Hierrejauhimen virtaukset ja optimaalinen suunnittelu

(1)

MATTI LINDSTEDT

HIERREJAUHIMEN VIRTAUKSET JA OPTIMAALINEN SUUN- NITTELU

Diplomityö

Tarkastaja: professori Reijo Karvi- nen

Tarkastaja ja aihe hyväksytty

Luonnontieteiden ja ympäristöteknii- kan tiedekunnan tiedekuntaneuvos- ton kokouksessa 9. joulukuuta 2009

(2)

(3)

TIIVISTELMÄ

TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma

LINDSTEDT, MATTI: Hierrejauhimen virtaukset ja optimaalinen suunnittelu Diplomityö, 74 sivua, 2 liitesivua

Toukokuu 2010

Pääaine: Lämpö- ja virtaustekniikka Tarkastaja: professori Reijo Karvinen

Avainsanat: jauhatus, hierrejauhin, takaisinvirtaus, simulointi, optimointi, monitavoiteoptimointi

Tämän diplomityön tarkoituksena on kehittää olemassa olevaa hierrejauhimen lasken- tamallia ja optimoida jauhatuksen tehokkuutta malliin sovellettavalla algoritmilla.

Mallin osalta tavoite on kehittää luotettavuutta ja toteuttaa hallitsevat yhtälöt entistä tarkemmin. Optimoinnilla voidaan suunnitella tiettyyn prosessiin optimaaliset terägeo- metriat tai löytää tietylle hierrejauhimelle optimaaliset ajoparametrit.

Hierrejauhimen roottorissa ja staattorissa on oleellisesti toisistaan poikkeavat vir- tauskentät. Painegradientista ja puuttuvasta tilavuusvoimasta aiheutuva takaisinvirtaus staattorissa laskee prosessin hyötysuhdetta ja tekee sen ennustamisesta vaikeaa. Vastak- kain liikkuvat staattorin ja roottorin hampaat aiheuttavat voimakkaan vuorovaikutuksen vastakkaisessa urassa kulkevaan suspensioon. Urien välillä tapahtuu massan ja liike- määrän siirtoa, joka liittyy suspension sekoittumiseen ja takaisinvirtauksen muutokseen.

Työssä tehdään katsaus hierrejauhinten toimintaan ja mallinnukseen. Esitetyn roottorin ja staattorin käsittävän laskentamallin tuloksia verrataan prosessista aiemmin tehtyihin mittauksiin. Ajoparametrien muutosten vaikutukset pystytään laskemaan tyydyttävällä tarkkuudella mittauksiin nähden. Volumetrinen hyötysuhde voidaan laskea, jolloin takaisinvirtauksen määrän vähentämiseksi voidaan määrittää vaadittavat geometrian muutokset. Terägeometrian ja virtaustilanteen vaikutukset jauhatustehoon ovat osittain tuntemattomia, mikä estää hyvin erilaisten geometrioiden luotettavan laskennan.

Optimointi suoritetaan työssä kehitetyllä monitavoitteisella optimointialgoritmilla.

Geometrian optimointi mahdollistaa suuremman parannuksen jauhatuksen tehokkuuteen kuin ajoparametrien säätäminen. Käyttämällä optimoituja segmenttejä, parhaiden käytössä olevien hierrejauhinten energiankulutusta voitaisiin selvästi vähentää laatutason pysyessä samana. Työn tulosten odotetaan johtavan entistä tehokkaampien segmenttien suunnitteluun ja valmistukseen.

(4)

(5)

ABSTRACT

TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Master’s Degree Programme in Environmental and Energy Technology LINDSTEDT, MATTI: Chip refiner flow fields and optimal design

Master of Science Thesis, 74 pages, 2 Appendix pages May 2010

Major: Heat Transfer and Fluid Dynamics Examiner: Professor Reijo Karvinen

Keywords: refining, chip refiner, back flow, simulation, optimization, multi objective optimization

The object of this master thesis was to further develop an existing calculation model for high-consistency refining and to optimize the performance of refining by applying an optimization algorithm to the model. Regarding the model, the purpose was to improve reliability and solve the governing equations more accurately. Optimization was used to design new segment geometries for a particular process or tune the operational parameters of an existing refiner.

There is an essential difference in flow field between the rotor and stator of a chip refiner. Backflow caused by an adverse pressure gradient and missing centrifugal force on stator side degrades the efficiency of a refining process making it difficult to predict.

Crossing bars of rotor and stator have a strong interaction with a suspension at the opposite side. Transfer of mass and momentum takes place between the sides, which relates to mixing of suspension and variation of backflow.

In this thesis, a review on the high-consistency refining and its modeling was made.

Results of the presented model, including rotor and stator, are compared with the previously conducted measurements. Effects of varying operational parameters can be predicted with good agreement to the measurements and suggestions of geometrical changes required to reduce backflow are obtained as volumetric efficiency can be calculated. Effects of segment geometries and flow field in the disc gap to the refiner’s power consumption are not clear which prevents a reliable simulation of largely differing geometries.

Optimization cases were performed with a multiobjective optimization algorithm, which was developed during thesis. Optimization of geometries enabled greater im- provement in refining efficiency than the optimization of operational parameters. By using optimized segments, the energy consumption of modern refiners can be reduced markedly while maintaining the same quality level. The results of this work will lead to design and manufacturing of new refiner segments which are more efficient compared to old ones.

(6)

(7)

ALKUSANAT

Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisessä korkeakoulussa Energia- ja prosessitekniikan laitoksella vuosien 2009 ja 2010 aikana. Työn teettäjänä ja rahoittaja on toiminut Metso Paper Oyj ja M-Real Oyj.

Kiitän professori Reijo Karvista ja TkT Juha-Pekka Huhtasta työni ohjauksesta ja hyvistä neuvoista. Professori Juhani Koskea kiitän optimointiin liittyvistä keskusteluis- ta. Lisäksi kiitän koko Energia- ja prosessitekniikan laitoksen henkilökuntaa.

Kiitän DI Petteri Vuoriota Metso Paperilta sekä DI Olli Alhoniemeä ja DI Tuomo Niemeä M-Realilta työhöni liittyvistä kommenteista.

Perheeni ansaitsee vilpittömät kiitokseni tuesta ja kannustuksesta koko opiskelujeni aikana. Tyttöystävälleni Marille annan suuret kiitokset avusta ja jaksamisesta diplomi- työni aikana.

Tampereella 11.5.2010

Matti Lindstedt

(8)

(9)

SISÄLLYS

1. Johdanto ... 1

2. Massanvalmistus ... 3

2.1. Massanvalmistuksen menetelmät ... 3

2.2. TMP-jauhimen toiminta ... 4

2.2.1. Hierrejauhimen vyöhykkeet ... 5

2.2.2. Kuitujen käyttäytyminen hierreprosessissa ... 6

2.2.3. Jauhatusprosessin säätö ja geometrian vaikutus ... 7

2.3. Jauhinten toiminnan mallinnus ja simulointi ... 8

2.4. Jauhinmittaukset ... 10

2.4.1. Optiset mittaukset ... 10

2.4.2. Muut mittaukset ... 11

3. Hallitsevat yhtälöt ... 13

3.1. Virtausta hallitsevat yhtälöt ... 13

3.2. Materiaalimallit ... 14

3.3. Pumpputeoria ... 16

3.3.1. Painejakauma pumpussa ... 16

3.3.2. Pumppauksen vaatima teho ... 17

3.4. Vesi-kuitususpension ominaisuuksia ... 17

3.4.1. Putkivirtauksen alueet ... 18

3.4.2. Vesi-kuitususpension virtauksen mallinnus ... 19

4. Jauhimen simulointi ... 21

4.1. Simulointimalli ... 22

4.2. Roottorin virtauksen laskenta ... 23

4.2.1. Jauhimen jatkuvuusyhtälö ... 24

4.2.2. Roottorin liikeyhtälö ... 25

4.2.3. Kitkakertoimien määritys ... 27

4.2.4. Jauhimen energiayhtälö ... 28

4.2.5. Laimennusveden käsittely ... 29

4.3. Staattorin virtauksen laskenta ... 30

4.3.1. Roottorin ja staattorin vuorovaikutus ... 31

4.3.2. Staattorin ja roottorin yhteinen massatase ... 32

4.3.3. Staattorin liikeyhtälö ja reunaehdot ... 33

4.4. Tehonkulutuksen ja massan laadun laskenta ... 34

4.4.1. Jauhatusteho ... 34

4.4.2. Pumppausteho ... 36

4.4.3. Patojen vaikutus jauhatustehoon ja paineeseen ... 36

4.5. Laskenta-algoritmi ... 38

4.5.1. Laskentapisteiden käsittely ... 38

4.5.2. Tunnetun loppupaineen saavuttaminen ... 40

(10)

