Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.

Simulating fuel consumption and vehicle emissions in an Australian context

Road transport is a major source of air pollution and greenhouse gas emissions around the world. There is an increasing interest in accurate information on local vehicle emission levels for policy development and sustainable traffic management. Previous studies have shown that emission predictions for the Australian situation need to reflect both the Australian fleet and driving behaviour to avoid unreliable outcomes. This paper discusses a new Australian vehicle emission software (PΔP) and a case-study where traffic simulation software (Aimsun) is combined with PΔP to demonstrate how consistent results can be achieved for the Australian situation. The case-study is an Australian city modelled using the microscopic simulator to generate the required trajectory data of each individual vehicle for the emission model. The simulation results are used in a number of ways: to assess the impacts of urban driving behaviour on fuel consumption, to create maps showing where and when elevated emission levels occur and to compare results with another program (COPERT Australia). The paper will also discuss where further research is required.

Päivittäistavaravaraston keräystyön simulointi

Varastotuotannon keskeinen osa on keräystyö, joka edustaa joissain tapauksissa jopa 50 % logistiikan kustannuksista. Jo pienelläkin tehostamisella päästään huomattaviin säästöihin. Keräystyö on kuitenkin yksinkertaisesta perusajatuksesta huolimatta usein monimutkaisen prosessin osa, joka on vahvasti riippuvainen tietojärjestelmistä ja toimintamalleista. Tässä diplomityössä rakennetaan kaupan alan logistiikkapalvelujen tuottajalle simulaatio-ohjelmisto, jolla on mahdollista tutkia tietojärjestelmän tiettyjen parametrien ja varaston layoutin ja artikkelinsijoittelun vaikutuksia keräystyöhön. Työssä tarkastellaan myös tilaajayrityksen varaston uudelleen organisoinnin yhteydessä tehtyjen simulaatioiden tuloksia ja verrataan niitä käytännön toteutuneeseen tilanteeseen. Varaston uudelleen organisoinnin yhteydessä tehdyt simulaatiot osoittavat, että simulaatio-ohjelmistolla voidaan simuloida tilaajayrityksen varaston keräyseriä ja -lenkkejä kohtalaisen tarkasti, kun varaston artikkeleja siirretään keräysalueelta toiselle. Simulaattorilla oli mahdollista arvioida keräyserien tunnuslukujen muutosta ja keräysmatkojen muutoksia. Työn tilaajayrityksessä tehtiin simulaation tuottamien keräyserän rakenteiden ja suoritteiden muutosten pohjalta päätös kahden eri artikkelisijoittelu vaihtoehdon välillä. Muutoksen jälkeen mitatut tulokset osoittautuivat keräysaluekohtaisesti hyvin samansuuntaisiksi, kuin simulaattorin tuottamat tulokset.

Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan

Tässä diplomityössä on mallinnettu höyry- ja kaasuturbiini Balas -prosessisimulointi-ohjelmaan. Balas on Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen kehittämä simulointiohjelma, erityisesti paperi- ja selluteollisuuden prosessien staattiseen simulointiin. Työn tavoitteena on kehittää simulointimallit höyry- ja kaasuturbiinille, sekä tutkia niiden toimivuutta vertaamalla simulointeja mittaus- ja mitoitustietoihin. Työssä on muodostettu matemaattiset mallit höyryturbiinille, höyryturbiinin säätövyöhykkeelle sekä höyryturbiinin off-design laskennalle. Kaasuturbiinille muodostettiin toimintakäyrät, joiden avulla tarkastellaan sen toimintaa off-design tilanteessa. Komponentit mallinnettiin diplomityövaiheessa Matlab-ympäristöön, josta ne siirretään Balasiin erillisessä työvaiheessa. Malleissa on kiinnitetty huomiota erityisesti niiden helppokäyttöisyyteen ja monipuolisuuteen. Höyryturbiinimalleja testattiin simuloimalla erään paperitehtaan yhteydessä toimivan voimalaitoksen vastapaineturbiini säätövyöhykkeineen ja vertaamalla simulointituloksia tehtaan mittaustietoihin. Kaasuturbiinimallia testattiin vertaamalla GE Power MS 7001 kaasuturbiinin mitoitustietoja vastaavilla parametreilla simuloituun tapaukseen.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Simulations of 3D Stripixel Detectors

