Building intuition of iron evolution during solar cell processing through analysis of different process models

An important aspect of Process Simulators for photovoltaics is prediction of defect evolution during device fabrication. Over the last twenty years, these tools have accelerated process optimization, and several Process Simulators for iron, a ubiquitous and deleterious impurity in silicon, have been developed. The diversity of these tools can make it difficult to build intuition about the physics governing iron behavior during processing. Thus, in one unified software environment and using self-consistent terminology, we combine and describe three of these Simulators. We vary structural defect distribution and iron precipitation equations to create eight distinct Models, which we then use to simulate different stages of processing. We find that the structural defect distribution influences the final interstitial iron concentration ([Fe-i]) more strongly than the iron precipitation equations. We identify two regimes of iron behavior: (1) diffusivity-limited, in which iron evolution is kinetically limited and bulk [Fe-i] predictions can vary by an order of magnitude or more, and (2) solubility-limited, in which iron evolution is near thermodynamic equilibrium and the Models yield similar results. This rigorous analysis provides new intuition that can inform Process Simulation, material, and process development, and it enables scientists and engineers to choose an appropriate level of Model complexity based on wafer type and quality, processing conditions, and available computation time.

Combined simulation-optimization methodology for the design of environmental conscious absorption systems

This work addresses the optimization of ammonia–water absorption cycles for cooling and refrigeration applications with economic and environmental concerns. Our approach combines the capabilities of process simulation, multi-objective optimization (MOO), cost analysis and life cycle assessment (LCA). The optimization task is posed in mathematical terms as a multi-objective mixed-integer nonlinear program (moMINLP) that seeks to minimize the total annualized cost and environmental impact of the cycle. This moMINLP is solved by an outer-approximation strategy that iterates between primal nonlinear programming (NLP) subproblems with fixed binaries and a tailored mixed-integer linear programming (MILP) model. The capabilities of our approach are illustrated through its application to an ammonia–water absorption cycle used in cooling and refrigeration applications.

Multiscale modelling of heterogeneously catalysed transesterification reaction process:an overview

Biodiesel is fast becoming one of the key transport fuels as the world endeavours to reduce its carbon footprint and find viable alternatives to oil derived fuels. Research in the field is currently focusing on more efficient ways to produce biodiesel, with the most promising avenue of research looking into the use of heterogeneous catalysis. This article presents a framework for kinetic reaction and diffusive transport modelling of the heterogeneously catalysed transesterification of triglycerides into fatty acid methyl esters (FAMEs), unveiled by a model system of tributyrin transesterification in the presence of MgO catalysts. In particular, the paper makes recommendations on multicomponent diffusion calculations such as the diffusion coefficients and molar fluxes from infinite dilution diffusion coefficients using the Wilke and Chang correlation, intrinsic reaction kinetic studies using the Eley-Rideal kinetic mechanism with methanol adsorption as the rate determining steps and multiscale reaction-diffusion process simulation between catalytic porous and bulk reactor scales. © 2013 The Royal Society of Chemistry.

Hydrometallurgical process modeling using advanced mathematical tools

Hydrometallurgical process modeling is the main objective of this Master’s thesis work. Three different leaching processes namely, high pressure pyrite oxidation, direct oxidation zinc concentrate (sphalerite) leaching and gold chloride leaching using rotating disc electrode (RDE) are modeled and simulated using gPROMS process simulation program in order to evaluate its model building capabilities. The leaching mechanism in each case is described in terms of a shrinking core model. The mathematical modeling carried out included process model development based on available literature, estimation of reaction kinetic parameters and assessment of the model reliability by checking the goodness fit and checking the cross correlation between the estimated parameters through the use of correlation matrices. The estimated parameter values in each case were compared with those obtained using the Modest simulation program. Further, based on the estimated reaction kinetic parameters, reactor simulation and modeling for direct oxidation zinc concentrate (sphalerite) leaching is carried out in Aspen Plus V8.6. The zinc leaching autoclave is based on Cominco reactor configuration and is modeled as a series of continuous stirred reactors (CSTRs). The sphalerite conversion is calculated and a sensitivity analysis is carried out so to determine the optimum reactor operation temperature and optimum oxygen mass flow rate. In this way, the implementation of reaction kinetic models into the process flowsheet simulation environment has been demonstrated.