5. Hierrejauhimen optimaalinen suunnittelu ... 41

5.1. Jauhatuksen kriteerit ... 41

5.2. Hierrejauhimen suunnittelumuuttujat ... 42

5.3. Jauhatuksen kustannus-laatu monitavoiteoptimointi ... 44

5.3.1. Monitavoiteoptimoinnin periaatteita ... 45

5.3.2. Rajoitusehtojen käsittely ... 46

5.4. PSO ja MOPSO optimointialgoritmit ... 48

5.5. Oma MOPSO:n muunnos ... 49

6. Tulokset ... 51

6.1. Simulointien ja mittaustulosten vertailu ... 51

6.1.1. Lämpötila- ja tehojakaumat ... 52

6.1.2. Painejakaumat ... 54

6.1.3. Volumetrinen hyötysuhde ... 56

6.1.4. Viipymäaikajakaumat ... 56

6.1.5. Ominaisintensiteetin jakaumat... 57

6.1.6. Geometrian vaikutus ... 58

6.2. Geometrian vaikutus takaisinvirtaukseen ... 59

6.3. Optimoinnin tulokset... 60

6.3.1. Optimoinnin esimerkkiajo E1 ... 61

6.3.2. Optimoinnin esimerkkiajo E2 ... 62

6.3.3. Optimoinnin tulosten vertailu ... 64

6.3.4. Yhteenveto ... 65

7. Johtopäätökset ... 67

Lähteet ... 69 Liite 1: Aineominaisuudet ... A Liite 2: Iterointialgoritmi ... B

(11)

KÄYTETYT MERKINNÄT

m Vapaa virtauspoikkipinta-ala

′ m Ominaisjauhatuspinta-ala

m Uran syvyys

m/s Absoluuttinen nopeus

- Vakio PSO:ssa ja MOPSO:ssa

J/kgK Ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa

% Sakeus

m Hydraulinen halkaisija

, m Padon vaikutusalue, terävälin suuruus useita Kohdefunktiovektori

useita Muokattu kohdefunktiovektori m/s Painovoiman putouskiihtyvyys - Rajoitusehtovektori

ℎ J/kg Höyrystymislämpö

m Nostokorkeus, raon korkeus

- Ykkösvektori

- Iteraatiokierros PSO:ssa ja MOPSO:ssa - Rajoitusehtojen lukumäärä

- Suunnittelumuuttujien lukumäärä

̇ kg/s Massavirta

- Power-Law-mallin potenssi, laskentapisteen numero, kriteerien lukumäärä

- Laskentapisteiden lukumäärä

W Teho

Pa Paine

- Satunnaisnopeuden todennäköisyys MOPSO:n muunnoksessa

m Säde

- Satunnaislukuvektori

m Hampaiden leveys

℃ Lämpötila

℃ Muunnosmatriisi

s Aika

m/s Kehänopeus

- Yksilön nopeus PSO:ssa ja MOPSO:ssa

m/s Tilavuus

m/s Suhteellinen nopeus eli uranopeus - Minmax-arvojen painokerroin

- Dimensioton etäisyys jauhimen sisääntulosta ulostuloon - Suunnitteluavaruuden sijainti

- Hampaiden lukumäärä, korkeus referenssitasosta

KREIKKALAISET KIRJAIMET

- Tilavuusosuus, hampaan viistekulma - Pumppauskulma eli hammaskulma

̇ s Leikkausnopeus

∆ - Muutos

- Halkaisijakerroin

- Hyötysuhde

Pa s Dynaaminen viskositeetti m /s Kinemaattinen viskositeetti - Darcy-kitkakerroin

(12)

kg/m Tiheys

- Pyörimiskerroin

Pa Leikkausjännitys

- Kartiokulma

Φ W Jauhatusteho

s Kulmanopeus

ALA- JA YLÄINDEKSIT

∗ Ideal-piste

∗∗ Utopia-piste

a Näennäinen

ℎ Höyry

Jauhatukseen liittyvä Kuitu

Kuitu-vesi Nadir-piste

Ominais- (tuotettu massavirta kohden) Pumppaukseen liittyvä

Roottori Staattori Sallittu

Takaisinvirtaukseen liittyvä Yläraja

Vesi

Vertailujauhin Viipymäaika Volumetrinen Ylimääräinen

LYHENTEET

BCMP Valkaistu kemihierre

BCTMP Valkaistu kemikuumahierre (Bleached Chemi Thermomechanical Pulp) CD Taso-kartiojauhin (Conical Disc)

CMP Kemihierre (Chemi Mechanical Pulp)

CRMP Kemikylmähierre (Chemi Refiner Mechanical Pulp)

CTMP Kemikuumahierre

DD Kaksikiekkojauhin (Double Disc)

EOK Energian ominaiskulutus

E1 Optimoinnin esimerkkiajo 1

E2 Optimoinnin esimerkkiajo 2

GW Hioke (Groundwood)

LWC Kevyesti päällystetty paperi (Light Weight Calendered) MOPSO Monitavoitteinen parveilualgoritmi (Multi Objective PSO) PGW Painehioke (Pressure Groundwood)

PSO Parveilualgoritmi (Particle Swarm Optimization)

K1 Koeajo 1

K2 Koeajo 2

RMP Hierre (Refiner Mechnical Pulp) SC Kartiojauhin (Single Conical)

SC Päällystämätön, superkalanteroitu paperi (Super Calendered Paper) SD Yksikiekkojauhin (Single Disc)

TMP Kuumahierre (Thermo Mechanical Pulp)

(13)

1. JOHDANTO

Mekaaninen massanvalmistus perustuu puun kuituja yhdessä pitävän ligniinin pehmen- tämiseen värähtelevien mekaanisten voimien ja korkean lämpötilan avulla. Kuumahier- reprosessissa (TMP) kosteiden hakepalojen ja veden muodostama suspensio ohjataan syöttöruuvilla ja keskuslevyllä kulkemaan vastakkain asetettujen kuvioitujen levyjen väliin, joista vähintään toinen pyörii. Tuotteen laadusta riippuen jauhinlinjassa on yksi tai kaksi jauhinta sarjassa ja tyypillisen kaksivaiheisen TMP-linjan jauhimet kuluttavat 10–20 MW sähköä. TMP-massaa käytetään pääasiallisesti sanomalehtipaperissa sekä SC- ja LWC-laaduissa ja kartongissa. [1]

Hierrejauhimen terävälissä olevan sakean (kuiva-ainepitoisuus 30–50 %) suspension kitka, hakepalojen murskaaminen ja kuitujen käsittely muuttavat suurimman osan roottorin akseliin tuodusta mekaanisesta energiasta lämmöksi. Osa suspension vedestä höyrystyy synnyttäen vaikeasti mallinnettavan höyry-vesi-kuitususpension, jossa höyry virtaa muita faaseja nopeammin. Suspensio ei ole homogeeninen, jolloin on epäselvää mikä on kuitujen määrä hampaiden välissä, jossa jauhatus tapahtuu.

Pitkään jatkuneen tutkimuksen ansiosta hierrejauhimen terävälin tapahtumat voidaan laskea päävirtauksen tasolla tyydyttävällä tarkkuudella Huhtasen esittelemällä [2]

ja Hahtokarin edelleen kehittämällä [3] virtausdynamiikkaan perustuvan mallin mukai- sella simulointiohjelmalla. Excelin Visual Basic for Applications ohjelmointiympäris- töön toteutetussa mallissa hierrejauhin käsitellään yksiulotteisena hydraulisena virtaus- koneena, jossa virtaa höyryä ja vesi-kuitususpensiota. Jauhatuksen intensiteetti, joka ottaa huomioon jauhatustehon, viipymäajan ja segmenttien geometrian, määrää lopputuotteen laadun.

Päävirtauskenttää ei voida kokonaan selittää yksiulotteisella mallilla, koska virtaukset hierrejauhimen staattorissa ja roottorissa ovat erilaiset. Staattorissa tapahtuu tila- vuusvoiman puuttumisen ja positiivisen painegradientin vaikutuksesta suspension takaisinvirtausta, mikä alentaa prosessin volumetrista hyötysuhdetta ja täten heikentää prosessin hallittavuutta. Tässä työssä esitetään malli, joka kytkee kummankin puolen päävirtaukset toisiinsa jatkuvuus- ja liikeyhtälöiden sekä uran avoimen sivun nopeus- reunaehtojen avulla. Lisäksi virtauskanavan geometrian ja paineen vaikutus liikeyhtä- lössä sekä kitkahäviöiden ja entalpiavirtojen vaikutus energiayhtälössä otetaan tarkemmin huomioon.

