Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

Selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia in forced unsteady state reactors - Case based reasoning and mathematical model simulation reasoning

The application of forced unsteady-state reactors in case of selective catalytic reduction of nitrogen oxides (NOx) with ammonia (NH3) is sustained by the fact that favorable temperature and composition distributions which cannot be achieved in any steady-state regime can be obtained by means of unsteady-state operations. In a normal way of operation the low exothermicity of the selective catalytic reduction (SCR) reaction (usually carried out in the range of 280-350°C) is not enough to maintain by itself the chemical reaction. A normal mode of operation usually requires supply of supplementary heat increasing in this way the overall process operation cost. Through forced unsteady-state operation, the main advantage that can be obtained when exothermic reactions take place is the possibility of trapping, beside the ammonia, the moving heat wave inside the catalytic bed. The unsteady state-operation enables the exploitation of the thermal storage capacity of the catalyticbed. The catalytic bed acts as a regenerative heat exchanger allowing auto-thermal behaviour when the adiabatic temperature rise is low. Finding the optimum reactor configuration, employing the most suitable operation model and identifying the reactor behavior are highly important steps in order to configure a proper device for industrial applications. The Reverse Flow Reactor (RFR) - a forced unsteady state reactor - corresponds to the above mentioned characteristics and may be employed as an efficient device for the treatment of dilute pollutant mixtures. As a main disadvantage, beside its advantages, the RFR presents the 'wash out' phenomena. This phenomenon represents emissions of unconverted reactants at every switch of the flow direction. As a consequence our attention was focused on finding an alternative reactor configuration for RFR which is not affected by the incontrollable emissions of unconverted reactants. In this respect the Reactor Network (RN) was investigated. Its configuration consists of several reactors connected in a closed sequence, simulating a moving bed by changing the reactants feeding position. In the RN the flow direction is maintained in the same way ensuring uniformcatalyst exploitation and in the same time the 'wash out' phenomena is annulated. The simulated moving bed (SMB) can operate in transient mode giving practically constant exit concentration and high conversion levels. The main advantage of the reactor network operation is emphasizedby the possibility to obtain auto-thermal behavior with nearly uniformcatalyst utilization. However, the reactor network presents only a small range of switching times which allow to reach and to maintain an ignited state. Even so a proper study of the complex behavior of the RN may give the necessary information to overcome all the difficulties that can appear in the RN operation. The unsteady-state reactors complexity arises from the fact that these reactor types are characterized by short contact times and complex interaction between heat and mass transportphenomena. Such complex interactions can give rise to a remarkable complex dynamic behavior characterized by a set of spatial-temporal patterns, chaotic changes in concentration and traveling waves of heat or chemical reactivity. The main efforts of the current research studies concern the improvement of contact modalities between reactants, the possibility of thermal wave storage inside the reactor and the improvement of the kinetic activity of the catalyst used. Paying attention to the above mentioned aspects is important when higher activity even at low feeding temperatures and low emissions of unconverted reactants are the main operation concerns. Also, the prediction of the reactor pseudo or steady-state performance (regarding the conversion, selectivity and thermal behavior) and the dynamicreactor response during exploitation are important aspects in finding the optimal control strategy for the forced unsteady state catalytic tubular reactors. The design of an adapted reactor requires knowledge about the influence of its operating conditions on the overall process performance and a precise evaluation of the operating parameters rage for which a sustained dynamic behavior is obtained. An apriori estimation of the system parameters result in diminution of the computational efforts. Usually the convergence of unsteady state reactor systems requires integration over hundreds of cycles depending on the initial guess of the parameter values. The investigation of various operation models and thermal transfer strategies give reliable means to obtain recuperative and regenerative devices which are capable to maintain an auto-thermal behavior in case of low exothermic reactions. In the present research work a gradual analysis of the SCR of NOx with ammonia process in forced unsteady-state reactors was realized. The investigation covers the presentationof the general problematic related to the effect of noxious emissions in the environment, the analysis of the suitable catalysts types for the process, the mathematical analysis approach for modeling and finding the system solutions and the experimental investigation of the device found to be more suitable for the present process. In order to gain information about the forced unsteady state reactor design, operation, important system parameters and their values, mathematical description, mathematicalmethod for solving systems of partial differential equations and other specific aspects, in a fast and easy way, and a case based reasoning (CBR) approach has been used. This approach, using the experience of past similarproblems and their adapted solutions, may provide a method for gaining informations and solutions for new problems related to the forced unsteady state reactors technology. As a consequence a CBR system was implemented and a corresponding tool was developed. Further on, grooving up the hypothesis of isothermal operation, the investigation by means of numerical simulation of the feasibility of the SCR of NOx with ammonia in the RFRand in the RN with variable feeding position was realized. The hypothesis of non-isothermal operation was taken into account because in our opinion ifa commercial catalyst is considered, is not possible to modify the chemical activity and its adsorptive capacity to improve the operation butis possible to change the operation regime. In order to identify the most suitable device for the unsteady state reduction of NOx with ammonia, considering the perspective of recuperative and regenerative devices, a comparative analysis of the above mentioned two devices performance was realized. The assumption of isothermal conditions in the beginningof the forced unsteadystate investigation allowed the simplification of the analysis enabling to focus on the impact of the conditions and mode of operation on the dynamic features caused by the trapping of one reactant in the reactor, without considering the impact of thermal effect on overall reactor performance. The non-isothermal system approach has been investigated in order to point out the important influence of the thermal effect on overall reactor performance, studying the possibility of RFR and RN utilization as recuperative and regenerative devices and the possibility of achieving a sustained auto-thermal behavior in case of lowexothermic reaction of SCR of NOx with ammonia and low temperature gasfeeding. Beside the influence of the thermal effect, the influence of the principal operating parameters, as switching time, inlet flow rate and initial catalyst temperature have been stressed. This analysis is important not only because it allows a comparison between the two devices and optimisation of the operation, but also the switching time is the main operating parameter. An appropriate choice of this parameter enables the fulfilment of the process constraints. The level of the conversions achieved, the more uniform temperature profiles, the uniformity ofcatalyst exploitation and the much simpler mode of operation imposed the RN as a much more suitable device for SCR of NOx with ammonia, in usual operation and also in the perspective of control strategy implementation. Theoretical simplified models have also been proposed in order to describe the forced unsteady state reactors performance and to estimate their internal temperature and concentration profiles. The general idea was to extend the study of catalytic reactor dynamics taking into account the perspectives that haven't been analyzed yet. The experimental investigation ofRN revealed a good agreement between the data obtained by model simulation and the ones obtained experimentally.

