Synteesikaasun liukoisuus ja aineensiirto fermentointiliuokseen

Työssä tutkittiin synteesikaasun komponenttien: hiilimonoksidin, vedyn ja hiilidioksidin liukoisuutta ja aineensiirtonopeutta fermentointiliuokseen. Kirjallisuusosassa käsitellään kaasujen liukoisuuksiin ja kaasu-nesteaineensiirtoon vaikuttavia tekijöitä ja esitellään korrelaatioita, jotka on kehitetty volumetrisen aineensiirtokertoimen ennustamiseen sekoitetussa fermentorissa. Kirjallisuus-osassa esitetään myös synteesikaasun komponenttien liukoisuudet veteen, etanoliin ja etikkahappoon 37 ºC lämpötilassa ja esitellään Flowbat-simulointiohjelman MHV2-mallin käyttöä kaasu-neste tasapainojen mallin-nuksessa. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin synteesikaasun komponenttien liukoisuuksia veteen ja kasvatusalustaan sekä kehitettiin mittausmenetelmä kaasu-neste tasapainojen mittaukseen. Tasapainomittauksissa tutkittiin etanolin ja etikkahapon konsentraatioiden vaikutusta synteesikaasun liukoisuuteen. Lisäksi mallinnettiin kaasu-neste tasapainoja monikomponenttisysteemeissä MHV2-mallin avulla. Kokeellisen osan aineensiirtomittauksissa tutkittiin sekoitusnopeuden ja kaasun volumetrisen syöttönopeuden vaikutusta hiilimonoksidin ja vedyn volumetriseen aineensiirtokertoimeen kLa kahden litran tilavuuksisessa laboratoriofermentorissa. Mittaustulosten perusteella kasvatusalustan komponentit vaikuttavat merkittävästi hiilidioksidin liukoisuuteen. Lisäys etanolin ja etikkahapon konsentraatioissa parantaa hiilimonoksidin liukoisuutta kasvatusalustaan. Kaasun volumetrinen syöttönopeus ja sekoitusnopeus vaikuttavat voimakkaasti volumetrisen aineensiirtokertoimen arvoon. Tutkitussa systeemissä korkein teoreettinen solutiheys, joka voitiin saavuttaa suurimmalla hiilimonoksidin aineensiirto-nopeudella, oli 3 g/L. Tämä on kaksinkertainen verrattuna aiemmissa VTT:n kokeissa saavutettuihin solutiheyksiin.

Lämmön- ja aineensiirto hiilipartikkelin palamisessa

Tässä tutkimusraportissa käsitellään yksittäisen hiilipartikkelin palamisen teoriaa. Tutkimusraportissa tullaan esittelemään palamisen kannalta olennaiset ilmiöt kuten lämmön- ja aineensiirto sekä palamiseen liittyvät reaktiot ja palamisen vaiheet. Lisäksi tarkastellaan eri aineominaisuuksien riippuvuutta eri parametreista. Käsitellyn teorian pohjalta luodaan palamista kuvaava malli, jonka avulla kuvataan aineensiirtoa ja lämpötilajakaumaa yksittäisessä partikkelissa. Tavoitteena on mallin avulla tarkastella partikkelikoon vaikutusta yllä esitettyihin ilmiöihin.

Effect of antifoams on oxygen mass transfer in pulp and paper mill effluents

Vaahdonestoaineiden haitallinen vaikutus hapen liukenemisnopeuteen biologisen puhdistamon jätevesissä on yleisesti tunnettua. Aineiden eri vaikutusmekanismien takia on silti vaikea etukäteen arvioida, miten ja kuinka paljon aineensiirto muuttuu. Työn tavoitteena oli saada tietoa vaahdonestoaineiden ja muiden pinta-aktiivisten aineiden vaikutuksesta kuplakokoon, kaasun tilavuusosuuteen ja kaasu-neste aineensiirtoon. Työn teoriaosassa on kuvailtu vaahdon muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä sekä eri vaahdonestoaineiden vaikutusmekanismeja sellu- ja paperitehtaan jätevedessä. Edelleen on esitetty useita hapen siirtoa estäviä ja parantavia aineita. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenkymmenenviiden eri pinta-aktiivisen aineen vaikutusta hapen liukenemisnopeuteen yksivaiheisessa kuplakolonnissa. Kokeet tehtiin kahdella pitoisuudella, kahdella eri kaasunjakolaitteella ja kolmella eri kaasun tyhjäputkinopeudella. Aineensiirtokokeiden rinnalla tutkittiin jätevesien laatu- ja fysikaalisiaominaisuuksia, niiden vaikutusta hapen liukenemisnopeuteen sekä testattavien koeaineiden vaikutusta fysikaalisin ominaisuuksiin. Kokeet osoittavat että pinta-aktiivisten aineiden vaikutus hapen aineensiirtoon vaihtelee riippuen kaasunjakolaitteesta ja aineen pitoisuuksista. Testatuista vaahdonestonaineista pienin negatiivinen vaikutus oli aineella AT 35 ja positiivinen vaikutustodettiin olevan vaahdonestoaineiden komponenteilla: P2, S1, F4 ja T9.

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.

