Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan

Tässä diplomityössä on mallinnettu höyry- ja kaasuturbiini Balas -prosessisimulointi-ohjelmaan. Balas on Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen kehittämä simulointiohjelma, erityisesti paperi- ja selluteollisuuden prosessien staattiseen simulointiin. Työn tavoitteena on kehittää simulointimallit höyry- ja kaasuturbiinille, sekä tutkia niiden toimivuutta vertaamalla simulointeja mittaus- ja mitoitustietoihin. Työssä on muodostettu matemaattiset mallit höyryturbiinille, höyryturbiinin säätövyöhykkeelle sekä höyryturbiinin off-design laskennalle. Kaasuturbiinille muodostettiin toimintakäyrät, joiden avulla tarkastellaan sen toimintaa off-design tilanteessa. Komponentit mallinnettiin diplomityövaiheessa Matlab-ympäristöön, josta ne siirretään Balasiin erillisessä työvaiheessa. Malleissa on kiinnitetty huomiota erityisesti niiden helppokäyttöisyyteen ja monipuolisuuteen. Höyryturbiinimalleja testattiin simuloimalla erään paperitehtaan yhteydessä toimivan voimalaitoksen vastapaineturbiini säätövyöhykkeineen ja vertaamalla simulointituloksia tehtaan mittaustietoihin. Kaasuturbiinimallia testattiin vertaamalla GE Power MS 7001 kaasuturbiinin mitoitustietoja vastaavilla parametreilla simuloituun tapaukseen.

Paperin puhtauden parantaminen lajittelun ja muiden prosessiteknisten keinojen avulla

Tämä työ suoritettiin UPM- Kymmene Oyj:n Tervasaaren tehtaan PK 5:llä. PK 5 valmistaa tarrantaustapaperia. Tämän työn tarkoituksena oli löytää eri keinoja paperin puhtauden parantamiseksi. Puhtaamman paperin valmistaminen parantaa paperikoneen kilpailukykyä kilpailijoihinsa nähden sekä vähentää asiakasvalituskustannuksia. Työn kirjallinen osa koostuu kolmesta suuremmasta kokonaisuudesta, joiden tarkoituksena on luoda teoriapohjaa kokeellisen osan suoritusta varten. Kirjallisuusosan pääpaino on kohdistettu PK 5:llä esiintyviin saostumanaiheuttajiin, kuten uuteaineisiin, ASA- liimaan ja mikrobeihin. Tarkemmassa tarkastelussa on kirjallisuusosassa myös painelajittelu ja pyörrepuhdistus. Kokeellisessa osassa suoritettiin PK 5:n prosessissa syntyvien epäpuhtauksien karakterisointi. Suurimmat saostuman aiheuttajat analyysien perusteella olivat puuperäiset uuteaineet ja ASA- liima. Epäorgaanisista aineista päällystyskomponenttina toimiva kaoliini ja sellun mukana tuleva pihkatalkki esiintyi useimpien saostumien komponentteina. Selvityksessä havaittiin, että prosessille vieraita aineita ei löydetty muista, kuin kalanteroidusta paperista analysoiduista tummista täplistä. Tummista täplistä analysoitu styreenin alkuperä voi selittyä mm. prosessiin päässeellä kumilla tai muovilla. PK 5:n prosessissa selvityksen mukaan silikonipohjainen vaahdonestoaine aiheuttaa erittäin suuria tummia saostumia, joten sen pääsy prosessiin tulee estää sellutehtaalla tarkoin. Epäpuhtauksien määrä on suurin PK 5:n prosessissa hylkylinjassa ja lyhyessä kierrossa. Hylyn painelajittelu poistaa hyvin roskia syöttömassasta. Hylyn lajittelun toisen portaan lajittimen rejektin roskapitoisuus on suhteellisen suuri. Rejektin ohjaaminen ulos prosessista vähentää roskaisuuden rikastumista prosessiin. Sakeamassalajittelun sijoittaminen PK 5:n konekyypin jälkeen vähentää roskien päätymistä paperiin. Hylyn painelajittelun ja PP- laitoksen rejektin ohjaaminen sakeamassalajittelun toiseen portaaseen vähentäisi priimakuitutappiota ja roskien määrää käytetyissä massoissa. Seisokin aikaisen putkilinjojen pesujen lopputulos parani huomattavasti BA- pesuaineen käyttöönoton jälkeen. Kyseisen pesuaine soveltuu liuottamaan putkistosta mm. PK 5:llä esiintyvät uuteaine- ja ASA- saostumat. BSA- sellun pH- säädön lopettamisella oli suuri vähentävä vaikutus tummien täplien esiintymistiheyteen. pH- säädössä BSA- tornin pohjalaimennukseen annosteltu lipeä edesauttoi tummien saostumien syntymistä saippuoiden uuteaineita.

