ES2299611T3 - Aparato y metodo para controlar la alcalinidad y el ph de un proceso industrial. - Google Patents

Abstract

Un aparato para controlar la alcalinidad, el pH y/o la dureza de un proceso industrial, que comprende un aparato adaptado para estar localizado fuera de una corriente de proceso principal de dicho proceso industrial, incluyendo dicho aparato medios de entrada, un reactor y medios de salida, y caracterizándose por tener - medios de entrada (2, 3, 4) para una sustancia básica, una sustancia ácida y agua, - medios de control regulados individualmente (6) para dichos medios de entrada (2, 3, 4), - un reactor (1) para hacer reaccionar dicha sustancia básica, dicha sustancia ácida y dicha agua a fin de proporcionar una alcalinidad y/o pH predefinidos en la mezcla acuosa de tamponamiento resultante, y - medios de salida (9) para suministrar dicha mezcla acuosa de tamponamiento a dicha corriente de proceso principal a fin de controlar dicho proceso industrial.

Description

Aparato y método para controlar la alcalinidad y el pH de un proceso industrial.

La presente invención se refiere a un aparato y un método para controlar la alcalinidad, el pH y/o la dureza de un proceso industrial.

La alcalinidad es una medida de la capacidad de tamponamiento de un sistema acuoso, es decir la capacidad para evitar los cambios de pH. La misma puede considerarse también como una capacidad para aceptar iones H^{+} u OH^{-}. La capacidad de tamponamiento permite la adición de sustancias ácidas y básicas a un sistema acuoso sin cambios importantes en el pH. Las cantidades de bases y ácidos que pueden añadirse sin afectar al pH dependen de la fuerza y cantidad de la base y el ácido así como de la cantidad de alcalinidad. Muchos procesos industriales carecen de la alcalinidad suficiente necesaria para operar adecuadamente.

Una alcalinidad alta impide las variaciones perjudiciales de pH causadas por adición de materias primas que tienen valores de pH diferentes. Los cambios de pH pueden causar v.g. precipitaciones y disoluciones no deseadas en un proceso industrial.

Generalmente, la alcalinidad es resultado de las cantidades de iones hidróxido, carbonato y bicarbonato en una solución acuosa de acuerdo con la ecuación: [alk] = [OH^{-}] + 2[CO_{3}^{2-}] + [HCO^{3-}] - [H^{+}] [sic]. La alcalinidad puede ser también resultado de amoníaco y las bases conjugadas de los ácidos fosfórico, silícico, bórico y ácidos orgánicos.

La alcalinidad puede expresarse como alcalinidad M o alcalinidad P, dependiendo de la determinación utilizada para el ensayo. La alcalinidad M se determina por titulación con ácido hasta el punto final del anaranjado de metilo (pH 4,5) y la alcalinidad M es el resultado principalmente de la concentración de iones bicarbonato. La alcalinidad P se determina por titulación con ácido hasta el punto final de la fenolftaleína (pH 8,3) y la alcalinidad P es resultado de las concentraciones de iones hidróxido y carbonato. La alcalinidad se expresa a menudo en unidades de mg/l de CaCO_{3} o mmol/l de CaCO_{3}.

La alcalinidad no debe confundirse con el pH, que es una medida de la concentración de iones H^{+} (pH = -log[H^{+}]).

En caso de que el sistema acuoso de un proceso industrial no tenga una capacidad de tamponamiento suficiente, el control y ajuste del pH pueden ser difíciles. Las cantidades de sustancias ácidas y básicas que se añadirán tienen que medirse muy cuidadosamente. Especialmente en el caso de que se utilicen ácidos o bases fuertes, cualquier sobredosificación causará fácilmente cambios de pH demasiado grandes.

Una alcalinidad adecuada es especialmente ventajosa v.g. en proceso para fabricación de pasta papelera o papel así como en los procesos de tratamiento de aguas.

En la producción de la pasta química, se produce generalmente una suspensión de pasta para producción de papel o pasta papelera en una denominada planta de fibra por operaciones de cocción, blanqueo, extracción y/o lavado, en las cuales el pH se cambia sustancialmente entre las operaciones unitarias y en las cuales generalmente no es deseable una alcalinidad alta. La pasta de fabricación de papel puede producirse también a partir de papel reciclado. Cuando la pasta ha sido tratada y está lista para ser procesada en hojas de pasta papelera o papel, la pasta papelera entra en la fábrica de papel. Dicha pasta papelera se denomina en esta memoria pasta de fabricación de papel para distinguirla de la pasta existente en la planta de fibra. En el tratamiento subsiguiente, la pasta de fabricación de papel se somete a diluciones con agua y a diversos ajustes finos con productos químicos. La pasta de fabricación de papel puede producirse también a partir de virutas por refino o molienda. Una pasta de fabricación de papel de este tipo se denomina pasta mecánica.

Una suspensión de pasta de fabricación de papel tiene una capacidad de tamponamiento inherente baja. Una mayor alcalinidad en la suspensión de pasta de papel sería ventajosa dado que muchas adiciones y tratamientos químicos que afectan al pH se efectúan durante el proceso de fabricación del papel. La fluctuación del pH, por otra parte, puede causar diversos problemas en el proceso, al igual que en el refino.

Una alcalinidad alta es ventajosa en la fabricación de papel v.g. si la pasta de fabricación de papel es ácida cuando entra en la preparación del stock y la circulación corta se ejecuta a un pH neutro o alcalino o ligeramente ácido. El pH se eleva y controla tradicionalmente de acuerdo con las necesidades por adición de hidróxido de sodio, NaOH. Sin embargo, NaOH es una base muy fuerte, lo que significa que sólo son necesarias cantidades pequeñas para ajustes del pH, teniendo también que diluirse el NaOH antes de la adición. El fabricante de papel podría enfrentarse también a una situación con pH variable de la pasta papelera de entrada, lo cual tiene un impacto negativo sobre la calidad del papel y la operatividad de la máquina del papel.