Anaerobic treatment of deinking pulp plant effluents

Anaerobic treatment as a first biological stage in wastewater treatment is nowadays a well-established technology in recycled paper processing mills using closed water circuits. Today further developed high-rate processes and especially high-tower reactors are also able to handle lower organic loads and become therefore feasible for deinking pulp plant effluents. The interest in the anaerobic method is based on a positive energy balance in form of biogas production and low biomass yield from the process. The anaerobic treatment method was researched and its suitability for the deinking pulp plant effluents was tested experimentally at Stora Enso Maxau mill. In the theory, the deinking pulp process is introduced and the effluents from the deinking process are characterized. The anaerobic treatment is brought up in depth in terms of its use for the deinking effluents, and different kind of reactor types are presented. In addition, other wastewater treatment methods are shortly introduced with the focus on tertiary treatment. Static biodegradability tests were carried out for the wastewaters both anaerobically and aerobically. Based on the results, the deinking effluents can be degraded anaerobically, and inhibition to the methanogenic bacteria was not noticed. In the aerobic static test a good performance of the existing wastewater treatment plant at Maxau mill was proved. Later on pilot trials with sequential anaerobic-aerobic treatment were carried out for the deinking effluents. The anaerobic reactor used was a so called internal circulation reactor. The results confirmed that the combination of the anaerobic treatment and the aerobic activated sludge process is a suitable method for deinking wastewaters with a COD reduction as good as with a two stage aerobic method. When combined with the outstanding quality of the produced biogas and the cost savings acquired from the lower sludge production, the anaerobic treatment was found to be an especially favorable treatment method.

