Puumassapesurin suotautumisolojen kartoitus ja simulointi

Työn tavoitteena oli tutkia sellumassan suotautumiseen liittyviä tekijöitä Ahlstrom Machineryn Drum Displacer™ -puumassapesurissa (DD-pesuri). Teoriaosassa tarkasteltiin aluksi suotautumisen teoriaa kuitu-vesi-suspensiossa, minkä jälkeen esiteltiin suotautumisnopeuteen vaikuttavia fysikaalisia ja kemiallisia vaikutusmekanismeja. Seuraavaksi kuvattiin massan pesun yleisiä perusteita sekä teoriaa puumassapesureissa. Lopuksi tarkasteltiin pesurien kytkeytymistä muuhun kuitulinjaan sekä prosessista johtuvia pesun toiminnan ulkoisia häiriötekijöitä. Kokeellisen osan aluksi tarkasteltiin paine- ja lämpötilamittauksien avulla massapesurissa vallitsevia prosessioloja. Mittaustulosten perusteella pumppausolot pesurin suodoslinjoissa ovat vaikeahkot ja häiriötilanteita voi esiintyä, mutta käytäntö on osoittanut tästä olevan vain harvoin haittaa prosessin toiminnalle. Pesureissa toteutuneet syrjäytysnopeudet laskettiin ja niitä verrattiin syrjäytystestien antamiin tuloksiin. Kuitulinjasta riippuen testin vastaavuus tehdasprosessiin vaihteli suuresti. Syrjäytystesteillä kokeiltiin myös tehdasprosesseissa usein esiintyvien muuttujien vaikutusta sellukakun syrjäytettävyyteen. Kakun paksuus ja syrjäytyslämpötila vaikuttivat syrjäytysnopeuteen Darcyn lain mukaisesti. Alipaineen massakakun alapuolella havaittiin huonontavan syrjäytysnopeutta verrattuna tilanteeseen, jossa kakun alla vallitsi ilmanpaine. Tämä havainto on selvästi ristiriidassa suotautumisen teorian kanssa. Massakakun muodostumis-pH osoittautui ratkaisevaksi lopulliselle syrjäytysnopeudelle, sillä alkalisissa oloissa muodostetun kuitukakun syrjäytysnopeus ei enää parantunut happamalla syrjäytysnesteellä. Happamissa oloissa muodostetun kakun syrjäytysnopeus oli alkalisista parempi, mutta se alkoi hitaasti alentua, kun syrjäytysneste vaihtui alkaliseen. Massan laimentaminen ennen syrjäytystä alkalisella tehdassuodoksella puhtaan veden sijasta alensi ligniinipitoisella massalla lopullista syrjäytysnopeutta. Shirato-Tillerin mallilla ja Jönssonin staattisella mallilla simuloitiin numeerisesti syrjäytystestiä kahdessa eri pH:ssa, ja simulointituloksia verrattiin vastaavissa oloissa tehtyihin syrjäytystesteihin. Shirato-Tillerin mallin antamien syrjäytysnopeuksien havaittiin olevan lähellä syrjäytystestien nopeuksia, kun Jönssonin mallin antamat tulokset jäivät huomattavasti testituloksia alemmiksi. Herkkyystarkastelussa havaittiin mallien olevan varsin herkkiä parametrien virheille. Hajonta vaadittavien kuituparametrien määrityksissä ja menetelmien työläys rajoittavat numeerisen simuloinnin käytettävyyttä, sillä kuituparametrien määrityksen vaatima työmäärä on ainakin toistaiseksi syrjäytystestiä suurempi. Lopuksi todettiin, että oikeiden syrjäytysolosuhteiden käyttö on ensiarvoisen tärkeää oikeiden tulosten saamiseksi sekä kokeellisessa että numeerisessa simuloinnissa. Nykyinen syrjäytystestilaitteisto on pienin muutoksin käyttökelpoinen, kun massan testaus prosessioloissa tulee rutiininomaiseksi.

The aim of this thesis was to study factors associated with the filtration of pulp in the Drum Displacer™ pulp washer (DD washer) developed by Ahlstrom Machinery. The theory section begins with observations on the theory of filtration in fiber-water-suspensions, and the physical and chemical mechanisms that affect the filtration speed. The following sections include the basics and theory of pulp washing in pulp washers. The last sections describe the connection between the washer and the rest of the fiberline, and external, process-based disturbances in washer operation. The experimental section begins with describing the process conditions of the pulp washer by means of pressure and temperature measurements. According to the measurement results, the pumping conditions in the filtrate lines of the washer are fairly difficult, and disturbances may occur. However, detrimental effects on the process are seldom observed. The actual displacement speeds in washers were calculated and compared to the results of displacement tests. Depending on the fiberline, the equivalence between the test and the industrial process varied greatly. The effect of variables common in industrial processes on the displacement of the pulp cake was also tested. Cake thickness and displacement temperature affected the displacement speed as predicted by the Darcy’s law. Suction below the pulp cake was observed to decrease displacement speed compared to a situation with an atmospheric pressure below the cake. This is clearly contradictory to the filtration theory. The pulp cake formation pH was shown to be decisive for the final displacement speed, because the displacement speed of the pulp cake formed under alkaline conditions could not be improved with the use of acidic displacement liquid. The initial displacement speed of a cake formed under acidic conditions was higher than for a cake formed under alkaline conditions, but the displacement speed began to decrease when the displacement liquid changed to alkaline. Dilution of the pulp using alkaline process filtrate decreased the final displacement speed of lignin-containing pulp. Displacement testing was simulated numerically according to the Shirato-Tiller and Jonsson models under two different pH values, and the simulated results were compared to displacement tests carried out under the same conditions. The displacement speeds obtained with the Shirato-Tiller model were close to the test results, while the results obtained with Jonsson model were much lower than the test results. Sensitivity analysis showed that the models are quite sensitive to errors in parameters. Deviations in the determination of fiber parameters and the laborious nature of the methods limit the usability of numerical simulation. For the time being, the fiber parameter determinations require a greater amount of labor than displacement tests. Finally, it is of vital importance to use correct displacement conditions in order to achieve correct results in both experimental and numerical simulation. With slight modifications, the current displacement test equipment will be useful, when pulp testing in process conditions will become routine.