Prosessitekniikka-lehti vol.21

Prosessitekniikka
vol. 21
2009
PROSESSITEKNIIKKA
ISSN 0781-2213
vol. 21
7.5.2009
24 pages
Circulation 1000
Publisher:
Prosessiteknillinen kerho
PL 69
02151 Espoo
prtk.tky.fi
Editor & Layout:
Heikki Harju
Thank you all writers,
everyone participating in
the excursion as well as
other helping parties!
Front pages photos:
Agropolychim
Otaniemi
Printed at:
Picaset Oy
www.picaset.fi
Contents
The Editor............................................................3
A Word From the Head Organizer.....................4
Greetings From the President of PrTK.............5
Algae – a fuel for the future...............................6
Biojalostamoiden kemian tekniikkaa................8
At the edge of change in raw material base.. 11
Accurate measurements..................................13
Tislauksen historiaa.........................................14
PrTK on Excursion 2007..................................16
Participants on the Excursion of 2009...........20
Also Sponsored By:..............................................23
Prosessitekniikka 21
2009
The Editor
This is the 21st Prosessitekniikka, in English Process
Technology, a magazine almost as old as the Process
Industrial Club PrTK, which was founded 34 years
ago. This is also the very first Prosessitekniikka to
be published almost entirely in English. The 20th
issue came out two years ago after a long period
of dormancy – something which my predecessor
commented on speculating that the next issue was
likely to come out after twenty years or so. I’m happy
to prove him wrong and sincirely hope that these two
21st century issues of Prosessitekniikka will return it
back to the nineties way of being published at least
once every two years.
Prosessitekniikka is also almost as old a tradition
of our club as it’s foreign excursions. These long
excursions have become one of our club’s profilic
activities, the most famous of which is our tent
sauna. Most students at our university indeed know
our sauna and the bubble bath during first of May
celerations. Most students don’t know that originally
the whole idea of a tent sauna was thought of as a
way to take Finnish culture with us on our excursions
abroad. Indeed, members of the Process Industrial
Club have enjoyed sauna on every continent – except
for the Antarctica and that’s only because there’s no
process industry there.
As I am writing this, our latest excursion draws
near. The last year has been industriously spent in
the organizing and fund raising for the trip. For
me this has meant preparing this magazine among
other things. Now almost everything is done: the
company and university visits are set, lodging has
been arranged, transportation is available, flights
have been booked and of course the shipping of our
sauna has been arranged. Tomorrow this magazine
will go to printers and I can lay back and enjoy the
excursion.
I wish you a pleasant time reading this,
Heikki Harju
PROSESSITEKNILLINEN KERHO
30 VUOTTA
1975-2005
30 years of history in 115 pages
is still available!
Instructions for ordering at prtk.tky.fi
A Word From the Head Organizer
In 2005 I attended to my first excursion
abroad with PrTK. A lot has happened since
and I can not really say that I am the same
person as I was back then. Well, physically
I believe that most of the parts I had back
then I still have, but a change has taken
place nevertheless. And I am not talking
about becoming balder, although that is also
a change that is progressing in a relatively
inevitable way.
What I wanted from that first excursion four
years ago was little adventures and a sort of
a holiday. I was interested in the companies
we visited in a vague kind of way. This is a
shame when I think of it now. For example
during our visit to Sulzer we were shown
a distillation column, which walls were
made out of transparent plastic. It was used
to visualize the effects of different column
plate structures on the hydrodynamics inside
the column. At that time I thought it was neat, but
not much more. If I was to visit the Sulzer factory
now, it would probably be difficult to get me away
from that distillation column.
Next excursion abroad was two years later. This time
we visited Singapore and Malaysia. The change I
mentioned above was already visible although
from time to time its symptoms were overpowered
by a diarrhea of a lifetime that was tormenting
me during that trip. Despite these not-so-marginal
health issues I was paying careful attention to the
different processes that were presented to us.
This is the third excursion that I am attending to
and I believe that the change has progressed as
inevitably as my balding. Not only am I going to
keep all the possible stomach flues far away from
me, but I am also determined to get the most of the
visits to different companies.
General understanding and experience in the field
of chemistry and especially in engineering are the
forces behind the change. The fine nuances of any
given process are impossible to notice or understand
if there is nothing to compare that process with.
For younger chemical engineering students these
excursions are a good way of providing this basic
knowledge to be used as a future reference. And for
more experienced students these excursions provide
important and furthermore rewarding knowledge
and information. This way the change is continuing
for me and every other person who is attending to
this excursion. This is not a bad thing; it is just a
measure of ones maturity as a chemical engineer.
Antti Kurkijärvi
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
2009
Greetings From the President of PrTK
The Process Industrial Club is an association
in the Student Union of Helsinki University of
Technology, who arranges vocationally oriented
activities to its members. Our activities are based on
cooperation with companies in the field of process
technology. We organise excursions to companies
and arrange presentation sauna evenings, in which
companies come to give presentations on related
subjects. Moreover, every other year we organise an
excursion abroad, from which this very magazine
came into being. In addition to vocational activities,
we also arrange dinner parties and have an annual
celebration every 2,5 years.
We are a relatively small association, however an
active one. We have about 80 members and they are
mainly students of chemical engineering. Apart from
students, we have also members who have already
graduated. I find this as enrichment to us.
Our club was founded in 1975, so it is our 34th year
in practise. Over the years, our club has developed
some traditions. These excursions abroad are one of
them. However, a maybe more distinctive tradition
of ours, is going to a portable tent sauna. Initially,
the tent sauna was built in 1980 for an excursion
to the U.S.A. Nowadays, this tent sauna is in use
through out the year, coming to a head at our May
Mausteöljyillä
grilliherkkuja!
