Kineettinen tarkastelu keskisakeusalueella toimivalle happivaiheelle

Abstract

Työn tavoitteena oli tarkastella keskisakeudessa toimivan happidelignifioinnin kinetiikkaa ja vertailla sitä olemassa olevien kineettisten tutkimuksien kanssa. Lisäksi tutkittiin kuinka happivaiheen suodos vaikuttaa delignifiointiasteeseen sekä selektiivisyyteen.

Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin happidelignifioinnin kineettisiin malleihin, jotka on kehitetty ennustamaan alkalin, paineen, lämpötilan ja ajan vaikutusta ligniinin poistumiselle sekä hiilihydraattiketjujen katkeilulle. Delignifioituminen on nopeaa ensimmäisen kymmenen minuutin aikana ja hidastuu jäännösdelignifiointivaiheessa.

Laboratoriotutkimuksissa selvitettiin kuinka prosessimuuttujat vaikuttavat kappaluvun ja viskositeetin muutokseen. Tuloksia tarkasteltiin lineaarisella regressioanalyysillä, jonka avulla muuttujien vaikutukset saadaan selkeästi esille.

Happivaiheen ensimmäisessä vaiheessa suurin vaikutus delignifiointiasteeseen sekä viskositeetin alenemiseen on alkaliannoksella. Pienillä hapen annostuksella saavutettiin hyvä selektiivisyys, suurillakin alkaliannoksilla. Lämpötilan vaikutus on lähes olematon, kun paine on pieni. Kun paine kasvaa, kasvaa myös lämpötilan vaikutus delignifiointiasteeseen. Hiilihydraattien depolymerisoituminen lisääntyy lämpötilan kasvaessa lähes lineaarisesti, riippumatta paineesta.

Hyvä loppuselektiivisyys saavutetaan kun ensimmäisen vaiheen selektiivisyys on hyvä. Ensimmäisessä vaiheessa saavutettiin hyvä selektiivisyys, kun alkali ei pääse kulumaan loppuun eikä delignifioituminen jatku liian pitkälle. Toisessa vaiheessa selektiivisyys säilyy parhaiten, kun lisättävä alkaliannos on pieni. Lämpötila ja paine vaikuttavat alkaliannokseen verrattuna hyvin vähän loppuselektiivisyyteen.

The general aim of this thesis was to study the kinetics of medium consistency oxygen delignification and compare the results to existing studies. In addition, the effects of the oxygen stage filtrate on the delignification rate and selectivity were also studied.

The literature part reviews the theory of the kinetic models of oxygen delignification, which have been developed to predict the effect of alkali charge, oxygen pressure, temperature and time on the loss of lignin and the degradation of carbohydrate chains. Delignification of the oxygen stage proceeds rapidly during the first 10 minutes but the process slows down in the residual lignin stage.

Laboratory tests were conducted to find out the effect of the process variables on the change of kappa number and viscosity. The results were investigated using linear regression analysis, by means of which the effects of the process variables were easily found.

In the first stage of oxygen delignification, the alkali charge has the greatest effect on the delignification rate and carbohydrate degradation. With low charges of oxygen, a good selectivity was achieved although the alkali charge was high. At a low oxygen pressure, the effect of the temperature is almost nonexistent. If the pressure increases, the effect of temperature on the delignification rate also increases. Regardless of the pressure, the degradation of carbohydrates increases almost linearly with an increasing temperature.

A good final selectivity is achieved with a good selectivity in the first stage of oxygen delignification. This is achieved if the alkali is not consumed completely and delignification is not extended too far. In the second oxygen stage, selectivity can be maximized by the addition of a low alkali charge. Compared to the alkali charge, the reaction temperature and pressure only have a minor effect on the final selectivity.