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

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

Optimal Mechanical PulpingProcesses for Eucalyptus, Acacia and Birch

Tässä diplomityössä tutkittiin ja vertailtiin eukalyptuksen, akaasian ja koivun kemimekaanista kuiduttamista ja valkaisua. Yleensä näitä puulajeja käytetään sellun keittoon. Puulajit eroavat toisistaan kasvupaikan ja kuiturakenteen osalta. Eukalyptus ja akaasia ovat niin sanottuja trooppisia lehtipuita, kun taas koivu kasvaa pohjoisilla vyöhykkeillä. Koivulla on kookkaimmat kuidut ja akaasialla pienimmät kuidut. Myös näiden lajien putkilot eroavat toisistaan. Koivun putkilot ovat pitkiä ja kapeita, kun taas eukalyptuksen ja akaasian putkilot ovat lyhyitä ja leveitä. Prosessiksi valittiin kaksivaiheinen APMP-prosessi. Koeajot tehtiinKeskuslaboratorio Oy:ssä. Massoille asetettiin seuraavat tavoitteet: freeness 150-200 ml ja vaaleus 80 %ISO. Eukalyptukselle ja koivulle tehtiin kaksi erilaista impregnointisarjaa, mutta akaasialle vain yksi. Jauhatuksen viimeisessä vaiheessa kokeiltiin myös jauhinvalkaisua. Jauhatuksen energiankulutus oli korkea varsinkin eukalyptuksella ja akaasialla. Jotta energiankulutus saataisiin pienemmäksi, tulisi käyttää enemmän lipeää, mutta se johtaa alkalitummumiseen. Lopuksi massat valkaistiin laboratoriossa. Eukalyptus ja koivu pystyttiin valkaisemaan vaaleuteen 80 %ISO, mutta eukalyptuksen valkaisu vaati enemmän peroksidia kuin koivun valkaisu. Akaasian lähtövaaleus oli niin alhainen, ettei siinä päästy tavoitevaaleuteen. Eukalyptuksella on parempi valonsironta ja paremmat lujuusominaisuudet kuin koivulla. Kemimekaanista massaa voidaan käyttää hienopaperissa parantamassa jäykkyyttä, bulkkia ja valonsirontaa, mutta usein ongelmana on alhainen vaaleus ja huono vaaleuden pysyvyys. Kemimekaanista massaa voidaankäyttää missä tahansa mekaanisissa painopapereissa. Mekaanisissa painopapereissa kemimekaanisella lehtipuumassalla voidaan korvata mekaanista havupuumassaa. Akaasia on niin tummaa, ettei sitä voida käyttää korkeavaaleuksisiin papereihin. Eukalyptus ja koivu ovat vaaleampia ja helpompia valkaista kuin akaasia, mutta myös niillä on niin huono vaaleudenpysyvyys että käyttö hienopapereissa on rajoittunutta. Mekaanisille eukalyptus ja koivumassoille hienopaperia parempi käyttökohde on mekaaniset painopaperit, kuten MWC-paperi.

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

Lajitteluparametrit korkeakappaisessa sellulinjassa

Tutkimustyön tarkoituksena oli selvittää Tainionkosken sellutehtaan vuonna 2001 uudistetun kuitulinjan prosessin vaikutusta kuumajauhatukseen, kuumalajitteluun, pesutulokseen ja hienolajitteluun. Työn tavoitteena oli löytää ja todentaa optimaalinen ajotapa lopputuotteen eli Tainionkosken kartonkitehtaan kartongin kannalta pesussa, kuidutuksessa, kuumalajittelussa ja hienolajittelussa. Ennen kuitulinjan uudistusta kartoitettiin tilanne kuumajauhatuksessa ja kuumalajittelussa ennen prosessimuutoksia. Kartoituksessa havaittiin, että kuumalajittelu ja kuumakuidutus toimivat parhaiten puhtaan jauhatusenergian ollessa n. 18 kWh/ADT, sekä tilavuusmääräisen ja massavirtamääräisen rejektisuhteen ollessa n. 30 %.Uuden pesemön valmistumisen jälkeen tutkittiin kappatason ja energiatason vaikutusta kuumalajitteluun, kuumakuidutukseen ja pesutulokseen. Tutkimuksessa todettiin tikkupitoisuuksien kasvavan kappatason kohoamisen seurauksena. Kuumajauhimen syöttösakeus kasvoi kappatason noustua, koska prosessimittaus ei huomioinut sakeuden kasvua ja tällöin jauhimen laimennusveden määrä jäi liian vähäiseksi. Korkean kapan seurauksena keitosta tulevien suurien partikkelien määrä lisääntyi. Kuumajauhatuksessa korkeampi kappaluku merkitsi hienoaineen lisääntymistä jauhetussa massassa. Tämän seurauksena kuidutetun massan suotautumisvastus kasvoi kappatason kohottua. Uuden prosessin kuumajauhatukseen tuleva massa on jo pesty 4-vaiheisella DD-pesurilla. Puhtaampi massa kuumajauhatuksessa ja kuumalajittelussa on merkinnyt jauhimen tikkureduktion paranemista, mutta samalla kuumalajittimen tikkujen puhdistustehokkuus on heikentynyt. Laboratoriomittausten mukaan kappatason kasvu huonontaa pesutulosta uudessa pesemössä. Uuden hienolajittamon suorituskykyä määritettiin taseiden avulla. Vanhan lajittamon toiminnassa huomattiin puutteita siinä, että 2-portaan lajittimen 1-portaan syöttöön tulevan rejektivirran tikkupitoisuus oli suurempi mitä tikkupitoisuus 1-portaan syöttövirrassa. Uudessa lajittamossa molempien virtausten tikkupitoisuudet olivat lähes samat. Kokonaisuudessaan hienolajittamon toiminta havaittiin hyväksi. Pesemö ja hienolajittelu toimivat kokeiden perusteella parhaiten lähellä mitoitettua maksimituotantoa 700 ADT/d.