Laskentamallin todentamiseksi simulointiohjelmalla toistetaan Joutsenon BCTMP- tehtaalla tehtyjä kokeita, joissa kokeiltiin erilaisia ajoparametrien ja terägeometrioiden yhdistelmiä. Takaisinvirtausmallin toimivuus todennetaan kvalitatiivisesti tutkimalla geometrian muutosten vaikutusta takaisinvirtauksen määrään.

(14)

Kun laskentamallin on todettu toimivan tarpeeksi tarkasti, hierrejauhimen toimintaa voidaan optimoida kustannusten, laadun ja määrän suhteen muuttamalla suunnittelu- muuttujina olevia ajoparametreja ja segmentin geometriaa. Suunnittelumuuttujien suuren määrän ja tehtävän monimutkaisuuden vuoksi jauhimen optimaalinen suunnittelu vaatii systemaattista monitavoiteoptimointiin soveltuvien algoritmien käyttöä. Ensim- mäiset tällaiset optimoinnit on esitetty tähän työhön liittyvissä artikkeleissa [4,5], joissa käytettiin itse kehitettyä MOPSO-algoritmin muunnosta. Tässä työssä esitellään algoritmin sovellusta uudistettuun simulointiohjelmaan ja käytetään lisäksi kehit- tyneempää rajoitusehtojen käsittelyä.

Tämä työ on lisäaskel Metson Turbine Segments™-segmenttien kehitystyössä, jossa siirrytään nyt monitavoitteisten optimointimenetelmien käyttöön. Työn tulokset tulevat johtamaan uusien, entistä tehokkaampien segmenttien valmistamiseen.

(15)

2. MASSANVALMISTUS

Massanvalmistus tarkoittaa puuraaka-aineen jalostamista kartongin- ja paperinvalmis- tuksen kannalta edulliseen muotoon erottamalla kuidut puusta ilman että ne kärsivät liikaa vahinkoa. Paperinvalmistuksessa käytetyt kuidut ovat puun pitkiä, onttoja prosenkyymisoluja eli trakeideja, jotka ovat selluloosamolekyylien (40–50 %), eri hemiselluloosalajien (20–35 %) ja niitä yhdessä pitävän ligniinin (15–35 %) muodostama monimutkainen komposiittimateriaali. Pitkät selluloosamolekyylit esiintyvät kuidussa yhteen liittyneinä perusfibrilleinä, jotka edelleen liittyvät suuremmiksi mikrofibrilleiksi. Ligniini sitoo mikrofibrillit toisiinsa hemiselluloosan avulla ja erisuuruiset fibrillit muodostavat kuidun kerroksittaisen rakenteen, jossa fibrillien suuntautuminen vaihtelee kerroksesta toiseen. Kuidut raaka-aineena ovat epähomo- geenisia, sisältäen eri vahvuisia varhais- ja myöhäispuun kerroksia sekä vaihtelua puun osan, kasvupaikan ja geneettisen perimän vuoksi. Kuvassa 2.1 on esitetty yksittäisen kuidun rakenne sen osana puuta. [1, 6]

2.1. Massanvalmistuksen menetelmät

Kemiallinen massanvalmistus eli sellunkeitto (noin 73 % vuonna 2007 [8]) ja mekaaninen massanvalmistus (noin 20 %) ovat tärkeimmät teollisen mittakaavan menetelmät maailmanlaajuisesti. Sellunkeitossa puun kuituja toisissaan kiinnipitävät sideaineet, ligniini ja hemiselluloosa, pehmennetään ja poistetaan kemikaalien avulla, jolloin kuidut voidaan erotella lähes vahingoittumattomina. Puun sideaineiden poistamisen takia prosessin saanto on vain noin 45–50 %. (Luvun 2.1 pääasiallinen lähde on [1])

Kuva 2.1. Kuidun rakenne. W on soluontelo, ML on välilamelli ja P on primääriseinä- mä, Sekundääriseinämän kerroksissa S1, S2 ja S3 näkyy mikrokuitujen kiertosuunta. [7]

(16)

Mekaaninen massanvalmistus perustuu ligniinin pehmentämiseen ja kuitujen irrot- tamiseen puusta värähtelevillä mekaanisilla voimilla korkean lämpötilan avulla. Puun sideaineita ei poisteta, minkä takia mekaanisten prosessien saanto on noin 98 %.

Mekaaniset prosessit sisältävät itsessään kuitujen irrotuksen ja lopputuotteen kannalta halutun jauhatuksen, kun taas sellunkeitto vaatii jatkokäsittelynä myös mekaanisen jauhatuksen. Kemiallinen lisäkäsittely mekaanisilla massoilla pienentää prosessin saantoa poistamalla massaa ligniinin muodossa.

Hiokeprosessissa (GW) puita painetaan kylki edellä pyörivää keraamista pulpperiki- veä vasten, jolloin kiven pinnan epätasaisuudet aiheuttavat jaksollisen kuormituksen puuhun. Puumateriaalin kitka ja viskoelastinen käyttäytyminen aiheuttavat energian dissipoitumista lämmöksi, mikä pehmentää ligniiniä ja mahdollistaa kuitujen irtoamisen. Hiokeprosessin muunnoksia ovat 2–5 bar ylipaineessa suoritettava painehioke (PGW) ja 20–50 cm vesipatsaan alle tehtävä kuumahioke (TGW).

Hierreprosesseissa hakepalat hajotetaan kahden pinnaltaan kuvioidun levyn välissä, joista vähintään toinen pyörii. RMP-prosessissa jauhinta ei ole paineistettu, mutta painehierreprosessissa (PRMP) jauhatus tehdään korotetussa pesän paineessa, jolloin jauhimen korkea lämpötila edesauttaa raaka-aineen hajoamista kuiduiksi. Nimi Kuuma- hierreprosessi (TMP) on vakiintunut PRMP-prosessille, missä hakepalat mahdollisesti esilämmitetään paineistetulla höyryllä. TMP-massaa käytetään pääasiallisesti sanomalehtipaperissa, sekä SC- ja LWC-laaduissa ja kartongissa.

Kemihierre (CMP) on käsitelty suurilla määrillä kemikaaleja ennen hierreprosessia.

Jos RMP-prosessissa tehdään esikäsittelynä kevyt kemikaalikäsittely, puhutaan kemi- kylmähierteestä (CRMP), ja jos jälkikäsittelynä on valkaisu, on kyseessä valkaistu kemihierre (BCMP). Kemikuumahierre (CTMP) on kuumahierrettä, jolle on tehty kevyt kemikallinen esikäsittely. Valkaistu kemikuumahierre (BCTMP) on jälkikäsittelynä valkaistua kuumahierrettä, mitä on erityisestä lehtipuiden kuten haavan ja koivun hierrossa. BCTMP-massaa käytetään pääasiassa kartongin valmistuksessa.

Kuumahierreprosessi on hellempi kuin hiokeprosessi, koska kuitujen on mahdollista paeta terien särmien puristuksesta jauhimen uriin. Hiokeprosessissa kuidut ovat kiinni puussa, kun niihin kohdistetaan voimia, jolloin kuidun hallitsematon irtoaminen ja katkeaminen tapahtuvat helpommin. Hierremassan pitempien kuitujen seurauksena sen lujuusominaisuudet ovat paremmat, mutta optiset ominaisuudet huonommat kuin hiokemassalla. Mekaanisilla massoilla on yleisesti huonommat lujuusominaisuudet kuin kemiallisilla massoilla johtuen jäykemmistä ja lyhyemmistä kuiduista, mutta paremmat optiset ominaisuudet johtuen suuremmasta fibrillien määrästä.

2.2. TMP-jauhimen toiminta

Hierrejauhimeen tuodaan syöttöruuvilla sakea (30–50 % kuiva-ainepitoisuus) hakepalojen ja veden muodostama suspensio ja se ohjataan kulkemaan vastakkain asetettujen terien väliin. Jauhatusilmiöt tapahtuvat terävälissä äärimmäisissä olosuhteissa ja suspensio purkautuu lopulta jauhimen pesään. Yksikiekkojauhin eli SD-jauhin koostuu

(17)

kahdesta

painetaan paikallaan olevaa staattoria vasten.

muotoinen suspension puolen

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD katkeilua

jauhatuspinta aksiaalivoimien

helpompaa suurella tuotantomäärällä kuin riippuen

rejektijauhimia poistamassa esitetty

2.2.1.

