Influence of variables on NSSC pulping properties: pilot plant modelling and optimization
Date
2020-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: A neutral sulphite semi-chemical (NSSC) pulping process is performed at a pulp and paper mill in South Africa. An analysis of the mill’s pulp production process has indicated that there is potential for optimization with regards to the chemical usage. This project aimed to investigate the effect of variables on the pulping properties and thereby determine whether the mill’s chemical usage is optimal. Pilot plant experiments were completed using Eucalyptus chips as the raw material. A central composite design was utilized to evaluate the effect of three pulping variables on the pulp and black liquor properties. The independent variables considered were Na2SO3 charge (8-18% w/w on oven-dry wood), Na2CO3 charge (0.5-3.0% w/w on oven-dry wood) and the maximum cooking temperature (160-180°C). Response surface methodology was used to parametrize empirical models to find the optimal conditions for maximizing the short-span compression strength index while achieving a sodium sulphite charge lower than the mill’s 15-18% (w/w on oven-dry wood) and while maintaining acceptable pulp and black liquor properties. The derived regression models showed good fits and significant overall correlations between the independent variables and the responses for all the black liquor properties and the pulp hypo number (which is used as an indirect measure of the pulp’s lignin content), with R2 adjusted values above 0.8 and p-values for overall significance below 0.05. No significant overall correlation was found between the independent variables and the reaction yield (R2 adjusted value of 0.13 and p-value for overall significance above 0.1), which was attributed to inherent variability in the yield response. The models showed poor to modest fits and significant overall correlations between the independent variables and the responses for the handsheet strength properties, with R2 adjusted values between 0.3-0.45 and pvalues for overall significance either below 0.05 or between 0.05-0.1. The sulphite charge had a significant individual effect on all the evaluated properties apart from the yield. Sulphite was the major contributor to the removal of lignin from the wood chips. Increasing the sulphite charge from 10-16% (w/w on oven-dry wood) decreased the hypo number from 17.6 to 15.3 on average for the experiments performed at different carbonate charges (1.0%, 2.5% w/w on oven-dry wood) and temperatures (164°C, 176°C). Increasing the sulphite charge from 10-16% (w/w on ovendry wood) at a carbonate charge of 2.5% (w/w on oven-dry wood) lowered the hypo number from 17.7 to 14.2, but the effect of the sulphite charge on the hypo number at a carbonate charge of 1.0% (w/w on oven-dry wood) was unappreciable and therefore it was inferred that sulphite was consumed by liberated acids when the carbonate content was low. The carbonate charge had a significant individual effect on all the evaluated properties apart from the yield and tensile index. The carbonate influenced the pH of the cooking liquor by maintaining a close-to-neutral pH (5.5 to 7), but carbonate levels above 2.5% (w/w on oven-dry wood) were required to do this due to the length of the cooking time. Increasing the carbonate charge from 1.0-2.5% (w/w on oven-dry wood) raised the final black liquor pH from 5.6- 6.3 on average and decreased the hypo number from 16.9 to 16.0 on average for the experiments performed at different sulphite charges (10%, 16% w/w on oven-dry wood) and temperatures (164°C, 176°C). Temperature did not have any noticeable effect on the evaluated responses which was attributed to the length of the cooking time or to the narrow range within which the temperature was tested. Optimization of the pilot system showed that the short-span compression strength index could be maximized to 26.7 N.m/g, within desired operating constraints, while using a sulphite charge of 9.4% (w/w on oven-dry wood) and a carbonate charge of 1.94% (w/w on oven-dry wood). Mill data and pilot plant data did not correspond well due to differences in the mass transfer between the two scales. The mill reactor likely experiences a heterogeneous chemical concentration and limited distribution of the cooking liquor moving through the reactor. The results from the pilot plant experiments showed that there is potential to improve the sodium sulphite usage in the mill reactor from 15-18% to 7.0-10% (w/w on oven-dry wood), with associated carbonate charges of 1.3-3.3% (w/w on oven-dry wood), depending on the extent of the mass transfer in the mill reactor.