Kuumahierteen laadun ja energiankulutuksen optimointi

Kuumahierteen menestyksekäs kehitys on vähentänyt kemiallisten massojen käyttöä painopapereiden raaka-aineena. Hiertäminen kuluttaa kuitenkin huomattavasti enemmän energiaa muihin massanvalmistusmenetelmiin verrattuna. Tämän työn tavoitteena oli optimoida Stora Enson Varkauden tehtaiden uuden TMP-linjan massan laatua ja energiankäyttöä. Työ koostui jauhimien monimuuttujakoeajoista, Metso Paperin painekoeajosta sekä koko TMP-linjaa koskevista tarkistusajoista. Monimuuttujakoeajot suoritettiin 600 t vuorokausituotannolla 60 % kuorimohakesuhteella. Jauhatuksen kokonaisenergiankulutuksen rajaksi sovittiin vanhojen jauhinlinjojen perusteella 2,3 MWh/t. Massan laadun kriittisimmäksi tekijäksi osoittautui vetoindeksi, joten optimoinnin tavoitteeksi muodostui vetoindeksin kehittäminen annetun energiankulutuksen puitteissa. Kuumahierteen laadun kehittymisen kannalta merkittävin vaihe oli hakkeen kuituuntuminen. Kuituuntumisen tulee tapahtua riittävän korkeassa lämpötilassa ligniinin pehmenemisen ja kuitujen joustavuuden saavuttamiseksi sekä alhaisella intensiteetillä, jolloin kuituja ei katkota. Ensimmäisen vaiheen jauhatuksen EOK:n on oltava vähintään 1,00 MWh/t, jolloin toisen vaiheen jauhatus vaatii energiaa vähintään 0,70 MWh/t. Rejektijauhimen tuotantotason tulisi olla mahdollisimman suuri ja intensiiviseen jauhatukseen käytettävän ominaisenergian noin 1,00 MWh/t.

