СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ МОНИТОРИНГА СВОЙСТВ ВОДНОГО ПОТОКА Российский патент 2015 года по МПК B01D21/00 C02F11/12 C02F1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к обработке водных потоков. В частности, настоящее изобретение относится к способу и системе для мониторинга характеристик водного потока в промышленном процессе, в частности, в процессе варки целлюлозы или процессе изготовления бумаги или картона. Способ включает получение водного потока, происходящего из указанного процесса, содержащего твердые вещества, имеющие первые характеристики осаждения, и добавление в водный поток модифицирующего агента с получением модифицированного водного потока, содержащего твердые вещества, имеющие вторые характеристики осаждения, отличные от первых характеристик осаждения. Твердые вещества могут присутствовать в водном потоке в суспендированной и/или коллоидной форме и/или в виде растворенного вещества, которое может осаждаться.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Примеры водных потоков, содержащих значительные количества твердых веществ и/или растворенных веществ, которые могут осаждаться, включают промышленные потоки, например, технологические потоки при варке целлюлозы и производстве бумаги. Потоки могут включать, например, разбавленную и густую массы процесса получения бумаги/картона и водотоки. Водные потоки процессов получения целлюлозы и бумаги содержат различные количества волокнистого материала. В зависимости от происхождения водного потока другое твердое вещество может быть органическим или неорганическим, либо комбинацией этого. Они могут также включать некоторые количества биологического материала. Концентрация твердых веществ, включая осаждаемое растворенное вещество, может варьироваться в широких пределах. Как правило, она составляет от 0,1 до 30 масс.% от массы водного потока.

Общим для большинства потоков упомянутого выше типа является необходимость контроля характеристик осаждения твердых частиц, присутствующих в воде в суспендированной, коллоидной и/или осажденной формах. В дальнейшем все такие типы веществ будут называться «твердыми веществами». Для указанного регулирования, как правило, используют модифицирующие агенты, такие как коагулянты, флокулянты, пассивирующие реагенты, поверхностно-активные вещества, диспергирующие агенты, удерживающие добавки, микрочастицы, проклеивающие агенты и/или ферменты.

В качестве конкретного примера, во многих потоках процессов варки целлюлозы или получения бумаги и картона существует необходимость в контроле количества, размера и/или природы твердых веществ, присутствующих в водном потоке. Одной из основных целей химического управления является сохранение хорошего и равномерного присоединения частиц к волокнам и/или волокнистому полотну и, тем самым, предотвращения накопления твердого вещества в водных потоках. Однако, когда суспензию целлюлозной массы подают на сетку или на сетке образуется волокнистое полотно, часть твердого вещества, как правило, остается неприкрепленной к волокнам. Вследствие этого в систему водоснабжения бумагоделательной машины попадают разные количества твердого вещества. Такое твердое вещество обычно содержит неорганический, органический и биологический материал, происходящий из сырой воды, рециркуляционной воды, волокнистого и мелованного брака, например, природный и белый пек, липкие вещества, тягучие вещества, микроорганизмы, пигменты, а также связующее (связующие) и добавки. Таким образом, желательно поддерживать остающееся твердое вещество равномерно диспергированным в воде во избежание его агломерации или неконтролируемой агломерации, поскольку это будет приводить к повышенному осаждению и впоследствии скажется на работоспособности оборудования и качестве продукции.

Помимо агломерации частиц в водных потоках, содержащих меньшее количество волокон, таких как оборотная вода бумагоделательной машины, агломерация частиц также может происходить в потоках целлюлозной массы, имеющей более высокую концентрацию волокон, в трубопроводах или баках на древесномассных заводах или в бумагоделательной машине, альтернативно в бумажном браке, или при приготовлении различных видов целлюлозных масс, например, химической, химико-механической или механической масс. Обычно агломерация частиц возникает в результате неправильного управления химией технологических процессов, например, как результат недостаточного дозирования или избыточного дозирования модифицирующего агента (агентов) либо вследствие неподходящей химии. Нерегулируемое взаимодействие между частицами твердых веществ и/или волокнами часто вызывает агломерацию, приводящую к значительному уменьшению числа частиц.

Агломерация частиц и агломераты могут быть гидрофобными или гидрофильными либо комбинацией этого. Кроме того, суспензия может содержать большое количество микроорганизмов: до 10 млн/мл или больше, что также способствует агломерации.

Если размер частиц в системе является достаточно малым, они обычно не оказывают отрицательного воздействия на технологичность процесса производства бумаги или качество бумаги. Приемлемый размер зависит от используемого способа и оборудования. Однако увеличение размера частиц обычно приводит к возникновению проблем. Например, агломерация твердого вещества может приводить к быстрому осаждению твердого вещества и последующим отложениям на поверхностях оборудования. Часто гидрофобные частицы доставляют больше неприятностей в процессе работы. Образование отложений также загрязняет, например, сетки и сукна, тем самым ухудшая технологичность бумагоделательного процесса. Кроме того, агломерация ухудшает равномерное связываете частиц с волокнами, и в результате более заметными становятся дефекты бумаги.

Следовательно, предпочтительно, чтобы в процессе присутствовали твердые вещества требуемого размера и/или в требуемом количестве и/или с требуемыми свойствами поверхности. Это может быть достигнуто регулированием количества модифицирующих реагентов, таких как фиксаторы, в технологическом потоке.

Таким образом, как правило, модифицирующий агент (агенты) добавляют в одной или нескольких точках добавления в водный поток в количестве, достаточном для изменения поверхностных свойств и/или тенденции частиц к агломерации в технологических потоках. Однако возникает проблема определения требуемого количества и/или типа (типов) модифицирующего реагента (реагентов).