Hiilinanoputkireaktorin suunnittelu

Hiilinanoputki on vasta 90-luvun alussa löydetty uusi hiilestä koostuva materiaali, jonka erinomaiset mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet tarjoavat niiden käytölle useita mahdollisia sovelluskohteita. Teknologian puute ja valmistusmenetelmien korkeat kustannukset ovat kuitenkin estäneet tehokkaasti niiden käytön nykyisten materiaalien ja puolijohteiden korvaajana. Tämän työn tarkoituksena on esitellä yleisimmät menetelmät hiilinanoputkien syntetisoimiseksi sekä suunnitella laite yksiseinäisten hiilinanoputkien tuottamiseen kemiallisen höyrydeposition avulla. Lisäksi tavoitteena on luoda laitteelle modulaarinen rakenne, jolloin sen eri osien korvaaminen rajapintojen sallimissa rajoissa on helppoa. Reaktorin mekaanisen suunnittelun ja komponenttien valinnan lisäksi työssä käsitellään laitteen kaasu- ja lämpövirtauksia, prosessissa tärkeiden katalyyttipartikkelien tuotantoa sekä laitteessa tarvittavien jäähdytysjärjestelmien mitoituksia. Tuloksena syntyi helposti toteutettava suunnitelma yksiseinäisiä nanoputkia tuottavan reaktorin valmistamiseksi. Työ jatkuu laitteen rakentamisella, testaamisella sekä jatkokehittelyllä.

Improvement of pyrolysis oil quality by scrubbing

Diplomityössä tutkittiin kuuman pyrolyysihöyryn puhdistamista haisevista ja kevyistä haihtuvista yhdisteistä. Työn kirjallisuusosassa selvitettiin pyrolyysiöljyn kannattavuutta uusiutuvana energialähteenä. Lisäksi eri pesurityyppejä tarkasteltiin ja ja vertailtiin. Työn kokeellisessa osassa käytettiin kahta erilaista koelaitteistoa. Tuotteen talteenotossa vertailtiin reaktorilämpötilan ja raaka-aineen kosteuden vaikutusta pyrolyysisaantoihin. Komponenttien talteenotossa tutkittiin epästabiilien ja pistävän hajuisten yhdisteiden poistamista kuumasta pyrolyysihöyrystä. Raaka-aineena käytettiin kuusen metsätäh-dehaketta, joka sisältää runsaasti neulasia ja kaarnaa. Kokeet toteutettiin lämpötila-alueella 460 - 520 °C. Koelaitteistot koostuivat kaasun (N2) syöttöjärjestelmään kytketystä kuumasta ja kyl-mästä puolesta. Tuotteen talteenotossa kuuma pyrolyysihöyry jäähdytettiin ja otettiin talteen. Komponenttien talteenotossa tuote kerättiin suodattimelle ja metyleeniklo-ridiloukkuun. Tuotteiden koostumukset analysoitiin kaasukromatokrafilla. Korkeimmat orgaaniset saannot saatiin 480 °C reaktorilämpötilalla ja 8-9 p-% raaka-ainekosteudella. Pyrolyysiveden määrä putosi raaka-aineen kosteutta nostettaessa. Eri reaktorilämpötiloilla ja raaka-ainekosteuksilla ei ollut vaikutusta hiiltosaantoihin. Kaasusaannot (pääosin CO2, CO ja hiilivedyt) olivat noin 10 p-%. Komponenttien talteenotossa suodatin tukkeutui matalissa (< 250 °C) lämpötiloissa. Suodattimelle jäänyt materiaali oli pääosin neulasista ja kaarnasta peräisin olevia uuteaineita (pääosin hartsi- rasvahappoja) ja sokereita. Korkeimmissa lämpötiloissa (> 250 °C) uuteaineet läpäisivät suodattimen paremmin. 250 ja 300 °C:n lämpötiloissa suuri määrä lyhytketjuisia helposti haihtuvia epästabiileja ja haisevia yhdisteitä (ketoneja, furaani- ja furfuraalijohdannaisia jne.) jäi metyleenikloridi- ja metanoliloukkuihin.

Lämpötilakerrostumien syntyminen ydinvoimalaitoksen ensiöpiirissä luonnonkierron olosuhteissa

