Design and construction analysis of a discharge scraper for a chlorine dioxide bleaching stage

Abstract

The objective of this thesis was to analyse and propose a discharge scraper design which could be manufactured cost-effectively and used in a chlorine dioxide bleaching stage. The chosen material used to achieve the objectives was grade 2 titanium. Literature review consisted of understanding the process environment of chlorine dioxide pulp bleaching, introducing a structure of a common discharge scraper, understanding why titanium grade 2 is a good material option and investigating titanium grade 2 construction possibilities and manufacturing options. Most realistic solutions for identified problem areas were found based on a points matrix system, optimization from cost-effective point of view, feasibility, CFD-analysis and DFMA comparisons. After final design for assembly was produced, a FE-analysis of structural behaviour was performed for extreme conditions and weight carrying conditions.

The new design was produced and made to be as cost-effective and manufacturable as possible without significant effect on discharge scraper function or dimensions. The biggest design changes were made for the flange connection area between scraper and tank connection flanges and for the hub structure. The results from FE-analyses showed that the design changes and material change do withstand weight carrying conditions and extreme conditions without great distortion or failure. However, optimal manufacturing methods and design can be achieved through first manufacturing, optimized FE-analysis and possible topology optimization. Constantly developing additive manufacturing could also provide more possibilities in the near future.

Tämän diplomityön tavoitteena oli analysoida ja suunnitella pohjakaavari, joka voidaan valmistaa kustannustehokkaasti ja käyttää klooridioksidivalkaisuvaiheessa. Tavoitteiden toteuttamiseksi, käytettävä materiaali oli puhtausluokan 2 titaani. Kirjallisuuskatsauksessa selvitettiin klooridioksidivalkaisun prosessiympäristöä, yleisen pohjakaavarin rakenne, miksi luokan 2 titaani on hyvä materiaalivaihtoehto ja luokan 2 titaanin käyttömahdollisuuksia ja valmistuskäyttäytymistä. Realistisimmat ratkaisut tunnistetuille ongelma-alueille löydettiin käyttämällä pistematriisijärjestelmää, kustannustehokkaaseen valmistukseen perustuvaa optimointia, toteutettavuutta, CFD-analyysiä ja DFMA-vertailuja. Sen jälkeen, kun lopullinen kokoonpanosuunnitelma oli valmis, rakenteelle tehtiin FE-analyysi äärimmäisissä olosuhteissa ja painonkanto-olosuhteissa.

Uusi malli pyrittiin tekemään mahdollisimman kustannustehokkaaksi ja helposti valmistettavaksi ilman merkittävää vaikutusta pohjakaavarin toimintaan tai mittoihin. Suurimmat suunnittelumuutokset tehtiin kaavari- ja säiliöliitoslaippojen väliseen liitosalueeseen ja naparakenteeseen. FE-analyysin tulokset osoittivat, että mallimuutokset ja materiaalimuutokset kestävät painonkanto- ja äärimmäisolosuhteissa ilman suuria vikoja tai muodonmuutoksia. Optimaaliset valmistusmenetelmät ja mallit voidaan kuitenkin saavuttaa ensivalmistuksen, optimoidun FE-analyysin ja mahdollisen topologisen optimoinnin avulla. Jatkuvasti kehittyvä materiaalia lisäävä valmistus voisi myös tuoda lisämahdollisuuksia lähitulevaisuudessa.