Day celebration, Wappu. After a few years break,
we are now taking the tent-sauna with us to our
excursion to Eastern Europe.
The cooperation with companies has worked
well. I believe that the Process Industrial Club
indeed acts as a bridge between student and
working life, and will continue to do so in the
future.
Finally, I thank everyone who has supported our
work and who has taken part in it. You make this
possible.
SITRUUNAMAUSTEÖLJY
YRTTIMAUSTEÖLJY
VOIN
MAKUINEN
UUTUUS
LIME-CHILI
www.mildola.fi
Sincerely,
Suvi Paakkarinen
President of the Process Industrial Club
Algae – a fuel for the future
Biodiesel from microalgae seems to be one of
the few feasible options to fuel transport sector
in the times beyond oil peak. As carbon neutral,
fast growing, non-food resource algal biomass
has evoked wide global interest. Algae has the
potential to deliver 6-10 times yield per unit
area compared to palm oil. For instance, 1-3 %
of the domestic cropping area in algal biomass
production would be sufficient to meet 50 % of
transport fuel needs in the US.
Currently there are several pilot plants working
to commercialize algal biofuels. The most
crucial challenge is to reduce production costs.
According to NREL, costs for algal biodiesel in
large scale range between 1,25-1,54 €/l. Economic
production can be achieved by strain selection,
process optimisation, technology improvements
and genetic engineering. In future, integration with
power plants and wastewater treatment can further
benefit the economics.
Single cell as micro-scale production
plant
The use of algal biomass includes a broad variety
of possibilities ranging from medical applications
to animal feed, see Figure 1. So far commercial
production has concentrated on nutraceuticals (ia.
β-carotene and polyunsaturated fatty acids) and
aquaculture feed. In this paper the focus is set on
biofuels and especially on biodiesel, since many
species store significant amounts of lipids. Oil
content levels of even 20-50 % can be achieved.
Figure 1. Simplified metabolism in algal cell. It produces
lipids, carbohydrates, biomass and high-value compounds,
which also have industrial potential.
operating costs for such systems are low and
technology robust, but efficiency is limited. In stead,
transparent photobioreactors (Figure 2) enhance
volumetric productivity in various ways. First of
all, they permit defined culture in terms of species
and more controlled mode of operation. Light
utilization and mass transfer of gases CO2 and O2
improves by agitation. It’s also possible to supply
photobioreactors with higher CO2 concentration
than atmospheric 0,04 %.
As Figure 1 indicates, carbon dioxide and water
are needed to produce biomass, oxygen being a byproduct. The energy in photosynthesis stems from
sunlight or artificial illumination. In addition algal
cells require inorganic nutrients: mainly nitrogen
and phosphorus, but also some trace elements.
Optimal temperature, pH, salinity and light
intensity depends on algal strain.
Open or closed system?
Algae can be cultivated in an open system,
which refers to a raceway with mixing paddles
or at simplest a shallow pond. Investment and
Figure 2. Fotobioreactor
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
Algae process combines well with industry
As mentioned, algal biomass is produced from
carbon dioxide and inorganic nutrients with light
energy. This opens an interesting opportunity in the
emission trade industry, biogas plants and waste
water treatment. Pilot plants have already proved
nutrient recovery from wastewater using algae.
There have also been successful tests to recycle CO2
in flue gas into algal biomass.
Figure 3 shows a conceptual production model
for algae. CO2, water and nutrients are fed to algal
culture, where biomass is produced in a continuous
process. In the next step biomass is separated from
cultivation medium and oil is extracted for biodiesel
production. The solid fraction can be used partly as
animal feed, but not in the case of wastewater as
nutrient source. Another way to utilize rest of the
biomass is to digest it in a biogas plant for heat and
power production. This kind of CHP plant provides
energy to other process steps and possible excess
electricity can be sold to grid. Carbon dioxide
captured in flue gas can be recycled back to biomass
production unit. The digestate from biogas reactor is
used as a fertilizer.
Figure 3. Conceptual
production.
process
for
algal
biomass
For this paper we have composed a short mass
balance sheet for a 1000 t (biomass)/a facility in
Table 1. The temperature of water ranges from 20
to 30 °C. Input of carbon dioxide could stem from
power plant, corresponding the size of 2 MW.
Water consumption equals to a small scale waste
water treatment plant and total reactor size would
be approximately 1 800 m3. The calculation results
in annual production of 340 tonnes of algae crude
2009
oil, which can be processed to biodiesel. Areal
requirements of an algal cultivation plant would
be around 5 hectares. For comparison, amount of
rapeseed oil produced in same area would be 2 - 3
tonnes/a, and with palm oil, about 20 – 30 tonnes/
a.
Table 1. Performance data for tubular photobioreactor,
used 330 days annually.
Temperature
CO2
Biomass
Oil content
Biodiesel
20-40
1830
1000
35
270
°C
t/a
t/a
%
t/a
Bright, greener future
Since most of the presented research data is
obtained from tropical/warm zone, temperate
and Scandinavian regions should gain more
experimental results. Algae grow even in snow and
many species bloom in Baltic Sea at spring time.
Algal waste water treatment has been successfully
tested in several countries. Even if Northern Europe
has cold climate at winter time, there are long light
hours in the summer, which is favourable
for algae production. In the winter artificial
illumination and excess heat from industry
could be used. Feasibility is then a question
of profitability calculations.
At the moment, huge investments are
aimed for research and piloting of algae
based biofuels globally. Almost all large oil
companies have their own interests in this
field. With extraordinary biomass potentials
promised, there is also a lot “hype” going
on. However, investments and co-operation
of researchers and industry is essential to achieve
feasible results for industrial size. Breakthrough of
algal biofuels may not be after the next corner, but
they certainly will play a big part as oil source in
future.