Characterization of the methanol recovery process at Prio Biocombustíveis S. A.

In a industrial environment, to know the process one is working with is crucial to ensure its good functioning. In the present work, developed at Prio Biocombustíveis S.A. facilities, using process data, collected during the present work, and historical process data, the methanol recovery process was characterized, having started with the characterization of key process streams. Based on the information retrieved from the stream characterization, Aspen Plus® process simulation software was used to replicate the process and perform a sensitivity analysis with the objective of accessing the relative importance of certain key process variables (reflux/feed ratio, reflux temperature, reboiler outlet temperature, methanol, glycerol and water feed compositions). The work proceeded with the application of a set of statistical tools, starting with the Principal Components Analysis (PCA) from which the interactions between process variables and their contribution to the process variability was studied. Next, the Design of Experiments (DoE) was used to acquire experimental data and, with it, create a model for the water amount in the distillate. However, the necessary conditions to perform this method were not met and so it was abandoned. The Multiple Linear Regression method (MLR) was then used with the available data, creating several empiric models for the water at distillate, the one with the highest fit having a R2 equal to 92.93% and AARD equal to 19.44%. Despite the AARD still being relatively high, the model is still adequate to make fast estimates of the distillate’s quality. As for fouling, its presence has been noticed many times during this work. Not being possible to directly measure the fouling, the reboiler inlet steam pressure was used as an indicator of the fouling growth and its growth variation with the amount of Used Cooking Oil incorporated in the whole process. Comparing the steam cost associated to the reboiler’s operation when fouling is low (1.5 bar of steam pressure) and when fouling is high (reboiler’s steam pressure of 3 bar), an increase of about 58% occurs when the fouling increases.

Aplicação de ferramentas de simulação de processos

Este trabalho foi efectuado com o propósito de interpretar, compreender e explicar algumas ferramentas de simulação de processos, em particular o Aspen Energy Analyzer (AEA), o Aspen Economic Evaluation (AEE) e o seu funcionamento integrado com o Aspen Hysys(AH). O AH é uma ferramenta de modelação de processos para a concepção de projectos de engenharia química, o AEA é uma ferramenta de modelação de redes de integração energética. O AEE integrado no AH é uma ferramenta que permite incorporar estudos económicos numa fase preliminar do desenvolvimento de um projecto de engenharia. A abordagem a este trabalho foi efectuada através do estudo de Casos. O Caso I foi baseado na resolução de um problema no AEA através da construção e optimização de uma rede de permutadores de calor. Os Casos II e III foram baseados na construção de um flowsheet de produção de Benzeno e de Cloreto de Vinil, respectivamente, e cada Caso foi dividido em dois cenários diferentes. Para o efeito foram utilizados os softwares AEA para a integração energética dos processos, o AH para construção do fluxograma do processo e o AEE para os estudos económicos dos diferentes cenários. Finalmente, os Casos IV e V dizem respeito à resolução de um problema de integração energética. O Caso IV foi baseado num problema de optimização da rede de permutadores através do aumento da sua área. Já o Caso V foi baseado na informação inicial das correntes do caso anterior e em dois cenários diferentes, nos quais foi estudada a influência dos preços das utilidades na construção da rede de permutadores. A conclusão foi que as ferramentas de modelação, particularmente o AH, o AEA e o AEE são uma mais-valia extraordinária para ajudar o utilizador na tomada de decisões em fases bastante preliminares da engenharia de processos.

Análise Económica da Produção de Óleo a Partir de Microalgas

Os biocombustíveis apresentam um interessante potencial de redução da dependência energética relativamente aos combustíveis fósseis. A produção de microalgas apresenta vários benefícios ambientais como sejam a utilização mais efetiva de terrenos, a captura de dióxido de carbono, a purificação de águas quando associada a um processo de tratamento de águas residuais e não provoca a disputa entre a produção de matéria-prima para alimentação e combustíveis. A cultura de microalgas para a produção de biodiesel tem recebido uma grande atenção nos últimos anos devido ao seu potencial. Neste trabalho pretende-se criar as etapas de processamento das microalgas em biodiesel onde são implementadas medidas de eficiência energética e aproveitamento de fontes poluidoras como o CO2. Para isso, formulou-se um modelo no programa Aspen Plus para simulação do processo desde a produção, colheita até à extração de óleo das microalgas e posterior avaliação económica do mesmo. Concluiu-se que para o projeto fosse pago no tempo de vida útil seria preciso vender o óleo a 13 $/kg. Aos preços atuais do óleo o projeto não é economicamente viável.

