Moore-osaston happojakeiden hallinnan parantaminen

Moore-osaston happojakeiden hallinnan parantaminen Markku Weman Opinnäytetyö Kesäkuu 2012 Paperi-, tekstiili- ja kemiantekniikka Kemiantekniikan suuntautumisvaihtoehto

TIIVISTELMÄ Tampereen ammattikorkeakoulu Paperi-, tekstiili- ja kemiantekniikka Kemiantekniikka MARKKU WEMAN: Moore-osaston happojakeiden hallinnan parantaminen Opinnäytetyö 70 sivua, josta liitteitä 19 sivua Kesäkuu 2012 Opinnäytetyö tehtiin Sachtleben Pigments Oy:n Porin tehtaan Moore-osastolla, jossa titaanidioksidipitoisesta lietteestä poistetaan rikkihappoa sekä muita epäpuhtauksia. Työn tarkoituksena oli perehtyä osaston happojakeiden talteenottoon ja luoda suunnitelma uudesta valvontajärjestelmästä, jonka avulla osaston jätehappojen talteenottojärjestelmän toimintahäiriöt voidaan havaita mahdollisimman nopeasti ja luotettavasti sekä etsiä parannuskohteita nykyisestä talteenottojärjestelmästä liittyen sekä toimintahäiriöiden vähentämiseen että syntyvien happojakeiden määrän tarkoitukselliseen ohjaukseen. Työn teoriaosassa käsitellään nykyistä talteenottojärjestelmää, happojakeiden talteenottoon liittyviä prosessivaiheita, talteenotettujen happojakeiden käyttökohteita sekä happotaseen periaatteita. Työssä tutkittiin aluksi mahdollisuutta automaattimittausten järjestämisestä sopivalle tuotantolinjalle, mutta vaihtoehdon kariutuessa ajan sekä resurssien puutteeseen turvauduttiin laboratoriomittauksiin happojakeista. Näytesarjoista selvisi mahdollisuus happojakeiden hallintaan happotaseen kautta. Opinnäytetyö sisältää luottamuksellista tietoa. Asiasanat: happo, rikkihappo, pesu, suodatus, talteenottojärjestelmä

ABSTRACT Tampereen ammattikorkeakoulu Tampere University of Applied Sciences Degree Programme in Paper, Textile and Chemical Engineering Option of Chemical Engineering MARKKU WEMAN: Improving the Management of Acid Fractions in the Moore Section Bachelor's thesis 70 pages, appendices 19 pages June 2012 This bachelor s thesis was done in the Moore section of Sachtleben Pigments Oy Pori plant. The Moore section separates impurities such as sulfuric acid from titanium dioxide sludge. The purpose of this bachelor s thesis was to study the section s current acid fraction reclaiming system and form a draft for a new monitoring system that identifies the malfunctions of the reclaiming system as fast and as reliably as possible and find improvements to the current reclaiming system regarding lowering the amount of malfunctions and controlling the reclaimed acid fractions. The theoretic part of this work encompasses the current reclaiming system, the processes involved in the reclaiming system, the applications of the reclaimed acid fractions and the basic principles of acid balance. Originally the possibility of setting up additional automatic measurements for a specific production line was examined but had to be given up due time and resource constraints. Laboratory analyses from manual samples taken from the acid fractions were used instead to discover a solution for a monitoring system. On the basis of the analyses a method for monitoring the acid reclaiming system with acid balance was discovered. This bachelor s thesis contains confidential information. Key words: acid, sulfuric acid, wash, filtration, reclaiming system

4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO... 6 2 YRITYKSEN TIEDOT... 7 2.1 Sachtleben GmbH... 7 2.2 Sachtleben Pigments Oy... 7 2.3 Titaanidioksidituotannon alkupään prosessikuvaus... 8 3 ESIPESU... 10 3.1 Esipesun tarkoitus ja Moore-osasto... 10 3.2 Esipesun suodatuksen prosessikuvaus... 10 3.3 Esipesun pesun prosessikuvaus... 11 4 HAPPOJAKEIDEN TALTEENOTTO ESIPESUSSA... 13 5 HAPPOJAKEIDEN KÄYTTÖ... 14 5.1 RH20-jakeen käyttö... 14 5.2 RH10-jakeen käyttö... 14 5.3 RH2-jakeen käyttö... 14 6 YLEISIÄ PARANNUSEHDOTUKSIA... 16 6.1 Happojakeiden käyttökohteiden lisääminen... 16 6.2 Esipesun pesun tiheysrajojen muutosten automatisointi... 16 7 HAPPOTASEEN TEORIAA... 18 7.1 Happotaseen tarkoitus ja määritelmä... 18 7.2 Happotaseyhtälö... 19 8 HAPPOTASEYHTÄLÖN MUUTTUJIEN SELVITTÄMINEN... 20 8.1 Kokonaishappoarvojen mittaaminen... 20 8.2 Lisämittausten järjestely... 20 8.2.1 Suodatusprosessin mittaaminen lukkosäiliökohtaisesti... 21 8.2.2 Pesuprosessin mittaaminen lukkosäiliökohtaisesti... 21 8.2.3 Suodatusprosessin mittaaminen tuotantolinjakohtaisesti... 22 8.2.4 Pesuprosessin mittaaminen tuotantolinjakohtaisesti... 24 8.2.5 Esipesuprosessin tilavuuden mittaaminen hyödyntämällä pesulaskumittareita... 26 9 KOKEELLINEN OSA... 28 9.1 Mittaukset... 28 9.2 Analyysit... 30 9.3 Tulosten tarkastelu, johtokyky ja tiheys... 30 9.4 Tulosten tarkastelu, happopitoisuus... 34 10 HAPPOTASEEN LASKENTA... 39 10.1 Vähäpätöisten muuttujien eliminointi... 39

10.2 Esipesun pesun happojakeiden tilavuudet... 39 10.3 Kokonaisarvot ja suodatetun RH20-jakeen tilavuus... 42 10.4 Happotaseen yksinkertainen laskeminen... 42 10.5 Pesuprosessin happotase... 44 11 JOHTOPÄÄTÖKSET JA JATKOTOIMENPIDE-EHDOTUKSET... 46 11.1 Happotase ja johtokyky... 46 11.2 Kokonaishappotaseen laskeminen... 46 11.3 Pesuprosessin happotaseen laskeminen... 46 11.4 Jatkotoimenpide-ehdotukset... 47 LÄHTEET... 48 LIITTEET... 49 Liite 1. Mittauspöytäkirja 1... 49 Liite 2. Mittauspöytäkirja 2... 50 Liite 3. Mittauspöytäkirja 3... 51 Liite 4. Laboratorioanalyysit... 52 Liite 5. Ensimmäisen näytesarjan automaattitiheysmittaus... 55 Liite 6. Ensimmäisen näytesarjan automaattivirtausmittaus... 56 Liite 7. Toisen näytesarjan automaattitiheysmittaus... 57 Liite 8. Toisen näytesarjan automaattivirtausmittaus... 58 Liite 9. Kolmannen näytesarjan automaattitiheysmittaus... 59 Liite 10. Kolmannen näytesarjan automaattivirtausmittaus... 60 Liite 11. Saostuspanokset aikavälillä 6.4.2012 00:00 20.4.2012 00:00... 61 Liite 12. Esipesun suodatukset aikavälillä 6.4.2012 00:00 20.4.2012 00:00... 62 Liite 13. Väkevän liuoksen laboratoriomittaukset 6.4.2012 00:00 20.4.2012 00:0... 65 5

6 1 JOHDANTO Sachtleben Pigments Oy:n Moore-osastolla titaanidioksidipitoisesta lietteestä poistetaan epäpuhtauksia. Näistä epäpuhtauksista rikkihappo otetaan talteen ja käytetään uudelleen toisissa prosessivaiheissa. Työn tarkoituksena oli esittää suunnitelma valvontajärjestelmän luomiseksi, jonka avulla Moore-osaston jätehappojen talteenottojärjestelmän toimintahäiriöt voidaan havaita mahdollisimman nopeasti ja luotettavasti sekä toisaalta etsiä parannuskohteita nykyisestä talteenottojärjestelmästä liittyen sekä toimintahäiriöiden vähentämiseen että syntyvien happojakeiden määrän tarkoitukselliseen ohjaukseen.

