Browsing by Author "Simell, Pekka"

Filter results by typing the first few letters
Now showing 1 - 15 of 15
  • Kaasutuskaasujen tervojen hajotukseen soveltuvat katalyyttimateriaalit
    (1999) Haataja, Kirsi
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
    Diplomityössä tutkittiin kaasutuskaasun katalyyttistä puhdistusta korkean lämpötilan tervayhdisteistä. Työn kirjallisuusosassa selvitettiin eri reaktorityyppien soveltuvuutta hiilivetyjen hajotukseen sekä tervojen hajotukseen käytettyjä katalyyttimateriaaleja. Työn kokeellisessa osassa vertailtiin tervojen höyryreformointiin soveltuvien vähemmän käytettyjen katalyyttimateriaalien aktiivisuuksia. Tutkittavat materiaalit olivat hiilet, rautapitoiset materiaalit, laastit, tiilet, platinalanka, sirkoniumoksidi, dolomiitit ja piikarbidi sekä erilaiset kennokatalyytit. Työssä vertailtiin eri materiaaleilla saatavia tervan konversioiden ja reaktion kineettisten parametrien arvoja. Tervan malliaineena käytettiin bentseeniä ja tolueenia. Kokeet suoritettiin lämpötilavälillä 800-1050°C ja paineessa 0,1 MPa. Käytetty koelaitteisto koostui putkireaktorista, johon oli liitetty kaasun ja nesteen syöttöjärjestelmä, kaasujen analyysilaitteet sekä kaasukromatografi tervojen analysointia varten. Reaktoria lämmitettiin kolmilohkouunilla. Suurimmat tervan konversiot saavutettiin kennokatalyyteillä, rautasintterillä ja aktiivihiilellä. Suurin reaktionopeusvakion arvo oli rautasintterillä pelkistävässä kaasukehässä (357 000 m[3]/m[3](kat)h) lämpötilassa 900°C. Kaasutuskaasukehässä suurin arvo samassa lämpötilassa oli aktiivihiilellä (149 000 m[3]/m[3](kat)h). Reaktion aktivoitumisenergian arvot olivat lähes samansuuruiset platinalangalla, aktiivihiilellä, kivihiilikoksilla ja piikarbidilla (200-260 kJ/mol). Piikarbidin alhaisen aktivoitumisenergian (E_(a)) arvon todettiin mahdollisesti johtuneen sekundäärireaktiona muodostuvien 2- ja 3-sidoksellisten yhdisteiden muodostumisesta. Platinalangalla, aktiivihiilellä, kivihiilikoksilla ja piikarbidilla saatujen samansuuruisten aktivoitumisenergioiden arveltiin johtuneen mahdollisuudesta, että reaktiot olisivatkin tapahtuneet kaasufaasissa eivätkä katalyytin pinnalla.
  • Kaasutuskaasun puhdistaminen vesipesurilla
    (2000) Suomalainen, Marjut
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
  • Kaasunpuhdistuskatalyyttien deaktivoituminen
    (2007) Hiltunen, Ilkka
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
    Työn kirjallisuusosassa selvitettiin olosuhteet, joille kaasunpuhdistuskatalyytit altistuivat, ja zirkoniumoksidi-pohjaisten katalyyttien deaktivoitumiseen johtavia syitä. Työssä esiteltiin eri kaasutusprosessit ja selvitettiin polttoaineen vaikutusta tuotekaasun koostumukseen ja epäpuhtauksiin. Kokeellisessa osassa valmistettiin zirkoniumoksidi-pohjaisia katalyyttejä, joita testattiin sivuvirtakokeessa oikealla kaasutuskaasulla. Sivuvirtakoe kesti lähes 300 tuntia, ja kokeen aikana katalyyttien aktiivisuutta seurattiin mittaamalla kaasun tervapitoisuutta ja kaasun koostumusta. Sivuvirtakokeessa olleiden katalyyttien aktiivisuutta tervojen ja ammoniakin hajotuksessa verrattiin käyttämättömiin katalyytteihin. Aktiivisuudet mitattiin laboratoriossa ilmanpaineisella kiinteäpatjareaktorilla käyttäen simuloitua kaasutuskaasuseosta ja tervan malliaineena tolueenia ja naftaleenia. Katalyytit karakterisoitiin röntgendiffraktiolla, röntgenfluoresenssilla ja pyyhkäisyelektronimikroskopialla. Katalyyttien aktiivisuus tervojen hajotuksessa säilyi koko sivuvirtakokeen ajan korkeana. Kennojen painehäviö kasvoi koeajon aikana, ja kokeen loputtua havaittiin esireformointikennon hiiltyneen voimakkaasti. Laboratoriomittausten perusteella katalyyttien aktiivisuus tervojen hajottamisessa laski sivuvirtakokeen aikana. Käytettyihin katalyytteihin oli kertynyt sivuvirtakokeen aikana fosforia, kaliumia ja sinkkiä, mutta pitoisuudet olivat melko alhaisia. Sivuvirtakokeen aikana ei katalyyttien huokosrakenteessa eikä kiderakenteessa havaittu muutoksia.