Tuuli Pohjola & Markus Latvala
Bionova Engineering
Biojalostamoiden kemian tekniikkaa
Kristian Melin ja Markku Hurme
Biojalostamolla
tarkoitetaan
prosessia,
joka
hyödyntää
uusiutuvia
raaka-aineita
kokonaisvaltaisesti vastaavalla tavalla kuin
öljynjalostamossa hyödynnetään raaka-öljyn
kaikki komponentit. Tavoitteena on maksimoida
kokonaistuotannon arvo fraktiomalla tuote
optimaalisesti ja jalostamalla kukin jae siten,
että siitä saadaan mahdollisimman arvokas
tuote. Näin prosessista saadaan kannattavampi,
kuin jalostettaessa koko raaka-aine yhdeksi
bulkkituotteeksi.
Biojalostamossa
saadaan
myös yksittäisen tuotteen (esim. etanolin)
tuotantokustannukset alhaisemmiksi kuin tehtäessä
sitä yhden tuotteen tehtaassa, koska sivutuotteet
(esim. energia, sivutuotteet esim. erikoissokerit)
voidaan hyödyntää paremmin. Tämä on tärkeätä
parannettaessa
vaikkapa
biopolttoaineiden
kilpailukykyä fossiilisiin tuotteisiin nähden.
Vaikka biojalostamot ovat uusi konsepti,
jossa uusiutuvasta raaka-aineesta tehdään
biopolttoaineita, kemikaaleja, energiaa yms.,
myös nykyiset sellutehtaat nähdään usein
biojalostamoina. Ne tekevät puusta sellua, tuottavat
ligniinistä energiaa ja ottavat talteen sellunkeitosta
tulevia kemikaaleja kuten tärpättiä ja mäntyöljyä.
Kun tarkastelemme, miten esim. öljynjalostus
on kehittynyt vuosien saatossa, voimme havaita,
että alussa raaka-aine ainoastaan osattiin tislata,
jolloin sivutuotteena oli suuria määriä vähemmän
arvokkaita tuotteita esim. raskasta polttoöljyä.
Nykyaikaiset korkean teknologian jalostamot
maksimoivat arvokkaiden komponenttien kuten
bensiinin ja dieselin saannon.
Jalostamot
sisältävät lukuisia kemiallisia operaatioita,
jossa komponenttien ominaisuuksia muokataan
kemiallisesti sekä tuotetaan volyymiltään
pienempiä korkean arvon omaavia tuotteita
kuten voiteluöljyt, jotka kuitenkin saattavat tuoda
merkittävän osan laitoksen katteesta. Samanlainen
kehitys on käynnissä biojalostamoiden kohdalla,
mutta koska biomassan jalostaminen on
monimutkaisempaa kuin raakaöljyn ja koska
biojalostamoiden elinkaari on vasta alussa, kehitys
ei ole vielä näin pitkällä.
Ensimmäisen sukupolven biojalostamot perustuvat
peltobiomassan esim. viljan tai öljykasvien käyttöön.
Esimerkkinä voisi olla laitos, joka tekee viljan
tärkkelyksestä etanolia. Rankin jäännös kuivataan
ja hiivajäännöksestä tehdään rehua. Jäteistä
voidaan tehdä polttamalla bioenergiaa ja sähköä.
Vaikka laitos on melko yksinkertainen ja tuotteet
ja tuotantoprosessit kauan tunnettuja, biomassa
hyödynnetään kokonaisvaltaisesti.
Mitä
epäkohtia
ensimmäisen
sukupolven
biojalostamoihin liittyy ja miksi teknologiaa pitää
kehittää?
EU:n
biopolttoainetavoitteet
edellyttävät
uusiutuviin raaka-aineisiin pohjautuvan energian
mm. liikennepolttoaineiden osuuden runsasta
lisäämistä. Jos bioraaka-aineita aiotaan käyttää
laajasti, vastaan tulee raaka-ainekysymys. Vilja- tai
sokeriruokopohjaista etanolituotantoa ei voida paljoa
lisätä, koska viljelypinta-ala on rajallinen ja osa
pelloista tarvitaan ruuankin tuotantoon. Viljelyalan
kasvattaminen syö toisaalta luontoarvoja ja vähentää
hiilinieluja, Viljelyn tehostaminen taas kuormittaa
ympäristöä. Ongelmat korostuvat pohjoisilla
leveysasteilla, jossa hehtaarisadot ovat pieniä.
Asialla on myös eettinen puoli; FAO:n mukaan tällä
hetkellä maailmassa on lähes miljardi aliravittua
ihmistä. Viime vuoden elintarvikkeiden hintakriisi,
joka johtui biopolttoainetuotannosta ja yleisestä
energian hinnan noususta, lisäsi aliravittujen määrää
40 miljoonalla.
Ensimmäisen sukupolven biojalostamoista saadut
tuotteet eivät välttämättä ole kovin arvokkaita tai niiden
maailma muuttuu
– sinä muutat sen suuntaa!
Lisätietoa [email protected]
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
Biomassa
Puu ja muu
lignoselluloosa
pohjainen biomassa
Esikäsittely, esim.
kuorinta ja haketus
Sellunkeitto
esim. rikitön
muurahaishappokeitto
Hemiselluloosa
ja selluloosa
2009
Hydrolysointi
C5/C6
Sokerit
Ligniini
Bioperäinen
kierrätysjäte
Arvokkaiden
komponenttien
talteenotto kuoresta
esim. suberiini
Talteenotetut
kemikaalit
Kemiallisia sekä
Jäännös
Kaasutus tai biomassan
poltto bioenergian
tuotantoa varten
Sähköä ja Lämpöä
mikrobiologisia
konversionprosesseja
Kemikaaleja esim. furaani
ja biopolymeerien raakaaineita
Biopolttoaineita esim.
butanoli, synteettinen
biobensiini ja biodiesel
yms.
