Uutta tietoa huipputeknologiasta ja sen hyödyntämisestä, tietoa tulevaisuuden ratkaisuista ja palveluista päätöksenteon tueksi ja liiketoiminnan kehittämiseen. Kohdistettu VTT:n kumppaneille, asiakkaille sekä huipputeknologiasta ja sen sovelluksista kiinnostuneille.
Julkaisu tieteestä, teknologiasta ja liiketoiminnasta

​​​​ChemSheet-laskenta soveltuu monipuolisesti vaativien teollisuuskohteiden mallinnukseen. Kuvan tutkijoilla on kokemusta mallien laatimisesta niin biomassan termisessä käsittelyssä, sellun- ja paperinvalmistuksessa kuin kemiassa ja materiaalitekniikassa. Vasemmalta Petteri Kangas, Anna Kalliola ja Risto Pajarre. Taustalla kuparin liekkisulatusprosessin ChemSheet-malli.

ChemSheet-innovaatioilla tietä uusille ratkaisuille

Pertti Koukkari, Risto Pajarre, Petteri Kangas | 31.12.2014

​Prosessien ja materiaalien kehitystyölle on yhteistä pyrkimys parempaan toiminnallisuuteen ja aina uusiin ratkaisuihin, jotka säästävät sekä materiaaleja itseään että energiaa ja ympäristöä. Sovelluksesta riippuen onnistumiseen vaikuttavat fysikaalisten ja kemialliset vuorovaikutusten lisäksi ympäristötekijät. 

 

 


 

Tutkimusprofessori Pertti Koukkarin johtama asiantuntijaryhmä on kehittänyt uuden termodynaamisen laskentamene­telmän, jolla voidaan monipuolisesti ennustaa ja ohjata sekä funktionaalisten materiaalien valmistusta että entistä tehokkaampien kemiallisten ja biokemiallisten prosessien kehittämistä.

Vuonna 2007 professori Koukkari ja  erikoistutkija Risto Pajarre saivat niin sanotusta rajoitettua termodynaamisen energian minimointia (CFE) koskevasta julkaisustaan tiedelehti CALPHAD Journalin (1) parhaan julkaisun palkinnon. Julkaisussa esitettiin ensi kertaa menetelmä, jolla termodynaamisen vapaanenergiafunktion käyttö voidaan yleistää systeemeille, jossa esiintyy muitakin kuin globaaliin kemialliseen tasapainoon johtavia vuorovaikutustekijöitä.  

Julkaisussa esitetyn periaatteen avulla voidaan ottaa huomioon ajasta riippuvat dynaamiset ja monipuolisesti erilaiset fysikaaliset tekijät perinteisissä laskentarutiineissa, ja siten merkittävästi laajentaa niihin perustuvien tekniikoiden sovellusmahdollisuuksia. Palkittu menetelmä on sittemmin johtanut useihin käytännön sovelluksiin, joita on esitelty sekä VTT:n tutkimusraporteissa että kansainvälisillä tiedefoorumeilla. Uusi lähestymistapa on myös lisännyt kiinnostusta VTT:n ChemSheet-laskentaohjelman käyttöön eri puolilla maailmaa.  Professori Koukkari on koonnut CFE-laskentamenetelmän taustan uuteen VTT Technology -sarjan julkaisuun ja vaativaan aiheeseen liittyvät kaksi väitöskirjaa ovat valmistumassa.  


 

Muutosdynamiikka mukaan tasapainolaskentaan

Monimutkaisten kemiallisten ja fysikaalisten vuoro­vaikutusten hallinta on prosessi- ja materiaalitieteissä keskeinen ongelma. Fysikaalis-kemiallisten riippuvuuksien avulla kehitetään materiaalien rakenteellisia ja toiminnallisia ominaisuuksia sekä hallitaan niiden kestävyyttä eri olosuhteissa. Prosessitekniikassa pyritään samalla tavoin optimaaliseen toiminnallisuuteen sekä käytettävien raaka-aineiden ja energian että kokonaisuuden ympäristövaikutusten suhteen.  

Materiaalivirroissa ja -rakenteissa ilmenevät  kemian ja fysiikan vuorovaikutukset voidaan kuvata matemaattisessa muodossa termodynaamisen vapaaenergiafunktion avulla. Vapaaenergiafunktion minimointi yhdistää termodynamiikan pääsäännöt ja määrää kvantitatiivisesti kaikki muutokset, joita fysikaaliset ja kemialliset ajavat voimat saavat eri materiaaleissa aikaan. Spontaanisti tapahtuvaa kemiallista muutosta ohjaa reaktio­systeemin pyrkimys tasapainoon (vapaan energian minimiin).  Kun termodynamiikka lisäksi antaa eri energiamuotojen välisten muutosten matemaattisen kuvauksen, on asiantuntijalla käytössä tehokas ja systemaattinen keino­valikoima niin materiaalien ominaisuuksien kuin prosessien käyttäytymisen hallintaan. Tietotekniikan nopea kehitys on viime vuosikymmeninä tullut avuksi abstraktin teorian muuttamisessa käytännön sovelluksiksi. Etuna on kuitenkin myös, että termodynaamisten ongelmien ratkaisu ei yleensä vaadi suurta laskentakapasiteettia, vaan henkilökohtaisten työasemien numeriikkateho on yleensä varsin riiittävä. 

