Friedman's Excess energy and the McMillan-Mayer theory of solutions:Thermodynamics

In his version of the theory of multicomponent systems, Friedman used the analogy which exists between the virial expansion for the osmotic pressure obtained from the McMillan-Mayer (MM) theory of solutions in the grand canonical ensemble and the virial expansion for the pressure of a real gas. For the calculation of the thermodynamic properties of the solution, Friedman proposed a definition for the"excess free energy" that is a reminder of the ancient idea for the"osmotic work". However, the precise meaning to be attached to his free energy is, within other reasons, not well defined because in osmotic equilibrium the solution is not a closed system and for a given process the total amount of solvent in the solution varies. In this paper, an analysis based on thermodynamics is presented in order to obtain the exact and precise definition for Friedman"s excess free energy and its use in the comparison with the experimental data.

Ammoniakin talteenottoprosessin kehitys

Diplomityössä kehitettiin ioninvaihtoon perustuva ammoniakin talteenottoprosessi NSSC (Neutral Sulphite Semi Chemical) -prosessin haihduttamon lauhteille. Tarkoituksena oli saada aallotuskartonkitehtaan kemi-kaalikiertoa suljettua ja sitä kautta ammoniakkipäästöjä vähennettyä. Ammoniakki tuli ottaa hyötymuodossa (ammoniakkihöyry tai ammoniumsulfiitti) talteen. Ammoniumsulfiittiliuosta käytetään NSSC-prosessissa keittonesteenä. Kirjallisuusosassa selvitetään strippaukseen perustuvia ammoniakin talteenottomahdollisuuksia. Tutkitaan ioninvaihdon teoriaa ja ammoniumin talteenottoon sopivien ioninvaihtomateriaalien ominaisuuksia ioninvaihtajina. Lisäksi esitetään ioninvaihtoprosesseihin liittyviä laitteistoratkaisuja ja prosessiolosuhteita. Työn kokeellisessa osassa on yleiskuvaus Powerflute Oy Savon Sellun prosesseista ja selvitetään ammoniakin merkitystä tehtaalle. Laboratoriokokein tutkittiin orgaanisten kationihartsien sekä epäorgaanisen luonnon zeoliitin soveltuvuutta ammoniumionien vaihtoon esihaihduttamon lauhteesta. Ammoniakin talteenottoprosessin toimivuutta teollisessa mittakaavassa selvitettiin rakennetulla pilotlaitteistolla suoritettujen kokeiden avulla. Lopuksi tehtiin ammoniakin talteenottoprosessin scale-up: laskettiin prosessin talteenottokapasiteetti, arvioitiin kustannuksia sekä annettiin lausunto prosessin toteutettavuudesta. Laboratoriokokeiden perusteella luonnon zeoliitti ja heikosti hapan ioninvaihtohartsi eivät sovellu ammoniumionien vaihtoon NSSC haihduttamon lauhteista. Vahvasti hapan kationihartsi toimi ammoniumin talteenotossa parhaiten, joten se valittiin pilotkokeiden ioninvaihtomateriaaliksi. Pilotkokeissa ioninvaihtomateriaaliin saatiin sidottua ammoniumia noin 30 g NH4+ / dm3 hartsia, kun materiaalin teoreettinen ioninvaihtokapasiteetti oli 32 g NH4+ / dm3 hartsia. Ammoniumin läpäisykäyrien muotoon vaikutti suuresti syöttölauhteen virtausnopeus ja ammoniumpitoisuus. Ioninvaihtomateriaalipedin syvyydellä ei ollut niinkään merkitystä. Pilotkokeiden regenerointitavoista tehokkaimmaksi osoittautui höyrystrippaus, jossa saavutettiin noin 90 %:n talteenottotehokkuus. Rikkihapokekäsittelyllä talteenottotehokkuus jäi 50 %:iin. Teollisen mittakaavan laitoksella voidaan vuosittain regenerointitavasta riippuen ottaa talteen esihaihdut-tamon lauhteesta noin 100-150 tonnia ammoniakkia. Prosessin käyttökustannukset ovat talteenotetusta ammoniakista saataviin säästöihin verrattuna suuret ja niihin vaikuttaa merkittävästi ioninvaihtohartsin käyttöikä sekä regenerointikemikaalien kulutus. Osittaisella kemikaalikierron sulkemisella saavutetaan NSSC-prosessissa sekundäärietuja, joiden vaikutuksen merkittävyys pitäisi tarkentaa lisätutkimuksilla.