Характеристики модифицирующих реагентов обычно анализируют на основании простых лабораторных испытаний, таких как определение мутности и потребности в катионах. Полученные результаты представляют собой сумму различных реакций и не описывают, например, изменения размера частиц. Доступны сложные лабораторные методы, однако они обычно включают множество стадий подготовки образца и, вследствие этого, являются очень сложными и требующими больших временных затрат. И вместе с тем, упомянутые выше лабораторные методы отображают качественный состав технологических потоков только в один момент времени.

Различные устройства для измерения скоростей осаждения слипшихся осажденных агрегатов обсуждаются в работе A. Mantovanelli, P.V. Ridd, Journal of Sea Research 56 (2006) 199-226. Они включают осадительные трубки с ручным управлением и автоматические осадительные колонны, оборудованные видеосистемами, оптическими и лазерными приборами и подводными весами.

Другая проблема заключается в том, что в водных технологических потоках часто происходят быстрые изменения качественного состава. С другой стороны, запаздывания в ходе процесса, связанные с циркулирующими потоками и длинными циклами циркуляции, могут быть длительными, вплоть до нескольких дней. Это приводит к временному чрезмерному увеличению или уменьшению дозировки модифицирующих агентов, что впоследствии сказывается на качестве бумаги (например, приводит к большему количеству дефектов бумаги за счет отложений) и на экономичности процесса.

Существует лишь несколько приемов измерений в режиме реального времени для мониторинга водных потоков и произвольного регулирования дозирования. В патентном документе US 4279759 раскрыт способ регулирования интенсивности подачи реагентов для обработки воды в технологический поток. Согласно этому способу, образец потока получают в виде бокового потока (боковой фракции) технологического потока и подают с постоянной скоростью на осадительную колонну, на которой в непрерывном режиме определяют концентрацию твердых веществ. Способ требует подачи через осадительную колонну непрерывного потока с соответствующей скоростью подачи. Таким образом, хотя описанный способ и помогает осуществлять мониторинг в режиме реального времени, его способность определять характеристики осаждения образца является достаточно ограниченной.

В патентном документе US 2004/0182138 раскрыт способ ультразвукового определения характеристик осаждающихся суспензий. Этот способ основан на определении времени выхода пика консистенции образцов. Такой способ хорошо подходит для образцов с высокой консистенцией (>10 масс.%) и для предварительно описанных образцов, содержащих частицы по существу одинакового размера (монодисперсных образцов). Для более низких консистенций и полидисперсных образцов измерение пика времени, как ожидается, будет давать худшие результаты из-за низкой чувствительности. Еще один недостаток ультразвукового определения заключается в том, что звуковые волны сказываются на температуре и колебаниях в образце, что может повлиять на его характеристики осаждения.

Таким образом, существует потребность в системе для мониторинга в режиме реального времени, позволяющей вовремя изменять добавляемое количество химических реагентов и/или осуществлять выбор реагентов, используемых в случае изменения качественного состава потоков. В частности, в промышленности существует потребность в способах мониторинга и/или контроля в режиме реального времени дозирования химических реагентов в водные потоки, содержащие твердые вещества. Такая потребность существует, в частности, при мониторинге технологических потоков с точки зрения влияния химических реагентов на размер частиц, агломерацию и/или взаимодействия частиц твердого вещества. Кроме того, существует необходимость в способе контроля дозирования модифицирующих агентов, влияющих на размер частиц, агломерацию и/или взаимодействия частиц твердого вещества, или на управление размером частиц твердого вещества в ходе процесса. Особый интерес здесь представляют процессы, в которых технологические потоки имеют длительное время циркуляции или общее время производственного цикла, в результате чего запаздывания в производственном мониторинге и/или регулировании также могут быть очень длительными. Таким образом, существует необходимость в способах мониторинга и/или контроля с уменьшенным запаздыванием.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является исключение по меньшей мере части проблем существующего уровня техники, и обеспечение улучшенного способа и системы для мониторинга в режиме реального времени характеристик водных потоков производственного процесса, таких как циркуляционные потоки при производстве бумаги или картона.

В частности, задачей изобретения является обеспечение способа и системы для мониторинга в режиме реального времени характеристик осаждения твердого вещества водного технологического потока и, возможно, регулирования добавления химических реагентов для воздействия на характеристики осаждения твердого вещества в потоке.

Еще одной задачей изобретения является обеспечение средств для оценки и, возможно, снижения риска агломерации в водном технологическом потоке бумагоделательной машины.

Настоящее изобретение основано на идее определения локального изменения характеристик осаждения твердых частиц в небольших образцах, взятых из массы водного потока перед и/или после добавления модифицирующего реагента (реагентов); на основании характеристик осаждения образца могут быть сделаны выводы применительно к большой массе потока. Определение может осуществляться с помощью измерения, предпочтительно, периодически и последовательно в повторяющихся циклах.

Способ согласно изобретению позволяет контролировать водные потоки путем многократных и частых измерений, описывающих характеристики осаждения твердого вещества в потоках. Используемые измерения также могут использоваться для описания или оценки среднего размера частиц образца. Способ может быть еще более информативным в отношении качественного состава водного потока, отображая состояние процесса по сравнению, например, с одиночными измерениями размеров частиц, поскольку измерения размеров частиц часто исключают важные факторы, влияющие на характеристики осаждения, такие как, например, форма частицы и плотность.

Искомый параметр, определенный из образца, может представлять собой, например, скорость осаждения твердых частиц. В зависимости от процесса и характеристик твердого вещества может быть получена корреляция между измеренным режимом осаждения, например, скоростью осаждения, средним размером частиц и/или размером гидрофобных частиц.

Таким образом, настоящее изобретение включает стадии, на которых

- получают исходный (первый) водный поток, происходящий из промышленного процесса, содержащий твердое вещество в суспендированной и/или коллоидной, и/или осажденной форме, где твердое вещество имеет первые характеристики осаждения;

- добавляют модифицирующий агент (агенты), такой как катионные реагенты, в исходный водный поток с получением модифицированного (второго) водного потока, содержащего твердое вещество, имеющее вторые характеристики осаждения, отличные от первых характеристик осаждения;

- направляют образец исходного или модифицированного водного потока, или любой комбинации потоков, включающей модифицированный водный поток или часть модифицированного водного потока, от места отбора проб в осадительную камеру, имеющую объем; и

- оставляют образец осаждаться в осадительной камере, одновременно измеряя характеристики осаждения твердого вещества в образце локально в осадительной емкости как функцию времени.

