Keiton tarkoitus
Sellun keiton periaateKuitujen erottaminen kemiallisestiPuukuidun rakennePuukuidun kemiallinen koostumusKappa, havuselluSaannon laskentaKappaluvun vaikutus massan repäisylujuuteenViskositeettiSaantoSaannon hehittyminen kappaluvun suhteen
Mekaaniset ja kemimekaaniset kuidutusmenetelmät
Hierron periaateKemimekaaninen prosessi
Sulfaattikeittoprosessit

VuokeitinEräkeittämöKeiton ja valkaisun osuus delignifioinnista eri aikoinaEräkeitinEräkeittimen kuljetus (Metso)Eräkeittimen asennusta (Metso)

Sulfaattikeiton terminologiaa
 
Keittokemikaalit
Valkolipeän koostumusAktiivi-, ja tehollinen alkaliAlkaliteettien riippuvuusAlkaliteettilaskuriNatriumhydroksidin ja natriumsulfidin reaktioyhtälötMustalipeän koostumusViherlipeän koostumusSulfiditeetin määritelmäPelkistymisasteen määritelmäKaustistumisasteen määritelmäEsimerkki alkaliväkevyyden laskennastaKeittokemikaalien muunnokset
Keiton ohjaus ja reaktiot
H-tekijä ja sen laskentaNeste-puusuhde

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Keiton tarkoitus Kuitujen erottaminen kemiallisesti

Kemiallisessa massanvalmistuksessa keiton tehtävänä on kemikaalien ja lämmön avulla poistaa kuituja sitovaa ligniiniäPuukuidun rakenne Puukuidun kemiallinen koostumus siinä määrin, että hake kuituuntuu helposti. Selluloosapitoiset kuidut pyritään säilyttämään mahdollisimman pitkinä, ehjinä ja vahvoina. Lisäksi pyritään poistamaan puun uuteaineita, jotka voivat aiheuttaa vaahtoamista ja saostumia myöhemmin prosessissa. Nykyisin sulfaattikeitto on ylivoimaisesti yleisin massan valmistuksen muoto.

Keittokemikaaleina käytetään kemikaaleja, jotka liuottavat mahdollisimman paljon ligniiniä ja mahdollisimman vähän selluloosaa. Sulfaattikeitossa keittokemikaalina käytetään natriumhydroksidin (NaOH) ja natriumsulfidin (Na2S) seosta, ns. valkolipeää. Natriumhydroksidi toimii ligniiniä pilkkovana kemikaalina ja natriumsulfidi nopeuttaa keittoreaktioita sekä vähentää natriumhydroksidin aiheuttamaa selluloosan liukenemista. Keittolämpötila on sulfaattikeitossa yleensä 150 - 170 °C.

Kuiduissa jäljellä olevan ligniinin määrää kuvataan kappaluvulla Kappa, havusellu. Ligniini aiheuttaa massan ruskean värin keiton jälkeen. Koska valkaisukemikaalit ovat selvästi keittokemikaaleja kalliimpia, valkaistavissa massalaaduissa ligniini pyritään poistamaan jo keitossa melko tarkoin. Liika ligniinin poisto keittovaiheessa kuitenkin lisää selluloosan liukenemista ja näin alentaa massan lujuutta ja saantoa Saannon laskenta Kappaluvun vaikutus massan repäisylujuuteen Viskositeetti Saanto. Tyypillinen valkaistavan massan kappaluku on nykyisin lehtipuulla 14 - 20, havupuulla 20 - 30. Jos massaa ei valkaista, keiton jälkeinen kappaluku on selvästi korkeampi, tyypillisesti 40-100. Massan saanto on tyypillisesti lehtipuulle noin 50 - 53% ja havupuulle 46 - 49% Saannon hehittyminen kappaluvun suhteen.

Keiton hallittavuus ja sen tasaisuus ovat edellytyksenä seuraavien prosessivaiheiden onnistumiselle. Keittämön häiriöt heijastuvat edelleen muille osastoille ja aiheuttavat sellussa mm. lujuus- ja vaaleusvaihteluita, muutoksia jauhautuvuudessa, roskaisuutta ja jälkikellertymistä.

