Towards the sustainable production of methyl methacrylate: A comparative analysis of industrial chemical production processes using life cycle assessment methodology

Increasing environmental awareness has been a significant driving force for innovations and process improvements in different sectors and the field of chemistry is not an outlier. Innovating around industrial chemical processes in line with current environmental responsibilities is however no mean feat. One of such hard to overhaul process is the production of methyl methacrylate (MMA) commonly produced via the acetone cyanohydrin (ACH) process developed back in the 1930s. Different alternatives to the ACH process have emerged over the years and the Alpha Lucite process has been particularly promising with a combined plant capacity of 370,000 metric tonnes in Singapore and Saudi Arabia. This study applied Life Cycle Assessment methodology to conduct a comparative analysis between the ACH and Lucite processes with the aim of ascertaining the effect of applying principles of green chemistry as a process improvement tool on overall environmental impacts. A further comparison was made between the Lucite process and a lab-scale process that is further improvement on the former, also based on green chemistry principles. Results showed that the Lucite process has higher impacts on resource scarcity and ecosystem health whereas the ACH process has higher impacts on human health. On the other hand, compared to the Lucite process the lab-scale process has higher impacts in both the ecosystem and human health categories with lower impacts only in the resource scarcity category. It was observed that the benefits of process improvements with green chemistry principles might not be apparent in some categories due to some limitations of the methodology. Process contribution analysis was also performed and it revealed that the contribution of energy is significant, therefore a sensitivity analysis with different energy scenarios was performed. An uncertainty analysis using Monte Carlo analysis was also performed to validate the consistency of the results in each of the comparisons.

Life cycle assessment (lca) of six separation methods of polyethylene and aluminum in tetra pak

In food and beverage industry, packaging plays a crucial role in protecting food and beverages and maintaining their organoleptic properties. Their disposal, unfortunately, is still difficult, mainly because there is a lack of economically viable systems for separating composite and multilayer materials. It is therefore necessary not only to increase research in this area, but also to set up pilot plants and implement these technologies on an industrial scale. LCA (Life Cycle Assessment) can fulfil these purposes. It allows an assessment of the potential environmental impacts associated with a product, service or process. The objective of this thesis work is to analyze the environmental performance of six separation methods, designed for separating the polymeric from the aluminum fraction in multilayered packaging. The first four methods utilize the chemical dissolution technique using Biodiesel, Cyclohexane, 2-Methyltetrahydrofuran (2-MeTHF) and Cyclopentyl-methyl-ether (CPME) as solvents. The last two applied the mechanical delamination technique with surfactant-activated water, using Ammonium laurate and Triethanolamine laurate as surfactants, respectively. For all six methods, the LCA methodology was applied and the corresponding models were built with the GaBi software version 10.6.2.9, specifically for LCA analyses. Unfortunately, due to a lack of data, it was not possible to obtain the results of the dissolution methods with the solvents 2-MeTHF and CPME; for the other methods, however, the individual environmental performances were calculated. Results revealed that the methods with the best environmental performance are method 2, for dissolution methods, and method 5, for delamination methods. This result is confirmed both by the analysis of normalized and weighted results and by the analysis of 'original' results. An hotspots analysis was also conducted.

Life cycle assessment (LCA) of a bio-fuel cell fed with waste biomass: potential for scale-up and process optimization

In this Thesis, a life cycle analysis (LCA) of a biofuel cell designed by a team from the University of Bologna was done. The purpose of this study is to investigate the possible environmental impacts of the production and use of the cell and a possible optimization for an industrial scale-up. To do so, a first part of the paper was devoted to studying the present literature on biomass, and fuel cell treatments and then LCA studies on them. The experimental part presents the work done to create the Life Cycle Inventory and Life Cycle Impact Assessment. Several alternative scenarios were created to study process optimization. Reagents and energy supply were changed. To examine whether this technology can be competitive, a comparison was made with some biofuel cell use scenarios with traditional biomass treatment technologies. The result of this study is that this technology is promising from an environmental point of view in case it is possible to recover nutrients in output, without excessive energy consumption, and to minimize the use of energy used to prepare the solution.

