Process intensification: From optimised flow patterns to microprocess technology

This thesis is focused on process intensification. Several significant problems and applications of this theme are covered. Process intensification is nowadays one of the most popular trends in chemical engineering and attempts have been made to develop a general, systematic methodology for intensification. This seems, however, to be very difficult, because intensified processes are often based on creativity and novel ideas. Monolith reactors and microreactors are successful examples of process intensification. They are usually multichannel devices in which a proper feed technique is important for creating even fluid distribution into the channels. Two different feed techniques were tested for monoliths. In the first technique a shower method was implemented by means of perforated plates. The second technique was a dispersion method using static mixers. Both techniques offered stable operation and uniform fluid distribution. The dispersion method enabled a wider operational range in terms of liquid superficial velocity. Using dispersion method, a volumetric gas-liquid mass transfer coefficient of 2 s-1 was reached. Flow patterns play a significant role in terms of the mixing performance of micromixers. Although the geometry of a T-mixer is simple, channel configurations and dimensions had a clear effect on mixing efficiency. The flow in the microchannel was laminar, but the formation of vortices promoted mixing in micro T-mixers. The generation of vortices was dependent on the channel dimensions, configurations and flow rate. Microreactors offer a high ratio of surface area to volume. Surface forces and interactions between fluids and surfaces are, therefore, often dominant factors. In certain cases, the interactions can be effectively utilised. Different wetting properties of solid materials (PTFE and stainless steel) were applied in the separation of immiscible liquid phases. A micro-scale plate coalescer with hydrophilic and hydrophobic surfaces was used for the continuous separation of organic and aqueous phases. Complete phase separation occurred in less than 20 seconds, whereas the separation time by settling exceeded 30 min. Fluid flows can be also intensified in suitable conditions. By adding certain additives into turbulent fluid flow, it was possible to reduce friction (drag) by 40 %. Drag reduction decreases frictional pressure drop in pipelines which leads to remarkable energy savings and decreases the size or number of pumping facilities required, e.g., in oil transport pipes. Process intensification enables operation often under more optimal conditions. The consequent cost savings from reduced use of raw materials and reduced waste lead to greater economic benefits in processing.

Tuotekustannusmallin kehittäminen talotekniikkaelementtitehtaassa

Työn tavoitteena on talotekniikkaelementtitehtaan tuotekustannusmallin kehittäminen. Yritys tarvitsee tuotekohtaista kustannustietoa erityisesti varaston arvon määrittämiseen ja kustannusperusteiseen hinnoitteluun. Tuotekustannusmallin kehittäminen edellyttää nykyisen tuotekustannusmallin sisältämien virheiden ja puutteiden korjaamista. Työssä käydään läpi kaikki tuotekustannusmalliin tehdyt muutokset tuotantovaihekohtaisesti. Uusi tuotekustannusmalli perustuu lähinnä lisäys- ja standardikustannuslaskentaan. Malli laskee tuote- ja tilauskohtaisen minimiomakustannusarvon. Uusi tuotekustannusmalli kohdistaa tuotteille aiheuttamisperiaatteen mukaisesti monia sellaisia kustannuksia, jotka aikaisemmin on jätetty kokonaan kohdistamatta. Eristettyjen ilmanvaihtokanavien sekä vesi- ja lämpöjohtojen kustannusten havaittiin olevan aiemmin luultua matalammat. Elementtien runkojen kustannukset puolestaan nousivat uudessa mallissa. Työn aikana laadittiin myös taulukkolaskentasovellus, jonka avulla voidaan laskea tilaukseen sisältyvien elementtien hankintameno ja kustannusperusteinen hinta.

