University of Oulu

Improved analysis of tube flow fractionation data for measurements in the pulp and paper industry

Saved in:
Author: Törmänen, Matti1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526230894
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-11-19
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the University of Oulu, for public defence in TS101, Linnanmaa, on 26 November 2021 at noon
Tutor: Professor Risto Myllylä
Doctor Anssi Mäkynen
Reviewer: Professor Kai-Erik Peiponen
Professor Robert Pelton
Opponent: Professor Kai-Erik Peiponen
Professor Jouko Halttunen
Description:

Abstract

Economic and environmental considerations are increasingly driving pulp and paper processes towards energy and material savings through more energy-efficient systems and increased material recycling. Wood fibers are a major renewable bio-resource from which not only paper and board but also many new products, such as biofuels, biopolymers and biocomposites, can be produced using various production processes. Both traditional and new wood-based processes require increasingly accurate and easy-to-use measurement methods.

Tube flow fractionation is an efficient treatment method for qualitatively dividing a measured sample into different parts. Fractionation occurs as a sample of limited volume proceeds in a long tube filled with water. Due to the turbulence caused by the walls of the tube, the larger particles travel faster than smaller particles and reach the end of the tube earlier and are thus measurable in time as their own fractions.

In this study, an improved analysis method of fractionation data for pulp sample suspension measurements, DFA (Dynamic Fractional Analysis), was invented and implemented. The functionality of the DFA method was studied in consistency measurements and in monitoring the particle changes produced by pulp refining and grinding processes.

By combining tube flow fractionation and optical measurements with DFA, the fibrous index and size index distributions are formed in a completely new way. This significantly reduces the measurement error introduced by water temperature, flow rate and sample consistency to previously known analysis method.

The advantages of the DFA in consistency analysis include easy and reliable calibration and the possibility of fractional consistency measurements. The progress of refining or grinding can be described by the fiber and size index distributions and the key figures formed from them. The quality indices and their distributions follow reliably the fragmentation of particles up to the size class of micro- and nanofibrillated cellulose.

The developed DFA method makes it possible to simplify the structure of the fractionation system and also improves the reliability of the obtained measurements. The usability of tube flow fractionation is thus improved, and its potential application range expands from the current research-focused applications towards process measurements.

see all

Tiivistelmä

Taloudelliset ja ympäristönäkökohdat ohjaavat sellu- ja paperiprosesseja kohti energiatehokkaampia ja materiaalia säästävämpiä järjestelmiä. Puukuidut ovat merkittävä uusiutuva bioresurssi, josta voidaan paperin ja kartongin lisäksi tuottaa monia uusia tuotteita, kuten biopolttoaineita, biopolymeerejä ja biokomposiitteja. Sekä perinteiset että uudet puupohjaiset prosessit edellyttävät yhä tarkempia ja helppokäyttöisempiä mittausmenetelmiä.

Putkivirtausfraktiointi on tehokas mittauksen esikäsittelymenetelmä näytteen jakamiseksi laadullisesti eri osiin. Fraktioituminen tapahtuu, kun tilavuudeltaan rajallinen näyte etenee pitkässä vesitäytteisessä putkessa. Putken seinämien aiheuttaman turbulenssin vuoksi suuret partikkelit kulkevat nopeammin kuin pienemmät saavuttaen putken pään aikaisemmin ja ovat siten aikaerotteisesti mitattavissa omina fraktioinaan.

Tässä tutkimuksessa luotiin parannettu fraktioitujen massasuspensioiden mittaustietojen analyysimenetelmä, DFA (Dynamic Fractional Analysis). Menetelmän toimivuutta tutkittiin sellu- ja paperiteollisuuden näytteiden sakeusmittauksissa sekä jauhatuksen etenemisen seurannassa.

Putkivirtausfraktioinnin, optisten mittausten ja DFA-menetelmän yhdistelmällä voidaan muodostaa näytteen ominaisuuksia kuvaavia kuitumaisuusindeksi- ja kokoindeksijakaumia uudella tavalla. Tämä vähentää merkittävästi veden lämpötilan, virtausnopeuden ja näytteen sakeuden tuottamaa mittausvirhettä aiemmin tunnettuun analyysimenetelmään verrattuna.

Uuden menetelmän etuina sakeusmittauksissa ovat helppo ja luotettava kalibroitavuus ja fraktiokohtaisten sakeusmittausten mahdollistuminen. Jauhatuksen etenemistä voidaan kuvata kuitumaisuus- ja kokoindeksijakaumilla. Mittaus seuraa hyvin jauhatusprosessin etenemistä aina mikro- ja nanofibrilloidun selluloosan kokoluokkaan asti.

Kehitetty DFA-menetelmä yksinkertaistaa fraktiointisysteemin rakennetta ja parantaa saatavien mittausten luotettavuutta. Näin ollen putkivirtausfraktioinnin käytettävyys paranee ja potentiaalinen sovellusalue laajentuu nykyisistä tutkimuspainotteisista sovelluksista prosessimittauksiin.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3089-4
ISBN Print: 978-952-62-3088-7
Issue: 806
Type of Publication: G4 Doctoral dissertation (monograph)
Field of Science: 215 Chemical engineering
Subjects: