ES2909730T3 - Método y sistema para supervisar las propiedades de una corriente acuosa - Google Patents
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Abstract
Un método para supervisar en línea las propiedades de una corriente acuosa en un proceso de fabricación de pasta, papel o cartón, comprendiendo el método - proporcionar una corriente acuosa inicial procedente de dicho proceso, mostrando la corriente acuosa la corriente acuosa que contiene materia sólida un primer comportamiento de sedimentación; - añadir agente modificador a la corriente acuosa inicial a una tasa de adición suficiente para proporcionar una corriente acuosa modificada que contiene materia sólida que muestra un segundo comportamiento de sedimentación diferente del primer comportamiento de sedimentación; - conducir una muestra de la corriente acuosa inicial o de la corriente acuosa modificada, cualquier corriente combinada que comprenda la corriente acuosa modificada o cualquier subcorriente de la corriente acuosa modificada, de manera discontinua, desde un punto de muestreo hasta un recipiente de sedimentación que tenga un volumen; - permitir que la muestra sedimente en el recipiente de sedimentación y medir simultáneamente el comportamiento de sedimentación de la materia sólida en la muestra localmente en el recipiente de sedimentación en función del tiempo; - dependiendo del comportamiento de sedimentación determinado de la materia sólida en la muestra, cambiando la tasa de adición y/o el tipo y/o el punto de adición del agente modificador, caracterizado por que el comportamiento de sedimentación se determina determinando en NTU/s la velocidad de sedimentación de dicha materia sólida midiendo la turbidez de la muestra localmente en el recipiente de sedimentación en función del tiempo durante los primeros 180 segundos de sedimentación, permitiendo que la muestra sedimente aún más en el recipiente de sedimentación y determinando después en NTU la turbidez sedimentada de la muestra, basándose en la velocidad de sedimentación determinada de la materia sólida en la muestra y la turbidez sedimentada determinada de la muestra, añadiendo el agente modificador en un punto de adición del proceso de fabricación en una cantidad suficiente para mantener la velocidad de sedimentación por debajo de un nivel predeterminado, comprendiendo el método determinar la velocidad de sedimentación en NTU/s y la turbidez sedimentada en NTU, midiendo la turbidez usando radiación electromagnética en el intervalo de longitudes de onda UV, visible o IR de un detector basado en radiación electromagnética, en donde dicho proceso es un proceso de fabricación de papel y dicho punto de muestreo está ubicado en una corriente de circulación acuosa de una máquina de papel o cartón, preferiblemente en la línea de agua blanca de la máquina de papel, o en donde el punto de muestreo está en la línea de alimentación de pasta o rechazos a una máquina de papel o cartón.
Description
DESCRIPCIÓN
Método y sistema para supervisar las propiedades de una corriente acuosa
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método y sistema de supervisión de las propiedades de una corriente acuosa en un proceso de fabricación de pasta o papel o cartón. El método comprende proporcionar una corriente acuosa procedente de dicho proceso, conteniendo la corriente acuosa materia sólida que muestra un primer comportamiento de sedimentación y añadir un agente modificador a la corriente acuosa para proporcionar una corriente acuosa modificada que tiene materia sólida que muestra un segundo comportamiento de sedimentación diferente del primer comportamiento de sedimentación. La materia sólida puede estar en la corriente acuosa en forma suspendida y/o coloidal y/o materia disuelta que puede precipitar.
Descripción de la técnica relacionada
Algunos ejemplos de corrientes acuosas que contienen cantidades significativas de materia sólida y/o materia disuelta que puede precipitar, incluyen flujos industriales, por ejemplo, corrientes en los procesos de fabricación de pasta y papel. Los flujos pueden comprender, por ejemplo, material delgado y grueso de un proceso de fabricación de papel/cartón y corrientes de agua. Las corrientes acuosas en los procesos de fabricación de pasta y papel contienen cantidades variables de material de fibra. Dependiendo del origen de la corriente acuosa, otra materia sólida puede ser orgánica o inorgánica o una combinación de las mismas. También puede incluirse alguna materia biológica. La concentración de materia sólida, incluida la materia disuelta precipitable, puede variar ampliamente. Habitualmente, oscila entre aproximadamente 0,1 y 30 % en peso del flujo acuoso.
Es común para muchas corrientes del tipo anterior que exista la necesidad de regular las propiedades de sedimentación de la materia sólida presente en forma suspendida, coloidal y/o precipitable en el agua. A continuación, todos estos tipos de materia se denominarán "materia sólida". Los agentes modificadores, tales como coagulantes, floculantes, productos químicos pasivantes, tensioactivos, agentes dispersantes, adyuvantes de retención, micropartículas, agentes de encolado y/o enzimas se utilizan habitualmente para dicha regulación.
Como ejemplo concreto, en muchas corrientes de un proceso de fabricación de pasta o de un proceso de fabricación de papel y cartón, es necesario controlar la cantidad, tamaño y/o naturaleza de la materia sólida presente en la corriente acuosa. Un objetivo importante de la gestión química es mantener una unión buena y uniforme de las partículas a las fibras y/o a la red de fibras y, por lo tanto, evitar la acumulación de materia sólida en las corrientes acuosas. Sin embargo, una parte de la materia sólida habitualmente permanece sin unir a las fibras cuando la suspensión de pasta se alimenta sobre el alambre, o cuando se forma la tela de fibra sobre el alambre. Por lo tanto, entran cantidades variables de materia sólida al sistema de agua de la máquina de papel. Esta materia sólida habitualmente contiene material inorgánico, orgánico y biológico procedente del agua no tratada, agua reciclada, fibras y rechazos revestidos, p. ej., brea natural y blanca, material adhesivo, material pegajoso, microbios, pigmentos y aglutinantes y aditivos. Entonces se desea mantener la materia sólida remanente uniformemente dispersada en agua para evitar su aglomeración o aglomeración incontrolada, ya que esto dará como resultado una mayor deposición y el consiguiente efecto sobre el funcionamiento de la máquina y la calidad del producto.
