Optimization of a two-stage oxygen delignification process – a mill study

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorPaananen, Markus
dc.contributor.advisorKontu, Saila
dc.contributor.authorKemppi, Olli
dc.contributor.schoolKemian tekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorSixta, Herbert
dc.date.accessioned2014-08-29T06:52:25Z
dc.date.available2014-08-29T06:52:25Z
dc.date.issued2014-08-19
dc.description.abstractOxygen delignification is a widely used method for lignin removal in industrial pulping and bleaching processes. In 2001, a conventional two-stage oxygen delignification process was installed at Metsä Fibre’s pulp mill in Joutseno. Since then, production rates have increased due to continuous development at the mill. The latest significant cooking modification, polysulphide pulping, began in Joutseno in May 2013. In order to maximize the benefits of that modification, the performance of oxygen delignification needed to be improved. The purpose of this work was to elucidate the current situation of the oxygen delignification at the Joutseno mill and find an optimized way to improve the efficiency of the mill’s oxygen delignification process. The study was divided into two parts: a literature review and an experimental part. In the literature review, the most important factors affecting industrial oxygen delignification were determined. The experimental part was conducted by performing three different mill trials. During the trials, the effects of alkali charge, temperature, and alkali split on the degree of delignification and selectivity were tested, and the results were analyzed statistically. The results of the trials indicated that a given delignification degree can be attained in the most selective way at the mill by using low alkali charge, low temperatures, and by splitting the alkali charge between both reactors. However, with these conditions, the degree of delignification was not sufficient. In order to increase the degree of delignification, the effect of the each factor on delignification and selectivity were tested. The results showed that increasing the alkali charge and temperature and adding all of the alkali into the first reactor increased the degree of delignification. At the same time, these changes impair selectivity. Thus, in order to minimize the diminution of selectivity, while increasing the delignification degree, 1) the temperature must be increased, 2) all of the alkali should be added into the first reactor and 3) the total alkali charge should be increased. Because the results of the trials indicated that it is possible to increase the degree of delignification through oxygen delignification, it was possible to increase the kappa level while cooking. Thus, the benefits of the new cooking method could be increased. Even though the selectivity of the oxygen delignification was impaired due to the increased delignification, the viscosity of the pulp leaving the oxygen stage remained at a reasonable level. Due to the higher kappa level while cooking, the viscosity of the pulp entering the oxygen delignification was higher.en
dc.description.abstractHappidelignifiointiprosessia, happivaihetta, käytetään yleisesti teollisen sellun valmistuksen keitto- ja valkaisuprosesseissa. Vuonna 2001 perinteinen kaksivaiheinen happidelignifiointiprosessi otettiin käyttöön myös Metsä Fibre Oy:n Joutsenon sellutehtaalle. Tämän jälkeen tuotantotaso tehtaalla on noussut koko tuotantoprosessin jatkuvan kehityksen seurauksena. Viimeisin merkittävä prosessimuutos tehtaalla tehtiin toukokuussa 2013, jolloin käynnistettiin polysulfidikeittoprosessi. Jotta uuden keittomenetelmän hyödyt voitiin maksimoida, täytyi happivaiheen tehokkuutta parantaa. Tämä työn tarkoituksena oli selvittää Joutsenon tehtaan happivaiheen nykytila sekä optimoimalla parantaa sen tehokkuutta. Tutkimus jakautui kahteen osaan: kirjallisuustyöhön sekä kokeelliseen osaan. Kirjallisuustyössä selvitettiin keskeisimmät tekijät, jotka vaikuttavat teollisen happidelignifioinnin tehokkuuteen. Kokeellinen osa toteutettiin suorittamalla kolme erillistä koeajoa, joiden avulla selvitettiin alkaliannoksen, lämpötilan sekä alkalijaon vaikutuksia sekä sellun delignifioitumisasteeseen että prosessin selektiivisyyteen. Tulokset analysoitiin tilastollisten menetelmien avulla. Koeajojen tulokset osoittivat, että tietty delignifioitumisaste voidaan saavuttaa mahdollisimman selektiivisesti käyttäen matalaa alkaliannosta, matalia lämpötiloja sekä jakamalla alkaliannos molempiin reaktoreihin. Näiden olosuhteiden vallitessa ei kuitenkaan pystytty saavuttamaan riittävää delignifioitumisastetta. Jotta delignifioitumisastetta happivaiheessa voitiin kasvattaa, selvitettiin alkaliannoksen, lämpötilojen ja alkalijaon vaikutus sekä delignifioitumisasteeseen että selektiivisyyteen. Tulokset osoittivat, että korottamalla alkaliannosta ja lämpötiloja sekä lisäämällä koko alkaliannos ensimmäiseen reaktoriin, voitiin delignifioitumisastetta kasvattaa. Samalla kuitenkin havaittiin, että happivaiheen selektiivisyys heikkenee. Kun arvioitiin jokaisen yksittäisen tekijän vaikutusta, tulokset osoittivat, että delignifioitumisastetta voidaan kasvattaa mahdollisimman selektiivisellä tavalla, kun 1) korotetaan lämpötiloja, 2) lisätään koko alkaliannos ensimmäiseen reaktoriin ja 3) korotetaan kokonaisalkaliannosta. Koska koeajojen tulokset osoittivat, että delignifioitumisastetta happivaiheessa voitiin kasvattaa, pystyttiin delignifioitumisastetta keitossa laskemaan, jolloin uuden keittomenetelmän hyötyjä voitiin korostaa. Vaikka korkeampi delignifioitumisaste heikensi happivaiheen selektiivisyyttä, pysyi happivaiheesta poistuvan sellun viskositeetti riittävällä tasolla, koska keiton alhaisemman delignifioitumisasteen seurauksena happivaiheeseen tulevan sellun viskositeetti oli korkeampi.fi
dc.format.extent94 + 30
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13883
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-201408292534
dc.language.isoenen
dc.locationPKfi
dc.programmePUU - Puunjalostustekniikan koulutusohjelmafi
dc.programme.majorSellutekniikkafi
dc.programme.mcodeP3002fi
dc.rights.accesslevelclosedAccess
dc.subject.keywordoxygen delignificationen
dc.subject.keywordoptimizationen
dc.subject.keywordalkali chargeen
dc.subject.keywordtemperatureen
dc.subject.keywordalkali spliten
dc.subject.keywordhappidelignifiointifi
dc.subject.keywordoptimointifi
dc.subject.keywordalkaliannosfi
dc.subject.keywordlämpötilafi
dc.subject.keywordalkalijakofi
dc.titleOptimization of a two-stage oxygen delignification process – a mill studyen
dc.titleTeollisen kaksivaiheisen happivaiheen optimointifi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöen
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
dc.type.publicationmasterThesis
local.aalto.digifolderAalto_05904
local.aalto.idinssi49662
local.aalto.openaccessno
Files