Recovery of carboxylic acids from aqueous solutions

Carboxylic acids are commonly used organic acids and have many applications in industries producing food and pharmaceutical products, surfactants and detergents. Especially formic, acetic, propionic and butyric acid are important organic chemicals. These compounds can be found in many side streams and plant effluents. Recovery costs of carboxylic acids are high when they are removed from dilute solution. Conventional processes for the recovery of carboxylic acids from aqueous solutions are classical distillation or extractive distillation, azeotropic distillation or liquid-liquid extraction. The literature part of this Master’s of Science Thesis comprises possible extractants in liquid-liquid extraction of carboxylic acids from aqueous solutions and methods for their regeneration form the extract. The experimental part of this Thesis investigates liquid-liquid extraction of carboxylic acids from aqueous solutions. The aim of this work was to find a suitable extractant for liquid-liquid extraction and suitable process conditions to recover carboxylic acids from aqueous solutions. Also, back extraction of carboxylic acids and their thermal decomposition in relation to distillation of were. Experiments showed that there is more than one possible extractant for liquid-liquid extraction of carboxylic acids. Results also showed that it is possible to separate carboxylic acids and regenerate all the used extractants by vacuum distillation at suitable temperature.

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmät. Case: Kaasunerotuslaitteiston evaluointi

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmiä tarvitaan prosessien lämpötilan ja paineen hal-litsemiseen. Vesi on käytetyin lämmönsiirtoaine hyvän saatavuutensa, halvan hin-nan ja korkean lämmönsiirtokyvyn ansiosta. Jäähdytysjärjestelmät jaetaan kolmeen päätyyppiin, joita ovat läpivirtausjäähdytys, suljettu ja avoin kiertojäähdytys. Kullakin järjestelmätyypillä on tyypilliset alatyyppinsä. Avoimella kiertojär-jestelmällä on eniten alatyyppejä, joista yleisin on jäähdytystorni. Jäähdytystorneja on kolmea tyyppiä: märkä-, kuiva ja hybriditorni. Kullakin järjestelmätyypillä on ominaiset piirteensä käyttökohteiden, ympäristövaikutusten, ohjattavuuden, investointi- ja käyttökulujen suhteen, joita tässä työssä esitellään. Työssä tutkitaan teollisuuden jäähdytysjärjestelmien esittelyn lisäksi erään ali-painekaasunpoistimen soveltuvuutta suljetun kiertojäähdytysjärjestelmän kaasun-poistoon. Suljettuun kiertojäähdytysjärjestelmään jää ilmaa täyttövaiheessa ja kul-keutuu liuenneena käytettävän jäähdytysveden mukana. Muodostuva ylikylläinen seos synnyttää veden sekaan ilmakuplia, jotka aiheuttavat korroosiota kemiallisesti ja kuluttamalla. Lisäksi kaasukuplat vievät tilavuutta nesteeltä. Tämä pienentää järjestelmän jäähdytystehoa merkittävästi, koska kaasun lämmönsiirtokyky verrat-tuna veden lämmönsiirtokykyyn on pieni. Työssä esitellään myös muita mahdolli-sia suljetun järjestelmän kaasulähteitä ja niiden aiheuttamia ongelmia. Alipainekaasunpoistimen kaasunerotustehokkuutta mitattiin jäähdytysvesinäyttei-den selkeytymisnopeudella ja lämmönsiirtimien tehon paranemisella. Kahden viikon tarkastelujaksolla selkeytymisajat paranivat 36–60 % eri mittauspaikoissa ja lämmönsiirtimien tehot paranivat 6–29 %. Järjestelmään kuitenkin jäi merkittävä määrä kaasua, vaikka laitteen käyttöä jatkettiin tarkastelujakson jälkeen, joten tavoitteisiin ei päästy. Tutkitun alipainekaasunpoistolaitteen ei todettu soveltuvan tehdasympäristöön kestämättömyyden, hankalakäyttöisyyden ja tehottomuuden takia. Tulokset kuitenkin osoittavat, että kaasunerotuksella on merkittävä vaikutus suljetun jäähdytysjärjestelmän toimivuuteen ja saavutettavaan jäähdytystehoon.

