Separation of Gas Bubbles from Circulation Waters and Pulp Suspensions in Open Channel Flow

The objective of this thesis was to study the removal of gases from paper mill circulation waters experimentally and to provide data for CFD modeling. Flow and bubble size measurements were carried out in a laboratory scale open gas separation channel. Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used to measure the gas and liquid flow fields, while bubble size measurements were conducted using digital imaging technique with back light illumination. Samples of paper machine waters as well as a model solution were used for the experiments. The PIV results show that the gas bubbles near the feed position have the tendency to escape from the circulation channel at a faster rate than those bubbles which are further away from the feed position. This was due to an increased rate of bubble coalescence as a result of the relatively larger bubbles near the feed position. Moreover, a close similarity between the measured slip velocities of the paper mill waters and that of literature values was obtained. It was found that due to dilution of paper mill waters, the observed average bubble size was considerably large as compared to the average bubble sizes in real industrial pulp suspension and circulation waters. Among the studied solutions, the model solution has the highest average drag coefficient value due to its relatively high viscosity. The results were compared to a 2D steady sate CFD simulation model. A standard Euler-Euler k-ε turbulence model was used in the simulations. The channel free surface was modeled as a degassing boundary. From the drag models used in the simulations, the Grace drag model gave velocity fields closest to the experimental values. In general, the results obtained from experiments and CFD simulations are in good qualitative agreement.

Kuplakokojakauman hallinta happidelignifioinnissa

Työn tarkoituksena oli uutta kuvantamistekniikkaa hyödyntäen tutkia erilaisten tekijöiden vaikutusta kaasun dispergoitumiseen kemikaalisekoittimessa, kun kaasua sekoitetaan keskisakeaan massaan. Lisäksi työssä pyrittiin selvittämään, kuinka paljon kuitususpensioon tuotettu kaasufaasin kuplakokojakauma vaikuttaa happidelignifioinnin tulokseen. Kaasumaisten aineiden käyttäytymistä keskisakeissa kuitususpensiossa ei tarkkaan tunneta. Mikäli kaasumaisen hapen käyttäytymisestä saadaan uutta tietoa, tarjoaa tämä muun muassa uusia mahdollisuuksia kaasua sekoittavien laitteiden tuotekehityksessä. Työn kokeellinen osuus koostui kahdesta osasta, joista ensimmäisessä osassa selvitettiin sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden, reaktorin kaasutilavuuden sekä suspension sakeuden vaikutusta muodostuvaan kaasun kuplakokojakaumaan. Työn jälkimmäisessä osassa arvioitiin yksivaiheisten keskisakeudessa tehtyjen happidelignifiointien perusteella suspensioon tuotetun kaasun kuplakokojakauman merkitystä happidelignifiointitulokseen. Kuplakokojakaumat määritettiin reaktoriin kiinnitetyllä kameralla kuvatuista valokuvista, joita otettiin sekoitustapahtuman aikana. Työn tuloksien perusteella sekoituksen voimakkuudella oli suurin vaikutus suspensioon muodostuvan kuplakokojakauman kannalta. Roottorin kierrosnopeuden kasvaessa kaasun keskimääräinen kuplakoko pieneni sekä havaittujen kuplien lukumäärää kasvoi huomattavasti. Myös suspension sakeuden kasvattamisen havaittiin vaikuttavan kuplakokoon pienentävästi. Happidelignifioinneissa saavutettiin paras kappareduktio, kun kaasun kuplakoko oli mahdollisimman pieni. Käytetty kuvantamistekniikka on tiettävästi ensimmäinen menetelmä, jolla saadaan reaaliaikaista tietoa vain muutamien kymmenien mikrometrien kokoisten kaasukuplien käyttäytymisestä oikeassa prosessitilanteessa.