A utilização de perácidos na deslignificação e no branqueamento de polpas celulósicas

Peracids are strong oxidant species and their use is being largely studied in the delignification and cellulose pulp bleaching. Some of them has already an industrial application, specially in non-conventional bleaching sequences like ECF (Elemental chlorine free) and TCF (Totally chlorine free). This review presents the main aspects of the structure, properties, preparation and reaction of peracids (peracetic acid, peroxymonosulfuric acid and their mixture) with lignin, specially for peracetic acid. Information about bleaching and delignification of wood pulps with peracids and the factors affecting its efficiency are also presented.

Redução de poluentes de efluentes das indústrias de papel e celulose pela floculação/coagulação e degradação fotoquímica

The abatement of recalcitrant lignin macromolecules from effluents of pulp and paper industry was investigated by combined process. Flocculation and coagulation with aluminum sulfate and natural polyelectrolytes extracted from cactus Cereus peruvianus were used in the first step. After separation of solid residues by filtration, the photochemical methods using TiO2 as catalyst were employed for photocatalytic degradation of lignin compounds from solution. The abatement of lignin compounds after flocculation and coagulation was 46%, and after the overall process, the pollutants reduction observed were 66%. The remaining organic compounds may be removed by any biological treatment.

Biohajoavat kompleksinmuodostajat mekaanisen massan peroksidivalkaisussa

Mekaanisen massan peroksidivalkaisussa on perinteisesti käytetty kahta kompleksinmuodostajaa, jotka ovat dietyleenitriamiinipentaetikkahappo (DTPA) ja etyleenidiamiinipentaetikkahappo (EDTA). Kompleksinmuodostajat saavat aikaan hyvän kelatointituloksen muodostamalla valkaisulle haitallisten metalli-ionien kanssa kompleksin ja estäen näin metalli-ionien valkaisutulosta huonontavan vaikutuksen. Perinteiset kompleksinmuodostajat DTPA ja EDTA eivät kuitenkaan ole biohajoavia ja niiden epäillään irrottavan metalleja vesistöjen sedimenteistä. Työssä selvitettiin kolmen eri biohajoavan kompleksinmuodostajan valkaisuteho verrattuna perinteisiin kompleksinmuodostajiin. Laboratoriossa suoritetut pesukokeet osoittivat, että mikään biohajoava kompleksinmuodostaja ei saavuttanut samaa pesutehoa kuin perinteiset kompleksinmuodostajat. Valkaisukokeet kuitenkin osoittivat, että biohajoava kompleksinmuodostaja ISA pääsi hyvin lähelle perinteisten kompleksinmuodostajien valkaisutuloksia suoritettaessa valkaisu siten, että massa esipestään kompleksinmuodostajalla ja sen jälkeen valkaistaan vakiokemikaaliannoksella alkalina ollessa natriumhydroksidi. Kaksi muuta biohajoavaa kompleksinmuodostajaa, ISA+EDDS ja HAS, eivät saavuttaneet samaa tasoa. HAS toimi kyllä stabilaattorina, muttei pystynyt nostamaan massan vaaleutta.