Materiais elásticos como elementos de protecção em vias balastradas

Nas últimas décadas o transporte ferroviário sofreu inúmeras alterações, devido as crescentes exigências impostas ao sector e a necessidade de o tornar num sistema de transporte mais competitivo, podendo assim rivalizar com os seus principais concorrentes, os transportes aéreos e rodoviários. Essas alterações, passam por, inovações a via balastrada nomeadamente, com a introdução de novos materiais, como sejam, por exemplo, os materiais elásticos, como complemento aos componentes da via tradicional, associados a métodos construtivos inovadores ou melhorados. Assim sendo, no presente estudo pretende-se dar uma visão do estado de desenvolvimento deste tipo de soluções relacionando-as com novas formas de olhar o projeto ferroviário, sendo certo que hoje em dia e fundamental não só dar enfase as fases de dimensionamento e execução, mas também as fases de manutenção e renovação, através de processos mais criteriosos e transparentes, nos quais a analise RAMS (Reliability, Availability, Maintainability and Safety) e LCC (Life-Cycle Cost) se assumem como cruciais para enfrentar os desafios futuros.

A Feasibility Study on Embedded Micro-Electromechanical Sensors and Systems (MEMS) for Monitoring Highway Structures, TR-575, 2011

Micro-electromechanical systems (MEMS) provide vast improvements over existing sensing methods in the context of structural health monitoring (SHM) of highway infrastructure systems, including improved system reliability, improved longevity and enhanced system performance, improved safety against natural hazards and vibrations, and a reduction in life cycle cost in both operating and maintaining the infrastructure. Advancements in MEMS technology and wireless sensor networks provide opportunities for long-term continuous, real-time structural health monitoring of pavements and bridges at low cost within the context of sustainable infrastructure systems. The primary objective of this research was to investigate the use of MEMS in highway structures for health monitoring purposes. This study focused on investigating the use of MEMS and their potential applications in concrete through a comprehensive literature review, a vendor survey, and a laboratory study, as well as a small-scale field study. Based on the comprehensive literature review and vendor survey, the latest information available on off-the-shelf MEMS devices, as well as research prototypes, for bridge, pavement, and traffic applications were synthesized. A commercially-available wireless concrete monitoring system based on radio-frequency identification (RFID) technology and off-the-shelf temperature and humidity sensors were tested under controlled laboratory and field conditions. The test results validated the ability of the RFID wireless concrete monitoring system in accurately measuring the temperature both inside the laboratory and in the field under severe weather conditions. In consultation with the project technical advisory committee (TAC), the most relevant MEMS-based transportation infrastructure research applications to explore in the future were also highlighted and summarized.

Evaluation of Corrosion Resistance of Different Steel Reinforcement Types, 2006

The corrosion of steel reinforcement in an aging highway infrastructure is a major problem currently facing the transportation engineering community. In the United States alone, maintenance and replacement costs for deficient bridges are measured in billions of dollars. The application of corrosion-resistant steel reinforcement as an alternative reinforcement to existing mild steel reinforced concrete bridge decks has potential to mitigate corrosion problems, due to the fundamental properties associated with the materials. To investigate corrosion prevention through the use of corrosion-resistant alloys, the performance of corrosion resistance of MMFX microcomposite steel reinforcement, a high-strength, high-chromium steel reinforcement, was evaluated. The study consisted of both field and laboratory components conducted at the Iowa State University Bridge Engineering Center to determine whether MMFX reinforcement provides superior corrosion resistance to epoxy-coated mild steel reinforcement in bridge decks. Because definitive field evidence of the corrosion resistance of MMFX reinforcement may require several years of monitoring, strict attention was given to investigating reinforcement under accelerated conditions in the laboratory, based on typical ASTM and Rapid Macrocell accelerated corrosion tests. After 40 weeks of laboratory testing, the ASTM ACT corrosion potentials indicate that corrosion had not initiated for either MMFX or the as-delivered epoxy-coated reinforcement. Conversely, uncoated mild steel specimens underwent corrosion within the fifth week, while epoxy-coated reinforcement specimens with induced holidays underwent corrosion between 15 and 30 weeks. Within the fifth week of testing, the Rapid Macrocell ACT produced corrosion risk potentials that indicate active corrosion for all reinforcement types tested. While the limited results from the 40 weeks of laboratory testing may not constitute a prediction of life expectancy and life-cycle cost, a procedure is presented herein to determine life expectancy and associated life-cycle costs.

