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.

Yhtenäistetyn mallinnuskielen hyödyntäminen betoniaseman ohjausjärjestelmän kehityksessä

Yhtenäistetty mallinnuskieli, Unified Modeling Language (UML), on saavuttanut ohjelmistoteollisuudessa defacto standardin mallinnuskielen aseman. UML:n pääasiallinen käyttökohde on ollut ohjelmistojärjestelmien mallinnus, mutta sitä on sovellettu myös muillakin ongelma-alueilla, kuten erilaisten prosessien mallinnuksessa. Tässä diplomityössä mallinnetaan eräs betoniaseman ohjausjärjestelmä käyttäen UML:ää. Työssä perehdytään alan kirjallisuuden avulla siihen, miten teollisuus on hyödyntänyt UML:ää prosessien ohjausjärjestelmien mallinnuksessa. Kirjallisuudesta saatua tietoa sovelletaan betoniaseman ohjausjärjestelmän mallinnuksessa. Luotua mallia analysoidaan sen oikeellisuuden ja käytettävyyden perusteella. Työssä havaittiin, että UML soveltuu hyvin betoniaseman ohjausjärjestelmän kaltaisen teollisuusprosessin ohjauksen mallinnukseen. UML-mallilla voidaan kuvata järjestelmän rakenne ja toiminta kattavasti. Luotua mallia voidaan hyödyntää suoraan ohjausjärjestelmän jatkokehityksessä. Julkista tutkimustietoa aiheesta on kuitenkin niukasti saatavilla, joten lisätarve julkiselle tutkimukselle on olemassa.

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

Swarm Intelligent Selection and Optimization of Machining System Parameters for Microchannel Fabrication in Medical Devices

Current technology trends in medical device industry calls for fabrication of massive arrays of microfeatures such as microchannels on to nonsilicon material substrates with high accuracy, superior precision, and high throughput. Microchannels are typical features used in medical devices for medication dosing into the human body, analyzing DNA arrays or cell cultures. In this study, the capabilities of machining systems for micro-end milling have been evaluated by conducting experiments, regression modeling, and response surface methodology. In machining experiments by using micromilling, arrays of microchannels are fabricated on aluminium and titanium plates, and the feature size and accuracy (width and depth) and surface roughness are measured. Multicriteria decision making for material and process parameters selection for desired accuracy is investigated by using particle swarm optimization (PSO) method, which is an evolutionary computation method inspired by genetic algorithms (GA). Appropriate regression models are utilized within the PSO and optimum selection of micromilling parameters; microchannel feature accuracy and surface roughness are performed. An analysis for optimal micromachining parameters in decision variable space is also conducted. This study demonstrates the advantages of evolutionary computing algorithms in micromilling decision making and process optimization investigations and can be expanded to other applications

Balancing effluent quality, economic cost and greenhouse gas emissions during the evaluation of (plant-wide) control/operational strategies in WWTPs

The objective of this paper was to show the potential additional insight that result from adding greenhouse gas (GHG) emissions to plant performance evaluation criteria, such as effluent quality (EQI) and operational cost (OCI) indices, when evaluating (plant-wide) control/operational strategies in wastewater treatment plants (WWTPs). The proposed GHG evaluation is based on a set of comprehensive dynamic models that estimate the most significant potential on-site and off-site sources of CO2, CH4 and N2O. The study calculates and discusses the changes in EQI, OCI and the emission of GHGs as a consequence of varying the following four process variables: (i) the set point of aeration control in the activated sludge section; (ii) the removal efficiency of total suspended solids (TSS) in the primary clarifier; (iii) the temperature in the anaerobic digester; and (iv) the control of the flow of anaerobic digester supernatants coming from sludge treatment. Based upon the assumptions built into the model structures, simulation results highlight the potential undesirable effects of increased GHG production when carrying out local energy optimization of the aeration system in the activated sludge section and energy recovery from the AD. Although off-site CO2 emissions may decrease, the effect is counterbalanced by increased N2O emissions, especially since N2O has a 300-fold stronger greenhouse effect than CO2. The reported results emphasize the importance and usefulness of using multiple evaluation criteria to compare and evaluate (plant-wide) control strategies in a WWTP for more informed operational decision making

Química Analítica de Processos

Process Analytical Chemistry (PAC) is an important and growing area in analytical chemistry, that has received little attention in academic centers devoted to the gathering of knowledge and to optimization of chemical processes. PAC is an area devoted to optimization and knowledge acquisition of chemical processes, to reducing costs and wastes and to making an important contribution to sustainable development. The main aim of this review is to present to the Brazilian community the development and state of the art of PAC, discussing concepts, analytical techniques currently employed in the industry and some applications.