7 2 YRITYKSEN TIEDOT 2.1 Sachtleben GmbH Sachtleben GmbH on saksalaisen Sacthleben Chemien ja suomalaisen Sachtleben Pigments Oy:n yhteisyritys, joka valmistaa monia kemian alan tuotteita keskittyen kuitenkin titaanidioksidituoteperheeseen. Saksan Duisburgin sekä suomen Porin tehtaissa on yhteensä noin 1700 työntekijää ja yhteisyrityksen vuosittainen liikevaihto on noin 700 miljoonaa euroa. Sachtlebenin pääomistaja on yhdysvaltalainen sijoitusyhtiö Rockwood Holdings, Inc. 61 %:n enemmistöllä. Jäljellejäävät 39 %:a yrityksestä omistaa suomalainen Kemira Oyj. (Sachtleben.com.) 2.2 Sachtleben Pigments Oy Titaanidioksin valmistus aloitettiin Porin tehtaassa vuonna 1961 nimellä Vuorikemia Oy. Valtion omistama Rikkihappo Oy osti tehtaan vuonna 1968 ja Rikkihappo Oy:n vaihtaessa nimensä Kemira Oy:ksi vaihtui tehtaan nimi samalla Kemira Pigments Oy:ksi. Kemira toimi tehtaan omistajana vuoteen 2008 asti, jolloin tehtaasta enemmistön osti Rockwood Holdings Inc. Omistajan vaihtuessa aloitettiin yhteistyö niin ikään Rockwoodin omistaman saksalaisen Sachtleben Chemie-titaanidioksiditehtaan kanssa. Tässä yhteydessä tehtaan nimeksi tuli tämänhetkinen Sachtleben Pigments Oy. (Sachtleben.com.) Vuorikemia aloitti titaanidioksidin valmistuksen yhdellä tuotantolinjalla sekä pääosin manuaalisilla prosessilaitteilla. Nykyään Porin tehtaalla on neljä tuotantolinjaa ja niin moderni automatiikka, että prosessityöntekijän rooli on muuttunut joissain tapauksissa täysin laitteiden ohjauksesta laitteiden valvontaan. Tehtaalla on noin 550 työntekijää ja se valmistaa pääasiassa rutiili- ja anataasipigmenttejä sulfaattiprosessilla sekä titaanidioksidin valmistuksesta syntyviä oheistuotteita, kuten ferrosulfaattia. Tehdasalueella on myös titaanidioksidin valmistusprosessiin suoranaisesti liittymättömiä oheisprosesseja, kuten vedenpuhdistusta, energiateollisuutta sekä

happojen väkevöintiä. Näiden oheisprosessien tuotteita hyödynnetään kuitenkin titaanidioksidin valmistuksessa. (Sachtleben.com.) 8 2.3 Titaanidioksidituotannon alkupään prosessikuvaus Sachtleben valmistaa titaanidioksidia sulfaattiprosessilla, jota esitellään kuviossa 1. Titaanidioksidin valmistus alkaa titaanioksidipitoisen raakailmeniitin jauhamisella reaktiopinta-alan suurentamiseksi sekä kuivaamisella paremman reagoinnin saavuttamiseksi. (Huidanlahti 1989, 62.) KUVIO 1. Sulfaattiprosessin alkupään prosessikaavio. Jauhettu ilmeniitti panostetaan väkevällä rikkihapolla, jolloin rikkihapon ja ilmeniitin voimakkaasta eksotermisesta reaktiosta syntyy kiinteä kakku, joka sisältää pääasiassa rautasulfaatteja sekä titaania. Kakku liuotetaan takaisinsyöttönä esipesusta saataviin jätehappoihin sekä veteen, jolloin saadaan titanyylisulfaattiliuos, jonka seassa on ferriioneja. (Huidanlahti 1989, 65-72.) Liuos pelkistetään romuraudalla, jolloin ferri-ioneista saadaan ferro-ioneja. Pelkistetystä liuoksesta poistetaan liukenemattomat epäpuhtaudet joko selkeyttämällä tai suodattamalla, jonka jälkeen puhdistettu liuos jäähdytetään liuenneen raudan kiteyttämiseksi. Kiteytyneet ferrosulfaattikiteet erotetaan liuoksesta sakeuttamalla sekä linkoamalla,

mistä saadaan tuoteliuoksen lisäksi sulfaattiprosessin pääsivutuote ferrosulfaatti. (Huidanlahti 1989, 72-85.) 9 Prosessiliuos puhdistetaan jälleen epäpuhtauksista suodattamalla, jonka jälkeen liuos väkevöidään haihduttamalla siitä vettä kunnes saavutetaan tuotekohtainen tiheyden ohjearvo. Ohjearvon saavuttaminen tehostaa seuraavaa prosessivaihetta saostusta, jossa väkevöidyn liuoksen sisältämä titaani erotellaan muusta liuoksesta titaanioksidihydraattina hydrolyysillä. (Penttilä 2000, 4-12; Huidanlahti 1989, 85-105.) Saostusta seuraa esipesun suodatus ja esipesun pesu, mitkä käsitellään tarkemmin seuraavassa kappaleessa.

10 3 ESIPESU 3.1 Esipesun tarkoitus ja Moore-osasto Moore-osastolla tapahtuvan esipesun tarkoituksena on poistaa saostetusta lietteestä sen sisältämiä epäpuhtauksia. Lietteestä poistuu erityisesti suuri osa sen sisältämästä rikkihaposta sekä valtaosa kahdenarvoisesta rautasulfaatista. (Huidanlahti 1989, 105.) Esipesun kokonaisprosessiin kuuluu kaksi prosessivaihetta, suodatus ja pesu. Prosessivaiheisiin tullaan useasti viittaamaan nimillä esipesun suodatus ja esipesun pesu sekaannuksen välttämiseksi, koska myös Moore-osastolla tapahtuvassa myöhemmässä prosessivaiheessa jälkipesussa on omat suodatus- ja pesuprosessinsa. Moore-osastolla 1-tuotantolinjalla on kaksi erillistä tuotantolinjaa, joten yhteensä esipesuprosessia suoritetaan rinnakkain viidellä tuotantolinjalla. 3.2 Esipesun suodatuksen prosessikuvaus Kuviossa 2 esitellään esipesun suodatuksen prosessikulkua sekä säiliöiden numerointia. Saostusvaiheen jälkeen prosessiliuos pumpataan esipesun suodatuksen syöttösäiliöön 305.XX, jossa XX tarkoittaa säiliöitä olevan käytössä useita. Liuos pumpataan suodatusaltaaseen 311.XX. Altaaseen siirretään noin 30 kangaspäällysteistä suodinlehteä sisältävä Moore-suodinkehikko 312.XX. Kehikko yhdistetään imuilmalinjaan, jolloin suodinlehden ja kankaan väliin muodostuu alipaine, joka pakottaa altaan prosessiliuoksen kangasta kohti, jolloin titaanidioksidimassa suodattuu kankaiden pinnalle ja jätehappo päätyy suodoksiin nestelukkosäiliöön 316.XX. Suodosten käsittelyyn lukkosäiliössä ja kuviossa 2 näkyviin säiliöihin 591.21, 591.31 ja 591.41 perehdytään tarkemmin kappaleessa 4. (Penttilä 2000, 3-5.)

11 KUVIO 2. Esipesun suodatuksen periaatepiirros. Suodatusta jatketaan, kunnes titaanidioksidikakuilla on määrätty kerrosvahvuus, jonka jälkeen kehikko siirretään esipesun pesualtaaseen. (Penttilä 2000, 3-5.) Suodinkehikon koko ja täten suodatettava liuosmäärä riippuu Moore-kehikon lehtien määrästä ja lehtien koosta, mikä taas riippuu suodatusaltaan tuotantolinjakohtaisesta tilavuudesta. Suodatusaltaita tehtaalla on yhteensä 14. 3.3 Esipesun pesun prosessikuvaus Esipesun pesuvaihetta ja pesuvaiheessa käytettäviä säiliöitä esitellään kuviossa 3. 319.XX-pesualtaaseen ohjataan jälkipesusta saatavaa pesusuodosta pesuvedeksi. 312.XX-suodinkehikko kytketään jälleen imuilmalinjaan, jolloin alipaine pakottaa pesuveden titaanidioksidikakkuja kohti. Pesuvesi alkaa syrjäyttää kakuissa olevaa jäteliuosta, joka imetään suodoksina pois jokaisen pesualtaan omaan lukkosäiliöön 316.XX. Suodosten käsittelyyn ja loppuihin kuvion 3 säiliöihin paneudutaan tarkemmin kappaleessa 4. (Penttilä 2000, 3-5.) Poistuvan nestetilavuuden tilalle pesualtaaseen lisätään pesun aikana pesuvettä, jolloin altaan pinta pysyy vakiona. Pesua jatketaan, kunnes suodoksen mitattu tiheys on riittävän alhainen, mistä voidaan päätellä pesunesteen syrjäyttäneen hyvin suuren osan jätehaposta titaanidioksidikakuissa. Pesun jälkeen suodinkehikko siirretään pudotusaltaa-

seen, jossa titaanidioksidikakku erotetaan suodinkankaasta vesisuihkulla. (Penttilä 2000, 3-5.) 12 KUVIO 3. Esipesun pesun periaatepiirros Esipesun suodatuksen tapaan suodatettava tilavuus pesuvaiheessa riippuu tuotantolinjakohtaisesta pesuallaskoosta. Pesualtaita tehtaalla on 19.