Alkuun

 

Mekaaniset ja kemimekaaniset kuidutusmenetelmät

Mekaanisessa massanvalmistuksessa ei keittoprosessia ole vaan puumateriaali kuidutetaan rasittamalla puuta mekaanisesti ja tuomalla siihen lämpöä Hierron periaate. Puuhun tuotu energia muuttuu myös lämmöksi ja mahdollistaa kuitujen erottamisen mekaanisella työllä. On olemassa myös kemiallisen ja mekaanisen massanvalmistuksen välimuoto, kemimekaaninen menetelmä, CTMP Kemimekaaninen prosessi, jossa lyhyen kemiallisen käsittelyn jälkeen hake kuidutetaan mekaanisesti.

Alkuun

 

Sulfaattikeittoprosessit Vuokeitin

Keittoprosessien tärkeimpiä piirteitä ovat:

Keittoprosessit voidaan jakaa kahteen pääluokkaan; eräkeittämöön Eräkeittämö ja jatkuvatoimiseen keittämöön Vuokeitin. Eräkeitossa sellun keitto tapahtuu vaihe kerrallaan keittimissä EräkeitinEräkeittimen kuljetus (Metso)Eräkeittimen asennusta (Metso), joita keittämöllä on useita. Jatkuvassa- eli vuokeitossa haketta ja kemikaaleja syötetään jatkuvasti keittimen yläpäähän ja massaa poistetaan alapäästä. Keitin on jaettu vyöhykkeisiin, jossa keiton eri vaiheet tapahtuvat.

Ympäristökuorman vähentämiseksi on keiton kappalukua pyritty laskemaan. Esimerkiksi havupuulla tyypillinen kappaluku keiton jälkeen oli 70 - luvulla noin 35, nykyisin yleensä alle 30 Keiton ja valkaisun osuus delignifioinnista eri aikoina. Näin vähennetään valkaisussa poistettavan ligniinin määrää ja samalla valkaisukemikaalien kulutusta. Lisäksi valkaisussa poistettava ligniini päätyy valkaisulinjan jätevesiin, joten jätevesikuormituksen kannalta keittoa on edullista jatkaa mahdollisimman pitkälle. Kuitenkaan kappalukua ei kannata alentaa liikaa keittovaiheessa, koska massan lujuusominaisuudet ja saanto putoavat tietyn pisteen jälkeen huomattavasti Kappaluvun vaikutus massan repäisylujuuteen Saanto. Happidelignifioinnin voimakas kehitys on aiheuttanut sen, että huomattavan alhaisten keittokappojen tavoittelusta ollaan nykyisin luovuttu ja ligniiniä poistetaan entistä enemmän happivaiheessa Keiton ja valkaisun osuus delignifioinnista eri aikoina.

Sekä erä- että vuokeitosta löytyy useita muunnelmia, jotka perustuvat yleensä erilaisiin keiton aikana tehtäviin liemenvaihtoihin. Näin pyritään reaktio-olosuhteita muuttamalla parantamaan massan laatua, mahdollistamaan keitto alhaisemmalle kappalukutasolle sekä vähentämään energiankulutusta.

Seuraavien neljän pääsäännön avulla on keittoa pyritty jatkamaan alhaisempiin kappalukuihin massan ominaisuuksia vahingoittamatta:

  1. Alkaliväkevyyden (NaOH ja Na2S) on oltava matala keiton alussa ja tasainen keiton ajan. Korkea alkaliväkevyys keiton alussa lisää selluloosan hajoamista ja kuluttaa alkalia tarpeettomasti.
  2. Vetysulfidiväkevyyden (HS-, syntyy Na2S:n liuetessa ja reagoidessa puun kanssa Natriumhydroksidin ja natriumsulfidin reaktioyhtälöt ) on oltava mahdollisimman korkea keiton alussa. Vetysulfidi nopeuttaa ligniinin liukenemista ja se ei hajoita selluloosaa keiton alussa, vastoin kuin natriumhydroksidi.
  3. Liuenneen ligniinin väkevyyden on oltava niin matala kuin mahdollista, varsinkin keiton lopussa. Lipeään liuennut ligniini hidastaa puussa olevan ligniinin liukenemista. Lisäksi sitä saattaa saostua takaisin kuitujen pinnoille varsinkin, jos alkaliväkevyys putoaa liian alas.
  4. Lämpötilan on oltava matala erityisesti keittovaiheen alussa. Matala lämpötila vähentää selluloosan liukenemista. Tämä liukeneminen on erityisen voimakasta keittovaiheen alussa.