Mahdollisuudet pakkausten hiilijalanjäljen pienentämiseen. Case: Kuituvalos

Ilmastonmuutoksen myötä tuotteiden hiilijalanjälkien laskeminen on yleistynyt. Tässä työssä perehdytään pakkausten aiheuttamiin kasvihuonekaasupäästöihin niiden elinkaaren aikana. Työssä lasketaan hiilijalanjälki myymäläpakkaukselle, joka on valmistettu kuituvaloksesta. Vertailua varten lasketaan hiilijalanjälki paisutetusta polystyreenistä valmistetulle pakkaukselle samassa käyttötarkoituksessa. Tavoitteena on selvittää, miten pakkausten kasvihuonekaasutaseet eroavat toisistaan, ja mitkä elinkaaren aikaiset vaiheet muodostavat merkittävimmät päästöt. Työssä käytetään PAS 2050 -ohjeistusta hiilijalanjäljen laskentaan. Laskennassa on huomioitu suorien ja epäsuorien päästöjen lisäksi myös vältetyt päästöt. Tulosten mukaan materiaalien välisen paremmuuden ratkaisee käytetty jätteenkäsittelytapa. Mikäli kuituvalos kierrätetään, on sen hiilijalanjälki paisutettua polystyreeniä (EPS) pienempi. Tarkastellut jätteenkäsittelytavat EPS:lle olivat kaatopaikkasijoitus ja energiahyötykäyttö. Mikäli kuituvalos kompostoidaan tai käytetään hyödyksi energiana, on sen hiilijalanjälki suurempi kuin EPS:n. Kuituvaloksella selkeästi merkittävimmäksi kasvihuonekaasujen aiheuttajaksi osoittautui pakkauksen valmistusvaihe. EPS:llä merkittäviä vaiheita olivat raaka-aineen tuotanto ja kuljetukset. Tulokset antavat kuvan materiaalien ilmastonmuutospotentiaalista, mutta on huomioitava, ettei hiilijalanjälkitarkastelussa huomioida muita pakkausten ympäristövaikutuksia niiden elinkaaren ajalta.

Utilisation of biomass for energy production in the North-West Russian forest industry

Traditionally, fossil fuels have always been the major sources of the modern energy production. However prices on these energy sources have been constantly increasing. The utilization of local biomass resources for energy production can substitute significant part of the required energy demand in different energy sectors. The introduction of the biomass usage can easily be started in the forest industry first as it possesses biomass in a large volume. The forest industry energy sector has the highest potential for the fast bioenergy development in the North-West Russia. Therefore, the question concerning rational and effective forest resources use is important today as well as the utilization of the forestry by-products. This work describes and analyzes the opportunities of utilising biomass, mainly, in the form of the wood by-products, for energy production processes in general, as well as for the northwest Russian forest industry conditions. The study also covers basic forest industry processes and technologies, so, the reader can get familiar with the information about the specific character of the biomass utilization. The work gives a comprehensive view on the northwest forest industry situation from the biomass utilisation point of view. By presenting existing large-scale sawmills and pulp and paper mills the work provides information for the evaluation of the future development of CHP investments in the northwest Russian forest industry.

Mahdollisuudet pakkausten hiilijalanjäljen pienentämiseen. Case: kuituvalos

Ilmastonmuutoksen myötä tuotteiden hiilijalanjälkien laskeminen on yleistynyt. Tässä työssä perehdytään pakkausten aiheuttamiin kasvihuonekaasupäästöihin niiden elinkaaren aikana. Työssä lasketaan hiilijalanjälki myymäläpakkaukselle, joka on valmistettu kuituvaloksesta. Vertailua varten lasketaan hiilijalanjälki paisutetusta polystyreenistä valmistetulle pakkaukselle samassa käyttötarkoituksessa. Tavoitteena on selvittää, miten pakkausten kasvihuonekaasutaseet eroavat toisistaan, ja mitkä elinkaaren aikaiset vaiheet muodostavat merkittävimmät päästöt. Työssä käytetään PAS 2050 -ohjeistusta hiilijalanjäljen laskentaan. Laskennassa on huomioitu suorien ja epäsuorien päästöjen lisäksi myös vältetyt päästöt. Tulosten mukaan materiaalien välisen paremmuuden ratkaisee käytetty jätteenkäsittelytapa. Mikäli kuituvalos kierrätetään, on sen hiilijalanjälki paisutettua polystyreeniä (EPS) pienempi. Tarkastellut jätteenkäsittelytavat EPS:lle olivat kaatopaikkasijoitus ja energiahyötykäyttö. Mikäli kuituvalos kompostoidaan tai käytetään hyödyksi energiana, on sen hiilijalanjälki suurempi kuin EPS:n. Kuituvaloksella selkeästi merkittävimmäksi kasvihuonekaasujen aiheuttajaksi osoittautui pakkauksen valmistusvaihe. EPS:llä merkittäviä vaiheita olivat raaka-aineen tuotanto ja kuljetukset. Tulokset antavat kuvan materiaalien ilmastonmuutospotentiaalista, mutta on huomioitava, ettei hiilijalanjälkitarkastelussa huomioida muita pakkausten ympäristövaikutuksia niiden elinkaaren ajalta.