Una pasta de fabricación de papel en la cual las fibras han sido tratadas y están listas para ser utilizadas a fin de producir papel se denomina stock. A lo largo de la preparación del stock y la circulación larga y corta de la fábrica de papel, se añaden al papel cierto número de productos químicos y aguas de dilución, algunos de los cuales son ácidos y disminuyen por consiguiente el pH de la pasta. El fabricante de papel podría por tanto enfrentarse a un pH demasiado bajo en la circulación corta o en la preparación del stock, lo cual puede conducir a la disolución del carbonato de calcio utilizado como carga y/o pigmento y a problemas de formación de espuma debidos a una descomposición del carbonato de calcio que se disuelve. Podría, una vez más, verse obligado a ajustar el pH utilizando NaOH. El pH puede cambiar también en el refino o en las torres de almacenamiento debido a crecimiento microbiológico.

Cuando la pasta papelera se blanquea utilizando ditionito, el ditionito puede causar problemas cuando se oxida. Se forma ácido sulfúrico en las circulaciones de la máquina de papel, haciendo que el pH disminuya en el agua y en la pasta papelera.

En los procesos de tratamiento de aguas, una alcalinidad sustancial podría ser ventajosa en el procesamiento tanto del agua fresca como del agua residual. En el tratamiento del agua potable, una alcalinidad suficiente podría asegurar v.g. que el pH no varíe demasiado en el sistema de distribución del agua. Fluctuaciones demasiado grandes en el pH pueden causar v.g. corrosión en las tuberías debido a la variación en las condiciones de reducción-oxidación. La dureza inherente de las aguas naturales causa también problemas en el procesamiento.

En los tratamientos de aguas residuales, la alcalinidad y el pH del agua son importantes para la actividad biológica. Una alcalinidad suficiente podría asegurar que no se produzca una fluctuación excesiva en el pH. El pH no debería variar demasiado y debería mantenerse adecuado para la actividad biológica a fin de que el bioproceso transcurra adecuadamente.

En la técnica anterior, un vía para evitar fluctuaciones demasiado grandes del pH en los procesos industriales ha consistido en añadir al proceso bicarbonato de sodio disuelto, NaHCO_{3}. El NaHCO_{3} se disocia en los medios acuosos formando iones bicarbonato, HCO_{3}^{-}, que tienen capacidad de tamponamiento y por consiguiente contrarrestan cualquier cambio de pH. El NaHCO_{3} es un polvo sólido, que se suministra generalmente en las denominadas bolsas grandes, y la fábrica precisa espacio para manipulación, equipamiento para disolución y depósitos para almacenamiento. El trabajo con NaHCO_{3} es complicado cuando está en contacto con humedad o agua.

De acuerdo con WO 98/56988, el pH de una suspensión de pasta papelera en la preparación del stock de una máquina de papel se estabiliza por aumento de la alcalinidad de bicarbonato de la suspensión. Una combinación de hidróxido de sodio y dióxido de carbono proporciona un efecto de tamponamiento importante en la pasta. Sin embargo, pueden presentarse ciertas dificultades en la adición del hidróxido de sodio y el dióxido de carbono de acuerdo con la invención. Un pH local alto causado por la adición del dióxido de sodio puede causar precipitación de carbonato de calcio. Un pH alto puede disolver las sustancias extractivas, las cuales pueden precipitar en cualquier otro lugar del proceso. Un pH alto puede causar también amarilleo de la pasta papelera. Puede ser difícil también añadir suficiente dióxido de carbono al proceso.

En la técnica anterior, la adición de las sustancias básicas y ácidas necesarias en el proceso industrial se realiza usualmente por separado en puntos de dosificación especiales. El uso de sustancias básicas y ácidas requiere a menudo preprocesamiento, v.g. disolución y dilución, y equipo especial para ello antes que las sustancias se alimenten al proceso industrial. La selección de los puntos de dosificación depende del proceso industrial y los productos químicos en cuestión. Los puntos de dosificación de v.g. sustancias gaseosas deben seleccionarse cuidadosamente para obtener una presión, temperatura y consistencia de la pasta adecuadas. Puede no ser incluso posible alimentar sustancias gaseosas en los puntos necesarios del proceso industrial, o puede ser necesario equipo complejo.

Las cantidades de las sustancias básicas y ácidas necesarias tienen que medirse y determinarse por separado para cada proceso industrial, debido a condiciones de proceso variables. En el caso de que se utilizan ácidos y bases fuertes, las cantidades añadidas tienen que medirse de modo especialmente cuidadoso a fin de evitar cambios demasiado grandes de pH causados por dosificaciones excesivas. Las sustancias diluidas son más fáciles de añadir, pero la dilución propiamente dicha requiere un trabajo adicional.

Podría ser a menudo importante que los productos químicos ácidos o básicos necesarios en el proceso industrial pudieran añadirse sin afectar al pH del sistema.

Así pues, existe necesidad de una vía simple y segura para añadir sustancias ácidas y básicas en los procesos industriales a fin de controlar la alcalinidad, el pH y/o la dureza de un líquido en un proceso industrial.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un aparato que puede conectarse fácilmente a un proceso industrial a fin de añadir sustancias básicas y ácidas en el proceso industrial para controlar la alcalinidad y/o el pH y/o la dureza en puntos deseados. Otro objeto de la invención es proporcionar un aparato que permite la alimentación automática y precisa de las sustancias ácidas y básicas a un líquido del proceso industrial.

Otro objeto de la invención es proporcionar un método de controlar la alcalinidad y/o el pH de un proceso industrial.

Un objeto adicional de la invención es proporcionar un método de controlar la dureza del agua en un proceso industrial.

La invención de acuerdo con la presente solicitud de patente se define en las reivindicaciones adjuntas, cuyos contenidos se incluyen en esta memoria por referencia.

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Por consiguiente, la presente invención se refiere a un aparato y un método para controlar la alcalinidad de un proceso industrial por alimentación y mezcla automáticas del agua así como de sustancias básicas y ácidas al proceso.