Aparte de la aglomeración de partículas en corrientes acuosas que contienen menos fibras, tal como el agua blanca de la máquina de papel, la aglomeración de partículas también puede tener lugar en flujos de pasta que tienen concentraciones de fibra más altas en tuberías, o en tanques en plantas de pasta y máquinas de papel, o en rechazos, o en la preparación de diferentes tipos de pastas, p. ej., pasta química, químico-mecánica o mecánica. A menudo, la aglomeración de partículas se debe a una gestión inadecuada de la química del proceso, p. ej., la dosificación inadecuada o sobredosis de agente(s) modificador(es) o química inadecuada. La interacción incontrolada entre las partículas de materia sólida y/o las fibras a menudo da como resultado una aglomeración que provoca una caída significativa en el número de partículas.
Las partículas aglomerantes y los aglomerados pueden ser hidrófobos o hidrófilos o una combinación de los mismos. La cantidad de microbios en la suspensión también puede ser alta: hasta 10 millones/ml o más, lo que también contribuye a la aglomeración.
Cuando el tamaño de las partículas en el sistema es lo suficientemente pequeño, normalmente esto no afecta negativamente a la capacidad de ejecución del proceso de fabricación de papel ni a la calidad del papel. El tamaño permitido depende del proceso y el equipo utilizado. Sin embargo, el aumento del tamaño de partícula suele generar problemas. Por ejemplo, la aglomeración de materia sólida puede conducir a una rápida sedimentación de la materia sólida y el consiguiente depósito sobre las superficies del equipo. A menudo, las partículas hidrofóbicas son más problemáticas en el proceso. La formación de depósitos también comete faltas, p. ej., alambres y fieltros, lo que perjudica la capacidad de funcionamiento del proceso de fabricación de papel. La aglomeración también deteriora incluso la unión de las partículas a las fibras y, en consecuencia, los defectos del papel se hacen más visibles.
Por lo tanto, se prefiere tener la materia sólida en el proceso en un tamaño y/o número deseado y/o con las propiedades superficiales deseadas. Esto se puede lograr controlando la cantidad de sustancias químicas modificadoras, tales como fijadores, en la corriente del proceso.
Por lo tanto, habitualmente, se añade(n) agente(s) modificador(es) en uno o varios puntos de adición a la corriente acuosa a una tasa de adición estimada como suficiente para cambiar las propiedades superficiales y/o la tendencia a la aglomeración de las partículas en las corrientes del proceso. Sin embargo, surge el problema de determinar la cantidad requerida y/o tipo(s) de producto(s) químico(s) modificador(es).
El rendimiento de los productos químicos modificadores normalmente se analiza sobre la base de pruebas de laboratorio simples como la turbidez y la demanda catiónica. El resultado obtenido es una suma de diferentes reacciones y no describe, p. ej., cambios en el tamaño de las partículas. Se dispone de sofisticados métodos de laboratorio, pero por lo general implican muchas etapas de preparación de muestras y, por lo tanto, son muy complicados y consumen mucho tiempo. Sin embargo, los métodos de laboratorio mencionados representan la calidad de las corrientes de proceso solo en un punto de tiempo.
Los dispositivos conocidos para medir las velocidades de sedimentación de los agregados de sedimentos cohesivos se discuten en A. Mantovanelli, P.V. Ridd, Journal of Sea Research 56 (2006) 199-226. Estos incluyen tubos de sedimentación manuales y columnas de sedimentación automáticas equipadas con sistemas de vídeo, instrumentos ópticos y láser y una balanza subacuática.
Otro problema es que, a menudo existen cambios rápidos de calidad en las corrientes de procesos acuosos. Por otro lado, los retrasos en el proceso debido a las corrientes circulantes y los largos ciclos de circulación pueden ser muy largos, incluso días. Esto da como resultado una dosis excesiva o insuficiente temporal de agentes modificadores con los consiguientes efectos sobre la calidad del papel (p. ej., más defectos en el papel debido a los depósitos) y la economía del proceso.
Solo existen unas pocas mediciones en línea para supervisar las corrientes acuosas y, opcionalmente, controlar la dosificación. El documento US 4279759 describe un método para controlar la tasa de alimentación de productos químicos para el tratamiento del agua en una corriente de proceso. En el método, se obtiene una corriente de muestra como corriente lateral de la corriente de proceso y se alimenta con una tasa constante a una columna de sedimentación, en la que la concentración de sólidos se determina de forma continua. El método requiere que se alimente una corriente continua a través de la columna de sedimentación a una tasa de alimentación adecuada. Por lo tanto, aunque el método ayuda en la supervisión en línea, su capacidad para determinar las propiedades de sedimentación de la muestra es bastante limitada.
El documento US 2004/0182138 describe un método para la caracterización ultrasónica de suspensiones de sedimentación. El método se basa en la determinación de un tiempo máximo de medición de la consistencia de las muestras. El método es más adecuado para muestras de alta consistencia (>10 % en peso) y para muestras precaracterizadas que comprenden partículas de un solo tamaño esencialmente (muestras monodispersas). Para consistencias más bajas y muestras polidispersas, se espera que la medición del tiempo pico dé resultados inferiores debido a la reducción de la sensibilidad. Otro inconveniente de la caracterización ultrasónica es que las ondas sonoras tienen un efecto sobre la temperatura y las oscilaciones de la muestra que pueden influir en sus propiedades de sedimentación.
Por tanto, existe la necesidad de un sistema de supervisión en línea para poder cambiar a tiempo las tasas de dosificación de productos químicos y/o la selección de productos químicos utilizados cuando cambia la calidad de las corrientes. En particular, existe una necesidad en los procesos industriales de métodos para la supervisión en línea y/o el control de la dosificación de productos químicos para flujos acuosos que contienen materia sólida. Tal necesidad existe, en particular, cuando se supervisan corrientes de proceso por el efecto de los productos químicos que afectan el tamaño de las partículas, aglomeración y/o interacciones de partículas de la materia sólida. Además, existe la necesidad de un método para controlar la dosificación de agentes modificadores que afectan al tamaño de las partículas, aglomeración y/o interacciones de partículas de la materia sólida o manejo del tamaño de partículas de la materia sólida en el proceso. De interés específico en la presente memoria son los procesos en los que las corrientes de proceso tienen largos tiempos de circulación o procesamiento, por lo que también los retrasos en la supervisión y/o control del proceso pueden ser muy largos. Por lo tanto, existe la necesidad de métodos de supervisión y/o control de retardo reducido.
