Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

Diplomityössä tutkittiin hydrauliikan reaaliaikasimulointia ja sen mahdollisuuksia tuotekehityksen apuvälineenä. Työssä käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia laitteita ja ohjelmia. Työssä luotiin Matlab/Simulink –ympäristöön tyypillisimmistä hydrauliikkakomponenttien puoliempiirisistä malleista koostuva komponenttikirjasto, joista kootut hydrauliikkapiirien mallit voitiin kääntää reaaliaikaympäristöön. Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan nopeuttaa ja helpottaa hydraulismekaanisten konejärjestelmien suunnittelua ja tuotekehitystä. Kehitetyt menetelmät perustuvat todellisen konejärjestelmän osaksi kytketyn reaaliaikaisen virtuaalihydrauliikan avulla laskettuun uuteen ohjaussignaaliin, jonka avulla voidaan todellisella hydrauliikalla kuvata virtuaalisen hydrauliikan vaikutukset todelliseen järjestelmään. Näin ollen muutokset voidaan siis tehdä virtuaaliseen hydrauliikkaan ja niiden vaikutukset nähdä todellisen järjestelmän käyttäytymisessä.

Bensiinin valmistus Naantalin jalostamolla

Työn tarkoituksena oli kartoittaa ja dokumentoida nykyinen bensiininvalmistusprosessi Fortumin Naantalin erikoistuotejalostamolla. Tavoitteena oli löytää nykyisestä prosessista pullonkauloja logistiikkasimulaattorilla sekä hakea ratkaisuja, joilla niitä voitaisiin poistaa. Bensiiniä voidaan valmistaa joko panosprosessina tai linjasekoituksella. Panosprosessissa bensiinikomponentit siirtolinjataan yksitellen valmistussäiliöön, jossa ne sen jälkeen sekoitetaan valmiiksi tuotteeksi. Tällä tavoin valmistetaan bensiiniä Fortumin Naantalin jalostamolla. Linjasekoitusmenetelmässä bensiinikomponentit syötetään kaikki yhtäaikaa linjaan, jossa ne sekoittuvat. Sekoituksen apuna voidaan käyttää linjassa staattisia sekoittimia. Linjasekoitusmenetelmällä saadaan suoraan säiliöön valmista tuotetta. Tällaista menetelmää käytetään Fortumin Porvoon jalostamolla. Bensiinin valmistuksen kaksi tärkeintä muuttujaa ovat höyrynpaine ja oktaaniluku. Esimerkeissä on esitetty panosprosessi- ja linjasekoitusmalleja eri jalostamoilla eripuolilla maailmaa. Naantalin jalostamon bensiininvalmistuksen logistiikkaa kuvaava malli valmistettiin kokeellisessa osassa Tecnomatix Technologiesin kehittämällä eMPlant-simulointiohjelmistolla. Bensiininvalmistuksen logistisiin ongelmakohtiin keskityttiin simulointimallia laadittaessa. Naantalin jalostamoa kuvaavan simulointimallin lisäksi rakennettiin kaksi vaihtoehtoista mallia parantamaan jalostamon bensiinivalmistuksen logistiikkaa. Ensimmäisessä vaihtoehdossa suurennettiin kahta bensiininvalmistuslinjaa, ja toisessa otettiin käyttöön uusi säiliö BE98 valmistusta varten. Vaihtoehtoisten mallien rakentamisen tavoitteena oli saada tietoa mahdollisia investointipäätöksiä varten. Tulosten perusteella uuden valmistussäiliön käyttöönottoa voidaan pitää teknisesti kannattavana. Taloudellisesti hanke on kannattava, jos uuden säiliön rakentamisen sijaan on mahdollisuus vapauttaa jokin olemassa oleva säiliö tähän käyttöön. Yksi simulointimallin kehityskohde on sen käyttöliittymän muuntaminen käyttäjäystävällisempään muotoon. Tällöin tuotannonsuunnittelija voisi käyttää mallia tuotannonsuunnittelun apuna. Mallin tarkentaminen vastaamaan paremmin nykyistä valmistusprosessia on myös yksi kehityskohde.

