption/desorption. Photocatalytic activity of prepared samples in aqueous environment was tested using model compounds such as phenol, formic acid and metazachlor. Also purification of real pulp and paper wastewater effluent was studied. Concentration of chosen pollutants was measured with high pressure liquid chromatography (HPLC). Mineralization and oxidation of organic contaminants were monitored with total organic carbon (TOC) and chemical oxygen demand (COD) analysis. Titanium dioxide powders prepared via sol-gel method and doped with dysprosium and praseodymium were photocatalytically active for decomposition of metazachlor. The highest degradation rate of metazachlor was observed when Pr-TiO2 treated at 450ºC (8h) was used. The photocatalytic LED-based treatment of wastewater effluent from plywood mill using commercially available TiO2 was demonstrated to be promising post-treatment method (72% of COD and 60% of TOC was decreased after 60 min of irradiation). The TiO2 coatings prepared by atomic layer deposition technique on aluminium foam were photocatalytically active for degradation of formic and phenol, however suppression of activity was observed. Photocatalytic activity of TiO2/SiO2 films doped with gold bipyramid-like nanoparticles was about two times higher than reference, which was not the case when gold nanospheres were used.