Thomas-Fermi theory for atomic nuclei revisited

The recently developed semiclassical variational Wigner-Kirkwood (VWK) approach is applied to finite nuclei using external potentials and self-consistent mean fields derived from Skyrme inter-actions and from relativistic mean field theory. VWK consist s of the Thomas-Fermi part plus a pure, perturbative h 2 correction. In external potentials, VWK passes through the average of the quantal values of the accumulated level density and total en energy as a function of the Fermi energy. However, there is a problem of overbinding when the energy per particle is displayed as a function of the particle number. The situation is analyzed comparing spherical and deformed harmonic oscillator potentials. In the self-consistent case, we show for Skyrme forces that VWK binding energies are very close to those obtained from extended Thomas-Fermi functionals of h 4 order, pointing to the rapid convergence of the VWK theory. This satisfying result, however, does not cure the overbinding problem, i.e., the semiclassical energies show more binding than they should. This feature is more pronounced in the case of Skyrme forces than with the relativistic mean field approach. However, even in the latter case the shell correction energy for e.g.208 Pb turns out to be only ∼ −6 MeV what is about a factor two or three off the generally accepted value. As an adhoc remedy, increasing the kinetic energy by 2.5%, leads to shell correction energies well acceptable throughout the periodic table. The general importance of the present studies for other finite Fermi systems, self-bound or in external potentials, is pointed out.

Nuclear surface properties in relativistic effective field theory

We perform Hartree calculations of symmetric and asymmetric semi-infinite nuclear matter in the framework of relativistic models based on effective hadronic field theories as recently proposed in the literature. In addition to the conventional cubic and quartic scalar self-interactions, the extended models incorporate a quartic vector self-interaction, scalar-vector non-linearities and tensor couplings of the vector mesons. We investigate the implications of these terms on nuclear surface properties such as the surface energy coefficient, surface thickness, surface stiffness coefficient, neutron skin thickness and the spin-orbit force.

From caging to rouse dynamics in polymer melts with intramolecular barriers: a critical test of the mode coupling theory

By means of computer simulations and solution of the equations of the mode coupling theory (MCT),we investigate the role of the intramolecular barriers on several dynamic aspects of nonentangled polymers. The investigated dynamic range extends from the caging regime characteristic of glass-formers to the relaxation of the chain Rouse modes. We review our recent work on this question,provide new results, and critically discuss the limitations of the theory. Solutions of the MCT for the structural relaxation reproduce qualitative trends of simulations for weak and moderate barriers. However, a progressive discrepancy is revealed as the limit of stiff chains is approached. This dis-agreement does not seem related with dynamic heterogeneities, which indeed are not enhanced by increasing barrier strength. It is not connected either with the breakdown of the convolution approximation for three-point static correlations, which retains its validity for stiff chains. These findings suggest the need of an improvement of the MCT equations for polymer melts. Concerning the relaxation of the chain degrees of freedom, MCT provides a microscopic basis for time scales from chain reorientation down to the caging regime. It rationalizes, from first principles, the observed deviations from the Rouse model on increasing the barrier strength. These include anomalous scaling of relaxation times, long-time plateaux, and nonmonotonous wavelength dependence of the mode correlators.