При необходимости, в зависимости от определенной скорости осаждения регулируют количество модифицирующего агента, добавляемого в исходный водный раствор. В дополнение к или вместо добавляемого количества можно регулировать тип модифицирующего агента.

Более конкретно, способ согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что изложено в пункте 1 формулы изобретения. Система согласно изобретению характеризуется тем, что изложено в пункте 26 Формулы изобретения.

Предпочтительно, чтобы измерение характеристик осаждения образца включало по меньшей мере одно из следующего: измерение содержания твердого вещества в образце, измерение мутности образца, измерение количества суспендированных твердых веществ в образце или измерение консистенции образца.

На основании временного характеристик осаждения твердого вещества можно определить, например, один или более параметров из следующих: скорость осаждения твердого вещества в образце, время осаждения твердого вещества в образце или время, необходимое для достижения образцом заданной величины мутности.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, на основании измерения определяют скорость осаждения твердого вещества в образце. Скорость осаждения изменяется как функция времени. Она может быть откоррелирована со средним размером частиц образца. Так получают информацию относительно размера частиц.

Скорость осаждения может быть определена как мутность в единицу времени (например, NTU/c; NTU - нефелометрическая единица мутности (от англ. Nephelometric Turbidity Unit)) или как другой количественный параметр, свойственный твердому веществу, осаждающемуся в образце в единицу времени, например, количество твердого вещества в единицу времени.

Согласно одному из вариантов осуществления, способ включает измерение содержания твердого вещества или мутности образца, или количества суспендированных твердых веществ, или консистенции образца как функцию времени, и на основании указанного измерения - определение скорости осаждения или времени осаждения твердого вещества в образце или определение времени, необходимого для достижения образцом заданной величины мутности. Далее указанные измерения проводят в первый временной интервал осаждения, во время которого мутность образца по меньшей мере на 20% выше, чем мутность в конце цикла осаждения. В течение этого временного интервала образец оставляют спокойно отстаиваться. Согласно одному из вариантов осуществления, скорость осаждения образца осаждением определяют по меньшей мере в один момент времени или в течение временного интервала, рассчитывая производную по времени от указанного измеренного значения или тангенс угла между по меньшей двумя моментами времени в указанном первом интервале осаждения. В результате может быть достоверно определена скорость осаждения.

Согласно одному из вариантов осуществления, отстоявшуюся мутность образца измеряют после измерения скорости осаждения, как правило, во второй временной интервал осаждения, во время которого мутность менее чем на 50% выше, чем мутность в конце цикла осаждения. Скорость осаждения и отстоявшаяся мутность во многих случаях хорошо характеризуют поток и могут давать дополнительную информацию для лучшего контроля процесса.

Обычно скорость осаждения в течение первого временного интервала осаждения по меньшей мере в два раза превышает скорость осаждения в течение второго временного интервала осаждения.

Настоящий способ приемлемо используют в некоторых предпочтительных вариантах осуществления для водных потоков, предпочтительно полидисперсных, консистенция которых составляет 5 масс.% или менее или 2 масс.% или менее. Настоящий способ наиболее приемлемо используют для полидисперсных водных потоков, консистенция которых составляет 1 масс.% или менее.

Локальное измерение содержания твердого вещества в образце имеет практическое значение, поскольку содержание твердого вещества, как правило, подчиняется формуле f(x, y, z, t), где х, y представляют собой горизонтальные, a z - вертикальные пространственные координаты в пределах осадительной емкости, a t - время. "Локальное" в данном контексте означает, что данные измерений собирают лишь из определенной области осадительной емкости (вблизи сенсорной головки датчика), при этом объем такой области меньше, чем объем осадительной емкости. Предпочтительно, чтобы измерение производили по существу в одном и том же месте с учетом направления вертикальной оси осадительной емкости. Измерение характеристик осаждения как функции времени означает, что измерение проводят по меньшей мере в два различных момента времени. Например, содержание твердого вещества или мутность образца измеряют по меньшей мере в два момента времени. Математическое преобразование экспериментальных данных или их части, например, логарифм или производная и/или тангенс угла наклона, может быть использовано для определения параметров, описывающих характеристики осаждения твердого вещества. Кроме того, на основании измерений как функции времени отдельная величина или величины каждого из результатов последующих измерений могут быть использованы для целей мониторинга.

Селективность настоящего способа для рассматриваемых частиц зависит, например, от временной протяженности измерения, от местоположения измерения и от конкретных характеристик используемых измерительных устройств (таких как длина волны излучения оптического или сверхвысокочастотного детектора).

В частности, в начальной фазе процесса осаждения определяют скорость осаждения твердого вещества в образце, не являющуюся постоянной во времени из-за того, что образец содержит распределение частиц с различными размерами и режимами осаждения. Образец в осадительной емкости показывает первый временной интервал осаждения с первой скоростью осаждения (с преобладанием твердых частиц, имеющих размер, больший чем средний размер указанного твердого вещества в образце) и второй временной интервал осаждения со второй скорость осаждения, меньшей чем первая скорость осаждения (с преобладанием твердых частиц, имеющих размер, меньший чем средний размер указанного твердого вещества). Измерение характеристик осаждения предпочтительно проводят в первый временной интервал осаждения. В соответствии с таким режимом получают информацию относительно самых больших частиц, которые, вероятно, являются наиболее неблагоприятными для рассматриваемого промышленного процесса. Обычно скорость осаждения определяют во время первого временного интервала осаждения цикла осаждения. В частности, скорость осаждения определяют во время первой половины цикла осаждения, которая на практике часто означает первые 180 секунд цикла осаждения.