Fouling management and retention in nanofiltration of integrated paper mill effluents

Nanofiltration performance was studied with effluents from the pulp and paper industry and with model substances. The effect of filtration conditions and membrane properties on nanofiltration flux, retention, and fouling was investigated. Generally, the aim was to determine the parameters that influence nanofiltration efficiency and study how to carry out nanofiltration without fouling by controlling these parameters. The retentions of the nanofiltration membranes studied were considerably higher than those of tight ultrafiltration membranes, and the permeate fluxes obtained were approximately the same as those of tight ultrafiltration membranes. Generally, about 80% retentions of total carbon and conductivity were obtained during the nanofiltration experiments. Depending on the membrane and the filtration conditions, the retentions of monovalent ions (chloride) were between 80 and 95% in the nanofiltrations. An increase in pH improved retentions considerably and also the flux to some degree. An increase in pressure improved retention, whereas an increase in temperature decreased retention if the membrane retained the solute by the solution diffusion mechanism. In this study, more open membranes fouled more than tighter membranes due to higher concentration polarization and plugging of the membrane material. More irreversible fouling was measured for hydrophobic membranes. Electrostatic repulsion between the membrane and the components in the solution reduced fouling but did not completely prevent it with the hydrophobic membranes. Nanofiltration could be carried out without fouling, at least with the laboratory scale apparatus used here when the flux was below the critical flux. Model substances had a strong form of the critical flux, but the effluents had only a weak form of the critical flux. With the effluents, some fouling always occurred immediately when the filtration was started. However, if the flux was below the critical flux, further fouling was not observed. The flow velocity and pH were probably the most important parameters, along with the membrane properties, that influenced the critical flux. Precleaning of the membranes had only a small effect on the critical flux and retentions, but it improved the permeability of the membranes significantly.

Research on the suitability of organosolv semi-chemical triticale fibers as reinforcement for recycled hdpe composites

The main objective of this research was to study the feasibility of incorporating organosolv semi-chemical triticale fibers as the reinforcing element in recycled high density polyethylene (HDPE). In the first step, triticale fibers were characterized in terms of chemical composition and compared with other biomass species (wheat, rye, softwood, and hardwood). Then, organosolv semi-chemical triticale fibers were prepared by the ethanolamine process. These fibers were characterized in terms of its yield, kappa number, fiber length/diameter ratio, fines, and viscosity; the obtained results were compared with those of eucalypt kraft pulp. In the second step, the prepared fibers were examined as a reinforcing element for recycled HDPE composites. Coupled and non-coupled HDPE composites were prepared and tested for tensile properties. Results showed that with the addition of the coupling agent maleated polyethylene (MAPE), the tensile properties of composites were significantly improved, as compared to non-coupled samples and the plain matrix. Furthermore, the influence of MAPE on the interfacial shear strength (IFSS) was studied. The contributions of both fibers and matrix to the composite strength were also studied. This was possible by the use of a numerical iterative method based on the Bowyer-Bader and Kelly-Tyson equations

Massan fraktioiden vaikutus paperin bulkin ja sileyden väliseen yhteyteen

Diplomityön tavoitteena oli selvittää paperin valmistuksessa käytettävien mekaanisten massojen eri kuitufraktioiden vaikutusta SC-paperin ominaisuuksiin. Aikakausipaperin vaatimuksena on hyvä paperin sileys, kiilto ja bulkki. Sileys ja kiilto on helppo saavuttaa kalanteroimalla, mutta tällöin menetetään paperin bulkkia. Tässä työssä keskitytäänkin etsimään keinoja paperin bulkin säästämiseksi fraktioinnin avulla. Työn kirjallisuusosassa käydään läpi teoriaa paperin valmistuksesta ja paperin ominaisuuksista. Työn kokeellisessa osassa on esitetty tehdyt tutkimukset laboratoriomenetelmin kalanterointiolosuhteiden ja massojen eri fraktioiden vaikutuksesta paperin ominaisuuksiin. Saadut tulokset olivat samantyyppisiä mitä edellisissä tutkimuksissa samasta aiheesta oli saatu. Saatujen tulosten mukaan paperin pitkäkuitufraktion osuutta kasvattamalla bulkki ja taivutusjäykkyys paranivat, mutta toisaalta sileys ja kiilto huononivat. Paperin hienoainefraktion osuutta kasvattamalla kaikki painatusominaisuudet paranivat kuten sileys, kiilto ja valonsirontakerroin, mutta samalla huononivat paperin bulkki ja taivutusjäykkyys.