Taajuusmuuttajat voimalaitosten pumppauksissa, erityisesti syöttöveden pyörimisnopeussäädön vaikutus ruiskutusvesijärjestelmiin

Työn ensimmäisessä osassa tutustutaan pumppauksen teoriaan ja esitellään kuristus- ja pyörimisnopeussäätö. Toisessa osassa perehdytään pyörimisnopeussäädössä käytettävän taajuusmuuttajan rakenteeseen ja sen eri osissa syntyviin häviöihin. Kolmannessa osassa tutkitaan kolmen eri tavoin säädetyn pumppauksen toimintaa Pelloksen voimalaitoksella. Lauhdepumpun kierrosnopeussäätöä verrataan vaihtoehtoiseen kuristussäätöön. Viimeisessä osassa selvitetään mahdollisuutta poistaa pyörimisnopeussäädön turhaksi tekemä syöttövesiventtiili voimalaitosten suunnittelusta. Erityisesti etsitään vaihtoehtoisia menetelmiä ruiskutusveden tuottamiseen. Uusia vaihtoehtoja ruiskutusvedelle esitetään kaksitoista. Ruiskutusvesitekniikoita vertaillaan keskenään ja parasta vaihtoehtoa verrataan nykyiseen menettelyyn.

The challenges of building theory by combining lenses

The article presents a discussion of foundational issues in the field of management science, focusing on advances in management theory and research. The metaphor of explanatory lenses is used as a rubric to illustrate the theoretical challenges involved in elucidating the interrelationships of various factors in organizational behavior. The importance of clarifying such interrelationships is emphasized, from the standpoint of editing scholarly papers on such topics for publication. Topics discussed include communication and psychology in management, economics, and behavioral finance.

Fluoriditasetarkastelu ja päästöjen hallinta ferrokromi- ja terästeollisuudessa

Työn alkuosassa kartoitettiin AvestaPolarit –yhtiöiden Tornion tehtaiden keskeiset fluoridilähteet kuten fluspaatti, valukuonat, valupulverit ja fluorivetyhappo. Valupulverien ja kuonien haihtumis- ja liukoisuuskäyttäytymistä valaistiin kotimaisten ja kansainvälisten tutkimusten avulla. Tutkimustuloksia sovellettiin pääpiirteittäin Tornion tehtaiden tilanteeseen ottamalla huomioon tekijät, jotka saattoivat lieventää tai vahvistaa fluoridien vaikutusta ympäristöön. Yleisesti fluoridien ympäristö- ja terveysvaikutukset arvioitiin vähäisiksi. Työn kokeellisessa osassa määritettiin Tornion tehtaiden ferrokromitehtaan, terässulaton, kuumavalssaamon ja kylmävalssaamon fluoriditaseet. Jokaisen osastojen syötteiden fluoridipitoisuudet selvitettiin tuottajien ilmoittamien tuotekoostumuksien, spesifikaatioiden ja fluoridianalyysien perusteella. Fluoridien kokonaismäärät laskettiin jokaiselle syötteelle ja ne suhteutettiin kunkin osaston vuoden 2001 tuotantotasoon. Tasetarkastelussa suurimpina fluoridisyötteinä nousivat odotetusti esiin terässulaton käyttämä kuonanmuodostaja-aine fluspaatti (CaF2) ja kylmävalssaamon peittaushappo, 70 prosenttinen fluorivetyhappo (HF). Lisäksi muita merkittäviä syötteitä olivat kylmävalssaamon käyttämä kalkkipitoinen sekakuona ja ferrokromitehtaan sulatuskoksi. Tuotoksien eli päästöjen fluoridipitoisuudet saatiin selville päästömittauksin. Jätevesistä otettiin pääosin viikoittaisia kokoomanäytteitä, jotka analysoitiin tehtaan laboratoriossa. Kaasumaiset tuotokset oli määritetty kertamittauksien perusteella. Kiinteiden tuotoksien eli sakkojen ja kuonien fluoridimittaukset suoritettiin 3 sulatuksen kuonanäytteistä ja sakan vuosinäytteestä. Tuotoksista suurimmat ominaispäästökertoimet olivat juuri terässulaton AOD-konvertterin ja senkkauunin kuonilla ja kylmävalssaamon neutraloidulla regenerointisakalla ja neutralointisakoilla. Näistä ei aiheutunut varsinaista päästöä lähiympäristöön, koska sakat ja kuonat loppusijoitetaan tehtaan kaatopaikalle tai niitä käytetään liukenemattomassa muodossa. Tornion tehtaiden fluoridisyötteiden ja -tuotoksien mittausepätarkkuudet vaikuttivat fluoriditaseeseen. Ferrokromitehtaan fluoridisyötteet olivat kokonaismäärältään selvästi suurempia kuin tuotokset. Terässulaton fluoriditaseen tuotokset olivat suurempia kuin syötteet ja kylmävalssaamon syötteet sekä tuotokset olivat karkeasti arvioiden samaa suuruusluokkaa. Kuumavalssaamon fluoridisyötteet ja -tuotokset olivat mitättömiä. Fluoriditaseen epävarmuustekijöitä voidaan vähentää suorittamalla esimerkiksi useita fluoridimittauksia kaasumaisista päästöistä.