Large Hadron Collider (LHC) is the main particle accelerator at CERN. LHC is created with main goal to search elementary particles and help science investigate our universe. Radiation in LHC is caused by charged particles circular acceleration, therefore detectors tracing particles in existed severe conditions during the experiments must be radiation tolerant. Moreover, further upgrade of luminosity (up to 1035 cm-2s-1) requires development of particle detector’s structure. This work is dedicated to show the new type 3D stripixel detector with serious structural improvement. The new type of radiation-hard detector has a three-dimensional (3D) array of the p+ and n+ electrodes that penetrate into the detector bulk. The electrons and holes are then collected at oppositely biased electrodes. Proposed 3D stripixel detector demonstrates that full depletion voltage is lower that that for planar detectors. Low depletion voltage is one of the main advantages because only depleted part of the device is active are. Because of small spacing between electrodes, charge collection distances are smaller which results in high speed of the detector’s response. In this work is also briefly discussed dual-column type detectors, meaning consisting both n+ and p+ type columnar electrodes in its structure, and was declared that dual-column detectors show better electric filed distribution then single sided radiation detectors. The dead space or in other words low electric field region in significantly suppressed. Simulations were carried out by using Atlas device simulation software. As a simulation results in this work are represented the electric field distribution under different bias voltages.

Aaltovoimalaitteen toimintaperiaatteen analysointi

Diplomityö tehtiin Wello Oy:n toimeksiannosta. Wello Oy on vesi- ja tuulivoimaratkaisuihin keskittynyt yritys, joka kehittää aaltovoimalaitekonseptia. Työssä selvitettiin aaltovoimaan liittyviä ilmiöitä ja aaltovoimalaitteen mekaanista konseptia ja tehtiin arvio niiden tehokkuudesta. Työssä käytettiin kaupallisia simulointityökaluja kuten monikappaledynamiikan simulointiohjelmaa MSC.ADAMS R3:a ja yleistä matematiikka ohjelmaa Matlab Simulink:ia. Simulointimallia käytettiin arvioimaan laitteen yleistä käyttäytymistä. Lisäksi laitteen analyyttisiä malleja käytettiin laitteen toimintaperiaatteen selvitykseen. Simulointia käytettiin kelluvan laitteen mekanismin tutkimukseen. Tuloksiin pohjautuen laitteelle määriteltiin teoreettiset maksimiteho rajat ja rajoitteet, jotka vaikuttavat laitteen tehokkuuteen.