Lämmöntalteenoton tuotteistus, kannattavuus ja riskit vaneriteollisuudessa

Viilunkuivaus vaneriteollisuudessa on energiaintensiivinen prosessi, josta syntyvä hukkalämpö kannattaa ottaa talteen ja hyödyntää. Työ käsittelee erilaisten lämmöntalteenottovariaatioiden tuotteistusta ja kannattavuutta, sekä sisältää laitteiston riskianalyysin. Aiemman asiakaskohtaisen räätälöinnin sijaan, laitteiston modulaarinen tuoterakenne on otettava tuotteistuksen lähtökohdaksi. Modulaarisen tuoterakenteen ansiosta erilaisiin asiakastarpeisiin pystytään vastaamaan aiempaa tehokkaammin, kiitos erilaisten variaatioiden. Standardien ja yhtenäisten rajapintojen myötä muun muassa suunnittelua, projektinhoito ja myyntiä saadaan tehostettua. Lämmöntalteenottoratkaisuille luodaan kolme eri varustelutasoa: perus, korkea ja luksus. Näillä eri varianteilla pystytään vastamaan entistä kattavammin eri markkina-alueiden asiakastarpeisiin. Kannattavuuslaskelmat todistavat, että lämmöntalteenoton avulla saadaan merkittäviä energiasäästöjä ja eri laitteistovariaatiot maksavat itsensä erittäin nopeasti takaisin, vaikka esimerkiksi sähköenergian hinta nousisi radikaalisti. Lämmöntalteenoton voidaankin katsoa olevan aina erittäin kannattavaa. Laitteistosta on tunnistettu myös tekniset riskit, joihin on puututtava välittömästi sekä lukuisia toimenpide-ehdotuksia, joiden avulla laitteiston tuomintaa voidaan tehostaa ja muuttaa turvallisemmaksi. Riskianalyysi antaa myös suuntaviivoja tuotteistukselle sekä laitteiston huolto- ja käyttöohjeistolle.

Tulologistiikan kustannusanalyysi hankintojen näkökulmasta

Työssä tarkastellaan tulologistiikan toiminnoista syntyvien kustannuksien ja hankintatoimen päätösten välistä yhteyttä. Päätökset tilauseräkooista ja hankintalähteistä vaikuttavat kustannuksiin, joita tavaran käsittelystä syntyy. Oletuksena hankintatilanteissa ei yksin voi olla, että ostohinnaltaan halvin tuote olisi aina kaikkein edullisin vaihtoehto. Työssä on käyty läpi Wurth Oy:n tulologistiikan eri toimintoja ja määritelty näille kustannukset toimintoperusteisen kustannuslaskennan periaatteita noudattaen. Työn lopussa on myös hahmotettu sitä kokonaisuutta, josta tuotteen kustannukset muodostuvat. Työn lopputulos on laskentamalli, jolla tulologistiikan kustannukset voidaan huomioida hankinnan yhteydessä osana kokonaiskustannuksia. Yhteenvetona tuloksista voimme todeta, että logistiikan kustannukset eivät ole tuotetasolla mitenkään merkityksettömiä. Varsinkin pienten erien käsittely on kallista ja pakkaaminen itse aiheuttaa aina lisäkustannuksia.

Tulevaisuuden joustavan pakkauslinjaston muodonantolaitteen alaosan suunnittelu

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan muodonantolaitteen alaosan rakennetta osana tulevaisuuden pakkauslinjastoa. Työn tarkoituksena on suunnitella muodonantoprässin vastinkappale kaikkine mekanismeineen ja toimilaitteineen käyttäen hyväksi systemaattisen koneensuunnittelun periaatteita sekä huomioiden koko pakkauslinjaston lähtökohdat.