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

Water circulations for effective bleaching of high-brightness mechanical pulps

The amount of water available is usually restricted, which leads to a situation where a complete understanding of the process, including water circulations and the influence of water components, is essential. The main aim of this thesis was to clarify the possibilities for the efficient use of residual peroxide by means of water circulation rearrangements. Rearranging water circulations and the reduction of water usage may cause new problems, such as metal induced peroxide decomposition that needs to be addressed. This thesis introduces theoretical methods of water circulations to combine two variables; effective utilization of residual peroxide and avoiding manganese in the alkaline peroxide bleaching stage. Results are mainly based on laboratory and mill site experiments concerning the utilization of residual peroxide. A simulation model (BALAS) was used to evaluate the manganese contents and residual peroxide doses. It was shown that with optimum recirculation of residual peroxide the brightness can be improved or chemical costs can be decreased. From the scientific perspective, it was also very important to discover that recycled peroxide was more effective pre-bleaching agent compared to fresh peroxide. This can be due to the organic acids i.e. per acetic acid in wash press filtrate that have been formed in alkaline bleaching stage. Even short retention time was adequate and the activation of residual peroxide using sodium hydroxide was not necessary. There are several possibilities for using residual peroxide in practice regarding bleaching. A typical modern mechanical pulping process line consist of defibering, screening, a disc filter, a bleach press, high consistency (HC) peroxide bleaching and a wash press. Furthermore there usually is not a particular medium consistency (MC) pre-bleaching stage that includes additional thickening equipment. The most advisable way to utilize residual peroxide in this kind of process is to recycle the wash press filtrate to the dilution of disc filter pulp (low MC pre-bleaching stage). An arrangement such as this would be beneficial in terms of the reduced convection of manganese to the alkaline bleaching stage. Manganese originates from wood material and will be removed to the water phase already in the early stages of the process. Recycling residual peroxide prior to the disc filter is not recommended because of low consistencies. Regarding water circulations, the novel point of view is that, it would be beneficial to divide water circulations into two sections and the critical location for the division is the disc filter. Both of these two sections have their own priority. Section one before the disc filter: manganese removal. Section two after the disc filter: brightening of pulp. This division can be carried out if the disc filter pulp is diluted only by wash press filtrate before the MC storage tower. The situation is even better if there is an additional press after the disc filter, which will improve the consistency of the pulp. This has a significant effect on the peroxide concentration in the MC pre-bleaching stage. In terms of manganese content, it is essential to avoid the use of disc filter filtrate in the bleach press and wash press showers. An additional cut-off press would also be beneficial for manganese removal. As a combination of higher initial brightness and lower manganese content, the typical brightness increase varies between approximately 0.5 and 1% ISO units after the alkaline peroxide bleaching stage. This improvement does not seem to be remarkable, but as it is generally known, the final brightness unit is the most expensive and difficult to achieve. The estimation of cost savings is not unambiguous. For example in GW/TMP mill case 0.6% ISO units higher final brightness gave 10% savings in the costs of bleaching chemicals. With an hypothetical 200 000 ton annual production, this means that the mill could save in the costs of bleaching chemicals more than 400 000 euros per year. In general, it can be said that there were no differences between the behavior of different types of processes (GW, PGW, TMP and BCTMP). The enhancement of recycling gave a similar response in all cases. However, we have to remember that the utilization of residual peroxide in older mills depends a great deal on the process equipment, the amount of water available and existing pipeline connections. In summary, it can be said that processes are individual and the same solutions cannot be applied to all cases.

Aspectes físics i químics del destintatge de paper revista mitjançant tensioactius catiònics

En una tesi anterior (Puig, 2004) es varen estudiar els aspectes mecànics vinculats al desfibratge i als consums energètics associats al procés de desintegració per acabar quantificant les forces implicades en el procés d'individualització dels components de diferents paperots. Aquest estudi, ha permès conèixer les condicions de desintegració que condueixen a un mínim consum energètic, aspecte complementari al reciclatge i destintatge del paperot però molt important per aconseguir un procés realment sostenible. Degut als requeriments del mercat, hi ha un altre aspecte o vessant realment important com és l'eliminació de tinta. Aquest procés, malgrat la complexitat industrial, es pot reduir o simplificar en dues etapes: la desintegració i la flotació. Ambdues, per raons d'eficàcia i condicionades pels agents químics que s'utilitzen, es realitzen en medi fortament alcalí (entorn d'un pH a 12). Aquest fet, genera una forta contaminació (DQO elevada) i per tant, és un procés poc respectuós amb el medi ambient. Els factors que condicionen treballar en medi alcalí són principalment, el despreniment de la tinta del suport, clarament accelerat en medi bàsic i fonamental per un bon destintatge i la utilització de tensioactius aniònics. Aquests tensioactius són sensibles al pH i la seva eficàcia disminueix en medi neutre o quasi neutre. Atès el que s'ha exposat, s'ha plantejat aquesta tesi que porta per títol "Aspectes Físics i Químics del Destintatge de Paper Revista mitjançant Tensioactius Catiònics", com un estudi del procés de destintatge de paper revista recuperat parant especial atenció a les variables físico-químiques i mecàniques del procés i a la seva influència en el despreniment i fragmentació de la tinta, així com en el procés d'eliminació de la tinta per flotació per tal d'avaluar la viabilitat d'un procés de destintatge en medi neutre enfront del destintatge alcalí convencional. S'ha utilitzat, com a paperot a destintar, el paper revista ja que aquest tipus de paper representa un percentatge elevat del paper recuperat a la Unió Europea. A més, aquest tipus de paper és utilitzat habitualment en les plantes de destintatge industrials per millorar les propietats de les suspensions destintades de paper de diari. La utilització de tensioactius catiònics és deguda a que la seva activitat no es veu afectada pel pH de la suspensió. Així, durant la comparació dels processos de destintatge en medi neutre i en medi alcalí, les eficàcies dels processos no es veuran influenciades pel grau d'ionització del tensioactiu. Donada l'absència d'estudis sobre la influència de les variables del procés en les mesures de concentració efectiva de tinta residual (ERIC) i ja que s'ha emprat aquest paràmetre per avaluar el despreniment i fragmentació de la tinta durant l'etapa de desintegració. En primer lloc, s'ha plantejat un estudi fonamental de la influència que poden tenir les variables del procés (granulometria, concentració de tinta i tipus de suport) en aquest paràmetre. Pel que fa a l'etapa de flotació, s'estudiarà l'efectivitat d'aquesta etapa, posant especial atenció a la capacitat del tensioactiu per eliminar tota la tinta despresa en l'etapa de desintegració. A més, donada la poca informació bibliogràfica referida als mecanismes de flotació amb tensioactius catiònics i la influència que té l'adsorció d'aquests agents per part de la suspensió paperera en l'etapa de flotació, s'ha dut a terme un estudi de l'adsorció dels tensioactius catiònics per part dels components d'una suspensió paperera. Per tant, la tesi realitzada té com a objectius:  Estudi fonamental de les mesures de ERIC (concentració efectiva de tinta residual) amb suports específics.  Estudi de la desintegració en medi neutre i comparació amb la desintegració clàssica.  Modelització del desfibratge de paperot a l'etapa de desintegració.  Estudi de l'eliminació de tinta per flotació en medi neutre i comparació amb la flotació clàssica.  Estudi del mecanisme d'adsorció de tensioactius en suspensions de cel·lulosa sintètica i de paperot.