El documento CH516329 describe un método para la precipitación de partículas suspendidas de la suspensión. El documento WO9417394 se refiere al control de procesos para deshidratación de suspensiones.
Compendio de la invención
Es un objetivo de la presente invención eliminar al menos una parte de los problemas relacionados con la técnica conocida y proporcionar un método y un sistema mejorados para la supervisión en línea de las propiedades de las corrientes acuosas de un proceso industrial, tal como las corrientes de circulación en un proceso de fabricación de papel o cartón.
En particular, es un objetivo de la invención proporcionar un método y un sistema para supervisar en línea el comportamiento de sedimentación de la materia sólida de una corriente de proceso acuosa y para regular la adición química para afectar el comportamiento de sedimentación de la materia sólida en la corriente.
Otro objetivo es proporcionar medios para estimar y, opcionalmente, reducir el riesgo de aglomeración en una corriente de proceso acuosa de una máquina de papel.
La presente invención se caracteriza por lo expuesto en las reivindicaciones independientes. Las realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.
La presente invención se basa en la idea de determinar un cambio local del comportamiento de sedimentación de partículas sólidas en pequeñas muestras tomadas del grueso de la corriente acuosa antes y/o después de la adición de la(s) sustancia(s) química(s) modificadora(s); basado en el comportamiento de sedimentación de la muestra, se pueden sacar conclusiones con respecto al grueso del gran flujo. La determinación puede realizarse por medición, preferiblemente de forma discontinua y secuencialmente en ciclos repetitivos.
El método según la invención permite supervisar los flujos acuosos mediante mediciones frecuentes y rápidas que describen el comportamiento de sedimentación de la materia sólida en las corrientes. La medida utilizada puede incluso utilizarse para describir o evaluar el tamaño medio de partícula de la muestra. El método puede incluso ser más informativo sobre la calidad de la corriente acuosa que representa el estado del proceso en comparación, p. ej., con medidas únicas de tamaño de partícula, dado que las mediciones del tamaño de las partículas a menudo excluyen factores importantes que afectan el comportamiento de sedimentación, tales como, p. ej., la forma y la densidad de las partículas.
La cantidad de interés determinada a partir de la muestra puede ser la velocidad de sedimentación de las partículas sólidas. Dependiendo del proceso y características de la materia sólida, la correlación entre el comportamiento de sedimentación medido, p. ej., la velocidad de sedimentación, se puede deducir el tamaño de partícula medio y/o el tamaño de partícula hidrofóbica.
Dependiendo de la velocidad de sedimentación determinada, se controla la tasa de adición del agente modificador añadido a la corriente acuosa inicial. Además o en lugar de la tasa de adición, se puede controlar el tipo de agente modificador.
La medida del comportamiento de sedimentación de la muestra comprende la medida de la turbidez de la muestra.
Basado en el comportamiento de sedimentación temporal de la materia sólida, se puede determinar, p. ej., uno o más de los siguientes: la velocidad de sedimentación de la materia sólida en la muestra, el tiempo de sedimentación de la materia sólida en la muestra, o el tiempo requerido para que la muestra alcance un valor de turbidez predeterminado.
Según una realización ventajosa, la velocidad de sedimentación de la materia sólida en la muestra se determina basándose en la medición. La velocidad de sedimentación depende de los cambios en función del tiempo. Esto se puede correlacionar con el tamaño medio de partícula de la muestra. Por lo tanto, se obtiene información del tamaño de partícula.
La velocidad de sedimentación se puede determinar como turbidez por unidad de tiempo (NTU/s) indicativa de la sedimentación de materia sólida en la muestra por unidad de tiempo, p. ej., la cantidad de materia sólida por unidad de tiempo.
Según una realización, el método comprende medir el contenido de materia sólida o turbidez de la muestra o la cantidad de sólidos en suspensión o la consistencia en la muestra en función del tiempo y, basándose en dicha medición, determinar la velocidad de sedimentación o el tiempo de sedimentación de la materia sólida en la muestra o el tiempo requerido para que la muestra alcance un valor de turbidez predeterminado. Además, dichas mediciones se llevan a cabo en una primera región de sedimentación temporal durante la cual la turbidez de la muestra es al menos un 20 % mayor que la turbidez al final del ciclo de sedimentación. Durante esta región, se permite que la muestra sedimente sin perturbaciones. Según una realización, la velocidad de sedimentación de la muestra se determina al menos en un momento de tiempo o durante un lapso de tiempo calculando una derivada temporal de dicha medición o pendiente entre al menos dos momentos de tiempo en dicha primera región de sedimentación. En consecuencia, la velocidad de sedimentación se puede determinar de forma fiable.
Según una realización, la turbidez sedimentada de la muestra se mide después de la medición de la velocidad de sedimentación, habitualmente en una segunda región de sedimentación temporal durante la cual la turbidez es menos del 50 % más alta que la turbidez al final del ciclo de sedimentación. La velocidad de sedimentación y la turbidez sedimentada caracterizan bien la corriente en muchos casos y brindan información adicional para mejorar el control del proceso.
Habitualmente, la velocidad de sedimentación en la primera región de sedimentación es al menos el doble en comparación con la velocidad de sedimentación en la segunda región de sedimentación.
El presente método se aplica adecuadamente en algunas realizaciones preferidas para corrientes acuosas, preferiblemente polidispersas, cuya consistencia es inferior o igual al 5 % en peso o inferior o igual al 2 % en peso. El presente método se aplica más adecuadamente para corrientes acuosas polidispersas cuya consistencia es del 1 % en peso o menos.
