Processmodeller är värdefulla verktyg för sulfatmassabruk som överväger kapacitetsökningar, förändringar i driftstrategi eller behöver följa strängare utsläppskrav. Processimuleringar kan också ligga till grund för kostnadsminimering eller intäktsmaximering samt för att hjälpa till vid felsökning. Med en omfattande bruksmodell är det möjligt att studera specifikt detaljer samtidigt som den ger en bred översikten över hela processen.

Exempel på modeller

De enklaste modellerna består av vatten och massa, Na, S och grundläggande organiskt material (COD / TOC). De flesta simuleringsmodeller inkluderar även K, Cl och andra processfrämmande grundämnen (PFG). Ångbalans med kraftgenerering och sekundärt värmesystem kan också ingå. En första modell kan även vidareutvecklas när behovet förändras. Modellerna byggs och används av RISE efter kundens önskemål, exempelvis vid problem med utfällningar, utvärdering av olika strategier för återanvändning av interna vattenströmmar, eller införande av biobränsle i mesaugnen och dess effekter på PFG-balansen. Bedömning av genomförande av olika bioraffinaderiprocesser samt dynamisk simulering av bruksprocesserna kan slutligen också genomföras.

Modell av ert bruk

En modell av ett bruk skapas från RISEs referensmodell vilken modifieras för att återspegla ert bruk i önskad detaljnivå. Processen börjar med datainsamling och provtagningskampanj på bruket, där kemiska analyser kan göras hos RISE eller i brukets eget labb, för att få sammansättning och flöde på procesströmmar vilka används för att skapa modellen. I valideringsfasen förbättrar noggrannheten i modellen genom diskussioner med bruket och efter det är modellen redo att användas till utredning av aktuella frågor eller scenarier. Om det skulle uppstå nya frågor i framtid kan den befintliga modellen tillämpas på dessa nya problem inom en kort tidsram.

För att säkerställa en tillräcklig produktion av vitlut för massakokningen förlitar sig sulfatmassabruket på en väl fungerande kalkcykel, vilket innefattar kaustisering, vitlutsfiltrering (då mesan avskiljs) och mesaombränning (då bränd kalk bildas). Tyvärr kan det lätt uppstå processproblem i de nämnda enhetsoperationerna, där det vanligaste är låg kaustiseringsgrad, dåliga filtrerings- och avvattningsegenskaper hos mesan samt dödlast och ringbildning i mesaugnen. I många fall är dessa problem kopplade till ackumulering av processfrämmande grundämnen (PFG), t.ex. Si, P, Al eller Mg. RISE har både kompetens och utrustning för att arbeta med dessa frågor och förbättra driften hos massabruken.

Laboratorieexperiment hos RISE

För att hitta orsaker och lösningar på problem i kalkcykeln börjar vi vanligtvis med en grundlig analys av de inblandade strömmarna, vilket bland annat innefattar grundämnesanalys, inklusive PFG, av grön- och vitlut, mesa, kalk, stoft från mesaugnen mm. Övrig viktiga komponenter är bland annat fri CaO i kalken, EA och TTA  i vitluten vilka också utvärderas. Vid behov har vi också tillgång till andra analyser, exempelvis  elektronmikroskopavbildning av kalkpartiklarna. Resultaten jämförs med data från RISEs omfattande databas över fabriksmätningar för att få bättre förståelse.

Kaustiseringsexperimenten utförs noggrant vid kontrollerad temperatur och kaustiseringsgraden beräknas efter ABC-titrering av filtrerad lut. Sammansättning av lut och kalk kan modifieras för att simulera olika förhållanden vid bruket, t.ex. introduktion av en ny processlösning och dess inverkan på driften av kalkcykeln. Nästa steg innefattar kalcineringsexperiment i RISE laboratorieugn. Ugnen kan värmas till 1500 ° C och atmosfären kan varieras, från inert (N₂) till specialtillförda gasblandningar. Denna typ av experiment är en mycket god approximation av en vanlig mesaugn och ger värdefull kunskap om tillståndet för er mesa och de uppnåbara nivåerna av fri CaO.