Idea- ja innovaatioporfolion hallinta

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan idea- ja innovaatioportfolion hallintaa, portfoliojohtamista sekä näihin soveltuvia erilaisia menetelmiä yrityksen näkökulmasta. Tavoitteena on luoda yleiskatsaus yleisimpiin käytettyihin menetelmiin ja viitekehyksiin. Lähteinä työssä on käytetty sähköisiä tietokantoja ja alan kirjallisuutta. Käytetyimmät portfolion hallintamenetelmät voidaan jakaa neljään ryhmään: taloudelliset ja rahamääräiset mittarit, liiketoimintastrategiat, portfoliokartat tai kupla-diagrammit, scorecard:it eli pisteytystaulukot sekä tarkistuslistat. Idea- ja innovaatioportfolion hallinnan tavoitteena on luoda yrityksen kannalta mahdollisimman tehokas ja tuottava portfolio, joka on kuitenkin linjassa yrityksen strategian kanssa. Portfolion projekteille jaettavissa olevat resurssit ovat niukat, joten resurssien jakoon ja tehokkaaseen hyödyntämiseen tulee kiinnittää huomiota. Portfolion tasapainottamiseksi on hyvä tarkastella kehitys- ja tutkimusprojektien määrää, kokoa ja riskiä. Teknologiatiekartta on yrityksen strateginen työkalu, jolla se voi suunnata toimintaansa kohti sen visiota. Teknologiatiekartta koostuu yrityksen valitsemista markkinoista, niille suunnatuista tuotteista tai palveluista, sekä näiden vaatimista tuotekehitysprojekteista ja teknologioista. Projektien etenemistä voidaan tarkastella stage-gate -mallin avulla. Stage-gate jakaa projektin porteilla eri vaiheisiin. Jokaisen portin läpäistäkseen projektin tulee täyttää sille asetetut vaatimukset. Menetelmät eivät takaa menestystä, vaan yrityksen on valittava itselleen sopivat menetelmät siten, että ne tukevat portfoliojohtamista ja sopivat yhteen yrityskulttuurin kanssa. Pelkkä mittareihin tuijottaminen ei riitä, vaan niiden taakse on myös osattava katsoa ja huomioida yrityksen strategia.

Happidispersion karakterisointi laboratoriosekoittimessa

Työn tarkoituksena oli tarkastella uutta kuvantamistekniikkaa käyttäen happikaasun dispergointia keskisakeuksisen massasuspension joukkoon laboratoriosekoittimessa. Työssä pyrittiin tarkastelemaan muodostuvan dispersion homogeenisuutta neljästä eri kuvauspisteestä sekoittimen kannesta ja kyljestä. Samalla tarkasteltiin myös sekoittimen tehonkulutusta sekä tehonkulutuksen ja aikaansaadun dispersion välistä yhteyttä. Työn yhtenä tarkoituksena oli myös tarkastella uuden kuvantamistekniikan mahdollisuuksia tämäntyyppisissä sovellutuksissa, sillä työ kuuluu PulpVision-projektiin, jossa kehitetään massa- ja paperiteollisuuden uusia konenäkösovellutuksia. Työn kokeellinen osuus koostui sekoituskokeista, joissa tarkasteltiin neljästä kuvauspisteestä kahdella sekoittimen nopeudella mänty- ja koivususpensioihin muodostuvaa kuplakokojakaumaa. Sekoituskokeiden lisäksi tehtiin tehonkulutuskokeita, joissa tarkasteltiin sekoittimen tehonkulutusta sekoittimen täyttöasteen funktiona koivu- ja mäntysuspensioilla sekä vedellä. Työn tuloksien perusteella todettiin, että koivususpensiosta havaittujen kuplien pinta-ala oli noin puolet mäntysuspensiosta havaittujen kuplien pinta-alasta. Sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden puolittuessa suspensioon dispergoidun hapen kuplakoko kasvoi huomattavasti. Neljästä kuvausyhteestä tarkasteltuna havaittiin pienimpien kuplien esiintyvän sekoittimen alaosassa. Mäntysuspension tehonkulutuksen havaittiin kasvavan viidenneksellä, kun sekoittimen täyttöaste kasvoi 10 %, kun taas koivususpension tehonkulutuksen kasvu oli tästä vain puolet. Kuvantamislaitteiston todettiin olevan tämänkaltaiseen sovellutukseen riittävä, varsinkin kun valonlähteenä käytetään pulssilaseria.

