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.

Komposiittirakenteiden soveltamismahdollisuudet pesureissa

Teräksen raaka-ainekustannusten jyrkkä nousu pakottaa prosessiteollisuuden etsimään vaihtoehtoisia rakennemateriaaleja, joiden ominaisuudet ovat vähintään terästä vastaavia. Prosessiteollisuudessa joudutaan käyttämään runsaasti kemikaaleja kestäviä laitteita, jolloin rakennemateriaaliksi sopiva on haponkestävä teräs. Laitteiden kokojen kasvusta seuraa niiden kokonaispainojen kasvu aiheuttaen haasteita niitä kantaville perustuksille. Komposiitti on yksi varteenotettava vaihtoehto haponkestävän teräksen korvaajaksi, sillä komposiitin ominaisuus/painosuhde on terästä parempi. Diplomityön tavoitteena on ollut selvittää Washers & Filters – tuoteperheeseen kuuluvien laitteiden, DD-pesurin (Drum Displacer) ja GF- suotimen (GasFree Filter), rakenteista löytyvien osien mahdollisuutta korvata komposiitilla. Työn pohjaksi on käsitelty komposiittien ominaisuuksia, tyyppejä ja valmistusmenetelmiä sekä perehdytty sellupesureiden toimintaprosessiin. Tältä pohjalta löytyi valintakriteerien avulla rakenteita, joita olisi mahdollista korvata komposiitilla.

Paineellisten rumpusuodinten kunnossapitostrategian kehittäminen ja implementointi

Tutkimuksen tavoitteena oli luoda UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan sellutehtaalle tuotannolliset näkökulmat huomioiva ja kunnossapitokustannukset optimoiva paineellisten rumpusuodinten kunnossapitostrategia. Paineelliset rumpusuotimet on sellutehtaan kuitulinjan keskeinen laiteryhmä, jonka vuosittaiset kunnossapitokustannukset ovat merkittävät. Tarkastelu työssä keskittyi paineellisen rumpusuotimen päätytiivistyksen kunnossapitostrategian kehittämiseen, koska päätytiivistys muodostaa laitteen vuosittaisista kustannuksista suurimman osan. Kunnossapitokustannusten optimointi suoritettiin strategisen johtamisen periaatteiden mukaisesti eri teknistaloudelliset näkökulmat huomioiden. Kunnossapidon toteutukselle määriteltiin tuotannon tavoitteet, jonka perusteella luotiin uusi kunnossapitostrategia. Työssä tehdyn tutkimuksen perusteella siirtymällä korjaavasta kunnossapidosta ehkäisevään kunnossapitoon, voidaan saavuttaa säästöjä kunnossapitokustannuksissa. Uuden strategian toteutumisen mahdollistamiseksi määriteltiin strategiset projektit, jotka käsittelivät muun muassa uusien tiivistemateriaalien käyttöönottoa, alajärjestelmien muutostöitä sekä toimintatapojen muutoksia. Strategian ja strategisten projektien toteutusta varten laadittiin kirjalliset dokumentit, joiden perusteella implementointi suoritetaan. Toimenpiteille määriteltiin vastuuhenkilöt ja toteutusajat, joiden mukaisesti eri organisaatiotasot toimivat. Strategia laadittiin seuraavalle kymmenelle vuodelle, mutta strategian toteutusta ja tuloksia on seurattava vuosittain. Muuttuvassa liiketoimintaympäristössä kunnossapidon optimitila ei ole staattinen, joten strategiaa on oltava valmis päivittämään. Aktiivisella ja suunnitelmallisella toiminnalla on mahdollista saavuttaa merkittäviä säästöjä tuotannon ja kunnossapidon näkökulmasta.

O-2 uptake during solid-state fermentation in a rotating drum bioreactor

The maximum O-2 uptake by Rhizopus oligosporus grown in a 200 litre rotating drum bioreactor at 0.5 rpm ranged from 6.7 to 7.6 mmol per min per kg initial dry substrate (IDS), for runs done with 4 baffles each 17 cm wide, and 12 baffles each 5 cm wide. Without baffles, the maximum O-2 uptake rate at 5 rpm was 6.9 mmol/(min.kg IDS), compared to 5.1 mmol/(min.kg IDS) obtained at 0.5 rpm. Therefore O-2 supply is adequate in rotating drum bioreactors as long as slumping flow regimes of the substrate bed are avoided.