Caracterização química do "pitch" em indústria de celulose e papel de Eucalyptus

The chemical analysis of the acetone, chloroform, toluene and methanol extracts of a pitch sample was carried out by IR and GC-MS, leading to the identification of sixty nine compounds, including fatty acids, alcohols and hydrocarbons. Analysis of the acetone extractive of a eucalyptus wood used in Brazil for pulp production was also carried out, resulting in identification of fifty nine compounds, including mainly fatty acids, phenolic compounds, beta-sitosterol and other steroids. This analysis showed that pitch formation had a contribution from wood extractives and other sources of contamination. The results obtained and the methodology applied can be used by the pulp industry to develop new methods of pitch control.

Study and modeling of the desintegration kinetics of coated paper

The disintegration of recovered paper is the first operation in the preparation of recycled pulp. It is known that the defibering process follows a first order kinetics from which it is possible to obtain the disintegration kinetic constant (KD) by means of different ways. The disintegration constant can be obtained from the Somerville index results (%lsv and from the dissipated energy per volume unit (Ss). The %slv is related to the quantity of non-defibrated paper, as a measure of the non-disintegrated fiber residual (percentage of flakes), which is expressed in disintegration time units. In this work, disintegration kinetics from recycled coated paper has been evaluated, working at 20 revise rotor speed and for different fiber consistency (6, 8, 10, 12 and 14%). The results showed that the values of experimental disintegration kinetic constant, Ko, through the analysis of Somerville index, as function of time. Increased, the disintegration time was drastically reduced. The calculation of the disintegration kinetic constant (modelled Ko), extracted from the Rayleigh’s dissipation function, showed a good correlation with the experimental values using the evolution of the Somerville index or with the dissipated energy

Determination of corn stalk fibers' strength through modeling of the mechanical properties of its composites

Worldwide cultivation of corn is expanding, due in part to the increasing production of bioethanol. In consequence, huge amounts of corn stalks residues are been produced. Instead of incineration, we transformed the corn stalks into a semichemical pulp and successfully applied it as reinforcement in polypropylene composites. PP composites reinforced with 40% wt corn stalk single fibers were prepared, and their mechanical properties were evaluated. Through mechanical properties modeling of the composites, the intrinsic tensile strength of the cellulosic fibers that constitute the corn stalk have been determined

Hitsatun kerrossihtilevyrakenteen soveltuvuus sellutehtaan laitteiden suodatinpinnaksi

Tässä diplomityössä tutkittiin hitsaamalla valmistettavan kerrossihtilevyn soveltuvuutta eri sellutehtaan laitteisiin mekaanisen kuormituskokeen, korroosiokokeen ja syrjäytyskokeiden avulla. Tutkimusympäristönä käytettiin puukuitupesuria, sillä kerrossihtilevyrakenteen todennäköisimpiä käyttökohteita ovat erilaiset massan pesuun tarkoitetut laitteet. Mekaanisen kuormituksen kokeessa tarkasteltiin kerrossihtilevyn staattista ja dynaamista kuormituksen kestoa painevaihteluiden avulla pesurin koelokerossa ja verrattiin sitä porattuun reikälevyyn. Kokeessa käytetyn kerrossihtilevyversion todettiin olevan huomattavasti porattua saman paksuista reikälevyä heikompi dynaamisen kuormituksen alaisena. Syrjäytyskokeilla määritettiin syrjäytysnopeus erilaisilla reiänhalkaisijoilla ja –jaoilla sekä tutkittiin väriaineen avulla sokeiden tukikannasten vaikutusta syrjäytyspesun homogeenisuuteen levyn pinnassa. Syrjäytysnopeuden todettiin heikentyvän vapaan reikäpinta-alan pienentyessä. Väriaineellisissa kokeissa ei havaittu tukikannasten merkittävästi alentavan syrjäytysnopeutta. Korroosiokokeilla tutkittiin ja vertailtiin laser- ja vastuspistehitsien korroosionkestokykyä kloridipitoisissa olosuhteissa lämpötilan säätelyn mahdollistavan olosuhdekaapin avulla. Laserhitsauksessa parametrien ei havaittu vaikuttavan merkittävästi hitsin herkistymislämpötilaan. Vastuspistehitsaamalla on mahdollista saavuttaa laserhitsien korroosionkesto.