Algorithmic Solutions for Combinatorial Problems in Resource Management of Manufacturing Environments

This thesis studies the use of heuristic algorithms in a number of combinatorial problems that occur in various resource constrained environments. Such problems occur, for example, in manufacturing, where a restricted number of resources (tools, machines, feeder slots) are needed to perform some operations. Many of these problems turn out to be computationally intractable, and heuristic algorithms are used to provide efficient, yet sub-optimal solutions. The main goal of the present study is to build upon existing methods to create new heuristics that provide improved solutions for some of these problems. All of these problems occur in practice, and one of the motivations of our study was the request for improvements from industrial sources. We approach three different resource constrained problems. The first is the tool switching and loading problem, and occurs especially in the assembly of printed circuit boards. This problem has to be solved when an efficient, yet small primary storage is used to access resources (tools) from a less efficient (but unlimited) secondary storage area. We study various forms of the problem and provide improved heuristics for its solution. Second, the nozzle assignment problem is concerned with selecting a suitable set of vacuum nozzles for the arms of a robotic assembly machine. It turns out that this is a specialized formulation of the MINMAX resource allocation formulation of the apportionment problem and it can be solved efficiently and optimally. We construct an exact algorithm specialized for the nozzle selection and provide a proof of its optimality. Third, the problem of feeder assignment and component tape construction occurs when electronic components are inserted and certain component types cause tape movement delays that can significantly impact the efficiency of printed circuit board assembly. Here, careful selection of component slots in the feeder improves the tape movement speed. We provide a formal proof that this problem is of the same complexity as the turnpike problem (a well studied geometric optimization problem), and provide a heuristic algorithm for this problem.

Tulevaisuuden joustavan pakkauslinjan suunnittelu ja optimointi

Tässä diplomityössä tutkitaan kartonkiastioiden valmistukseen tarkoitetun linjaston prototyypin vastaavuutta suunnittelun tuloksiin ja niille annettuihin ohjearvoihin. Työssä vertaillaan eri suunnitteluvaiheiden vaikutusta linjaston osakokonaisuuksien eli moduulien onnistumisen kannalta. Työn lopuksi arvioidaan mahdollisia rakenteiden optimoinnin ja linjaston jatkokehityksen kannalta oleellisia kohteita laitteistossa.

Growth, magnetic and transport properties of InSb and II-IV-As2 semiconductors doped with manganese

This thesis is devoted to growth and investigations of Mn-doped InSb and II-IV-As2 semiconductors, including Cd1-xZnxGeAs2:Mn, ZnSiAs2:Mn bulk crystals, ZnSiAs2:Mn/Si heterostructures. Bulk crystals were grown by direct melting of starting components followed by fast cooling. Mn-doped ZnSiAs2/Si heterostructures were grown by vacuum-thermal deposition of ZnAs2 and Mn layers on Si substrates followed by annealing. The compositional and structural properties of samples were investigated by different methods. The samples consist of micro- and nano- sizes clusters of an additional ferromagnetic Mn-X phases (X = Sb or As). Influence of magnetic precipitations on magnetic and electrical properties of the investigated materials was examined. With relatively high Mn concentration the main contribution to magnetization of samples is by MnSb or MnAs clusters. These clusters are responsible for high temperature behavior of magnetization and relatively high Curie temperature: up to 350 K for Mn-doped II-IV-As2 and about 600 K for InMnSb. The low-field magnetic properties of Mn-doped II-IV-As2 semiconductors and ZnSiAs2:Mn/Si heterostructures are connected to the nanosize MnAs particles. Also influence of nanosized MnSb clusters on low-field magnetic properties of InMnSb have been observed. The contribution of paramagnetic phase to magnetization rises at low temperatures or in samples with low Mn concentration. Source of this contribution is not only isolated Mn ions, but also small complexes, mainly dimmers and trimmers formed by Mn ions, substituting cation positions in crystal lattice. Resistivity, magnetoresistance and Hall resistivity properties in bulk Mn-doped II-IV-As2 and InSb crystals was analyzed. The interaction between delocalized holes and 3d shells of the Mn ions together with giant Zeeman splitting near the cluster interface are respond for negative magnetoresistance. Additionally to high temperature critical pointthe low-temperature ferromagnetic transition was observed Anomalous Hall effect was observed in Mn doped samples and analyzed for InMnSb. It was found that MnX clusters influence significantly on magnetic scattering of carriers.