Inkruster och utfällningar i svartlutsindunstare

Bildningen av inkruster eller utfällningar vid indunstning av svartlut räknas som en av de mest allvarliga driftsproblemen i de moderna sulfatmassabruken. Utfällningarna delas ofta upp i olösliga och lösliga inkruster, där de olösliga (mestadels kalciumkarbonat) kräver ett komplicerat avlägsnande, vanligen med syra eller högtryckstvätt. De lösliga utfällningarna består vanligtvis av dubbelsalter av Na-CO₃-SO₄ (ex. burkeit eller dikarbonat) eller av natriumoxalat. Även om de senare är lättare att tvätta bort, kan de bildas i sådana stora mängder att indunstningskapaciteten kraftigt sänks trots ihärdigt tvättande. I båda fallen kan inkrusterna kraftigt minska kapaciteten och energiprestanda samt orsaka dyra driftstopp för bruket. Det är därför viktigt att förstå hur inkrusteringen bildas och hur den kan minskas.

Inkruster och utfällningar i fiberlinjen

Utfällningar av måttligt lösliga salter, såsom kalciumoxalat, bariumsulfat och kalciumkarbonat, kan kraftigt minska tillgängligheten av processutrustning i fiberlinjen. Risken för utfällningar beror mestadels på den totala tillförseln av processfrämmande grundämnen (PFG), men även processlösningarna. Återvinning av processvatten minskar vattenkonsumtionen men kan också leda till en ansamling av PFG och därmed ökad utfällningsrisk. Det är därför mycket viktigt att förstå de tekniska förhållanden där utfällningarna uppstår.

RISE utreder problem med inkruster och utfällningar

RISE hjälper massabruk att utreda och minska sina problem med inkruster på fyra olika sätt:

Inkrustanalyser: Att analysera prover av sina inkruster är ofta ett första steg i att utreda problemen. När man vet exakt vad som har fällt ut, får man en uppfattning om vad som kan vara orsak och vilka åtgärder som är möjliga. Förutom rena analyser hjälper även RISE med konsultation kring att tolka analyssvaren och ge förslag på möjliga åtgärder på bruket.

Modellering: Om man gör processförändringar leder det normalt till att kemin i brukets strömmar ändras, vilket kan leda till att problem med inkruster och utfällningar uppstår. Samtidigt är kemin komplex och inte enkel att förutsäga. RISE har dock många års erfarenhet av att studera sådana system, under vilka vi har utvecklat en kemisk jämviktsmodell för bildning av måttligt lösliga salter. Denna modell kan användas redan i planeringsfasen av en ombyggnad för att med hjälp av processimulering uppskatta risken för utfällningar och testa olika metoder för att minimera den. Vi kan även göra direkta simuleringar av lösligheter i programvaran OLI Studio.

Löslighetsexperiment: RISE kan också utföra löslighetsexperiment på era specifika procesströmmar för att bedöma risken för utfällningar. En typiska studie inkluderar utfällning av de vanligaste måttligt lösliga salter som finns i fiberlinjen, dvs kalciumkarbonat, kalciumoxalat och bariumsulfat, men även andra föreningar kan undersökas vid behov. Temperatur, pH, jonstyrka och COD-nivåer är bara några av de parametrar vars effekt kan utvärderas. Resultaten kan därefter jämföras med RISE databas och implementeras i en simuleringsmodell eller vara till underlag i olika utredningar.

Utfällningsexperiment: RISE har en världsunik dedikerad utrustning för att studera inkrustering och utfällningar. Den tillåter både studier i labb och fullskala. Läs mer om denna pilot.

Inom pappersmekanik inriktar vi oss på att identifiera de relevanta mekaniska egenskaperna hos pappersmaterial, utveckla mätmetoder för att kvantifiera egenskaperna och förutsäga deras effekter i olika tillämpningar. Vi kombinerar vårt kunnande inom materialmekanik och strukturmekanik med kunskaper om processer och produkter som är specifika för pappersmaterial och pappersförpackningar för att utreda och föreslå lösningar på problem i pappers- och förpackningsindustrin. Vi arbetar främst med förpackningsmaterial, som kartong och wellpapp, där de mekaniska egenskaperna är helt avgörande för funktionen.