Kaasun dispergoituminen tehdasmittakaavaisessa keskisakean massan sekoittimessa

Työn tarkoituksena oli selvittää Proto 10 kemikaalisekoittimen kyky dispergoida kaasua keskisakean valkaistun mäntysellun joukkoon. Työssä käytettiin kuvantamistekniikkaa, jonka avulla pystyttiin näkemään sekoittimen ja putkiston sisälle sekoitustapahtuman aikana. Muodostunutta dispersiota tarkasteltiin kolmesta kuvauspisteestä, joista yksi sijaitsi sekoittimen pesässä ja kaksi putkistossa sekoittimen jälkeen. Työssä verrattiin myös laboratoriosekoittimella saatuja tuloksia teollisen mittakaavan sekoittimella saatuihin tuloksiin, sekä määritettiin tarvittava pinta-aktiivisen aineen konsentraatio, jolla saavutettiin ruskeaa massaa vastaava vaahtoaminen. Työn kokeellinen osuus koostui kolmesta osasta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin ruskeasta mänty- ja koivumassasta lingotun suodoksen vaahtoamista ja verrattiin sitä vedellä ja pesuaineella saatavaan vaahtoon. Toisessa vaiheessa suoritettiin referenssiajot laboratoriosekoittimen ja teollisen mittakaavan sekoittimen vertailua varten Quantum Mark IV laboratoriosekoittimella. Kolmannessa vaiheessa tutkittiin Proto 10 sekoittimen kykyä dispergoida kaasua mäntysellun joukkoon eri pyörimisnopeuksilla ja virtaamilla. Työn tuloksien perusteella energiankäytön kannalta paras pyörimisnopeus Proto 10 sekoittimelle on 1500 min-1. Nostamalla kierrosnopeutta yli tämän ei saavutettu merkittävää parannusta dispersion laadussa varsinkaan suuremmilla virtaamilla. Virtaamalla todettiin olevan suuri merkitys sekoitustulokseen. Laboratoriosekoittimella tehtyjen kokeiden todettiin vastaavan parhaiten teollisen mittakaavan tuloksia pyörimisnopeudella 1200 min-1.

CFD Modelling of Direct Contact Condensation in Suppression Pools by Applying Condensation Models of Separated Flow

The condensation rate has to be high in the safety pressure suppression pool systems of Boiling Water Reactors (BWR) in order to fulfill their safety function. The phenomena due to such a high direct contact condensation (DCC) rate turn out to be very challenging to be analysed either with experiments or numerical simulations. In this thesis, the suppression pool experiments carried out in the POOLEX facility of Lappeenranta University of Technology were simulated. Two different condensation modes were modelled by using the 2-phase CFD codes NEPTUNE CFD and TransAT. The DCC models applied were the typical ones to be used for separated flows in channels, and their applicability to the rapidly condensing flow in the condensation pool context had not been tested earlier. A low Reynolds number case was the first to be simulated. The POOLEX experiment STB-31 was operated near the conditions between the ’quasi-steady oscillatory interface condensation’ mode and the ’condensation within the blowdown pipe’ mode. The condensation models of Lakehal et al. and Coste & Lavi´eville predicted the condensation rate quite accurately, while the other tested ones overestimated it. It was possible to get the direct phase change solution to settle near to the measured values, but a very high resolution of calculation grid was needed. Secondly, a high Reynolds number case corresponding to the ’chugging’ mode was simulated. The POOLEX experiment STB-28 was chosen, because various standard and highspeed video samples of bubbles were recorded during it. In order to extract numerical information from the video material, a pattern recognition procedure was programmed. The bubble size distributions and the frequencies of chugging were calculated with this procedure. With the statistical data of the bubble sizes and temporal data of the bubble/jet appearance, it was possible to compare the condensation rates between the experiment and the CFD simulations. In the chugging simulations, a spherically curvilinear calculation grid at the blowdown pipe exit improved the convergence and decreased the required cell count. The compressible flow solver with complete steam-tables was beneficial for the numerical success of the simulations. The Hughes-Duffey model and, to some extent, the Coste & Lavi´eville model produced realistic chugging behavior. The initial level of the steam/water interface was an important factor to determine the initiation of the chugging. If the interface was initialized with a water level high enough inside the blowdown pipe, the vigorous penetration of a water plug into the pool created a turbulent wake which invoked the chugging that was self-sustaining. A 3D simulation with a suitable DCC model produced qualitatively very realistic shapes of the chugging bubbles and jets. The comparative FFT analysis of the bubble size data and the pool bottom pressure data gave useful information to distinguish the eigenmodes of chugging, bubbling, and pool structure oscillations.

Mutual Fund Performance and the Market Timing Ability - Finnish Evidence

The purpose of this thesis is to examine the performance of Finnish equity funds and their market timing ability. Fund performance is evaluated by using annual returns and various risk-adjusted measures, including Sharpe ratio, DDSR, SKASR, Treynor ratio and Jensen’s alpha, whereas portfolio manager’s timing ability is examined with Treynor-Mazuy model and Henriksson-Merton model. The data is collected from the Finnish fund market during the sample period from January 1997 to February 2010. Results show that Finnish equity funds have been able to outperform the market return on a risk-adjusted basis, but these results are influenced heavily by the exceptionally good performance during the IT-bubble. Market timing models show that fund managers have been, to some degree, able to time the market but not a single fund have been able to possess security selection ability and market timing ability simultaneously.