Advanced chemometric methods: Applicability on industrial data

Recent years have produced great advances in the instrumentation technology. The amount of available data has been increasing due to the simplicity, speed and accuracy of current spectroscopic instruments. Most of these data are, however, meaningless without a proper analysis. This has been one of the reasons for the overgrowing success of multivariate handling of such data. Industrial data is commonly not designed data; in other words, there is no exact experimental design, but rather the data have been collected as a routine procedure during an industrial process. This makes certain demands on the multivariate modeling, as the selection of samples and variables can have an enormous effect. Common approaches in the modeling of industrial data are PCA (principal component analysis) and PLS (projection to latent structures or partial least squares) but there are also other methods that should be considered. The more advanced methods include multi block modeling and nonlinear modeling. In this thesis it is shown that the results of data analysis vary according to the modeling approach used, thus making the selection of the modeling approach dependent on the purpose of the model. If the model is intended to provide accurate predictions, the approach should be different than in the case where the purpose of modeling is mostly to obtain information about the variables and the process. For industrial applicability it is essential that the methods are robust and sufficiently simple to apply. In this way the methods and the results can be compared and an approach selected that is suitable for the intended purpose. Differences in data analysis methods are compared with data from different fields of industry in this thesis. In the first two papers, the multi block method is considered for data originating from the oil and fertilizer industries. The results are compared to those from PLS and priority PLS. The third paper considers applicability of multivariate models to process control for a reactive crystallization process. In the fourth paper, nonlinear modeling is examined with a data set from the oil industry. The response has a nonlinear relation to the descriptor matrix, and the results are compared between linear modeling, polynomial PLS and nonlinear modeling using nonlinear score vectors.

Nosturin kuormauselimen liitynnän suunnittelu

Paperiteollisuuden prosessituotteista paperia varastoidaan erikokoisina rullina esim. pystyrullavarastoihin. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää Konecranesin prosessinosturille liityntä paperirullia käsittelevän kuormauselimen ja nosturin välille. Tavoitteena oli löytää kiinnitysmenetelmä, joka mahdollistaa nosturien joustavan käytön mahdollisimman pienin muutoksin itse nosturin standardoituun rakenteeseen. Pääasiallisena syventymisen kohteena oli alipaineella paperirullia nostettavan kuormauselimen liityntä. Liitynnän on kyettävä joustamaan ja vaimentamaan paperirullia nostavaan kuormauselimeen nosturin liikkeelle lähdöstä ja pysähtymisestä syntyvät herätteet ja voimat. Nosturin liikenopeus on kyettävä pitämään mahdollisimman suurena lyhyen rullienkäsittelyajan saavuttamiseksi. Liitynnältä vaaditaan kykyä ottaa kuormauselin vastaan mahdollisimman suurella nostonopeudella. Lisäksi kuorman ja kuormauselimen oskillaatio on vaimennettava mahdollisimman nopeasti samalla rajoittaen heilunnasta aiheutuvaa maksimi siirtymää. Liitynnän suunnittelu pohjautuu nosturin, kuormauselimen ja paperirullan muodostaman systeemin teoreettiseen tarkasteluun. Systeemistä laadittiin dynaaminen malli, jonka avulla tutkittiin oskillaation ja syntyvien kiihtyvyyksien suuruutta. Näiden teoriaan perustuvien tuloksien pohjalta suunniteltiin vaimennukseen tarvittavat vaimennuselementit ja liitynnän rakenne. Suunnittelutyön tuloksena saatiin liitynnälle alustava rakenne, joka mahdollistaa käytettävien vaimennuselementtien vaihtamisen ja siten tehokkaan heilunnan vaimmennuksen. Suunnittelutyön lähtökohtana oleva teoreettinen tarkastelu vaatii tuekseen esim. prototyypin kokeellisten tulosten saamiseksi ennen lopullisen tuotteen valmistamista. Suunnitteluprosessissa noudatettiin järjestelmällisen tuotesuunnittelun vaiheita ja menetelmiä.