Luhde esitti sen vaiheen vyöhyk vyöhyke taan

toiminnallis

siten pienemmästä paine ja lämpötila nouse edulliselle tasolle.

ja estää murskautuvat H

Kuva kahdesta

2.2.1.

Luhde esitti sen vaiheen vyöhyk vyöhyke taan

toiminnallis

siten pienemmästä Pumppausvyöhykke paine ja lämpötila nouse edulliselle tasolle.

ja estää murskautuvat Hampaiden

Kuva kahdesta

2.2.1.

Luhde esitti sen vaiheen vyöhyk vyöhyke

haluttuun tasoon asti toiminnallis

ja estää murskautuvat

ampaiden

Kuva 2

kahdesta vastakkaisesta, pinnaltaan profiloidusta painetaan paikallaan olevaa staattoria vasten.

muotoinen suspension puolen pyöri

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD katkeilua.

helpompaa suurella tuotantomäärällä kuin riippuen jauhinlinjassa on

rejektijauhimia poistamassa esitetty täs

Hierrejauhimen vyöhykkeet Luhde esitti

sen vaiheen vyöhykkeellä vyöhyke)

haluttuun tasoon asti toiminnallis

ja estää takaisinvirtausta murskautuvat

ampaiden

2.2.

vastakkaisesta, pinnaltaan profiloidusta painetaan paikallaan olevaa staattoria vasten.

muotoinen suspension pyöri

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD CD

helpompaa suurella tuotantomäärällä kuin jauhinlinjassa on

rejektijauhimia poistamassa tässä työssä tutkittavan,

Hierrejauhimen vyöhykkeet Luhde esitti

sen vaiheen hake ellä

tikut hajotetaan kuiduiksi haluttuun tasoon asti

toiminnallise siten pienemmästä

Pumppausvyöhykke paine ja lämpötila nouse edulliselle tasolle.

takaisinvirtausta murskautuvat

ampaiden ja

Metso RGP8

muotoinen suspension pyöriessä

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD CD-jauhi

jauhatuspinta-alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren aksiaalivoimien

rejektijauhimia poistamassa sä työssä tutkittavan,

Hierrejauhimen vyöhykkeet Luhde esitti [9]

hake ellä puu

et tarkoitukset siten pienemmästä

takaisinvirtausta murskautuvat osittain

ja urien leveys pienenevät asteittain ulkokehälle päin mentäessä

Metso RGP8

muotoinen suspension essä.

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD jauhi

alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren aksiaalivoimien liikaa

Hierrejauhimen vyöhykkeet [9] vuonna 1962

hakejauhimen puu

tarkoitukset siten pienemmästä

takaisinvirtausta osittain

urien leveys pienenevät asteittain ulkokehälle päin mentäessä

Metso RGP8

muotoinen suspension DD

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD jauhimessa

alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren liikaa

Hierrejauhimen vyöhykkeet vuonna 1962

jauhimen

puuhake murskataan tikuiksi tikut hajotetaan kuiduiksi

haluttuun tasoon asti tarkoitukset

siten pienemmästä takaisinvirtauksesta ja Pumppausvyöhykke

paine ja lämpötila nouse Suur takaisinvirtausta

osittain

Metso RGP8

muotoinen suspension kulkeutuessa pienemmältä halkaisijalta suuremmalle DD-jauhimessa puoliskot pyörivät

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD messa

alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren liikaa

jauhimen

hake murskataan tikuiksi tikut hajotetaan kuiduiksi

haluttuun tasoon asti tarkoitukset

takaisinvirtauksesta ja Pumppausvyöhykke

paine ja lämpötila nouse

uuri hamma takaisinvirtausta

osittain

Metso RGP82

kulkeutuessa pienemmältä halkaisijalta suuremmalle jauhimessa puoliskot pyörivät

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD messa

alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren liikaa kasvua

helpompaa suurella tuotantomäärällä kuin jauhinlinjassa on yksi tai

jauhimen

haluttuun tasoon asti.

tarkoitukset

takaisinvirtauksesta ja Pumppausvyöhykkeellä

paine ja lämpötila nousemaan i hamma takaisinvirtausta

osittain niiden osuessa

2CD

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD on

alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren kasvua

helpompaa suurella tuotantomäärällä kuin yksi tai

rejektijauhimia poistamassa jauhimien läpi kulkeutuneita sä työssä tutkittavan,

jauhimen segmenti

. Nykyaikai tarkoitukset johtuen

takaisinvirtauksesta ja llä (I) puuhake maan

i hamma

parantaen näin jauhimen hyötysuhdetta.

den osuessa

CD-jauhin.

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD on taso

alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren kasvua.

helpompaa suurella tuotantomäärällä kuin yksi tai

jauhimien läpi kulkeutuneita sä työssä tutkittavan, tyypillisen

Hierrejauhimen vyöhykkeet vuonna 1962 yleisesti

segmenti

Nykyaikai johtuen takaisinvirtauksesta ja

(I) puuhake maan nopeasti i hammaskulma

den osuessa

jauhin.

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD taso

alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren Lisäksi teräväli on suurempi helpompaa suurella tuotantomäärällä kuin

yksi tai kaksi jauhinta sarjassa jauhimien läpi kulkeutuneita

tyypillisen Hierrejauhimen vyöhykkeet

yleisesti segmenti

Nykyaikai johtuen takaisinvirtauksesta ja

(I) puuhake nopeasti

skulma

den osuessa

jauhin.

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD

taso-osan jälkeen kartio

kaksi jauhinta sarjassa jauhimien läpi kulkeutuneita

yleisesti segmentissä hake murskataan tikuiksi tikut hajotetaan kuiduiksi ja

Nykyaikai

johtuen huomattavasti takaisinvirtauksesta ja

(I) puuhake nopeasti

skulma

den osuessa

jauhin. CD

osan jälkeen kartio

yleisesti käytetyn

ssä on kolme toiminnall hake murskataan tikuiksi

ja ulom Nykyaikaisissa

huomattavasti takaisinvirtauksesta ja

(I) puuhake

nopeasti kuitujen pehmenemisen

skulma tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä parantaen näin jauhimen hyötysuhdetta.

den osuessa

CD-j

tyypillisen CD Hierrejauhimen vyöhykkeet

käytetyn

on kolme toiminnall hake murskataan tikuiksi

lom ssa

huomattavasti takaisinvirtauksesta ja viipymäajasta

(I) puuhake pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan kuitujen pehmenemisen

tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä parantaen näin jauhimen hyötysuhdetta.

den osuessa toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin urien leveys pienenevät asteittain ulkokehälle päin mentäessä

jauhi vastakkaisesta, pinnaltaan profiloidusta painetaan paikallaan olevaa staattoria vasten.

CD

käytetyn

on kolme toiminnall hake murskataan tikuiksi,

lommalla segment huomattavasti

viipymäajasta

pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan kuitujen pehmenemisen

toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin urien leveys pienenevät asteittain ulkokehälle päin mentäessä

auhimessa vastakkaisesta, pinnaltaan profiloidusta painetaan paikallaan olevaa staattoria vasten. SC

hampaiden suuri kohtausnopeus aiheuttaa SD-jauhimiin verrattua enemmän kuitujen osan jälkeen kartio

alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren Lisäksi teräväli on suurempi

muissa jauhimissa kaksi jauhinta sarjassa

jauhimien läpi kulkeutuneita CD-jauhimen poikkilei

käytetyn määritelmän on kolme toiminnall

sisem malla segment huomattavasti

viipymäajasta

messa

vastakkaisesta, pinnaltaan profiloidusta tasolevystä, joista

SC-jauhimessa jauhatuspinta on kartion kulkeutuessa pienemmältä halkaisijalta suuremmalle

jauhimessa puoliskot pyörivät

jauhimiin verrattua enemmän kuitujen osan jälkeen kartio

jauhimien läpi kulkeutuneita jauhimen poikkilei

määritelmän on kolme toiminnall

isem

malla jauhatusvyöhyk segment

huomattavasti viipymäajasta

messa

asolevystä, joista

jauhimessa jauhatuspinta on kartion kulkeutuessa pienemmältä halkaisijalta suuremmalle

jauhimessa puoliskot pyörivät

jauhimiin verrattua enemmän kuitujen osan jälkeen kartio

jauhimien läpi kulkeutuneita jauhimen poikkilei

isemmällä

auhatusvyöhyk segmenteissä

huomattavasti tehokkaammasta pumppauksesta viipymäajasta

messa on taso

asolevystä, joista

jauhimessa puoliskot pyörivät vastakkaiseen suuntaan

jauhimiin verrattua enemmän kuitujen osan jälkeen kartio-osa

muissa jauhimissa

kaksi jauhinta sarjassa ja näiden perässä mahdollisesti jauhimien läpi kulkeutuneita

jauhimen poikkilei

mällä

auhatusvyöhyk ssä

tehokkaammasta pumppauksesta viipymäajasta.