Perinteiset termodynamiikan laskentamenetelmät keskittyvät lämpötilan ja paineen vaihteluiden materiaaleissa aiheuttamien olomuotomuutosten ja kemiallisten reaktiotuotteiden kuvaamiseen. Niinpä kansainvälisesti laajassa käytössä olevat laskentamenetelmät soveltuvatkin erityisesti muun muassa kemiantekniikassa ja materiaalitieteissä laajasti käytettyjen faasitasapainoja kuvaavien diagrammien tuottamiseen ja globaalisten tasapainotilojen ratkaisemiseen.  

Käytännön prosesseissa kuitenkaan tasapainoa ei useimmiten joko saavuteta tai käsiteltävän materiaalin koostumukseen vaikuttavat muutkin kuin kemialliset tekijät. Prosessiteknisille sovelluksille tarvittiinkin uusi lähestymistapa, jolla sekä kemiallisten muutosten aika­dynamiikka että eri tavoin vaikuttavat fysikaaliset tekijät voidaan ottaa huomioon vapaan energian minimoinnissa. Menetelmän tieteellinen merkitys liittyy juuri sen kykyyn määrittää termodynaamiset potentiaalit monipuolisesti ja toisen pääsäännön mukaisesti myös muutosten aikana, ei vain tasapainotiloille. Se mahdollistaa siten myös laskennan tapauksille, joissa ulkoisella energiapanoksella muutos saadaan tapahtumaan päinvastaiseen (ei-spontaaniin) suuntaan esimerkiksi akkuja sähkö­virralla ladattaessa. 

VTT:n kehittämät laskentaohjelmat on kaupallistettu yhdessä saksalaisen GTT Technologies GmbH:n kanssa, joka markkinoi termodynaamisia laskentaohjelmistoja ja tietokantoja maailmanlaajuiseen levitykseen. ChemSheet-ohjelmisto on jo vuodesta 1999 lähtien kuulunut tähän tuoteperheeseen. ChemSheet- ja rumpu-uunien simulointiin kehitetty KilnSimu ovat käytössä yli 20 maassa sekä tutkimuslaitoksissa että teollisuudessa. Japanissa ohjelmien kaupallisesta soveltamisesta huolehtii Tokiossa sijaitseva prosessilaskentaan keskittynyt yhtiö RCCM, ja yhteistyössä on ollut mukana myös suomalainen prosessisimulointiin erikoistunut PK-yritys Process Flow Ltd OY. 


 

Prosessitekniikka: energiansäästöä ja uusia ratkaisuja

Termodynamiikan yleisimpiä lakeja hyödyntävän CFE-menetelmän sovellukset ovat hyvin monipuolisia ja ulottuvat nanomateriaalien ominaisuuksien ennustamisesta täysimittaisten teollisten prosessien kehittämiseen.  

Prosessimalleja  on valmistettu niin energia- ja metsäteollisuudelle kuin myös  kemian teollisuuteen ja metallinjalostajille. Esimerkiksi prosessiteollisuuden suurissa yksikkölaitteissa kuten polttokattiloissa ja rumpu-uuneissa esiintyy usein monimutkaista kemiaa, jota ei voida vaativien olosuhteiden vuoksi seurata suorilla mittauksilla. 

Uuden menetelmän ansiosta näiden prosessien laskennallinen simulointi onnistuu kuitenkin varsin hyvällä tarkkuudella. Kun termodynaaminen menetelmä lisäksi huomioi samanaikaisesti sekä kemialliset että energiamuutokset, on monesti voitu saavuttaa huomattavia parannuksia prosessien raaka-aine- ja energiatehokkuudessa vain muuttamalla ajo-olosuhteet tietokonesimulointiin luottaen. Esimerkiksi sinkin kierrätyksessä käytetyn rumpu-uunin hiilijalanjälkeä on näin voitu pienentää jopa 40 prosenttia, ja ChemSheet-mallia kehitysvaiheessa soveltanut prosessiratkaisu on nyttemmin hyväksytty EU:n BAT-luokitukseen. 