Approach to designing rotating drum bioreactors for solid-state fermentation on the basis of dimensionless design factors

The development of large-scale solid-stale fermentation (SSF) processes is hampered by the lack of simple tools for the design of SSF bioreactors. The use of semifundamental mathematical models to design and operate SSF bioreactors can be complex. In this work, dimensionless design factors are used to predict the effects of scale and of operational variables on the performance of rotating drum bioreactors. The dimensionless design factor (DDF) is a ratio of the rate of heat generation to the rate of heat removal at the time of peak heat production. It can be used to predict maximum temperatures reached within the substrate bed for given operational variables. Alternatively, given the maximum temperature that can be tolerated during the fermentation, it can be used to explore the combinations of operating variables that prevent that temperature from being exceeded. Comparison of the predictions of the DDF approach with literature data for operation of rotating drums suggests that the DDF is a useful tool. The DDF approach was used to explore the consequences of three scale-up strategies on the required air flow rates and maximum temperatures achieved in the substrate bed as the bioreactor size was increased on the basis of geometric similarity. The first of these strategies was to maintain the superficial flow rate of the process air through the drum constant. The second was to maintain the ratio of volumes of air per volume of bioreactor constant. The third strategy was to adjust the air flow rate with increase in scale in such a manner as to maintain constant the maximum temperature attained in the substrate bed during the fermentation. (C) 2000 John Wiley & Sons, Inc.

Residence time distributions of gas flowing through rotating drum bioreactors

Residence time distribution studies of gas through a rotating drum bioreactor for solid-state fermentation were performed using carbon monoxide as a tracer gas. The exit concentration as a function of time differed considerably from profiles expected for plug flow, plug flow with axial dispersion, and continuous stirred tank reactor (CSTR) models. The data were then fitted by least-squares analysis to mathematical models describing a central plug flow region surrounded by either one dead region (a three-parameter model) or two dead regions (a five-parameter model). Model parameters were the dispersion coefficient in the central plug flow region, the volumes of the dead regions, and the exchange rates between the different regions. The superficial velocity of the gas through the reactor has a large effect on parameter values. Increased superficial velocity tends to decrease dead region volumes, interregion transfer rates, and axial dispersion. The significant deviation from CSTR, plug flow, and plug flow with axial dispersion of the residence time distribution of gas within small-scale reactors can lead to underestimation of the calculation of mass and heat transfer coefficients and hence has implications for reactor design and scaleup. (C) 2001 John Wiley & Sons, Inc.

Growth and compaction behaviour of copper concentrate granules in a rotating drum

In order to understand the growth and compaction behaviour of chalcopyrite (copper concentrate), batch granulation tests were carried out using a rotating drum. The granule growth exhibited induction-type behaviour, as defined by Iveson and Litster [AIChE J. 44 (1998) 15 10]. There were two consecutive stages during granulation: the induction stage, during which the granules are gradually being compacted and little or no growth occurs, and the rapid growth stage, which starts when the granules have become surface wet and are rapidly growing. In agreement with earlier findings. an increased amount of binder liquid shortened the induction time. The compaction behaviour was also investigated. A displaced volume method was adopted to determine the porosity of the granules. It was shown that this technique had a limitation as it was unable to detect the reduction of the volumes of the granule pores after the granules had become surface wet. Due to this, some of the measurements were not suited for fitting a three-parameter empirical model. Attempts were made to determine whether the rapid growth stage started with the pore saturation exceeding a certain critical value, but due to the scatter in the porosity measurements and the fact that some of the measurements could not be used, it was not possible to determine a critical pore saturation, However, the porosity measurements clearly demonstrated that the porosity of the granules decreased during the induction stage of an experiment and that when rapid growth occurred, the granules had a pore saturation was around 0.85. This value was slightly lower than unity, which is most likely due to trapped air bubbles. (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V.