Jäähdytysnestekierron optimointi tuuliturbiinin konvertterikaapistoon

Diplomityössä perehdytään tuuliturbiinin konvertterikaapiston nestekierron tarkasteluun ja mittausten suunnitteluun sitä varten. Tarkastelun tulokset ovat yhdistettävissä konvertterikaapiston ilmapuolen jäähdytykseen, jolloin koko jäähdytysjärjestelmä on katettu. Työn alkupuolella perehdytään lyhyesti nykyhetken tuulivoimaan. Tämän jälkeen tarkastellaan itse konvertterikaapistoa, sen toimintaa sekä nestejäähdytyksen toteutusta komponentteineen. Työn keskimmäisessä osassa konvertterille tehtiin virtaustekninen malli aiempaa mittausdataa hyväksi käyttäen. Tällä mallilla suoritettiin herkkyystarkasteluja ja simuloitiin konvertterikaapiston nestekierron käyttäytymistä yhden tai useamman haaran tukkeutuessa osittain tai kokonaan. Lisäksi suunniteltiin uusi nestekierto. Lopuksi selvitetään mittauksissa tarvittava laitteisto, perehdytään kunkin laitteen toimintaperiaatteeseen sekä selvennetään suositeltavat asennuspaikat ja suojaetäisyydet.

Modern recovery boiler design criteria

Engineering and pricing of large recovery boiler were studied in this work. Engineering was carried out with Anita 4.2 which is an engineering program of Andritz. Key initial values were chosen with previous studies. Primary target of this work was to find out the consequences that furnace dimensions and furnace screen vertical part has to boiler pricing. Boilers that were engineered had different rate of furnace width and depth and different heat transfer plate count. Boiler balances were invariable. Boilers with different vertical screen construction were also calculated. First variation was boiler with vertical screen up to furnace roof. Other variation was to connect vertical screen to Pre-boiler generating bank inlet tubes. Total prices were calculated to engineered boilers. Pricing was sort out to heat transfers, high pressure pipes, steel structures, auxiliary equipments and civil/structural costs. This study did not notice parts of the boiler which costs do not vary with the construction of the boiler. Heat transfers had the largest share of costs. Boiler building had the most significant differences between the boilers. Furnace screen had also significant role especially to costs of the boiler building.

Kaukojäähdytysverkon rakennevaihtoehdot

Kaukojäähdytyksellä tarkoitetaan keskitetysti tuotetun jäähdytysenergian jakamista kiinteistöihin jakeluverkossa kiertävän kylmän veden välityksellä, eli kaukojäähdytys on ulkoistettu jäähdytysratkaisu. Jäähdytysenergiaa tarvitaan työtehon, viihtyisyyden ja sisäilman laadun parantamiseksi, sekä joidenkin prosessien tarpeisiin. Siinä missä perinteinen kiinteistökohtainen jäähdytysjärjestelmä tuottaa jäähdytysenergian sähköllä, käytetään kaukojäähdytyksessä jäähdytysenergian tuottamiseen sellaisia resursseja, jotka muuten jäisivät käyttämättä. Tästä syystä kaukojäähdytys vähentää merkittävästi hiilidioksidipäästöjä, jonka lisäksi kaukojäähdytys vähentää kylmäkoneissa käytettävien kylmäaineiden aiheuttamia kasvihuonekaasupäästöjä. Kaukolämpöverkkoa muistuttavan kaukojäähdytysverkon rakentaminen vaatii suuria investointeja. Nykyisin jakeluverkon rakenteena käytetään 2Mpuk- rakennetta, jonka todettiin olevan teknistaloudellisesti soveltuvin vaihtoehto Helsingin Energian kaukojäähdytysverkkoon. Myös PE 100 putkia voitaisiin käyttää PN 16 paineluokassa alle DN 300 kokoluokkaa vastaavissa johdoissa, ja PN 10 paineluokassa alle DN 400 johdoissa. Kaukolämpöverkon paineluokan valinta vaikuttaa oleellisesti investointikustannuksiin PE- putkilla ja joillekin alueille kannattanee rakentaa alemman paineluokan omaava erillisverkko PE- putkista. Happidiffuusion kautta PE- putkista pääsee jonkin verran happea verkkoon, mutta määrät ovat melko pieniä, eikä muitakaan teknisiä esteitä hyvin korroosiota kestävien PE- putkien käytölle ole. 2Mpuk- rakenteelle suurimman riskin aiheuttaa elementtien liitoskohdista teräsputken pinnalle pääsevä ulkopuolinen vesi. Koska kaukojäähdytysjohdot ovat lisäksi yleensä ympäristöä kylmempiä, kondensoivat ne vettä pinnallensa kaukolämpöjohdoista poiketen. Ulkopuolisen veden aiheuttamaa riskiä voitaisiin pienentää eristämällä liitoskohdat sähkömuhveilla. Verkoston rakentamiskustannuksia ja liikenteelle aiheutuvia haittoja voidaan vähentää ojattomia rakentamismenetelmiä, kuten suuntaporausta käyttämällä.