Tässä diplomityössä on tutkittu lämpötilakerrostumien syntymistä RENATA-koelaitteistolla, joka muistutti geometrialtaan painevesireaktorin paineastian ylätilaa. Kokeet tehtiin siten, että aluksi RENATA täytettiin lämpimällä vedellä, jonka jälkeen koelaitteistoon juoksutettiin pohjasta käsin kylmää vettä. Kokeiden tuloksia verrattiin kirjallisuudessa esitettyyn korrelaatioon. Koetilanne mallinnettiin myös Fluent-virtauslaskentaohjelmalla, jolloin saatiin tietoa ohjelman kyvystä käsitellä lämpötilakerrostumia. Kokeiden tuloksissa havaittiin olevan selvää yhteyttä korrelaatioon. Korrelaation kriittistä rajaa suuremmilla arvoilla kylmä vesi kerrostui lämpimän veden alapuolelle. Lämpimän ja kylmän veden väliin muodostui muutaman senttimetrin paksuinen rajakerros, lämpötilakerrostuma, jossa lämpötilan muutos oli suurimmillaan parinkymmenen asteen luokkaa. Tämä lämpötilakerrostuma nousi hitaasti ylöspäin kokeen edetessä. Vastaavasti korrelaation kriittistä rajaa pienemmillä arvoilla lämmin ja kylmä vesi sekoittuivat keskenään. Myös Fluentilla lasketuissa simuloinneissa kylmä vesi kerrostui lämpimän veden alapuolelle. Lämpötilakerrostuma ei kuitenkaan noussut ylöspäin niin kuin kokeessa tapahtui, vaan se seisahtui koelaitteiston yläosaan.

Tilausten ajotavan tehostaminen Absorbex® –linjalla

Laminating Papers Oy:n PK1 Absorbex® -linjan hyötysuhde on alhainen muun muassa koska lajinvaihtoja joudutaan tekemään laminaattiteollisuuden tilausten luonteen vuoksi useita kertoja päivässä. Sen sijaan PK1:n toimituskyky ja asiakastyytyväisyys ovat hyvällä tasolla. Diplomityön tavoitteena oli selvittää mikä on Absorbex® –tuotepaletilla paras mahdollinen PK1:n lajien ajojärjestys ja tilausten syklityksen pituus toimituskykyä merkittävästi vaarantamatta. Pohjatietoina kirjallisuusosassa on esitetty laminaattiteollisuus ja sen asettamat odotukset PK1:lle raaka-ainetoimittajana. Kirjallisuusosassa on myös selvitetty kuinka nykyinen tilausten käsittely ja syklitys rakentuu PK1:llä. Kokonaiskustannusanalyysi antoi epärealistisen suuria eräkokoja lasketuille tilauksille eikä lajinvaihtojärjestystä pystytty toteuttamaan kauppamatkustajan ongelmanratkaisua käyttäen, joten kirjallisuusosassa on näitä aiheita käsitelty lyhyesti. Asiakastyytyväisyyttä on myöskin lyhyesti kuvattu PK1:n näkökulmasta. Kokeellisessa osassa mallinnettiin PK1:n nykyistä ajojärjestystä lajinvaihtosuureisiin ja -viiveisiin perustuvilla mittauksilla. Huokoisuus ja jauhinten asettaminen todettiin eniten aikaa kuluttaviksi lajinvaihtosuureiksi. Tasaiseen jauhinten säätötoimintaan perustuen kehitettiin uusi malli tilausten ajojärjestykselle. Syklin pituus sidottiin pesuväliin perustuen kokemuksiin, joiden mukaan tiettyjen lajien jälkeen oli paperikone pestävä. Yhtä lajia ajetaan pesuvälin aikana vain kerran ja täten uudella mallilla saatiin eliminoitua pois kuusi lajinvaihtoa jokaisesta syklistä. Malli lisää teoriassa kustannuskilpailukykyä vaarantamatta merkittävästi toimituskykyä ja sitä kautta asiakastyytyväisyyttä. Uutta mallia ehdotetaan testattavaksi ja sille on suunniteltu projektiorganisaatio ja toteutusaikataulu.

Pitkäketjuisten keteenien valmistusreaktiot ja kinetiikka.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pitkäketjuisten rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) valmistusreaktioiden kinetiikkaa. Työn tavoitteena oli saada mittaustuloksia, joiden perusteella voitaisiin kehittää reaktioille kineettinen kineettinen malli ja suorittaa valmistusprosessien alustava optimointi. Teoreettisessa osassa on selvitetty rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) eri valmistustapoja. Lisäksi on perehdytty tarkemmin rasvahappokloridien dehydrohalogenointireaktioiden reaktiomekanismeihin ja valmistusprosessin problematiikkaan. Kokeellisessa osassa tutkittiin rasvahappokloridien valmistusta klooraamalla öljyhappoa 30 mol-% fosforitrikloridiylimäärällä lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Alkyyliketeenidimeerien valmistusta tutkittiin dehydrohalogenoimalla palmitiini- ja öljyhappokloridia 0-30 mol-% trietyyliamiiniylimäärällä inertissä liuottimessa, lämpötiloissa 45 ja 50OC. Reaktiot toteutettiin puolipanosreaktiona, joissa reaktioastiassa olevaan reagenssin ja liuottimen seokseen lisättiin lähtöaine tasaisena massavirtana. Reaktioiden etenemistä seurattiin FT-IR- ja GC-analyysien avulla. Kalorimetrisilla kokeilla tutkittiin öljyhappokloridin dimeroitumisreaktion reaktiolämmön muodostumista ja UV-VIS-analyyseillä seurattiin öljyhappokloridin vanhenemista. Öljyhappokloridin valmistusreaktiolle saatiin hyvä kineettinen malli. Kineettisen mallin puutteena voidaan pitää sitä, ettei kokeissa saatu tietoa mahdollisten sivutuotteiden muodostumisesta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Happokloridien dimeroitumisreaktioiden kineettisen mallin sopivuudelle saatiin suhteellisen hyvä kuva Kuten öljyhappokloridin tapauksessa, myöskään AKD:n valmistusreaktioissa syntynyt sivutuotteita, joten niiden osuutta oletettuun kineettiseen malliin ei tunneta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45 ja 50OC.