La medición local del contenido de materia sólida de la muestra es beneficiosa ya que el contenido de materia sólida generalmente obedece a la fórmula f(x,y,z,t) donde x, y son las coordenadas espaciales horizontales y z las verticales dentro del recipiente de sedimentación y t es el tiempo. "Local", en este contexto, significa que los datos de medición se recopilan solo de una determinada región en el recipiente de sedimentación (en las proximidades de un cabezal de sensor utilizado), siendo el volumen de la región menor que el volumen del recipiente de sedimentación. Preferiblemente, la medición se realiza sustancialmente en el mismo lugar con referencia a la dirección del eje vertical del recipiente de sedimentación. La medición del comportamiento de sedimentación en función del tiempo significa que la medición se realiza al menos en dos momentos diferentes. Por ejemplo, el contenido de materia sólida o la turbidez de la muestra se miden en al menos dos puntos de tiempo. La transformación matemática de los datos medidos o de una parte de los mismos, p. ej., el logaritmo o la derivada y/o la pendiente, se puede utilizar para determinar los parámetros que describen el comportamiento de sedimentación de la materia sólida. Además, basándose en las mediciones en función del tiempo, se puede usar un valor o valores separados de cada una de las mediciones secuenciales de datos para fines de supervisión.
La selectividad del presente método para las partículas en cuestión se ve afectada, por ejemplo, por el lapso de tiempo de la medición, la ubicación de la medición y por las especificaciones del dispositivo de medición utilizado (tales como la longitud de onda de radiación de un detector óptico o de microondas).
En particular, la velocidad de sedimentación de la materia sólida en la muestra, que no es constante en el tiempo debido a que la muestra contiene una distribución de partículas con diferentes tamaños y propiedades de sedimentación, se determina en la fase inicial del proceso de sedimentación. La muestra en el recipiente de sedimentación muestra una primera región de sedimentación temporal con una primera velocidad de sedimentación (dominada por partículas sólidas que tienen un tamaño mayor que el tamaño promedio de dicha materia sólida en la muestra) y una segunda región de sedimentación temporal con una segunda velocidad de sedimentación más pequeña que la primera velocidad de sedimentación (dominada por partículas sólidas que tienen un tamaño menor que el tamaño promedio de dicha materia sólida). La medición del comportamiento de sedimentación se realiza preferiblemente en la primera zona temporal de sedimentación. Mediante tal disposición, se obtiene información sobre las partículas más grandes que son probablemente las más perjudiciales para el proceso industrial en cuestión. La velocidad de sedimentación se determina durante la primera región de sedimentación del ciclo de sedimentación, En particular, la velocidad de sedimentación se determina durante la primera mitad del ciclo de sedimentación, que, según la invención, significa los primeros 180 segundos del ciclo de sedimentación.
Cabe señalar que el agente modificador se puede añadir a la corriente acuosa en una etapa del proceso muy diferente a la etapa de donde se toma la muestra. Por lo tanto, la corriente puede ser tratada de cualquier manera química, mecánica o física entre estas etapas. De manera alternativa o además de eso, la corriente puede combinarse con cualquier otra corriente de proceso y/o dividirse en una subcorriente más pequeña entre estas etapas.
Según la invención reivindicada, en un proceso de fabricación de papel o cartón, la corriente acuosa a la que se añade el agente modificador puede ser una corriente de rechazos, una corriente de pasta química, una corriente de pasta mecánica, una corriente de pasta químico-mecánica, una corriente de pasta reciclada, una corriente de aguas blancas u otra corriente de agua de circulación interna, y el muestreo se puede realizar en cualquiera de sus corrientes combinadas o en una subcorriente dividida de la corriente inicial o corriente combinada. Los agentes modificadores también se pueden añadir durante o antes de la preparación de las pastas.
Es más, el mismo o algún otro tipo de agente(s) modificador(es) puede(n) añadirse adicionalmente en etapas intermedias entre el punto de adición inicial y el punto de muestreo.
Según una realización, la muestra se toma de una corriente de circulación acuosa, p. ej., agua blanca o agua de alambre en una máquina de papel o cartón que se utiliza para diluir pasta gruesa alimentada a la caja de entrada de la máquina de papel o cartón. La corriente finalmente circula a la caja de entrada de la máquina de papel o cartón. En tal corriente, así como otras corrientes a las que se puede aplicar la invención, la materia sólida puede comprender pigmentos inorgánicos, cargas y/o precipitados, compuestos orgánicos y polímeros y materia biológica y combinaciones de los mismos, en particular brea, látex, materiales adhesivos o una combinación de los mismos.
Como se discutió anteriormente, el presente método es más adecuado para corrientes de consistencia relativamente baja. Sin embargo, la muestra también se puede tomar de una corriente acuosa que contiene cantidades variables, también altas, de materia sólida. Si la muestra se toma de una muestra que contiene una gran cantidad de fibras, la muestra preferiblemente se filtra y/o tamiza para obtener una muestra sustancialmente libre de fibras a partir de la cual el contenido de materia sólida es más fácil de medir. Después de la filtración o tamizado, la consistencia es preferiblemente del 5 % en peso o menos, en particular 2 % en peso o menos, lo más adecuadamente 1 % en peso o menos.
En una realización preferida, más del 50 % en peso de materia sólida en la muestra filtrada consiste en materia sólida no fibrosa.
Se pueden obtener ventajas considerables mediante la invención. Por lo tanto, en general, la velocidad de sedimentación es un parámetro eficiente para controlar la alimentación y/o el tipo de agente(s) de modificación. Cuando las partículas más grandes en la corriente son de interés, la medición se puede realizar muy rápidamente al comienzo del ciclo de sedimentación y la aglomeración se puede predecir sin retrasos excesivos.
El muestreo y la medición discontinua en los que se permite que la muestra sedimente sin perturbaciones permite evaluar tanto las partículas pequeñas como las grandes en la muestra, a diferencia de los métodos de la técnica anterior en los que el flujo de la muestra es continuo o la muestra se mezcla durante la medición. En esta invención también, la medición puede ser continua durante cada ciclo de sedimentación para obtener información temporal y dependiente del tamaño de las partículas sobre la sedimentación, pero la muestra no es un flujo continuo sino un lote representativo de una corriente de proceso inicial, cuyo comportamiento se mide entonces. En efecto, en algunas realizaciones de la invención, los datos se obtienen de al menos dos regiones temporales de sedimentación que están dominadas por partículas de diferentes tamaños. Esto permite un mejor control del proceso, incluyendo el control químico. El control químico puede incluir la selección de sustancia(s) química(s) modificadora(s) adecuada(s) y/o el control de la cantidad y/o punto(s) de adición de la(s) sustancia(s) química(s).