Determinação da composição isotópica de estrôncio em águas naturais: exemplos de sua aplicação em águas subsuperficiais da zona costeira na região Bragantina-PA

Analytical procedures used for determining the concentrations and isotope composition of strontium in subsurface waters, by mass spectrometry, are described. Sampling was performed in coastal plateaus, salt marsh and mangrove environments in the coastal region of Pará. Coastal plateau waters have delta87Sr between 1.51 and 6.26‰ and Sr concentration bellow 58 ppb. Salt marsh waters show delta87Sr between 0.55 and 0.90‰ and Sr concentration between 93 and 114 ppm, while mangrove waters have delta87Sr‰ around zero and Sr concentration above 15 ppm. Differences in the 87Sr/86Sr ratio in these subsurface waters are detected, as well as seasonal variations in the coastal pleteau waters.

Teores de nitrato (NO3-) e amônio (NH4+) nas águas do aqüífero Barreiras nos bairros do Reduto, Nazaré e Umarizal - Belém/PA

This paper evaluates the occurrence of nitrate and ammonium in the Barreiras aquifer in the metropolitan area of Belém, Pará State, Brazil. The results show that some wells display ammonium and nitrate concentrations above or close to the limits of water potability regulations. The main cause of the pollution of these waters is related the local disposal of domestic effluents and/or leakage from pipes of old sewage systems.

Proyecto de ejecución para las obras de concesión de dominio público para la reforma y adecuación de la central térmica y de la red de saneamiento en un hospital de 350 camas

El Hospital Punta de Europa en Algeciras (Cádiz), centro sanitario del Servicio Andaluz de Salud, desea optimizar la gestión de sus instalaciones de generación de energía térmica (vapor, agua caliente sanitaria y agua caliente de calefacción) y adecuarlas a la normativa vigente así como la sustitución de bajantes del edificio, para lo cual sacará a concurso público la licitación para la concesión de dominio público de dichas instalaciones. Para definir el alcance y condiciones de la citada concesión, el Hospital Punta de Europa (Algeciras) del Servicio Andaluz de Salud ha solicitado a Pedro Alonso Martín el estudio para la reforma y adecuación de las instalaciones productoras de energía térmica del citado Hospital. El objetivo principal de este trabajo es hacer un estudio, propuesta y valoración de las actuaciones necesarias para la reforma y mejora de la explotación de las instalaciones generadoras de energía térmica y de la red saneamiento interior del Hospital Punta de Europa de Algeciras (Cádiz). Las actuales instalaciones de generación térmica consumidoras de energía del hospital dentro del alcance de este Proyecto son: Generación de vapor (lavandería y esterilización). Producción de agua caliente sanitaria (ACS). Producción de agua caliente de calefacción. La mayoría de los equipos productores de energía datan del año 1975, por lo que en la mayoría de los casos se ha cumplido su plazo de amortización y periodo de vida útil. Se hace necesaria la instalación de gas natural, debido a que se tendrá que abastecer a todas las calderas de la central térmica. El diseño del sistema de producción de agua caliente sanitaria garantiza el máximo confort y economía del usuario, compatible con el máximo ahorro energético y la protección del medio ambiente, cubriendo las necesidades de agua caliente sanitaria mediante la combinación de un sistema de calderas a gas con los colectores solares.

Estudi per a la construcció de l'EDAR mitjançant filtres verds de la Nou de Gaià (Tarragonès)

El tractament de les aigües en nuclis menors de 2000 habitants es troba pendent de completar per part de l’Agència Catalana de l’Aigua més concretament al corresponent Pla de Sanejament d’Aigües Residuals Urbanes (PSARU). El nucli de La Nou de Gaià (al Tarragonès) es troba pendent de la construcció de la corresponent instal·lació de sanejament, projectada al 2007. Alternativament a les depuradores tradicionals basades en l’ús de formigó (o materials alternatius) i en la despesa elèctrica per assegurar una aeració i una evacuació dels fangs generats, existeixen tecnologies “toves”. Aquestes tecnologies, també conegudes com a “verdes”, es basen en imitar els sistemes naturals maximitzant el seu potencial d’autodepuració. A grans trets existeixen dos formes de depurar les aigües de forma ecològica”: llacunatges (existeix una capa d’aigua lliure) i filtres verds. El present estudi es basa en l’aplicació de filtres verds de morfologia vertical i flux subsuperficial, plantat amb canyes dels generes Scirpus o Phragmites. El resultat han estat 4 bases de 35*35 per a tractar un cabal de 150 m3/d i una població equivalent de 1272.