Optimization of the refining and shoe press in board production

Optimointi on tavallinen toimenpide esimerkiksi prosessin muuttamisen tai uusimisen jälkeen. Optimoinnilla pyritään etsimään vaikkapa tiettyjen laatuominaisuuksien kannalta paras tapa ajaa prosessia tai erinäisiä prosessin osia. Tämän työn tarkoituksena oli investoinnin jälkeen optimoida neljä muuttujaa, erään runkoon menevän massan jauhatus ja määrä, märkäpuristus sekä spray –tärkin määrä, kolmen laatuominaisuuden, palstautumislujuuden, geometrisen taivutusjäykkyyden ja sileyden, suhteen. Työtä varten tehtiin viisi tehdasmittakaavaista koeajoa. Ensimmäisessä koeajossa oli tarkoitus lisätä vettä tai spray –tärkkiä kolmikerroskartongin toiseen kerrosten rajapintaan, toisessa koeajossa muutettiin, jo aiemmin mainitun runkoon menevän massan jauhatusta ja jauhinkombinaatioita. Ensimmäisessä koeajossa tutkittiin palstautumislujuuden, toisessa koeajossa muiden lujuusominaisuuksien kehittymistä. Kolmannessa koeajossa tutkittiin erään runkoon menevän massan jauhatuksen ja määrän sekä kenkäpuristimen viivapaineen muutoksen vaikutusta palstautumislujuuteen, geometriseen taivutusjäykkyyteen sekä sileyteen. Neljännessä koeajossa yritettiin toistaa edellisen koeajon paras piste ja parametreja hieman muuttamalla saada aikaan vieläkin paremmat laatuominaisuudet. Myös tässä kokeessa tutkittiin muuttujien vaikutusta palstautumislujuuteen, geometriseen taivutusjäykkyyteen ja sileyteen. Viimeisen kokeen tarkoituksena oli tutkia samaisen runkoon menevän massan vähentämisen vaikutusta palstautumislujuuteen. Erinäisistä vastoinkäymisistä johtuen, koeajoista saadut tulokset jäivät melko laihoiksi. Kokeista kävi kuitenkin ilmi, että lujuusominaisuudet eivät parantuneet, vaikka jauhatusta jatkettiin. Lujuusominaisuuksien kehittymisen kannalta turha jauhatus pystyttiin siis jättämään pois ja näin säästämään energiaa sekä säästymään pitkälle viedyn jauhatuksen mahdollisesti aiheuttamilta muilta ongelmilta. Vähemmällä jauhatuksella ominaissärmäkuorma saatiin myös pidettyä alle tehtaalla halutun tason. Puuttuvat lujuusominaisuudet täytyy saavuttaa muilla keinoin.

Consumer Attitudes on Aroma Printing

Olfactory packaging is an emerging technology which uses the aromatic capsules to release various scents. Normally, manufacturers add these aromatic capsules in the printing ink, the label or packaging material itself. When the aromatic capsules meet suitable release triggers, the scents will be released. The common release triggers are external forces, temperature changes, humidity changes and so on. The aim for this Masters of Science Thesis is to understand the aroma printing technology from literature and make market research for this kind of technology. The main target is to collect the current technology principle of aroma packaging and figure out how they are implemented on products with those. In addition, an investigation is made about consumers' attitudes from Chinese and Finnish market through the questionnaire, and the market potential is analyzed as well. The key points researched in this work are: the general attitudes on aroma printing technology, market potential and economic possibilities. This thesis specifies the main technologies used in aroma printing, the solutions of products with aroma packaging and the original results of the questionnaires. It also includes analysis of the acceptance of Chinese and Finnish consumers, what are their opinions of the aroma printing technology and the products packed by aroma printing technology. In addition, various factors which impact the market is discussed in the thesis. At last, some comparisons are made from the point of views of similarities and differences between Chinese and Finnish market.