Hitsauksen laadunhallinta offshore-teollisuuden alihankintakonepajassa

Diplomityön tavoitteena oli kuvata hitsauksen laadunhallintaa sekä hitsauksen laadunhallintajärjestelmän rakentamista offshore-teollisuuden konepajaan standardin ISO 3834-2 mukaisesti. Diplomityö koostuu teoriaosasta sekä käytännön osasta. Teoriaosa käsittelee laadunhallintaa yleisesti, minkä jälkeen se tarkentuu käsittelemään hitsauksen laadunhallintaa. Esimerkkinä on esitetty standardin NORSOK M-101 mukaisia laatuvaatimuksia. Laadunhallintaan liittyy oleellisesti myös hitsausliitoksen NDT-tarkastaminen, josta on käsitelty silmämääräinen tarkastus ja ultraäänitarkastus. Teoriaosan lopussa on käsitelty hitsauksen työturvallisuutta sekä hitsauksen laadunvalvontaa online-seurantajärjestelmällä. Käytännön osassa kerrotaan hitsauksen laatujärjestelmän rakentamisesta Meteco Oy:n Kuhmoisten tehtaalla. Yrityksen nykytilanne kartoitettiin, minkä jälkeen ryhdyttiin rakentamaan hitsauksen laadunhallintajärjestelmää. Tuloksena syntyi hitsauksen laatukäsikirja, joka pohjautuu standardiin ISO 3834-2. Käytännön osuudessa on kerrottu myös online-seurantajärjestelmän soveltuvuudesta alihankintakonepajan käyttöön. Hitsauksen laatujärjestelmän rakentamiseen kuului henkilöstön koulutustilaisuudet, joissa informoitiin edellä mainitun laatukäsikirjaan kuuluvista asioista. Tästä syntyi yritykseen myös koulutusohjelmasuunnitelma, joka antaa valmiudet yrityksen henkilökunnalle kehittyä työssään ja näin tehostaa toimintaa.

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

Development of capacitive sensor for measuring soil water content

The irrigation management based on the monitoring of the soil water content allows for the minimization of the amount of water applied, making its use more efficient. Taking into account these aspects, in this work, a sensor for measuring the soil water content was developed to allow real time automation of irrigation systems. This way, problems affecting crop yielding such as irregularities in the time to turn on or turn off the pump, and excess or deficit of water can be solved. To develop the sensors were used stainless steel rods, resin, and insulating varnish. The sensors measuring circuit was based on a microcontroller, which gives its output signal in the digital format. The sensors were calibrated using soil of the type “Quartzarenic Neosoil”. A third order polynomial model was fitted to the experimental data between the values of water content corresponding to the field capacity and the wilting point to correlate the soil water content obtained by the oven standard method with those measured by the electronic circuit, with a coefficient of determination of 93.17%, and an accuracy in the measures of ±0.010 kg kg-1. Based on the results, it was concluded that the sensor and its implemented measuring circuit can be used in the automation process of irrigation systems.

System for studies of control strategies applied in the refrigerated chambers

The process of cold storage chambers contributes largely to the quality and longevity of stored products. In recent years, it has been intensified the study of control strategies in order to decrease the temperature change inside the storage chamber and to reduce the electric power consumption. This study has developed a system for data acquisition and process control, in LabVIEW language, to be applied in the cooling system of a refrigerating chamber of 30m³. The use of instrumentation and the application developed fostered the development of scientific experiments, which aimed to study the dynamic behavior of the refrigeration system, compare the performance of control strategies and the heat engine, even due to the controlled temperature, or to the electricity consumption. This system tested the strategies for on-off control, PID and fuzzy. Regarding power consumption, the fuzzy controller showed the best result, saving 10% when compared with other tested strategies.

Monitoring of mechanical sugarcane harvesting through control charts

ABSTRACT Statistical process control in mechanized farming is a new way to assess operation quality. In this sense, we aimed to compare three statistical process control tools applied to losses in sugarcane mechanical harvesting to determine the best control chart template for this quality indicator. Losses were daily monitored in farms located within Triângulo Mineiro region, in Minas Gerais state, Brazil. They were carried over a period of 70 days in the 2014 harvest. At the end of the evaluation period, 194 samples were collected in total for each type of loss. The control charts used were individual values chart, moving average and exponentially weighted moving average. The quality indicators assessed during sugarcane harvest were the following loss types: full grinding wheel, stumps, fixed piece, whole cane, chips, loose piece and total losses. The control chart of individual values is the best option for monitoring losses in sugarcane mechanical harvesting, as it is of easier result interpretation, in comparison to the others.

