Modifioidun selluloosan fraktiointi painelajittimella
Ropponen, Terhi (2021)
Ropponen, Terhi
2021
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2021101518708
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2021101518708
Tiivistelmä
Selluloosan lajittelu on paljon tutkittu sellutuotannon osa-alue. Sellun jatkokäytön painopisteiden muuttuessa on entistä suurempi tarve tietynlaisten, kapeampien kuitukokojakaumien selluille ja niiden tehokkaille tuotantomenetelmille. Työn tavoitteena oli selvittää, onnistuuko modifioidun selluloosan fraktiointiprosessi tuotantomittakaavassa. Fraktiointi perustuu suurelta osin todennäköisyyteen, josta johtuen täydellinen erottelutulos ei ole nykymenetelmillä saavutettavissa. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti karkean jakeen eli pitkien kuitujen sekä mahdollisten kuitukimppujen poistoon. Lajittelussa pyrittiin laadullisesti ja määrällisesti optimaaliseen saantoon ja mahdollisimman vähäiseen kuitujen pilkkoutumiseen.
Fraktiointikokeet tehtiin teollisen mittakaavan painelajittimella käyttäen yleisesti saatavilla olevia sihtikoreja ja roottoria. Modifioidun massan saatavuudesta johtuen esikoe tehtiin eri massalla kuin varsinainen koeajo, ja molemmissa koeajoissa lajittimen ulostulovirrat ohjattiin takaisin syöttösäiliöön. Koeajoissa testattiin massaan, lajittimen kokoonpanoon sekä lajittimen operointiin liittyvien muuttujien vaikutusta fraktiointitulokseen. Syöttö-, aksepti- ja rejektivirroista otettiin näytteitä, joista tehtiin laboratorioanalyyseja. Analyysi-menetelmistä tärkeimpiä olivat kuituanalyysi ja kuiva-ainepitoisuuden määritys. Syöttönäytteiden tuloksia verrattiin keskenään, jotta nähtiin massan kierrätyksestä mahdollisesti aiheutuneet muutokset ja muiden tulosten vertailukelpoisuus. Aksepti- ja rejektinäytteiden tuloksia verrattiin erilaisten lajittelun tehokkuutta kuvaavien yhtälöiden avulla sekä visualisoimalla saatuja vertailutuloksia taulukkolaskentaohjelmalla.
Varsinaisessa koeajossa päästiin pitkien kuitujen erottelun osalta hyviin tuloksiin. Pienempien kuitujen erottelutehokkuus oli kuitenkin alhainen, mikä tarkoittaa, että akseptikelpoista kuitua ajautui rejektivirtaan. Näin ollen rejektin sakeutumista ei saatu optimaaliselle tasolle, minkä arveltiin johtuvan massan koostumuksesta ja roottorin kehänopeuden vaikutuksesta. Fraktiointikapasiteetti oli lähes kääntäen verrannollinen fraktioinnin erottelutehokkuuteen, eli parhaiten erotelleet koepisteet olivat lähes tai tosiasiallisesti kapasiteetiltaan huonoimmat. Modifioitua selluloosaa voidaan lajitella painelajittimella, kun käytetään kyseiselle massatyypille soveltuvia prosessimuuttujia, kuten sopivaa sakeutta, oikeaa lajittimen kokoonpanoa ja optimaalisia operaatioparametrejä. Fraktioinnin jatkokehittelyssä huomio olisi kiinnitettävä erityisesti sihtikorin aukkojen kokoon ja muotoiluun sekä roottorin kehänopeuteen, kapasiteettia unohtamatta.
Asiasanat: fraktiointi, painelajitin, kemiallinen massa, optimointi Screening is a widely researched area of pulp production. The changes of balance in the pulp processing industry create a growing need for specific pulps with narrower fibre size distribution, alongside with efficient production methods. The objective of the thesis was to research if a production scale fractionation of modified cellulose could be performed. A perfect separation cannot be achieved with current methods because fractionation is mainly based on probability. The research concentrated especially on coarse fraction separation, i.e., separating long fibres and shives from premium pulp. Premium fibre loss caused by the nature of screening was attempted to minimize, as was the degradation of fragile fibres caused by mechanical stress.
Fractionation experiments were performed with an industrial scale pressure screen using commonly available screen baskets and rotor. Tentative experiment was performed using different pulp than in the main experiment, due to the availability of modified pulp. Exit streams of the pressure screen were led back to the feed tank. Effects of furnish parameters, screen parameters and operating parameters to fractionation results were experimented. Samples of feed, accept and reject streams were taken and analysed in a laboratory. The most important analysing methods were fibre- and dry solids content analyses. The feed samples were compared to discover the possible changes caused by pulp recovery and to evaluate the comparability of other samples. Results of the accept and reject samples were compared using various equations and visualization of the results with a spreadsheet program.