Al controlar la concentración de materia sólida en las corrientes acuosas de los procesos de fabricación de pasta y papel, con las cantidades correctas de agente(s) modificador(es), la aglomeración de partículas se puede regular y hay menos efectos perjudiciales sobre la producción, p. ej. menos defectos en el papel o depósitos sobre las superficies de la máquina.
A continuación, se examinará la invención más detenidamente con la ayuda de una descripción detallada y con referencia a los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1a muestra un proceso de fabricación de papel con una corriente secundaria de muestreo según una realización de la invención.
La figura 1b muestra un proceso de fabricación de papel con dos corrientes secundarias de muestreo alternativas según otra realización de la invención.
La figura 2 muestra una curva de turbidez frente al tiempo en un proceso de muestreo secuencial según una realización de la invención y la determinación de la velocidad de sedimentación basada en la medición según una realización.
Descripción detallada de realizaciones
Como se ha discutido anteriormente, la presente invención comprende básicamente un método para tratar una corriente acuosa inicial con al menos un agente modificador para obtener una corriente acuosa modificada. La corriente acuosa modificada tiene propiedades de sedimentación modificadas. Según una realización preferida, se extrae una muestra de la corriente acuosa modificada y, basándose en la muestra, la velocidad de sedimentación de la corriente acuosa modificada se determina en un recipiente de sedimentación.
En la descripción y las reivindicaciones, la expresión "corriente acuosa inicial" se refiere a cualquier corriente en el proceso que se trata con un agente modificador. La expresión "corriente acuosa modificada" no se limita únicamente a la corriente acuosa inicial inmediatamente después del tratamiento con el agente modificador, sino que cubre también corrientes tratadas de otras maneras, combinada con una o varias corrientes o dividida en una o más subcorrientes. Naturalmente, el agente modificador afecta al comportamiento de sedimentación no solo de la corriente acuosa tratada sino también de las corrientes y subcorrientes combinadas a las que se conducen las corrientes tratadas con el agente modificador o los aglomerados afectados por el agente modificador. La invención también cubre procesos en los que se añade más de un agente modificador al proceso en uno o más puntos de adición o en los que se añade el mismo agente modificador en varios puntos de adición.
Según una realización, el muestreo se lleva a cabo antes de la adición del agente modificador, es decir, de la corriente acuosa inicial. Esto es útil para realizar un control predictivo o de anticipación del proceso, en particular si las características del proceso son bien conocidas. Basándose en el comportamiento de sedimentación de la corriente inicial, se puede estimar la demanda de agente modificador. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el muestreo se lleva a cabo solo después de la adición del agente modificador, lo que asegura que se observe un comportamiento de sedimentación real y que la demanda y/o tipo del agente modificador pueda determinarse con mayor precisión y, preferiblemente, controlarse. El comportamiento de sedimentación de la corriente modificada se controla mediante la retroalimentación mediante agentes modificadores.
Según una realización preferida, dependiendo del comportamiento de sedimentación determinado en el recipiente de sedimentación, se cambia la tasa de adición y/o el tipo del agente modificador. Es posible utilizar sensores y modelos blandos [p. ej., una Ecuación Lingüística (EL)] para ayudar en la interpretación y justificación de los datos. Otros
métodos y dispositivos disponibles en el mercado, tales como un citómetro de flujo, también se puede utilizar en la estimación y el cálculo. En cuanto a equipos adecuados nos referimos al método y aparato para el control automático de dosis de productos químicos, descritos en el documento WO 2005/022278.
La presente invención también comprende una solución en donde la determinación del comportamiento de sedimentación se lleva a cabo simplemente como una etapa de supervisión.
Según una realización, la invención se utiliza para la supervisión y/o control remoto del proceso industrial. Por lo tanto, el presente aparato de medición puede conectarse funcionalmente con medios de transferencia de datos capaces de transferir los datos de medición a una ubicación remota y/o controlar datos desde la ubicación remota a la ubicación del presente proceso industrial. Esta es una posibilidad importante y una ventaja significativa en comparación con los métodos de la técnica anterior que habitualmente requieren análisis de laboratorio y etapas que deben llevarse a cabo manualmente.
Como se discutió anteriormente, la velocidad de sedimentación en un momento o intervalo de tiempo predeterminado es una cantidad preferida que se determina a partir de la muestra. Esto se debe a que la velocidad de sedimentación o los cambios en la velocidad de sedimentación se correlacionan con las características del tamaño de las partículas de la muestra y, por lo tanto, son indicativos del grado de aglomeración de las partículas en los procesos de fabricación de papel, cartón y pasta.
La presente invención comprende una solución en donde, además de determinar la velocidad de sedimentación de la muestra, se determina una turbidez sedimentada de la muestra y se usa para cambiar la tasa de adición del agente modificador. La "turbidez sedimentada" significa la turbidez después de un periodo de tiempo predeterminado, que suele ser más largo que el periodo de tiempo durante el cual se determina la velocidad de sedimentación. Habitualmente, el periodo de tiempo antes de la medición de la turbidez es de 5 minutos o más, en particular 10 minutos o más, mientras que la velocidad de sedimentación se mide antes del vencimiento de este periodo de tiempo. La turbidez sedimentada también puede ser un valor de turbidez que ya no cambia notablemente (es decir, menos de una cantidad absoluta o relativa predefinida) al aumentar el tiempo de sedimentación.
Según una realización, el agente modificador es capaz de afectar a las propiedades superficiales y/o la interacción entre partículas o entre partículas y fibras u otros componentes en la corriente. En algunos casos, un agente modificador es capaz de aglomerar la materia sólida presente en la corriente acuosa.