  • Formic acid production from carbon dioxide and hydrogen
    (2021-03-16) Ukkonen, Ville
     Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
    This master's thesis investigates the feasibility of formic acid production from carbon dioxide and hydrogen, which has gained attention as a sustainable alternative for the conventional fossil fuel-based process. The literature part of this work reviews conventional and novel formic acid production processes, catalysts, and formic acid separation processes. In addition, the use of formic acid as a hydrogen energy carrier is discussed, and a market study is conducted for formic acid. The applied part of this work is divided into an experimental part and a techno-economic assessment. Continuous hydrogenation of ammonium bicarbonate to ammonium formate is studied in a laboratory-scale packed-bed reactor in the experimental part. The aim is to study the operational conditions and screen catalysts for the process. In addition, the effect of carbonate as an impurity in the process is studied. A preliminary industrial concept for formic acid and ammonium formate production from carbon dioxide and hydrogen is drafted in the techno-economic assessment. Two-level factorial design was utilized to study the effects of pressure and feed flow rate to bicarbonate conversion. The highest conversion was achieved with both variables at their high setting (30 bar and 2 mL/min). Process conditions seem to have little effect on bicarbonate conversion at the studied pressure and feed flow range. Out of the screened catalysts, 5 wt\% Pd/AC reached the highest conversion. Bicarbonate and carbonate mixtures achieved lower conversions than the bicarbonate solution in the hydrogenation process. The industrial concept was drafted by developing block flow diagrams and mass balances for industrial-scale production processes. The economic potential of the processes was estimated based on the mass balances. Formic acid production turned out not to be economically feasible due to the low market price of formic acid and high raw material expenses. Ammonium formate production has economic potential, and the feasibility of the process should be studied in more detail. Overall, formic acid and formate production from carbon dioxide and hydrogen seem to be an attractive and sustainable alternative for their conventional production processes. However, more research and development is needed to prove process maturity for industrial scale.