Omakotitalojen hintadynamiikka Suomessa

Tämän tutkielma tutkii omakotitalojen hintadynamiikkaa Suomessa 1985Q1-2009Q2 välisenä aikana. Tarkoituksena on luoda pitkänaikavälin tasapainomalli sekä lyhyenajan vektorivirheenkorjausmalli, jonka avulla voidaan selvittää asuntojen hintojen mukautumisnopeus kohti tasapainotilaa. Pitkänajan tasapainomallin mukaan omakotitalojen hintaan vaikuttavat eniten kotitalouksien käytettävissä olevat tulot sekä suhteellinen velkaantuneisuus. Koron merkitys jäi mallissa suhteellisen pieneksi. Sekä tulot että velkaantuneisuus vaikuttavat omakotitalojen hintaan positiivisesti. Asuntojen hintojen mukautumisnopeus kohti tasapainotilaa on kohtalaisen nopeaa. Mallin mukaan Suomessa ei ole havaittavissa selvää asuntojen hintakuplaa.

Electrocoagulation in the treatment of industrial waters and wastewaters

Chemical coagulation is commonly used in raw water and wastewater treatment plants for the destabilisation of pollutants so that they can be removed in the subsequent separation processes. The most commonly used coagulation chemicals are aluminium and iron metal salts. Electrocoagulation technology has also been proposed for the treatment of raw waters and wastewaters. With this technology, metal cations are produced on the electrodes via electrolysis and these cations form various hydroxides in the water depending on the water pH. In addition to this main reaction, several side reactions, such as hydrogen bubble formation and the reduction of metals on cathodes, also take place in the cell. In this research, the applications of electrocoagulation were investigated in raw water treatment and wastewater applications. The surface water used in this research contained high concentrations of natural organic matter (NOM). The effect of the main parameters – current density, initial pH, electric charge per volume, temperature and electrolysis cell construction – on NOM removal were investigated. In the wastewater treatment studies, the removal of malodorous sulphides and toxic compounds from the wastewaters and debarking effluents were studied. Also, the main parameters of the treatment, such as initial pH and current density, were investigated. Aluminium electrodes were selected for the raw water treatment, whereas wastewaters and debarking effluent were treated with iron electrodes. According to results of this study, aluminium is more suitable electrode material for electrocoagulation applications because it produces Al(III) species. Metal ions and hydroxides produced by iron electrodes are less effective in the destabilisation of pollutants because iron electrodes produce more soluble and less charged Fe(II) species. However, Fe(II) can be effective in some special applications, such as sulphide removal. The resulting metal concentration is the main parameter affecting destabilisation of pollutants. Current density, treatment time, temperature and electrolysis cell construction affect the dissolution of electrodes and hence also the removal of pollutants. However, it seems that these parameters have minimal significance in the destabilization of the pollutants besides this effect (in the studied range of parameters). Initial pH and final pH have an effect on the dissolution of electrodes, but they also define what aluminium or iron species are formed in the solution and have an effect on the ζ-potential of all charged species in the solution. According to the results of this study, destabilisation mechanisms of pollutants by electrocoagulation and chemical coagulation are similar. Optimum DOC removal and low residual aluminium can be obtained simultaneously with electrocoagulation, which may be a significant benefit of electrocoagulation in surface water treatment compared to chemical coagulation. Surface water treatment with electrocoagulation can produce high quality water, which could be used as potable water or fresh water for industrial applications. In wastewater treatment applications, electrocoagulation can be used to precipitate malodorous sulphides to prevent their release into air. Technology seems to be able to remove some toxic pollutants from wastewater and could be used as pretreatment prior to treatment at a biological wastewater treatment plant. However, a thorough economic and ecological comparison of chemical coagulation and electrocoagulation is recommended, because these methods seem to be similar in pollutant destabilisation mechanisms, metal consumption and removal efficiency in most applications.

Horizontal Slug Flow in a Large-Size Pipeline: Experimentation and Modeling

The knowledge of the slug flow characteristics is very important when designing pipelines and process equipment. When the intermittences typical in slug flow occurs, the fluctuations of the flow variables bring additional concern to the designer. Focusing on this subject the present work discloses the experimental data on slug flow characteristics occurring in a large-size, large-scale facility. The results were compared with data provided by mechanistic slug flow models in order to verify their reliability when modelling actual flow conditions. Experiments were done with natural gas and oil or water as the liquid phase. To compute the frequency and velocity of the slug cell and to calculate the length of the elongated bubble and liquid slug one used two pressure transducers measuring the pressure drop across the pipe diameter at different axial locations. A third pressure transducer measured the pressure drop between two axial location 200 m apart. The experimental data were compared with results of Camargo's1 algorithm (1991, 1993), which uses the basics of Dukler & Hubbard's (1975) slug flow model, and those calculated by the transient two-phase flow simulator OLGA.