Следует отметить, что модифицирующий агент может быть добавлен в водный поток и на другой стадии процесса, отличной от стадии, на которой отбирают образец. Таким образом, между этими стадиями поток может быть обработан любым химическим, механическим или физическим способом. Альтернативно или в дополнение к сказанному, поток может быть объединен с любым другим технологическим потоком и/или разделен на меньшие потоки между этими стадиями.

Например, при производстве бумаги или картона водный поток, в который добавляют модифицирующий агент, может быть потоком бумажного брака, потоком химической массы, потоком механической массы, потоком химико-механической массы, потоком макулатурной массы, потоком оборотной воды или другим внутренним циркуляционным водным потоком, и отбор образца может производиться из любой комбинации этих потоков или части потока, выделенного из исходного потока, или объединенного потока. Модифицирующие агенты также могут быть добавлены во время или перед приготовлением целлюлозных масс.

Кроме того, модифицирующий агент (агенты) такого же или другого типа могут быть дополнительно добавлены на промежуточных стадиях между начальной точкой добавления и точкой отбора образца.

Согласно одному из вариантов осуществления, образец отбирают из водного циркуляционного потока, например, из оборотной воды или сеточной воды бумаго- или картоноделательной машины, используемого для разбавления густой целлюлозной массы, подаваемой в напорный ящик бумаго- или картоноделательной машины. Поток в конечном итоге подают в напорный ящик бумаго- или картоноделательной машины. В таком потоке, а также в других потоках, к которым может быть применено изобретение, твердое вещество может включать неорганические пигменты, наполнители и/или осадки, органические соединения и полимеры, биологические материалы, а также комбинации этого, в частности, пек, латекс, липкие вещества или комбинацию этого.

Как обсуждалось выше, настоящий способ в наибольшей степени подходит для потоков с относительно низкой консистенцией. Однако образец также может быть взят из водного потока, содержащего различные, в том числе и достаточно высокие, количества твердых веществ. Если образец отбирают из потока, содержащего большое количество волокон, образец предпочтительно фильтруют и/или пропускают через сито для получения по существу не содержащего волокон образца, в котором легче измерять содержание твердого вещества. После фильтрации или пропускания через сито консистенция предпочтительно составляет 5 масс.% или менее, в частности, 2 масс.% или менее, наиболее приемлемо, 1 масс.% или менее.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, более 50 масс.% твердого вещества в профильтрованном образце приходится на неволокнистые твердые вещества.

С помощью изобретения могут быть достигнуты значительные преимущества. Так, в большинстве случаев скорость осаждения является эффективным параметром для регулирования добавляемого количества и/или типа модифицирующего агента (агентов). Если представляют интерес самые крупные частицы в потоке, измерение может быть проведено очень быстро в начале цикла осаждения, при этом агломерация может быть предсказана без чрезмерного запаздывания.

Периодический отбор образца и измерение, при котором образец оставляют спокойно отстаиваться, позволяет оценивать как маленькие, так и большие частицы, присутствующие в образце, в отличие от способов предшествующего уровня техники, где поток образца является непрерывным, и образец перемешивается в ходе измерения. Согласно данному изобретению, измерение также может быть непрерывным во время каждого цикла осаждения для получения информации об осаждении, зависящей от времени и размера частиц, однако образец при этом не является непрерывным потоком, а представляет собой порцию исходного технологического потока, поведение (режим) которого затем измеряют. Фактически, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, получают данные для по меньшей мере двух временных интервалов осаждения, где преобладают частицы разных размеров. Это позволяет осуществлять расширенный контроль за процессом, включая контроль химизма процесса. Контроль химизма процесса может включать выбор подходящего модифицирующего реагента (реагентов) и/или регулирование количества и/или места (мест) добавления реагента (реагентов).

С помощью контроля концентрации твердого вещества в водных потоках процессов получения целлюлозной массы и процессов изготовления бумаги с откорректированными количествами модифицирующего агента (агентов) может быть отрегулирована агломерация частиц, это приведет к сокращению неблагоприятных воздействий на продукцию, например, к уменьшению дефектов в бумаге и отложений на поверхностях машин и аппаратов.

Далее изобретение будет тщательно исследовано с помощью подробного описания и со ссылкой на прилагаемые графические материалы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На Фиг.1а изображен способ получения бумаги с отбором образца из бокового потока согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

На Фиг.1b изображен способ получения бумаги с двумя альтернативными боковыми потоками для отбора образца согласно другому варианту осуществления изобретения.

На Фиг.2 показана кривая зависимости мутности от времени при последовательном отборе образца согласно одному из вариантов осуществления изобретения и определение скорости осаждения на основании измерения согласно одному из вариантов осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как обсуждалось выше, настоящее изобретение в целом относится к способу обработки исходного водного раствора по меньшей мере одним модифицирующим агентом с получением модифицированного водного потока. Модифицированный водный поток имеет модифицированные характеристики осаждения. Согласно предпочтительному варианту осуществления, образец отбирают из модифицированного водного потока, и на основании этого образца в осадительной емкости определяют скорость осаждения модифицированного водного потока.

В описании и формуле изобретения термин "исходный водный раствор" относится к любому технологическому потоку, который обрабатывают модифицирующим агентом. Термин "модифицированный водный поток" не ограничивается только исходным водным раствором сразу после обработки модифицирующим агентом, но охватывает также потоки, обработанные другими способами, объединенные с одним или несколькими потоками или разделенные на один или более частей (подпотоков). Естественно, модифицирующий агент влияет на характеристики осаждения не только обработанного водного потока, но также и объединенных потоков и подпотоков, обработанных модифицирующим агентом, или агломераты, на которые воздействовал модифицирующий агент. Изобретение также охватывает процессы, где добавляют более одного модифицирующего агента в одной или более точках добавления, или где такой же модифицирующий агент добавляют в нескольких точках добавления.