Pumpunvalitsimet integroidussa simulointiympäristössä

Työssä on tutkittu pumpun valintaa integroidussa simulointiympäristössä. Tutkimuksen avulla on tarkoitus kehittää tieto- ja malligallerian (Galleria) infrastuktuuria ja käytössä olevia työvälineitä siihen suuntaan, että ulkoisten valitsinkomponenttien implementoiminen Gallerian tietokantaan olisi lähitulevaisuudessa helppoa ja nopeaa. Prosessi-integraation tieto- ja malligalleria on infrastruktuurimäärittely ja työvälineistö prosessikomponenttien ja osaprosessien simulointiin tarvittavien malli- ja parametritietojen kirjastoimiseksi internetpohjaiseen tietokantaan, josta ne ovat simulointiohjelmien käyttäjien ja muiden prosessisuunnittelijoiden helposti saatavilla. Tutkimuksen kirjallisessa osassa on keskitytty tutkimaan pumpun valinnan etenemistä ja valintaan vaikuttavia tekijöitä prosessisuunnittelijan näkökulmasta. Tutkimuksen soveltavassa osassa luotiin pumpunvalitsin ja sitä testattiiin Galleria- ympäristöä vastaavassa kehitysympäristössä. Pumpunvalitsimen kehittämisessä on käytetty apuna laitevalmistajalta saatua prosessikomponenttitietoa. Pumpunvalitsimen toteutus perustuu pumpun hydrauliseen valintaan ja esimerkkitapauksena käytettiin keskipakopumppua

Kaupallisen reaaliaikasimulointiohjelmiston mahdollisuudet mekatronisen konejärjestelmän tuotekehityksessä

Työn tavoitteena oli hankkia ja rakentaa kaupallisilla ohjelmistoilla ja laitteistoilla toteutettu reaaliaikasimulaattori. Työssä keskityttiin erityisesti valmiin Patu 655 puutavarakuormaimen simulointimallin visualisointiin reaaliaikasimulaattoriin hankitulla 3D-animointiohjelmalla. Lisäksi työssä selvitettiin reaaliaikasimuloinnin mahdollisuuksia konejärjestelmän tuotekehityksessä. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia kaupallisia laitteita ja ohjelmia. Puutavarakuormaimen simulointimalli käännettiin simulaattorissa suoritettavaksi, jonka jälkeen mallin liikkeet visualisoitiin käyttämällä RealMotion 3D-animointiohjelmaa. Animoitu grafiikka tuotiin sekä AutoCAD- että ADAMS -ohjelmasta. Työn tuloksena saatiin hankittua reaaliaikasimulaattori, jonka havaittiin olevan toimiva kokonaisuus. Puutavarakuormaimen ja muiden simulointimallien automatisoitu kääntö simulaattoriin onnistui hyvin. Simulointimallien visualisointi toimi sujuvasti käytetyn 3D-animointiohjelman avulla. Konejärjestelmien tuotekehitysprosessia havaittiin voitavan nopeuttaa reaaliaikasimulaattorin avulla.