Itä-Savon sairaanhoitopiiri Ky:n Savonlinnan keskussairaalan paikannustoiminnan kehittäminen

Terveydenhuollon ja siihen liittyvien palvelujen kustannusten jatkuva kohoaminen ja kuntien paheneva taloustilanne sekä terveydenhuollon pienenevät henkilöstöresurssit ovat lisänneet painetta toimintojen kustannustehokkaaseen toteuttamiseen. Edellä mainitusta johtuen, terveydenhuollon toimijoita kehotetaan etsimään uusia ratkaisuja, joilla voidaan taata jatkossa riittävä asiakaspalvelutaso, kustannustehokkuus ja – palvelujen turvallisuus. Tämän työn tavoitteena oli vastata kysymyksiin tunnistus- ja paikannustoiminnan hyödyntämisen mahdollisuuksista Itä-Savon sairaanhoitopiirin Savonlinnan keskussairaalassa. Tarkoituksena oli selvittää, millaisia paikannus ja tunnistusteknologiaan liittyviä tavoitteita ja vaatimuksia terveydenhuollon toimialalla ja erityisesti Itä-Savon sairaanhoitopiirissä on ja millä tavalla RFID ja WLAN – teknologioilla saadaan kehitettyä asetettuihin tavoitteisiin ja hyötyodotuksiin vastaavat ratkaisut. Työssä pyrittiin selvittämään myös millaisia rahallisia säästöjä tunnistus- ja paikannusteknologioilla voidaan saada aikaan. Työn yhteydessä kartoitettiin tarpeita ja vaatimuksia tunnistus- ja paikannusteknologian hyödyntämiseen. Tarpeet ja vaatimukset testattiin tunnistus- ja paikannuspilotissa. Lisäksi perehdyttiin kirjallisuuteen ja aiempiin tutkimuksiin tunnistus- ja paikannusteknologioista. Suunnitelman perusteella näyttää siltä, että hyödyntämällä tunnistus- ja paikannusteknologioita voitaisiin tehostaa Savonlinnan keskussairaalan toimintaa. Suunnitelman pilottivaiheen tuloksien perusteella toiminnan tehostaminen tarkoittaisi kustannussäästöjä, parantaisi potilasturvallisuutta sekä hoitotyön laatua. Tunnistus- ja paikannusteknologian käyttökohteita sairaalassa voisivat olla esimerkiksi reaaliaikaiseen prosessien ohjaaminen, kulunvalvonnan ja -ohjauksen automatisointi, potilaan automaattinen tunnistaminen, sekä sairaalan tutkimuslaitteiden seuranta.

Katsastuksen teknisen laadun mittaaminen ja johtaminen

Suorituskyvyn mittaamisella on monia myönteisiä vaikutuksia koko organisaation toimintaan. Mittaamisen avulla toimintaa voidaan johtaa haluttuun suuntaan. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia, minkälainen suorituskykymittaristo tarvitaan katsastusyrityksen ylimmän johdon käyttöön, jotta katsastuksen teknisen laadun johtaminen mahdollistuisi. Tutkimuksen tarkoituksena oli rakentaa katsastuksen teknisen laadun suorituskykymittaristo ylimmälle johdolle. Katsastuksen tekninen laatu on keskeinen kysymys katsastusyritysten olemassaololle. Tekninen laatu on koko katsastustoiminnan perusta, jonka päälle liiketoiminta voidaan rakentaa. Ilman tätä perustaa ei ole jatkuvuutta liiketoiminnalle. Teknisen laadun mittaaminen ei kuitenkaan ole tällä hetkellä järjestelmällistä, eikä käytettävissä ole ollut tehtävään soveltuvaa mittaristoa. Tutkimuksessa käytettiin A-Katsastus Oy:n vuosien 2008–2011 aikana syntyneitä katsastustilastoja. Tilastollista prosessin valvonta-menetelmää (SPC) soveltamalla määritettiin toimipaikka- ja katsastajakohtaiset valvontarajat hylkäysprosenteille ja vikojen määrille. Valvontarajojen avulla rakennettiin katsastuksen teknisen laadun suorituskykymittaristo toimiala-, yritys-, toimipaikka- ja katsastajatasoille. Mittariston avulla voidaan asettaa tekniselle laadulle tavoitteet, seurata tavoitteiden toteumaa ja käynnistää tarvittaessa korjaavat toimenpiteet.