Согласно одному из вариантов осуществления, отбор образца осуществляют перед добавлением модифицирующего агента, т.е. из исходного водного раствора. Это полезно для прогностического или опережающего контроля процесса, особенно если параметры процесса хорошо известны. На основании характеристик осаждения исходного потока могут быть установлены требования к модифицирующему агенту. Однако в большинстве случаев отбор образцов осуществляют только после добавления модифицирующего агента, что гарантирует, что наблюдаются реальные характеристики осаждения, при этом могут быть более точно определены и предпочтительно отрегулированы расход и/или тип модифицирующего агента. При помощи модифицирующих агентов осуществляют контроль характеристик осаждения модифицированного потока с обратной связью.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, в зависимости от определенных характеристик осаждения в осадительной емкости изменяют добавляемое количество и/или тип модифицирующего агента. Для облегчения интерпретации и согласования данных можно использовать мягкие сенсоры и модели [например, Linguistic Equation (LE)]. При оценке и вычислении могут быть использованы и другие коммерчески доступные способы и устройства, такие как проточный цитометр. Что касается приемлемого оборудования, можно сослаться на способ и устройство для автоматического контроля дозирования химических реагентов, описанные в патентном документе WO 2005/022278, содержание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Настоящее изобретение также включает решение, согласно которому определение характеристик осаждения выполняют просто как стадию мониторинга.

Согласно одному из вариантов осуществления, изобретение используют для дистанционного управления и/или контроля промышленного процесса. Таким образом, настоящие средства измерений могут быть функционально связаны со средствами передачи информации, способными передавать результаты измерений в отдаленные местоположения и/или регулировать данные из отдаленных местоположений в месте нахождения настоящего промышленного процесса. Это является существенной возможностью и значительным преимуществом по сравнению со способами предшествующего уровня техники, требующими в большинстве случаев проведения лабораторных анализов и стадий, которые необходимо осуществлять вручную.

Как обсуждалось выше, предпочтительной величиной, подлежащей определению для образца, является скорость осаждения в заданный момент времени или в заданный временной диапазон. Причина состоит в том, что скорость осаждения или изменение скорости осаждения связаны с характеристиками размера частиц образца и являются, таким образом, показателем степени агломерации частиц в процессах производства бумаги, картона или целлюлозной массы.

Настоящее изобретение также включает решение, согласно которому в дополнение к определению скорости осаждения образца определяют отстоявшуюся мутность образца и при необходимости используют для изменения добавляемого количества модифицирующего агента. "Отстоявшаяся мутность" означает мутность по истечении заданного периода времени, который, как правило, длиннее, чем период времени, в течение которого определяют скорость осаждения. Обычно период времени перед измерением мутности составляет 5 минут или больше, в частности, 10 минут или больше, при этом скорость осаждения измеряют до окончания этого периода времени. Отстоявшаяся мутность может также быть величиной мутности, которая больше заметно не изменяется (т.е. меньше, чем предварительно определенная абсолютная или относительная величина) при увеличении времени осаждения.

Согласно одному из вариантов осуществления, модифицирующий агент может влиять на свойства поверхности и/или взаимодействие между частицами или между частицами и волокнами или другими компонентами в потоке. В некоторых случаях модифицирующий агент может способствовать агломерации твердого вещества, присутствующего в потоке.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, модифицирующий агент выбирают из коагулянтов и/или флокулянтов. Коагулянт или флокулянт включает или может быть выбран из солей или анионных, неионных и катионных полиэлектролитов одновалентных или многовалентных катионов, таких как натрий, кальций, магний, железо, алюминий, природных продуктов, таких как крахмал, полусинтетических полимеров, таких как катионный крахмал, и синтетических полимеров, таких как акриловые полимеры, полиамины, полиэтиленоксиды и аллиловые полимеры, или смесей этого.

Коагуляция представляет собой дестабилизацию коллоидных частиц, вызванную добавлением химического реагента, известного как коагулянт. Мелкие частицы в суспензии сталкиваются друг с другом и слипаются. Обычно частицы подходят близко друг к другу за счет броуновского движения или в потоке (Water Treatment Handbook, Vol. 1 и Vol. 2, 1991, Degremont). Коагулянт обычно является неорганическим (анион/катион) или органическим (полиэлектролит) химическим реагентом, нейтрализующим отрицательный или положительный заряд поверхности (дестабилизация) примесей, таких как коллоидные частицы. (Water Treatment Handbook, Vol. 1 и Vol. 2, 1991, Degremont).

Флокуляция относится, например, к действию полимеров, образующих мостики между суспендированными частицами или работающих в соответствии с моделью «заплатки». Флокулянт может способствовать образованию флокул. Флокулянт может быть неорганическим полимером (таким как активный диоксид кремния), природным полимером (крахмал, альгинат) или синтетическими полимерами (Water Treatment Handbook, Vol. 1 и Vol. 2, 1991, Degremont, Water Quality and Treatment, A Handbook of Community Water Supplies).

В качестве альтернативы или в дополнение, модифицирующим агентом в большинстве случаев могут быть пассивирующие реагенты, поверхностно-активные вещества, диспергирующие агенты, удерживающие добавки, микрочастицы, проклеивающие агенты и ферменты, или их комбинации.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, образование крупных агломератов, которые быстро оседают, контролируют и, при необходимости, предотвращают с помощью системы для мониторинга и контроля, раскрытой в данном описании. Наиболее значительными факторами, способствующими образованию агломератов при производстве бумаги, являются растворенные вещества в потоке, изменения величины pH, микробы и химические реагенты, добавленные в поток, в частности, гидрофобизирующие агенты. Агломерация, вызываемая всеми этими источниками, может выявляться и контролироваться с помощью настоящего изобретения. Причина состоит в том, что скорость осаждения твердого вещества зависит от размера частиц и вследствие этого также изменяется с течением времени.