La presente invención se refiere a un aparato para controlar la alcalinidad, el pH y/o la dureza de un líquido de un proceso industrial, en donde el aparato está adaptado para localizarse fuera de una corriente de proceso principal de un proceso industrial, e incluye medios de entrada, un reactor y medios de salida. El aparato incluye medios de entrada para una sustancia básica, una sustancia ácida y agua, medios de control regulados individualmente para los medios de entrada y un reactor para hacer reaccionar la sustancia básica, la sustancia ácida y el agua a fin de proporcionar una alcalinidad y/o pH previamente definidos en la mezcla acuosa de tamponamiento resultante. El aparato incluye también medios de salida para suministrar la mezcla acuosa de tamponamiento a la corriente del proceso principal a fin de controlar el proceso industrial.

La presente invención se refiere también a un método para controlar la alcalinidad, el pH y/o la dureza de un proceso industrial. El método comprende los pasos de proporcionar una sustancia básica y una sustancia ácida, sustancias que, en combinación, son capaces de formar iones de tamponamiento en un medio acuoso; introducir alimentaciones controladas reguladas individualmente de las sustancias básica y ácida así como agua en el reactor de un aparato localizado fuera de una corriente de proceso principal del proceso industrial; hacer que la sustancia básica y la sustancia ácida reaccionen en el agua para proporcionar una alcalinidad y/o pH previamente definidos en la mezcla acuosa de tamponamiento resultante; y suministrar la mezcla acuosa de tamponamiento a la corriente del proceso principal a fin de controlar el proceso industrial.

El aparato de acuerdo con la invención permite un control muy exacto de la alcalinidad. El mismo permite también un control exacto del pH. La invención permite adicionalmente el control de la dureza de cualquier vehículo acuoso del proceso industrial. El aparato es fácil de instalar en cualesquiera puntos de dosificación necesarios en un proceso industrial, dado que no existe necesidad alguna de alimentación directa de ácido y base al proceso. La adición de sustancias ácidas y básicas tiene lugar fuera del proceso principal en el aparato de la invención de modo automático y seguro sin manipulación complicada o reacción peligrosa entre las sustancias. La localización del aparato y los puntos de dosificación de la mezcla de tamponamiento preparada pueden determinarse libremente dependiendo del proceso industrial en cuestión.

Un aparato de acuerdo con la presente invención puede diseñarse de diversas formas a fin de adaptarse óptimamente al proceso industrial en cuestión. La estructura puede diseñarse dependiendo del proceso industrial en el que se utilice y teniendo en cuenta además las sustancias utilizadas en el aparato para preparar la mezcla de tamponamiento.

El aparato de acuerdo con la presente invención comprende un reactor que puede ser un reactor continuo o un reactor de lotes. Un reactor continuo permite un control continuo de la alcalinidad en el proceso industrial. En el caso de que se produzcan cambios en la alcalinidad o las condiciones del proceso, pueden realizarse ajustes automáticamente y sin retardo. Un aparato reactor del tipo de lotes puede hacerse funcionar cuando haya necesidad de ajustar la alcalinidad v.g. debido a condiciones especiales de proceso o de las materias primas. Un reactor del tipo de lotes puede alimentar también la mezcla de tamponamiento a un depósito en el que la mezcla de tamponamiento se alimenta continua y/o intermitentemente al proceso industrial.

La invención se describirá a continuación con mayor detalle haciendo referencia a los dibujos, en los cuales:

La Figura 1 describe una realización preferida de un aparato de acuerdo con la presente invención.

La Figura 2 presenta un dibujo esquemático de un proceso de fabricación de papel que tiene instalado un aparato de acuerdo con la presente invención.

En la realización preferida, el aparato representado en la Figura 1 tiene un reactor diseñado como un reactor tubular 1 que tiene un codo 11. El aparato comprende medios de entrada 2, 3, 4 para las sustancias básica y ácida y el agua, respectivamente. La entrada para la sustancia ácida comprende un tubo perforado más pequeño 5, localizado dentro del reactor tubular 1. El tubo perforado 5 tiene varias aberturas de entrada 7. Los medios de entrada 2, 3, 4 tienen cada uno medios de control separados 6. Los medios de control 6 están regulados individualmente por un dispositivo de control (no representado) que está conectado preferiblemente a un ordenador que regula el proceso principal. El aparato comprende también un medio de control y monitorización de la temperatura 8, un mezclador estático 10 y medios para tomar muestras 12 así como medios de salida 9.

La longitud del reactor tubular 1 se ajusta dependiendo del proceso industrial en el que se instale el mismo. Es importante que el reactor tubular 1 tenga una longitud que sea suficiente para permitir que la reacción entre las sustancias tenga lugar en condiciones controladas. El número de los codos 11 así como la forma y el tamaño del reactor tubular 1 se ajustan dependiendo de la longitud del reactor 1 y el espacio en el lugar en el que se instale el mismo.

Los medios de entrada 2, 3, 4 del aparato comprenden medios convencionales utilizados en procesos industriales, tales como válvulas. El medio de entrada para la sustancia básica y/o la sustancia ácida incluye también preferiblemente medios (no representados) para diluir y/o disolver la sustancia en agua a fin de proporcionar una solución acuosa controlada de dicha sustancia. Esto significa que incluso ácidos y bases concentrados o sustancias sólidas se utilizan preferiblemente en el aparato sin preprocesamiento alguno fuera del aparato. La dilución de una sustancia concentrada hasta una concentración apropiada o la disolución de una sustancia sólida tiene lugar preferiblemente en los medios de entrada correspondientes del aparato. En tales casos, no es necesaria etapa separada alguna para dilución y
disolución.

Los medios de entrada 2, 3 para la sustancia básica y la sustancia ácida, respectivamente, pueden comprender también una entrada para un gas que es capaz de formar una base o un ácido en un medio acuoso. Una entrada de este tipo es proporcionada v.g. por el tubo perforado 5 en la Figura 1 dentro del reactor tubular 1. El tubo perforado 5 alimenta la sustancia ácida al reactor 1 a través de un gran número de pasos continua y gradualmente y garantiza una adición segura de la sustancia ácida.

