Studies on phenomena involved in impregnation of industrial wood chips
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-02-23
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
90 + app. 52
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 19/2024
Abstract
In chemical pulping, cooking chemicals are used to dissolve lignin in wood to release the fibres from the wood tissue. Chemicals must be present in the parts of the wood tissue where delignification takes place before the cooking temperature is reached, as otherwise the quality of the pulp will suffer. The transport of the cooking chemicals takes place by two mechanisms. Penetration fills the fibre cavities with liquid under a pressure gradient enabling faster diffusion of the chemicals into the wood. Diffusion refers to the movement of ions through a liquid from a higher concentration to a lower concentration. Although both mechanisms occur in parallel, their separate and combined influences on impregnation have been seldom studied in the same research. The objectives of this thesis were to clarify and deepen the understanding of the impregnation of industrial chips and the phenomena occurring in the course of impregnation. Therefore, a new experimental method was developed. The experiments were divided into penetration and impregnation experiments. The data collected from the experiments were combined for calculating corrected penetration degree values and the mass and alkali balance involved in impregnation. Based on the data, quantitative results and deeper understanding for impregnation were achieved. The research work confirmed the three defined hypothesis dealing with the influence of the physical properties of industrial chips and the processing conditions on impregnation and the influence of the chemical diffusion and the dissolution of wood on the degree of penetration. Practical outcomes and guidelines for the impregnation of the industrial wood chips were the following. The moisture content and the basic density of wood chips determine the initial penetration degree (PDi) of wood chips: a low basic wood density and a low moisture content result in higher amounts of air inside the wood, which means a lower initial penetration degree of the wood. The lower PDi hinders the whole impregnation process. Therefore, it is recommended to use pre-steaming as a common practice and more emphasis must put on the use of fresh/moist wood chips.The prerequisites for fast diffusion are a high degree of penetration and a high concentration gradient between impregnation liquor and the alkali inside wood chips. On a laboratory scale, for high-concentration liquor, 15 minutes of impregnation time is sufficient for an adequate alkali charge for kraft cooking, but in the case of low-concentration liquor, even 60 minutes is insufficient. Part of the impregnated alkali is consumed during the impregnation, and more at higher temperature. Therefore, there is risk of running out of alkali if the temperature is raised quickly to the cooking temperature after low alkali impregnation. For successful impregnation, proper pre-steaming, a low impregnation temperature and moderate alkali concentration should be used for all wood species.Kemiallisessa sellunvalmistuksessa keittokemikaaleilla liuotetaan puukuituja yhdessä pitävä ligniini kuitujen erottamiseksi. Jotta valmistettavan sellun laatu ei kärsisi, pitää keittokemikaalien ole läsnä siellä missä delignifiointia tapahtuu ennen kuin keittolämpötila saavutetaan. Keittokemikaalit kulkeutuvat puun huokosrakenteeseen kahden mekanismin avulla. Penetraatiossa kuidun ontelot täyttyvät nesteellä painegradientin takia mahdollistaen nopeamman ja paremman keittokemikaalien diffuusion puuhun. Diffuusiossa ionit liikkuvat korkeammasta pitoisuudesta alhaisempaan pitoisuuteen. Vaikka nämä aineensiirtomekanismit tapahtuvat samanaikaisesti, niiden yksittäisiä ja yhteisiä