Minimibiolietetuottoinen aktiivilieteprosessi massateollisuuden peroksidipitoisten jätevesien puhdistuksessa

Työ on tehty USF Aquaflow Oy:lle osana Cleantech 2000-projektia. USF Aquaflow Oy on suunnitellut minimibiolietetuottoisen reaktorin, MBP-reaktorin, toimivaksi osana aktiivilieteprosessia. Työn tavoitteena oli selvittää MBP-reaktorin toimintaa massateollisuuden peroksidipitoisilla jätevesillä. Pääpaino asetettiin MBP-reaktorin mikrobiologian tutkimiseen. Aktiivilieteprosessissa syntyvä bioliete on yksi metsäteollisuuden merkittävimmistä sivuainevirroista, jonka tuotantoa pyritään vähentämään ja käsiteltävyyttä parantamaan. MBP-reaktori aktiivilieteprosessissa vähentää koko prosessin lietteentuottoa, nostaa lietteen kuiva-ainepitoisuutta ja vähentää näin lietteen vaatimaa jatkokäsittelyn tarvetta. Työssä tutkittiin kahdella erilaisella jätevesijakeella peroksidin vaikutusta MBP-reaktorin COD-reduktioon, kiintoaineen kasvuun, lietteentuottoon ja mikrobiologiaan eri pituisilla viiveillä. MBP-reaktorin viive on suunniteltu aktiivilieteprosessin ilmastusaltaan viivettä huomattavasti lyhyemmäksi. Työn tuloksien perusteella lyhyellä viiveellä MBP-reaktorissa käynnistyy tehokas bakteeritoiminta, joka kuluttaa jäteveden COD:ta. Sellutehtaan jätevesille MBP-reaktorin toiminta on heikompaa kuin termomekaanisen massanvalmistuksen jätevesillä, johtuen sellun valmistuksessa käytetyistä kemikaaleista. Jätevedenpuhdistamon lietteen määrän vähentäminen on tällä hetkellä metsäteollisuuden tehtailla tärkeä jatkotutkimuksia vaativa kohde. MBP-reaktorin toiminnan takaamiseksi osana aktiivilieteprosessia tulisi jatkotutkimuksia suorittaa eri tyyppisille jätevesijakeille ja tarkkailla useampien kemikaalien vaikutusta reaktorin mikrobiologiaan, COD-reduktioon ja lietteentuottoon.

Lämmitysvoimalaitoksella tuotetun kaukolämpöenergian korvaaminen erillishankinnalla

Diplomityön tavoitteena on määrittää rajahinta Mertaniemen lämmitysvoimalaitoksella tuotetun kaukolämpöenergian korvaamiselle erillishankinnalla Lappeenrannan Energian kannalta tarkasteltuna. Tarkoituksena on muodostaa taulukkolaskentapohjat erilaisille lämmönkorvaustapauksille sekä päivittää kyseisen lämmitysvoimalaitoksen sähköteho/kaukolämpöteho -karakteristikat. Työssä selvitetään myös lämmön erillishankinnan vaikutusta laitoksen ajotapaan. Laadittujen laskentapohjien ja karakteristikoiden avulla arvioitiin erillishankinnan kannattavuutta suunnitellun UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan voimalaitoksen, paikkakunnan teollisuuslaitoksien, Mertaniemen voimalaitoksen kaasukattiloiden sekä Lappeenrannan Energian lämpökeskuksien lämmöntuotannon tapauksissa. Lisäksi työssä tehtiin kustannuslaskelma kiinteälle lämpökeskukselle sekä laadittiin optimointilaskelma lämmöntuotannon polttoaineiden käytölle. Tuloksiksi saatiin, että yhteistuotanto on erillishankintaa paljon edullisempaa kaikissa tapauksissa. Kaukaan voimalaitoshankkeesta Lappeenrannan Energia jättäytyi täten toistaiseksi pois. Paikkakunnan teollisuuslaitoksilta ostetaan lämpöä edelleen, koska se on todettu edulliseksi yhteistuotannon seisokkien aikaan. Lappeenrantaan suunnitellaan uutta kiinteää lämpökeskusta, mutta sen käyttö korvaamaan yhteistuotantoa ei kannata nykyisillä polttoaineen hinnoilla.