13 4 HAPPOJAKEIDEN TALTEENOTTO ESIPESUSSA VAIN TOIMEKSIANTAJAN KAPPALEESSA

14 5 HAPPOJAKEIDEN KÄYTTÖ 5.1 RH20-jakeen käyttö Kaikki esipesusta saatava RH20-jätehappo prosessoidaan väkevämmäksi, noin 70 %:seksi rikkihapoksi, jota käytetään jauhetun ilmeniitin panostamiseen väkevämmän rikkihapon ohella. Väkevöintiprosessi on monivaiheinen, sillä pelkän veden haihduttamisen lisäksi jätehaposta on poistettava sen sisältämiä epäpuhtauksia. RH20-jakeelle tehtävä ensimmäinen toimenpide on esihaihdutus, jonka pääasiallinen tarkoitus on tehostaa raudan kiteytymistä seuraavassa prosessivaiheessa. Esihaihdutuksen jälkeen prosessiliuos syötetään kiteyttimiin, joissa prosessiliuoksen lämpötilaa alennetaan. Lämpötilan alennus kiteyttää liuoksen joukossa olevan raudan, jolloin kiderauta voidaan sakeuttaa sekä lingota erilleen prosessiliuoksesta. (Luukkonen 2011, 1-2.) Raudasta puhdistettu rikkihappojae haihdutetaan kaksivaiheisesti noin 55 %:seksi rikkihapoksi, minkä jälkeen liuoksesta suodatetaan kalvosuotimella metallisuolat pois. Suodatettu rikkihappo haihdutetaan ja suodatetaan vielä kerran, jolloin tuloksena on haluttu noin 70 %:nen rikkihappoliuos. (Luukkonen 2011, 2.) 5.2 RH10-jakeen käyttö Sekä anataasi- että rutiilititaanidioksidin valmistuksessa kerättyjen RH10-jätehappojen pääasiallinen käyttö on jauhetun ilmeniitin rikkihappopanostuksessa muodostuneen reaktiokakun liuottaminen. Rutiilituotannosta kerättyä RH10-jaetta voi käyttää ainoastaan rutiilituotannossa, mutta anataasituotannon RH10-jaetta on mahdollista hyödyntää molemmissa. (Huidanlahti 1989, 71-72.) 5.3 RH2-jakeen käyttö RH10-jakeen tavoin RH2-jakeen pääasiallinen käyttö on reaktiokakun liuottaminen. Liuotusprosessissa käytettävät happomäärät riippuvat happojakeiden saatavuudesta ja

15 laboratoriomitatuista väkevyyksistä. Jokaiseen liuotukseen on saatava tietty määrä rikkihappoa lisäämättä kuitenkaan liikaa nesteitä, ettei liuotuksen lämpötila pääse liian alhaiseksi. Tästä syystä käytetyt happomäärät vaihtelevat päivittäin. Merkittävin tekijä RH10- ja RH2-jakeiden kulutukseen on liuotusprosessin ajovauhti, joka riippuu aina sekä myöhempien prosessivaiheiden tarpeesta liuotetulle prosessiliuokselle että potentiaalista liuottaa uusia reaktiokakkuja. Liuotuspotentiaalia voi rajoittaa hyvinkin moni tekijä, mutta merkittävämpiä rajoittimia ovat raaka-ainepulat, laitehuollot ja rikot. Liuotuksen lisäksi RH2-jaetta käytetään pieniä määriä kirkastussuotimien pesuun. Mahdollisesti ylijäävä RH2-jae, jonka varastointiin ei ole kapasiteettia päästetään ylivuotamaan viemäriin, josta jae pumpataan muiden poistovesien neutralointilaitokseen.

16 6 YLEISIÄ PARANNUSEHDOTUKSIA 6.1 Happojakeiden käyttökohteiden lisääminen Tehtaan ajovauhdin ailahtelusta saattaa aiheutua tilanne, jossa happojakeita olisi hetkellisesti tulossa enemmän kuin on mahdollista käyttää. Happoja voidaan varastoida vain rajoitettu määrä, joten hetkellisessä Moore-osaston ajovauhdin nousussa happoja saatetaan talteenottaa säiliöiden kapasiteettia enemmän. Talteenottorajoja muuttamalla tämä ylimäärä voidaan pakottaa laimeimmaksi RH2-jakeeksi, jolloin saadaan minimoitua ylivuodon aiheuttama kuormitus neutralointiin, mutta lisäämällä happojen käyttökohteita pystyttäisiin vähentämään tai jopa kokonaan eliminoimaan liiallinen talteenotto. Alkupään prosesseissa käytetään runsaasti vettä erinäisiin tarkoituksiin. Korvaamalla näitä vesimääriä RH2-jakeella säästetään aina vastaava määrä vettä ja suuremman kulutuksen johdosta happojakeita voidaan talteenottaa enemmän. Suuria alkupään vedenkuluttajia, joihin RH2-jakeen käyttöä voisi harkita, ovat pelkistyslaitoksen pelkistyskorien pesu, linkojen pesu, saostusprosessin katkaisuvesi sekä panostetun reaktiokakun liuotus. 6.2 Esipesun pesun tiheysrajojen muutosten automatisointi Kappaleessa 4.3 esiteltyä tiheysmittaukseen perustuvaa happojakeiden talteenottoa hallitaan tiheysrajoilla, joita operoidaan käsin. Tiheysrajoja muutetaan vain tarpeen vaatiessa ja ainoastaan tehtaan vuorossa oleva käyttöpäällikkö saa vaihtaa rajoja. Käyttöpäällikkö joutuu tekemään muutospäätöksen RH2-, RH10- ja RH20-varastosäiliöiden senhetkisen pinnan, Damatic XD-prosessinohjausjärjestelmän piirtämän pidempiaikaisen trendin sekä oletetun happojakeiden kulutuksen perusteella. Tutkittaessa miten paljon tietty tiheysrajan muutos vaikuttaa saatujen happojakeiden väkevyyteen ja määrään olisi tiheysmuutosta mahdollista automatisoida, mikä nopeuttaisi reagointia yhden jakeen liialliseen talteenottoon. Automatiikka voisi esimerkiksi havaita RH10-varastosäiliössä olevan runsaasti tilaa sekä trendikuvaajan näyttävän alaspäin, jolloin muutokset sekä ylärajan nostamisesta että alarajan laskemisesta toteutuisivat, mikä tasaisi RH10-jakeen tuoton sen kulutukseen.

17 Automatisointia järjestäessä tulisi kuitenkin huomioida, ettei automaation anneta päästää RH20-jaetta liian laimeaksi pelkästään säiliöiden pintatietojen perusteella, koska liian laimeaa jaetta on kallista väkevöidä. Lisäksi, mikäli happoja talteenotetaan liikaa, tulisi automaation pyrkiä ainoastaan RH2-jakeen varastosäiliön ylivuotoon, sillä laimein jae on halvin neutraloida. Suurimmat automatisoinnin tuomat hyödyt olisivat nopeampi reagointi tarpeellisiin talteenottorajojen muutoksiin sekä käyttöpäällikön työkuormituksen keventäminen. Automaattijärjestelmää olisi kuitenkin hankala ohjelmoida kokenutta käyttöpäällikköä tarkemmaksi oikeansuuruisissa rajamuutoksissa.