Dieselmoottorin esisuunnittelun kehittäminen simuloimalla

Diplomityö tehtiin Wärtsilä Finland Oy:n toimeksiannosta. Työ kohdistui yrityksen suunnittelemien keskinopeudella pyörivien nelitahti dieselmoottoreiden esisuunnittelun kehittämiseen. Esisuunnittelun osuus koko tuotesuunnittelussa on merkittävä, minkä vuoksi esisuunnitteluprosessin tehostaminen vaikuttaa koko tuotesuunnitteluprosessiin ja sen lopputuloksiin. Tällä hetkellä esisuunnitteluprosessi on jakautunut useaan eri vaiheeseen ja eri tiimeille, mikä aiheuttaa ongelmia esisuunnittelun läpiviemisessä. Työn tavoitteena oli tutkia nykyaikaisen kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta kohdeyrityksessä esisuunnitteluprosessin eri vaiheiden yhdistämiseen. Työssä selvitettiin esisuunnittelun alussa käytettäviä suunnitteluparametreja, ja niiden hyödyntämistä suunniteltaessa simulointimallia kaupalliseen ohjelmistoon. Vaatimuksena oli, että ohjelmiston on toimittava parametreilla, jotka jo nyt ovat yrityksessä käytössä. Lisäksi simulointimallin antamat tulokset oli oltava hyödynnettävissä yksiselitteisesti yrityksen myöhemmissä tuotesuunnitteluvaiheissa. Myös mallin luomiseen tarvittavien parametrien määrä tuli pitää mahdollisimman pienenä. Esisuunnittelumallin toteuttamisessa tutkittiin kaupallisen AVL Excite Designer - ohjelmiston soveltuvuutta. Ohjelmisto ei soveltunut täysin tuottamaan halutun muotoisia tuloksia annetuilla parametreilla. Ohjelmiston muokkaaminen vaatimuksia vastaavaksi osoittautui työmäärältään suureksi. Yhtenä ratkaisuna olisi kaupallisen ohjelmiston käyttämisen sijaan suunnitella kyseiseen ongelmaan paremmin soveltuva oma ohjelmisto, jolloin toimivuus ja pitkän tähtäimen käyttövarmuus paranisi.

Potentials of process intensification in the Finnish petrochemical industry

This research was motivated by the need to examine the potential application areas of process intensification technologies in Neste Oil Oyj. According to the company’s interest membrane reactor technology was chosen and applicability of this technology in refining industry was investigated. Moreover, Neste Oil suggested a project which is related to the CO2 capture from FCC unit flue gas stream. The flowrate of the flue gas is 180t/h and consist of approximately 14% by volume CO2. Membrane based absorption process (membrane contactor) was chosen as a potential technique to model CO2 capture from fluid catalytic cracking (FCC) unit effluent. In the design of membrane contactor, a mathematical model was developed to describe CO2 absorption from a gas mixture using monoethanole amine (MEA) aqueous solution. According to the results of literature survey, in the hollow fiber contactor for laminar flow conditions approximately 99 % percent of CO2 can be removed by using a 20 cm in length polyvinylidene fluoride (PDVF) membrane. Furthermore, the design of whole process was performed by using PRO/II simulation software and the CO2 removal efficiency of the whole process obtained as 97 %. The technical and economical comparisons among existing MEA absorption processes were performed to determine the advantages and disadvantages of membrane contactor technology.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön testaus ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Työssä toteutettiin C-kielellä luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö Simulinkmallien pohjalta hybridityökoneeseen. Hybridityökoneen sähkökäytöt mahdollistavat tarkan vääntömomentin säädön, joka mahdollistaa työssä kuvatun kaltaisen järjestelmän toteuttamisen. Toteutettua järjestelmää simuloitiin MeVEA Oy:n ajoneuvomallinnukseen kehitetyssä simulaattorissa. Lisäksi järjestelmästä kehitettiin Visedo Oy:n sähkökäyttösimulaattoriin sopiva versio, jota testattiin Visedon sähkökäyttöjä simuloivan ohjelman kanssa. Simulointituloksien mukaan luistonesto estää vetäviä pyöriä luistamasta liukkaalla alustalla eikä toisaalta vähennä aiheetta kuljettajan asettamaa vääntömomenttia. Myös sähköinen tasauspyörästö toimi kuten oli suunniteltu. Työssä kehitetty luistonesto tarvitsee toimiakseen tiedon ajoneuvon kokonaismassasta, joten työssä kehitettiin myös tapa ajoneuvon massan estimoimiseksi ajoneuvon kiihdyttäessä. Massan estimointia testattiin pitävällä ja liukkaalla alustalla. Massan estimointi toimi simulaattoriympäristössä hyvällä tarkkuudella.