Modelos de simulação de processos por junção de componentes

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia e Gestão de Sistemas de Informação

Metsäteollisuuden prosessien suunnittelu simulointiympäristössä

Prosessisimulointiohjelmistojen käyttö on yleistynyt paperiteollisuuden prosessien kartoituksessa ja kyseiset ohjelmistot ovat jo pitkään olleet myös Pöyry Engineering Oy:n työkaluja prosessisuunnittelussa. Tämän työn tavoitteeksi määritettiin prosessisimulointiohjelmistojen käytön selvittäminen suomalaisissa paperitehtaissa sekä prosessisimuloinnin tulevaisuuden näkymien arviointi metsäteollisuuden suunnittelupalveluissa liiketoiminnan kehittämiseksi. Työn teoriaosassa selvitetään mm. seuraavia asioita: mitä prosessisimulointi on, miksi simuloidaan ja mitkä ovat simuloinnin hyödyt ja haasteet. Teoriaosassa esitellään yleisimmät käytössä olevat prosessisimulointiohjelmistot, simulointiprosessin eteneminen sekä prosessisimuloinnin tuotteistamisen vaatimuksia. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin kyselyn avulla prosessisimulointiohjelmistojen käyttöä Suomen paperitehtaissa. Kysely lähetettiin kaikille Suomen tärkeimmille paperitehtaille. Kyselyn avulla selvitettiin mm, mitä ohjelmia käytetään, mitä on simuloitu, mitä pitää vielä simuloida ja kuinka tarpeellisena prosessisimulointia pidetään. Työntulokset osoittavat, että kaikilla kyselyyn vastanneilla suomalaisilla paperitehtailla on käytetty prosessisimulointia. Suurin osa simuloinneista on tehty konelinjoihin sekä massa- ja vesijärjestelmiin. Tulevaisuuden tärkeimpänä kohteena pidetään energiavirtojen simulointia. Simulointimallien pitkäjänteisessä hyödyntämisessä ja ylläpidossa on kehitettävää, jossa simulointipalvelujen hankkiminen palveluna on tehtaille todennäköisin vaihtoehto. Johtopäätöksenä on se, että tehtailla on tarvetta prosessisimuloinnille. Ilmapiiri on kyselytuloksien mukaan suotuisa ja simulointi nähdään tarpeellisena työkaluna. Prosessisimuloinnin markkinointia, erillispalvelutuotteen lisäksi, kannattaisi kehittää siten, että simulointimallin ylläpito jatkuisi projektin jälkeen lähipalveluna. Markkinointi pitäisi tehdä jo projektin alkuvaiheessa tai projektin aikana. Simulointiohjelmien kirjosta suunnittelutoimiston kannattaa valita simulointiohjelmistoja, jotka sopivat sille parhaiten. Erityistapauksissa muiden ohjelmien hankintaa kannattaa harkita asiakkaan toivomusten mukaisesti.