Vår forskning inom pappersmekanik är tillämpad och utförs till största delen i samarbete med industriföretag, bilateralt eller i konsortier. Vi driver större forskningsprojekt om kartong- och wellpappförpackningar inom ramen för forskningsprogrammet RISE Bioeconomy research programme.

Avancerad karakterisering av pappersmaterial

Vårt forskningslaboratorium i Kista ger oss unika möjligheter att utveckla nya metoder för att karakterisera mekaniska egenskaper hos material som papper, kartong och wellpapp och studera strukturmekaniken i konverteringsprocesser och för förpackningar. Vi har bland annat utvecklat metoder för karakterisering av egenskaper i tjockleksriktningen, brottmekanik och krypning. Med hjälp av klimatskåp och klimatrum kan vi göra mätningar vid andra betingelser än det standardklimat som vi håller i huvudlaboratoriet.

Utöver standardprovmetoder som dragprov och SCT erbjuder vi mätningar med metoder som vi har utvecklat eller förbättrat. De följande är några exempel:

• Drag- och kompressionsprovning i papprets eller kartongens tjockleksriktning
• Mätningar av transversell skjuvning
• Bestämning av skjuvstyrkeprofiler genom tjockleken hos kartong
• Mätningar av kohesiva brottegenskaper
• Krypprovning i dragning och kompression vid konstant eller varierande fukt
• Hygroexpansionsmätningar med en metod som inte belastar provet

Lokala variationer i materialfördelning och struktur i pappers- eller kartongbanan är ofta förenade med kvalitetsvariationer hos produkten längre fram i processen och i konverteringsleden. Med olika arbetssätt kan denna koppling förtydligas för att sedan åtgärdas.

Kartor över variationer framtagna med IR-höghastighetskamera

Materialfördelningens variation återspeglas t.ex. i den lokala värmeutstrålning hos ytan när produkten kommer ut ur torken. Vårt mobila IR-kamerasystem kan placeras i lämplig mätposition för att med hög filmhastighet och korta exponeringstider avbilda pappersbanan detaljerat utan rörelseoskärpa så att variationer över ytan kan detekteras under många minuters produktion. Tillsammans med beskrivning av processen kan analys av periodiska variationer och temporära mönster leda till bättre förståelse för hur uppkomsten kopplar till materialflöde respektive maskintillstånd.

Kartor över IR-variationer kan också synkroniseras med fast installerade mätsystem för att modellera egenskapsvariationer för de områden som inte karaktäriseras av mätsystemen. I förlängningen förbättrar det möjligheten att hitta och förstå uppkomst av temporära avvikelser on-line. Detta möjliggör en tidigare och säkrare kvalitetsklassning av anläggningens olika processavsnitt. Andra tillämpnings kan vara snabbare uppstarter och omställningar.

Detaljkaraktärisering av rullar med automatiserad provning och specialiserade analyser

Som ett alternativ eller komplement kan smala rullar från produktionen karaktäriseras i detalj för en önskad kombination av produktegenskaper. Genom att använda automatiserad pappersprovning utrustad med automatisk upprullning kan hundratals meter långa provrullar karaktäriseras flera gånger. På detta vis kan man få tusentals mätningar för olika egenskaper mätta i sammanfallande positioner och med steglängder ner till centimeternivån.

Utöver standardiserade mätningar kan RISE utföra specialiserade analyser för att identifiera problemfaktorer i produkten. Exempel är lokal formation, anisotropi i tjockleksriktningen eller kemisk analys med hyperspektral NIR-kamera.

Koppling till insamlad och strukturerad processdata

RISE plattform för analys av stora datamängder gör det möjlig att sammanföra högupplösta variationskartor av hela produktionen med utvalda processdata från bruket på ett säkert och kontrollerbart sätt. I denna miljö kan olika metoder för avancerad dataanalys användas på det gemensamma datasetet för olika syften. Dessa kan vara allt från enklare jämförelser till utveckling av prediktiva modeller att använda till orsaksanalys, avvikelsedetektion eller som verktyg för operatörsstöd.