ChemSheetin etu on myös siinä, että termo­dynaaminen kuvaus kattaa systeemin kaikki alkuaineet ja yhdisteet eikä rajoitu pää­komponenttien reaktioihin, kuten perinteiset prosessikemian mallit. Siten haitalliset päästöt ja mahdolliset sivutuotteet tulevat myös yksityiskohtaisen simulointitarkastelun piiriin. Tätä on sovellettu muun muassa Japanissa UBE:n sementtitehtailla haitallisten kloridien ja sulfaattien poistamiseksi sementinvalmistusprosessista ja edelleen Suomessa  muun muassa prosessin vierasaineiden talteenottoon sellutehtaiden kemikaalikierrosta. ChemSheet-tekniikan monipuolisuutta kuvaa sekin, että Japanissa huomio kohdistuu yli 1 400-asteiseen sementtiuunin kaasukiertoon, kun taas vierasainekontrollia toteutetaan metsäteollisuuden vesikierroissa.  

Tyypillinen teollinen sovelluskohde on myös kokonaan uuden prosessikemian konseptin sisäänajo onnistuneen simuloinnin avulla; tällainen oli esimerkiksi  paperiteollisuudessa toteutettu mittava siirtyminen neutraaliin paperinvalmistukseen 2000-luvun alussa. Keskeinen innovaatio oli selluloosakuidun sisäisen sähkövarauksen – niin sanotun kuidun ioninvaihtopotentiaalin – sisällyttäminen paperikoneiden kemiamalleihin juuri VTT:n kehittämän CFE-tekniikan avulla. Termodynaamisen ioninvaihto­potentiaalin avulla päästiin kontrolloimaan konesulpun happoisuutta ja voitiin määrittää neutraalissa ajotavassa tarvitut uudet kemikaaliannostukset.  

Tämän päivän kehityshaasteeksi paperi­koneilla on muodostunut täyteaineen in-line–valmistus (In-Line PCC) saostamalla karbonaatti hiilidioksidilla suoraan paperikoneen putkilinjassa. VTT:n tutkijat tekevät yhteistyötä Savonlinnassa toimivan teknologiayritys Wetend Technologies Oy:n kanssa, joka markkinoi ja kehittää in-line-tekniikkaa. 

Kesällä 2014 Wetendin suorittamissa pilot-kokeissa onkin saatu merkittäviä uusia tuloksia. Tuotantokustannuksiltaan hyvin kilpailukykyisellä In-Line PCC tekniikalla tehdyn täyteaineen käyttöönotto tuottaa käyttäjälle huomattavia etuja muodostamalla lujia kuitu-karbonaatti-komposiittirakenteita korvaamalla paperissa tai kartongissa arvokasta kuitua täyteaineella ja puhdistamalla tehtaan vesikiertoa.


 

Tulevaisuuden haasteita BAT-tekniikoisssa ja prosessien ohjauksessa

Prosessiteollisuuden globaalisti käynnissä oleva digitalisointi antaa termodynaamisella lähestymistavalle uusia mahdollisuuksia ja tuo uusia haasteita. Useimmat perinteiset prosessithan on lähtökohtaisesti suunniteltu aikana, jolloin ChemSheetin kaltaisia kehittyneitä tietokone­tekniikoita ei ollut käytettävissä. Kehitettäessä uusia BAT-tason tekniikoita mallinnus on havaittu hyväksi työkaluksi yksikkövaiheiden maksimitehokkuutta ja minimipäästöjä tavoiteltaessa. 

Yksikköprosessien monikomponenttimallit voidaan edelleen yhdistää koko prosessin seurantajärjestelmäksi. Mikäli prosessin aikavakiot sen mahdollistavat, voidaan termodynaamisia malleja hyödyntää myös suoranaiseen prosessiohjaukseen. Esimerkki julkaistusta ohjausmallista on Kanadassa Xstrata Nickel -yhtiön monivaiheinen nikkelisulaton ­ChemSheet-
simulointi, jota käytetään sulaton on-line-
ohjauksen tukena. 

Suomessa tutkitaan parhaillaan vastaavien ratkaisujen kehittämistä muun muassa FIMECC-SHOKin ohjelmaprojekteissa. Ajankohtaisia sovellusalueita ovat myös erilaiset kierrätys- ja cleantech-ratkaisut. Esimerkiksi Itävallassa ChemSheet-ohjelmaa on hyödynnetty kehitettäessä yhdyskuntajätteestä talteenotettujen fosfaattiravinteiden puhdistukseen ja kierrätykseen liittyvää teknologiaa.   


 

Uusia avauksia materiaalitieteissä

Vaikka VTT:n tutkijoiden pääkohteena ovat olleet edellä kuvatut perinteisemmät prosessiteknologiat, on CFE -menetelmän käyttöönotto tuottanut monia uusia avauksia myös materiaalitieteiden alueella. Materiaalitekniikan haasteena on useimmiten rakenne–ominaisuudet–suorituskyky (structure-property-performance) -ketjun hallitseminen. Myös tähän termodynamiikka tarjoaa usein käyttökelpoisia ratkaisuja ennustamalla koostumuksesta riippuvien työfunktioiden vaikutusta joko materiaalien muokkaukseen tai niiden toimintaan.   