Kuva. Esimerkki tulevaisuuden biojalostamosta
Kuva.
Esimerkki
tulevaisuuden
biojalostamosta
käyttö
on hankalaa.
Esim.
rypsimetyyliesteriä, joka
on ensimmäisen sukupolven biodieselpolttoainetta,
voidaan nykyisissä dieselautoissa sekoittaa
polttoaineen joukkoon useinkin vain 5 %. Viljaetanolikaan ei ole ratkaisu kasvihuonepäästöjen
vähentämiseen, koska sen tuottamisessa syntyy
paljon kasvihuonepäästöjä, jotka aiheutuvat
korjuusta, kuljetuksista, prosessoinnista ja runsaasti
energiaa vaativasta lannoitteen tuotannosta. Raakaainepohjaa ja tuotteiden käyttöominaisuuksiakin
ajatellen ensimmäisen sukupolven biojalostamot
eivät ole ratkaisu biopolttoaineiden tuotantoongelmaan, vaan on käytettävä prosesseja, jotka
voivat hyödyntävät laajempaa raaka-ainepohjaa.
Toisen sukupolven biojalostamot käyttävät muita kuin
elintarvikeketjuun perustuvia biomassoja. Tällaisia
ovat mm. hake ja muut lignoselluloosapohjaiset
raaka-aineet kuten olki, jätteet, ruokohelpi jne.
Näiden raaka-aineiden saatavuus on paljon parempi
ja hinta alhaisempi kuin peltopohjaisella biomassalla.
Hyödyntämis­teknologiat eivät kuitenkaan ole
valmiita, vaan vaativat kehittämistä. Myös raakaainevalinnat ja logistiikka edellyttää miettimistä,
koska tuotteilta halutaan mahdollisimman hyvää
hiilidioksiditehokkuutta.
Toisen sukupolven biojalostamo voisi olla esim.
metsätähteitä, olkia ja teollisuuden tai yhdyskuntien
jätteitä raaka-aineena käyttävä tehdas. Se voisi tuottaa
esim. Fischer-Tropsch (FT) dieseliä, metanolia,
etanolia, dimetyylieetteriä (DME) tai butanolia,
joista osaa voi käyttää liikennepolttoaineina
tai
petrokemianteollisuuden
raaka-aineina.
Esim. butanolia voidaan käyttää sellaisenaan
bensiiniautoissa toisin kuin etanolia. Jakeluun käy
olemassa oleva huoltoasemaverkosto. Butanoli
on turvallisempaa matalamman höyrynpaineen
ansioista ja palaa puhtaammin kuin bensiini. Sen
lämpöarvo on lisäksi paljon parempi kuin etanolin.
Merkittäviä 80%:n kasvihuonepäästöjen alenema
voidaan saada aikaan korvaamalla fossiilinen
diesel metsätähteistä metsäteollisuusintegraatissa
valmistetulla FT-dieselillä.
Kolmannen sukupolven biojalostamo -termin
sisällöstä ei ole yksimielisyyttä. Sitä on
käytetty mm. levää raaka-aineena käyttävistä
biojalostamoista mutta myös lignoselluloosasta niin
kuituja, polttoaineita kuin kemikaaleja tuottavasta
laitoksesta. Jälkimmäisessä tapauksessa konsepti
ei poikkeaisi paljoakaan edellä kuvatusta toisen
sukupolven laitoksesta.
Biojalostamo
edistää
ja
synnyttää
jatkojalostusteollisuutta. Sen tuottamia tuotteita
jatkojalostetaan muualla mm. öljynjalostamossa,
petrokemianteollisuudessa
sekä
muussa
kemianteollisuudessa.
Esimerkiksi
FischerTropsch
synteesillä
tuotettuja
hiilivetyjä
jalostetaan eteenpäin öljynjalostamoissa tilaamalla,
krakkaamalla ja isomeroimalla.
Tyypillisiä välituotteita, joiden kautta biomassaa
jatkojalostetaan, ovat kaasutuksessa saatava
synteesikaasu (hiilimonoksidin ja vedyn seos) sekä
biomassan hydrolysoinnissa saatavat kuusi tai viisi
hiiliatomia sisältävät sokerit. Biomassaa voidaan
myös mädättää metaaniksi tai pyrolysoida. Näiden
välituotteiden kautta voidaan valmistaa lähes
kaikki orgaaniset kemikaalit.
Synteesikaasusta voidaan valmistaa ammoniakkia,
jota tarvitaan lannoitteisiin sekä metanolia ja muita
C1-kemikaaleja, joista voidaan tehdä suoraan
esim. bensiiniä. Karbonyloimalla CO:lla saadaan
pidempi ketjuisia yhdisteitä. Sokereista voidaan
jalostaa biokemiallisten prosessien avulla esim.
etanolia, butanolia, asetonia, maitohappoa jne.
Kemiallisten reittien avulla sokereista saadaan
myös monia tuotteita kuten esim. sorbitolia
glukoosia hydraamalla ja edelleen heksaania.
Biomassan sisältämä happi (jota on jopa 40 paino%) on merkittävä ero verrattuna raaka-öljyyn. Tämä
on haaste biopolttoaineiden näkökulmasta. Mikäli
halutaan hiilivetylopputuote, happi on poistettava
vetykäsittelyn (hydrodeoksygenaation) avulla.
Kuitenkin biomassan sisältämä happi voi
olla myös mahdollisuus. Monia tuotteita,
joiden valmistaminen petrokemiareittiä on
monimutkaista, voidaan valmistaa helpommin,
jos biopohjaisen raaka-aineen funktionaalisia
ryhmiä voidaan hyödyntää reaktioissa. Joitakin
happea sisältäviä korkeaoktaanisia yhdisteitä,
esim. metyylitetrahydrofuraani ja butanoli,
voidaan käyttää suoraan korkeaoktaanisina
bensiinikomponentteina.