El medio de entrada 4 para agua es una entrada para el agua a utilizar en el aparato. El medio de entrada para agua no precisa aportarse por separado, sino que puede estar combinado en lugar de ello con el medio de entrada para la sustancia básica y/o ácida. En tal caso, el agua se alimenta al aparato desde el mismo punto que la sustancia básica o ácida. El aparato puede comprender también recipientes separados para pre-combinación de dicha sustancia básica y/o ácida con el agua. La mezcla diluida obtenida se combina luego con la otra sustancia en el reactor.

En una realización preferida de la invención, el aparato tiene varias, más preferiblemente dos o más, entradas para dicha sustancia básica y/o ácida y/o agua. Se prefiere la adición de algunas sustancias ácidas tales como dióxido de carbono por 3 a 10 pasos. En un aparato de tipo reactor tubular, las entradas están preferiblemente separadas a lo largo del reactor tubular. Esto permite la adición de las sustancias de tal manera que exista tiempo suficiente para que tenga lugar la reacción entre las sustancias añadidas antes de alimentar más sustancia al reactor.

En la realización preferida de acuerdo con la Figura 1, el tubo perforado 5, que está localizado dentro del reactor tubular 1, proporciona varias entradas. Varias aberturas 7 del tubo perforado 5 garantizan la adición continua y gradual de la sustancia ácida en el reactor 1. La longitud del tubo perforado 5 en relación con todo el reactor tubular 1, así como el número de las aberturas 7 se ajustan de acuerdo con la cantidad y el caudal de la sustancia ácida. El tubo perforado 5 se utiliza preferiblemente como entrada para una sustancia gaseosa tal como dióxido de carbono. Las aberturas 7 en el extremo distante del tubo 5 pueden ser mayores que el extremo de entrada a fin de compensar una caída de presión en el tubo.

Las alimentaciones de sustancia básica y ácida y la alimentación de agua en el aparato se controlan por los medios de control 6 para los medios de entrada 2, 3, 4. Los medios de control 6 se indican por recuadros en la Figura 1. Los medios de control 6 comprenden medios para monitorizar y ajustar el caudal de las sustancias básica y ácida necesarias en la reacción. El caudal se controla para asegurar una dosificación exacta de las sustancias. Por control de la cantidad de las sustancias básica y ácida alimentadas al reactor, se controla exactamente el equilibrio químico de la reacción y se obtienen una alcalinidad y un pH predefinidos en la mezcla acuosa de tamponamiento resultante. Se controlan y monitorizan también preferiblemente las concentraciones de las sustancias necesarias en el proceso. De este modo es posible evitar fallos debidos a cantidades y concentraciones erróneas en el aparato.

Los medios de control 8 indicados por un recuadro en el reactor 1 están diseñados para controlar las condiciones de reacción y la concentración de las sustancias en el aparato. El control del aparato asegura también un funcionamiento continuo y seguro del aparato. Los medios de control 8 pueden comprender cualesquiera medios convencionales para medir y analizar los parámetros necesarios tales como la temperatura. Los medios de control 8 pueden incluir también sistemas de alarma para situaciones anormales.

Los medios de salida 9 del aparato comprenden medios convencionales utilizados en procesos industriales. Los medios de salida 9 permiten el suministro de la mezcla de tamponamiento preparada en el aparato al proceso industrial.

Con objeto de asegurar una mezcladura apropiada de las sustancias en el aparato, el mismo comprende ventajosamente medios 10 para pulverización y/o agitación. Los mezcladores son preferiblemente mezcladores estáticos 10 tales como los descritos en la Figura 1. La mezcladura en el aparato es preferiblemente automática y constante, aunque la misma podría controlarse y monitorizarse por separado.

El aparato comprende también preferiblemente medios para enfriar las paredes de dicho reactor a fin de evitar que las sustancias tales como carbonato de calcio precipiten en las paredes. Los medios de control del aparato pueden comprender también medios para eliminación de la materia precipitada.

Un aparato de alcalinidad de acuerdo con la presente invención se conecta preferiblemente a un sistema de control y monitorización del proceso industrial o de la corriente del proceso principal. Así, el funcionamiento del aparato se controla y monitoriza simultáneamente con el proceso principal. El personal que opera el aparato de acuerdo con la presente invención no tiene que monitorizar el aparato por separado dado que el mismo funciona como parte del proceso principal. En los casos en que se proporciona dilución en el aparato, pueden utilizarse sustancias básicas y ácidas en el aparato sin preprocesamiento alguno.

En una realización preferida de la invención, el aparato está controlado por ordenador a fin de asegurar que la operación del aparato tenga lugar de manera controlada.

El aparato de acuerdo con la invención puede utilizarse en cualquier proceso industrial en el que exista necesidad de controlar la alcalinidad. El aparato puede estar diseñado de acuerdo con los requerimientos de cada proceso industrial. El aparato puede utilizarse v.g. en diversos puntos en un proceso para fabricación de papel o pasta papelera, por ejemplo en la preparación de stock, en las circulaciones de agua, en un filtro entre una fábrica de pasta papelera y una fábrica de papel o en el depósito de almacenamiento de papel averiado a reciclar. Es también posible utilizar un aparato de acuerdo con la invención en un proceso de tratamiento de aguas. El aparato es útil tanto en los tratamientos de aguas residuales como en los de agua fresca.

La Figura 2 describe un proceso de fabricación de papel en el cual el aparato 26 de acuerdo con la presente invención está conectado a un tornillo de dilución 23 después de un filtro 22. El funcionamiento del aparato en este tipo de caso se explica con mayor detalle en el Ejemplo 1.