Uusia tutkimusaiheita kartoitetaan VTT:n kansainvälisessä yhteistyössä, mutta myös ChemSheet-ohjelman käyttö eri puolilla maailmaa tuo tietoa kohteista, joihin CFE-tekniikkaa on sovellettu. Uusi tekniikka tarjoaa esimerkiksi keinon tarkastella materiaaliseoksiin niiden valmistusvaiheessa muodostuvien pintakerrosten toiminnallisuutta suhteessa prosessointi- tai käyttöympäristöön. 

Norjalainen SINTEF-tutkimuslaitos on hyödyntänyt ChemSheet-pintafaasitarkastelua sekä piipitoisten metalliseosten (niin sanotun ferropiin) sulaprosessien kehitystyössä että muun muassa aurinkokennopiin pintaominaisuuksien tutkimuksessa ja kehittämisessä. Japanissa Osakan yliopisto ja sen yhteistyöyritykset ovat soveltaneet pintaenergiatutkimusta uusien muun muassa tuulivoimaloissa ja sähkö- ja hybridiautoissa käytettävien neomagneettien valmistustekniikan kehittämiseen. Tavoitteena on ollut hyödyntää nanokokoisten jauheiden pintaenergiaa siten, että lopullisessa tuotteessa saavutetaan mahdollisimman korkea magnetoituminen käyttämällä kuitenkin mahdollisimman pientä määrää arvokasta metallikomponenttia. 

Taipuisien näyttöjen kehitystyössä taas on ongelmana löytää materiaaleja, joilla on riittävä
sähkönjohtavuus mutta joiden raerajoilla vaikuttavat pintavoimat kuitenkin ovat riittäviä pitämään materiaalin eheänä sitä taivutettaessa. Pintaenergian ja koostumuksen vuorovaikutukset keskenään liittävien laskentamallien avulla voidaan kartoittaa sopivia materiaaliyhdistelmiä, joissa kumpikin ominaisuus on optimoitu.  

Ydintekniikan vaativat materiaalisovellukset ovat oma laaja kokonaisuutensa, samoin kuin ydinlaitosten kemiaturvallisuuden kuten onnettomuustilanteissa mahdollistenradioaktiivisen cesiumin ja jodin päästöjen estämiseen liittyvien ratkaisujen kehittäminen. 

ChemSheetin avulla vaativa materiaalikemia on VTT:ssä liitetty osaksi yhdysvaltalaista MELCOR-simulointiohjelmistoa, ja yhdistelmätekniikalle on saatu USA:n ­ydinturvallisuusviranomaisen (NRC) edellyttämä laatuluokitus. Lisäksi VTT:ssä vastikään valmistuneessa diplomityössä tekn.yo Henri Loukusa on laatinut uuden tietokoneohjelman, jolla voidaan määrittää ydinpoltto­aineessa syntyvien kemiallisten yhdisteiden muodostuminen. Ydinreaktiossa polttoaineeseen syntyy kymmeniä hajoamistuotteita. Näiden kemiallinen käytös vaikuttaa polttoaineen materiaaliominaisuuksiin, jotka ovat tärkeitä ydinvoimaloiden turvallisuusanalyyseissä. Tämän monimutkaisen systeemin kemian mallintaminen on liki mahdotonta muuten kuin termodynaamisin keinoin. 

 

Terästuotteille lujuutta ja korroosiokestävyyttä

Terästeollisuus on ollut alussa ­mainittujen termodynaamisten faasipiirrosten ­keskeinen soveltaja. Teräs saa ominaisuutensa paitsi seosaineistaan myös sen jähmettymisessä ja muokkauksessa tapahtuvissa faasimuutoksissa. Nämä muutokset eivät kuitenkaan läheskään aina tapahdu tasapainoperiaatteiden mukaisesti, sillä  teräksen muokkausprosesseissa usein tavoitellaan esimerkiksi lujuuden, kovuuden tai korroosiokestävyyden vuoksi rakenteita, jotka eivät vastaa koostumuksen mukaista faasitasapainoa. 

Erikoiskovien terästen valmistuksessa hyödynnetään niin sanottuja paratasapainoja, joissa epämetalliset aineet (kuten hiili) hakeutuvat tasapainoon ja metalliset komponentit (kuten rauta, kromi ja nikkeli) esiintyvät eri faaseissa vakiosuhteissa. Näiden erikoisseosten valmistus on tunnettu kokeellisten menetelmien kautta. Rajoitettu vapaaenergiatekniikka antaa kuitenkin uusia mahdollisuuksia kun paratasapainojen teoreettinen faasikuvaus voidaan hyödyntää tietokonesimulointien avulla. Paratasapainojen termodynaaminen rajaus noudattaa samoja periaatteita kuin kemian prosesseissa käytetty reaktiokinetiikan mukainen rajaus. 