The Effect of Load Follow Operation on Fuel Behaviour in Loviisa NPP

Työn tarkoituksena oli analysoida polttoainesauvojen käyttäytymistä Loviisan ydinvoimalaitoksen tehonsäätöajossa. Sähkömarkkinoiden vapautuminen Pohjoismaissa sekä tämän seurauksena vaihteleva sähkön markkinahinta ovat ajaneet sähkötuottajat tilanteeseen, jossa tuotanto aiempaa enemmän mukautuu markkinatilanteeseen. Näin ollen myös Loviisan ydinvoimalaitoksen osallistuminen sähkön tuotannon säätelyyn saattaa tulevaisuudessa olla ajankohtaista. Ennen kuin reaktorin tehonsäätöajoa voidaan alkaa toteuttaa, tulee varmistua siitä, että polttoainesauvassa tehonsäätöjen seurauksena tapahtuvat muutokset eivät aiheuta epäsuotuisia käyttäytymisilmiöitä. Työssä tarkastellaan kahden Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainetoimittajan, British Nuclear Fuels plc:n ja venäläisen TVEL:n ensinippujen polttoainesauvan käyttäytymistä tehonsäätötapauksissa. Työssä tarkastellut tehonsäätötapaukset on pyritty valitsemaan niin, että ne kuvaisivat tulevaisuudessa mahdollisesti toteutettavia tehonsäätöjä. Laskentatapauksien sauvatehohistoriat on generoitu HEXBU-3D sydänsimulaattoriohjelmalla lasketun nelivuotisen perustehohistorian pohjalta lisäämällä säätösauvan aiheuttama reaktoritehon muutos, säätösauvan viereisen polttoainenipun aksiaalitehon muutos sekä säätösauvan rakenteen aiheuttama paikallinen tehopiikki säätösauvan vieressä. Työssä tarkastellaan tehonsäätöjen toteuttamista eri tehotasoille ja vaihtelevilla määrillä tehonsäätösyklejä. Työssä käsitellyt laskentatapaukset on jaoteltu reaktorin ajotavan mukaan seuraavasti: peruskuorma-ajo, viikonloppusäätö ja päiväsäätö. Laskenta suoritettiin ydinpolttoaineen käyttäytymistä kuvaavaa ENIGMA-B 7.3.0 ohjelmaa apuna käyttäen. Laskelmien tulokset osoittavat, että molempien polttoainetoimittajien ensinippujen sauvat kestävät reaktorin tehonsäätöajoa rajoituksetta tarkastelluissa laskentatapauksissa. ENIGMA-ohjelman sisältämät mallit, jotka ennustavat polttoainesauvan suojakuoren vaurioitumistodennäköisyyden jännityskorroosion tai väsymismurtuman kautta, eivät näytä mitään merkkejä vaurioitumisesta. BNFL:n polttoainesauva saavuttaa kuitenkin suurempia väsymismurtumatodennäköisyyden arvoja. Tämä johtuu siitä, että polttoainepelletin ja suojakuoren välinen mekaaninen vuorovaikutus syntyy BNFL:n sauvassa aikaisemmin, joka taas johtaa suurempaan määrään sauvaa rasittavia muodonmuutoksia tehonnostotilanteissa. TVEL:n Zr1%Nb -materiaalista valmistetun suojakuoren käyttäytymistä ei voida kuitenkaan suoraan näiden laskujen perusteella arvioida, sillä ENIGMA-ohjelman mallit perustuvat Zircaloy-suojakuorimateriaaleilla suoritettuihin kokeisiin.