Atomikerroskasvatuksen soveltaminen kemiantekniikassa

Tässä kirjallisuustyössä tutkittiin atomikerroskasvatuksen (ALD) soveltamista kemiantekniikassa. Työn alussa kerrottiin atomikerroskasvatuksesta, sen toimintaperiaatteista ja prosessitekniikasta. Tämän jälkeen tutkittiin viittä eri kemiantekniikan sovellusta, jotka olivat polymeerien pinnoittaminen, heterogeenisten katalyyttien syntetisointi, membraanien modifiointi, korroosionesto ja kaasunilmaisimet. ALD on ohutkalvotekniikka, jolla voidaan valmistaa nanometrin tai jopa Ångströmin (1 Å = 0.1 nm) tarkkuudella epäorgaanisia materiaalikerroksia, jotka yleensä ovat metallioksideja, kuten alumiinioksidi. ALD perustuu kaasu-kiintoainereaktioihin, joissa kaasumaiset kemialliset prekursorit reagoivat vuorotellen kasvualustan kanssa. Tyypilliset prekursorit ovat metalliligandi ja vesi, joka on yleisin hapen lähde ALD-reaktioissa. ALD−reaktiot suoritetaan yleensä matalassa paineessa (100−200 Pa) ja korkeassa lämpötilassa (200–400 °C) suljetussa reaktorikammiossa. ALD-prosesseissa voidaan hyödyntää myös plasmaa alentamaan reaktiolämpötiloja. Plasman avulla prekursoreista luodaan hyvin reaktiivisia radikaaleja, jotka voivat reagoida jopa huoneenlämmössä. Lämpöherkkiä polymeerejä voidaan pinnoittaa ohutkalvoilla, joilla voidaan lisätä esimerkiksi pakkausmateriaalien suojaa happea ja vesihöyryä vastaan. ALD:llä voidaan syntetisoida tarkasti nanomittakaavan heterogeenisiä katalyyttejä, joilla on korkea dispersio tukimateriaalin pinnalla. ALD:n avulla voidaan säästää katalyyttimateriaalia menettämättä katalyytin aktiivisuutta, mikä on tärkeää monien katalyyttisovellusten taloudellisuuden kannalta, esimerkiksi polttokennot. ALD soveltuu hyvin membraanien modifiointiin, koska kaasumaiset prekursorit leviävät tasaisesti membraanin huokosiin. Membraanien pinnoittamisella pyritään vaikuttamaan, selektiivisyyteen, hydrofiilisyyteen, liuotinkestävyyteen, huokoskokoon ja sen jakaumaan. Lisäksi membraaneja voidaan pinnoittaa katalyyttisillä ohutkalvoilla, mikä on tärkeää nanoreaktoreiden kehityksen kannalta. ALD:llä voidaan pinnoittaa esimerkiksi terästä, ja vähentää täten teräksen korroosiota. Puolijohtavia metallioksideja voidaan käyttää kaasunilmaisimina, joiden valmistuksessa ALD:n tarkkuudesta on suurta hyötyä.

Solar energy use for water pre-heating in boilers of agro-industries

Energy consumption in the world has been growing every year. The industrial sector represents 27.32% of the world energy demand. Heating systems that use solar energy may contribute with a percentage of the total energy required by industries. This work aimed to study the use of vacuum solar collectors for water pre-heating in boilers. We used four collectors installed according to NBR 15,569; water flow through the tubes was 0.058 L/s, and temperature in the inlet and outlet pipes was measured. Results showed that instantaneous radiation, and inlet fluid and room temperatures are variables that influence the process, reaching water maximum temperature in the solar collector outlet of 97.9 °C, and efficiency of approximately 65% for most experiments. For the financial viability evaluation, the payback study was applied, which resulted in 4; 7 and 5 years, for the respective sources: firewood, LPG (liquefied petroleum gas), and electricity. Regarding the calculation of the annual contribution to the reduction of greenhouse gases, it was, respectively, 2.162 and 356 kg of CO2 per m² of collector tubes, in comparison with firewood and LPG.