Согласно одному из вариантов осуществления, модифицирующий агент добавляют в количестве, достаточном для поддержания скорости осаждения (или среднего размера частиц) ниже заданного уровня. Согласно одному из вариантов осуществления, способ используют для контроля добавляемого количества и/или типа модифицирующего реагента (реагентов), так что скорость осаждения поддерживают ниже 750 NTU/c. B по меньшей мере некоторых водных суспензиях процесса получения бумаги это соответствует среднему размеру частиц твердого вещества менее приблизительно 20 мкм.

В зависимости от процесса или системы контроля можно использовать скорость осаждения, отстоявшуюся мутность или комбинацию этого. Отстоявшаяся мутность свидетельствует о наличии небольших частиц и их относительном количестве или уровне. Скорость осаждения, с другой стороны, показывает наличие агломератов. Таким образом, использование этих двух измерений обеспечивает полезную информацию для контроля технологического процесса. С помощью типа и/или количества, и/или места добавления модифицирующего агента (агентов) можно влиять на размер частиц твердого вещества.

Как правило, средний размер частиц модифицированного водного потока предпочтительно поддерживают менее 100 мкм, в частности, менее 50 мкм, наиболее предпочтительно, менее 20 мкм. Однако согласно некоторым вариантам осуществления, средний размер частиц модифицированного водного потока предпочтительно, поддерживают менее 500 мкм или менее 250 мкм.

Например, так называемый короткий цикл бумаго- или картоноделательной машины, как правило, включает стадии извлечения оборотной воды из сеточного бассейна и перемещение ее обратно в процесс для разбавления высококонсистентной волокнистой целлюлозной массы, подаваемой в напорный ящик. Необходимо препятствовать агломерации твердого вещества в циркуляционном потоке и тем самым предотвращать или уменьшать его осаждение, а также иметь возможность возвращать твердое вещество для использования. Для достижения этой цели может быть использовано настоящее изобретение.

На Фиг.1 представлено схематическое изображение способа получения бумаги согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Согласно этому способу, бумажную массу подают в смесительный бассейн 30 из одного или нескольких источников 3, 4, 5. Источники могут содержать, например, механическую, химическую, химико-механическую массу, регенерированное волокно и/или бумажный брак. Один или более химических модифицирующих агентов могут быть добавлены в каждую из масс или в смесительный бассейн в точке добавления 15А. Из смесительного бассейна 30 смешанную массу подают в машинный бассейн 40 в системе короткой циркуляции мокрой части бумагоделательной машины. В этой фазе или в машинный бассейн 40 в точках добавления 15В также могут быть добавлены один или более химических реагентов. Далее обработанную массу подают в напорный ящик бумаго- или картоноделательной машины 50. Модифицирующие реагенты могут быть добавлены также и на этой стадии в точке добавления 15С.

Из сеточной части бумаго- или картоноделательной машины 50 циркуляционный поток оборотной воды 65 подают в сборник для подсеточной воды 60 и направляют обратно в напорный ящик. Отбор образца в соответствии с изобретением для определения скорости осаждения предпочтительно осуществляют из циркуляционного потока, обычно используемого для разбавления густой целлюлозной массы, подаваемой в напорный ящик бумаго- или картоноделательной машины.

Согласно варианту осуществления, изображенному на Фиг.1, образец циркуляционного потока оборотной воды 65 направляют в осадительную емкость после его отбора в точке отбора проб бокового потока 68. Боковой поток 68 предпочтительно имеет скорость потока меньше скорости потока циркуляционного потока оборотной воды. Боковой поток 68 поступает в осадительную емкость 22.

Альтернативно, боковой поток может быть взят из любого другого потока (не показано) процесса получения целлюлозы или бумаги. Например, точка отбора образца может находиться в питающем трубопроводе целлюлозной массы или бумажного брака бумаго- или картоноделательной машины после одной или нескольких точек добавления химических реагентов. Если образец отбирают из потока, содержащего значительные количества волокон, образец предпочтительно фильтруют и/или пропускают через сито для получения по существу не содержащего волокон образца, в котором легче измерять содержание твердых частиц.

На Фиг.1b показан вариант осуществления способа, имеющего два альтернативных боковых потока 68А и 68B, отходящих от циркуляционного потока 65 и питающего трубопровода 3, соответственно. Кроме того, имеются устройства, такие как клапаны V4A и V4B, расположенные в боковых трубопроводах 68А и 68B, соответственно, для регулирования источников вещества, подаваемого в осадительную емкость 22. Соответственно, в зависимости от регулирования модифицированный водный поток представляет собой циркуляционный поток оборотной воды 65, модифицированный в одной или более точках добавления химических реагентов 15А, 15B, 15С, или сырьевой поток 3, модифицированный в точке добавления химических реагентов 15А. Таким образом, одно и то же измерительное оборудование может быть использовано для мониторинга и/или контроля процесса в двух или нескольких местоположениях или производственных стадиях.

Разумеется, как проиллюстрировано на Фиг.1b в качестве одного из примеров, система может включать только одну из различных возможных точек отбора образцов в любом из потоков, модифицированных с помощью химических реагентов, то есть без такого контроля источника сырья, как показано на Фиг.1b.

Предпочтительно характеристики осаждения образца измерять с использованием электромагнитного излучения. Так, осадительная емкость 22 включает устройства для индикации 21, такие как оптический датчик, реагирующий на содержание твердого вещества в осадительной емкости вблизи датчика. Датчик может работать в диапазоне УФ, видимых или ИК длин волн. Поскольку общее содержание твердого вещества в осадительной емкости не меняется, предпочтительно использовать датчик, подходящий для локального измерения, чтобы иметь возможность удобно определять скорость осаждения.

Детектор на основе электромагнитного излучения предпочтительнее акустического детектора, поскольку он подходит для низкоконсистентных образцов и не страдает от проблем взаимодействия с образцом во время измерения в такой степени, чтобы это повлияло на характеристики осаждения. Например, свойства частиц латекса зависят от температуры. Электромагнитное излучение также нечувствительно к пузырькам воздуха или неоднородностям в образце, в отличие от акустических волн.