Mittausmenetelmien kehittaminen kuplakolonnille

Kuplakolonnireaktoreiden CFD-mallinnus on talla hetkella voimakkaasti kehittyva tutkimusalue. Kaksifaasivirtauksen luotettava simulointi ja mallintaminen on haastavaa kuplakolonnireaktorissa tapahtuvien ilmioiden monimutkaisuuden vuoksi. Reaktorin kayttaytymiseen vaikuttavat tekijat, kuten kolonnin hydrodynamiikka ja aineensiirto, tulee tuntea hyvin ennen mallien tekoa. Tassa tyossa on kokeellisesti tutkittu erilaisten mittausmenetelmien soveltuvuutta kuplakolonnin hydrodynamiikan tutkimiseen. Mittausmenetelmissa on keskitytty erityisesti CFD-mallien vaatimiin paikallisiin mittauksiin. Lisaksi tyossa on arvioitu mittausmenetelmien soveltuvuutta j a luotettavuutta CFD-mallien validointiin. Tyon kirjallisuusosassa on perehdytty kuplakolonnireaktorin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen ja siihen vaikuttaviin tekijoihin. Naita ovat mm. reaktorityypit, kaasun dispergointi, virtaustyypit ja -alueet, kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko ja kuplan nousunopeus. Mittauksia tehtiin kahdessa erikokoisessa kuplakolonnissa, joista pienemman halkaisija oli 0,078 m ja suuremman 0,182 m. Molempien kolonnien nestepinnan korkeus oli 4,62 m. Mittaukset tehtiin vesijohtovedella ja epaorgaanisella prosessiliuoksella. Hydrodynaamisista ominaisuuksista mitattiin kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko seka kaasukuplan nousunopeus. Kaasun tilavuusosuusmittaukset tehtiin paaasiassa paine-eromittauksella ja joissakin tapauksissa pinnanmittausmenetelmalla. Kuplakoko- ja kuplan nousunopeusmittaukset tehtiin suumopeusvideokameralla ja laser Doppler-anemometrilla. Mittauksissa kaytettiin kahdeksaa erilaista kaasunjakolaitetta, joilla selvitettiin kaasunjakolaitteen ominaisuuksien vaikutusta kolonnin hydrodynamiikkaan. Tuloksista havaittiin, etta nestefaasin ominaisuuksilla oli suuri vaikutus kolonnin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen. En kaasunjakolaitteilla vesijohtovedella mitatut hydrodynaamiset ominaisuudet eivat poikenneet paljoa toisistaan, kun taas prosessiliuoksella kaasunjakolaitteiden valille saatiin huomattavat erot. Mittausmenetelmista laser Doppler-anemometri ei kaytettavissa olleella optiikalla soveltunut kaasukuplien mittaamiseen. Kuplat olivat menetelmalle liian suuria. Suumopeusvideokamerallaja paine-eromittauksella paastiin hyviin tuloksiin.

Lannoitetehtaan typenoksidipäästöjen hallintamahdollisuudet

Työssä tarkasteltiin lannoitetehtaan typenoksidipäästöjen hallintamahdollisuuksia Kemira GrowHow Oy:n Uudenkaupungin tehtailla. Työn tavoitteena oli lannoitetehtaalta muodostuvien typen oksidien syntymekanismien etsiminen. Lisäksi työssä etsittiin sellaisia keinoja, joilla typenoksidipäästöjä voitaisiin hallita. Tutkimusosassa tehtiin mittauksia kannettavalla FT-IR kaasuanalysaattorilla teoreettisen tarkastelun tueksi sekä prosessikohtaisten päästöjen selvittämiseksi. Prosessista tehtyjen mittausten lisäksi työssä on hyödynnetty lannoitetehtaan piippuun asennettua kiinteää FT-IR analysaattoria. Prosessikohtaiset mittaukset rajattiin lannoite 2-tehtaaseen. Mittauksia suoritettiin kuudesta prosessin pisteestä. Hallintamahdollisuuksien selvittämiseksi tehtiin tutkimuksia tietyillä raaka-aineiden syötöillä. Päästöjen prosessikohtaista arvioimista varten suoritettiin myös pitot-mittauksia kaasumäärien selvittämiseksi. Mittauksissa havaittiin, että typenoksidipäästöt riippuvat valmistettavasta lajikkeesta. Suurimmaksi typenoksidipäästöjen lähteeksi osoittautuivat reaktorit, joiden osuus oli jopa 95 % typenoksidipäästöistä. Tärkein oli biotiittireaktori, jonka osuus typenoksidipäästöistä oli noin 60-90 %. Lajikkeilla, joilla ei käytetä biotiittireaktoria, osoittautui suurimmaksi typenoksidipäästöjen lähteeksi ammonointireaktorit. Hallintamahdollisuuksia pyrittiin etsimään reaktoreilta. Suurimmaksi typen oksidien hallintamahdollisuudeksi osoittautui ureafosfaatin syöttö liuotus- ja biotiittireaktoreille. Tutkimuksissa havaittiin myös laimean rikkihapon käyttämisen, väkevän sijasta, auttavan hallitsemaan typenoksidipäästöjä.