Vaikutusta on myös sillä, kuinka keitto ja muut kuitulinjan prosessit kohtelevat kuituja mekaanisesti (esimerkiksi paine- ja lämpöshokit, mekaaninen rasitus ja erityisesti niiden yhdistelmät). Nämä vaikutukset ovat tutkimustyön kohteena.

Alkuun


Sulfaattikeiton terminologiaa

Keittokemikaalit

Valkolipeä Valkolipeän koostumus on sulfaattikeittoon käytettävä kemikaaliseos. Sen vaikuttavat kemikaalit ovat natriumhydroksidi (NaOH) ja natriumsulfidi (Na2S). Valkolipeän väkevyys edellämainittujen yhdisteiden suhteen ilmoitetaan vaikuttavana eli aktiivisena alkalina tai tehollisena alkalina (g/l):Aktiivi-, ja tehollinen alkali Natriumhydroksidin ja natriumsulfidin reaktioyhtälöt Alkaliteettien riippuvuus.

Oheisen laskurin avulla voit tutkia eri alkaliteettien riippuvuuksia Alkaliteettilaskuri.

Mustalipeä Mustalipeän koostumus Mustalipeän analyysi on keitossa reagoinutta valkolipeää, johon on liuennut puun yhdisteitä. Musta väri johtuu lipeään liuenneista, alkalin värjäämistä ligniiniyhdisteistä.

Natriumsuolojen pitoisuus ilmoitetaan tyypillisesti grammoina litrassa vastaavina määrinä joko natriumhydroksidia tai natriumoksidia (Na2O). Käytäntö perustuu yhdisteiden natriumpitoisuuksiin Esimerkki alkaliväkevyyden laskennasta. Muunnoskerroin Na2O:sta NaOH:ksi on 1.29 ja päinvastoin 0.775 Keittokemikaalien muunnokset.

Viherlipeä Viherlipeän koostumus on laihaan valkolipeään liuotettua soodakattilan sulaa. Toisin sanoen se on mustalipeää, jonka orgaaninen aines on poltettu pois (lisäksi on tapahtunut muita reaktioita, mm. natriumsulfaatin muuttuminen natriumsulfidiksi). Viherlipeästä valmistetaan valkolipeää kaustisoinnissa.

Natriumsulfidin osuus keittonesteessä ilmoitetaan sulfiditeettina (%) Sulfiditeetin määritelmä. Sulfiditeetti on nykyaikaisessa tehtaassa yleensä tasolla 35 - 45%. Pelkistymis- eli reduktioaste (%) Pelkistymisasteen määritelmä kertoo sen, kuinka hyvin keitossa reagoimaton natriumsulfaatti on saatu pelkistettyä hyödylliseksi natriumsulfidiksi. Pelkistys tapahtuu soodakattilassa. Kaustistumisaste (%) Kaustistumisasteen määritelmä kertoo valkolipeän valmistuksen kemiallisesta tehokkuudesta eli paljonko keitossa reagoimattomasta natriumkarbonaatista on muuttunut natriumhydroksidiksi.

Tehollinen alkali, aktiivialkali ja sulfiditeetti ovat tärkeimmät valkolipeän ominaisuudet. Tehollinen alkali kuvaa OH- ionien konsentraatiota, aktiivialkali OH- ja HS- -ionien yhteismäärä Alkaliteettien riippuvuus ja sulfiditeetti HS- ja OH- -ionien suhdetta.

Alkaliannos ilmoitetaan yleensä prosentteina puusta. Tällöin tarkoitetaan alkalimäärää suhteutettuna täysin kuivaan puuhun.