Una persona con experiencia en la técnica es capaz de calcular la cantidad de alcalinidad necesaria en un proceso industrial a fin de mantener una capacidad de tamponamiento suficiente durante el proceso. La cantidad de alcalinidad necesaria depende v.g. de la cantidad y tipo de productos químicos alimentados al proceso industrial, los flujos de materias primas, la carga y la cantidad de pasta papelera.

El término "corriente del proceso principal", tal como se utiliza en la presente memoria descriptiva y las reivindicaciones, significa básicamente el flujo de materias primas combinadas desde el comienzo hasta la terminación de un proceso industrial. Sin embargo, una corriente del proceso principal puede designar también una corriente de materias primas distinta de las que proporcionan la alcalinidad de la invención, o puede designar circuitos y recirculaciones de fluidos del proceso tales como circulaciones del agua de proceso en diversos puntos del proceso industrial. El proceso industrial puede operar según una operación continua o de tipo de lotes, aunque se prefiere una operación continua.

La corriente de proceso principal de acuerdo con la invención es preferiblemente una corriente acuosa en un proceso industrial en el cual la o las materias primas fluyen desde el inicio hasta la terminación. La corriente del proceso principal puede ser también una corriente que conduce a o se separa del flujo de materias primas. La misma puede ser v.g. una suspensión acuosa de pasta papelera en una planta de fibras o en una máquina de papel o una corriente de agua que conduce a y/o se separa de dicha suspensión. La corriente del proceso principal puede ser también una suspensión de pasta papelera después de una etapa de blanqueo, en una preparación de stock, en una circulación larga o en una circulación corta. La misma puede comprender recirculaciones de agua de lavado o conexiones de agua fresca. La corriente del proceso principal puede ser también una corriente en un proceso de tratamiento de agua o agua residual.

Los términos "preparación de stock", "circulación larga" y "circulación corta" en la presente descripción tienen los significados definidos en Papermaking Science and Technology: Book 8, Papermaking Part 1, Stock Preparation and Wet End, compilador Hannu Paulapuro, Papet Oy, 2000 p. 125.

Una sustancia básica de acuerdo con la invención es una sustancia que actúa como una base en los entornos del proceso en cuestión. La sustancia básica puede medirse en una forma sólida, líquida o gaseosa y puede disolverse o diluirse en el aparato. La sustancia básica preferida es un hidróxido de metal alcalino, carbonato de metal alcalino, bicarbonato de metal alcalino, fosfato de metal alcalino, bifosfato de metal alcalino y/o fosfito de metal alcalino. Una sustancia básica preferida es hidróxido de sodio, carbonato de sodio, bicarbonato de sodio, fosfato de sodio, hidróxido de calcio, hidróxido de potasio, todos ellos líquidos o sólidos, o lejía verde o lejía blanca de un proceso de digestión de madera.

Una sustancia ácida es una sustancia que actúa como un ácido en los entornos del proceso en cuestión. La sustancia ácida puede ser también un gas que proporcione un ácido en un medio acuoso. Esto significa que la misma es una sustancia gaseosa que forma un ácido en medio acuoso, v.g. dióxido de carbono o dióxido de azufre gaseoso. El dióxido de carbono es un gas que se disuelve fácilmente en condiciones alcalinas, v.g. en agua o en una suspensión de pasta papelera formando ácido carbónico y/o iones bicarbonato de acuerdo con la reacción: CO_{2} + H_{2}O \leftrightarrow H_{2}CO_{3} \leftrightarrow H^{+} + HCO_{3}^{-}. A un pH elevado, especialmente mayor que 10, la reacción predominante es CO_{2} + 2 OH^{-} \leftrightarrow CO_{3}^{2-} + H_{2}O.

Una solución acuosa de una sustancia ácida puede denominarse también un ácido acuoso. Así, el dióxido de carbono es una sustancia ácida que forma un ácido acuoso. La sustancia ácida puede ser también un ácido orgánico o inorgánico, seleccionado preferiblemente de ácido sulfuroso, Alun, ácido fosfórico, ácido carbónico, ácido cítrico y ácido clorhídrico.

En el caso de que se utilice hidróxido de sodio o hidróxido de potasio, una sustancia ácida preferida es dióxido de carbono, dióxido de azufre, ácido sulfuroso, ácido carbónico o ácido fosfórico. La combinación más preferida es hidróxido de sodio y dióxido de carbono. Combinaciones preferibles de la sustancia básica y la sustancia ácida son v.g. una sal de carbonato o un fosfato y un ácido fuerte, tal como ácido clorhídrico o Alun.

Una solución acuosa controlada de una sustancia básica y/o una sustancia ácida significa una solución de la sustancia correspondiente que tiene una concentración específica. La solución puede prepararse previamente por separado a partir de una sustancia concentrada o sólida y alimentarse luego al aparato. Sin embargo, una ventaja del aparato es que la solución acuosa controlada puede producirse también automáticamente en el aparato. Por ejemplo, en el caso de que se utilice NaOH como la sustancia básica, el aparato comprende preferiblemente medios para diluir NaOH que tiene una concentración inicial v.g. de aproximadamente 30% a fin de proporcionar una solución de NaOH que tiene una concentración de 1-9% en peso, con preferencia aproximadamente 6%.

El agua utilizada en el aparato puede comprender agua bruta o agua separada de dicha corriente de proceso principal del proceso industrial. El agua puede derivarse v.g. de una corriente de agua que conduce a y/o que se separa de una suspensión de pasta papelera o stock de fabricación de papel. El agua puede comprender también una suspensión de pasta papelera diluida separada de dicho proceso principal. El agua puede ser también agua potable a tratar en un proceso de tratamiento de aguas. La alcalinidad del agua potable se eleva con preferencia inmediatamente antes de suministrar el agua al sistema de distribución de agua. La alcalinidad del agua residual se controla preferiblemente durante el tratamiento del agua residual.