The role of intramolecular barriers on the glass transition of polymers: computer simulations versus mode coupling theory

We present computer simulations of a simple bead-spring model for polymer melts with intramolecular barriers. By systematically tuning the strength of the barriers, we investigate their role on the glass transition. Dynamic observables are analyzed within the framework of the mode coupling theory (MCT). Critical nonergodicity parameters, critical temperatures, and dynamic exponents are obtained from consistent fits of simulation data to MCT asymptotic laws. The so-obtained MCT λ-exponent increases from standard values for fully flexible chains to values close to the upper limit for stiff chains. In analogy with systems exhibiting higher-order MCT transitions, we suggest that the observed large λ-values arise form the interplay between two distinct mechanisms for dynamic arrest: general packing effects and polymer-specific intramolecular barriers. We compare simulation results with numerical solutions of the MCT equations for polymer systems, within the polymer reference interaction site model (PRISM) for static correlations. We verify that the approximations introduced by the PRISM are fulfilled by simulations, with the same quality for all the range of investigated barrier strength. The numerical solutions reproduce the qualitative trends of simulations for the dependence of the nonergodicity parameters and critical temperatures on the barrier strength. In particular, the increase in the barrier strength at fixed density increases the localization length and the critical temperature. However the qualitative agreement between theory and simulation breaks in the limit of stiff chains. We discuss the possible origin of this feature.

Thermodynamic stability of nanosized multicomponent bubbles/droplets: The square gradient theory and the capillary approach

Formation of nanosized droplets/bubbles from a metastable bulk phase is connected to many unresolved scientific questions. We analyze the properties and stability of multicomponent droplets and bubbles in the canonical ensemble, and compare with single-component systems. The bubbles/droplets are described on the mesoscopic level by square gradient theory. Furthermore, we compare the results to a capillary model which gives a macroscopic description. Remarkably, the solutions of the square gradient model, representing bubbles and droplets, are accurately reproduced by the capillary model except in the vicinity of the spinodals. The solutions of the square gradient model form closed loops, which shows the inherent symmetry and connected nature of bubbles and droplets. A thermodynamic stability analysis is carried out, where the second variation of the square gradient description is compared to the eigenvalues of the Hessian matrix in the capillary description. The analysis shows that it is impossible to stabilize arbitrarily small bubbles or droplets in closed systems and gives insight into metastable regions close to the minimum bubble/droplet radii. Despite the large difference in complexity, the square gradient and the capillary model predict the same finite threshold sizes and very similar stability limits for bubbles and droplets, both for single-component and two-component systems.