Elinkaarilaskenta prosessiteollisuudessa

Elinkaarilaskenta on vielä melko vähän tutkittu aihealue. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää haastatteluiden avulla prosessiteollisuuden toimijoiden näkemyksiä elinkaarilaskennasta sekä selvittää, käytetäänkö elinkaarilaskentaa muiden laskentamenetelmien rinnalla. Tarkoituksena on myös tutkia elinkaarilaskennan tulevaisuuden näkymiä ja elinkaarilaskentaan liittyvän tietämyksen hallinnan eri tyispiirteitä. Elinkaaren aikaisten kustannusten tarkastelu lisää yritysten tietoutta tuotteen, prosessin tai palvelun aiheuttamista kokonaiskustannuksista. Tietämyksen laajentuminen mahdollistaa muun muassa tehokkaamman ja tarkemman päätöksen teon. Elinkaarilaskennalle tyypilliset pitkät tarkasteluajanjaksot aiheuttavat tietämyksen hallinnalle suuria haasteita. Laskelmissa tarvittavan tiedon keruu onkin aikaa ja resursseja kuluttavaa. Tällä hetkellä elinkaarilaskenta ei ole laajalti käytössä. Yritykset ovat kuitenkin kiinnostuneita sen tuomista mahdollisuuksista ja uskovat, että sille on tarvetta tulevaisuudessa. Tutkimuksen pohjalta voidaankin todeta, että tietoisuus elinkaari laskennasta on kasvamassa ja sen käyttö yleistymässä.

Kiinteistön investointi- ja elinkaarikustannusten hallinnan työkalut

Tämän työntavoitteena oli tutkia kiinteistöjen investointi- ja elinkaarikustannusten hallinnan tilannetta. Tavoitteeseen pääsemiseksi pyrin selvittämään, missä määrin rakennusala käyttää erilaisia ohjelmistoja, mitä nämä ohjelmistot ovat ja minkälaiset ovat mahdollisuudet kehittää tähän tarkoitukseen sopiva ohjelmistotyökalu. Teoriaosa koostuu kiinteistöliiketoimintaan liittyvistä peruskäsitteistäsekä laskentamenetelmistä. Empiirisessä osassa esitellään tutkimusmenetelmät jaanalysoidaan tulokset. Tutkimus toteutettiin käyttämällä kirjallista kyselyä sekä asiantuntijahaastatteluita. Kirjallinen kysely toimi runkona haastatteluille. Kyselyllä kartoitettiin olemassa olevien ohjelmistotyökalujen lukumäärä. Haastattelujen avulla pyrittiin saamaan selville, mitkä ohjelmistojen osiot ja ominaisuudet olisivat käyttäjän kannalta olennaisia. Tutkimuksen tärkeimpänä tuloksena voidaan pitää sitä, että olemassa olevien työkalujen lisäksi ei näyttänyt olevan juurikaan tarvetta kehittää uusia työkaluja kiinteistökustannusten hallintaan. Ohjelmistotyökaluja löydettiin kolmetoista, joista kaksitoista soveltui elinkaarikustannusten laskentaan. Sellaisia ohjelmatyökaluja, jotka olisivat vastanneet asiantuntijahaastateltavien tarpeita, ei löytynyt. Tutkimustulokset osoittavat kuitenkin selvästi, että kehitysmahdollisuudet ovat olemassa ja ongelmaon helposti ratkaistavissa yhdistelemällä eri ohjelmistojen ominaisuuksia.

Paperiteollisuuden prosessinostureiden elinjaksokustannuslaskenta

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, kuinka paljon paperi- ja kartonkikoneiden prosessinosturit aiheuttavat kustannuksia siirrettyä tonnia kohti. Asiaa tarkasteltiin asiakkaan näkökulmasta. Työn lisätavoitteena oli myös pohtia uutta elinjaksokustannuksiin perustuvaa nostopalvelumallia, jossa asiakas maksaa saamastaan hyödystä siirrettyjen tonnien mukaisesti. Elinjaksokustannuslaskentaa (LCC= Life Cycle Cost) hyödynnetään laskettaessa tuotteeseen kohdistuvia kokonaiskustannuksia. Työssä tutkittiin neljää eri prosessinosturia, joiden kustannukset jaettiin investointi-, käyttö-, kunnossapito- ja epäkäytettävyyskustannuksiin. Tämän kustannusten jaottelun perusteella työssä rakennettiin LCC-laskentamalli, jonka avulla nostureiden vuosittaiset kustannukset voitiin määrittää. Työssä tutkittujen neljän nosturin tapauksissa saatiin laaditulla laskentamallilla kokonaiskustannuksiksi 0,50 - 1,00 euroa ja kunnossapitokustannuksiksi 0,07 - 0,14 euroa siirrettyä tonnia kohti. Herkkyysanalyysien tuloksissa laskentakorolla oli kolmessa tapauksessa neljästä suurin vaikutus kokonaistulokseen. Kymmenen prosentinmuutos laskentakorossa vaikutti noin 6 % - 7,5 %:a lopputulokseen. Huoltotuntien määrällä taas oli tutkituista tekijöistä vähiten vaikutusta kokonaistulokseen. Nostopalvelusta luotiin kolmitasoinen. Ylimmällä tasolla asiakkaan ei enää tarvitse omistaa omaa nosturia, vaan asiakas maksaa ainoastaan siirretyistä tonneista. Tarkastelun johtopäätöksenä on, että solmimalla nostopalvelusopimuksen asiakas voi saada paremman ennustettavuuden kunnossapitokustannuksiinsa ja mahdollisuuden säästää omistuskustannuksissa.