Avaliação do desempenho de surfactantes para a solubilização de fases líquidas não aquosas em meio aquoso

The presence of non-aqueous phase liquids (NAPLs) in the subsurface is a threat to public health as well as a serious environmental issue. NAPLs may remain adsorbed or form lenses floating on aquifers causing long-term contaminations. Surfactants may increase NAPLs solubility, enhancing the pump-and-treatment performance. Size, shape, hydration and ionization degree of the micelles define the affinity and the space available for the solubilization of a particular contaminating agent. The tests carried out at laboratory scale, taking into account the NAPL to be removed and the medium characteristics were useful to select surfactants and evaluate their efficiency as NAPLs solubilizers.

Distribution of chemical compartments of soil organic matter and c stocks of a cambisol from south Brazil as affected by Pinus afforestation

Distribution and stocks of soil organic matter (SOM) compartments after Pinus monoculture introduction in a native pasture area of a Cambisol, Santa Catarina, Brazil, were investigated. Pinus introduction increased soil acidity, content of exchangeable Al+3 and diminished soil nutrients. Nevertheless, soil C stock increased in all humic fractions of the 0-5 cm layer after Pinus afforestation. In the subsurface, the vegetation change only promoted SOM redistribution from the NaOH-extractable humic substances to a less hydrophobic humin fraction. Under Pinus, soil organo-mineral interactions were relevant up to a 15 cm depth, while in pasture environment, this mechanism occurred mainly in the surface layer.

Fatores químicos e físicos que afetam a contaminação por chumbo e cobre em água potável: uma abordagem para o estudo de caso em química analítica

Lead and copper concentrations in drinking water increase considerably on going from municipality reservoirs to the households sampled in Ribeirão Preto (SP-Brazil). Flushing of only 3 liters of water reduced metal concentrations by more than 50%. Relatively small changes in water pH rapidly affected corrosion processes in lead pipes, while water hardness appeared to have a long-term effect. This approach aims to encourage University teachers to use its content as a case study in disciplines of Instrumental Analytical Chemistry and consequently increase knowledge about drinking water contamination in locations where no public monitoring of trace metals is in place.

Mining in Developing Countries: A Case Study of Sustainability Challenges

Mining has severe impacts on its surrounding. Particularly in the developing countries it has degraded the environment and signigicantly altered the socio-economical dynamics of the hosts. Especially relocation disrupts people from their homes, livelihoods, cultures and social activities. Mining industry has failed to develop the local host and streghten its governance structures; instead it has further degraded the development of mineral rich third world countries, which are among the world poorest ones. Cash flows derived from mining companies have not benefitted the crass-root level that however, bears most of the detrimental impacts. Especially if the governance structure of the host is weak, the sudden wealth is likely to accelerate disparities, corruption and even fuel wars. Environmental degradation, miscommunication, mistrust and disputes over land use have created conflicts between the communities and a mining company in Obuasi, Ghana; a case study of this thesis. The disputes are deeply rooted and further fuelled by unrealistic expectations and broken promises. The relations with artisanal and illegal miners have been especially troublesome. Illegal activities, mainly encroachment of the land and assets of the mine, such as vandalising tailings pipes have resulted in profits losses, environmental degradation and security hazards. All challenges mentioned above have to be addressed locally with site-specific solutions. It is vital to increase two-way communication, initiate collaboration and build capacity of the stakeholders such as local communities, NGOs and governance authorities. The locals must be engaged to create livelihood opportunities that are designed with and for them. Capacity can also be strengthened through education and skills training, such as women’s literacy programs. In order to diminish the overdependence of locals to the mine, the activities have to be self -sufficient and able to survive without external financial and managerial inputs. Additionally adequate and fair compensation practises and dispute resolution methods that are understood and accepted by all parties have to be agreed on as early as possible.