Mass transfer correlations for rotating drum bioreactors

Evaporative cooling is extremely important for large-scale operation of rotating drum bioreactors (RDBs). Outlet water vapour concentrations were measured for a RDB containing wet wheat bran with the aim of determining the mass transfer coefficient for evaporation from the bran bed to the headspace. Mass transfer was expressed as the mass transfer coefficient times the area for transfer per unit volume of void space in the drum. Values of ka' were determined under combinations of aeration superficial velocities ranging from 0.006 to 0.017 ms(-1) and rotation rates ranging from 0 to 9 rpm. Mass transfer coefficients were evaluated using a variety of residence time distributions (RTDs) for flow in the gas phase including plug flow and well-mixed and a Central Jet RTD based on RTD studies. If plug flow is assumed, the degree of holdup at low effective Peclet (Pe(eff)) numbers gives an apparent under-estimate of ka' compared with empirical correlations. Values of ka' calculated using the Central Jet RTD agree well with values of ka' from literature correlations. There was a linear relationship between ka' and effective Peclet number: ka' = 2.32 x 10(-3) Pe(eff). (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Review and future directions in the modelling and control of continuous drum granulation

Many granulation plants operate well below design capacity, suffering from high recycle rates and even periodic instabilities. This behaviour cannot be fully predicted using the present models. The main objective of the paper is to provide an overview of the current status of model development for granulation processes and suggest future directions for research and development. The end-use of the models is focused on the optimal design and control of granulation plants using the improved predictions of process dynamics. The development of novel models involving mechanistically based structural switching methods is proposed in the paper. A number of guidelines are proposed for the selection of control relevant model structures. (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V.

A mathematical model of concentrate solids content for the wet drum magnetic separator

Low concentrate density from wet drum magnetic separators in dense medium circuits can cause operating difficulties due to inability to obtain the required circulating medium density and, indirectly, high medium solids losses. The literature is almost silent on the processes controlling concentrate density. However, the common name for the region through which concentrate is discharged-the squeeze pan gap-implies that some extrusion process is thought to be at work. There is no model of magnetics recovery in a wet drum magnetic separator, which includes as inputs all significant machine and operating variables. A series of trials, in both factorial experiments and in single variable experiments, was done using a purpose built rig which featured a small industrial scale (700 mm lip length, 900 turn diameter) wet drum magnetic separator. A substantial data set of 191 trials was generated in this work. The results of the factorial experiments were used to identify the variables having a significant effect on magnetics recovery. It is proposed, based both on the experimental observations of the present work and on observations reported in the literature, that the process controlling magnetic separator concentrate density is one of drainage. Such a process should be able to be defined by an initial moisture, a drainage rate and a drainage time, the latter being defined by the volumetric flowrate and the volume within the drainage zone. The magnetics can be characterised by an experimentally derived ultimate drainage moisture. A model based on these concepts and containing adjustable parameters was developed. This model was then fitted to a randomly chosen 80% of the data, and validated by application to the remaining 20%. The model is shown to be a good fit to data over concentrate solids content values from 40% solids to 80% solids and for both magnetite and ferrosilicon feeds. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

A mathematical model of recovery of dense medium magnetics in the wet drum magnetic separator

Loss of magnetic medium solids from dense medium circuits is a substantial contributor to operating cost. Much of this loss is by way of wet drum magnetic separator effluent. A model of the separator would be useful for process design, optimisation and control. A review of the literature established that although various rules of thumb exist, largely based on empirical or anecdotal evidence, there is no model of magnetics recovery in a wet drum magnetic separator which includes as inputs all significant machine and operating variables. A series of trials, in both factorial experiments and in single variable experiments, was therefore carried out using a purpose built rig which featured a small industrial scale (700 mm lip length, 900 mm diameter) wet drum magnetic separator. A substantial data set of 191 trials was generated in the work. The results of the factorial experiments were used to identify the variables having a significant effect on magnetics recovery. Observations carried out as an adjunct to this work, as well as magnetic theory, suggests that the capture of magnetic particles in the wet drum magnetic separator is by a flocculation process. Such a process should be defined by a flocculation rate and a flocculation time; the latter being defined by the volumetric flowrate and the volume within the separation zone. A model based on this concept and containing adjustable parameters was developed. This model was then fitted to a randomly chosen 80% of the data, and validated by application to the remaining 20%. The model is shown to provide a satisfactory fit to the data over three orders of magnitude of magnetics loss. (C) 2003 Elsevier Science BY. All rights reserved.

