Arizona Chemical Oy:n tuotantolaitos Oulussa jatkojalostaa raakamäntyöljystä useita eri kemianteollisuudessa raaka-aineina käytettäviä kemikaaleja. Yksi näistä valmistettavista tuotteista on mäntyhartsiesterit, joita käytetään erityisesti liima- ja painotuoteteollisuudessa. Mäntyhartsin esteröinti on panosprosessi, jossa läpimenoajat ovat pitkiä ja ne vaihtelevat kohtuullisen paljon riippuen valmistettavasta esteristä.
Tämän työn tavoitteena on lyhentää mäntyhartsin esteröintiprosessin läpimenoaikaa kahden valmistettavan tuotteen kohdalla sekä vähentää läpimenoajoissa aiemmin havaittua vaihtelua. Tarkasteltaviksi tuotteiksi valittiin Sylvalite RE 88F ja Sylvalite RE 100F. Nämä tuotteet kattavat suuren osan Arizona Chemical Oy:n Oulun tehtailla valmistettavista mäntyhartsiestereistä. Mäntyhartsin esteröintiprosessin läpimenoaikojen lyhentämisellä on suurta merkitystä, sillä kyseinen prosessivaihe on merkittävä pullonkaula mäntyhartsiestereiden valmistuksen kokonaisprosessissa.
Teoriaosuuden aluksi käydään läpi mäntyhartsin tyypillinen valmistusprosessi sekä muiden raaka-aineiden eli polyalkoholien ominaisuudet. Tämän jälkeen esitellään mäntyhartsin esteröinnin kannalta merkittävät kemialliset reaktiot sekä erityisesti esteröitymisreaktioiden nopeuksiin vaikuttavat tekijät. Tässä työssä tutkittavista tuotteista toinen on mäntyhartsin glyseroliesteri (kauppanimi Sylvalite RE 88F) ja toinen pentaerytritoliesteri (kauppanimi Sylvalite RE 100F). Teoriaosassa tärkeimmiksi havainnoiksi muodostuivat erityisesti reaktionopeuksiin vaikuttavat tekijät, jotka poikkesivat näillä tuotteilla yllättävän paljon. Kirjallisuuden perusteella merkittäviksi tekijöiksi osoittautuivat erityisesti glyserolin heikko liukoisuus mäntyhartsiin sekä pentaerytritolin tapauksessa esteröitymisen välituotteilla syntyvän steerisen esteen vaikutus havaittuun reaktionopeuteen.
Kokeellisen osuuden aluksi tarkasteltiin saatavilla olevaa valmistusdataa läpimenoajoista tutkittavilla tuotteilla. Työn aikana käytiin myös useita keskusteluja työntekijöiden kanssa. Näitä tietoja käyttäen analysoitiin valmistuksen aikana suoritettavien työvaiheiden merkitys läpimenoaikaan. Tarkastelun perusteella voitiin muodostaa selkeä kuva siitä, että valmistuksen aikana suurimman vaihtelun läpimenoaikaan aiheuttavat kemikaalien lisääminen reaktoriin sekä reaktorin lämpötilan nostaminen reaktiolämpötilaan asti. Lisäksi tutkittiin lämmönnoston keston vaikutusta kummankin tuotteen valmistumiseen sekä lauhduttimen käyttölämpötilan nostamisen merkitystä. Näiden tietojen perusteella valittiin molempien tuotteiden valmistuksesta muuttujat, joiden perusteella rakennettiin koesuunnitelmat käyttäen Minitab 17 -ohjelmistoa. Koesuunnitelmat olivat kaksitasoisia teollisia koesuunnitelmia.
Kokeet suoritettiin kahdella tuotantolaitoksen täyden mittakaavan panosreaktorilla. Kokeiden suoritus onnistui pääasiassa hyvin. Kokeiden aikana otettiin panosreaktorista useita näytteitä kokeen edetessä, joiden pohjalta tehtiin tilastollista tarkastelua tekijöiden vaikutuksista. Tilastollinen tarkastelu tehtiin Minitab 17 -ohjelmistolla. Kokeiden tulosten perusteella huomattiin, että Sylvalite RE 100F valmistuksessa tärkeimmäksi muuttujaksi valmistumisajan kannalta muodostui lämmönnostonopeus. Sylvalite RE 88F valmistuksessa glyserolin lisäysnopeudella huomattiin olevan erittäin merkittävä vaikutus. Tämän lisäksi Sylvalite RE 88F valmistuksessa todettiin reaktioajan olevan mahdollisesti liian pitkä tällä hetkellä käytetyssä valmistusohjeessa.