Hakevirrasta otettavan näytteen luotettavuus ja näytteenottimen kehittäminen

Työn tavoitteena oli saada tietoa yleisesti partikkelivirtauksessa tapahtuvasta näytteenotosta ja näytteenottomenetelmistä. Työssä tutkittiin UPM-Kymmenen Kaukaan tehtaan nykyisen ostohakkeen automaattisen näytteenottimen toimintaa sekä sen ottamien näytteiden luotettavuutta kokeellisesti ja tilastollisesti. Lopuksi tutkimuksessa ideoitiin uusi näytteenottimen konstruktio. Uuden konstruktion suunnittelun lähtökohtana oli, että näytteenottimen konstruktiolla tulisi voida ottaa toistuvasti ja turvallisesti luotettavia hakenäytteitä aiheuttamatta muulle vastaanottoaseman toiminnalle häiriöitä Tutkimusta varten tehtiin eri haketoimittajien kanssa koenäytteenottoja. Hakenäytteet otettiin kolmessa eri haketoimituksen vaiheessa niiden keskinäistä vertailua varten. Hakenäytteistä määritettiin kuiva-ainepitoisuus ja laatuanalyysin tekoa varten palakokojakauma koeseulonnoilla. Palakokojakauma-analyysistä saatuja jakaumapainoprosenttiosuuksien ja niistä laskettujen laatuarvojen pohjalta tutkittiin automaattisen näytteenottimen ottaman näytteen luotettavuutta ja näytteenottimen toimintaa. Konstruointityössä noudatettiin pääpiirteittäin ohjeistoa VDI 2221. Uuden näytteenottimen suunnittelutyön tavoitteet määriteltiin tutkimuksessa tehtyjen päätelmien ja kokeiden pohjalta. Uudelle näytteenottimen konstruktiolle etsittiin toteutuskelpoisia ratkaisuja jo olemassa olevista laitteistoista ja uusista ideoista. Uudet konstruktiovaihtoehdot suunniteltiin noudattamaan näytteenottoteoriaa ja sijoituspaikan asettamia vaatimuksia.

Kunnossapitohitsaus vaneritehtaassa

Diplomityöni tavoitteena on selvittää mekaanisen puunjalostuksen kunnossapitohitsauksessa huomioitavat asiat ja laatia niiden pohjalta vaneritehtaan käyttöön kunnossapitohitsauksen ohjeistus. Diplomityössä käsiteltiin yhtä kunnossapidon aluetta, hitsausta. Työssä esiteltiin erilaisia hitsaukseen liittyviä määritelmiä ja menetelmiä. Käytännön kokeet oli valittu esimerkkitehtaalle tärkeistä kohteista. Diplomityö tehtiin vaneriteollisuuden koneita suunnittelevaan ja toimittavaan yritykseen. Käytännön kokeet suoritettiin toimivassa vaneritehtaassa. Teoriaosassa keskityttiin sellaisiin osa - alueisiin, jotka liittyvät vaneritehtaan jokapäiväiseen kunnossapitohitsaukseen. Käytännön osuudessa havaittiin tiettyjä kokeesta toiseen toistuvia puutteita. Tällaisia olivat mm. vajaa hitsautumissyvyys, lisäaineiden käsittely, puikon koon valinta ja railon valmistus. Näiden seikkojen kautta vahvistui käsitys ohjeistuksen tarpeellisuudesta, joka oli jo työn tavoitteissa yhtenä päämääränä. Ongelmia esiintyi myös eräiden materiaalien hitsauksessa. Tämä alue tulee hoitaa kuntoon koulutuksella pikimmiten. Tilanne esimerkkitehtaassa kunnossapitohitsauksen osalta oli parempi kuin alun perin oletettiin. Muutamien puutteiden poistamisen, ohjeistuksen ja koulutuksen jälkeen tilanne tulee olemaan hyvä. Innostusta hitsauksen salojen selville saamiseen on kunnossapidon työntekijöiden joukossa.