on taso

asolevystä, joista

vastakkaiseen suuntaan

jauhimiin verrattua enemmän kuitujen osa

muissa jauhimissa

ja näiden perässä mahdollisesti jauhimien läpi kulkeutuneita tikkuja.

jauhimen poikkilei

mällä jauhatusvyöhyk auhatusvyöhyk

vyöhykkeillä

tehokkaammasta pumppauksesta pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan kuitujen pehmenemisen

on taso-

asolevystä, joista

jauhimiin verrattua enemmän kuitujen osa, joka mahdollistaa suuren alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren

Lisäksi teräväli on suurempi muissa jauhimissa

ja näiden perässä mahdollisesti tikkuja.

jauhimen poikkilei

määritelmän, jonka mukaan on kolme toiminnallista

jauhatusvyöhyk auhatusvyöhyk

vyöhykkeillä

tehokkaammasta pumppauksesta pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan kuitujen pehmenemisen

- ja kartio asolevystä, joista

jauhimiin verrattua enemmän kuitujen , joka mahdollistaa suuren alan pienellä jauhimen halkaisijalla ja suuren tuotantomäärän ilman Lisäksi teräväli on suurempi ja sen kontrollointi on

muissa jauhimissa

ja näiden perässä mahdollisesti tikkuja.

jauhimen poikkilei

jonka mukaan ista vyöhyke jauhatusvyöhyk auhatusvyöhyk

vyöhykkeillä

tehokkaammasta pumppauksesta pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan kuitujen pehmenemisen ja jauhatuksen

ja kartio asolevystä, joista

jauhimiin verrattua enemmän kuitujen , joka mahdollistaa suuren tuotantomäärän ilman ja sen kontrollointi on muissa jauhimissa.

ja näiden perässä mahdollisesti tikkuja. [1]

jauhimen poikkileikkaus.

jonka mukaan vyöhyke jauhatusvyöhyk auhatusvyöhykke

vyöhykkeillä

tehokkaammasta pumppauksesta pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan

ja jauhatuksen

ja kartio

asolevystä, joista pyörivää

jauhimiin verrattua enemmän kuitujen , joka mahdollistaa suuren tuotantomäärän ilman ja sen kontrollointi on Tuotteen laadusta ja näiden perässä mahdollisesti

[1]

kkaus.

jonka mukaan vyöhyke jauhatusvyöhyk

eellä vyöhykkeillä

ja jauhatuksen

tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä parantaen näin jauhimen hyötysuhdetta. Täällä hakepalat toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin urien leveys pienenevät asteittain ulkokehälle päin mentäessä

ja kartio-osa pyörivää

Kuvassa kkaus.

jonka mukaan vyöhykettä jauhatusvyöhyk

ellä kuidut jauhat on

ja jauhatuksen

tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä Täällä hakepalat toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin urien leveys pienenevät asteittain ulkokehälle päin mentäessä

osat pyörivää

Kuvassa

jonka mukaan ttä.

jauhatusvyöhykke

kuidut jauhat on kuitenkin tehokkaammasta pumppauksesta pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan

ja jauhatuksen

tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä Täällä hakepalat toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin urien leveys pienenevät asteittain ulkokehälle päin mentäessä.

t.

pyörivää

jauhimessa jauhatuspinta on kartion kulkeutuessa pienemmältä halkaisijalta suuremmalle sisemmän

Kuvassa

jonka mukaan ensimmä M keellä kuidut jauhat

kuitenkin tehokkaammasta pumppauksesta pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan

ja jauhatuksen

tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä Täällä hakepalat toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin

pyörivää roottori jauhimessa jauhatuspinta on kartion

sisemmän vastakkaiseen suuntaan, jolloin jauhimiin verrattua enemmän kuitujen , joka mahdollistaa suuren tuotantomäärän ilman ja sen kontrollointi on Tuotteen laadusta ja näiden perässä mahdollisesti

Kuvassa 2

ensimmä Murskau

llä kuidut jauhat

ja jauhatuksen kannalta tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä

Täällä hakepalat toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin

roottori jauhimessa jauhatuspinta on kartion

sisemmän , jolloin jauhimiin verrattua enemmän kuitujen , joka mahdollistaa suuren tuotantomäärän ilman ja sen kontrollointi on Tuotteen laadusta ja näiden perässä mahdollisesti

2.2

ensimmä urskau (väl kuidut jauhat

kannalta tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä

Täällä hakepalat toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin

roottoria jauhimessa jauhatuspinta on kartion

sisemmän , jolloin jauhimiin verrattua enemmän kuitujen , joka mahdollistaa suuren tuotantomäärän ilman ja sen kontrollointi on Tuotteen laadusta ja näiden perässä mahdollisesti

on

ensimmäi- urskaus- äli- kuidut jauhate- kuitenkin eri

ja pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan

kannalta tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä

Täällä hakepalat toisiinsa ja törmätessään segmenttien teriin.

a jauhimessa jauhatuspinta on kartion sisemmän , jolloin jauhimiin verrattua enemmän kuitujen , joka mahdollistaa suuren tuotantomäärän ilman ja sen kontrollointi on Tuotteen laadusta ja näiden perässä mahdollisesti

on

i- s- i- e- eri

ja pumpataan ulkokehää kohti ja näin saadaan

kannalta tuottaa tasaisen paineen kehityksen koko kehällä Täällä hakepalat .

(18)

Murskausvyöhykkeellä (II) hampaiden lukumäärä kasvaa ja niiden leveys pienenee.

Loputkin hakepalat murskataan tikuiksi ja kuiduiksi. Höyryn tuotto lisääntyy voimak- kaasti murskausvyöhykkeellä. Padoilla pyritään estämään takaisinvirtausta ja nostamaan massaa teräväliin.

Jauhatusvyöhykkeellä (III) hampaat ja urat ovat kapeita, niiden lukumäärä on suu- rimmillaan ja teräväli on pieni. Pieni hammaskulma tehostaa jauhautumista pumppaa- misen ollessa toissijainen tavoite. Padot nostavat kuituja teräväliin ja estävät niiden kulkeutumisen jauhimen läpi joutumatta teräväliin. Tällä vyöhykkeellä tapahtuu suurin osa massan ominaisuuksien kehittymisestä.

Hierrejauhin on avoin virtaussysteemi jossa kylläisen höyryn ja veden lämpötila määräytyy pumppauksen ja kitkahäviöiden määräämästä painetasosta. Höyryn määrän lisääntyminen ja pienenevä poikkipinta-ala pakottavat virtausnopeuden kasvamaan ulkokehän suuntaan, mikä aiheuttaa kitkahäviöiden kasvun. Hierrejauhimeen syntyy lämpötila- ja painemaksimi, koska alussa paine nostetaan 5-10 bar tasolle pumppaamal- la ja kiihtyvän virtauksen painehäviö laskee sen lopulta pesän paineeseen. Hallitsemalla painetasoa kyllästystilassa voidaan hallita myös lämpötilaa, mihin osaltaan perustuu pumppaavien segmenttien tuottaman massan laatuero vanhanaikaisiin radiaalisiin segmentteihin nähden.