  • Hakkeen myötävirtakaasutuksessa syntyvän kaasun pesuveden kierrätys
    (1985) Simell, Pekka
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
  • Kaasutuskaasun sisältämien tervamaisten epäpuhtauksien karaktersointi ja katalyyttinen hajotus
    (1989) Simell, Pekka
     Helsinki University of Technology | Licentiate thesis
  • Bentseenin höyryreformointireaktion kineettinen mallintaminen
    (1996) Talonen, Elisa
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
  • Bentseenin kuivareformointireaktion kineettinen mallintaminen
    (1995) Hakala, Nina
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
  • Low-temperature atomic layer deposition of SiO2/Al2O3 multilayer structures constructed on self-standing films of cellulose nanofibrils
    (2018-02-13) Putkonen, Matti; Sippola, Perttu; Svärd, Laura; Sajavaara, Timo; Vartiainen, Jari; Buchanan, Iain; Forsström, Ulla; Simell, Pekka; Tammelin, Tekla
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    In this paper, we have optimized a low-temperature atomic layer deposition (ALD) of SiO2 using AP-LTO® 330 and ozone (O3) as precursors, and demonstrated its suitability to surface-modify temperature-sensitive bio-based films of cellulose nanofibrils (CNFs). The lowest temperature for the thermal ALD process was 80°C when the silicon precursor residence time was increased by the stop-flow mode. The SiO2 film deposition rate was dependent on the temperature varying within 1.5–2.2 Å cycle−1 in the temperature range of 80–350°C, respectively. The low-temperature SiO2 process that resulted was combined with the conventional trimethyl aluminium + H2O process in order to prepare thin multilayer nanolaminates on self-standing CNF films. One to six stacks of SiO2/Al2O3 were deposited on the CNF films, with individual layer thicknesses of 3.7 nm and 2.6 nm, respectively, combined with a 5 nm protective SiO2 layer as the top layer. The performance of the multilayer hybrid nanolaminate structures was evaluated with respect to the oxygen and water vapour transmission rates. Six stacks of SiO2/Al2O with a total thickness of approximately 35 nm efficiently prevented oxygen and water molecules from interacting with the CNF film. The oxygen transmission rates analysed at 80% RH decreased from the value for plain CNF film of 130 ml m−2 d−1 to 0.15 ml m−2 d−1, whereas the water transmission rates lowered from 630 ± 50 g m−2 d−1 down to 90 ± 40 g m−2 d−1.
  • Low-Temperature Molecular Layer Deposition Using Monofunctional Aromatic Precursors and Ozone-Based Ring-Opening Reactions
    (2017-09-26) Svärd, Laura; Putkonen, Matti; Kenttä, Eija; Sajavaara, Timo; Krahl, Fabian; Karppinen, Maarit; Van De Kerckhove, Kevin; Detavernier, Christophe; Simell, Pekka
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Molecular layer deposition (MLD) is an increasingly used deposition technique for producing thin coatings consisting of purely organic or hybrid inorganic-organic materials. When organic materials are prepared, low deposition temperatures are often required to avoid decomposition, thus causing problems with low vapor pressure precursors. Monofunctional compounds have higher vapor pressures than traditional bi- or trifunctional MLD precursors, but do not offer the required functional groups for continuing the MLD growth in subsequent deposition cycles. In this study, we have used high vapor pressure monofunctional aromatic precursors in combination with ozone-triggered ring-opening reactions to achieve sustained sequential growth. MLD depositions were carried out by using three different aromatic precursors in an ABC sequence, namely with TMA + phenol + O3, TMA + 3-(trifluoromethyl)phenol + O3, and TMA + 2-fluoro-4-(trifluoromethyl)benzaldehyde + O3. Furthermore, the effect of hydrogen peroxide as a fourth step was evaluated for all studied processes resulting in a four-precursor ABCD sequence. According to the characterization results by ellipsometry, infrared spectroscopy, and X-ray reflectivity, self-limiting MLD processes could be obtained between 75 and 150 °C with each of the three aromatic precursors. In all cases, the GPC (growth per cycle) decreased with increasing temperature. In situ infrared spectroscopy indicated that ring-opening reactions occurred in each ABC sequence. Compositional analysis using time-of-flight elastic recoil detection indicated that fluorine could be incorporated into the film when 3-(trifluoromethyl)phenol and 2-fluoro-4-(trifluoromethyl)benzaldehyde were used as precursors.