IP Multicast in Future Mobile Networks

Erilaisten IP-pohjaisten palvelujen käyttö lisääntyy jatkuvasti samalla, kun käyttäjistä tulee yhä liikkuvaisempia. Tästä syystä IP- protokolla tulee väistämättä myös mobiiliverkkoihin. Tässä diplomityössä tutkitaan mobiliteetin IP multcastingiin tuomia ongelmia ja simuloidaan niitä Network Simulatoria käyttäen. Pääpaino on ongelmalla, joka aiheutuu multicast- ryhmänmuodostusviiveestä. Tätä ongelmaa simuloidaan, jotta viiveen, mobiilikäyttäjien palveluunsaapumistaajuuden ja Scalable Reliable Multicast (SRM) protokollan ajastinarvojen asetusten vaikutus repair request- pakettien määrään ja sitä kautta suoritettavien uudelleenlähetysten määrään selviäisi. Eri parametrien vaikutuksen tutkimiseksi esitetään simulaatiotuloksia varioiduilla parametreillä käyttäen CDF- käyriä. Tulosten perusteella merkittävin tekijä uudelleenlähetyspyyntöjen kannalta on protokollan ajastimien arvot ja haluttu palvelun taso, viiveen merkityksen jäädessä vähäiseksi. Työn lopuksi tutkitaan SRM- protokollan soveltuvuutta mobiiliverkkoihin ja pohditaan vaihtoehtoja toiminnan parantamiseksi.

Voimalaitoksen tasemallinnus kunnonvalvonnassa

Diplomityössä mallinnettiin Vattenfallin Myllykosken vastapainevoimalaitos staattisella voimalaitossimulaattoriohjelmalla. Mallinnuksessa käytettiin PROSIM simulaattorioh-jelmaa, jolla on mahdollista suorittaa taselaskentaa sekä online että offline tilassa. Laaditun mallin avulla suoritettiin voimalaitoksen offline simulointia erilaisissa ajotilanteissa. Simulointitulosten avulla suoritettiin voimalaitoksen kokonaishyötysuhteen ja höyryn tuotantokustannusten tarkastelua. Tarkastelun avulla pyrittiin saavuttamaan voimalaitoksen taloudellisin ajotapa kaikissa tarkastelutilanteissa. Lisäksi työssä määritettiin laadittuun voimalaitosmalliin perustuvan kunnonvalvontajärjestelmän laajuus. Järjestelmä hyödyntää PROSIM:n online simulointia sekä automaatiojärjestelmän reaaliaikaisia prosessimittauksia. Kunnonvalvontajärjestelmän (CMS Condition Monitoring System) avulla voidaan suorittaa prosessin optimointia reaaliajassa. Lisäksi järjestelmän avulla voidaan suorittaa voimalaitostaseen raportointia ja seurata voimalaitoskomponenttien toiminnan heikkenemistä. Kunnonvalvontajärjestelmän laajuuden määrittämiseksi rajattiin järjestelmään syötettävät kustannustekijät, kunnonseurantaan asetettavat komponentit ja taselaskennassa käytettävät mittaukset.

pH:n stabiilisuus ditioniittivalkaistulla neutraalilla LWC-prosessilla

Tässä työssä Oy Keskuslaboratoriossa sijaitsevalla kiertovesisimulaattorilla on tutkittiu ditioniittivalkaisun ja hylyn määrän vaikutusta pH:n stabiilisuuteen ja häiriöaineiden määrään neutraalissa LWC-prosessissa. Lisäksi on tutkittu ditioniitin määrän seisokkien ja valkaisuviiveiden vaikutusta. Kirjallisuusosassa tutustutaan ditioniittivalkaisuun ja valkaisun kemiaan sekä kalsiumkarbonaatin liukenemiseen. Lyhyesti selvitetään myös paperikoneen vesikiertoja sekä prosessissa olevia häiriöaineita. Karbonaatin liukenemisen osalta tarkastellaan myös mahdollisuutta mallintaa prosessia. Diplomityön aikana ajettiin yhdeksän simulaattoriajoa, jotka ajettiin kahden tai kolmen ajon sarjoissa. Ajoja ajettiin kolmella eri hylkymäärällä. Ditioniittivalkaisun lisäksi suoritettiin referenssiajoja ilman valkaisua. Lyhyen kierron pH pyrittiin pääosin säätämään seitsemään. Valkaisuviiveiden ja yli-yön kestävien seisokkien vaikutusta tutkittiin myös. Kokeissa todettiin ditioniitin alentavan pH tasoa. Tämä pH:n aleneminen johtaa kalsiumkarbonaatin liukenemiseen kalsiumkarbonaatin pyrkiessä puskuroimaan pH:n laskua. Valkaisureaktiossa syntyy negatiivisesti varauruneita yhdisteitä, jotka lisäävät prosessin anionisuutta. Ditioniitin valkaisuvaikutus näkyi lopputuotteen vaaleuden kasvuna sekä kieroveden värillisten yhdisteiden vähenemisenä. Ditioniittivalkaisu näytti poistavan myös noin 30% ligniinistä. Lipofiilisiin uuteaineisiin ditioniitilla ei ollut vaikutusta. Riittävä ditioniittiannos kokeiden perusteella on korkeintaan 1% ditioniittiä käytetyn mekaanisen massan määrästä. Korkeammalla annostuksella ei ollut vaikutusta vaaleuteen. Valkaisuaikana 30 minuuttia on riittävä. Pidempien valkaisuviiveiden ja seisokkien aikana valkaisussa syntyvän sulfiitin todettiin muuttuvan sulfaatiksi. Hylyn määrän lisääminen nosti pH:ta, varausta, johtokykyä ja liuenneen kalsiumin määrään. Hylyn määrän lisäminen paransi myös optisia ominaisuuksia, mikä johtui osin hylyn sisältämästä kalsiumkarbonaatista ja osin hylyn sisältämästä mekaanisesta massasta, joka oli valkaistua.