18 7 HAPPOTASEEN TEORIAA 7.1 Happotaseen tarkoitus ja määritelmä Ensisijaiseksi menetelmäksi happojakeiden hallinnan parantamiseksi kehitettiin tuotantolinjakohtainen happotase. Happotaseella ymmärretään tässä tapauksessa yhtälö, jonka toisella puolella on Moore-osastolle tuleva happotilavuus ja tämän hapon väkevyys ja toisella puolella talteenotettujen happojakeiden tilavuudet ja väkevyydet. Happotaseen laskukaavaksi saadaan täten äärimmäisen yksinkertaistettuna A B + C D + E F = G H, (1) jossa A on RH20-jakeen happoväkevyys, B RH20-jakeen tilavuus, C RH10-jakeen happoväkevyys, D RH10-jakeen tilavuus, E RH2-jakeen happoväkevyys, F RH2-jakeen tilavuus, G kokonaishappotilavuus ja H kokonaishappoväkevyys. Muodostettaessa kaavan (1) mukainen happotase jokaiselle tuotantolinjalle voidaan happotaseita verrata toisiinsa, jolloin virheellisesti toimivat talteenottovaiheet saadaan aiempaa tarkemmin eroteltua ja huollettua sekä havaittua toimintahäiriöt, jotka nykyisellä järjestelmällä jäävät kokonaan huomaamatta kokonaislopputuotteen ollessa hyväksyttävillä rajoilla. Esimerkiksi yksi tuotantolinja saattaa tuottaa virheellisen lukkosäiliön tiheysmittauksen johdosta tarkoitettua väkevämpää RH2-jaetta toisen tuotantolinjan tuottaessa tarkoitettua laimeampaa RH2-jaetta. Jakeiden sekoittuessa toisiinsa yhteisessä varastosäiliössä on tiheysmittareiden virheellinen toiminta mahdoton havaita.

19 7.2 Happotaseyhtälö Monivaiheisen talteenottojärjestelmän takia tarvittava kaava happotaseen laskemiselle on huomattavasti esitettyä mallia (1) monimutkaisempi. Tässä tapauksessa tarvittava happotaseyhtälö on (H RH20 S V RH20 S + H RH20 P V RH20 P ) + H RH10 V RH10 + (H RH2 V RH2 + H RH2 siirto V RH2 siirto ) = H KOKO V KOKO, (2) jossa H RH20 S on suodatuksesta saatavan RH20-jakeen happoväkevyys, V RH20 S suodatuksesta saatavan RH20-jakeen tilavuus, H RH20 P pesusta saatavan RH20-jakeen happoväkevyys, V RH20 P pesusta saatavan RH20-jakeen tilavuus, H RH10 pesusta saatavan RH10-jakeen happoväkevyys, V RH10 pesusta saatavan RH10-jakeen tilavuus, H RH2 pesusta saatavan RH2-jakeen happoväkevyys, V RH2 pesusta saatavan RH2-jakeen tilavuus, H RH2 siirto suodatuksen ja pesun välissä tapahtuvan siirtoimun happoväkevyys, V RH2 siirto siirtoimuhapon tilavuus, H KOKO kokonaishappoväkevyys ja V KOKO kokonaishappotilavuus. Yhtälö (2) on kuitenkin sellaisenaan käyttökelvoton, sillä pistetarkastelun sijaan tarvitaan pidemmän ajan happotase luotettavan hallintajärjestelmän muodostamiseksi. Tarkastelujaksoksi valittiin alustavasti kaksi viikkoa, jolloin tarvittavaksi happotasekaavaksi saadaan n n n i=1 (H RH20 Sn V RH20 Sn ) + i=1 H RH20 Pn V RH20 Pn ) + i=1 (H RH10n V RH10n ) + n n n i=1 H RH2n V RH2n ) + i=1 (H RH2 siirto n V RH2 siirto n ) = i=1 (H KOKO n V KOKO n ),(3) jossa n on prosessitapahtuman tunnistenumero näytejakson aikana. Prosessitapahtumien lukumäärä ei välttämättä kahden viikon jaksolla ole sama jokaiselle muuttujalle.

20 8 HAPPOTASEYHTÄLÖN MUUTTUJIEN SELVITTÄMINEN Muodostettaessa yhtälön (3) mukainen happotase kahden viikon ajalta on yhtälössä esiintyvistä tekijöistä saatava arvoja mittaamalla niitä. Tämänhetkisillä mittauksilla vain osasta tarvittavista muuttujista saadaan tietoa. 8.1 Kokonaishappoarvojen mittaaminen Saostettavasta prosessiliuoksesta mitataan happopitoisuus ennen saostusta. Happoa ei häviä tai tule lisää saostusvaiheessa, joten yhdistämällä tiedot tuotantolinjakohtaisesta saostuspanoskoosta sekä mitatusta happopitoisuudesta saadaan muuttujat H KOKO ja V KOKO selville. On kuitenkin syytä ottaa huomioon, että saostettua prosessiliuosta on mahdollista siirtää sivuttain tuotantolinjalta toiselle kahdessa vaiheessa. Saostuspanokset on mahdollista pudottaa toisen tuotantolinjan saostetun liuoksen säiliöön ja saostetun liuoksen säiliöstä on mahdollista pumpata toisiin tuotantolinjoihin suoraan. Saostuspanoksen pudottaminen toiseen saostetun liuoksen säiliöön näkyy Damatic XDjärjestelmässä, mutta siirtoa saostetun liuoksen säiliöstä toiseen on vaikea seurata, jolloin tuotantolinjakohtaisen saostetun tilavuuden mittaaminen hankaloituu. Pidemmällä seurantajaksolla sivuttaissiirron merkitys on kuitenkin vähäinen. 8.2 Lisämittausten järjestely Kokonaishappoarvoja lukuun ottamatta jokaiseen muuhun yhtälön (3) tekijään tarvittiin lisäselvitystä. Tästä syystä tutkittiin mahdollisuutta ylimääräisten automaattimittausten asentamiseen tuotantolinjoille. Tutkittaessa mittareiden mahdollista sijoitusta lähdettiin oletuksesta, että virtausmittauksen lisäksi tulisi asentaa johtokykymittaus väkevyyden selvittämiseen. Johtokykymittauksen uskottiin olevan nykyistä tiheysmittausta tarkempi menetelmä, koska jälkipesuprosessiin tehdyn tutkimuksen mukaan johtokyky oli jälkipesuprosessissa huomattavasti tiheyttä tarkempi hapon väkevyyden määrittämisessä. (Tikka 2011, 16-17.)

21 8.2.1 Suodatusprosessin mittaaminen lukkosäiliökohtaisesti Tarkin mahdollinen tapa määrittää happotase on asentaa mittaus jokaiseen lukkosäiliöön. Näin voidaan verrata paitsi tuotantolinjakohtaisia yhteistaseita myös lukkosäiliökohtaisia happotaseita toisiinsa, jolloin virheellisesti toimivien laitteiden ja mittausten havaitseminen ja paikantaminen on äärimmäisen tarkkaa. Menetelmän haittapuolena on tähän tarvittavien virtaus- ja johtokykymittareiden suuri määrä. Lukkosäiliökohtaisessa suodatusprosessin mittauksessa virtaus- ja johtokykymittarit asennetaan jokaiseen lukkosäiliöön kuvion 6 mukaisesti. Mittauspaikoista vain toiseen tarvitsee asentaa mittarit. KUVIO 4. Suodatusprosessin mittaaminen lukkosäiliökohtaisesti. 8.2.2 Pesuprosessin mittaaminen lukkosäiliökohtaisesti Lukkosäiliökohtaisessa pesuprosessin mittauksessa mittarit asennetaan suodatusprosessin tavoin jokaiseen lukkosäiliöön. Mittareiden tulisi olla kuvion 7 mukaisesti ennen lukkosäiliöitä, koska RH2-jae poistuu säiliöstä ylivuotona eikä sitä voida mitata yhteisellä mittauksella muussa vaiheessa.

22 KUVIO 5. Pesuprosessin mittaaminen lukkosäiliökohtaisesti. 8.2.3 Suodatusprosessin mittaaminen tuotantolinjakohtaisesti Tuotantolinjakohtainen mittaaminen on lukkosäiliökohtaista epätarkempaa, mutta tarvittavien mittareiden pienemmästä määrästä johtuen myös halvempaa. Suodatusvaiheen osalta tuotantolinjakohtainen happotase vaikuttaisi olevan paras vaihtoehto. Lukkosäiliöistä lähtevät linjat yhdistyvät kuvioiden 8 ja 9 mukaisesti kolmitieventtiilien jälkeen, jolloin jokaiseen tuotantolinjaan olisi tarvetta asentaa vain yksi virtausmittari sekä yksi johtokykymittari. Tehtaan viidestä tuotantolinjasta 4-, 3- ja 2- tuotantolinjat käyttävät kuvion 8 mukaista jakaantuvaa jakeiden talteenottoa ja tuotantolinjat 1R ja 1A kuvion 9 mukaista jakaantumatonta talteenottoa.