Avaluació del procés de desintegració de papers recuperats

La desintegració és una etapa important en la recuperació de paper vell, ja que té importants conseqüències en consum d'energia i en el comportament de les etapes posteriors. Per això els objectius es centren en analitzar la desintegració des del punt de vista del temps de desintegració, els aspectes energètics, modelització de la màquina de desintegració utilitzada i anàlisi dels factors de cisallament calculats com a mesura global de les forces implicades en la desintegració. Els autors que hi han treballat donen diferents explicacions a aquestes forces. Fins avui només s'ha pogut avaluar qualitativament la influència que tenen cada un dels mecanismes en el temps necessari per a desintegrar i en el consum energètic. Les característiques reològiques de les suspensions papereres, i el seu comportament no newtonià tenen una clara influència en el consum energètic i les forces de desfibrat en el desintegrador. Els experiments de desintegració s'han realitzat en un púlper convencional, amb tres tipus de paper recuperat: paper estucat d'alta qualitat imprès offset (PQ), paper revista estucat imprès en color (PR), paper blanc imprès en impresora làsser (PF). Anàlisi del temps de desintegració Per cada un del papers estudiats (PQ, PR i PF), les fraccions màssiques des de 0.06 fins a la màxima que estat possible per cada paper (de 0.14 a 0.18), i a dues velocitats d'agitació diferents, s'ha determinat el temps de desintegració (tD) fins a aconseguir un índex de Sommerville de 0.01%. S'obté que en augmentar la fracció màssica disminueix potencialment el temps de desintegració. S'ha estudiat la velocitat de desintegració, la producció teòrica del púlper en cada cas, i la seva relació amb les forces d'impacte i de fregament que produeixen la desintegració. Aspectes energètics El consum específic d'energia (SEC), definit com l'energia consumida per a desintegrar 1 kg de paper recuperat, disminueix molt en augmentar Xm, ja que a més de disminuir l'energia consumida en cada desintegració, el contingut en paper és més elevat. Pel disseny de desintegradors, cal tenir en compte que en augmentar Xm i en augmentar la velocitat, sempre augmenta la potència consumida. Però així com els beneficis de treballar a Xm alt són de 10 vegades en termes de SEC i de producció, l'augment de potència és només de l'ordre de 2 vegades la necessària respecte de la Xm baixa. Viscositat aparent i energia de fluidització S'estudia la relació entre el temps de desintegració, les forces de fregament i els valors de viscositat aparent de la bibliografia. Per cada paper i velocitat s'ha observat que el consum específic d'energia disminueix en funció de la viscositat aparent. Reologia del púlper Utilitzant el mètode de Metzner i Otto (1957) per determinar la viscositat aparent mitjana de les suspensions papereres, modificat per Roustan, s'ha caracteritzat el pulper mitjançant el model: Np= K· Rex·Fry S'han utilitzat dissolucions de glicerina com a fluid newtonià per a calcular les constants d'ajust, i a partir d'aquí, aïllar la viscositat aparent en funció de la potència neta i els paràmetres d'agitació. La viscositat aparent, d'acord amb Fabry (1999) es substitueix pel concepte de factor de cisallament. Factor de cisallament Calculat el factor de cisallament per a cada paperot i condicions d'agitació, s'ha relacionat amb Xm, SEC, tD, consum de potència, potència instal·lada i fracció cel·lulòsica. El factor de cisallament és un paràmetre útil per a quantificar les forces globals implicades en la desintegració.