AFRIKAANSE OPSOMMING: ’n Neutrale sulfiet semi-chemiese (NSSC) verpulpingsproses word uitgevoer by ’n pulp-enpapiermeule in Suid-Afrika. ’n Analise van die meule se pulpproduksieproses het aangetoon dat daar potensiaal is vir optimering in verband met die gebruik van chemikalieë. Hierdie projek het beoog om die effek van veranderlikes op die verpulpingseienskappe te ondersoek en daarby vas te stel of die meule se gebruik van chemikalieë optimaal is. Loodsaanlegeksperimente is voltooi deur eukaliptusstukkies as die roumateriaal te gebruik. ’n Sentrale samestelling-ontwerp is gebruik om die effek van drie verpulpingveranderlikes op die pulp- en houtloogeienskappe te evalueer. Die onafhanklike veranderlikes oorweeg was Na2SO3-lading (8– 18% w/w op oondgedroogte hout), Na2CO3-lading (0.5–3.0% w/w op oondgedroogde hout) en die maksimum kooktemperatuur (160–180 °C). Respons oppervlak metodologie is gebruik om empiriese modelle te parametriseer om die optimale kondisies vir maksimering van die kort bestek drukkragindeks van die pulp te vind, terwyl ’n natriumsulfiet-lading laer as die meule se 15–18% (w/w op oondgedroogde hout) bereik is en terwyl aanvaarbare pulp- en houtloogeienskappe gehandhaaf word. Die afgeleide regressiemodelle het goeie passings en beduidende algehele korrelasies tussen die onafhanklike veranderlikes en die respons vir al die houtloogeienskappe en die pulphiponommer (wat gebruik is as ’n indirekte mate van die pulp se lignieninhoud) aangedui, met R2 -aangepaste waardes bo 0.8 en p-waardes vir algehele beduidendheid onder 0.05. Geen beduidende algehele korrelasie tussen die onafhanklike veranderlikes en die reaksie opbrengs (R2 -aangepaste waarde van 0.13 en p-waarde vir algehele beduidendheid bo 0.1) is gevind nie, wat toegeskryf word aan inherente veranderlikheid in die opbrengsrespons. Die modelle het swak na matige passings en beduidende algehele korrelasies tussen die onafhanklike veranderlikes en die respons vir die toetsvelkrageienskappe, met R2 -aangepaste waardes tussen 0.3–0.45 en p-waardes vir algehele beduidendheid of onder 0.05 of tussen 0.05 en 0.1, aangetoon. Die sulfietlading het ’n beduidende individuele effek op al die geëvalueerde eienskappe behalwe vir die opbrengs gehad. Sulfiet was die grootste bydraer tot die verwydering van lignien uit die houtstukkies. Deur die sulfietlading van 10 tot 16% (w/w op oondgedroogde hout) te verhoog, het die hiponommer van 17.6 na 15.3 op gemiddeld verlaag vir die eksperimente uitgevoer by verskillende karbonaatladings (1.0%, 2.5% w/w op oondgedroogde hout) en temperature (164 °C, 176 °C). Deur die sulfietlading van 10 na 16% (w/w op oondgedroogde hout) te verhoog by ’n karbonaatlading van 2.5% (w/w op oondgedroogde hout) verlaag die hiponommer van 17.7 na 14.2, maar die effek van die sulfietlading op die hiponommer by karbonaatlading van 1.0% (w/w op oondgedroogde hout) is onmerkbaar en daarom is dit afgelei dat sulfiet opgeneem is deur bevryde sure toe die karbonaatinhoud laag was. Die karbonaatlading het ’n beduidende individuele effek op al die geëvalueerde eienskappe behalwe vir die opbrengs en trekindeks gehad. Die karbonaat het die pH van die kookloog beïnvloed deur ’n naby-aanneutrale pH (5.5 tot 7) te handhaaf, maar karbonaatvlakke bo 2.5% (w/w op oondgedroogde hout) is vereis om dit te doen as gevolg van die lengte van die kooktyd. Deur die karbonaatlading van 1.0 tot 2.5% (w/w op oondgedroogde hout) te verhoog, het die finale houtloog pH van 5.6 tot 6.3 op gemiddeld verhoog en die hiponommer van 16.9 tot 16.0 op gemiddeld afgeneem vir eksperimente uitgevoer by verskillende sulfietladings (10%, 16% w/w op oondgedroogde hout) en temperature (164 °C, 176 °C). Temperatuur het nie ’n opmerklike effek op die geëvalueerde respons gehad nie, wat toegeken is aan die lengte van die kooktyd of aan die klein bestek waarbinne die temperatuur getoets is. Optimering van die loodsstelsel het gewys dat die kort bestek drukkragindeks van die pulp gemaksimeer kon word tot 27.7 N.m/g, binne gewensde bedryfsbeprekinge, terwyl ’n sulfietlading van 9.4% (w/w op oondgedroogde hout) en ’n karbonaatlading van 1.94% (w/w op oondgedroogde hout) gebruik word. Data van meule en loodsaanlegte het nie goed gekorrespondeer nie as gevolg van verskille in die massaoordrag tussen die twee skale. Die meulereaktor ondervind tien teen een ’n heterogene chemiese konsentrasie en beperkte distribusie van die kookloog wat deur die reaktor beweeg. Die resultate van die loodsaanleg het gewys dat daar potensiaal is om die natriumsulfiet gebruik in die meulereaktor van 15 tot 18% na 7.0 tot 10% (w/w op oondgedroogde hout) te verbeter met geassosieerde karbonaatladings van 1.3 tot 3.3% (w/w op oondgedroogde hout), afhangend van die omvang van die massa-oordrag in die meulereaktor.