SC HIOMON JA PAPERIKONEEN LÄMPÖTASAPAINON HALLINTA

Kivihiokkeen valmistus on energiaintensiivistä. Käytetystä energiasta muuttuu yli 90 prosenttia lämmöksi. Hiomolla käytetystä lämmöksi muuttuneesta tehosta voidaan paperikoneelle siirtää noin puolet. Mekaanisen massan valmistuksen ja paperikoneen vesikierrot erotetaan toisistaan häiriöaineiden kulkeutumisen estämiseksi. Vesikiertojen erottamisella katkaistaan myös lämmön siirtyminen hiomolta paperikoneelle massojen mukana. Käyttämällä lämmönsiirtimiä hiomon vesien jäähdytyksessä, voidaan hiomon hiomakoneiden suihkuvesivesilämpötilaa alentaa. Lämmönsiirto vaikuttaa paperikoneella annostelumassojen laimennusten kautta perälaatikkolämpötilaa kohottavasti. Työn tehtäväksi määritettiin kesäkuukausina esiintyvä hiomakoneiden suihkuveden raakavesijäähdytyksen tarpeen poistaminen ensisijaisesti niin, että ylimäärälämpö hyödynnetään tehtaalla. Työn muiksi tavoitteiksi muodostui annostelumassojen lämpötilan hallinta, etenkin muutokset, joilla voidaan nostaa hylkymassan annostelulämpötilaa. Työn kokeellinen osa tehtiin UPM Kymmene Oyj Kajaanin tehtailla syksyn 2004 aikana. Työssä tutkittiin WinGEMS simulointiohjelmalla tehtyjen mallien avulla lämmön siirtymistä hiomon ja paperikone 2:n välillä, sekä lämmönsiirtoa pois tasealueelta. Simulointimalli nykytilanteesta rakennettiin yksityiskohtaisesti nykyisen tuotantoprosessin kaltaiseksi ja siitä muokattiin eri vaihtoehtoja, joilla ratkaistiin tutkimukselle asetetut tehtävät. Kytkentämuutoksilla pystyttiin siirtämään hiomolta yli 85 % hiomakoneiden suihkuveden ylimäärälämmöstä ilman uusia laitehankintoja. Asentamalla lopuksi lämmönsiirrin hiomon puhdassuodoslinjaan, hiomakoneiden suihkuveden jäähdytystarve poistettiin kokonaan. Samalla alennettiin valkaisuun menevän massan lämpötilaa, jolloin peroksidivalkaisun kemikaalikulutus väheni yli 10 %. Lämmönsiirrinverkostosta tehtiin kesätilanteen pinch-analyysi, jolla selvitettiin prosessin lämmitys ja jäähdytystarpeet. Analyysin perusteella selvisi, että kytkennöissä ei rikota pinch sääntöjä ja, että prosessissa esiintyy kynnysongelma, jossa prosessi tarvitsee ainoastaan jäähdytystä.

Ydinvoimalaitoksen turbiinilaitoksen toiminnan ja kunnonvalvonnan nykytilan kuvaus ja kehittämismahdollisuuksien kartoitus sekä toteutus ja kannattavuusarviointi

Työssä selvitettiin Olkiluodon ydinvoimalaitoksen prosessiseurannassa nykyisin käytössä olevia järjestelmiä sekä tutkittiin prosessisimulointiohjelman käyttömahdollisuuksia osana prosessiseurantaa. Ensisijaisesti tutkittiin kuinka hyvin simulointimalli soveltuu pienien tehopoikkeamien havainnoimiseen. Simulointimalli rakennettiin Endat Oy:n kehittämällä Prosim-simulointiohjelmalla. Simulointimalli on tehty kahdelle eri prosessille. Erilliset mallit rakennettiin sekä vuoden 2003 vuosihuoltoa edeltäneelle prosessille, että vuosihuollossa lauhteen esilämmityksen osalta muutetulle prosessille. Simulointimallien toimintaa käytännössä testattiin suorittamalla simulointiajoja muutamilla prosessin muutostilanteilla ja vertailemalla muutostilanteiden mittapistedataa simulointiohjelman laskemiin tuloksiin. Simulointimallin suurimmat poikkeamat mittapistedataan verrattuna todettiin turbiinilaitoksen korkeapainepuolella sekä lauhduttimessa. Käytännössä havaittiin, että nämä poikkeamat hankaloittavat simulointiohjelman käyttöä käytönvalvonnan työkaluna, eikä sen käytöstä näin ollen saada varsinaista lisäarvoa.