Euron käyttöönoton hallinta keskisuuressa yrityksessä

Työn tavoitteena oli laatia euron käyttöönottosuunnitelma. Ensin selvitettiin euron syntyvaiheet ja yhteisen valuutan käsittelysäännöt. Sen jälkeen käydään läpi eräs käyttökelpoinen suunnitelma euron käyttöönottamiseksi, johon kuuluu euron käyttöönoton and speed up the implementation of external selection components. Model and Parametrisation Gallery for Process Integration is specification of an infrastructure and a set of tools which are built for storing process component and model library data into an internet based database from where it can be easily used by simulator users and other process designers. This work consists of two parts. In the literature survey pump selection and the factors that affects selection particularly on process designers point of view are studied. In the applied part a pump selector was created and tested in the test environment which is comparable to Gallery environment. This was done to ease the deployment of the selector to the actual working environment. Process component data of a manufacturer was used on the development of the pump selector. The execution of the selector is based on the hydraulic selection of pumps. Centrifugal pump was used as an example case.

Kylmämuovatun putkipalkin väsyminen metsätyökoneen puomirakenteessa

Työssä on tutkittu kylmämuovatun suorakaideputkipalkin väsymistä metsätyökoneen puomirakenteen osana. Kylmämuovatun putkipalkin sisäpintaan syntyy käytössä puristavan ulkoisen kuormituksen vaikutuksesta putkipalkin pituussuunnassa sekä seinämän läpi kasvavia säröjä. Työn tarkoituksena on ollut selvittää rakenteen väsymiskestoikä sekä säröytymisen aiheuttavat tekijät. Työssä on verrattu kestoikälaskentaan ja särönkasvuun sovellettujen murtumismekaniikan ja elementtimenetelmän tuloksia laboratoriokokeista saatuihin tuloksiin. Toisiaan tukevien tulosten perusteella kylmämuovausprosessissa syntyneiden jäännösjännitysten osuus särön ydintymisessä, kasvussa ja sen käyttäytymisessä on ulkoisen kuorman paikallisen vaikutuksen lisänä erittäin merkittävä. Putkipalkin väsyminen onkin jäännösjännityksistä riippuva särönkasvuilmiö.