23 KUVIO 6. Esipesun suodatuksen tuotantolinjakohtainen mittaaminen jakaantuvassa suodatuksessa. KUVIO 7. Esipesun suodatuksen tuotantolinjakohtainen mittaaminen jakaantumattomassa suodatuksessa. Ongelmaksi tuotantolinjakohtaisen suodatuksen mittaamisessa muodostuvat tuotantolinjat, joilla suodos jakaantuu. Kuviossa 8 esitetty optimaalinen mittauspaikka on ainoa vaihtoehto mittareiden sijainnille, mikäli mittareiden lukumäärää ei haluta lisätä, mutta jokaisen tuotantolinjan putken pituus ennen jakaantumista on niin lyhyt, että sekä virtaus- että johtokykymittarin asentaminen optimaaliseen sijaintiin on käytännössä mahdotonta tekemättä muutoksia nykyiseen putkistoon. Putkistomuutosten välttämiseksi voi-

daan mittarit sijoittaa kuvion 10 mukaisesti jakaantumisen jälkeisiin linjoihin, mutta tällöin mittareiden tarvittava määrä kaksinkertaistuu. 24 KUVIO 8. Esipesun suodatuksen tuotantolinjakohtainen mittaaminen jakaantuvassa suodatuksessa tekemättä putkistomuutoksia. 8.2.4 Pesuprosessin mittaaminen tuotantolinjakohtaisesti Pesuprosessin tuotantolinjakohtaisessa mittaamisessa virtaus- ja johtokykymittarit on asennettava kolmitieventtiileiden jälkeen jakeiden omiin linjoihinsa kuvion 11 mukaisesti. Tuotantolinjoilla 4 ja 3 RH20-jae jakaantuu suodatusprosessin tavoin kuvion 12 mukaisesti kahtia, jolloin mittauksen tulisi olla ennen jakaantumista. Edelleen suodatusprosessin tavoin tämä tila on kuitenkin fyysisesti hyvin pieni, joten mittauksen järjestäminen rajalliseen tilaan on äärimmäisen vaikeaa.

25 KUVIO 9. Esipesun pesun RH10- ja RH20-jakeiden mittaaminen tuotantolinjakohtaisesti. KUVIO 10. Esipesun pesun RH10- ja RH20-jakeiden mittaaminen tuotantolinjakohtaisesti kahtia jakautuvassa RH20-talteenotossa. Pesusta saatava RH2-jae tarvitsee lisäksi oman mittauksensa. Mittaus tulisi järjestää kuvion 13 mukaisesti 316.0X-säiliön jälkeen.

26 KUVIO 11. Esipesun pesun RH2-jakeen mittaaminen tuotantolinjakohtaisesti. Yhdistämällä edellä kerrottu huomataan, että tarvittava määrä on kolme kumpaakin. Pesualtaita on käytössä yhteensä 19 eli keskimäärin neljä jokaista viittä tuotantolinjaa kohti, joten valtavaa etua lukkosäiliökohtaiseen mittaukseen nähden ei saavuteta. 8.2.5 Esipesuprosessin tilavuuden mittaaminen hyödyntämällä pesulaskumittareita Jälkipesun pesuprosesseissa seurataan käytettyä pesuvesimäärää allaskohtaisesti juoksevalla mittauksella. Yksi vaihtoehto virtausmittarin asentamiselle esipesun pesuvaiheeseen on kopioida pesumäärämittaus jälkipesusta. Prosessi pyrkii pitämään altaan pinnan vakiona, joten pesuveden kulutusta seuraamalla on mahdollista selvittää esipesusta saatavien happojakeiden tilavuudet V RH20 P, V RH10 ja V RH2. Mittaus käynnistyy pesun alkaessa, joten ensimmäinen tilavuusosa on tulppavirtauksesta saatava RH2-jae. Seuraavaksi pumppauksen käynnistyessä aika- tai pintasäädön aktivoituessa saadaan RH10-jaetta. Lukkosäiliön tiheyden noustessa vaihtuu pumppaus RH20-jakeeksi kunnes tiheys laskee ylemmälle tiheysrajalle. Tällöin alkaa RH10- jakeen talteenotto jälleen ja jatkuu kunnes alempi tiheysraja saavutetaan. Alemman tiheysrajan kohdalla pumppaus lopetetaan ja pesun lopputilavuus talteenotetaan ylivuotona saatavana RH2-jakeena. Näitä tietoja käyttämällä saadaan RH20-tilavuudeksi V RH20 P = V 3n V 2n, (4)

jossa V 3 on pesumittarin lukema RH10-talteenoton alkaessa toisen kerran ja V 2 pesumittarin lukema RH20-talteenoton alkaessa. 27 RH10-tilavuudeksi saadaan V RH10 = (V 2n V 1n ) + (V 4n V 3n ), (5) jossa V 1 on pesumittarin lukema pumppauksen alkaessa ja V 4 pesumittarin lukema RH2- talteenoton alkaessa toisen kerran. RH2-tilavuudeksi saadaan V RH2 = V 1n + (V 5n V 4n ), (6) jossa V 5 on pesumittarin lukema pesun loputtua. Kuviossa 14 havainnollistetaan tarkemmin esipesun pesun talteenottovaiheita. Tiheys V1 V2 V3 V4 V5 Aika KUVIO 12. Periaatepiirros esipesun pesun täydellisestä tiheysmittauskierrosta.

28 9 KOKEELLINEN OSA 9.1 Mittaukset Putkistomuutokset ja mittariasennukset eivät olleet työhön käytettävissä olleen ajan puitteissa mahdollisia, joten happotaseyhtälön käytännön käyttökelpoisuutta ja toteutettavuutta päätettiin tutkia pienessä mittakaavassa käsimittauksin. Koetuotantolinjaksi valittiin 1-tuotantolinjan rutiilipigmenttipuoli, koska se oli ainoa tuotantolinja, jossa pesuprosessin pesuvesivirtausmittaukset oli järjestetty allaskohtaisesti yhteisvirtausmittauksen sijaan. Pesuprosessi pyrkii pitämään pesualtaiden pinnat vakiona, joten pesuvesivirtaus on tässä tapauksessa sama asia kuin talteenotetun hapon virtaus. Tämä mahdollistaa myöhemmin pyrkimykset suorittaa yksinkertaistettuja happotaselaskelmia. Mittauksissa seurattiin taulukon 1 suunnitelman mukaisesti yhtä suodatus- ja pesutapahtumaa ottamalla näytteitä lukkosäiliöistä. Näytesarjoja otettiin kolme ja jokaisesta näytesarjasta pidettiin mittauspöytäkirjaa. Ensimmäisen näytesarjan mittauspöytäkirja on liitteenä 1, toisen näytesarjan mittauspöytäkirja liitteenä 2 ja kolmannen näytesarjan mittauspöytäkirja liitteenä 3. TAULUKKO 1. Mittaussuunnitelma. Näytteen numero Näytteenottohetki 1 Suodatusvaiheen alku 2 Suodatusvaiheen loppu 3 Pesuvaiheen RH20-jakeen alku 4 Pesuvaiheen RH20-jakeen loppu 5 Pesuvaiheen RH10-jakeen alku 6 Pesuvaiheen RH10-jae 10 minuuttia näytteen 5 jälkeen 7 Pesuvaiheen RH10-jae 10 minuuttia näytteen 6 jälkeen 8 Pesuvaiheen RH10-jae 10 minuuttia näytteen 7 jälkeen 9 Pesuvaiheen RH10-jae 10 minuuttia näytteen 8 jälkeen 10 Pesuvaiheen RH2-jakeen alku 11 Pesuvaiheen RH2-jae 12 Pesuvaiheen RH2-jae Näytteidenottohetkien ajankohtia kokonaistalteenottoprosessissa havainnollistetaan kuviossa 15, jossa numerot vastaavat näytteenottosuunnitelman näytenumeroita.

29 1 2 3 4 Ylempi tiheysraja 5 Tiheys 6 7 8 Suodatus Pesu 9 Alempi tiheysraja 10 11 12 Aika KUVIO 13. Mittaussuunnitelma havainnollistettuna suodatus- ja pesukiertoon. Näytesarjat 1 ja 3 noudattivat suunnitelmaa suhteellisen hyvin RH10-osan keston yliarviointia lukuun ottamatta, jonka takia näytteitä tuli vain kymmenen. Näytesarjassa 2 talteenotto ei noudattanut sille tavanomaista tiheyskiertoa, jolloin mittaussuunnitelmaa oli sovellettava ja näytteitä tuli 16. Kuvassa 1 näkyvistä ensimmäisen näytesarjan näytteistä ja kuvassa 2 näkyvistä toisen näytesarjan näytteistä huomaa selvästi pesuosan tiheydenlaskuvaiheesta alkavan happopitoisuuden putoamisen. Viimeiset näytteet ovat jo visuaalisesti tarkasteltuna pesuveden näköisiä. Näytesarja 3 oli ulkonäöltään identtinen ensimmäisen näytesarjan kanssa. KUVA 1. Ensimmäinen näytesarja.