vaikutuksia imeytykseen on harvoin tutkittu samassa tutkimuksessa. Väitöskirjan tavoitteena oli selventää ja syventää ymmärrystä liittyen tehdashakkeiden imeytykseen ja imeytyksen aikana tapahtuviin ilmiöihin. Tämän mahdollistamiseksi kehitettiin uusi kokeellinen menetelmä, jossa kokeet jaettiin kahteen osaan: penetraatiokokeisiin ja imeytyskokeisiin. Molemmat kokeet tehtiin kaikille koepisteille. Kokeista kerätty data yhdistettiin "korjatun penetroitumisasteen " sekä imeytyskokeiden massa- ja alkalitaseen laskemiseksi. Näin saatiin aikaiseksi kvantitatiivisia imeytystuloksia ja pystyttiin syventämään ymmärrystä. Väitöskirja perustuu kolmen määritellyn hypoteesiin todentamiseen, jotka käsittelivät tehdashakkeiden ominaisuuksien ja prosessiolosuhteiden vaikutusta imeytykseen sekä diffuusion ja puuaineksen liukenemisen vaikutusta penetroitumisasteen laskemiseen. Väitöskirjan käytännölliset tulokset ja suositukset tehdashakkeiden imeytykselle ovat seuraavat: Hakkeiden kosteuspitoisuus ja puuaineksen tiheys määrittelevät lähtöpenetroitumisasteen. Alhainen puuaineksen tiheys ja alhainen kosteuspitoisuus tarkoittavat suurempaa hakkeiden ilmapitoisuutta, mikä merkitsee alhaista lähtöpenetroitumisastetta. Alhainen lähtöpenetroitumisaste hidastaa koko imeytysprosessia. Siksi on suositeltavaa ottaa esihöyrytys yleiseksi käytännöksi ja käyttää tuoretta/kosteaa puuta. Edellytykset nopealle diffuusiolle ovat korkea penetroitumisaste ja korkea pitoisuusero imeytyslipeän ja puussa sisällä olevan alkalin välillä. Laboratoriokokeissa käytettäessä korkean alkalipitoisuuden liuosta 15 minuuttia oli riittävä aika sulfaattikeittoon tarvittavan alkaliannoksen imeyttämiseksi. Kun taas imeytettäessä alhaisen alkalipitoisuuden liuoksella jopa 60 minuutin imeytysaika ei ollut riittävä. Osa imeytetystä alkalista kuluu imeytyksen aikana etenkin käytettäessä korkeita imeytyslämpötiloja. Siksi on riski, että alkali loppuu kesken, jos lämpötila nostetaan nopeasti keittolämpötilaan imeytyksen jälkeen käytettäessä alhaisen alkalipitoisuuden imeytysliuosta. Onnistuneen imeytyksen peukalosäännöksi voidaan määritellä: Kaikille puuraaka-aineille kunnollinen höyrytys, alhainen imeytyslämpötila ja kohtuullinen imeytysliuoksen alkalipitoisuus.Description
Supervising professor
Dahl, Olli, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Tikka, Panu, Prof., FinlandKeywords
impregnation, penetration, diffusion, mill chips, industrial wood chips, imeytys, penetroituminen, diffuusio, tehdashake
Other note
Parts
- [Publication 1]: Määttänen Marjo; Tikka Panu. 2008. Penetration of water into industrial softwood chips – Influence of physical properties. FINNISH PAPER TIMBER. Paperi ja Puu, volume 90, issue 1, pages 41-46. ISSN 0031-1243.
- [Publication 2]: Määttänen Marjo; Tikka Panu. 2008. Penetration of water and black liquor into overthick and treated wood chips. FINNISH PAPER TIMBER. Paperi ja Puu, volume 90, issue 2, pages 34-39. ISSN 0031-1243.
-
[Publication 3]: Määttänen Marjo; Tikka Panu. 2012. Determination of phenomena involved in impregnation of softwood chips, part 1: Method for calculating the True Penetration Degree. AB SVENSK PAPPERSTIDNING. Nordic Pulp & Paper Research, volume 27, issue 3, pages 550-558. ISSN 0283-2631.
DOI: 10.3183/npprj-2012-27-03-p550-558 View at publisher
-
[Publication 4]: Määttänen Marjo; Tikka Panu. 2012. Determination of phenomena involved in impregnation of softwood chips, part 2: Alkali uptake, alkali consumption and impregnation yield. AB SVENSK PAPPERSTIDNING. Nordic Pulp & Paper Research, volume 27, issue 3, pages 559-567. ISSN 0283-2631.
DOI: 10.3183/npprj-2012-27-03-p559-567 View at publisher
- [Publication 5]: Määttänen Marjo; Tikka Panu. 2013. Determination of the contribution of penetration, diffusion and alkali consumption in the impregnation of Eucalyptus grandis chips. APPITA. Appita journal, volume 66, issue 4, pages 313-321. ISSN 1038-6807.