Syöttövesisäiliöiden pinnanheilahteluiden hallinta Loviisan voimalaitoksella

Tässä työssä tarkastellaan syöttövesisäiliöiden käyttäytymistä Loviisan voimalaitoksella. Työssä käydään läpi laitoksen kaikki pääjärjestelmät primääri- ja sekundääripuolelta. Lisäksi selvitetään myös säiliöiden käyttäytymiseen liittyvät apujärjestelmät niiltä osin kuin tarpeellista. Työn pääpaino laitosesittelyn jälkeen siirtyy täysin syöttövesisäiliömallin luomiseen ja simulointeihin. Työssä on tutkittu useita esille tulleita ideoita syöttövesisäiliöiden pinnanheilahdusten minimoimiseksi. Säiliömallin luominen ja simuloinnit on suoritettu APROS-voimalaitossimulaattorilla. Työssä on alustavasti tarkasteltu kaikki pinnanheilahdusten hallintaideat. Mahdolliset jatkotutkimukset ja parannustyöt aloitetaan tämän työn pohjalta. Työn aikana saatiin paljon uutta tietoa syöttövesisäiliöiden käyttäytymisestä. Tätä tietoa pystytään hyödyntämään käytössä, prosessisuunnittelussa ja koulutussimulaattoria päivitettäessä.

Satamanosturin dynamiikan reaaliaikasimulointi

Työn tavoitteena oli mallintaa satamanosturin dynamiikkaa mahdollisimman tarkasti kuvaava yksinkertaistettu malli Simulink-ohjelmalla, jonka jälkeen malli käännettiin edelleen reaaliaikasimulaattorille soveltuvaan muotoon. Nosturin malli yksinkertaistettiin käsittämään kolme osaa: Nosturin rungon, nostovaunun ja kontin. Voimista mallinnettiin pyörien kontaktivoimat, köysivoimat sekä siirtovoima. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin Opal-RT:n RT-LAB reaaliaikasimulointiohjelmistoa, sekä tavallisia PC-tietokoneita. Simulointiin liitettiin myös 3D-animaatio, jolla nosturin liikkeet saatiin visualisoitua. Animoitava grafiikka luotiin WorldUp-ohjelmistolla ja liitettiin RT-LAB-simulaatioon RT3D-rajapinnan ja WorldUp Player:n avulla. Työn tuloksena saatiin satamanosturin dynaamista käyttäytymistä kuvaava Simulink-malli, jota on mahdollista käyttää reaaliaikaisessa simuloinnissa. Mallia testattiin RT-LAB reaaliaikasimulaattorissa, ja simuloinnista saatuja tuloksia verrattiin Adams:lla simuloituihin tuloksiin. Saatujen tulosten perusteella mallia voidaan pitää onnistuneena. Myös RT-LAB reaaliaikasimulaattori visualisointeineen vaikuttaa toimivalta kokonaisuudelta.

Lisäpoltolla varustetun maakaasukombivoimalaitoksen optimointi.

Voimalaitoksen sisäisellä optimoinnilla pyritään parantamaan prosessia ja lisäämään voimalaitoskonseptin kilpailukykyä energiamarkkinoilla. Tässä työssä optimoitiin lisäpoltolla varustettua, sähköteholtaan noin 125 MW:n maakaasukompivoimalaitosta. Työ on osa Fortum Engineering Oy:n konseptikehitysohjelmaa. Kaasuturbiinin savukaasun sisältämää happea voidaan hyödyntää lämmöntal-teenottokattilan savukaasukanavaan sijoitetussa lisäpoltossa. Lisäpoltolla saadaan nostettua savukaasun lämpötilaa ja lisättyä tuotetun tuorehöyryn määrää. Työssä tutkittiin lisäpolton kannattavuutta ja sen vaikutusta voimalaitoksen mitoitukseen. Lisäpolton lämpötila valitaan teknisten rajoitusten perusteella, jolloin siitä aiheutuvat investointikustannukset eivät nouse merkittäviksi. Optimointimenetelmä pohjautuu Fortum Oyj:ssä kehitetyllä voimalaitossimulaattori Solvolla laskettujen lämpötaseiden ja asiantuntija-arvioihin perustuvien investointikustannuskaavojen käyttöön. Taloudelliset lähtöarvot on valittu Itä-Euroopan markkinatilanteen mukaisiksi. Kannattavuuslaskelmat perustuvat nykyarvomenetelmään, jossa investointikustannuksille ja sähkön ja kaukolämmön myynnistä saaduille tuotoille lasketaan nykyarvo. Teknisten rajoitusten puitteissa suurimman nykyarvon antava tapaus on aina kunkin tutkittavan prosessisuureen optimitapaus. Tutkittavia prosessisuureita voivat olla esimerkiksi tuorehöyryn tila-arvot. Eräs työn tavoitteista oli selvittää lämmöntalteenottokattilan painetasojen optimaalinen lukumäärä. Lisäpoltto todettiin lämmitysvoimalaitoksella kannattavaksi ratkaisuksi kun nyt optimoitua laitosta verrattiin ilman lisäpolttoa mitoitettuun vastaavanlaiseen laitokseen. Kannattavuuslaskelmille tehtiin herkkyystarkastelut, joiden avulla tutkittiin mitoitetun konseptin herkkyyttä taloudellisten lähtöarvojen muutoksille. Herkkyysanalyysin avulla optimoitua voimalaitoskonseptia voidaan hyödyntää suuremmalla taloudellisten lähtöarvojen vaihteluvälillä.