30 KUVA 2. Toinen näytesarja. 9.2 Analyysit Näytteistä analysoitiin laboratoriossa tiheys, johtokyky sekä happopitoisuus. Tiheyttä sekä happopitoisuutta hyödynnetään pyrkimyksissä tehdä happotaselaskelmia, mutta johtokyvyn määrittämisellä oli tarkoitus kilpailuttaa tiheyden käyttökelpoisuus happopitoisuuden määritykseen ja täten esipesuprosessin hapon talteenoton ohjaukseen. Laboratorioanalyysien tulokset on esitetty liitteessä 4. 9.3 Tulosten tarkastelu, johtokyky ja tiheys Tarkastellaan, kuinka happopitoisuus korreloi tiheyden ja johtokyvyn kanssa. Ensimmäisen näytesarjan kuviot 16 ja 17 on piirretty liitteen 4 analyysitiedoista.

31 25,00 % 20,00 % H2SO4 15,00 % 10,00 % 5,00 % 0,00 % 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Tiheys g/dm3 KUVIO 14. Ensimmäisen näytesarjan laboratoriotulokset, happopitoisuus tiheyden funktiona. 25,00 % 20,00 % H2SO4 15,00 % 10,00 % 5,00 % 0,00 % 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Johtokyky ms/cm KUVIO 15. Ensimmäisen näytesarjan laboratoriotulokset, happopitoisuus johtokyvyn funktiona. Ensimmäisessä näytesarjassa huomataan tiheydellä lähestulkoon lineaarinen riippuvuus happopitoisuuteen yhtä poikkeuksellista näytettä lukuun ottamatta. Johtokyvyn riippuvuus happopitoisuuteen vaikuttaa odotettua huonommalta ja samalle johtokyvyn arvolle on löydetty useita happoväkevyyksiä. Toisen näytesarjan kuviot 18 ja 19 on piirretty liitteen 4 analyysitiedoista.

32 25,00 % 20,00 % H2SO4 15,00 % 10,00 % 5,00 % 0,00 % 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Tiheys g/dm3 KUVIO 16. Toisen näytesarjan laboratoriotulokset, happopitoisuus tiheyden funktiona. 25,00 % 20,00 % H2SO4 15,00 % 10,00 % 5,00 % 0,00 % 90 140 190 240 290 340 390 Johtokyky ms/cm KUVIO 17. Toisen näytesarjan laboratoriotulokset, happopitoisuus johtokyvyn funktiona. Toisessa näytesarjassa huomataan ensimmäisen näytesarjan kaltaisia tuloksia. Happopitoisuuden riippuvuus tiheydestä on lähes lineaarinen johtokyvyn tulosten ollessa epäluotettavia erityisesti suuremmilla happopitoisuuksilla. Kolmannen näytesarjan kuviot 20 ja 21 on piirretty liitteen 4 analyysitiedoista.

33 25,00 % 20,00 % H2SO4 15,00 % 10,00 % 5,00 % 0,00 % 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Tiheys g/dm3 KUVIO 18. Kolmannen näytesarjan laboratoriotulokset, happopitoisuus tiheyden funktiona. 25,00 % 20,00 % H2SO4 15,00 % 10,00 % 5,00 % 0,00 % 100 150 200 250 300 350 400 450 Johtokyky ms/cm KUVIO 19. Kolmannen näytesarjan laboratoriotulokset, happopitoisuus johtokyvyn funktiona. Kolmannen näytesarjan tulokset ovat aiempien sarjojen kaltaisia. Tiheyden riippuvuus happopitoisuudesta näyttää lineaariselta ja johtokykymittaus näyttää menettävän luotettavuutensa noin 10 %:n happopitoisuuden kohdalla.

34 9.4 Tulosten tarkastelu, happopitoisuus Laskettaessa happotasetta tarvitaan analysoitu happopitoisuus näytesarjoista. Liitteessä 4 olevaa prosentuaalista pitoisuutta käyttökelpoisempi happopitoisuuden yksikkö on g, l joka saadaan yksinkertaisesti kertomalla prosentuaalinen pitoisuus samasta näytteestä mitatulla tiheydellä. RH20-suodatusosan happopitoisuus lasketaan kahden ensimmäisen näytteen keskiarvosta, RH20-pesuosan happopitoisuus kahden seuraavan näytteen keskiarvosta. RH10- happopitoisuus saadaan RH10-talteenottonäytteiden keskiarvoista. H RH20 S1 = 308,185 g l, H RH20 P1 = 250,039 g l, H RH10 1 = 198,869 g l, H RH20 S2 = 326,061 g l, H RH20 P2 = 200,771 g l, H RH10 2 = 208,681 g l, H RH20 S3 = 320,451 g l, H RH20 P3 = 301,748 g l, H RH10 3 = 183,196 g l. Pesuosan odotettua pienemmät happopitoisuudet näytesarjoissa 1 ja 2 johtuvat todennäköisesti näytteenottoajoista, jotka osuivat hieman ennen tiheyden tasaantumista huippuarvoonsa ja tiheyden alkaessa laskea. RH2-happopitoisuutta ei voida helposti arvioida väkevämpien jakeiden tavoin näytteiden ollessa talteenoton väkevämmästä päästä, mikä kuitenkin muodostaa vain murtoosan koko RH2-jakeesta. Happopitoisuuden arviointiin käytettiin painotettua keskiarvoa, missä viimeisimmälle näytteelle annettiin aikaisempia RH2-näytteitä suurempi painoarvo. Ensimmäisen näytesarjan RH2-jakeen tutkimisen havainnollistamiseksi piir-

35 retään kuvio 22 käytetyn lukkosäiliön automaattitiheysmittauksen tiedoista, jotka on esitetty liitteessä 5 sekä kuvio 23 käytetyn pesualtaan automaattivirtausmittauksen tiedoista, jotka on esitetty liitteessä 6. Tiheysmittauskuvioissa sininen mittaus on lukkosäiliön tiheys, punainen ylempi talteenottoraja ja vihreä alempi talteenottoraja 1,4 1,35 1,3 Tiheys g/cm3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 1 Aika KUVIO 20. Ensimmäisen näytesarjan automaattitiheysmittaus. Virtaus m3/h 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Aika KUVIO 21. Ensimmäisen näytesarjan automaattivirtausmittaus. Ensimmäisen näytesarjan RH2-talteenoton katsotaan liitteen 5 mukaan alkaneen 20:30, jolloin tiheys alitti rajan 1,12 ja loppuneen 21:50, jolloin liitteessä 6 virtausmittaus pu-

36 tosi nollaan. Täten aikavälillä on yhdeksän aikaleimaa. Näytteet otettiin 20:40, 20:50 ja 21:20 ja kuvion 22 mukaisesti näytteen 21:20 happopitoisuus kuvaa parhaiten koko jakeen happopitoisuutta. Annetaan 20:40 otetulle näytteelle painoarvo 2, 20:50 otetulle näytteelle painoarvo 2 ja 21:20 otetulle näytteelle painoarvo 5. Täten keskiarvoksi saadaan H RH2 1 = 2 61,712 + 2 23,496 + 5 13,169 9 g l = 26,2512 g l. Piirretään toista näytesarjaa varten kuvio 24 käytetyn lukkosäiliön automaattitiheysmittauksen tiedoista, jotka on esitetty liitteessä 7 sekä kuvio 25 käytetyn pesualtaan automaattivirtausmittauksen tiedoista, jotka on esitetty liitteessä 8. Tiheys g/cm3 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 1 Aika KUVIO 22. Toisen näytesarjan automaattitiheysmittaus.