  • Methanol steam reforming for polymeric electrolyte membrane fuel cells applications
    (2013) Vidal Vázquez, Francisco de Sáles
     School of Chemical Engineering |
  • Reverse water-gas shift reaction in dielectric barrier discharge reactor
    (2021-12-14) Virkki, Niko
     Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
    This master’s thesis study demonstrated a working dielectric barrier discharge (DBD) reactor for reverse water-gas shift reaction (RWGS). The DBD reactor was a plasma reactor that ran in atmospheric pressure and around 100 °C, which was considerably lower than with conventional thermo catalytic methods used in RWGS. The DBD reactor allowed a packed bed to be used in the reaction. Atmospheric pressure, low temperature and applicable catalyst were the major advantages in the DBD technology. The applied catalyst also acted as a way to improve the plasma quality in an effect called plasma catalytic synergy. The literature part of this work briefly discussed the history of RWGS and the thermodynamics of the reaction. Different plasma reactors are presented and discussed. Most importantly the plasma catalytic synergy and the parameters that affect the formation of the plasma were reviewed. Also, some examples of the effect of packed beds in DBD reactors from other studies were reviewed. RWGS was experimented on the effect of plasma power on the conversion, selectivity, and energy efficiency. Experiments were done on multiple catalysts and packing materials in the DBD reactor. The effect of gas hourly space velocity (GHSV) was also tested on an empty reactor by testing different electrode and reactor lengths and volumetric flowrates of the reagents. The reactor worked and produced carbon monoxide via RWGS. The best catalyst that was tested in the reactor was SiO2 + 1 wt-% Pt. The CO2 conversion was 30.9%, CO selectivity 98%, outlet purity 17.8 vol-% CO, and energy efficiency of CO production 1.7 mmol/kJ. Catalysts that form significantly methane were also found. The results show that there is still much work to be done in the efficiency of the process, it was not efficient enough for an economical process yet.
  • Ammoniakin selektiivinen hapetuskatalyytti
    (2007) Vuori, Vesa
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
    Diplomityön kirjallisuusosassa perehdyttiin ammoniakin selektiiviseen katalyyttiseen hapetukseen (SCO) viime vuosina kehitettyihin katalyytteihin. Työssä selvitettiin eri metallikatalyyteillä saavutettu ammoniakin konversio ja selektiivisyys laajalla lämpötila- ja painealueella. Kirjallisuusosan pääpaino oli erilaisille kantajille valmistetuissa kuparikatalyyteissä, mutta myös nikkeli-, rauta-, mangaani- sekä jalometallikatalyyttien aktiivisuus kartoitettiin. Tutkimus liittyi kaasutuskaasun katalyyttiseen puhdistukseen sitä energianlähteenään käyttävissä kombivoimalaitoksissa (IGCC). Kokeellisessa osassa selvitettiin ammoniakin poikkeavuus ideaalikaasusta ja estimoitiin laskennallisesti kompressibiliteettikertoimen arvot lämpötila- ja painealueella 200-1000 °C ja 1-30 bar. Lisäksi laskettiin ammoniakin termodynaamiset tasapainopitoisuudet ja -konversiot kaasutuskaasuseoksessa kyseisissä olosuhteissa. Työssä tutkittiin kaupallisten kuparikatalyyttien aktiivisuutta ammoniakin selektiivisessä hapetuksessa simuloidulla kaasutuskaasuseoksella, joka sisälsi ammoniakkia 4380 ppm. Katalyyttinäytteistä osa oli monoliittikennomuodossa ja osa pelletteinä. Kennokatalyyttien aktiivisuusmittaukset suoritettiin sekä ilmanpaineessa että korkeassa 10 bar paineessa. Pellettikatalyyttien aktiivisuutta tutkittiin vain ilmanpaineessa. Mittaukset suoritettiin kiinteäpatjareaktorilla lämpötilavälillä 300-600 °C. Tutkittujen kuparikatalyyttinäytteiden aktiivisuus ammoniakin hapetuksessa vaihteli huomattavasti. Parhailla kennokatalyyteillä saavutettiin ammoniakille ilmanpaineessa yli 70 %:n konversio hyvällä selektiivisyydellä. Korkeassa 10 bar:n paineessa konversiot olivat yleisesti alle 30 %. Pellettikatalyyteillä saavutettiin ammoniakin konversioksi yli 80 %. Vedyn ja hiilimonoksidin konversioiden havaittiin kuitenkin olevan korkeita kaikilla tutkituilla kuparikatalyyteillä. Tämä laskee kaasun polttoarvoa ja siten haittaa merkittävästi sen voimalaitoskäyttöä.