Laajakaistainen Vivaldi-antennielementti

Diplomityössä suunniteltiin, rakennettiin ja mitattiin laajakaistainen antennielementti lineaariseen antenniryhmään. Elementti toimii mikroaaltoalueella, ja sen kaistanleveys on noin 4,8:1. Elementti koostuu kaksipuolisesta eksponentiaalisesti taperoidusta rakoantennista eli Vivaldi-antennista ja laajakaistaisesta siirtymästä liuskajohdosta kaksipuoliseen rakojohtoon. Elementin koko pienimmällä käyttötaajuudella on noin 0,31 lambda kertaa 0,34 lambda, josta antennitorven koko on vain noin 0,21 lambda kertaa 0,21 lambda. Elementti suunniteltiin HFSS-simulointiohjelman avulla ja rakennettiin kahdesta erillisestä piirilevystä puristamalla nämä yhteen alumiinisella kehyksellä. Mittauksilla varmistettiin elementin toiminta ja simulointien luotettavuus. Osoitettiin, että elementti voidaan suunnitella simulointiohjelman avulla ja rakentaa työssä käytetyllä tavalla. Osoitettiin myös, että tarvittavaa mitoitussimulointien määrää voidaan vähentää yhdistämällä erikseen mitoitetut rakoantenni ja siirtymä. Lisäksi simuloinnein osoitettiin, että elementti toimii myös ryhmässä ja että sen toimintaa voidaan parantaa kehyksen avulla.

Johdinhäviöiden määrittäminen mikroliuskarakenteessa

Tässä diplomityössä on käsitelty mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden määrittämistä kokeellisin ja analyyttisin menetelmin. Työssä on käyty läpi mikroliuskarakenteen ominaisuudet sekä esitetty tärkeimmät kirjallisuudessa esitellyt menetelmät johdinhäviöiden laskemiseksi. Mikroliuskarakenteen häviöitä mallinnettiin modernilla momenttimenetelmään perustuvalla kenttälaskentasimulaattorilla. Simulaattorin toimintaperiaate on esitelty ja sen soveltaminen mikroliuskarakenteen simuloimiseen on käyty läpi. Eräs mikroliuskarakenne mallinnettiin taajuusalueella 1-10 GHz ja simuloituja johdinhäviöitä verrattiin analyyttisesti määritettyihin. Mikroliuskarakenteen vaste mitattiin ja sitä verrattiin mallinnetun mikroliuskarakenteen vasteeseen. Tulosten perusteella on pohdittu simulaattorin soveltuvuutta mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden mallintamiseen. Mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden määrittämiseen mittausten avulla on esitetty ideoita jatkotutkimusta varten.