37 Virtaus m3/h 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Aika KUVIO 23. Toisen näytesarjan automaattivirtausmittaus. Kuviosta 24 nähdään, että toisen näytesarjan pesuprosessi käyttäytyi poikkeuksellisesti. Kehikkoon muodostuneissa titaanidioksidikakuissa oli todennäköisesti halkeama, josta vesi pääsi välittömästi pesuprosessin alussa läpi tuottaen keskimäärin laimeampaa happojaetta alusta alkaen. Poikkeama ei kuitenkaan vaikuta haluttuihin tuloksiin. Toisessa näytesarjassa RH2-talteenotto alkoi 21:00 ja loppui 23:10, joten aikavälillä on 14 aikaleimaa. Näytteet otettiin 21:00, 21:20 ja 21:40 ja kuvion 24 mukaisesti näytteen 21:40 happopitoisuus kuvaa parhaiten koko jakeen happopitoisuutta. Annetaan 21:40 otetulle näytteelle painoarvo 2, 21:20 otetulle näytteelle painoarvo 2 ja 21:40 otetulle näytteelle painoarvo 10. Keskiarvoksi saadaan H RH2 2 = 2 84,300 + 2 38,952 + 10 16,448 14 g l = 29,3560 g l. Piirretään kolmatta näytesarjaa varten kuvio 26 käytetyn lukkosäiliön automaattitiheysmittauksen tiedoista, jotka on esitetty liitteessä 9 sekä kuvio 27 käytetyn pesualtaan automaattivirtausmittauksen tiedoista, jotka on esitetty liitteessä 10.

38 1,4 1,35 1,3 Tiheys g/cm3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 1 Aika KUVIO 24. Kolmannen näytesarjan automaattitiheysmittaus. Virtaus m3/h 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Aika KUVIO 25. Kolmannen näytesarjan automaattivirtausmittaus. Kolmannessa näytesarjassa RH2-talteenotto alkoi 19:30 ja loppui 20:50, joten aikavälillä on yhdeksän aikaleimaa. Näytteet otettiin 19:35, 19:55 ja 20:15 ja kuvion 26 mukaisesti näytteen 20:15 happopitoisuus kuvaa parhaiten koko jakeen happopitoisuutta. Annetaan 19:35 otetulle näytteelle painoarvo 2, 19:55 otetulle näytteelle painoarvo 2 ja 20:15 otetulle näytteelle painoarvo 5. Keskiarvoksi saadaan H RH2 3 = 2 96,560 + 2 26,800 + 5 15,405 9 g l = 35,9717 g l.

39 10 HAPPOTASEEN LASKENTA 10.1 Vähäpätöisten muuttujien eliminointi Yksinkertaistettuun happotaselaskelmaan on syytä karsia vähäpätöisiä muuttujia happotaseesta pois laskennan helpottamiseksi. Esipesun suodatus- ja pesuprosessi kestää yhteensä noin kahdeksan tuntia. Tästä ajasta kiintoimua huomattavasti heikompaa siirtoimua käytetään keskimäärin viisi minuuttia. Täten siirtoimusta tuleva RH2-talteenotto jätetään yksinkertaistetuissa laskuissa huomioimatta merkityksettömänä. RH10-jakeesta jätetään huomioimatta muutaman minuutin pituinen talteenottojakso ennen RH20-talteenoton alkua. 10.2 Esipesun pesun happojakeiden tilavuudet Hyödyntämällä tehtaan automaatiomittauksia 1-tuotantolinjan rutiililinjassa on mahdollista selvittää tarvittavat happojakeiden tilavuudet. Näytesarjoihin tarvittavat pesuosan happotilavuudet saadaan kaavalla V = V avg t, (7) jossa V avg on jaekohtainen tilavuusvirtauksen keskiarvo ja t jakeen talteenoton kesto. Kestoa laskettaessa on huomioitava automaatiomittauksesta saatava aikaleiman luonne, mikä käytännössä tarkoittaa keston olevan t = T loppu T alku + 10 min, (8) jossa T on automaatiomittauksen aikaleima.

Etsimällä liitteistä 5, 7 ja 9 ajanhetki, jolloin tiheys ylittää senhetkisen ylemmän talteenottorajan 1,3 g cm3 sekä ajanhetki, jolloin tiheys jälleen alittaa ylemmän talteenottorajan saadaan tietoon RH20-jakeen talteenoton kesto. Käytettäessä tietoa lähtö- ja loppuajankohdasta voidaan liitteistä 6, 8 ja 10 laskea keskiarvo tilavuusvirtaukselle Exceltaulukkolaskentaohjelman AVERAGE-toiminnolla. 40 RH10-jakeen tilavuus lasketaan vastaavasti tarkasteluhetkiä lukuunottamatta. RH10- jakeeseen tarvitaan alkuajanhetkeksi ylemmän talteenottorajan alitus ja loppuhetkeksi alemman talteenottorajan 1,12 g cm 3 alitus. Ensimmäisen näytesarjan RH20-alkuhetkeksi nähdään 17:10 ja loppuhetkeksi 20:00, jolloin talteenoton kesto oli 3 h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi saadaan Excel-laskentaohjelmalla 2,412 m3 h. Ensimmäisen näytesarjan RH10-alkuhetkeksi nähdään 20:10 ja loppuhetkeksi 20:20, jolloin talteenoton kesto oli 20 h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi saadaan Excel-laskentaohjelmalla 5,646 m3 h. 60 Ensimmäisen näytesarjan RH2-alkuhetkeksi nähdään 20:30 ja loppuhetkeksi 21:50, jolloin talteenoton kesto oli 1 30 saadaan Excel-laskentaohjelmalla 6,479 m3 h. 60 h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi Toisen näytesarjan RH20-alkuhetkeksi nähdään 17:50 ja loppuhetkeksi 18:10, jolloin talteenoton kesto oli 30 60 h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi saadaan Excel-laskentaohjelmalla 3,160 m3 h. Toisen näytesarjan RH10-alkuhetkeksi nähdään 18:20 ja loppuhetkeksi 20:50, jolloin talteenoton kesto oli 2 40 60 Excel-laskentaohjelmalla 4,229 m3 h. h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi saadaan

Toisen näytesarjan RH2-alkuhetkeksi nähdään 21:00 ja loppuhetkeksi 23:10, jolloin talteenoton kesto oli 2 20 60 Excel-laskentaohjelmalla 7,357 m3 h. h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi saadaan 41 Kolmannen näytesarjan RH20-alkuhetkeksi nähdään 16:10 ja loppuhetkeksi 18:50, jolloin talteenoton kesto oli 2 50 h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi saadaan Excel-laskentaohjelmalla 2,250 m3 h. 60 Kolmannen näytesarjan RH10-alkuhetkeksi nähdään 19:00 ja loppuhetkeksi 19:20, jolloin talteenoton kesto oli 30 60 Excel-laskentaohjelmalla 5,927 m3 h. h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi saadaan Kolmannen näytesarjan RH2-alkuhetkeksi nähdään 19:30 ja loppuhetkeksi 20:50, jolloin talteenoton kesto oli 1 30 h. Tämän aikavälin virtausmittauksen keskiarvoksi saadaan Excel-laskentaohjelmalla 6,738 m3 h. 60 Lasketaan pesujakeiden tilavuudet kaavan (7) mukaisesti. V RH20 P1 = V avg RH20 1 t RH20 1 = 2,412 m3 h 3 h = 7,236 m3, V RH10 1 = 1,882 m 3, V RH2 1 = 9,7185 m 3, V RH20 P2 = 1,580 m 3, V RH10 2 = 11,2773 m 3, V RH2 2 = 17,1663 m 3, V RH20 P3 = 6,375 m 3, V RH10 3 = 2,9635 m 3, V RH2 3 = 10,107 m 3.

42 10.3 Kokonaisarvot ja suodatetun RH20-jakeen tilavuus Kokonaisarvoja ja suodatetun RH20-jakeen tilavuutta varten etsittiin pidempiaikainen jakso, jossa tuotteenvaihtoja ei ole tapahtunut. Jaksoksi löytyi raportointijärjestelmästä 6.4.2012 00:00-20.4.2012 00:00 ja tiedot tämän jakson saostuspanoksista on esitetty liitteessä 11 ja tiedot esipesun suodatuksista liitteessä 12. 1-tuotantolinjan esipesun rutiililinjalle saostettujen panosten panoskoko on 18,5 m 3 ja saostuksen aikana lasketaan liitteestä 11 lisättävän keskimäärin 5,55 m 3 ytimiä sekä vesiä. Täten V KOKO on 18,5 m 3 + 5,55 m 3 = 24,05 m 3. RH20-jakeen suodatusosan tilavuutta on mahdollista arvioida vertaamalla saostuspanosten määrää suodatusten määrään. Ajanjaksolla saostuspanoksia pudotettiin suodatettavaksi liitteen 11 mukaan 130 kappaletta. Suodatuksia käynnistyi samalla ajanvälillä liitteen 12 tietojen perusteella 146. Laskemalla suhde 130 = 146 saadaan 24,1 m 3 V RH20 S V RH20 S = 130 146 24,05 m3 = 21,414 m 3. Happopitoisuuden kokonaisarvoa voidaan arvioida käyttämällä ennen saostusta kerran päivässä tehtävästä väkevän liuoksen happopitoisuuslaboratoriomittauksista vastaavan aikavälin keskiarvoa. Arvo saadaan liitteessä 13 esitetystä vastaavan aikavälin keskiarvosta suoraan ProcessLims-ohjelmasta, jolloin happopitoisuuden keskiarvo oli 431,6 g. l Aiemmin todettu 5,55 m 3 nestelisäys saostusvaiheessa kuitenkin laimentaa happoa arvoon H KOKO = 431,6 g 18500 l l 18500l + 5550l = 332 g l. 10.4 Happotaseen yksinkertainen laskeminen Eliminointien jälkeen happotaseyhtälöksi jää