  • Kuumasuodattimen tukkeutumisilmiön simulointi laboratorio-oloissa
    (2008) Suokko, Aki
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
    Työn kirjallisuusosassa esitetään kaasutusprosesseja. Työssä kuvataan biomassan kaasutuksesså muodostuvien tervojen aikaansaama kuumasuodattimen tukkeutumisilmiö, joka on yksi suurimmista kehittyneiden kaasutusprosessien kaupallistamisen esteistä. Lisäksi esitettiin lyhyt katsaus uusimmista kaasutuskaasun kuumasuodatuksen kehityssuunnista. Kokeellisessa osassa simuloitiin suodatinjärjestelmän tukkeutumista tervan malliaineen läsnä ollessa korkeassa lämpötilassa. Suodatinjärjestelmä koostui keraamisesta kynttiläsuodattimesta, jonka pintaan syötettiin lentotuhkaa pneumaattisesti avustetulla ruuvisyöttimellä. Tervan malliaine, joka koostui tolueenista, naftaleenista ja fenantreenista, syötettiin esilämmitettyyn typpivirtaan nestekromatografiapumpulla. Höyrystyneen tervamalliaineen ja typen seos johdettiin reaktoriin, jonka lämpötilaa voitiin säätää. Reaktorissa tervan malliaineen ja kantokaasun seos johdettiin suodatinjärjestelmän läpi otsapintanopeudella 4 cm/s. Tässä työssä onnistuttiin todentamaan kuumasuodattimen tukkeutumisilmiö laboratorio-oloissa ja selvittämään tukkeutumiseen liittyviä tekijöitä. Lämpötilan, mutta ei malliaineen pitoisuuden, havaittiin vaikuttavan eksponentiaalisesti kuumasuodattimen tukkeutumisnopeuteen. Tukkeutumisen voitiin osoittaa johtuvan tervan malliaineen koksaantumisesta suodatinkakkuun. Koksin muodostuminen suodatinkakussa voitiin havaita kemiallisten analyysien lisäksi visuaalisesti. Visuaalisella tukkeutumisen havainnointimenetelmällä olisi suuri arvo kaupallisissa kaasutusprosesseissa. Tukkeutumisilmiö havaittiin vasta yli 725 °C:n lämpötiloissa, eli huomattavasti korkeammassa lämpötilassa kuin kaasutusprosesseissa on havaittu. Tässä työssä käytettiin kaasutuskaasun ja korkean paineen sijaan typpeä ja ilmanpaineista laitteistoa, mikä voi selittää eron tukkeutumislämpötiloissa prosessin ja koejärjestelyn välillä. Tukkeutumisilmiöön viittaavaa paine-eron nousua havaittiin myös ilman suodatinkakkua, joskin huomattavasti hitaampana kuin suodatinkakun kanssa. Tällä voi olla merkitystä kaasutusprosessissa, jossa keraaminen suodatin altistuu elinkaarensa aikana lukuisia kertoja tervoille ilman suojaavaa suodatinkakkua.
  • Two-Step Conversion of CO2 to Light Olefins: Laboratory-Scale Demonstration and Scale-Up Considerations
    (2022-12) Reinikainen, Matti; Braunschweiler, Aki; Korpilo, Sampsa; Simell, Pekka; Alopaeus, Ville
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    The highly selective production of light olefins from CO2 was demonstrated for the first time with a laboratory-scale process comprising consecutive reverse water gas shift (RWGS) and Fischer–Tropsch (FT) reactors. The RWGS reaction, catalyzed by rhodium washcoated catalyst at 850 °C yielded good quality syngas with conversion values close to the thermodynamic equilibrium and without experiencing catalyst deactivation from carbon formation or sintering. For the FT synthesis, a packed bed Fe-Na-S/α-Al2O3 catalyst was used. The highest light olefin selectivity observed for the FT-synthesis was 52% at 310 °C, GHSV of 2250 h−1 and H2/CO ratio of 1. However, the optimal conditions for the light olefin production were determined to be at 340 °C, a GHSV of 3400 h−1 and a H2/CO ratio of 2, as the CO conversion was markedly higher, while the light olefin selectivity remained at a suitably high level. In addition to the experimental results, considerations for the further optimization and development of the system are presented. The combined RWGS–FT process seems to work reasonably well, and initial data for basic process design and modeling were produced.