Hakekoko Hakekoko vaikuttaa keittokemikaalien imeytymiseen ja hakkeen pakkautumistiheyteen keittimessä. Keittokemikaalien imeytymisen osalta hakkeen paksuus on oleellisin tekijä. Vaikka keittoliuos imeytyykin nopeammin hakkeen pituussuunnassa, myös poikittaissuuntaista imeytymistä tapahtuu. Koska hakepalojen pituus on yleensä 3-10 kertaa niiden paksuus, paksuudella on suurempi merkitys imeytymisen kannalta. Hakkeen pituudella on merkitystä imeytymiseen jonkin verran, mutta enemmän hakepituus vaikuttaa pakkaustiheyteen keittimessä ja kuitujen pituuteen. Hakepaksuuden kasvaessa keittolipeän imeytyminen hakkeen sisäosiin vaikeutuu, hake keittyy epätasaisesti ja aiheuttaa kuituuntumattoman jakeen kasvun.
Hakepaksuuden kasvaessa on imeytymisolosuhteita parannettava kuituuntumattoman jakeen vähentämiseksi. Hakepinnan halkeamat ja epätasaisuudet edistävät imeytymistä. Hakkeen ohentaminen pienentää pakkaustiheyttä keittimessä ja saattaa aiheuttaa kapasiteettirajoituksen (hakepituutta ei välttämättä voida vastaavasti lyhentää kuidunpituuden lyhenemisen vuoksi). Pakkautumistiheys osoittaa, miten suuri osa mitatusta haketilavuudesta on kiinteää puuta. Pakkautumistiheyden vaihtelu vaikuttaa keittimessä hakkeen suotautumisvastuksen muutoksiin ja siten myös lämmön ja keittokemikaalien siirtymiseen. Hakkeen ohentuessa haketuksessa syntyvän hienoaineksen osuus kasvaa. Keittimeen joutuessaan hienoaines keittyy liikaa ja syntyvän kuituaineksen mekaaninen lujuus pienenee. Sulfaattikeitossa sopivana hakepaksuutena imeytymisen kannalta pidetään 2-5 mm, käytännössä optimipaksuus vaihtelee välillä 4-7 mm. Havupuuhake on yleensä paksumpaa kuin lehtipuuhake, koska tällöin päästään suurempaan hakepituuteen ja sitä kautta vähäisempään määrään haketuksessa katkenneita kuituja. Havupuukuidut ovat pidempiä ja havumassalle lujuus on olennaisempaa kuin lehtipuumassalle, joten vähäinen haketuksessa katkenneiden kuitujen määrä on havuhakkeelle olennaisempaa. Myös eri keittomenetelmien välillä on eroja; eräkeitto sietää pienempää (ja myös huonolaatuisempaa) haketta kuin vuokeitto. Tämä siksi, koska vuoketossa hakepatjan on pysyttävä liikkeessä ja vuokeittimen sihdit tukkeentuvat herkästi liian pienen hakekoon vuoksi.
Hakkeen tulee olla aina mahdollisimman tasalaatuista. Samoin hakkeen kuiva-aineen tietäminen mahdollisimman tarkkaan parantaa kemikaalien annostelutarkkuutta. Keittoaika ja -lämpötila Lämpötilan nostovaihe Keittohakkeen tulee olla mahdollisimman hyvin imeytynyt ennen keittovaiheen alkua (noin 140 C), toisin sanoen keittokemikaalia pitää olla riittävästi hakkeen sisäosissa ligniinin pilkkoutumisreaktioiden käynnistämiseen ja ylläpitämiseen. Lämpötilan nostonopeudelle ei ole olemassa mitään optimiarvoa vaan se riippuu imeytysolosuhteista. Perinteisessä eräkeitossa lämpötilan nosto tapahtuu noin 1.5 C/min, jolloin aikaa lipeiden annostelusta (noin 70 C) 140 C:een kuluu noin 45 min.