Computer tools applied to analysis of solar water heaters

The simulation programs are important tools to analyze the different energetic alternatives, including the use of renewable energy. The objective of this study was to analyze comparatively the different computer tools available for modeling of solar water heaters. Among the main simulation software of solar thermal systems, there are: RETScreen International, EnergyPlus, TRNSYS, SolDesigner, SolarPro, e T*SOL. Among the tools mentioned, only EnergyPlus and RETScreen International are free, but they allow obtaining interesting results when applied together. The first one has a detailed module of energy analysis of solar water heaters, while the second one provides an detailed economic feasibility study and an assessment of emissions of greenhouse gases. RETScreen International and EnergyPlus programs are aimed at a diverse audience, including designers, researchers and energy planners.

Painevesityyppisen ydinvoimalaitoksen sekundääripiirin mallinnus

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää entistä tarkempi ja luotettavampi työkalu Loviisan ydinvoimalaitoksen ensimmäisen reaktoriyksikön sekundääripiirin 50-linjan stationääritilan toiminnan arviointiin. Toisena tavoitteena oli kartoittaa ja raportoida mallintamiseen käytetyn SOLVO-ohjelman kehitysmahdollisuuksia. Tutkimusten perusteella kehitettiin testatusti toimiva prosessimalli, joka dokumentoitiin ja validoitiin yksityiskohtaisesti. Tulevaisuudessa tapahtuvaa kehitystyötä, ja mallin käyttöä varten kehitettiin lisäksi Excel-pohjainen työkalu, jonka avulla SOLVO:n ja Excelin välinen integraatio voidaan myöhemmin julkaistavassa SOLVO:n versiossa viedä nykyistä pidemmälle. Mallintamistyön ohella tutkimuksen aikana selvitettiin olennaisimmat SOLVO:n erityispiirteet ja vahvuudet sekä kartoitettiin sen käyttöön liittyvät kehitystarpeet. Tärkeimpänä kehitysehdotuksena nousi esiin yksittäisissä komponenteissa suoritetun laskennan läpinäkyvyyden parantaminen. Seuraavassa kehitysvaiheessa myös komponenttikohtaiset laskentayhtälöt olisi suositeltavaa asettaa avoimiksi käyttäjäkohtaisille muutoksille. Työn aikana saavutettiin myös muita merkittäviä tuloksia, jotka liittyivät pääosin rinnak-kaisten 10- ja 50-linjojen välisiin yhteyksiin. Linjojen välisiä vaikutuksia analysoitaessa huomattiin niiden olevan olennaisessa asemassa erityisesti sarja-ajon aikana. Mikäli mallilla halutaan kuvata sekä sarja- että rinnanajoa, sen on käsitettävä molemmat linjat ja kaikki niihin liittyvät komponentit. Edellä mainitun lisäksi mallipohjaisen tarkastelun tuloksena tehtiin havaintoja, joiden perusteella nykyistä prosessia voidaan edelleen kehittää. Näistä havainnoista tärkeimpänä merivesipumppujen optimaalisen säätölämpötilan todettiin asettuvan 4,5 – 4,6 °C välille. Toinen huomio liittyi matalapaineturbiinien ulosvirtaushäviöihin, joihin hukataan juoksusta riippuen keskimäärin noin 10 kJ/kg enemmän entalpiaa kuin parhaassa mahdollisessa tapauksessa. Validoinnin yhteydessä havaituista pienistä poikkeamista huolimatta kehitetty malli vastaa hyvin laitokselta saatuja mittaustuloksia sekä muita samassa yhteydessä käytettyjä luotet-tavuuden arviointikriteerejä.

The energy efficiency of chilled beam systems in an office building at different climates

Besides the sustaining of healthy and comfortable indoor climate, the air conditioning system should also achieve for energy efficiency. The target indoor climate can be ob-tained with different systems; this study focuses on comparing the energy efficiency of different air conditioning room unit systems in different climates. The calculations are made with dynamic energy simulation software IDA ICE by comparing the indoor cli-mate and energy consumption of an office building with different systems in different climates. The aim of the study is to compare the energy efficiency of chilled beam systems to other common systems: variable air volume, fan coil and radiant ceiling systems. Besides the annual energy consumption also the sustainability of target indoor climate is compared between the simulations. Another aim is to provide conclusions to be used in the product development of the chilled beam systems’ energy efficiency. The adaptable chilled beam system and the radiant ceiling system prove to be energy efficient independent of the climate. The challenge of reliable comparison is that other systems are not able to reach the target indoor climate as well as the others. The complex calculation environment of the simulation software, made assumptions and excluding of the financial aspects complicate comparing the big picture. The results show that the development of the chilled beam systems should concentrate on energy efficient night heating, flexible demand based ventilation and capacity control and possibilities on integrating the best practices with other systems. 