Vaihtoehtoja on siis lukuisia. Tutkimustuloksia
on olemassa paljon siitä, mitä biopolttoaineita,
petrokemikaaleja ja biohajoavien muovien
raaka-aineita biomassasta voidaan periaatteessa
tehdä. Mutta mitä tuotteita biojalostamon
sitten kannattaisi valmistaa ja miten. Mitä
reittejä käyttämällä saadaan mahdollisimman
arvokas tuotevalikoima. Entä miten paljon
raaka-ainebiomassan lämpöarvosta on jäljellä
biopolttoainetuotteissa. Millä raaka-aineella
ja jalostusteknologialla on mahdollisimman
hyvä kasvihuonekaasutase. Näiden ja muiden
kysymysten parissa tehdään tutkimustyötä ja
jatko-opintoja biojalostamon reittioptimointiin
10
liittyen Tehdassuunnittelun tutkimusryhmässä
Suomen Akatemian rahoittamassa TKK Biorefinery
-projektissa. Tavoitteena on kehittää seuraavan
sukupolven biojalostamokonsepteja. Olemme
aloittaneet tutkimuksen selvittämällä eri raakaaineiden ja valmistusreittien materiaali- ja
energiatehokkuutta. Asiaa on lähestytty tutkimalla,
mitä komponentteja yleisimmillä reaktioreiteillä
saadaan aikaan ja paljonko tuotteiden lämpöarvo
on verrattuna lähtöaineeseen. Tällä perusteella
valitaan
jatkoselvityksiin
potentiaalisimmat
valmistusreitit, joita voidaan edelleen kehittää
hyviksi biojalostamokonsepteiksi.
Jos sinulla on kommentteja, kysyttävää tai haluat
muuten olla yhteydessä aiheeseen liittyen, niin
otathan yhteyttä.
Projektin www sivu on
http://chemtech.tkk.fi/en/research/plant_design/
projects/biorefinery/
Specify your needs, we make the details
Suomalainen Finex Oy on valmistanut ioninvaihtohartseja ja erikoispolymeerejä mm. voimalaitoksien
sekä elintarvike- ja lääketeollisuuden tarpeisiin jo
vuodesta 1990.
Meiltä saat räätälöidyt ioninvaihtohartsit mm.
kromatografiseen erotukseen, vedenkäsittelyyn ja
muihin erikoistuotteita vaativiin prosesseihin.
Ota yhteyttä lisätietoja varten!
Finex Oy
Seppolantie 1
48230 Kotka
tel. +358 5 2255700
fax +358 5 2281180
www.finex.fi
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
2009
Norilsk Nickel Harjavalta Oy at the edge of change
in raw material base
Marko Latva-Kokko, Senior Researcher
Norilsk Nickel Harjavalta is part of the Russian
OJSC MMC Norilsk Nickel group. Norilsk Nickel
is a global mining and metallurgical company
that is world leading producer of nickel and
palladium. Norilsk Nickel Harjavalta produces
nickel metals and chemicals at the industrial area of
Suurteollisuuspuisto in Harjavalta, Finland. Yearly
production capacity is 66 000 tonnes as nickel
content and personnel 250.
Company constantly develops its products and
technology for effective and diverse use of raw
materials and is looking for options to become one
of the worlds leading nickel production units.
Opening of Talvivaara nickel mine in Sotkamo,
Finland brings us one step closer to this goal. Norilsk
Nickel has made 10-year off-take agreement with
Talvivaara for the entire output of the mine’s nickel
and cobalt production. In full production annual
Norilsk Nickel Harjavalta Oy
www.nornik.fi
11
Fig. First raw material shipment from Talvivaara arriving Norsilsk Nickel Harjavalta (photo Katri Hakasalo)
nickel output from Talvivaara is approximately 33
000 tonnes.
Today main raw materials for Norilsk
Nickel Harjavalta nickel refining process are
pyrometallurgical nickel mattes; flash smelting
furnace (FSF) matte and electrical furnace (EF)
matte. Combined share of the mattes from total
nickel feed is approximately 85 %. The rest of
raw material is a mixture of different nickel
intermediate products like impure nickel salts.
In the near future raw material from Talvivaara
will comprise roughly half of Harjavalta’s nickel
refinery current production capacity. This will
change the raw material base significantly. The
share of nickel mattes and intermediates from raw
material feed will be near equal.
Talvivaara’s nickel intermediate product is nickel
sulphide that is obtained by hydrometallurgical
12
precipitation process. Its nickel content per
dry mass is close to nickel mattes and share of
impurities relatively low. However Talvivaara’s
nickel intermediate product does have high moisture
content and the nature of its impurities is very
different when compared to nickel mattes.
Norilsk Nickel Harjavalta nickel refining process is
originally designed for treatment of nickel mattes
and thus it has very low tolerance for impurities
present at Talvivaara’s nickel intermediate product.
In order to receive Talvivaara’s nickel the refining
process will be divided into separate “matte line”
and “intermediate line”. In total 100 million euros
investments that are under construction include;
raw material receiving station, intermediate
leaching process, cooling water towers and solution
purification process. The new intermediate line is
developed and designed internally and will be in
operation at summer 2009.
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
2009
Accurate measurements – a competitive
advantage
Process industry companies are typically
multinational corporations supplying the global
markets with plants around the world. These plants
are under continuous competition – not only against
other companies, but also against other plants of
the same company. Same products can be made in
several plants. In time of overcapacity all production
is directed to the most efficient plants and production
lines within the company. The efficiency is measured
typically by comparing the production with use of
raw materials and commodities (such as water and
energy). When same plant is producing multiple
products these efficiencies must be calculated real
time.