Sellupesurin sisäiset vaiheet erottavien komponenttien kehittäminen

Kilpailukyvyn säilyttämiseen tarvitaan jatkuvaa tuotekehitystä ja kustannusten hallintaa. Tietyssä vaiheessa tuotteen elinkaaressa rakenteeseen on tehtävä suuria muutoksia, jotta tuotteesta aiheutuvat elinkaarikustannukset saadaan alhaisemmiksi, niin valmistus- kuin kunnossapitokustannustenkin osalta. Tämä diplomityö käsittelee sellupesurin sisäisiä vaiheita erottavaa tiiviste-elementtiä ja sen kehittämistä. Työssä on pyritty löytämään uusi, elinkaarikustannuksiltaan alhaisempi ratkaisu entisen rakenteen tilalle. Alkuvaiheessa uudelle ratkaisulle ei asetettu juuri minkäänlaisia rajoitteita. Tällä pyrittiin siihen, että myös kaikista innovatiivisimmatkin ideat tulisivat esille ja huomioiduksi. Uusien rakenneratkaisujen ideoinnissa, vertailussa ja valinnassa hyödynnettiin järjestelmällistä koneensuunnitteluprosessia. Työn tuloksena saatiin kehitettyä uusi, kevyempi ja elinkaarikustannuksiltaan edullisempi rakenne. Uuden rakenteen osien määrä saatiin vähennettyä noin kymmenesosaan verrattuna entiseen rakenteeseen ja elinkaarikustannukset saatiin alenemaan noin 32–35 % materiaalista riippuen. Elinkaarikustannuksista tuotteen valmistuskustannukset materiaaleineen pienenivät noin 23–25 % ja kunnossapitokustannukset noin 46–52 %.

Elinkaarikustannusanalyysi teknologiayrityksessä

Työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa elinkaarikustannusten laskentasovellus teknologiaympäristössä. Ensin luotiin elinkaarikustannuslaskennalle viitekehys ja työlle teoreettinen pohja kirjallisuuslähteiden perusteella. Varsinainen tutkimus aloitettiin strategisille asiakkaille suunnatulla tutkimuksella heidän käyttämistään sovelluksista elinkaarikustannusten laskentaan, laskennan menetelmistä sekä yhteistyön kannalta oleellisista kustannusparametreista. Lisäksi selvitettiin yrityksen omat tarpeet laskennalle.Seuraavaksi kartoitettiin markkinoilta löytyviä sovelluksia elinkaarikustannusten hallintaan, joista valittiin neljä tarkempaan vertailuun aiemmin selvitettyjen vaatimusten perusteella. Vaihtoehtona harkittiin myös oman laskentasovelluksen kehittämistä, mutta todettiin vertailussa löytyneen valmiin ohjelmiston täyttävän sovellukselle asetetut vaatimukset niin hyvin, ettei oman sovelluksen suunnittelun katsottu olevan tarpeellista.Lopuksi muokattiin valittu sovellus toimimaan tulevassa käyttöympäristössä ja luotiin käytön kannalta oleelliset tietokannat elinkaarikustannusten laskennassa tarvittaville lähtötiedoille. Samalla luotiin myös toimintarutiinit ja jaettiin vastuut sovelluksen tulevaa käyttöä ja tietokantojen päivitystä varten. Tutkimuksen tuloksena saatiin yrityksen käyttöön luotua sekä yrityksen että asiakkaiden vaatimukset täyttävä sovellus elinkaarikustannusten laskentaan.

Statistical Optimum Design of Heat Exchangers

The optimal design of a heat exchanger system is based on given model parameters together with given standard ranges for machine design variables. The goals set for minimizing the Life Cycle Cost (LCC) function which represents the price of the saved energy, for maximizing the momentary heat recovery output with given constraints satisfied and taking into account the uncertainty in the models were successfully done. Nondominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) for the design optimization of a system is presented and implemented inMatlab environment. Markov ChainMonte Carlo (MCMC) methods are also used to take into account the uncertainty in themodels. Results show that the price of saved energy can be optimized. A wet heat exchanger is found to be more efficient and beneficial than a dry heat exchanger even though its construction is expensive (160 EUR/m2) compared to the construction of a dry heat exchanger (50 EUR/m2). It has been found that the longer lifetime weights higher CAPEX and lower OPEX and vice versa, and the effect of the uncertainty in the models has been identified in a simplified case of minimizing the area of a dry heat exchanger.