2.2.2. Kuitujen käyttäytyminen hierreprosessissa

Puu on viskoelastinen materiaali ja sitä koossa pitävän ligniinin pehmeneminen on sekä kosteussisällön, lämpötilan, että mekaanisen kuormituksen taajuuden funktio. Ligniinin pehmenemislämpötila kasvaa taajuuden kasvaessa, mutta vedellä kyllästetyn kuidun hemiselluloosa ja selluloosa pehmenevät jo 20 ºC lämpötilassa. Näiden ilmiöiden seurauksena hakepalojen hajottaminen 140 ºC lämpötilassa vaatii lähes dekadin verran vähemmän leikkaus- tai vetojännitystä kuin 100 ºC lämpötilassa. Kun lämpötila on 140 ºC, tapahtuu kuidun irtoaminen sekundääriseinämän S1 hajoamista todennäköisemmin primääriseinämän P ja välilamellin ML hajoamisella, jolloin kuidun pinta on irtoamisen jälkeen sileä ja ligniinin peitossa. TMP-prosessissa välilamellin ML hajoaminen tapahtuu kuormituksen taajuuden ansiosta vasta tätäkin korkeammassa lämpötilassa, jolloin kuitujen optiset ominaisuudet huononevat ja muodostunut ligniinin peittämä sileä pinta haittaa kuitujen tarttumista toisiinsa. [1, 10, 11]

Hierrejauhatus aiheuttaa yksittäisissä kuiduissa vastaavia muodonmuutoksia kuin matalasakeusjauhatus kemiallisille massoille. Kemiallisiin massoihin kohdistuvan jauhatuksen tärkeimpiä (sekä toivottuja että epätoivottuja) seurauksia ovat: (1) kuitujen kiharoituminen, suoristuminen ja lyheneminen, (2) kuitujen pinnasta osittain (ulkoinen fibrillaatio/jauhatus) ja kokonaan irtoavien mikrokuitujen ja hienoaineen syntyminen, (3) mikroskooppisten vaurioiden syntyminen ja poistaminen soluseinästä sekä (4) kuitujen sisäisen rakenteen muutos halkeamien ja kuiduttumisen muodossa (sisäinen fibrillaatio/jauhatus) ja turpoaminen. Ulkoisen jauhatuksen määrä voidaan arvioida Freeness-arvon mittauksella. [12, 13]

(19)

2.2.3. Jauhatusprosessin säätö ja geometrian vaikutus

Ajoparametrien ja geometrian optimoinnin kannalta on tärkeää tuntea kvalitatiivisesti niiden vaikutus TMP-prosessin toimintaan, jotta jauhatuksen hyvyyttä voidaan arvioida.

Seuraavaksi esitellään osa havaituista ilmiöistä ja tavoista säätää prosessia haluttuun suuntaan.

Hakkeen esilämmityksellä pyritään pehmentämään hakepalat ennen kuin ne tulevat jauhimeen. Jackson ja Åkerlund tutkivat esilämmityksen ja jauhimen pesän paineen vaikutusta jauhatukseen ja totesivat, että suuri pesän paine (5 bar) yhdistettynä esiläm- mitykseen normaali-ilmanpaineessa parantaa useita massan laadun mittareita kuitenkin lisäten ominaisenergiankulutusta. [15] Nykyisin TMP-prosessit ovatkin muuttuneet enemmän PRMP-prosessien suuntaan, koska esilämmityksen vaikutus prosessin laatuun ei ole niin suuri kuin itse jauhatuksen lämpötilatason. Esilämmitys 100 ºC lämpötilassa on kuitenkin tarpeen tikkujen syntymisen välttämiseksi ja kuitujen katkeilemisen estämiseksi. [1] Pesän paineen lisäys kasvattaa viipymäaikaa lähes lineaarisesti paine- eron mukana [13].

Sakeudella on tietty jauhimesta riippuva optimaalinen alue, jota suuremmissa ja pienemmissä arvoissa tapahtuu kuitujen katkeamista, ja erityisesti suuremmilla arvoilla kuitujen tummumista niiden liian pienen vesisisällön takia. [1] Suuri sakeus aiheuttaa radiaalisilla segmenteillä toiminnan epästabiiliutta johtuen huonosta pumppauksesta, mutta jauhimen koon suurentaminen vähentää sakeudesta aiheutuvaa epästabiilisuutta [24]. Radioaktiivisella merkkiaineella tehdyn tutkimuksen mukaan sakeuden nosto lisää viipymäaikaa ja vähentää takaisinvirtausta. [13]

Laboratorio- ja tuotantomitan kokeissa on havaittu esimerkiksi, että jauhimen pyö- rimisnopeuden kasvatus kasvattaa intensiteettiä ja vähentää ominaisenergiankulutusta sekä kuitujen pituus pienenee ja optiset ominaisuudet paranevat tietyllä Freeness-tasolla.

Normaaleja hierrejauhimia käyttävien sähkömoottorien pyörimisnopeudelle on mahdollista asettaa vain tietyt, verkkovirran taajuudesta riippuvat arvot, joista ei voi poiketa ilman taajuusmuuttajaa. [1] Tämän takia pyörimisnopeus on jätetty pois tämän työn optimointiosuudesta.

Härkönen ja Tienvieri tekivät viipymäaika-, lämpötila- ja takaisinvirtausmittauksia radioaktiivisella merkkiaineella tuotantomitan SD-65-jauhimessa ja tutkivat erityisesti tuotantomäärän vaikutusta. On mahdollista nostaa tuotantomäärää ja pienentää ominaisenergiankulutusta vakio Freeness-tasolla, mutta tuotantomäärän lisäys pienensi kuitujen lujuusominaisuuksia ja pituutta. Tuotantomäärän ja tehon lisäys nostivat jauhimen lämpötilatasoja ja tehon nosto lisäsi takaisinvirtaavan höyryn määrää. Tuotan- tomäärän nosto kasvatti keskimääräistä viipymäaikaa luultavasti kasvavan takaisinvirtauksen takia tiettyyn tuotantomäärään asti. [16]

Geometrialla on suuri vaikutus prosessin tehokkuuteen. Pumppaavilla segmenteillä saavutetaan suurempi jauhatuspinta-ala ja terien särmien pituus, mikä itsessään parantaa jauhatusta. Terien välinen kulma pienentää painepiikkejä kohtaavien ja loittonevien terien särmillä, ja paikallisesti kokonaisvaikutus saattaa olla jopa terien yhteen imemis-

(20)

tä, mikä pienentää teräväliä. Pieni teräväli sekä suuri leikkautumiskulma aiheuttavat tehokasta leikkaantumista, joka lyhentää kuituja. [2] Härkönen et. al. tekivät viipymäai- kamittauksia radioaktiivisella merkkiaineella SD-65-jauhimessa. Metson LE-segmentin pumppaavilla osilla viipymäaika on pienempi ja viipymäajan jakauma on myös ka- peampi kuin radiaalisilla segmenteillä johtuen tehokkaammasta pumppauksesta ja pienemmästä takaisinvirtauksesta. [17] Pienempi viipymäaika kasvattaa intensiteettiä.

Lisäksi pumppaavien terien on mitattu alentavan ominaisenergiankulutusta noin 20 % säilyttäen saman laatutason [18].

Prosessin säätämiseksi haluttujen kriteerien kannalta optimaaliseksi ja heilahtelujen minimoimiseksi tarvitaan reaaliaikaisia mittauksia tai prosessin toimintaa ennustavan mallin. Strand raportoi [20] aiemmin esittelemänsä säätöjärjestelmän sovelluksen sanomalehtipaperilinjaan. Säätöjärjestelmässä laimennusveden syöttöä kontrolloidaan massa- ja energiataseisiin perustuvalla matemaattisella algoritmilla online-mittausten sijaan. Sakeuden vaihteluita pystyttiin vähentämään noin 35 % ja lisäksi tuotettua massaa ei tarvinnut enää vahvistaa kemiallisella massalla.

Deer et. al. raportoivat Tembec Pine Falls jauhinlinjan tehokkuuden parantamisesta uusien segmenttien ja ajoparametrien säädön avulla. Päälinjalla saavutettiin 10 % vähennys ominaisenergiankulutuksessa ja 31 % vähennys Freeness-arvon varianssissa.

Lisäksi paperin MD-vetolujuus ja CD-repäisylujuus paranivat hieman [21].