Tilastollisen laadunhallintatoiminnan kehittäminen selluteollisuudessa

Työn päätavoitteena oli kehittää Oy Metsä-Botnia Ab:n Rauman tehtaan tilastollista laadunhallintatoimintaa ratkaisemalla toimintatapoihin ja DNA SPC -sovelluksen syy-seurauskaavion sisältöön liittyvät ongelmat. Ensimmäinen osatavoite oli erityissyiden tilaston keräysmenetelmänä ja ongelmanratkaisun apuvälineenä käytetyn syy-seurauskaavion sisällön kehittäminen ja sen päivityksen toimintamallien luominen. Toisena osatavoitteena oli aluevastaavien SPC-viikkoraportoinnin kehittäminen ja kolmantena SPC-toiminnan aikaansaaman tehtaan suorituskykymuutoksen määrittäminen. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin prosessien kehittämiselle tärkeät työkalut sekä tilastollisen ajattelun ja SPC:n perusperiaatteet. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin myös SPC:n käyttöä hankaloittavia selluteollisuuden erityispiirteitä. Työssä kehitettiin syy-seurauskaaviota entistä helppokäyttöisemmäksi vaihtamalla yleisten pääluokkien tilalle ohjauskortteja vastaavat pääluokat. Syy-seurauskaavion päivitykselle ja SPC-viikkoraportoinnille luotiin tehokkaat toimintamallit. SPC-viikkoraportoinnin toimintamallin pitäisi muun muassa parantaa tiedonkulkua tehtaalla. Työssä tehtyjen tilastollisten testien mukaan Rauman tehtaan suorituskyky oli useiden mittareiden osalta parantunut SPC-toiminnan myötä. Muutaman mittarin osalta Rauman tehtaan suorituskyky oli heikentynyt SPC-toiminnan aloittamisen jälkeen.

Uuttoprosessin suunnittelu

Teknologian kehitys ja prosessien tiukempi valvonta ovat alentaneet selluteollisuuden häviöitä tehden prosesseista suljetumpia. Valitettavasti nämä edistysaskeleet teknologiassa ovat lisänneet prosessiin kuulumattomien yhdisteiden määrää kemikaalien talteenottokierrossa. Näistä kemikaaleista haitallisimpia ovat kloridi- ja kaliumyhdisteet, jotka tulevat prosessiin raaka-aineiden ja prosessikemikaalien mukana. Kloridi ja kalium muodostavat emäksisissä liuoksissa epäorgaanisia liukoisia yhdisteitä, jotka rikastuvat lipeäkiertoon. Soodakattilassa kloridien läsnäolo alentaa tuhkan sulamislämpötilaa sekä tarttumispistettä, lisää korroosiota ja saostumien muodostumista kattilan pinnalle. Nämä seuraukset voivat vähentää vuosituotantoa ja nostaa korjauskustannuksia. Kaliumin ja kloridin rikastumista talteenottokiertoon voidaan estää poistamalla ne prosessista. Prosessiin kuulumattomat yhdisteet tulisi poistaa talteenottoprosessista ja säilyttää samalla korkea kemikaalien talteenottoprosentti. Koska kaliumin ja kloridin rikastumiskertoimet soodakattilan tuhkassa ovat korkeita, on tuhkan käsittely tehokasta. Kloridin ja kaliumin poistoon on kehitetty menetelmiä, joilla voidaan vähentää hyödyllisten kemikaalien häviöitä. Näitä menetelmiä ovat uutto, ioninvaihto, elektrodialyysi, jäähdytyskiteytys ja haihdutuskiteytys. Menetelmissä tuhka jaetaan kloridi- ja kaliumpitoiseen osaan ja natriumsulfaattipitoiseen osaan. Kloridi ja kalium poistetaan prosessista ja loput palautetaan lipeäkiertoon. Kloridin ja kaliumin poistoa tuhkasta tutkittiin uuttamalla tuhkaa vedellä. Parhaissa käyttöolosuhteissa natriumsulfaatin liukoisuus veteen on huomattavasti alhaisempi kuin kaliumkloridin liukoisuus veteen. Optimaalinen uuttolämpötila ja tuhka-vesisuhde määritettiin siten, että kloridi- ja kaliumpitoisuudet suodoksessa olivat mahdollisimman korkeat sekä natriumin ja muiden anioneiden pitoisuudet suodoksessa mahdollisimman alhaiset. Saatuja tuloksia käytettiin jatkuvatoimisen uuttoprosessin suunnittelussa.