La presente invención proporciona una mezcla acuosa de tamponamiento para uso en un proceso industrial. La mezcla se prepara en el aparato en la reacción entre la sustancia básica y la sustancia ácida, sustancias que, en combinación, son capaces de formar iones de tamponamiento que influyen en la alcalinidad de un medio acuoso. La mezcla acuosa de tamponamiento resultante tiene una alcalinidad predefinida que depende de la alcalinidad necesaria en el proceso industrial en cuestión. La mezcla acuosa de tamponamiento es capaz de proporcionar una alcalinidad elevada en el proceso industrial cuando se suministra al mismo.

La mezcla de tamponamiento de la invención se forma a partir de la sustancia básica, la sustancia ácida y el agua que se introducen de manera controlada en el aparato. La sustancia básica y la sustancia ácida reaccionan en el agua en el aparato proporcionando una alcalinidad predefinida en la mezcla acuosa de tamponamiento resultante. Los medios de control del aparato aseguran que la mezcla de tamponamiento tenga una alcalinidad y un pH deseados. La concentración de la sustancia básica se controla y monitoriza preferiblemente por medida v.g. de la densidad de la sustancia básica. La cantidad de la sustancia ácida alimentada al reactor se ajusta luego para obtener una alcalinidad y un pH deseados en la mezcla de tamponamiento resultante. La mezcla acuosa de tamponamiento resultante se suministra a la corriente de proceso principal del proceso industrial para controlar la alcalinidad y el pH de dicho proceso industrial.

El pH en el reactor se controla y monitoriza también, preferiblemente. El pH de la mezcla acuosa de tamponamiento resultante se controla de acuerdo con las necesidades del proceso industrial. En un proceso de fabricación de papel o pasta papelera, un pH preferido puede ser v.g. aproximadamente 6 a 10. Asimismo, la concentración de ion carbonato, la concentración de ion bicarbonato, la concentración de ion bicarbonato y/o la alcalinidad total o alcalinidad M pueden monitorizarse en el aparato. Así, la alcalinidad de la mezcla acuosa de tamponamiento resultante se ajusta a un valor específico predeterminado en el aparato. La mezcla de taponamiento acuosa resultante se suministra al proceso industrial para controlar la alcalinidad de la corriente de proceso principal.

La temperatura y la presión en el reactor se controlan y monitorizan preferiblemente en el aparato a fin de mantener las condiciones adecuadas para las reacciones entre al agua y las sustancias básica y ácida. La temperatura se controla preferiblemente debido a que las reacciones pueden ser fuertemente exotérmicas. Una temperatura demasiado alta puede causar un aumento en la presión o incluso una explosión.

La mezcladura de las sustancias se proporciona preferiblemente para asegurar una reacción apropiada y segura de las sustancias. En una reacción multietápica en la que se añade gradualmente ácido o base, la reacción previa debería completarse antes de la adición de cualquier cantidad nueva de sustancia. El aparato puede comprender medios para cierre rápido de las entradas en caso, v.g., de que la temperatura o la presión se hagan demasiado altas en el reactor.

En algunos casos, el agua utilizada en la reacción contiene iones calcio libres. Los iones calcio libres pueden causar problemas en muchos procesos, v.g. cuando los mismos precipitan con otros compuestos existentes en el proceso. Los iones calcio pueden conducir v.g. a una formación no deseada de incrustaciones en las paredes. En una realización preferida de la invención, es posible evitar la precipitación de carbonato de calcio en las paredes del reactor por refrigeración de las paredes de dicho reactor. Cualquier carbonato de calcio precipitado se mantendrá así en la solución y se alimentará como partículas sólidas al proceso principal con la mezcla de tamponamiento o, alternativamente, el mismo puede separarse de la mezcla. En el caso de que la dureza del agua sea alta, el agua puede tratarse a fin de reducir la dureza y la cantidad de iones calcio. El agua puede tratarse v.g. magnéticamente o por precipitación. Tales métodos están disponibles comercialmente.

En un proceso de fabricación de papel, podría ser ventajoso que cualesquiera iones calcio precipiten en el aparato. Especialmente, cuando la sustancia básica comprende NaOH que se pone en contacto con los iones calcio presentes en el agua, la alimentación subsiguiente de CO_{2} como la sustancia ácida precipitará los iones calcio como carbonato de calcio. El carbonato de calcio precipitado se alimentará al proceso de fabricación de papel y se fijará a las fibras en la suspensión de pasta papelera, retirándose así del agua circulante.

En una realización preferida de la invención, el aparato se utiliza para controlar la alcalinidad utilizando hidróxido de sodio como la sustancia básica y dióxido de carbono como la sustancia ácida. El hidróxido de sodio alimentado al aparato puede estar también concentrado. El hidróxido de sodio puede diluirse en caso necesario en el aparato antes de la introducción en dicho reactor. Una concentración preferida después de dilución es aproximadamente 1 a 9%, más preferiblemente, el NaOH se diluye hasta una concentración de aproximadamente 6%. La dilución del hidróxido de sodio puede realizarse en el extremo de entrada del reactor en un punto anterior a la introducción del dióxido de carbono, o bien el hidróxido de sodio puede prediluirse por separado.

En una realización preferida, el dióxido de carbono se introduce en al menos dos pasos separados, preferiblemente en 2 a 10 pasos separados. En el caso de que se utilice un reactor tubular, el dióxido de carbono se introduce preferiblemente en un reactor tubular de modo gradual, v.g. a través de un tubo perforado localizado en el interior del reactor tubular.

La invención se ilustra a continuación en unos cuantos ejemplos que no limitan la invención en modo alguno. Una persona experta en la técnica será capaz de utilizar el aparato de muchas maneras diferentes.

Ejemplo 1

Un aparato de acuerdo con la presente invención se ensayó en una fábrica de papel que tenía las características de proceso que se muestran en la Figura 2. El aparato 26 de la presente invención era un reactor tubular localizado fuera del proceso principal 20 de la fábrica de papel como se expone en la Figura 2. El aparato 26 estaba conectado al sistema de control y monitorización de la fábrica de papel.