To build such an efficiency measurement to an
automation system is not very difficult itself. The
problem is the measurements. Process industry
measurements have large systematic errors in them.
(This is typically a surprise to anyone from the
academic world) Systematic errors of 5-10% in main
energy measurements are common. These errors
cause the efficiency calculations for a production
line to be off by equal amount. When differences
between production line efficiencies are small (13%), a production line can lose its orders because of
5 % measurement error to supposedly more efficient
lines. In worst case a production line or even a plant
can be shut down because of a measurement error.
Indmeas has developed a systematic approach
to detect and fix problems with measurements.
Modern automation systems produce vast amount
Indmeas is specialised in on
site measurement services
for the process industry.
Our expertise is based on over
20 years of experience on flow
and energy measurements
and quality assurance...
more on
of history data that can be used to identify
measurement errors. Furthermore error estimates
can be calculated. With reliable error estimates
and technical evaluation correcting actions can
be directed to the faulty positions and so reach
not only excellent measurement quality but also
cost-savings in calibrations and other maintenance
work. Naturally some calibrations must be done
and for this Indmeas has developed a unique onsite calibration method based on tracer technology
for flow measurements. Over 10 000 calibrations
have been carried out in the Nordic countries by
June 2007.
The concept of combining data analysis and
purposeful correcting actions was developed 2007
and has now been implemented on 20 processes
and the number continues to grow. The service has
only been offered in Finland and Sweden but the
need for service is global. Excellent results have
been reached. For example the mean measurement
error of the Stora Enso Imatra Mill fibre balance
was reduced from 4,5% to 1,6% and wastewater
balance measurement error was reduced from 15 %
to about 2 %. These improvements in measurement
quality make it possible for companies to rely on
their numbers, improve operational efficiency
and optimise the production in order to achieve
competitive advantage in global markets.
www.
.com
13
Tislauksen historiaa
Markku Hurme
Tislaus on klassinen erotusoperaatio, joka
heijastelee aikansa historiaa ja sitä että
elämän perusasiat eivät muutu.
Naiset ensin
Noin 3600 vuotta eKr Mesopotamiassa
(nykyisin Irak) havaittiin, että maustettua
ruokaa keitettäessä erottui hyvältä
tuoksuvia tippoja kannen alapinnalle.
Nämä kerättiin talteen ja voitiin käyttää
hajuvetenä. Ensimmäinen tislain oli
keksitty. Tältä aikakaudelta on löydetty
40 litrain vetoinen tislain.
Ensimmäinen nimeltä tunnettu tislaaja oli
Taputi -niminen naishenkilö, joka tislaili
hajuvesiä Babyloniassa n. 1250 eKr.
Tislausta olisi on mahdollisesti käytetty
Kiinassa, Intiassa ja Egyptissä jo
Kuva1 Tislaimien kehitystä (1-5 alkemian aikaa ja 6-8 myöhemmin)
aiemminkin. Tosin ensimmäisistä tislaimista
on vaikeaa erottaa ruuan keittimistä.
Myös merenkulkijat tarvitsivat tislausta (haihdutusta).
Jo Aristoteles (n. 350 eKr) kertoo tunnettuna asiana että
merivedestä saadaan haihduttamalla makeaa vettä.
Alkemistit ke(h)ittelee
Aleksandrian alkemistit kehittelivät tislauslaitteita
aktiivisesti 200-300 jKr.
Laitteiden kehityskaari oli seuraava (kuvan 1, laitteet 1-5):
1. Tislaus keksittiin, kun keittoastioiden kanteen
kondensoitui tislettä.
2. Kannen reunoja vaivutettiin, jolloin tuotte voitiin kerätä
rännystä.
3. Lisättiin putki jolla tisle saatiin ulos.
4. Demokritos (n. 200 jKr) käytti pitkäkaulaista pulloa,
jolloin roiskeet eivät sotkeneet tislettä ja saatiin aikaan
sisäistä palautusta (refluksointia) ja parempi erotuskyky
5. Maria Juutalainen (n. 100-200 jKr) käytti vastaavanlaista
laitetta, joka oli metallirakenteinen.
6. Lauhdutustehoa saatiin lisää kun laitettiin vesipönttö
lauhduttimeksi
7. Myöhemmin keksittiin laittaa vesi virtaamaan pönttöön
ja ulos, jolloin teho lisääntyi entisestään
8. Vertailun vuoksi melko moderni laite, jossa on palautus
ja vastavirtalämmönsiirto
14
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
Alkemistit tislailivat kaikkea mahdollista mm.
kananmunia. He etsivät elämän henkeä, joka
majaili ja saatiin talteen ehkäpä jossakin tisleessä.
Toinen asia, jota alkemistit etsivät, oli kulta. Niinpä
tislaamalla tehtiin nesteitä, jotka värjäsivät metallit
sopivan värisiksi. Aineiden ominaisuuksia voitiin
myös muuttaa (‘puhdistaa’) tislaamalla uudestaan ja
uudestaan. Alkemistit uskoivat mm. että tislaamalla
vesi satoja kertoja, siitä saadaan valkoista ja loistavaa
kiintoainetta, jolloin se oli todella puhdasta
Islamilainen maailma
Rooman valtakunnassa alkemia ei ollut suosiossa
kristittyjen tultua valtaan. Alkemialliset kirjat oli
määrätty poltettaviksi ja Aleksandrian kuuluisa
kirjasto tuhottiin v. 390. Keisari Justinianus sulki
Ateenan filosofiakoulut v. 527. Nämä olivat olleet
toiminnassa Platonin ajoista lähtien. Tämän
tuloksena oppineet siirtyivät suoraan Persian
hoviin, jonne perustettiin uusi filosofinen koulu
n. 150 km Bagdadista itään. Alkemialliset kirjat
käännettiin arabiaksi. Alkemian ja tislauksen kehitys
jatkui nyt islamilaisessa maailmassa. Kalifien
valtakunta ulottui Espanjasta Persiaan v. 750 ja
Bagdadista tuli oppineisuuden keskus. Arabialaiset
oppineet matkustivat hiukan kuin nykytiedemiehet
ympäri maailmaa, eli Marokon ja Pekingin väliä,
jolloin saatiin vaikutteita myös
kiinalaisesta
alkemiatiedosta.