Simuloinnin hyödyntäminen kotihoidon kehittämisessä

Ikääntyvien ihmisten kasvava määrä tulevina vuosikymmeninä kuormittaa kaupunkien kotihoitoa enenemässä määrin. Kaupunkien rajalliset resurssit ovat jo nyt koetuksella, eikä nykyiseen tilanteeseen ole nähtävissä huomattavaa parannusta tulevina vuosina. Kotihoidon henkilöstön määrää ei pystytä kasvattamaan riittävästi suhteessa kasvavien asiakasvirtojen kanssa, jotta korkea palvelun laatu voitaisiin taata myös tulevaisuudessa. Lahden kaupungin kotihoito pyrkii etsimään teknisiä ratkaisuja kotihoidon haasteisiin muun muassa kotihoidon töiden jakamiseen kehitetyllä optimointialgoritmilla sekä simuloinnilla. Tämä diplomityö käsittelee toimintatutkimuksen avulla simuloinnin tuomia hyötyjä sekä rajoitteita Lahden kotihoidon näkökulmasta. Launeen alueen kotihoidon haasteita käydään läpi neljässä eri työpajassa. Työssä esitetään Quest-simulointiohjelmiston ominaisuuksia, sekä Launeen alueen simulointimallin luomista aina suunnittelusta verifiointiin. Työn tuottama lisäarvo kotihoidon kehittämisessä tulee ilmi neljässä eri vaihtoehtoajossa kotihoitajien asiakkaalta toiselle kulkemien matkojen ja matkoihin käytettyjen aikojen mittaamisessa.

Maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikan mallinnus.

Työn tavoitteena oli mallintaa maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikka. Työ tehtiin osana Saimaan ammattikorkeakoulun tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli ajomoottorin ja integroidun napavaihteiston kaupallistaminen maastotyökoneisiin. Maastotyökoneena simulointimallissa käytettiin tyypillistä maataloustraktoria, johon kytkettiin vielä peräkärry. Traktorin renkaiden napaan oli kytketty ajomoottorina toimiva sähkömoottori, jonka sisään simuloitu napavaihteisto oli integroitu. Napavaihteiston dynamiikan mallintamiseen käytettiin monikappaledynamiikan simulointiohjelmistoa (Adams). Ohjelmalle määritettiin napavaihteiston komponenttien parametrit, joista voitiin simuloida vaihteiston dynaaminen käyttäytyminen. Simuloidusta mallista saatiin kytkimiin kohdistuvat voimat kytkentätilanteessa sekä sähkömoottorin väännön suunnanvaihtotilanteessa eri akselin pituuksilla, eri kytkinten nopeuseroilla, eri traktorin painoilla ja eri kuormilla ajettaessa. Mallissa simuloitiin myös sähkömoottorin käyttäytyminen vaihteenvaihtotilanteessa eri pyörimisnopeuden säätimen kertoimilla. Työssä huomattiin, että akselin mitoituksella voitiin vaikuttaa vaihteistossa ilmeneviin voimiin kytkimen kytkentähetkellä. Myös kytkimen hammastuksessa olevalla hammasvälyksellä voitiin vaikuttaa kytkimiin kohdistuviin voimiin suunnanvaihtotilanteissa. Vaihteistoon kohdistuvista voimista voidaan jatkossa suunnitella kytkimen ja akselin profiili, jotta vaihteisto kestää siihen kohdistuvat voimat.