El aparato 26 se utilizó para preparar una mezcla de tamponamiento que contenía iones sodio y bicarbonato por absorción de dióxido de carbono gaseoso 28 en una solución acuosa diluida 29 de hidróxido de sodio (aproximadamente 2%). El pH de la mezcla era aproximadamente 8,0. La alcalinidad de la mezcla era aproximadamente 500 mmol CaCO_{3}/l.

Una suspensión de pasta papelera 20 que comprendía una línea de abedul y tenía un pH de 5,0 se bombeó desde una torre de almacenamiento de una fábrica de pasta papelera 21 a un filtro 22 en la fábrica de papel. La consistencia de la suspensión de pasta papelera después del filtro era aproximadamente 30%. La mezcla de tamponamiento preparada en el aparato 26 se suministró a la suspensión de pasta papelera en un tornillo de dilución 23 después del filtro 22 en una cantidad de 6 kg/1000 kg de masa (basada en peso seco). La suspensión de pasta papelera se diluyó al mismo tiempo hasta una consistencia de aproximadamente 10% utilizando agua 30 adicionalmente a la mezcla de tamponamiento. La suspensión de pasta papelera resultante se bombeó a través de un tubo de caída 24 a una torre de almacenamiento de la fábrica de papel 25. El pH en la torre era aproximadamente 7,2 y la alcalinidad era 7 a 8 mmol CaCO_{3}/l.

La pasta papelera se retiró desde la torre de almacenamiento 25 al proceso de fabricación de papel 27 con una lejía blanca 31 que contenía CaCO_{3} procedente de la máquina de fabricación de papel subsiguiente que operaba a un pH de 8,0. Dado que el pH de la suspensión de pasta papelera se había elevado por la mezcla de tamponamiento hasta 7,5 y debido a la alcalinidad incrementada de la suspensión de pasta papelera, el CaCO_{3} en la lejía blanca se mantenía en forma sólida en la suspensión diluida resultante. En el caso de que no se hubiera utilizado mezcla de tamponamiento alguna, el CaCO_{3} se habría disuelto como consecuencia de la variación de pH que habría tenido lugar cuando la suspensión de pasta papelera a pH 5,0 se hubiera encontrado con la lejía blanca a pH 8,0. Como consecuencia de la alimentación de la mezcla de tamponamiento al proceso en el tornillo 23, la totalidad del proceso de fabricación de papel subsiguiente llegó a estabilizarse y la alcalinidad M de la lejía blanca se elevó desde 2,6 mmol CaCO_{3}/l a 4,5 mmol CaCO_{3}/l. La dureza de la lejía blanca disminuyó aproximadamente 30% desde 65 mg Ca/l a 28 mg Ca/l.

El procedimiento arriba mencionado se aplicó también a una línea de pino en la misma fábrica de papel. El procedimiento era el mismo excepto que la mezcla de tamponamiento se suministró al anillo de distribución del tubo de caída 24. Se obtuvieron resultados ventajosos similares al caso de la utilización en la línea de abedul.

Ejemplo 2

Un aparato de acuerdo con la invención se ensayó en la prevención de los cambios de pH en una torre de almacenamiento de papel averiado a reciclar causados por los ácidos orgánicos formados como consecuencia de la actividad microbiológica.

El papel averiado a reciclar procedente de varios lugares en un proceso de fabricación de papel se recogió en una torre de almacenamiento. Un aparato de acuerdo con la invención se conectó a un tubo de reciclamiento utilizado en la torre de almacenamiento para ayudar a la homogeneización del papel averiado a reciclar en la torre. Una solución de tamponamiento que tenía un pH de 7,5 se suministró intermitentemente en una cantidad de 5 kg NaHCO_{3}/1000 kg de masa (basada en peso seco) a la torre de reciclamiento. El pH del papel averiado a reciclar se mantuvo constante y no se observó disminución alguna en el pH a pesar de la actividad microbiológica.

Ejemplo 3

El agua contenida en un sistema de suministro de aguas tenía una alcalinidad baja (0,2 mmol CaCO_{3}/l). La baja alcalinidad causaba fluctuaciones de pH en el sistema de suministro y esto, a su vez, causaba problemas de corrosión en las tuberías.

La alcalinidad del agua se aumentó con el aparato de acuerdo con la invención utilizando NaOH y CO_{2} hasta un valor de 1,0 mmol CaCO_{3}/l.

El pH del agua tamponada se mantenía constante en 7,0 y no se produjo problema de corrosión alguno en las tuberías.

Es evidente que la invención puede modificarse de un gran número de maneras que son obvias para los expertos en la técnica sin desviarse del alcance de las reivindicaciones.

Claims (32)

1. Un aparato para controlar la alcalinidad, el pH y/o la dureza de un proceso industrial, que comprende un aparato adaptado para estar localizado fuera de una corriente de proceso principal de dicho proceso industrial, incluyendo dicho aparato medios de entrada, un reactor y medios de salida, y caracterizándose por tener

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medios de entrada (2, 3, 4) para una sustancia básica, una sustancia ácida y agua,

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medios de control regulados individualmente (6) para dichos medios de entrada (2, 3, 4),

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un reactor (1) para hacer reaccionar dicha sustancia básica, dicha sustancia ácida y dicha agua a fin de proporcionar una alcalinidad y/o pH predefinidos en la mezcla acuosa de tamponamiento resultante, y

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medios de salida (9) para suministrar dicha mezcla acuosa de tamponamiento a dicha corriente de proceso principal a fin de controlar dicho proceso industrial.

2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho proceso industrial es un proceso para fabricar papel o pasta papelera o un proceso de tratamiento de aguas para agua fresca o agua residual.

3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho aparato está conectado a un sistema de control y monitorización de dicho proceso industrial o dicha corriente del proceso principal.