Hydrodynamics Characteristics and Gas-Liquid Mass Transfer in a Three Phase Fluidized Bed Reactor

This paper presents the experimental characterization of hydrodynamics and gas-liquid mass transfer in a three-phase fluidized bed containing polystyrene and nylon particles. The influence of gas and liquid velocities on phase holdups and volumetric gas-liquid mass transfer coefficient was investigated for flow conditions similar to those applied in biotechnological process. The phase holdups were obtained by the pressure profile technique. The volumetric gas-liquid mass transfer coefficient was obtained adjusting the experimental concentration profiles of dissolved oxygen in the liquid phase with the predictions of the axial dispersion model. According to experimental results the liquid holdup increases with the gas velocity, whereas the solid holdup decreases. The gas holdup increases significantly with the increase in gas velocity, and it shows for the three-phase fluidized bed comparable values or larger than those of bubble column. The volumetric gas-liquid mass transfer coefficient increases significantly with an increase in the air velocity for both bubble column and fluidized beds. In addition, in the operational condition of high liquid velocity, the presence of low-density particles in the bed increased the gas-liquid mass transfer, and thus the volumetric mass transfer coefficient values obtained in the fluidized bed were comparable or larger than those of bubble column.

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.

Mikrohuokoisen pinnoitteen kehittäminen suodatinkankaan päälle

Mikrohuokoisia membraaneja käytetään monissa suodatussovelluksissa kuten vedenpuhdistuksessa. Tämän työn tavoite oli pinnoittaa suodatinkankaita mikrohuokoisella membraanilla. Membraanimateriaalin ja suodatuskankaan yhdistelmällä tavoiteltiin komposiittimateriaalia, jolla on membraanin selektiivinen erotuskyky ja kankaan mekaaniset ominaisuudet. Tämän työn kirjallisuusosa käsittelee membraanin valmistusta faasi-inversiomenetelmällä, pinnoitteeksi soveltuvia membraanimateriaaleja sekä pinnoitteen lujittamista. Kokeellisessa osassa suodatuskankaalle kehitettiin sopivaa pinnoitusmenetelmää. Pinnoitemateriaaleina käytettiin akryylidispersioainetta, polyamidia ja polysulfonia. Tuloksista huomattiin, ettei akryylidispersioaine soveltunut pinnoitemateriaaliksi. Kangasta onnistuttiin pinnoittamaan polyamidilla ja pinnoitusolosuhteita kontrolloimalla saatiin aikaiseksi pinnoite, joka pysyi kankaassa kiinni ja jonka rakenne koostui noin 12 μm huokosista. Polymeeriliuoksen pitoisuuden huomattiin vaikuttavan pinnoitteen rakenteeseen, mutta siihen jäi edelleen suuria avoimia huokosia. Suuret yksittäiset huokoset laskivat kuplapistepainetta ja tekivät huokoskokojakaumasta leveämmän. Polyamidipitoisuudella 14 ja 16 m–% pinnoite oli tunkeutunut kankaan sisään ja sen rakenne oli huokoinen, mutta pintakerrokseen muodostunut tiivis ihokerros tukki materiaalia. Tulosten perusteella kankaiden pinnoittaminen membraanikerroksella on mahdollista mutta pinnoitusprosessia täytyy edelleen kehittää, jotta päästään pienempään huokoskokoon ja kapeampaan huokoskokojakaumaan pinnoitteessa.

CFD modeling of dispersion water feed in wastewater cleaning application

Fluid particle breakup and coalescence are important phenomena in a number of industrial flow systems. This study deals with a gas-liquid bubbly flow in one wastewater cleaning application. Three-dimensional geometric model of a dispersion water system was created in ANSYS CFD meshing software. Then, numerical study of the system was carried out by means of unsteady simulations performed in ANSYS FLUENT CFD software. Single-phase water flow case was setup to calculate the entire flow field using the RNG k-epsilon turbulence model based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations. Bubbly flow case was based on a computational fluid dynamics - population balance model (CFD-PBM) coupled approach. Bubble breakup and coalescence were considered to determine the evolution of the bubble size distribution. Obtained results are considered as steps toward optimization of the cleaning process and will be analyzed in order to make the process more efficient.