2009
Al Kindi kirjoitti 800-luvulla kirjan tislauksesta
ja hajuvesien kemiasta. Myöhemmin alkoholi
ja ruusuvesi olivat vientiartikkeleita Arabiasta
Välimeren maihin. Arabien alkemialliset tekstit
käännettiin latinaksi 1100-1300 luvuilla, jolloin
tieto välittyi Eurooppaan.
Euroopassa
Arabiankielisiä alkemialliset kirjoja alettiin
kääntää latinaksi 1100-luvulta alkaen, jolloin
tieto alkoi levitä Eurooppaan. Tislatut viinat
tulivat Euroopassa saataville samaan aikaan.
Tällöin alkemistit huomasivat että ihmeitä tekevät
lääkkeet myivät paremmin kuin kullaksi muutettu
lyijy. Resepti oli tietenkin salainen. Absoluuttista
alkoholia valmisti ensimmäisenä Raymond Lull
(n. 1300) tislaamalla sammuttamattoman kalkin
(CaO) kanssa.
Musta surma 1400-luvulla lisäsi tislatun viinan
kysyntää, koska uskottiin että viinan säännöllinen
nauttiminen teki muutenkin kuolemattomaksi.
Juoman nimi oli aqua vitae (elämän vesi) eli
nyttemmin akvaviitti.
Alkoholin nimi otti käyttöön kuuluisa Paracelsus
(1493-1541). Nimi tulee arabiankielestä (al kuhul)
kuten muutin al-alkuiset sanat; alkemia, algebra
ja vahvan epäilykseni mukaan myös aladåb (suom.
alatoopi).
Laitekehitystä inspiroi tuolloin mm. eläinkunta
(kuva 2)
Viinin
tislaus
tunnettiin
Arabiassa
700
-luvun
tietämissä. Vaikka
viinin
nauttiminen oli kiellettyä, se
ei merkinnyt etteikö sitä olisi
valmistettu ja tislattu. Tunnettu
alkemisti Jabir Ibn Hayyan
(n. 800 jKr) ‘keksi’ uudelleen
almembi -mallisen tislaimen
ja tislasi viiniä, jolloin syntyi Kuva 2. Laitekehityksen lähtökohtia keskiajalla.
palavaa höyryä. Hän totesi
tisleestä, että se on ‘hyödytön, mutta tieteen Suomessa
kannalta merkittävä’. Ei kulunut aikaakaan, kun
tisleelle jo löydettiin käyttöä. Runoilija Abu Nuwas Suomessa tislattu viina alkoi tulla tunnetuksi
(n. 800) kuvaili alkoholin iloja runoissa mm. kuinka keskiajan lopulla. Ensimmäinen kirjallinen tieto
ystävien kanssa aloitettiin miedommilla ja päädyttiin asiasta on vuodelta 1543, jolloin Savonlinnan
vahvempiin juomiin, joiden ‘väri on kirkas kuin kaupungin tilikirjassa mainitaan viinapannu.
veden mutta joka on tulista kuin hehkuva kekäle’. Tislaustaito lienee saatu sotasaaliina ja Ruotsista.
Arabit kehittivät tislausta merkittävästi ja käyttivät Maaseudun kartanot ja pappilat olivat viinan
sitä mm. hajuvesien laajamittaiseen valmistukseen. tislauksen pioneereja 1500-luvulla. Vähitellen
15
myös kansa sivistyi. Monissa pitäjissä oli vain
yksi viinapannu jota säilytettiin kirkon tapulissa.
Viinan tislausta alettiin harjoittaa elinkeinona ja
viinaporvarit laitettiin verolle v. 1622. Liikatuotantoa
ja -nautintaa esiintyi jo 1500 ja 1600 -luvuilla,
jolloin piispa Rothovius puuttui kirkkoherrojen
juopotteluun julistaen näitä kirkonkiroukseen.
Nyttemmin
Alunperin kaikki tislaus oli panostoimista.
Puhtautta voitiin lisätä uudelleentislausten avulla.
Tislauksen kehityksen edellytys oli kunnollisen
lauhdutussysteemin aikaansaanti.
Nykyiset tislauskolonnit kehittyivät 1800 luvun alkupuolella, jolloin Ranskassa otettiin
käyttöön esilämmitys ja palautus. Ensimmäisiä
jatkuvatoimisia tislauksia patentoi Pistorius v. 1817
Saksassa ja sekä Celier-Blumenthal 1817 Ranskassa
ja Coffey 1832 Britanniassa. Pohjakolonnin patentoi
Ernest Solvay 1877 Yhdysvalloissa.
Yhteenveto
Tislauksen
varhaisvaiheet
liittyvät
joko
käytännölliseen ja tekniseen toimintaan, jolla
valmistettiin hajuöljyjä ja kosmetiikkaa myyntiin.