V KOKO H KOKO = V RH20 S H RH20 S + V RH20 P H RH20 P + V RH10 H RH10 +V RH2 H RH2. (9) 43 Happotaseen toimintaa voidaan nyt testata laskemalla H RH20 P, koska kaikki muut muuttajat tiedetään. H RH20 P valitaan laskettavaksi, koska laboratoriomittaustulokset antoivat odotettua pienempiä tuloksia ja tiedetään, että toimivassa happotaseessa H RH20 P :n arvoksi tulisi tulla pesuprosessin toiminnasta johtuen lähestulkoon sama arvo kuin H RH20 S -suureelle eli noin 300 g. l Ratkaistaan yhtälöstä (9) H RH20 P. H RH20 P = V KOKO H KOKO V RH20 S H RH20 S V RH10 H RH10 V RH2 H RH2 V RH20 P. (10) Syötetään yhtälöön (10) näytesarjojen arvot. H RH20 P1 = V KOKO H KOKO V RH20 S H RH20 S1 V RH10 1 H RH10 1 V RH2 1 H RH2 1 V RH20 P1 = 24,05 m3 332 g l 21,414 m3 308,185 g l 1,882 m3 198,869 g l 9,719 m3 26,251 g l 7,236 m 3 = 104,4391 g l. H RH20 P2 = 24,05 m3 332 g l 21,414 m3 326,061 g l 11,2773 m3 208,681 g l 17,166 m3 29,356 g l 1,580 m 3 = 1174,0212 g l. H RH20 P3 = 24,05 m3 332 g l 21,414 m3 320,451 g l 2,9635 m3 183,196 g l 10,107 m3 35,972 g l 6,375 m 3 = 33,8810 g l. Huomataan, että tulokset eivät vastaa lähellekään haluttuja arvoja ja toisesta näytesarjasta saatiin jopa negatiivinen tulos happoväkevyydelle.

44 10.5 Pesuprosessin happotase Lasketaan pelkästään pesuprosessille oma happotase. Taulukoihin 2, 3 ja 4 on kerätty pesujakeiden tilavuus- ja väkevyystiedot, mistä on laskettu happomäärä, koko pesujakeen arvot sekä jakeiden happomäärä prosentteina koko pesun happomäärästä. TAULUKKO 2. Ensimmäisen näytesarjan pesuprosessin happotase. Jae Tilavuus, m3 Väkevyys, kg/m3 Happoa, kg Prosenttiosuus, % Pesu 18,837 129,465 2438,676 100,000 RH20 7,236 250,039 1809,282 74,191 RH10 1,882 198,869 374,271 15,347 RH2 9,719 26,251 255,122 10,462 TAULUKKO 3. Toisen näytesarjan pesuprosessin happotase. Jae Tilavuus, m3 Väkevyys, kg/m3 Happoa, kg Prosenttiosuus, % Pesu 30,024 105,734 3174,510 100,000 RH20 1,580 200,771 317,218 9,993 RH10 11,277 208,681 2353,358 74,133 RH2 17,166 29,356 503,934 15,874 TAULUKKO 4. Kolmannen näytesarjan pesuprosessin happotase. Jae Tilavuus, m3 Väkevyys, kg/m3 Happoa, kg Prosenttiosuus, % Pesu 19,446 145,541 2830,111 100,000 RH20 6,375 301,748 1923,644 67,971 RH10 2,964 183,196 542,901 19,183 RH2 10,107 35,972 363,566 12,846 Huomataan pesuprosessin happotaseen näyttävän järkevältä. Erityisesti taulukon 3 happomääristä nähdään pesuprosessissa tapahtunut virhe. Tutkitaan lisäksi pesuprosessin osuutta koko esipesun happomäärästä vertaamalla näytesarjojen pesuprosessin happomääriä kokonaistaseeseen 24,05 m 3 332 kg m 3 7984,6 kg. Pesuosuus 1 = Pesuosuus 2 = Pesuosuus 3 = 2438,676 kg 7984,6 kg 3174,510 kg 7984,6 kg 2830,111 kg 7984,6 kg 100% = 30,5422 %, 100% = 39,7579 %, 100% = 35,4446 %.

Tuloksista näkyy hyvin RH20-jakeen suuri osuus kokonaishappomäärästä koko talteenotossa. 45

46 11 JOHTOPÄÄTÖKSET JA JATKOTOIMENPIDE-EHDOTUKSET 11.1 Happotase ja johtokyky Kuvioista 16-21 nähdään selvästi tiheyden olevan huomattavasti johtokykyä parempi mittausmenetelmä esipesuprosessiin. Johtokykykuvioita tutkiessa nähdään mittausten toimivan hyvin pienemmillä happopitoisuuksilla, mutta menettäen täysin luotettavuutensa happopitoisuuden ylittäessä noin 10 %:n väkevyyden. Aiemmat johtokyvyn käyttöä puoltaneet tutkimukset Moore-osastolle oli tehty pääasiassa esipesun jälkeisiin prosessivaiheisiin, joissa suurin happomäärä on poistunut jo tuotteesta. Tämä tukee täysin saatuja tuloksia, joiden mukaan johtokyky toimisi hyvin pienemmillä happopitoisuuksilla. Tiheyden korrelaatio happopitoisuuteen tehtyjen analyysien perusteella on niin hyvä, että parempien mittausmenetelmien etsiminen ei ole tällä hetkellä perusteltua. 11.2 Kokonaishappotaseen laskeminen Kappaleen 10.4 laskutoimituksista huomataan, että kokonaishappotaseen laskeminen epäonnistui täysin. Suurimmat tekijät yhtälössä (10) ovat kokonaishappotase ja suodatusprosessin osuus ja näistä kokonaishappotaseosa perustuu tietoon panoskoosta ja luotettaviin laboratoriomittauksiin. Laskutoimitusten tuloksia eivät kata mitkään virhemarginaalit, joten suurimmiksi virhelähteiksi jäävät arvioitu suodatusosan tilavuus ja prosessin monimutkaisuus. Mittauksissa ei selvinnyt mahdollisuutta kokonaishappotaseen käyttämiseen. 11.3 Pesuprosessin happotaseen laskeminen Kappaleessa 10.5 tutkittu pelkän pesuprosessin happotase näyttää järkevältä verrattaessa taulukoita 2, 3 ja 4 kuvioihin 22-27. Pesuprosessin happotaseen laskuun käytetään aino-

astaan luotettavia tekijöitä ja mahdollisuus pesuprosessin oman happotaseen käyttöön automaattimittauksilla on jo yhdellä tuotantolinjalla olemassa. 47 Esipesun suodatuksesta talteenotetaan ainoastaan RH20-jaetta, joten suodatusprosessin toimintavirheet ovat harvinaisia. Pesuprosessin kolme jaetta sekaantuvat huomattavasti helpommin keskenään ja tästä syystä ainoastaan esipesun pesuun kohdistuva hallintajärjestelmä on tässä tapauksessa hyvinkin käyttökelpoinen. 11.4 Jatkotoimenpide-ehdotukset Yhdistämällä tiedot tiheyden odotettua paremmasta käyttökelpoisuudesta ja pesuprosessin happotaseen laskumahdollisuudesta havaitaan, että paras menetelmä happojakeiden hallitsemiseen on jo toteutettavissa tehtaan 1R-tuotantolinjalle. Jokaisen pesualtaan lukkosäiliössä on jo tiheysmittaus, joten asennettaessa pesuallaskohtainen pesuveden virtausmittaus muillekin tuotantolinjoille voidaan toteuttaa loppusovellus, joka valvoo pesuprosessin happotasetta lukkosäiliökohtaisesti ja ilmoittaa virheistä talteenottotapahtumassa. Kappaleen 6 parannuskohteista nykyiseen talteenottojärjestelmään suositellaan jatkotutkimuksia toteutettavuuden sekä saatavan taloudellisen hyödyn selvittämiseksi ennen toimenpiteisiin ryhtymistä.