Uusissa eräkeittomenetelmissä lämpötilan nosto tapahtuu syrjäyttämällä keittimestä kylmä "imeytyslipeä" kuumalla lipeällä. Aikaa syrjäytykseen kuluu noin 20 min. Lisäksi voidaan imeytystä tehostaa kierrättämällä kylmää lipeää haluttu aika. Loppu lämmitys, joka on yleensä vain muutama aste, tehdään suoralla höyryllä. Vuokeitossa voidaan käyttää keittimen paineessa toimivaa esi-imeytystornia ennen keitintä. Tornin lämpötila on alle 110-130 C ja hakkeen viipymä siinä on noin 30 min. Eräissä vuokeittomenetelmissä imeytys tapahtuu keittimen huipussa, jossa lämpötila on alle 140 C. Keittovaihe Keittoaika ja -lämpötila vaikuttavat yhdessä siten, että korkeampi keittolämpötila edellyttää lyhyempää keittoaikaa ja toisin päin. Keiton lämpötila havupuulla voi vaihdella 165-175 C:n välillä. Lämpötilan nosto yli noin 175 C lisää saantohäviöitä. Saantohäviöiden määrä ja niiden alkamislämpötila on riippuvainen mm. alkalikonsentraatiosta ja sulfiditeetista. Keittoreaktiot nopeutuvat lämpötilan noustessa enemmän kuin aineensiirtonopeus hakkeen sisäosiin. Näin korkeampi lämpötila tyypillisesti lisää hakkeen epätasaista keittymistä, eli pintaosat hakkeesta keittyvät enemmän. Koivulla saantohäviöt kasvavat havupuuta voimakkaammin korkeissa lämpötiloissa, joten saannon kannalta turvallinen alue on 155-170 C. Keittoaika voi vaihdella huomattavasti, käytännössä alle tunnista noin kolmeen tuntiin. Koivu keittyy noin puolta nopeammin kuin mänty mitattuna H tekijällä, jos alkaliannos on sama. Käytännössä kuitenkin koivun keittolämpötila ja alkaliannos ovat alemmat kuin havupuulla, joten keittoajat tehdasmitassa eivät olennaisesti poikkea toisistaan. Käytännössä keitto täydessä lämmössä kestää noin tunnin. Keittymistä tosin tapahtuu lämpötilan nostovaiheen aikana, 110 C:sta ylöspäin.
Eräkeitossa keittoaikaa voidaan suoraan säätää vaiheen kestoa muuttamalla. Käytännössä keittoajan määrää käytettävissä oleva keitinkapasiteetti. Vuokeitossa tuotantovauhti määrää suoraan hakkeen viipymän keittovyöhykkeessä. H-tekijän tavoitearvo voi vaihdella aina 300-1500 välillä. Käytännössä siihen tehtaalla vaikuttavat tavoitekapan, puulajin ja puulaadun lisäksi käytettävissä olevan alkalin määrä ja laatu sekä keitinkapasiteetti. Ylimääräinen keitinkapasiteetti voidaan hyödyntää joko keittolämpötilaa alentamalla tai alkaliannosta pienentämällä. Alkaliannos ja -konsentraatio Tehollinen alkaliannos (puumäärän suhteen) vaihtelee yleensä välillä 14-23 % NaOH:na. 30% sulfiditeettitasolla sama kemikaaliannostus on vaikuttavana alkalina 17-27 % NaOH:na. Annokset ovat pienempiä valmistettaessa ruskeita korkean kappaluvun massoja tai valkaistavia lehtipuumassoja. Alkalin väkevyys keittonesteessä eli alkalikonsentraatio (g/l) riippuu myös nestepuusuhteesta. Eli mitä korkeampi neste-puusuhde, sitä matalampi alkalikonsentraatio, vaikka alkalin määrä puun suhteen olisikin sama. Alkalikonsentraation vaikutus keittoreaktioihin on oleellista ja yleensä pyritäänkin välttämään hyvin korkeaa neste-puusuhdetta myös siksi, ettei alkaliväkevyys laskisi liian alas. Alkaliväkevyyden (NaOH ja Na2S) on oltava matala keiton alussa ja tasainen keiton ajan. Korkea alkaliväkevyys keiton alussa lisää selluloosan hajoamista ja kuluttaa alkalia tarpeettomasti. Liian suuren alkalikonsentraation välttämiseksi keiton alussa voidaan alkali (valkolipeä) annostella keittoon useammassa vaiheessa. Vaiheistettu annostelu on käytössä uusimmissa erä- ja vuokeittoprosesseissa. Toisaalta liian pieni alkalikonsentraatio keiton alussa (tai missä tahansa keiton vaiheessa) saattaa aiheuttaa ligniinin takaisin saostumista eli kondensoitumista, mikä vaikeuttaa massan valkaisua korkeisiin vaaleuksiin. Uudelleen saostuneessa ligniinissä on vähän ns. fenolisia rakenteita, joihin hapen ja klooridioksidin vaikutus perustuu.