2.3. Jauhinten toiminnan mallinnus ja simulointi

Jauhinten monimutkaiselle virtauskentälle, tehonkulutukselle, viipymäajalle sekä lämpötila- ja painejakaumalle on esitetty useita malleja ja arvauksia. Pasinskij [22] tutki jo vuonna 1964 matalasakeusjauhatusta pumpputeorian avulla ja hän myös johti analyyttisen lausekkeen takaisinvirtaukselle. Miles et. al. laskivat [23, 24] kuitumassan virtausnopeuden ottamalla huomioon höyryn nopeuseron aiheuttaman kitkavoiman eteenpäin ja takaisinpäin kulkevissa virtauksissa. Mallissa on ongelmia kitkan ja tehonkulutuksen kuvaamisessa. Härkönen et. al. esittelivät [25] numeerisen laskentamallin, joka ottaa huomioon tapahtumia terävälin poikki kulkevassa suunnassa. Malli sisältää kuitenkin tuntemattomia kokeellisesti määrättäviä kertoimia. Karlström et. al.

käyttivät ns. entropiamallia [26] jauhimen mittaustulosten analysointiin. Mallissa lasketaan tuodun energian osuutta, joka käytetään palautumattomasti kuitujen muok- kaamiseen. Monet näistä malleista ovat empiirisiä tai intuitioon perustuvia ja ne saattavat vaatia mittauksia tuekseen, jolloin niiden käyttö uusien terägeometrioiden suunnittelussa optimaalisen jauhautumisen kannalta on hyvin vaikeaa tai mahdotonta.

Matalasakeusjauhatusta yritetään yleisesti mallintaa tunnusluvuilla, jotka jyvittävät kaikki jauhautumisilmiöt hampaiden särmille, jauhatuspinnoille, tai molemmille.

Brechtin kokeellisen tutkimuksen [31] mukaan terien pituuden kasvatus kaksinkertai- seksi antaa paljon suuremman vaikutuksen jauhautumiseen kuin jauhatuspinta-alan kasvattaminen seitsenkertaiseksi, mikä puoltaa särmien hallitsevaa vaikutusta

(21)

Kuva 2.3 Mitattu ja simuloitu lämpötila- ja viipymäaikajakauma RGP82CD- jauhimessa. Muokattu lähteestä [19] tekijän luvalla.

matalasakeusjauhatuksessa. Lundin luo kattavan katsauksen näihin malleihin väitöskir- jansa [32] sivuilla 44–58. Hierrejauhimia yksinkertaisempia matalasakeusjauhimia on yritetty simuloida virtauslaskentaohjelmilla [33], mutta tässäkin ongelmana on edelleen laskentakapasiteetti laskentaelementtien määrän noustessa yli 6 miljoonan. Muita pelkästään virtaussimulointia sisältäviä tutkimuksia matala- tai korkeasakeusjauhimista ei esitellä tässä.

Jauhimen päävirtauskenttä sekä lämpötila-, paine-, tilavuusosuus- ja viipymäaikaja- kaumat pystytään laskemaan Huhtasen virtausdynamiikkaan perustuvalla laskentamal- lilla hyvällä tarkkuudella [3, 27, 30], mutta ongelmana on edelleen geometrian ja päävirtauksen vaikutus teräväliin joutuvien kuitujen määrään, ja tämän vaikutus laatuparametreihin ja tehonkulutukseen. Miles esitti [28, 29] teoreettisen tarkastelun pohjalta jauhatusintensiteetin määritelmän missä suuri intensiteetti tarkoittaa kovia iskuja ja jauhatusta ja pieni intensiteetti vaimeita iskuja ja hellää jauhatusta. Huhtanen muokkasi [30] tätä määritelmää muotoon

= 2

, (2.1)

ja totesi simulointien ja kokeellisten mittausten avulla, että jauhimen Freeness-pudotus voidaan laskea hyvin tarkasti kaavalla

= ^/ . (2.2)

missä ja ovat empiirisiä vakioita. Kaava (2.2) antaa ominaisenergiankulutukseen perustuvia kaavoja paremman arvion Freeness-vähennyksestä pumppaavissa segmen- teissä, koska se ottaa huomioon myös viipymäajan vaikutuksen laskentapisteiden välillä. Kokonaisintensiteetin ja Freeness-pudotuksen arvot lasketaan summana laskentapisteiden välien arvoista.

Vikman et. al. [19] ja Holman [34] tekivät lämpötilamittauksia termoelementeillä ja viipymäaikamittauksia radioaktiivisella merkkiaineella pumppaavilla Turbine Seg- ments™-terillä RGP82CD-jauhimessa. Tutkimuksen tärkein tulos on Hahtokarin ja Huhtasen simulointiohjelman validointi näillä kahdella mittaussarjalla. Kuvassa 2.3

(22)

vasemmalla esitetyt mitatut ja ohjelmalla simuloidut lämpötilajakautumat vastaavat hyvin toisiaan.

Kuvassa 2.3 oikealla on esitetty mitatut ja simuloidut viipymäaika-jakaumat, joiden mukaan taso-osalla laskettu viipymäaika on suurempi kuin mitattu ja kartio-osalla laskettu viipymäaika on pienempi kuin mitattu. Viipymäajan simuloinnin ongelma liittyy taso-osan yksiulotteiseen malliin, joka ei ota huomioon roottorin keskimääräistä suurempaa virtausnopeutta. Lisäksi kartio-osalla kuitujen viipymäaika kasvaa niiden joutuessa teräväliin mitä ei huomioida simuloinneissa.

2.4. Jauhinmittaukset

Koska laskennallisesti on hyvin vaikeaa määrittää kuitujen, veden ja höyryn jakautumi- nen ja virtauskentät jauhimen sisällä, ovat ainoat varmat tiedot terävälin tapahtumista optisia ja muita kokeellisia mittauksia. Radiaalisilla segmenteillä tehtyjä viipymäaika-, lämpötila- ja painemittauksia ei voi suoraan käyttää pumppaavien jauhinterien suunnit- telun tukena, koska virtauskenttä on erilainen pumppauksen ja takaisinvirtauksen osalta.

2.4.1. Optiset mittaukset

Optisia mittauksia virtausilmiöistä on tehty 60-luvulta lähtien sekä matala- [35-37], että korkeasakeusjauhimille [38-44]. Seuraavaksi esitellään osa hakejauhimilla tehdyistä mittauksista, joista suurin osa on tehty oleellisesti radiaalisilla segmenteillä, mutta jotka antavat tärkeää tietoa virtausilmiöistä jauhimessa. Segmentin vyöhykkeiden kuvaami- seen käytetään radiaalisten segmenttien vyöhykkeiden nimiä.

Atack ja Stationwala kuvasivat [38] suurnopeuskameralla noin 1865 kW toisen vaiheen Sprout-Waldron 42-1B jauhimen virtauskenttää. Suurin osa hakepaloista murskau- tui murskausvyöhykkeellä. Kun staattorin segmentissä käytettiin patoja, havaittiin, että urien pohjilla patojen välisellä alueella oli hyvin vähän virtausta. Mittausten mukaan jauhimen ulkokehällä oleva hienoin hammastuksen alue vastasi suuresta osasta haluttujen ominaisuuksien kehittymisestä ja rejektin vähenemisestä kuitujen pituuden pysyessä vakiona.

Atack et. al. tekivät [39] tutkimuksen toisen vaiheen 5 MW paineistetun yksikiekko- jauhimen Jylhävaara SD-60 virtauksista. Patojen poisto kiihdytti takaisinvirtausta ja eteenpäin virtausta. Käytettäessä matalampia uria, takaisinvirtaus oli yhtä nopeaa, mutta sitä esiintyi laajemmalla alueella. Lisäksi urien virtauksen havaittiin muuttuvan spiraa- linmuotoiseksi. Nämä ilmiöt he selittivät sillä, että matalammat urat mahdollistavat paremmin suspension fluidisoitumisen ja virtaamisen. Takaisinvirtauksen nopeus vaihteli 0-3 m/s ja 30 m/s nopeuksien välissä riippuen segmentistä, mutta erityisesti V- kuvioinnin suunnasta kyseisellä kohdalla. Enemmän roottorin pyörimissuuntaan olevissa urissa oli kertaluokkaa pienempi takaisinvirtaus.

Stationwala et. al. kuvasivat [40] suurnopeuskameralla toisen vaiheen 1865 kW Sprout-Bauer 42-1B jauhimen hampaiden peittoastetta. Peittoaste havaittiin kasvavan, kun terien kohtauskulma muuttui negatiivisesta positiiviseksi, eli kun taaksepäin

(23)

pumppaava kuviointi muuttui eteenpäin pumppaavaksi. Muuten peittoasteelle ei löydetty systemaattista riippuvuutta terien kohtauskulmasta.

Alahautala et. al. kuvasivat [43] virtauksia 10 MW tuotantomitan ensimmäisen vaiheen SD-65 jauhimessa. He mittasivat radiaalisen nopeuden kasvavan alle 1 m/s arvosta aina 30 m/s asti koko jauhimen alueella. Murskausvyöhykkeellä mitattiin hyvin hidas, vain muutama cm/s takaisinvirtaus. Välivyöhykkeellä havaittiin 1 m/s takaisinvirtaus ja lisäksi satunnaisesti massan tarttumista hampaan leikkaavaan särmään. Murskaus- vyöhykkeellä koko teräväli havaittiin olevan täynnä kuituja, välivyöhykkeellä se oli noin 50–60 % ja jauhatusvyöhykkeellä alle 10 %.