Software for design of experiments and response modelling of cake ltration applications

Filtration is a widely used unit operation in chemical engineering. The huge variation in the properties of materials to be ltered makes the study of ltration a challenging task. One of the objectives of this thesis was to show that conventional ltration theories are di cult to use when the system to be modelled contains all of the stages and features that are present in a complete solid/liquid separation process. Furthermore, most of the ltration theories require experimental work to be performed in order to obtain critical parameters required by the theoretical models. Creating a good overall understanding of how the variables a ect the nal product in ltration is somewhat impossible on a purely theoretical basis. The complexity of solid/liquid separation processes require experimental work and when tests are needed, it is advisable to use experimental design techniques so that the goals can be achieved. The statistical design of experiments provides the necessary tools for recognising the e ects of variables. It also helps to perform experimental work more economically. Design of experiments is a prerequisite for creating empirical models that can describe how the measured response is related to the changes in the values of the variable. A software package was developed that provides a ltration practitioner with experimental designs and calculates the parameters for linear regression models, along with the graphical representation of the responses. The developed software consists of two software modules. These modules are LTDoE and LTRead. The LTDoE module is used to create experimental designs for di erent lter types. The lter types considered in the software are automatic vertical pressure lter, double-sided vertical pressure lter, horizontal membrane lter press, vacuum belt lter and ceramic capillary action disc lter. It is also possible to create experimental designs for those cases where the variables are totally user de ned, say for a customized ltration cycle or di erent piece of equipment. The LTRead-module is used to read the experimental data gathered from the experiments, to analyse the data and to create models for each of the measured responses. Introducing the structure of the software more in detail and showing some of the practical applications is the main part of this thesis. This approach to the study of cake ltration processes, as presented in this thesis, has been shown to have good practical value when making ltration tests.

Biopohjaiset polymeerit dispersiopäällystyksessä

Työn aiheena oli tehdä muotoiltavissa oleva rasvankestävä pakkauskartonki. Polymeeridispersiopäällystettyjä pakkauskartonkeja käytetään kertakäyttöisissä tuotteissa kuten vuoissa, kupeissa ja lautasissa. Tuotteiden on kestettävä rasvaa niiden lopputarkoituksen mukaisesti. Pakkausala jatkaa vuosittaista kasvuaan vauhdilla. Uusia kierrätettäviä biopohjaisia ja luonnolle ystävällisempiä pakkaustuotteita on kehitettävä kasvun tyydyttämiseksi. Biopohjaiset pakkaustuotteet ovat mahdollisia ratkaisuja ympäristöön kohdistuvien ongelmien vähentämiseksi ja öljypohjaisten raaka-aineiden korvaajiksi. Diplomityön teoriaosuudessa keskityttiin dispersiopäällystyksessä käytettyihin biopolymeereihin ja niiden toimivuuteen suojaavina kalvoina. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös rasvankestoa ja rasvankestävien tuotteiden materiaaliominaisuuksia. Kirjallisuuden perusteella havaittiin luonnonpolymeerien alhaisen kuiva-ainepitoisuuden ja korkean päällystemäärätarpeen muodostamat haasteet dispersiopäällystyksessä. Pohjakartongin karheudella ja tiiveydellä sekä suojaavan polymeerin kalvon rakenteella huomattiin olevan suuri merkitys rasvankeston saavuttamiseksi. Kokeellinen osa jakautui kolmeen osakokonaisuuteen: laboratoriokokeisiin, esipilotointiin ja varsinaiseen pilot-koeajoon. Esikokeiden perusteella suojaavat kalvot, joiden raaka-aineena käytettiin biopohjaisia dispersiopolymeerejä, antoivat riittäviä rasvankesto-ominaisuuksia, mutta eivät kestäneet konvertointia. Pienellä synteettisten polymeerien lisäyksellä pystyttiin parantamaan päällystettyjen kartonkien rasvankestoa sekä konvertoitavuutta. Pilot-koeajonäytteiden testaustulokset tukivat esikokeissa tehtyjä havaintoja. Tämän työn perusteella kohtuullinen lisäysmäärä synteettistä polymeeriä voi parantaa merkittävästi biopohjaisen suojaavan kalvon antamaa rasvankestoa sekä päällystetyn kartongin konvertoitavuutta.