Terästen käsittelyssä kuitenkin on mahdollista soveltaa myös muita CFE-tekniikan tarjoamia keinoja, ja siten esimerkiksi mekaanisen työstön (valssauksen)  tai jopa magneettisten austeniitti-/ferriittimuutosten simulointi voi auttaa uusien materiaalilaatujen kehittämisessä.

Erinomainen esimerkki ChemSheet-tekniikan avulla toteutetusta materiaalisovelluksesta on myös Valmet Powerin piirissä kehitetty SteaMax-asiantuntijajärjestelmä, jolla hallitaan biopolttokattiloiden lämmönvaihdinten materiaalikestävyyttä ja korroosionestoa. Tärkeintä on kyetä välttämään haittavaikutukset, joita biopolttoaineen ja poltossa käytettyjen jätejakeiden sisältämistä yhdisteistä aiheutuu. Korroosiota ja lämmönvaihtopintojen likaantumista aiheuttavia yhdisteitä muodostavat etenkin kloori sekä alkali- ja raskasmetallit. 

Käyttöhäiriöiden välttämiseksi ja laitoksen kriittisten komponenttien, esimerkiksi lämmön­vaihtimien käyttöiän turvaamiseksi Valmet hyödyntää ChemSheet-ohjelmaan perustuvaa asiantuntijajärjestelmää. Järjestelmä kertoo yhdisteet ja faasit, joita näistä ja muista prosessin alkuaineista muodostuu lämmönvaihtokanaviin. Lisäksi ohjelma määrittää kulloisissakin koostumuksissa turvallisesti saatavan maksimin höyry­lämpötilalle, joten sitä voidaan käyttää paitsi Valmetin asiakaspalvelun tukena myös lämmönvaihtimien teräslaadun valitsemiseen laitosta suunniteltaessa.


 

Julkaisuja ja opinnäytteitä     

Tuoreessa VTT Technology -sarjan julkaisussa uusi menetelmä esitellään yksinkertaisten perusesimerkkien avulla. DI Risto Pajarteen Aalto-yliopistossa valmistumassa oleva väitöskirja kuvaa paitsi CFE-tekniikan termodynaamista perustaa myös uusia sovellusalueita muun muassa materiaalitieteissä keskeisten rajapintailmiöiden sekä ulkoisten kenttävoimien ja kemiallisten muutosten vuorovaikutuksen alueilla. Esimerkiksi magneettikentän vaikutus materiaalikemiassa ja faasi­rakenteissa voi tuottaa sovelluksia harvinaisten maametallien poikkeuksellisia ominaisuuksia hyödyntävissä hybriditekniikoissa tai ferriittisten erikoisterästen valmistuksessa sekä esimerkiksi vedyn varastointiin tarvittavien materiaalien kehittämisessä.

Tekn. lis. Petteri Kankaan väitöskirja  CFE-tekniikan käytöstä biomassan uusien kaasutus- ja pyrolyysitekniikoiden simulointimallien kehittämisessä on myös loppusuoralla Åbo Akademissa. ”Termodynaaminen lähestymistapa antaa yhteisen arviointiperustan, jolla voi helposti vertailla eri tekniikoiden raaka-aine- ja energiatehokkuutta”, sanoo Kangas. 

”Eräs mielenkiintoinen sovellusalue on poltto­moottorien kemiallis-termodynaaminen simulointi, jossa muun muassa uusien biopoltto­aineiden käytön optimointi muodostaa tulevaisuuden haasteen. Perinteiset poltto­tekniikan mallit ovat joko kemialtaan yksinkertaistettuja termodynaamisia energiamalleja tai mekanistisia kemiamalleja, jotka koostuvat useista sadoista, jopa (kymmenistä) tuhansista reaktio­yhtälöistä. Jälkimmäisten avulla on vaikea hallita polttosysteemin termodynaamisia suureita, jotka moottoritekniikassa ovat olennaisia. Tässä sovelluksessa VTT:n CFE-tekniikalle on vertailu­kohtana MIT:ssa 1990–2000-luvulla kehitetty RCCE-mallinnustekniikka, joka on erikoistunut polttoprosessien kinetiikan ja termo­dynamiikan yhdistämiseen. Rajoitettu vapaaenergiatekniikka voisi hyödyntää eri tekniikoiden edut ja silti tuottaa käytännön sovellusten kannalta riittävän tilansuure- ja kemiakuvauksen polttotapahtuman olennaisista vaiheista”, sanoo Kangas.