Putkilinjan suunnittelu integroidussa simulointiympäristössä

Työn tavoitteena oli määritellä kirjallisuustutkimuksen ja suunnitteluesimerkin avulla vaatimuksia integroidulle simulointiympäristölle, joka sisältää simulointiohjelmien lisäksi prosessilaitteiden mitoitusohjelmia ja prosessilaite- ja mallitietokannan. Lisäksi pohdittiin simulointiympäristön tuomia etuja prosessissuunnitteluun. Esimerkkinä käytettiin yksinkertaista putkilinjaa. Ensin selvitettiin prosessisuunnittelun kulkua, menetelmiä, apuvälineitä ja ajankohtaisia teemoja kirjallisuuden perusteella. Prosessisuunnittelun menetelmistä keskityttiin yksityiskohtaisemmin prosessisimulointiin. Lisäksi etsittiin kirjallisuudesta esimerkkejä integroiduista suunnitteluympäristöistä. Kirjallisuusselvityksen perusteella määriteltiin yleisiä vaatimuksia integroidulle simulointiympäristölle. Seuraavaksi suunniteltiin esimerkkinä käytetty putkilinja ja kuvattiin suunnittelun eteneminen. Suunnitteluesimerkin avulla pyrittiin tunnistamaan suunnitteluprosessista ne kohdat, joissa integroitu simulointiympäristö helpottaisi työskentelyä sekä pohtimaan yksityiskohtaisemmin integroidun simulointiympäristön toimintoja. Lopuksi kuvattiin putkilinjan suunnittelun eteneminen integroidussa simulointiympäristössä ja pohdittiin sen etuja verrattuna perinteiseen putkilinjan suunnitteluun. Tutkimuksen perusteella integroitu simulointiympäristö tehostaa prosessisuunnittelua siten, että simulointimallien määrittelyissä tarvittavat laitetiedot ovat saatavissa helposti ja nopeasti ohjelmien ymmärtämässä muodossa. Simulointiympäristössä tieto eri sovellusten välillä siirtyy osittain automaattisesti, minkä takia ohjelmiin ei erikseen tarvitse syöttää samoja tietoja. Lisäksi integroitu simulointiympäristö tukee rinnakkaista suunnittelua ja automaatio- ja prosessisuunnittelun integrointia.Jatkotutkimusehdotuksena on lisäselvitykset siitä, miten simulointiympäristö sijoittuisi yrityksissä jo olemassa oleviin suunnittelujärjestelmiin, etenkin tiedonhallintajärjestelmiin nähden. Muina jatkotutkimusehdotuksina on integroidun simulointiympäristön tarkasteleminen automaatiosuunnittelijan kannalta sekä vaatimusmäärittelyjen tarkentaminen. Työssä ei juuri ole kiinnitetty huomiota siihen, kuinka helposti ehdotetut simulointiympäristön toiminnot ja vaatimukset ovat toteutettavissa teknisesti tai ylipäätään ovatko toteutettavissa, joten tämäkin vaatinee jatkotutkimuksia.

Tietoverkon varmistusten simulointi ja optimointi

Tässä diplomityössä määritellään varmistusjärjestelmän simulointimalli eli varmistusmalli. Varmistusjärjestelmän toiminta optimoidaan kyseisen varmistusmallin avulla. Optimoinnin tavoitteena on parantaa varmistusjärjestelmän tehokkuutta. Parannusta etsitään olemassa olevien varmistusjärjestelmän resurssien maksimaalisella hyödyntämisellä. Varmistusmalli optimoidaan evoluutioalgoritmin avulla. Optimoinnissa on useita tavoitteita, jotka ovat ristiriidassa keskenään. Monitavoiteoptimointiongelma muunnetaan yhden tavoitteen optimointiongelmaksi muodostamalla tavoitefunktio painotetun summan menetelmän avulla. Rinnakkain edellisen menetelmän kanssa käytetään myös Pareto-optimointia. Pareto-optimaalisen rintaman pisteiden etsintä ohjataan lähelle painotetun summan menetelmän optimipistettä. Evoluutioalgoritmin toteutuksessa käytetään hyväksi varmistusjärjestelmiin liittyvää ongelmakohtaista tietoa. Työn tuloksena saadaan varmistusjärjestelmän simulointi- sekä optimointityökalu. Simulointityökalua käytetään kartoittamaan nykyisen varmistusjärjestelmän toimivuutta. Optimoinnin avulla tehostetaan varmistusjärjestelmän toimintaa. Työkalua voidaan käyttää myös uusien varmistusjärjestelmien suunnittelussa sekä nykyisten varmistusjärjestelmien laajentamisessa.