Valkolipeän valmistuksen reaktiotasapainon seurauksena valkolipeän väkevyys on luokkaa 140 - 170 g/l vaikuttavaa alkalia NaOH:na. Valkolipeä sisältää myös muita natriumsuoloja, kuten natriumsulfaattia (Na2SO4) ja natriumkarbonaattia (Na2CO3) sekä pieniä määriä sulfiitteja ja klorideja. Kaikki natriumsuolat voidaan ilmoittaa kokonaisalkalina (TTA, titrautuva alkali, g/l). Siinä huomioidaan kaikki natriumyhdisteet, esimerkiksi natriumsulfaatti ja -karbonaatti. Suuret sulfaatti- ja karbonaattimäärät valkolipeässä kertovat häiriöistä jätelipeän poltossa tai valkolipeän valmistuksessa. Koska sulfaatti ja karbonaatti eivät juurikaan osallistu keittoreaktioihin, ne kuormittavat turhaan kemikaalikiertoa. Valkolipeä sisältää myös muita keitossa reagoimattomia aineita, kuten esimerkiksi klorideja ja kalsiumyhdisteitä. Myös näiden niinsanottujen inerttien aineiden määrä riippuu suuresti tehtaan kemikaalikierron tilasta, esimerkiksi valkolipeän suodatuksen onnistumisesta.

Antrakinoni (AQ) on orgaaninen yhdiste, jonka on todettu lisäävän keiton saantoa, erityisesti matalammilla sulfiditeeteilla. Korkean, esimerkiksi 40% sulfiditeetin tehtaassa ero on huomattavasti vähäisempi. Antrakinonin käyttöä on toistaiseksi vähentänyt sen korkea hinta. Kuitenkin eräissä tapauksissa, tehtaan kemikaalikierron ollessa pullonkaulana, sen käyttö on huomattu kannattavaksi.

Alkuun

 

Keiton ohjaus ja reaktiot

H-tekijä H-tekijä ja sen laskenta kertoo ligniinin liukenemisen suhteellisen nopeuden. Se riippuu keittoajasta ja lämpötilasta. H-tekijän lämpötilariippuvuus on hyvin voimakasta johtuen ligniinin liukenemisen lämpötilariippuvuudesta. Muutamankin asteen ero keittolämpötilassa voi tehdä suuren eron massan laatuun. H-tekijä on määritelty siten, että 1 tunti 100 °C:ssa vastaa H-tekijää 1.

Neste-puusuhde Neste-puusuhde ilmoittaa kaiken nesteen määrän täysin kuivan puumäärän suhteen. Siinä on mukana kaikki keitossa mukana oleva neste; keittolipeä, mahdollinen täydennyslipeä, hakkeen sisältämä vesi alun perin sekä esimerkiksi höyrykäsittelyn jälkeen.

Pasutus on hakkeen käsittelyä höyryllä ennen keittoa. Höyrykäsittely poistaa ilmaa hakkeen huokosista ja näin parantaa keittokemikaalien imeytymistä keiton alussa.

Paisunta tarkoittaa sitä, että jatkuvatoimisen keittimen kuuma (130 - 170°C) mustalipeä lasketaan keittimen paineesta matalampaan paineeseen. Tällöin lipeä kiehuu ja syntyy runsaasti hajukaasuja sisältävää höyryä.

Hiilihydraatit ovat sokeriyhdisteitä, joista selluloosa ja hemiselluloosat ovat koostuneet. Delignifioituminen tarkoittaa ligniinin liukenemista keittolipeään. Kondensoituminen taas ligniinin saostumista uudelleen keittonesteestä kuitujen pinnalle. Jäännösalkali kuvaa sitä alkalimäärää, joka keittolipeässä on jäljellä keiton lopussa.

VOC-yhdisteet (Volatile Organic Compounds) ovat lauhtumattomia hiilivetyjä, joita syntyy hakkeen pasutuksessa, keittoreaktioissa ja kaikissa vaiheissa, joissa käsitellään mustalipeää.

TRS-yhdisteet (Total Reduced Sulphur) ovat lahtumattomia, pelkistyneitä rikkiyhdisteitä. Eli ne ovat VOC-yhdisteitä, joissa on rikkiä. TRS-yhdisteitä syntyy keittoreaktioissa ja jokaisessa vaiheessa, jossa käsitellään mustalipeää. TRS-yhdisteet haisevat hyvin voimakkaasti jo alhaisissakin pitoisuuksissa ja aiheuttavat sellutehtaille niiden tunnusomaisen hajun. Hajuhaitat ovat tosin nykytekniikalla (hajukaasujen keräily ja poltto) vähentyneet huomattavasti.

Alkuun