Kuulakekoreaktorin sähköntuotantokustannusten arviointi

Tässä työssä selvitettiin heliumjäähdytteisellä kuulakekoreaktorilla tuotetun sähkön hinnan muodostumista. Saatuja tuloksia vertailtiin hiilidioksidin erotuksen savukaasuista mahdollistavilla laitteilla varustettuihin hiili- ja maakaasuvoimalaitoksiin sekä kevytvesitekniikalla toteutettuun ydinvoimalaan. Työssä käytiin lyhyesti läpi kuulakekoreaktorin tekniikkaa ja mahdollisia sovelluskohteita, joissa voidaan käyttää hyväksi reaktorin jäähdytteen korkeaa lämpötilaa. Kuulakekoreaktorin kustannustietoja arvioitiin eri lähteissä esitettyjen lukujen perusteella. Ominaisinvestointikustannukseksi saatiin 1722 €/kWe. Sähköntuotannon polttoainekustannukseksi laskettiin 5,4 €/MWh ja käyttö- ja kunnossapito-kustannuksina käytettiin 7 €/MWh. Laitoksen sähköntuotantokustannusten laskenta suoritettiin annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja 40 vuoden taloudellista pitoaikaa sekä 90 % käyttökerrointa. Laskuissa käytettiin vuoden 2002 hintatasoa. Laskelmien perusteella kuulakekoreaktorin sähköntuotantokustannukseksi saatiin 25,1 €/MWh. Tämän todettiin olevan samalla tasolla kuin kevytvesireaktorilla tuotetun sähkön hinta. Hiilidioksidin erotuslaitteilla varustetun hiilivoimalaitoksen sähköntuotantokustannukseksi saatiin 44,0 €/MWh ja maakaasukombivoimalaitoksen 36,3 €/MWh.

Removal of Lipophilic Wood Extractives from TMP Process Waters by Wet Oxidation

Työssä tutkittiin kokeellisesti rasvaliukoisten uuteaineiden poistamista TMP -prosessin vesikierroista märkähapetuksen avulla. Työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuudet hyödyntää TMP -prosessissa vallitsevaa korkeaa lämpötilaa rasvaliukoisten uuteaineiden poistamiseen hapettamalla niitä puhtaalla hapella. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin märkähapetuksen teknologiaa, reaktiomekanismia, käytettyjä katalyyttejä, käyttökohteita sekä kustannuksia. Kokeita suoritettiin autoklaavireaktorissa lämpötiloissa 140 °C, 160 °C ja 180 °C. Vetyperoksidia käytettiin katalyyttinä lisätyn vetyperoksidin määrän ollessa 100 - 1800 mg/l ja hapen osapaineen ollessa 0 ( typpiatmosfääri) - 15 baria. Kokeissa tarkasteltiin kemiallisen hapenkulutuksen (COD), rasvaliukoisten uuteaineiden konsentraation, orgaanisen kokonaishiilen (TOC) ja värin muutoksia kokeiden aikana eri lämpötiloilla, hapen osapaineilla ja lisätyn vetyperoksidin määrillä. Kokeissa saavutettiin 30 %:n COD:n vähenemä sekä 90 %:n vähenemä rasvaliukoisissa uuteaineissa lämpötiloissa 160 °C ja 180 °C. Lisäämällä vetyperoksidia katalyyttinä saavutettiin lähes sama tulos lämpötilassa 140 °C. Suurin tässä työssä havaittu ongelma oli lisääntynyt värinmuodostus vedessä olevassa hienojakoisessa kiintoaineessa hapetuksen aikana. Tämän vuoksi lisätutkimukset ovat tarpeellisia sen seikan selvittämiseksi, voidaanko muodostunut väri mahdollisesti poistaa massan valkaisussa.