Согласно одному из вариантов осуществления, датчик включает головку датчика, позволяющую осуществлять локальное измерение твердого вещества, например, для измерения мутности или содержания твердой фазы в образце. Головку датчика располагают на некотором расстоянии от дна осадительной емкости и, возможно, также на некотором расстоянии от верхней части осадительной емкости. Головка датчика может находиться непосредственно в осадительной емкости или за отверстием, выполненным в стенке осадительной емкости. Предпочтительно, чтобы датчик был расположен на боковой стенке осадительной емкости. Датчик может быть расположен под углом относительно боковой стенки.

Осадительная емкость может быть открытой или закрытой. Предпочтительно, чтобы она была проточного типа, позволяющего легко соединять осадительную емкость с боковым потоком, взятым от модифицированного водного потока. Предпочтительно, чтобы образец подавали в осадительная емкость снизу.

Боковой трубопровод может перекрываться во время измерения мутности с помощью клапана V2 в боковом потоке. В канале бокового трубопровода также может присутствовать дополнительный промывной трубопровод с клапаном V1. Промывной трубопровод позволяет промывать детектор 21 и осадительную емкость 22 между последующими измерениями. Осевший образец может быть извлечен из осадительной емкости через выпускной трубопровод 26 и подведен к коллектору 23 и, необязательно, рециркулирован обратно в процесс. Кроме того, может быть предусмотрен дополнительный детектор или промывочный клапан V3 и трубопровод для промывочной жидкости, отдельный от канала бокового трубопровода.

Скорость осаждения определяют измерением изменения мутности водного бокового потока. В частности, изменение мутности или количества твердого вещества измеряют в течение заданного периода времени, предпочтительно, на начальной стадии периода осаждения, т.е. когда в образце еще происходит осаждение крупных частиц, как обсуждалось выше.

На Фиг.2 показано изменение мутности как функции времени в осадительной емкости, работавшей в циклическом режиме, при этом каждый цикл включает период подачи свежего потока в осадительную емкость (отбор образца, клапан V2 открыт) и период осаждения осаждением (измерение и определение скорости осаждения, клапан V2 закрыт). Период осаждения осаждением, как правило, может длиться приблизительно от 1 до 1200 секунд и больше. Скорость осаждения (тангенс угла наклона как пунктирная линия на Фиг.2) обычно определяют в течение первых 1-240, предпочтительно, 1-120 секунд, тогда как отстоявшаяся мутность (S₁, S₂, S₃, S₄ на Фиг.2) может быть определена через 120-1200 секунд, в зависимости от свойств образца. Как правило, имеет место от 1 до 20 периодов измерений/ч.

Скорость осаждения может быть определена как средняя скорость осаждения в течение периода времени от заданной более высокой величины мутности до заданной более низкой величины мутности в диапазоне, соответствующем требуемому размеру частиц (например, от 700 до 400 NTU), или, в качестве альтернативы, в течение заданного периода времени, начинающегося от определенного момента после начала периода осаждения осаждением.

Изобретение относится к способу и системе для мониторинга в режиме реального времени свойств водного потока технологического процесса. Способ включает обеспечение исходного водного раствора, происходящего из указанного процесса, при этом водный поток содержит твердые вещества, имеющие первые характеристики осаждения; добавление модифицирующего агента в исходный водный раствор со скоростью добавления, достаточной для получения модифицированного водного потока, содержащего твердое вещество, имеющее вторые характеристики осаждения, отличные от первых характеристик осаждения; отбор образца исходного водного раствора или модифицированного водного потока, любой комбинации потоков, включающей модифицированный водный поток или любую часть модифицированного водного потока, периодически с места отбора проб в осадительную камеру, имеющую объем; и измерение характеристик осаждения твердого вещества в образце локально в осадительной емкости как функции времени. Изобретение может быть использовано для эффективного мониторинга и, необязательно, регулирования степени агломерации процесса получения целлюлозной массы и бумаги или картона. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ мониторинга характеристик водного потока в режиме реального времени в промышленном процессе, таком как процесс получения целлюлозной массы или бумаги или картона, в котором
- получают исходный водный поток, происходящий из промышленного процесса, содержащий твердое вещество, имеющее первые характеристики осаждения;
- в исходный водный поток добавляют модифицирующий агент в количестве, достаточном для получения модифицированного водного потока, содержащего твердое вещество, имеющее вторые характеристики осаждения, отличные от первых характеристик осаждения;
- направляют образец исходного водного потока или модифицированного водного потока, любого комбинированного потока, включающего модифицированный водный поток или любую часть модифицированного водного потока, периодически от точки отбора образцов в осадительную емкость, имеющую объем;
- оставляют образец осаждаться в осадительной емкости, одновременно и локально измеряя характеристики осаждения твердого вещества путем измерения содержания твердого вещества или мутности образца, или количества суспендированных твердых веществ или консистенции твердого вещества в образце как функции времени,
- при необходимости, в зависимости от измеренных характеристик осаждения твердого вещества в образце, изменяют добавляемое количество и/или тип, и/или точку добавления модифицирующего агента.

2. Способ по п. 1, включающий определение скорости осаждения твердого вещества образца на основе указанного измерения.