4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos medios de entrada (2) para una sustancia básica comprenden una entrada para base sólida o líquida seleccionada preferiblemente de hidróxido de sodio, carbonato de sodio, bicarbonato de sodio, fosfato de sodio, hidróxido de calcio, hidróxido de potasio y/o lejía verde o lejía blanca y dichos medios de entrada (3) para una sustancia ácida comprenden una entrada para dióxido de carbono o dióxido de azufre o para un ácido orgánico o inorgánico líquido, seleccionado preferiblemente de ácido sulfuroso, Alun, ácido fosfórico, ácido carbónico, y ácido clorhídrico.

5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos medios de entrada (2, 3) incluyen medios para diluir y/o disolver la sustancia básica y/o ácida en agua a fin de proporcionar una solución acuosa controlada de dicha sustancia básica y/o ácida.

6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos medios de entrada (3) para una sustancia ácida comprenden una entrada (5) para ácido líquido o para un gas que es capaz de formar un ácido en un medio acuoso.

7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual dichos medios de entrada (2) para una sustancia básica comprenden una entrada para hidróxido de sodio diluido y dichos medios de entrada (3) para una sustancia ácida comprenden una entrada (5, 7) para dióxido de carbono gaseoso.

8. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos medios de entrada para agua (4) comprenden una entrada para agua o una suspensión diluida de pasta papelera separada de dicha corriente de proceso principal.

9. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicha entrada para agua está combinada con dicha entrada (2, 3) para una sustancia básica y/o dicha entrada para una sustancia ácida.

10. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos medios de control de entrada (6) comprenden medios para monitorización y ajuste del flujo y/o la concentración de dichas sustancias básica y ácida y el flujo del agua a fin de proporcionar dicha alcalinidad predefinida.

11. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho aparato comprende un reactor continuo o un reactor de lotes.

12. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho reactor comprende un reactor tubular (1) que tiene una longitud que es suficiente para permitir que la reacción entre dichas sustancias tenga lugar de una manera controlada.

13. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 12, en el cual dicho reactor tubular (1) comprende varias entradas para dicha sustancia básica y/o ácida y/o agua.

14. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 12, en el cual dicho reactor tubular (1) incluye dos o más entradas (7) para dicha sustancia ácida, estando dichas entradas separadas a lo largo del reactor tubular.

15. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho reactor comprende medios de control (8) para controlar un parámetro seleccionado de temperatura, presión, cantidad y velocidad de flujo, mezcladura y pH.

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16. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 15, en el cual dichos medios de control del reactor (8) comprenden medios para refrigeración de las paredes de dicho reactor a fin de evitar que precipite carbonato de calcio en las paredes.

17. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho reactor comprende medios de control (8) para eliminación de la materia precipitada.

18. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho aparato está adaptado para localizarse fuera y conectado a dicha preparación de stock, una tubería de circulación de agua, una circulación corta, un filtro entre una fábrica de pasta papelera y una fábrica de papel, un depósito de almacenamiento de papel averiado a reciclar y/o una tubería de filtrado claro en un proceso de fabricación de papel.

19. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho aparato comprende un depósito para dicha mezcla de tamponamiento.

20. Un método para controlar la alcalinidad, el pH y/o la dureza de un proceso industrial, comprendiendo dicho método

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proporcionar una sustancia básica y una sustancia ácida, sustancias que, en combinación, son capaces de formar iones de tamponamiento que influyen en la alcalinidad de un medio acuoso;

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introducir alimentaciones controladas reguladas individualmente de dichas sustancias básica y ácida así como agua en el reactor de un aparato localizado fuera de una corriente de proceso principal de dicho proceso industrial;

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hacer que dicha sustancia básica y dicha sustancia ácida reaccionen en dicha agua para proporcionar una alcalinidad y/o pH predefinidos en la mezcla acuosa de tamponamiento resultante;

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suministrar dicha mezcla acuosa de tamponamiento a dicha corriente de proceso principal para controlar dicho proceso industrial.

21. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual dicho proceso industrial es un proceso para fabricar papel o pasta papelera o un proceso de tratamiento de aguas o aguas residuales.

22. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual dicha corriente de proceso principal comprende una suspensión acuosa de pasta papelera en un proceso de fabricación de papel o una corriente de agua que conduce a y/o se ha separado de dicha suspensión.

23. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual dicha sustancia básica comprende un hidróxido de metal alcalino, un carbonato de metal alcalino, un bicarbonato de metal alcalino, un fosfato de metal alcalino, un bifosfato de metal alcalino y/o un fosfito de metal alcalino y/o lejía verde o lejía blanca y dicha sustancia ácida comprende dióxido de carbono o dióxido de azufre gaseosos o un ácido orgánico o inorgánico líquido, seleccionado preferiblemente de ácido sulfuroso, Alun, ácido fosfórico, ácido carbónico y ácido clorhídrico.

24. Un método de acuerdo con la reivindicación 23, en el cual dicha sustancia básica comprende hidróxido de sodio y dicha sustancia ácida comprende dióxido de carbono.

25. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual dicho dióxido de carbono se introduce en un reactor tubular en al menos dos pasos separados, preferiblemente en más de dos pasos, muy preferiblemente en 3 a 10 pasos o más.

26. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual dicha agua comprende agua de proceso separada de dicha corriente de proceso principal y/o agua que conduce a dicha corriente de proceso principal.

27. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual dicha agua contiene iones calcio, y las paredes de dicho reactor se refrigeran a fin de impedir que precipite carbonato de calcio en las paredes, y porque cualquier materia precipitada se retira opcionalmente de la mezcla de tamponamiento antes de suministrar la misma a dicha corriente de proceso principal.

28. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual la temperatura, la presión, la mezcladura y/o el pH de dicha reacción y/o el flujo de dichas sustancias se monitoriza.

29. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual el pH de dicha mezcla acuosa de tamponamiento se controla a aproximadamente 6 hasta 10.

30. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual dicha agua se trata a fin de reducir la dureza del agua.

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31. Un método de acuerdo con la reivindicación 30, en el cual dicha agua se trata magnéticamente o por precipitación.

32. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual dicho proceso industrial se controla a fin de retener el carbonato de calcio en forma sólida.