Mobile system for pump working point estimation

In the current economy situation companies try to reduce their expenses. One of the solutions is to improve the energy efficiency of the processes. It is known that the energy consumption of pumping applications range from 20 up to 50% of the energy usage in the certain industrial plants operations. Some studies have shown that 30% to 50% of energy consumed by pump systems could be saved by changing the pump or the flow control method. The aim of this thesis is to create a mobile measurement system that can calculate a working point position of a pump drive. This information can be used to determine the efficiency of the pump drive operation and to develop a solution to bring pump’s efficiency to a maximum possible value. This can allow a great reduction in the pump drive’s life cycle cost. In the first part of the thesis, a brief introduction in the details of pump drive operation is given. Methods that can be used in the project are presented. Later, the review of available platforms for the project implementation is given. In the second part of the thesis, components of the project are presented. Detailed description for each created component is given. Finally, results of laboratory tests are presented. Acquired results are compared and analyzed. In addition, the operation of created system is analyzed and suggestions for the future development are given.

Taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuudet kompressorijärjestelmien elinkaarikustannusten optimoimisessa

Paineilmaa on kutsuttu neljänneksi perushyödykkeeksi veden, sähkön ja kaasun lisäksi. Paineilman kuluttaja on usein myös sen tuottaja. EU:n alueen teollisuudessa keskimää-rin 16 % kulutetusta kokonaissähkötehosta kuluu ilmakompressoreiden käyttöön. Taa-juusmuuttajan käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt merkittävästi, kun on pyrit-ty energiatehokkaisiin ratkaisuihin esimerkiksi pumppaus- ja puhallinjärjestelmissä. Kompressorijärjestelmissä taajuusmuuttajien käyttö ei ole vielä yhtä yleistä kuin esi-merkiksi pumppukäytöissä, vaikka taajuusmuuttajan käytöllä saavutetaan useimmissa tapauksissa huomattavia etuja. Tässä työssä tutkitaan taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuuksia kompressorijär-jestelmien käytönaikaisten elinkaarikustannusten optimoimisessa. Työssä selvitetään säästöpotentiaalia, ja pohditaan pyörimisnopeussäädöllä saavutettavia etuja eri komp-ressorityypeillä. Lopuksi muodostetaan elinkaarikustannusanalyysit kahdelle todelliselle teollisuuden kompressorikohteelle. Tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustyö sekä asi-antuntijahaastattelut teollisuudesta. Työn tavoitteena on kartoittaa taajuusmuuttajan hyödyntämispotentiaalia kompressorijärjestelmissä ja luoda pohjaa mahdolliselle jatko-tutkimukselle.

Elinjaksoajattelun soveltaminen kunnossapidon toiminnanohjaukseen

Kunnossapidon tavoitteena on ylläpitää riittävää käyttövarmuutta mahdollisimman kustannustehokkaasti. Kunnossapito-organisaation menestys riippuu kyvystä toteuttaa oikeita kunnossapitotöitä sekä kyvystä suoriutua töistä mahdollisimman pienillä resursseilla. Elinjaksoajattelulla tarkoitetaan käyttöomaisuuden omistamisen luoman arvon ja vaatimien resurssien mallintamista. Tällöin jo hankintojen suunnitteluvaiheessa pohditaan omistamisen luomia vaatimuksia tuotantohyödykkeen tuoman hyödyn ohella. Elinjaksoajattelu tuo toiminnanohjaukseen yksittäisten kohteiden optimaalisten käyttökustannusten suunnittelun näkökulman, mikä on yksi tärkeä tekijä kunnossapidon päätöksentekotilanteissa. Se ohjaa organisaatiota hahmottamaan kunnossapidon tämän hetken ja tulevaisuuden työkuormaa. Elinjaksosuunnittelun määrittelemän työkuorman ja olemassa olevien resurssien vertaaminen keskenään kertoo käyttöomaisuuteen kohdistuvan korjausvelan määrän. Korjausvelan määrän kehitys vaikuttaa kohteen toimintavarmuuteen. Korjausvelka kertoo elinjaksosuunnitelman realistisuudesta, ja käyttöomaisuuden hallinnan luotettavuudesta. Elinjaksoajattelu mahdollistaa kunnossapitotoiminnan suunnittelun kustannustavoitelähtöisesti. Tällöin budjetointi toteutetaan suunnittelemalla käyttövarmuustaso vastaamaan tahdottua kustannustasoa.