Hylky- ja vesijärjestelmän vaikutus kartongin tuotepuhtauteen

Kirjallisuusosassa käsitellään paperi- ja kartonkikoneiden eri vesijärjestelmiä, vedenkäytön vähentämistä ja sen vaikutusta prosessiin. Mikrobiologiaa, mikrobien aiheuttamia prosessiongelmia, mikrobien torjuntaa ja simulointia on myös käsitelty kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa laadittiin Kartonkikone 1:n massa- ja vesijärjestelmän mikrobiologisen puhtauden simulointimalli Balas-prosessisimulointiohjelmalla. Kartongin mikrobiologinen puhtaus määritettiin kokonaispesäkelukuna. Kokeellinen osa sisälsi pilot-mittakaavan suodatinkoeajoja, joissa määritettiin tarvittavat erotusparametrit simulointimallille, selvitettiin Dynasand-hiekkasuodattimen soveltuvuus suihkuvesien puhdistukseen, Dynadisc-kiekkosuodattimen käyttökelpoisuus kiertoveden puhdistukseen kiertovesisuodattimena ja hiekkasuodattimien esisuodattimena sekä UV-reaktorin soveltuvuus suodatettujen vesien desifiointiin. Simulointimallilla tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtojen vaikutus kartongin mikrobiologiseen puhtauteen. Suihkuvesien puhdistaminen hiekkasuodattimilla alentaa kokonaispesäkelukua vain vähän. Koneen ajettavuus paranee suihkuputkien roskaryöppyjen ja viiraosan limoittumisen vähenemisen takia. Kiertovesijärjestelmän pelkkä jakaminen hylkyprosessi- ja sakeudensäätövedeksi aiheuttaa kokonaispesäkeluvun kasvun prosessista poistettavien vesien puhdistumisen takia. Kokonaispesäkeluku minimoidaan poistamalla ylimääräinen vesi hylkysaostajan suodoksena. Suodatettua hylkysaostajan suodoksen ja viiraveden seosta käytetään sekä sakeudensäätö- että hylkyprosessivedeksi. Hylkymassalla on dominoiva vaikutus kokonaispesäkelukuun. Suurin vähennys kokonaispesäkeluvussa saadaan estämällä mikrobikasvu hylkymassassa. Tämä voidaan tehdä kuumentamalla hylkymassa 80 °C:n höyryllä. Suodatuskoeajojen perusteella Dynasand-hiekkasuodattimella voidaan puhdistaa pisaralämmönvaihtimelta saatavaa lämmintä suihkuvettä. Esisuodatettua kiertovettä voidaan puhdistaa Dynasand-hiekkasuodattimella viiran johtotelojen suihkuvedeksi. Dynadisc-kiekkosuodatinta voidaan käyttää hiekkasuodattimen esisuodattimena ja kiertovesisuodattimena. UV-säteily poistaa tehokkaasti mikrobeja suodatetuista vesistä.

Disseny, layout i planificació d'una empresa de producció d'equips foraborda elèctrics

Aquest projecte es basa en l'aplicació de models de simulació de processos a un exemple d'empresa de producció i la seva adaptació en dimensió i recursos al mercat en un entorn de poca capacitat d'inversió i finançament, de forma que l'entorn de simulació digital aporti valor a la presa de decisions emmarcada en l'estratègia de l'empresa en cada escenari de mercat en que aquesta es trobi. Es realitza el treball sobre el cas d'una empresa, INNOVANAUTIC, dedicada a la innovació, desenvolupament i producció de sistemes de propulsió d'embarcacions. La simulació es una tècnica que permet optimitzar els processos, representant-ne i comprovant el funcionament dels processos, tant entorns físics, de producció com dels serveis associats o subcontractacions de diferents processos i els seus impactes en la disponibilitat de recursos, espais i terminis d'entrega, sense haver de recórrer a procediments de prova i error sobre sistemes reals que impliquen costos a tots nivells en l'empresa. Aquestes metodologies son habitualment emprades en d'altres països o també en el nostre país però en empreses de gran tamany. El present treball, emmarcat dins un entorn socioeconòmic convuls, amb grans limitacions financeres i de recursos per les empreses, demostra com la utilització d'eines de simulació és útil per a PIMES en aquest entorn i permet el dimensionament i la modelització dels processos de forma que es permeti trobar els punts òptims en els que l'empresa ha de donar un pas de creixement en alguns dels paràmetres. La metodologia amb que s'elabora el present treball es la de plantejar una simulació complerta del procés, i definir diversos escenaris de mercat per als productes fabricats, cercant els punt òptims de canvi de dimensió de l'empresa atenent a espai físic, sotscontractació de processos, personal i recursos.