3. Способ по п. 1, включающий определение времени осаждения твердого вещества в образце или времени, необходимого для достижения образцом заданной величины мутности, на основе указанного измерения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу образца исходного водного потока или модифицированного водного потока в осадительную емкость осуществляют путем отделения в точке отбора образцов бокового потока, имеющего скорость потока меньше скорости потока водного потока или модифицированного водного потока, комбинированного потока или части потока, соответственно, и подачи бокового потока в осадительную емкость.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перед указанным измерением боковой поток перекрывают с помощью клапана в боковом потоке.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модифицирующий агент включает коагулянты и/или флокулянты, пассивирующие реагенты, поверхностно-активные вещества, диспергирующие агенты, удерживающие добавки, проклеивающие агенты, биоциды, ферменты или любую комбинацию этого, и, предпочтительно, его выбирают из солей или анионных, неионных и катионных полиэлектролитов одно- или многовалентных катионов, таких как натрий, кальций, магний, железо, алюминий, природных продуктов, таких как крахмал, полусинтетических полимеров, таких как катионный крахмал, и синтетических полимеров, таких как акриловые полимеры, полиамины, полиэтиленоксиды и аллиловые полимеры, бентонит, коллоидный диоксид кремния, или их смесей.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердое вещество включает неорганические пигменты, наполнители и/или осадки, органические соединения, полимеры, биологические материалы и их комбинации, в частности пек, латекс, липкие вещества или их комбинации.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное твердое вещество присутствует в образце в суспендированной и/или коллоидной, и/или осажденной форме.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на основании определенной скорости осаждения твердого вещества в образце модифицирующий агент добавляют в количестве, достаточном для поддержания скорости осаждения ниже заданного уровня, такого как менее 750 нефелометрических единиц мутности/с.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что точка отбора образцов находится в модифицированном водном потоке.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что точка отбора образцов находится в исходном водном потоке.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный процесс представляет собой процесс получения бумаги, а указанная точка отбора образцов находится в водном циркуляционном потоке бумаго- или картоноделательной машины, предпочтительно, в трубопроводе оборотной воды бумагоделательной машины.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что точка отбора образцов находится в питающем трубопроводе целлюлозной массы или бумажного брака бумаго- или картоноделательной машины.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадии отбора образцов и измерения характеристик осаждения твердого вещества в образце осуществляют в повторяющемся режиме циклически.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что цикл повторяют от 1 до 20 раз/ч.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что характеристики осаждения определяют в осадительной емкости в течение первых 180 секунд осаждения.

17. Способ по п. 3, отличающийся тем, что скорость осаждения определяют на основании характеристик осаждения в течение заданного периода, начиная от заданной величины мутности или времени после начала осаждения, или в течение неизвестного периода времени, начиная от заданной более высокой величины мутности до заданной более низкой величины мутности.

18. Способ по п. 2, отличающийся тем, что скорость осаждения определяют на основании характеристик осаждения в течение заданного периода, начиная от заданной величины мутности или времени после начала осаждения, или в течение неизвестного периода времени, начиная от заданной более высокой величины мутности до заданной более низкой величины мутности.

19. Способ по п. 9, отличающийся тем, что скорость осаждения определяют на основании характеристик осаждения в течение заданного периода, начиная от заданной величины мутности или времени после начала осаждения, или в течение неизвестного периода времени, начиная от заданной более высокой величины мутности до заданной более низкой величины мутности.

20. Способ по п. 1, отличающийся тем, что характеристики осаждения измеряют в течение первого временного интервала осаждения, в котором преобладают твердые частицы, имеющие размер больше, чем средний размер частиц указанного твердого вещества в образце.

21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что характеристики осаждения измеряют в течение первого временного интервала осаждения, когда мутность образца по меньшей мере на 20% выше, чем мутность в конце цикла осаждения.

22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что скорость осаждения твердого вещества в образце определяют путем расчета производной по времени или тангенса угла наклона между по меньшей двумя моментами времени от измеренного значения указанных характеристик осаждения.

23. Способ по любому из пп. 20-22, отличающийся тем, что отстоявшуюся мутность образца измеряют во второй временной интервал осаждения, когда мутность образца менее чем на 50% выше мутности в конце цикла осаждения.

24. Способ по п. 20, отличающийся тем, что скорость осаждения и/или отстоявшуюся мутность используют для определения необходимости изменения добавляемого количества и/или типа, и/или точки добавления модифицирующего агента.

25. Способ по п. 20, отличающийся тем, что скорость осаждения и/или отстоявшуюся мутность используют для опережающего контроля и/или контроля с обратной связью количества и/или точки добавления модифицирующего(их) агента(ов).

26. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время измерения характеристик осаждения консистенция твердого вещества образца составляет 5 масс.% или менее.

27. Способ по п. 1, отличающийся тем, что характеристики осаждения образца измеряют, определяя содержание твердого вещества с помощью электромагнитного излучения.

28. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
- исходный водный поток содержит волокна,
- образец фильтруют для удаления волокнистого материала перед подачей его в осадительную емкость.

29. Система для мониторинга в режиме реального времени водного потока промышленного процесса, включающая
- средства для направленного перемещения исходного водного потока, содержащего твердое вещество, имеющее первые характеристики осаждения,
- средства для добавления количества модифицирующего агента в указанный исходный водный поток в точке добавления для изменения характеристик осаждения исходного водного потока с целью получения модифицированного водного потока, содержащего твердое вещество, имеющее вторые характеристики осаждения;
- средства для последовательной периодической подачи образцов исходного водного потока или модифицированного водного потока, любого комбинированного потока, включающего модифицированный водный поток или любую часть модифицированного водного потока, в качестве бокового потока, направляемого из указанного исходного или модифицированного водного потока в осадительную емкость,
- средства для измерения локально в осадительной емкости характеристик осаждения твердого вещества в образцах, таких как содержание твердого вещества или мутность образца, или количество суспендированных твердых веществ или консистенция твердого вещества в образце как функции времени,
- при необходимости, средства для изменения добавляемого количества и/или типа модифицирующего агента в зависимости от измеренных характеристик осаждения.

30. Система по п. 29, отличающаяся тем, что средства для измерения характеристик осаждения твердого вещества выполнены с возможностью периодического определения скорости осаждения твердого вещества образцов в по меньшей мере один момент времени или в течение временного интервала.

31. Система по п. 29 или 30, выполненная с возможностью осуществления способа по любому из пп. 1-28.