Pohjakuonan käsittelyn ja hyötykäytön toimintamallin muodostaminen Kotkan Energia Oy:n jätteenpolttolaitokselle

Tavoitteena tässä diplomityössä oli selvittää Kotkan Energia Oy:n jätteenpolttolaitoksen toiminnassa syntyvän pohjakuonan hyötykäyttömahdollisuuksia ja kustannuksiltaan järkevin tapa käsitellä pohjakuona. Tarkasteltavia vaihtoehtoja hyötykäytön osalta olivat erilaiset maarakennustyöt sekä kaatopaikkojen peittäminen. Hyötykäyttövaihtoehdoille vaihtoehtoisena ratkaisuna tutkittiin kaatopaikkasijoituksen kannattavuutta. Pohjakuonan käyttöä maarakentamisessa, jätetäyttöjen peitemaina sekä pohjakuonan loppusijoitusta kaatopaikoille säätelee lainsäädäntö. Valtioneuvoston asetuksessa kaatopaikoista on määritelty loppusijoitettaville jakeille liukoisuus raja-arvot, joiden mukaisesti jätteet sijoitetaan joko pysyvän jätteen, tavanomaisen jätteen tai ongelmajätteen kaatopaikoille. Jätetäyttöjen peitemateriaalina käytettävän jakeen on myös täytettävä kyseisen kaatopaikkaluokan liukoisuusraja-arvot. Maarakennusasetus antaa puolestaan liukoisuus- ja pitoisuusraja-arvot maarakennuksessa hyödynnettäville jakeille. Pohjakuonan hyötykäyttö vaatii kuitenkin aina ympäristöluvan. Hyötyvoimalan pohjakuonasta tehtyjen analyysien perusteella voidaan todeta, että käsiteltyä pohjakuonaa olisi mahdollista käyttää esimerkiksi kenttien ja kaatopaikkojen pohjarakenteissa sekä kaatopaikoilla jätetäyttöjen peitemaina. Pohjakuonan hyödyntäminen kaukolämpötöiden maarakennuksessa vaatii vielä lisätutkimuksia putkien korroosioriskin osalta. Diplomityön tuloksena kehitettiin toimintamalli, jonka avulla Kotkan Energia Oy:n on mahdollista säästää kuonan käsittelyn ja hyötykäytön kustannuksissa. Kustannuksiltaan parhaaksi vaihtoehdoksi osoittautui kuonan käsittely omalla biopolttoaineiden välivarastolla sekä käsitellyn pohjakuonan hyödyntäminen välivaraston pohjarakenteissa. 

Advanced orbital pipe welding

Since the introduction of automatic orbital welding in pipeline application in 1961, significant improvements have been obtained in orbital pipe welding systems. Requirement of more productive welding systems for pipeline application forces manufacturers to innovate new advanced systems and welding processes for orbital welding method. Various methods have been used to make welding process adaptive, such as visual sensing, passive visual sensing, real-time intelligent control, scan welding technique, multi laser vision sensor, thermal scanning, adaptive image processing, neural network model, machine vision, and optical sensing. Numerous studies are reviewed and discussed in this Master’s thesis and based on a wide range of experiments which already have been accomplished by different researches the vision sensor are reported to be the best choice for adaptive orbital pipe welding system. Also, in this study the most welding processes as well as the most pipe variations welded by orbital welding systems mainly for oil and gas pipeline applications are explained. The welding results show that Gas Metal Arc Welding (GMAW) and its variants like Surface Tension Transfer (STT) and modified short circuit are the most preferred processes in the welding of root pass and can be replaced to the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) in many applications. Furthermore, dual-tandem gas metal arc welding technique is currently considered the most efficient method in the welding of fill pass. Orbital GTAW process mostly is applied for applications ranging from single run welding of thin walled stainless tubes to multi run welding of thick walled pipes. Flux cored arc welding process is faster process with higher deposition rate and recently this process is getting more popular in pipe welding applications. Also, combination of gas metal arc welding and Nd:YAG laser has shown acceptable results in girth welding of land pipelines for oil and gas industry. This Master’s thesis can be implemented as a guideline in welding of pipes and tubes to achieve higher quality and efficiency. Also, this research can be used as a base material for future investigations to supplement present finding.