Kokonaisuudessaan kokeiden tulosten perusteella tuotteiden läpimenoajoista voidaan lyhentää Sylvalite RE 100F tuotteella yli 10 prosenttia ja Sylvalite RE 88F tuotteella jopa yli 20 prosenttia. Toisaalta läpimenoajassa esiintynyttä vaihtelua voidaan pienentää merkittävästi valmistusohjeita tarkentamalla ja tekemällä valmistuksen vaiheita työssä ehdotetuilla tavoilla. Työn tuloksia voidaan hyödyntää soveltuvin osin myös muiden glyseroli- ja pentaerytritoli-estereiden valmistuksessa. / Arizona Chemical Ltd. has a plant in Oulu that produces several different chemicals from crude tall oil used as raw material in different chemical industries. One of these products is rosin esters, which are used especially in adhesive and printing industry as a raw material. The rosin esterification process is a batch process where cycle times are long and usually vary depending on which type of a rosin ester is currently under production.
The main goal in this thesis is to reduce the residence times in rosin esterification process for two selected products and also to reduce the variation of the cycle times. The selected products were Sylvalite RE 100F and Sylvalite RE 88F. These products cover major part of the total production volume of rosin esters produced at the Arizona Chemical Ltd. Oulu plant. Cutting down the rosin esterification process residence times is important goal since this part of the process is currently the bottleneck of overall rosin ester manufacturing process.
First in the theory part, the typical commercial rosin manufacturing process is introduced. Similarly, all the other raw materials, i.e. polyalcohols, with their properties are introduced. After that the most important chemical reactions that occur during the esterification process are presented. The focus is in the description of the kinetics related to the esterification reactions. One of the selected products is a glycerol ester of rosin (trade name Sylvalite RE 88F) and the other is a pentaerytritol ester of rosin (trade name Sylvalite RE 100F). The most important finding of the literature survey of the theory part was that the esterification kinetics differ between these products. The differences originate from the weak solubility of glycerol in rosin and the effect of the steric hindrances related to the pentaerythritol and rosin esterification.
The experimental part of this thesis starts with an analysis on the available data of the cycle times of the selected products. In addition, the reasons behind the noticed variance between different cycle times are analyzed based on the discussions with the employees of the plant. All of this information was used to analyze the significance of every step of the esterification process in relation to the overall esterification process cycle time. As a result from this analysis, it was found that the biggest variance to the cycle times was a result from differences in the duration of charging of chemicals and the duration of the reactor heating before reaching the reaction temperature. Other investigated factors were the effect of the reactor heat up duration to the cycle time and the effect of condenser operation temperature. With all this data the variables for the following esterification experiments of both products were chosen and the experiments were designed using the Minitab 17 software. Experimental designs were two level factorial designs.
Experiments were carried out with two commercial size batch reactors located at the plant. Execution of the experiments succeeded as a whole. Several samples were taken during each experiment and the results from the samples were used to statistically analyze the importance of each investigated variable. The statistical study using Minitab 17. It was found out that the most important variable in Sylvalite RE 100F production was the reactor heat up rate. Instead, the glycerol charging rate was the variable that had biggest effect in Sylvalite RE 88F production. It was also noticed that the reaction time in Sylvalite RE 88F may be excessively long in the currently applied manufacturing recipe.
As a whole, it can be concluded that the cycle times of the rosin esterification process can be reduced over 10 percent in the production of Sylvalite RE 100F and even over 20 percent in the case of Sylvalite RE 88F. Secondly, the variation in cycle times can be reduced significantly by changing the manufacturing recipe and utilizing methods proposed in this thesis. These results are applicable also in the production of other glycerol and pentaerythritol rosin esters.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:nbnfioulu-201606032183 |
| Date | 06 June 2016 |
| Creators | Paakkola, J.-P. (Jukka-Pekka) |
| Publisher | University of Oulu |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | Finnish |
| Detected Language | Finnish |
| Type | info:eu-repo/semantics/masterThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © Jukka-Pekka Paakkola, 2016 |
Page generated in 0.0107 seconds