Según una realización preferida de la invención, el agente modificador se selecciona de coagulantes y/o floculantes. El coagulante o floculante comprende o puede seleccionarse de sales o polielectrolitos aniónicos, no iónicos y catiónicos de cationes uni- o multivalentes, tales como sodio, calcio, magnesio, hierro, aluminio, productos naturales tales como almidón, polímeros semisintéticos tales como almidón catiónico y polímeros sintéticos tales como polímeros acrílicos, poliaminas, óxidos de polietileno y polímeros alílicos, o mezclas de los mismos.
La coagulación es la desestabilización de partículas coloidales provocada por la adición de un reactivo químico conocido como coagulante. Las partículas finas en suspensión chocan entre sí y se pegan unas a otras. Por lo general, las partículas se acercan entre sí por el movimiento browniano o por el flujo (Water Treatment Handbook, Vol. 1 y Vol.
2, 1991, Degremont). El coagulante es habitualmente un producto químico inorgánico (anión/catión) u orgánico (polielectrolito), que neutraliza la carga superficial negativa o positiva (desestabilización) de las impurezas, tales como partículas coloidales. (Water Treatment Handbook, Vol. 1 y Vol. 2, 1991, Degremont).
La floculación se refiere, p. ej., a la acción de los polímeros en la formación de puentes entre partículas en suspensión o trabajando por modelos de parches. Un floculante puede promover la formación del flóculo. El floculante puede ser un polímero inorgánico (tal como sílice activada), un polímero natural (almidón, alginato) o polímeros sintéticos (Water Treatment Handbook, Vol. 1 y Vol. 2, 1991, Degremont, Water Quality and Treatment, A Handbook of Community Water Supplies).
De manera alternativa o adicional, el agente modificador puede ser habitualmente productos químicos pasivantes, tensioactivos, agentes dispersantes, adyuvantes de retención, micropartículas, agentes de encolado y enzimas o sus combinaciones.
Según una realización de la invención, la formación de grandes aglomerados, que sedimentan rápido, es supervisada y opcionalmente prevenida utilizando el sistema de supervisión y control descrito en la presente memoria. Los factores más significativos que contribuyen a la formación de aglomerados en los procesos de fabricación de papel son las sustancias disueltas en la corriente, cambios de pH, microbios y agentes químicos añadidos a la corriente, en particular agentes de hidrofobación. La aglomeración provocada por todas estas fuentes puede detectarse y controlarse utilizando la presente invención. Esto se debe a que la velocidad de sedimentación de la materia sólida depende del tamaño de las partículas y, por lo tanto, también es variable en el tiempo.
El agente modificador se añade a una tasa suficiente para mantener la velocidad de sedimentación (o el tamaño medio de las partículas) por debajo de un nivel predeterminado. Según una realización, el método se utiliza para controlar la tasa de adición y/o el tipo de producto(s) químico(s) modificador(es), de modo que la velocidad de sedimentación se mantenga por debajo de 750 NTU/s. En al menos algunas suspensiones acuosas de un proceso de fabricación de
papel, esto corresponde a un tamaño de partícula medio de materia sólida de menos de aproximadamente 20 pm.
La turbidez sedimentada indica la existencia de pequeñas partículas y su cantidad o nivel relativo. La velocidad de sedimentación, por otro lado, indica la existencia de aglomerados. Por lo tanto, el uso de estas dos medidas proporciona información útil y se utilizan para fines de control de procesos. Por el tipo y/o la cantidad y/o el punto de adición del (de los) agente(s) modificador(es), el tamaño de partícula de la materia sólida puede verse afectado.
Habitualmente, el tamaño medio de partícula de la corriente acuosa modificada se mantiene preferiblemente por debajo de 100 pm, en particular por debajo de 50 pm, más ventajosamente por debajo de 20 pm. Sin embargo, en algunas realizaciones, el tamaño medio de partícula de la corriente acuosa modificada se mantiene preferiblemente por debajo de 500 pm, o por debajo de 250 pm.
Por ejemplo, la llamada circulación corta de una máquina de papel o cartón habitualmente comprende las etapas de recuperar agua blanca de una caja de alambre y devolverla al proceso para diluir la pasta que contiene fibra de alta consistencia alimentada a la caja de entrada. Se desea evitar la aglomeración de la materia sólida en la corriente de circulación y, por lo tanto, evitar o reducir su sedimentación y poder volver a utilizar la materia sólida. La presente invención se puede utilizar para lograr este objetivo.
La figura 1 muestra esquemáticamente un proceso de fabricación de papel según una realización de la invención. En el proceso, la masa de papel se alimenta a una caja mezcladora 30 desde una o más fuentes 3, 4, 5. Las fuentes pueden contener, p. ej., pasta mecánica, química, o quimiomecánica, fibra reciclada y/o rechazos. Se pueden añadir uno o más agentes modificadores químicos a cada una de las masas o al recipiente mezclador en un punto de adición 15A. Desde la caja de mezcla 30, la masa mezclada se conduce a una caja de máquina 40 en un sistema de flujo de aproximación en el extremo húmedo. También se pueden añadir uno o más productos químicos en esta fase o en la caja de máquina 40 en los puntos de adición 15B. Asimismo, la masa tratada se conduce a la caja de entrada de una máquina de papel o cartón 50. También se pueden añadir productos químicos modificadores en esta etapa en un punto de adición 15C.
Desde una sección de alambre de la máquina de papel o cartón 50, la corriente de circulación de agua blanca 65 se conduce a un pozo de alambre 60 y se hace circular de regreso a la caja de entrada. El muestreo según la invención para la determinación de la velocidad de sedimentación se toma preferiblemente de esta corriente de circulación, que habitualmente se utiliza para diluir pasta gruesa alimentada a la caja de entrada de la máquina de papel o cartón.
Según la realización mostrada en la Fig. 1, la muestra de la corriente de circulación de agua blanca 65 se conduce al recipiente de sedimentación extrayendo una corriente secundaria 68 desde un punto de muestreo. La corriente secundaria 68 tiene preferiblemente un caudal menor que el caudal de la corriente de circulación de agua blanca. La corriente secundaria 68 se conduce a un recipiente de sedimentación 22.