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.

Sinkkirikasteen liukenemisnopeuteen vaikuttavat tekijät ja sinkkirikasteen suoraliuotuksen mallintaminen

Työn kirjallisuusosassa selvitettiin eri tekijöiden (lämpötila, paine, mineralogia, partikkelikoko, sekoitus, kiintoainepitoisuus, liuoksen happo-, rauta- ja happipitoisuus) vaikutusta sinkkirikasteen suoraliuotusprosessin tärkeimpiin ilmiöihin (diffuusio, aineensiirto, reaktiokinetiikka). Kirjallisuusosassa kartoitettiin myös tämän hetkistä tietämystä niistä tekijöistä, jotka ovat oleellisia, kun sinkkirikasteen suoraliuotusprosessia mallinnetaan. Näitä tekijöitä ovat: sinkkirikasteiden liuotuksen kemia, sinkkirikasteiden liuotuksen kinetiikka ja mekanismit, kaasuneste aineensiirto ja kiinteäneste aineensiirto. Lisäksi selvitettiin millä tavoin aikaisemmissa tutkimuksissa sinkkirikasteiden suoraliuotusta on mallinnettu. Mallinnusosassa käsiteltiin atmosfääristä sinkkirikasteen suoraliuotusta, jossa hapettimena toimi ferri(III)rauta. Mallintamisessa käytettiin kirjallisuudessa esitettyjä mittaustuloksia ja mallintaminen tehtiin Modest tietokoneohjelmistolla. Työssä tehty atmosfäärisen suoraliuotuksen mallintaminen labo-ratoriomittakaavassa (laimeat liuokset ja pienet kiintoainepitoisuudet) antoi lupaavia tuloksia. Ongelmia mallin ennustuksen kanssa esiintyi pienissä happopitoisuuksissa, alhaisissa lämpötiloissa sekä pienillä ja suurilla partikkeleilla. Työn kirjallisuusosassa tunnistettiin ne ongelmakohdat, jotka vaativat lisätutkimuksia, jotta sinkkirikasteen atmosfääriselle suoraliuotukselle pystytään kehittämään simulointimalli. Näitä ovat: 1. Hapen liukoisuus ja aineensiirto teollisuuden käyttämissä sinkkirikastelietteissä, 2. Sopivien mittaustulosten puuttuminen, jotta atmosfääristä suoraliuotusta, jossa O2 ja Fe3+ toimivat hapettimena voitaisiin mallintaa, 3. Kiinteäneste aineensiirron merkitys sinkkirikasteen suoraliuotuksessa. Mallinnusosassa osoitettiin, että mekanistisella mallintamisella voidaan simuloida sinkkirikasteen atmosfääristä suoraliuotusta ainakin laboratoriomittakaavassa. Työn perusteella voidaan todeta, että sinkkirikasteen atmosfääriselle suoraliuotukselle voidaan työssä ehdotettujen jatkotutkimusten avulla kehittää numeerinen mekanistinen malli, jolla atmosfääristä sinkkirikasteiden suoraliuotusprosessia voidaan simuloida eri olosuhteissa.

PPOOLEX-laboratoriokoelaitteiston kaasunpoisto

PPOOLEX-laboratoriokoelaitteistolla tutkitaan höyryn lauhtumiseen liittyviä ilmiöitä Lappeenrannan teknillisen yliopiston Ydinturvallisuuden tutkimusyksikössä. Laitteiston pääkomponentti on sylinterin muotoinen pystysäiliö, joka täytetään kokeita varten osittain vesijohtovedellä. Tehokkaiden laboratoriokokeiden mahdollistamiseksi säiliön veteen liuenneet kaasut on poistettava. Kaasunpoisto toteutetaan Airsepex 4.2 -vedenkäsittelylaitteistolla, joka on liitetty erillisellä kiertopiirillä PPOOLEX-laitteistoon. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on esitellä aineensiirron ja kaasunpoiston keskeisiä ilmiöitä PPOOLEX-käytössä. Työn teoriaosan tavoitteena on myös luoda yksinkertainen matemaattinen malli, jonka avulla voidaan mallintaa veden kaasupitoisuutta koelaitteistossa. Työn kokeellisessa osassa tehtiin laboratoriomittaukset, joissa määritetään veden kaasupitoisuuden muutos ajan suhteen. Tehtyihin laboratoriomittauksiin liittyi useita epävarmuuksia, joiden takia saatuihin mittaustuloksiin on syytä suhtautua hyvin kriittisesti. Matemaattinen malli vastasi mittaustuloksia kaasunpoistolaitteiston sammutuksen jälkeen. Kaasunpoistolaitteiston ollessa käytössä matemaattisen mallin tulokset kuitenkin eroavat merkittävästi mittaustuloksista. Erot tuloksissa johtuvat mittauksiin liittyvistä epävarmuuksista sekä matemaattisen mallin oletuksista ja yksinkertaistuksista. PPOOLEX-säiliön vettä ei saada käytetyllä kaasunpoistolaitteistolla täysin kaasuttomaksi. Vielä ei ole varmuutta siitä, saadaanko veden kaasupitoisuus riittävän matalaksi laboratoriokokeita varten.