 

Pertti Koukkari

Tekn.tri Pertti Koukkari toimii Kestävien kemiallisten prosessien ja systeemien mallinnuksen tutkimusprofessorina VTT Prosessikemian liiketoiminta-alueella. Professori Koukkarin erikoisalaa on kemiallisen monifaasitermodynamiikan soveltaminen säästävien prosessiratkaisujen ja toiminnallisten materiaalien kehittämisessä. Hänen johdollaan VTT:ssä kehitetty rajoitetun vapaan energian tekniikka sekä ChemSheet- ja KilnSimu-laskentaohjelmat ovat kansainvälisesti tunnustettuja ja käytössä yrityksissä, yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa yli 20 maassa​.​


 

(1) Calphad-lehteä on julkaistu 1970-luvulta lähtien ja se on erityisesti materiaalitieteiden piirissä arvostettu erikoisjulkaisu, joka keskittyy materiaalirakenteiden laskennalliseen termodynamiikkaan.  Calphad-yhteisön kehittämät faasipiirrosten ja kemiallisen tasapainojen laskentamenetelmät on parin viimeisen vuosikymmenen aikana otettu käyttöön kaikkialla maailmassa ja niitä käyttävät nykyisin sekä yliopistot että teollisuus. Calphad-menetelmiin perustuvilla tietokonesimuloinneilla on ollut ratkaiseva merkitys materiaalitieteiden voimakkaassa kehityksessä viime vuosikymmeninä. 

Pyörivän-rumpu-uunin-yhdistetty-virtaus--ja-kemiamallin-laskenta.jpg

Kemialaskenta voidaan yhdistää myös 3-dimensionaaliseen virtauslaskentaan pyrittäessä yksityiskohtaisiin reaktorisimulointeihin. Kuvassa on esitetty pyörivän rumpu-uunin yhdistetty virtaus- ja kemiamallin laskenta. Alakuvan värikoodi kuvaa uunin kaasufaasin säteittäistä lämpötilajakautumaa ja yläkuva uunin alaosassa reagoivan kiintoainepedin lämpötilaa. Kaksisuuntaisessa kytkennässä pedin kemiamalli ja kaasun virtausmalli käyttävät vuorotellen toistensa reunaehtoja ja tuottavat näin parhaan laskentatuloksen. (http://www.kilnsimu-fks.com/2014)


 


 

Joukko-CFE-menetelmällä-laskettuja-uudentyyppisiä-faasidiagrammeja.jpg
 

Vasemmalla tina-vismuttiseoksen eutektista sulamista kuvaava faasidiagrammi perusmateriaalille ja 
10 nanometrin kokoiselle partikkelille (tähtimerkki osoittaa kokeellista mittauspistettä). Nanokokoisen partikkelin pintaenergia laskee seoksen sulamispistettä. (Lee, Penttilä & al., JOM-J Min. Met. Mat. S. 2005)
Oikealla kiehumis- ja kastepistepintojen topologia  reaktiivisessa etanoli – etikkahapposeoksessa esitettynä  ns. isoaffiniteettipintoina reaktion etenemisasteen (   )  suhteen. Reaktion etenemisellä rajoitetut faasidiagrammit voivat auttaa  esimerkiksi uusien biokemikaalien energiatehokkaiden talteenottoprosessien kehittämisessä. (Koukkari& Pajarre, Pure App. Chem. 2011)


 


 


 


 

Pyörivä-rumpu-uuni.jpg

Pyöriviä rumpu-uuneja käytetään monissa prosessiteollisuuden sovelluksissa.


 


 


 

Hiilipitoisen-rauta-kromiseoksen-jähmettymiselle-CFE-menetelmän-avulla-laskettu-faasidiagrammi.jpg

Hiilipitoisen rauta-kromiseoksen jähmettymiselle CFE-menetelmän avulla laskettu faasidiagrammi. Paratasapainoille tyypillistä on globaaleja tasapainoja huomattavasti yksinkertaisempi faasirakenne. Niiden koostumuksen hallinta auttaa uudentyyppisten kovien ja rasitusta kestävien teräslaatujen valmistamista (Pelton, Koukkari & al. J. Chem. Thermodynamics  2014)


 


 


 

Prosessiliuokset_1.jpg

Uusia kemiallisia tasapainotarkasteluja tarvitaan etenkin vaativille prosessiolosuhteille. Kuvassa on mallinnettu sulfaattisuolojen liukoisuuksia kuumille (100 C​​) vesiliuoksille. Liukoisuustarkastelut ovat käytössä mm. kehitettäessä uusia vesikemian Cleantech sovelluksia metsä-, kemian ja kaivosteollisuudelle (Pajarre 2014).

 
Prosessiliuokset_2.jpg

 
Kuvassa ydinvoimaloiden kemiaturvallisuusmallin todentaminen mittaustulosten perusteella. Turvajärjestelmän vesialtaiden pH-kontrollin avulla estetään radioaktiivisten yhdisteiden vapautuminen onnettomuustilanteissa (Penttilä ym. 2009).