De manera alternativa, la extracción lateral puede tomarse de cualquier otro flujo (no mostrado) del proceso de fabricación de pasta o papel. Por ejemplo, el punto de muestreo puede estar en la línea de alimentación de pasta o rechazos a una máquina de papel o cartón, después de uno o más puntos de adición química. Si la muestra se toma de una muestra que contiene una gran cantidad de fibras, la muestra preferiblemente se filtra y/o tamiza para obtener una muestra sustancialmente libre de fibras a partir de la cual es más fácil medir el contenido de partículas sólidas.
La Fig. 1b muestra una realización del proceso que tiene dos corrientes secundarias 68A y 68B alternativas, tomadas de la corriente de circulación 65 y una línea de alimentación de proceso 3, respectivamente. Además, hay medios, tales como las válvulas V4A y V4B dispuestas en las corrientes secundarias 68A y 68B, respectivamente, para controlar la fuente de materia conducida al recipiente de sedimentación 22. Por consiguiente, dependiendo del control, la corriente acuosa modificada es la corriente de circulación de agua blanca 65 modificada en uno o más puntos de adición química 15A, 15B, 15C o la corriente de alimentación 3 modificada en el punto de adición química 15A. Por lo tanto, se puede usar el mismo equipo de medición para supervisar y/o controlar el proceso en dos o más ubicaciones o etapas de procesamiento.
Naturalmente, como se ilustra en la Fig. 1b como un ejemplo, el sistema puede comprender solo uno de los varios puntos de muestreo posibles en cualquiera de las corrientes que hayan sido modificadas con un producto químico modificador, es decir, sin el control de la fuente como se ilustra con referencia a la Fig. 1b.
El comportamiento de sedimentación de la muestra se mide mediante radiación electromagnética. Por lo tanto, el recipiente de sedimentación 22 comprende medios de detección 21, tal como un sensor óptico sensible al contenido de materia sólida del recipiente de sedimentación en las proximidades del sensor. El sensor puede funcionar en el intervalo de longitudes de onda UV, visible o IR. Como el contenido total de materia sólida del recipiente de sedimentación no cambia, se prefiere utilizar un sensor capaz de realizar mediciones locales para poder determinar convenientemente la velocidad de sedimentación.
Se prefiere un detector basado en radiación electromagnética sobre un detector acústico porque es adecuado para muestras de baja consistencia y no sufre el problema de interactuar con la muestra durante la medición, de manera que afecte las propiedades de sedimentación. Por ejemplo, las propiedades de las partículas de látex dependen de la temperatura. La radiación electromagnética también es insensible a las burbujas de aire o falta de homogeneidad en
la muestra, al contrario que las ondas acústicas.
Según una realización, el sensor comprende un cabezal sensor que permite la medición local de materia sólida, p. ej., en términos de medición de turbidez o contenido de sólidos de la muestra. El cabezal del sensor se coloca a cierta distancia del fondo del recipiente de sedimentación y, opcionalmente, también a cierta distancia de la parte superior del recipiente de sedimentación. La cabeza del sensor puede estar directamente en el recipiente de sedimentación o detrás de una mirilla dispuesta en una pared del recipiente de sedimentación. Preferiblemente, el sensor está dispuesto en una pared lateral del recipiente de sedimentación. El sensor puede estar dispuesto en ángulo con respecto a la pared lateral.
El recipiente de sedimentación puede ser abierto o cerrado. Preferiblemente es del tipo de flujo continuo, permitiendo que el recipiente de sedimentación se conecte fácilmente a una corriente secundaria tomada de la corriente acuosa modificada. Preferiblemente, la muestra se conduce al recipiente de sedimentación desde abajo.
La corriente secundaria se puede interrumpir durante la medición de la turbidez utilizando una válvula V2 en la corriente secundaria. En el canal de descarga lateral también puede estar presente una línea de lavado adicional con una válvula V1. La línea de lavado permite lavar el detector 21 y el recipiente de sedimentación 22 entre mediciones sucesivas. La muestra sedimentada puede salir del recipiente de sedimentación a través de una línea de purga 26 y conducirse al colector 23 y, opcionalmente circula de vuelta al proceso. También se puede proporcionar un detector adicional o una válvula de lavado del recipiente V3 y una línea de lavado separada del canal de corriente secundaria.
La velocidad de sedimentación se determina midiendo el cambio de turbidez de la corriente secundaria acuosa. En particular, el cambio de turbidez o cantidad de sustancia sólida se mide durante un periodo de tiempo predeterminado, preferiblemente en la etapa inicial del periodo de sedimentación, es decir, cuando todavía hay partículas grandes que sedimentan en la muestra, como se discutió anteriormente.
La Fig. 2 muestra la turbidez frente al tiempo en un recipiente de sedimentación que funciona de manera cíclica, comprendiendo cada ciclo un periodo de alimentación de una corriente fresca al recipiente de sedimentación (muestreo, válvula V2 abierta) y un periodo de sedimentación (medición y determinación de la velocidad de sedimentación, válvula V2 cerrada). El periodo de establecimiento puede ser generalmente de aproximadamente 1 a 1200 segundos o incluso más largo. La velocidad de sedimentación (pendiente como línea discontinua en la Fig. 2) habitualmente se determina durante los primeros 1- 240, preferiblemente 1 - 120 segundos, mientras que la turbidez sedimentada (S1, S2 , S3, S4 en la Fig. 2) se puede determinar después de 120 - 1200 segundos, dependiendo de las propiedades de la muestra. Habitualmente, hay de 1 a 20 periodos de medición/h.
La velocidad de sedimentación se puede determinar como una velocidad de sedimentación promedio durante un periodo desde un valor de turbidez más alto predeterminado hasta un valor de turbidez más bajo predeterminado, correspondiendo el intervalo al tamaño de partícula deseado (p. ej., de 700 a 400 NTU) o, de manera alternativa, durante un periodo de tiempo predeterminado iniciado en un momento determinado después del inicio del periodo de sedimentación.