Good results concerning long fibre separation were achieved in the main experiment. However, the separation efficiency with smaller fibres was low, meaning the leaking of premium fibres to reject fraction. Thus, the reject thickening factor was not optimized, which was presumed a result of the pulp composition and the rotor tip velocity. The fractionation capacity was inversely proportional to separation efficiency, meaning that the best fractionation performance came with poor capacity. Modified pulp can be fractionated with a pressure screen when applying appropriate process parameters, e.g., right consistency and optimal screen and operating parameters. Further development of fractionation should consider different screen basket designs and rotor tip velocity, not forgetting capacity.
Keywords: fractionation, pressure screen, chemical pulp, optimization
Fraktiointikokeet tehtiin teollisen mittakaavan painelajittimella käyttäen yleisesti saatavilla olevia sihtikoreja ja roottoria. Modifioidun massan saatavuudesta johtuen esikoe tehtiin eri massalla kuin varsinainen koeajo, ja molemmissa koeajoissa lajittimen ulostulovirrat ohjattiin takaisin syöttösäiliöön. Koeajoissa testattiin massaan, lajittimen kokoonpanoon sekä lajittimen operointiin liittyvien muuttujien vaikutusta fraktiointitulokseen. Syöttö-, aksepti- ja rejektivirroista otettiin näytteitä, joista tehtiin laboratorioanalyyseja. Analyysi-menetelmistä tärkeimpiä olivat kuituanalyysi ja kuiva-ainepitoisuuden määritys. Syöttönäytteiden tuloksia verrattiin keskenään, jotta nähtiin massan kierrätyksestä mahdollisesti aiheutuneet muutokset ja muiden tulosten vertailukelpoisuus. Aksepti- ja rejektinäytteiden tuloksia verrattiin erilaisten lajittelun tehokkuutta kuvaavien yhtälöiden avulla sekä visualisoimalla saatuja vertailutuloksia taulukkolaskentaohjelmalla.
Varsinaisessa koeajossa päästiin pitkien kuitujen erottelun osalta hyviin tuloksiin. Pienempien kuitujen erottelutehokkuus oli kuitenkin alhainen, mikä tarkoittaa, että akseptikelpoista kuitua ajautui rejektivirtaan. Näin ollen rejektin sakeutumista ei saatu optimaaliselle tasolle, minkä arveltiin johtuvan massan koostumuksesta ja roottorin kehänopeuden vaikutuksesta. Fraktiointikapasiteetti oli lähes kääntäen verrannollinen fraktioinnin erottelutehokkuuteen, eli parhaiten erotelleet koepisteet olivat lähes tai tosiasiallisesti kapasiteetiltaan huonoimmat. Modifioitua selluloosaa voidaan lajitella painelajittimella, kun käytetään kyseiselle massatyypille soveltuvia prosessimuuttujia, kuten sopivaa sakeutta, oikeaa lajittimen kokoonpanoa ja optimaalisia operaatioparametrejä. Fraktioinnin jatkokehittelyssä huomio olisi kiinnitettävä erityisesti sihtikorin aukkojen kokoon ja muotoiluun sekä roottorin kehänopeuteen, kapasiteettia unohtamatta.
Asiasanat: fraktiointi, painelajitin, kemiallinen massa, optimointi
Fractionation experiments were performed with an industrial scale pressure screen using commonly available screen baskets and rotor. Tentative experiment was performed using different pulp than in the main experiment, due to the availability of modified pulp. Exit streams of the pressure screen were led back to the feed tank. Effects of furnish parameters, screen parameters and operating parameters to fractionation results were experimented. Samples of feed, accept and reject streams were taken and analysed in a laboratory. The most important analysing methods were fibre- and dry solids content analyses. The feed samples were compared to discover the possible changes caused by pulp recovery and to evaluate the comparability of other samples. Results of the accept and reject samples were compared using various equations and visualization of the results with a spreadsheet program.
Good results concerning long fibre separation were achieved in the main experiment. However, the separation efficiency with smaller fibres was low, meaning the leaking of premium fibres to reject fraction. Thus, the reject thickening factor was not optimized, which was presumed a result of the pulp composition and the rotor tip velocity. The fractionation capacity was inversely proportional to separation efficiency, meaning that the best fractionation performance came with poor capacity. Modified pulp can be fractionated with a pressure screen when applying appropriate process parameters, e.g., right consistency and optimal screen and operating parameters. Further development of fractionation should consider different screen basket designs and rotor tip velocity, not forgetting capacity.
Keywords: fractionation, pressure screen, chemical pulp, optimization