ph:n laskun ja siitä aiheutuvan ligniinin uudelleen saostumisen välttämiseksi tulee keiton lopussa olla jäännösalkalia vähintään noin 5-10 g/l (tehollista NaOH:na). Käytännössä alkaliannoksen suuruuteen vaikuttaa tehtailla keiton tavoitekappaluku, valkaisun toiminta, mahdolliset prosessin pullonkaulat, käytettävissä olevan puuraaka-aineen laatu ja hakekoko sekä halutut massan laatuominaisuudet. Näin ollen mitään yleispätevää optimiannosta ei ole olemassa. Sulfiditeetti Natriumsulfidin (Na2S) läsnäolo nopeuttaa delignifioitumista, jolloin alkalin tarve on pienempi ja/tai keittoaika lyhenee. Tämän seurauksena hiilihydraatteja liukenee vähemmän. Männyllä sulfiditeettitason nousu aina 40%:n parantaa saantoa, koivulla 15%:n jälkeen ei saantoetua enää ole havaittavissa. Kielteisinä seikkoina sulfiditeettitason nousussa voidaan pitää hajukaasujen määrän ja korroosioriskin kasvua. Nykyaikaisen sellutehtaan sulfiditeettitaso on 35-45 %. Korroosio voidaan hallita materiaalivalinnoilla ja käyttämällä esim. sähköistä suojausta. Hajukaasujen talteenotto ja poltto vähentävät hajurikkiyhdisteiden kasvun aiheuttamaa haittaa. Tehtaan sulfiditeettitaso määräytyy käytännössä rikki- ja natriumhäviöistä ja niiden korvaamiseksi käytettyjen kemikaalien Na/S -suhteesta. Yleensä sulfiditeetin vaihtelut ovat tehtaalla kohtuullisen pieniä ja muutokset hitaita, joten niillä ei voida katsoa olevan suurta merkitystä keiton hallinnassa varsinkaan sulfiditeettitason ollessa 35-45 % Neste-puusuhde Neste-puusuhde (nestesuhde) ilmoittaa kaiken nesteen määrän puumäärän suhteen. Vaihtelut neste-puusuhteessa vaikuttavat suoraan keittonesteen alkaliväkevyyteen alkalipuusuhteen ollessa vakio.
Suuri neste-puusuhde parantaa keittimen virtausolosuhteita ja varmistaa, että kaikki hakepalat joutuvat alkalin kanssa kosketuksiin. Lisäksi se saattaa olla eduksi alkaliväkevyyden pienetessä, jolloin hiilihydraattien purkautuminen on vähäisempää. Eräkeitossa minimineste-puusuhde on noin 3,5 ja maksimin määrää keittimen tilavuus verrattuna keittoon annosteltuun kuivaan puumäärään ja on noin 5-6. Perinteisessä eli konventionaalisessa eräkeitossa neste-puusuhde voi vaihdella välillä 3,7-4,5. Alarajan määrää keittimen lipeäkiertojen toimivuus. Neste-puusuhteen kasvattaminen lisää keiton höyrynkulutusta, joten yleensä pyritään niin pieneen neste- puusuhteeseen kuin se on keiton tasaisuuden kannalta mahdollista.
Kehittyneissä eräkeittoprosesseissa (esimerkiksi RDH, SuperBatch) keitin on keiton aikana täynnä nestettä, jolloin saavutetaan suurin mahdollinen neste-puusuhde. Tehdasprosessissa neste-puusuhteen säätöön käytetään mustalipeää tai pesemön suodosta, jolloin vältetään lisäveden aiheuttama haihdutustarpeen kasvu. Jatkuvatoimisessa keitossa keittoon ei aina lisätä valkolipeän lisäksi muuta nestettä, usein kuitenkin käytetään mustalipeää tai pesemön suodosta. Laskennallinen neste-puusuhde on samaa suuruusluokkaa kuin eräkeitossakin, riippuen valkolipeän väkevyydestä, alkaliannoksesta ja puun kuiva-ainepitoisuudesta. Keittovyöhykkeessä lipeä viipyy haketta kauemmin, joten tehollinen neste-puusuhde on jonkin verran laskettua suurempi. Useimmiten neste-puusuhde vakioidaan prosessin tasaisen toimivuuden kannalta halutulle tasolle. Lähde: Knowpulp