 


 

Metsäteollisuus-–-termiset-biomassaprosessit_1-2.jpg

Esimerkkejä metsäteollisuuden kemikaalikiertojen ja biomassan termisen käsittelyn vaativien yksikköprosessien mallintamisesta.
Vasemmalla rikin ja alkalimetallien rikastuminen soodakattilan savukaasuihin. CFE-mallissa rikastusmiskertoimien avulla määritelty savukaasuihin päätyvä rikin ja alkalimetallien määrä, muuten savukaasu on paikallisessa termodynaamisessa tasapainotilassa. (Kangas et al., J-FOR 2013).
Vieressä  biomassan kaasutuksessa muodostuvan synteesikaasun pääkomponentit. CFE-mallissa rajoitettu kineettisesti metaanilkaasun ja tervojen syntyminen sekä  koksinmuodostus. Muuten systeemi on paikallisessa termodynaamisessa tasapainotilassa. (Kangas et al., Fuel 2014).

 

 
Metsäteollisuus-–-termiset-biomassaprosessit_3.jpg

 
Kuvassa hiilikonversio biomassan pyrolyysissä. CFE-mallissa rajoitin kiinteän biomassan pyrolyysille. 
(Kangas et al., Energy & Fuels 2014).


 

 

Impulssihttp://www.vtt.fi/ImpulssiImpulssi
Impulssi 2/2017http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2017.aspxImpulssi 2/2017
Puhtaampaa kaupunkiliikennettä puupohjaisella dieselillähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puhtaampaa-kaupunkiliikennetta-puupohjaisella-dieselilla.aspxPuhtaampaa kaupunkiliikennettä puupohjaisella dieselillä
Tulevaisuuden arkkitehdit asiallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-arkkitehdit-asialla.aspxTulevaisuuden arkkitehdit asialla
Uusia ratkaisuja kaupunkitulvien ehkäisyynhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uusia-ratkaisuja-kaupunkitulvien-ehkaisyyn.aspxUusia ratkaisuja kaupunkitulvien ehkäisyyn
Turbiinisiivillä miljoonien säästöihinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Turbiinisiivet-saastavat-miljoonia.aspxTurbiinisiivillä miljoonien säästöihin
Brasilia viitoittaa bioenergian tietähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Brasilia-viitoittaa-bioenergian-tieta.aspxBrasilia viitoittaa bioenergian tietä
Syntymäpäivälahja meiltä itsellemmehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Syntymapaivalahja-meilta-itsellemme.aspxSyntymäpäivälahja meiltä itsellemme
Panimolaboratorio – Paremman oluen puolestahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Panimolaboratorio-paremman-oluen-puolesta.aspxPanimolaboratorio – Paremman oluen puolesta
Automaatio antaa paketille siivethttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Automaatio-antaa-paketille-siivet.aspxAutomaatio antaa paketille siivet
Tulevaisuuden sensorihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-sensori.aspxTulevaisuuden sensori
Robottiautojen esiinmarssihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Robottiautojen-esiinmarssi.aspxRobottiautojen esiinmarssi
Painettu teknologia kutsuu muotoilijoitahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Painettu-teknologia-kutsuu-muotoilijoita.aspxPainettu teknologia kutsuu muotoilijoita
Ledikalvot taipuvat kansanlampusta lentokoneisiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Ledikalvot-taipuvat-kansanlampusta-lentokoneisiin.aspxLedikalvot taipuvat kansanlampusta lentokoneisiin
Optinen isotooppispektroskopia: Yhä tarkempia tietoja tutkimuskohteestahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Optinen-isotooppispektroskopia-kehittynyt-merkittavasti.aspxOptinen isotooppispektroskopia: Yhä tarkempia tietoja tutkimuskohteesta
Hienokemia tarvitsee biopohjaisia aromaattejahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Hienokemia-tarvitsee-biopohjaisia-aromaatteja.aspxHienokemia tarvitsee biopohjaisia aromaatteja
Sopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Sopiiko-elinkaariarviointi-poliittisen-päätöksenteon-tueksi.aspxSopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?
Digitalisaatio tasoittaa erojahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Digitalisaatio-tasoittaa-eroja.aspxDigitalisaatio tasoittaa eroja
Puolustusvoimat hakee etumatkaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puolustusvoimat-hakee-etumatkaa.aspxPuolustusvoimat hakee etumatkaa
Tuottoa sijoituksillehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tuottoa-sijoituksille.aspxTuottoa sijoituksille
VTT:n spinno GrainSense tuo laboratorion maanviljelijän kouraanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/VTTn_spinno_GrainSense_tuo_laboratorion-maanviljelijan-kouraan.aspxVTT:n spinno GrainSense tuo laboratorion maanviljelijän kouraan
Teollinen 3D-tulostus nousukiidossahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Teollinen-3D-tulostus-nousukiidossa.aspxTeollinen 3D-tulostus nousukiidossa
Asuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Asuinmukavuus-ja-energiatehokkuus-mahtuvat-samaan-kotiin.aspxAsuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiin
Ketterä ja nopea Ponssehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kettera-ja-nopea-Ponsse.aspxKetterä ja nopea Ponsse
Energiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Energiavarastojen-kysynta-kasvaa-vauhdilla.aspxEnergiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdilla
Puun voimalla biotalouteenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puun-voimalla-biotalouteen.aspxPuun voimalla biotalouteen
Mitä kuuluu Australiaan?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Mita-kuuluu-Australiaan.aspxMitä kuuluu Australiaan?
Voiko ympäristöväittämiin luottaa?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Voiko-ymparistovaittamiin-luottaa.aspxVoiko ympäristöväittämiin luottaa?
Uusi agenda tehostaa tutkimusinfran käyttöähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uusi-agenda-tehostaa-tutkimusinfran-käyttöä.aspxUusi agenda tehostaa tutkimusinfran käyttöä
Wärtsilän Jaakko Eskola: Menestymme vain innovoinnilla ja uusiutumisellahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Wärtsilän-Jaakko-Eskolaä-Menestymme-vain-innovoinnilla-ja-uusiutumisella.aspxWärtsilän Jaakko Eskola: Menestymme vain innovoinnilla ja uusiutumisella
Pilottitehtaat jauhavat ideoista liiketoimintaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Pilottitehtaat-jauhavat-ideoista-liiketoimintaa.aspxPilottitehtaat jauhavat ideoista liiketoimintaa
Suomalaispyörät pyörivät myös tulevaisuudessahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomalaispyörät-pyörivät-myös-tulevaisuudessa.aspxSuomalaispyörät pyörivät myös tulevaisuudessa
Tulevaisuuden uudet selluloosatuotteet ja niiden sovelluksethttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-uudet-selluloosatuotteet-ja-niiden-sovellukset.aspxTulevaisuuden uudet selluloosatuotteet ja niiden sovellukset
Hybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/hybridimenetelmilla-uusia-ratkaisuja-metallien-kierratykseen.aspxHybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseen
Elinkeinoministeri Olli Rehn: uudistumisen kautta nousuunhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Elinkeinoministeri-Olli-Rehn-uudistumisen-kautta-nousuun.aspxElinkeinoministeri Olli Rehn: uudistumisen kautta nousuun
Suomella osaaminen globaaleihin ongelmiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomella-osaaminen-globaaleihin-ongelmiin.aspxSuomella osaaminen globaaleihin ongelmiin
Ihmisten jäljillähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Ihmisten-jaljilla.aspxIhmisten jäljillä
Laivateollisuuden digitalisoituminen edellyttää huippututkimustahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Laivateollisuuden-digitalisoituminen-edellyttää-huippututkimusta.aspxLaivateollisuuden digitalisoituminen edellyttää huippututkimusta
VTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Fabry-Perot-interferometriteknologia.aspxVTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaa
Vanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/FiR-1-tutkimusreaktori-poistetaan-kaytosta.aspxVanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteilla
Kovaakin kovempi vientituotehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kovaakin-kovempi-vientituote.aspxKovaakin kovempi vientituote
Digikärjellä kaivokseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Digikärjella-kaivokseen.aspxDigikärjellä kaivokseen
Salofa tuo pikatestit terveyden ja ympäristön seurantaanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Salofa-tuo-pikatestit-terveyden-ja-ympariston-seurantaan.aspxSalofa tuo pikatestit terveyden ja ympäristön seurantaan
Kaura on kysyttyä tavaraa maailmallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kaura-on-kysyttya-tavaraa-maailmalla.aspxKaura on kysyttyä tavaraa maailmalla
Suomi on hyvä investointihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomi-on-hyva-investointi.aspxSuomi on hyvä investointi
Kyberturvallisuus vaatii muutakin kuin teknologiaosaamistahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kyberturvallisuus-vaatii-muutakin-kuin-teknologiaosaamista.aspxKyberturvallisuus vaatii muutakin kuin teknologiaosaamista
Onko tulevaisuudessa jätevettä?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Onko-tulevaisuudessa-jatevetta.aspxOnko tulevaisuudessa jätevettä?
Tulevaisuuden 5G-verkko etenee koekäyttöön Oulussahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-5G-verkko-etenee-koekayttoon-oulussa.aspxTulevaisuuden 5G-verkko etenee koekäyttöön Oulussa
Infinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Infinited-Fiber-tuo-muutoksen-tekstiiliteollisuuteen.aspxInfinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteen
Puukuitu haastaa muovin kauppakasseissahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puukuitu-haastaa-muovin-kauppakasseissa.aspxPuukuitu haastaa muovin kauppakasseissa