AFRIKAANSE OPSOMMING: ’n Neutrale sulfiet semi-chemiese (NSSC) verpulpingsproses word uitgevoer by ’n pulp-enpapiermeule in Suid-Afrika. ’n Analise van die meule se pulpproduksieproses het aangetoon dat daar potensiaal is vir optimering in verband met die gebruik van chemikalieë. Hierdie projek het beoog om die effek van veranderlikes op die verpulpingseienskappe te ondersoek en daarby vas te stel of die meule se gebruik van chemikalieë optimaal is. Loodsaanlegeksperimente is voltooi deur eukaliptusstukkies as die roumateriaal te gebruik. ’n Sentrale samestelling-ontwerp is gebruik om die effek van drie verpulpingveranderlikes op die pulp- en houtloogeienskappe te evalueer. Die onafhanklike veranderlikes oorweeg was Na2SO3-lading (8– 18% w/w op oondgedroogte hout), Na2CO3-lading (0.5–3.0% w/w op oondgedroogde hout) en die maksimum kooktemperatuur (160–180 °C). Respons oppervlak metodologie is gebruik om empiriese modelle te parametriseer om die optimale kondisies vir maksimering van die kort bestek drukkragindeks van die pulp te vind, terwyl ’n natriumsulfiet-lading laer as die meule se 15–18% (w/w op oondgedroogde hout) bereik is en terwyl aanvaarbare pulp- en houtloogeienskappe gehandhaaf word. Die afgeleide regressiemodelle het goeie passings en beduidende algehele korrelasies tussen die onafhanklike veranderlikes en die respons vir al die houtloogeienskappe en die pulphiponommer (wat gebruik is as ’n indirekte mate van die pulp se lignieninhoud) aangedui, met R2 -aangepaste waardes bo 0.8 en p-waardes vir algehele beduidendheid onder 0.05. Geen beduidende algehele korrelasie tussen die onafhanklike veranderlikes en die reaksie opbrengs (R2 -aangepaste waarde van 0.13 en p-waarde vir algehele beduidendheid bo 0.1) is gevind nie, wat toegeskryf word aan inherente veranderlikheid in die opbrengsrespons. Die modelle het swak na matige passings en beduidende algehele korrelasies tussen die onafhanklike veranderlikes en die respons vir die toetsvelkrageienskappe, met R2 -aangepaste waardes tussen 0.3–0.45 en p-waardes vir algehele beduidendheid of onder 0.05 of tussen 0.05 en 0.1, aangetoon. Die sulfietlading het ’n beduidende individuele effek op al die geëvalueerde eienskappe behalwe vir die opbrengs gehad. Sulfiet was die grootste bydraer tot die verwydering van lignien uit die houtstukkies. Deur die sulfietlading van 10 tot 16% (w/w op oondgedroogde hout) te verhoog, het die hiponommer van 17.6 na 15.3 op gemiddeld verlaag vir die eksperimente uitgevoer by verskillende karbonaatladings (1.0%, 2.5% w/w op oondgedroogde hout) en temperature (164 °C, 176 °C). Deur die sulfietlading van 10 na 16% (w/w op oondgedroogde hout) te verhoog by ’n karbonaatlading van 2.5% (w/w op oondgedroogde hout) verlaag die hiponommer van 17.7 na 14.2, maar die effek van die sulfietlading op die hiponommer by karbonaatlading van 1.0% (w/w op oondgedroogde hout) is onmerkbaar en daarom is dit afgelei dat sulfiet opgeneem is deur bevryde sure toe die karbonaatinhoud laag was. Die karbonaatlading het ’n beduidende individuele effek op al die geëvalueerde eienskappe behalwe vir die opbrengs en trekindeks gehad. Die karbonaat het die pH van die kookloog beïnvloed deur ’n naby-aanneutrale pH (5.5 tot 7) te handhaaf, maar karbonaatvlakke bo 2.5% (w/w op oondgedroogde hout) is vereis om dit te doen as gevolg van die lengte van die kooktyd. Deur die karbonaatlading van 1.0 tot 2.5% (w/w op oondgedroogde hout) te verhoog, het die finale houtloog pH van 5.6 tot 6.3 op gemiddeld verhoog en die hiponommer van 16.9 tot 16.0 op gemiddeld afgeneem vir eksperimente uitgevoer by verskillende sulfietladings (10%, 16% w/w op oondgedroogde hout) en temperature (164 °C, 176 °C). Temperatuur het nie ’n opmerklike effek op die geëvalueerde respons gehad nie, wat toegeken is aan die lengte van die kooktyd of aan die klein bestek waarbinne die temperatuur getoets is. Optimering van die loodsstelsel het gewys dat die kort bestek drukkragindeks van die pulp gemaksimeer kon word tot 27.7 N.m/g, binne gewensde bedryfsbeprekinge, terwyl ’n sulfietlading van 9.4% (w/w op oondgedroogde hout) en ’n karbonaatlading van 1.94% (w/w op oondgedroogde hout) gebruik word. Data van meule en loodsaanlegte het nie goed gekorrespondeer nie as gevolg van verskille in die massaoordrag tussen die twee skale. Die meulereaktor ondervind tien teen een ’n heterogene chemiese konsentrasie en beperkte distribusie van die kookloog wat deur die reaktor beweeg. Die resultate van die loodsaanleg het gewys dat daar potensiaal is om die natriumsulfiet gebruik in die meulereaktor van 15 tot 18% na 7.0 tot 10% (w/w op oondgedroogde hout) te verbeter met geassosieerde karbonaatladings van 1.3 tot 3.3% (w/w op oondgedroogde hout), afhangend van die omvang van die massa-oordrag in die meulereaktor.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2020.