Alahautala et. al. tekivät [44] toisen tutkimuksen SD-65-jauhimen terävälin tapahtumista. He määrittivät terävälissä olevien kuitujen pintatiheyden grammoina neliömet- riä kohden eri staattorin ja roottorin suhteellisissa asennoissa. Roottorin hampaan ollessa staattorin hampaan päällä, eniten kuituja on roottorin terän jättöpuolella.

Roottorin hampaan lähtiessä staattorin hampaan päältä, sekä sen ollessa staattorin uran kohdalla, kuituja on eniten roottorin johtavan terän läheisyydessä. Mittausten mukaan kuitujen määrät staattorin ja roottorin urissa vastasivat hyvin toisiaan, mistä voitiin todeta mittausten olevan luotettavia. Roottorin urassa oli kuitenkin hieman enemmän kuituja, mikä on oletettavasti todellinen ilmiö.

2.4.2. Muut mittaukset

Eriksen mittasi [47] väitöskirjassaan pilottijauhimen ja tuotantomitan jauhimen staattorin hampaiden päällä olevan paineen käyttäen kuituoptista ja pietsoresistiivistä anturia.

Segmentin osien jaksottaisten kohtaamisten aiheuttamat painepulssit synnyttävät jauhimeen värähtelyjä. Mittauksissa on nähtävissä eri vyöhykkeiden hampaiden, segmentin ruuvin reikien ja segmenttien lukumäärän sekä roottorin pyörimistaajuuden vaikutus värähtelyyn. Erityisesti jauhatusvyöhykkeen terien kohtaustaajuus ja sen harmoniset taajuudet ovat nähtävissä myös muiden vyöhykkeiden antureissa viiveellä, joka vastaa äänen kulkeutumisaikaa teräksessä ja suspensiossa. Suurimman amplitudin taajuus siirtyy jauhatusvyöhykkeen hampaiden kohtaamistaajuudesta segmentin puolivälin hampaiden kohtaamistaajuuteen uuden terän kuluessa. Hampaiden kulkiessa toistensa ohi, terävälissä mitattiin 10–60 bar painemaksimeja terävälin suuruudesta riippuen.

Backlund et. al. mittasivat [48] CD-jauhimen lämpötilajakauman sekä tangentiaalivoimia pietsosähköisellä anturilla, joka korvasi segmentin pinnasta kolmen hampaan levyisen ympyränmuotoisen alueen. Mittauksien mukaan tangentiaalivoima kasvaa tasaisesti ulkokehälle mentäessä.

Olender et. al. mittasivat [49] hampaisiin kohdistuvia aksiaali- ja tangentiaalivoimia yksittäisen hampaan tilalle lyhyelle matkalle asetettavalla pietsosähköisiin antureihin kiinnitetyllä palkilla. Hampaiden kohdatessa syntyy epäsymmetrinen voimapulssi, minkä Goncharov et. al. olivat Olenderin mukaan havainneet jo aiemmin matalasakeus- jauhimessa. Hampaiden kohtaamisen alkuhetkellä voima on suurin teräväliin joutuvien kuitujen ”auraamisen” takia (ploughing/corner force) ja se vaimenee eksponentiaalisesti

(24)

hampaan kulkiessa toisen yli. Mitattujen ja segmentin geometriasta laskettujen hampaiden kohtaamisten suhde oli 54–73 % ensimmäisen vaiheen jauhimessa ja 79–91 % rejektijauhimessa, mitkä vastaavat Stationwala et. al. mittaamia [40] kuitumaton peittosuhteita hampaiden päällä. Suhteiden maksimiarvot mitattiin jauhatusvyöhykkeen puolivälissä, minkä arveltiin aiheutuvan stagnaatiopisteeseen kerääntyvistä kuiduista.

Lisäksi hampaan normaalivoimat ovat suurempia kuin leikkausvoimat. Muita asiaan liittyviä tutkimuksia on koottu Olenderin väitöskirjaan [50].

(25)

3. HALLITSEVAT YHTÄLÖT

Hierrejauhimessa virtaavan suspension virtausta hallitsee massan, liikemäärän ja energian säilymislait. Liikeyhtälö voidaan johtaa Newtonin toisesta laista ja energiayh- tälö saadaan termodynamiikan ensimmäisestä ja toisesta pääsäännöstä. Yhtälöiden sulkemiseksi tarvitaan materiaalimalli, joka on fluideille empiirisesti määritelty funktio materiaaliin kohdistuvan kuormituksen ja sen aiheuttaman muodonmuutoksen nopeuden välillä. Materiaalimalli yhdistää liike- ja energiayhtälöt kitkatermin kautta, jolloin mekaanisen energian muuttuminen kitkan kautta lämmöksi on määritelty.

3.1. Virtausta hallitsevat yhtälöt

Kun oletetaan painovoiman vaikutus merkityksettömäksi ja virtaus kokoonpuristuvaksi ja ajasta riippumattomaksi, voidaan jatkuvuus- (3.1) ja liikeyhtälöt (3.2-3.4) eli Navier- Stokes-yhtälöt kirjoittaa -sylinterikoordinaatistossa seuraavasti [51].

1 ( )

+1 ( )

+ ( )

= 0 (3.1)

+ − + =− −1 ( )

+ − + (3.2)

+ + + =− −1 ( )

+ + (3.3)

+ + =− −1 ( )

+ + (3.4)

Tässä muodossa yhtälöt pätevät yhdelle jatkuvalle fluidille. Useamman faasin mallinnus suoritetaan tässä työssä integraalimuotoisten yhtälöiden avulla.

Termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaan systeemin ominaissisäenergian muutos on systeemiin tuodun lämpöenergian ja tehdyn työn summa [51]

= + . (3.5)

Ominaisentalpian muutos määritellään kaavalla

ℎ= + . (3.6)

(26)

Kokoonpuristumattomilla aineilla ominaislämpökapasiteetit vakiopaineessa ja vakiotilavuudessa ovat yhtä suuret, jolloin ominaisentalpian muutos voidaan laskea kaavalla

ℎ= + . (3.7)

Energiayhtälö voidaan johtaa yhtälön (3.5) avulla tarkastelemalla kontrollitilavuuden pintojen yli kulkevia energiavirtoja, lämmönjohtumista sekä tilavuus- ja pintavoimien tekemää työtä. Kun kokonaisenergiayhtälöstä vähennetään mekaanisten voimien tekemä työ, saadaan terminen energiayhtälö, joka on tässä esitetty ajasta riippumattomana ja kokoonpuristuvana. Energiayhtälön yksikkö on teho tilavuutta kohti. [51]

ℎ+ ℎ

+ ℎ

= + +

+ + +

− + + +

− + + + + + + ̇

(3.8)

Navier-Stokes-yhtälöiden ja energiayhtälön ratkaisu ei jauhimen tapauksessa onnistu analyyttisesti, mutta niistä voidaan supistaa termejä suuruusluokkatarkastelun ja muiden oletusten avulla. Tällöin esimerkiksi liikeyhtälöstä jää jäljelle yksiulotteinen virtaus, johon vaikuttaa pyörimisestä aiheutuva tilavuusvoima sekä kitkavoima. Lopputuloksena saadaan r-suuntaisen virtauksen 1-ulotteisen teorian kaavat jauhimelle, jotka olivat perustana sekä Huhtasen [2], että Hahtokarin [3] simulointiohjelmissa.

̇ = ̇ , (3.9)

= + , (3.10)

= + ̇ ℎ

. (3.11)

Tällöin kuitenkin sivuutetaan se tosiseikka, että virtaus jauhimessa on olennaisesti urien suuntainen, ei säteen suuntainen.

3.2. Materiaalimallit

Jatkuvuus, liike- ja energiayhtälöiden sulkemiseksi tarvitaan tutkittavaa materiaalia kuvaava materiaalimalli, joka on materiaalin jännitystilan ja sen aiheuttaman muodonmuutoksen tai muodonmuutosnopeuden välinen yhteys. Vesi-kuitususpensiot ovat todellisuudessa epähomogeenisia, jolloin niiden kuvaaminen muokkaamalla jatkuvan faasin materiaalimallia kontinuumioletuksen mukaisesti on aina likimääräistä. Lisäksi