Toinen lähtökohta on alkemistien halu tuottaa
elämän eliksiiriä, joka parantaa taudit ja takaa
kuolemattomuuden. Ajatus
eliksiiristä
tuli
eurooppalaiseen alkemiaan islamilaisesta maailmasta
ja sinne luultavasti Kiinasta. Tätä eliksiiriä etsittiin
mm. fraktioimalla erilaisista bioperäisiä aineksia,
joiden uskottiin sisältävän elämää. Alkoholin
ihmeelliset ominaisuudet johtivat uskomaan, että
oltiin lähellä eliksiirin löytymistä. Moderni tislaus
alkoi kehittyä vasta 1800-luvun alussa.
PrTK on Excursion in Malaysia
and Singapore
Members of PrTK from Helsinki University of
Technology spent two exciting weeks in Asia on May
2007. PrTK refers to Prosessiteknillinen kerho, which
is a club mainly for process technology students but
also for people working for the branch. The aim of
the journey was to explore industrial plants and meet
students at local universities, but not to forget free
time at Asian metropolis, nature and beaches. Our
group consisted of 20 students, couple of graduated
engineers and professor Markku Hurme from the
laboratory of plant design. Before the take off we
got some valuable help and contacts from Malaysian
doctoral thesis student Mimi Hassim.
After long hours of travelling we finally stepped out
of the plane in the city of Singapore and immediately
experienced a warm and humid “Sauna-feeling”.
16
Fig.1. Durians not allowed in the hotel rooms
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
2009
Fig.2. The excursion group visiting Titan Chemicals.
In addition to Singapore the plan was to visit two
Malaysian cities; industrial Johor Bahru and the
capital Kuala Lumpur. The final destination was a
tropical island, Langkawi on the north-western coast
of Malaysia.
The industrial sights varied widely from production of
petrochemicals to pharmaceuticals. We learned more
about polymerisation process at Titan Chemicals and
saw closely medicament processing at the plant of
international player GlaxoSmithKline. Perkin
Elmer offered us a glimpse of international career
opportunity when a Finnish engineer told us about
life in Singapore (basically work, shop and die,
as the local saying summarizes). Since Malaysia
belongs globally to major palm oil producers,
we visited a palm oil refining plant of Felda Oil
Products (FOP) and Malaysian Palm Oil Board
MPOB. Industrial life seemed to be mostly in the
hands of Chinese part of Malaysian population. It
17
and even a remote-controlled helicopter
were brought home (watches stopped
ticking in the Finnish climate). In
Langkawi most of us explored the island
by scooter and some wore snorkel to
see the colourful underwater world.
As majority of tourists were Asian, we
soon became one of the attractions.
Like celebrities, blond and pale Finns
are to be seen in photo albums of Asian
travellers.
Fig.3. Control panel at palm oil refinery FOP
During the visit in Asia there was
constantly something new to learn.
Malaysia has an incredible variety of
cultural features. Islam, Hinduism,
Buddhism and Christianity have all
appeared common to have European facilities
at the plants.
We had an opportunity to get to know students
at two universities: National University of
Singapore and Universiti Teknologi Malaysia.
Although several thousand kilometres separate
us, we found many mutual themes and interests
concerning both studies and free time. Having
a mosque at the campus area was something
special, though.
Especially in Kuala Lumpur and Langkawi we
had time to relax and explore the surroundings.
Many at least genuine looking Rolex watches Fig.4. Students from Universiti Teknologi Malaysia
found a place in the society and
walking in the streets is a mixture
of all of that and even more. It
happened to be a durian season when
we stayed in Kuala Lumpur. They are
spiky fruit with “delicious” sewagelike taste and aroma stemming from
sulphur compounds. A few familiar
things were spotted on the way, too:
there were Finnish Christmas pastries
“joulutortut” in a Singaporean
confectionery. We also found a small
massage centre called “Pissa”.
Fig.5. Chinese Palace for Buddhism in Melaka
18
In spite of all the exotic sights
and surroundings the people
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
2009
Fig.6. Kuala Lumpur by night
were probably the best. If only a part of that
friendliness, laughter and positive attitude
could be imported to Scandinavia, we would
really feel the difference. After the excursion
there were plenty of ideas of Asia, but I think
one thing in common - a permanent travel fever
to Far East!
Tuuli Pohjola
Head Organizer for the Excursion 2007
Fig.7. Monkey family in the rain forests of Langkawi
19
Participants on the Excursion of 2009
Name: Antti Kurkijärvi
Master of Science
Industiral Chemistry
Name: Victor Heinänen
Years of study: N
Major in Plant Design
Name: Suvi Paakkarinen
Years of study: 3
Major in Process Design
Name: Konsta Ojala
Years of study: N
Major in Plant Design
20
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
2009
Name: Heikki Harju
Years of study: N
Major in Industrial Chemistry
Name: Markku Hurme
Professor of Plant Design
Name: Oskari Aro
Years of study: N
Major in Inorganic Chemistry
Name: Tatu Raunio
Years of study: 4
Major in Chemical Engineering
21
Name: Janne Andtsjö
Years of study: 4
Major in Process Design
Name: Juha Salminen
Master of Science
Major in Plant Design
Name: Antti Ahrelma
Years os study: 3
Major in Process Design
Name: Vesa Vuori
Master of Science
Major in Industrial Chemistry
Name: Tommi Tynell
Years of study: N
Major in Inorganic Chemistry
22
Prosessitekniikka 21
2009
Prosessitekniikka 21
2009
The PrTK Excursion 2009 Was Also Sponsored By:
Tekniikan edistämissäätiön (TES)
Suunnittelu- ja konsulttitoimistojen liitto SKOL ry
Teekkaritoiminnan edistämisrahasto TTER
Paid for the shipping of the sauna
We thank you all!
Picaset Oy
Digitaalista painopalvelua
Puh. (09) 684 1066
www.picaset.fi
[email protected]
Tämänkin lehden painoi Picaset Oy.
Tervetuloa tyytyväiseksi asiakkaaksemme!
23
M
Itella Oyj