Analysis study of the axial transport and heat transfer of a flighted rotary drum operated at optimum loading

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2015

Testing of Vacuum Drum Filter

Tämän diplomityön tavoitteena oli testata ja optimoida erään alipainerumpusuodattimen toimivuutta, ja lisäksi maksimoida tuottavuus ja vertailla erilaisten pesumenetelmientehokkuutta. Testilietteiden ¿ rautarikasteen ja täyteainepastan ¿ karakterisointi oli myös tärkeää. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lyhyesti neste-kiintoaine-erotuksen teoriaa, erityisesti alipainesuodatusta ja alipainerumpusuodattimia. Lisäksi käsiteltiin kapillaarisuodatuksen toimintaperiaatteita sekä selvitettiin kaivosteollisuuden veden talteenottokeinoja, kiintoainejäämien käsittelymenetelmiä ja Chilen kaivosteollisuuden nykytilaa. Työn kokeellinen osa suoritettiin käyttämällä raskaita ja kiintoainepitoisuuksiltaan korkeita lietteitä, eli rautarikastetta ja täyteainepastaa. Kokeet suoritettiin erityisellä alipainerumpusuodattimella, joka oli muokattu perinteisestäpäältä syötettävästä alipainerumpusuodattimesta. Kokeissa tutkittiin pyörimisnopeuden ja erilaisten pesumenetelmien vaikutusta kakun kosteuteen ja suodatuskapasiteettiin. Koelietteiden karakterisointi suoritettiin analysoimalla partikkelikokojakauma, kiintoainepitoisuus, metallipitoisuus ja koostumus. Kokeiden perusteella havaittiin, että rummun pyörimisnopeudella ja lietteen kiintoainepitoisuudella on merkittävä vaikutus suodatuskapasiteettiin ja kakun kosteuspitoisuuteen. Havaittiin myös, että kakun kosteuspitoisuuksissa ja rummun suodatuskapasiteeteissa oli eroja, kun verrattiin eri suodatinväliaineen pesumenetelmiä. Täten oikean pesumenetelmän valinta on tärkeää, ja sillä pystytään lisäämään suodatinväliaineen käyttöikää.

Development of rotating drum under mechanical and thermal load

A variable temperature field sets exacting demands to the structure under mechanical load. Most of all the lifetime of the rotating drum structure depends on temperature differences between parts inside the drum. The temperature difference was known because of the measurements made before. The list of demands was created based on customers’ needs. The limits of this paper were set to the inner structure of the drum. Creation of ideas for the inner structure was started open minded. The main principle in the creation process was to create new ideas for the function of the product with the help of sub-functions. The sub-functions were created as independent as possible. The best sub-functions were combined together and the new working principles were created based on them. Every working principle was calculated separately and criticized at the end of the calculation process. The main objective was to create the new kind of structure, which is not based too much to the old, inoperative structure. The affect of own weight of the inner structure to the stress values was quite small but it was also taken into consideration when calculating the maximum stress value of the structure. Because of very complex structures all of the calculations were made with the help of the ProE – Mechanica software. The fatigue analyze was made also for the best structure solution.

Stock flow through a drum screen

Tässä diplomityössä haluttiin mallintaa kuidutusrummun toimintaa Fluent virtausmallinusohjelman avulla. Aikaisempi tieto ja kehitystyö on perustunut kokemukseen ja käytännön kokeisiin. Kehitystyön alkuaikoina on suoritettu muutamia laskelmia koskien rummun tuottoa mutta sen jälkeen ei toimintaa ole laskennallisesti kuvattu. Työn ensimmäinen osa käsittelee yleisesti keräyspaperin käsittelyyn liittyviä laitteita ja menetelmiä. Toimintaperiaatteita on kuvattu yleisellä tasolla ja FibreFlow® rumpu on sitten käsitelty muita laitteita tarkemmin. Työn toinen osa sisältää sitten laboratoriotestit paikallisilta tahteilta hankittujen näytteiden viskositeettien ja tiheyksien määrittämiseksi. Kokeet suoritettiin Kemiantekniikan osastolla Brookfield viskoosimetrillä. Joitain alustavia laskentoja tuotosta suoritettiin aikaisempien tietojen perusteella. Rumpua kun on valmistettu vuodesta 1976, on tietoa kertynyt runsaasti vuosien mittaan. Laskelmia varten valittiin mallinnettavaksi alueeksi vain yksittäinen reikä sihdistä jolle laskettiin massavirta. Käytetyt laadut olivat OCC ja DIP. Myös eri rumpukoot otettiin jossain määrin huomioon.