Claims (13)
1. Un método para supervisar en línea las propiedades de una corriente acuosa en un proceso de fabricación de pasta, papel o cartón, comprendiendo el método
- proporcionar una corriente acuosa inicial procedente de dicho proceso, mostrando la corriente acuosa la corriente acuosa que contiene materia sólida un primer comportamiento de sedimentación;
- añadir agente modificador a la corriente acuosa inicial a una tasa de adición suficiente para proporcionar una corriente acuosa modificada que contiene materia sólida que muestra un segundo comportamiento de sedimentación diferente del primer comportamiento de sedimentación;
- conducir una muestra de la corriente acuosa inicial o de la corriente acuosa modificada, cualquier corriente combinada que comprenda la corriente acuosa modificada o cualquier subcorriente de la corriente acuosa modificada, de manera discontinua, desde un punto de muestreo hasta un recipiente de sedimentación que tenga un volumen;
- permitir que la muestra sedimente en el recipiente de sedimentación y medir simultáneamente el comportamiento de sedimentación de la materia sólida en la muestra localmente en el recipiente de sedimentación en función del tiempo;
- dependiendo del comportamiento de sedimentación determinado de la materia sólida en la muestra, cambiando la tasa de adición y/o el tipo y/o el punto de adición del agente modificador,
caracterizado por que el comportamiento de sedimentación se determina determinando en NTU/s la velocidad de sedimentación de dicha materia sólida midiendo la turbidez de la muestra localmente en el recipiente de sedimentación en función del tiempo durante los primeros 180 segundos de sedimentación, permitiendo que la muestra sedimente aún más en el recipiente de sedimentación y determinando después en NTU la turbidez sedimentada de la muestra,
basándose en la velocidad de sedimentación determinada de la materia sólida en la muestra y la turbidez sedimentada determinada de la muestra, añadiendo el agente modificador en un punto de adición del proceso de fabricación en una cantidad suficiente para mantener la velocidad de sedimentación por debajo de un nivel predeterminado,
comprendiendo el método determinar la velocidad de sedimentación en NTU/s y la turbidez sedimentada en NTU, midiendo la turbidez usando radiación electromagnética en el intervalo de longitudes de onda UV, visible o IR de un detector basado en radiación electromagnética,
en donde dicho proceso es un proceso de fabricación de papel y dicho punto de muestreo está ubicado en una corriente de circulación acuosa de una máquina de papel o cartón, preferiblemente en la línea de agua blanca de la máquina de papel, o en donde el punto de muestreo está en la línea de alimentación de pasta o rechazos a una máquina de papel o cartón.
2. El método según la reivindicación 1, en donde dicha conducción de la muestra de la corriente acuosa inicial o la corriente acuosa modificada al recipiente de sedimentación se realiza extrayendo en el punto de muestreo una corriente secundaria que tiene un caudal menor que el caudal de la corriente acuosa o la corriente acuosa modificada, corriente combinada o subcorriente, respectivamente, y conduciendo la corriente secundaria al recipiente de sedimentación.
3. El método según la reivindicación 2, en donde, antes de dicha medición, se interrumpe dicha corriente secundaria usando una válvula en la corriente secundaria.
4. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el agente modificador comprende coagulantes y/o floculantes, productos químicos pasivantes, tensioactivos, agentes dispersantes, adyuvantes de retención, agentes de encolado, biocidas, enzimas o cualquier combinación de los mismos y preferiblemente seleccionados de sales o polielectrolitos aniónicos, no iónicos y catiónicos de cationes uni- o multivalentes, tales como sodio, calcio, magnesio, hierro, aluminio, productos naturales tales como almidón, polímeros semisintéticos tales como almidón catiónico y polímeros sintéticos tales como polímeros acrílicos, poliaminas, óxidos de polietileno y polímeros alílicos, bentonita, sílice coloidal, o mezclas de los mismos.
5. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la materia sólida comprende pigmentos inorgánicos, cargas y/o precipitados, compuestos orgánicos y polímeros y materia biológica y combinaciones de los mismos, en particular brea, látex, materiales adhesivos o una combinación de los mismos.
6. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha materia sólida está presente en la muestra en forma suspendida y/o coloidal y/o precipitable.
7. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde se añade el agente modificador, basándose en la velocidad de sedimentación determinada de la materia sólida en la muestra, en una cantidad
suficiente para mantener la velocidad de sedimentación por debajo de un nivel predeterminado de 750 NTU/s.
8. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el punto de muestreo está en la corriente acuosa modificada.
9. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las etapas de muestreo y medición de las propiedades de sedimentación de la materia sólida en la muestra se realizan repetidamente en ciclos.
10. El método según la reivindicación 9, en donde el ciclo se repite de 1 a 20 veces/h.
11. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la velocidad de sedimentación se determina basándose en el comportamiento de sedimentación durante un periodo predeterminado a partir de un valor de turbidez predeterminado o tiempo después del comienzo de la sedimentación, o durante un periodo desconocido a partir de un valor de turbidez superior predeterminado a un valor de turbidez inferior predeterminado.
12. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde
- la corriente acuosa inicial contiene fibras,
- la muestra se filtra para eliminar el material fibroso antes de conducirla al recipiente de sedimentación.
13. Un sistema para supervisar en línea una corriente acuosa en un proceso de fabricación de pasta, papel o cartón, estando adaptado el sistema para realizar el método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo el sistema
- medios para guiar una corriente acuosa inicial procedente de dicho proceso, conteniendo la corriente acuosa materia sólida que tiene unas primeras propiedades de sedimentación,
- medios para añadir agente modificador a una tasa de adición a dicha corriente acuosa inicial en un punto de adición para alterar el comportamiento de sedimentación de la corriente acuosa inicial para proporcionar una corriente acuosa modificada que contiene materia sólida que tiene unas segundas propiedades de sedimentación;
- medios para conducir secuencialmente muestras discontinuas de la corriente acuosa inicial o de la corriente acuosa modificada, cualquier corriente combinada que comprenda la corriente acuosa modificada o cualquier subcorriente de la corriente acuosa modificada como una corriente secundaria tomada de dicha corriente acuosa inicial o modificada a un recipiente de sedimentación,
- medios para medir el comportamiento de sedimentación de la materia sólida en las muestras localmente en el recipiente de sedimentación en función del tiempo,
- opcionalmente, medios para cambiar la tasa de adición y/o el tipo del agente modificador dependiendo del comportamiento de sedimentación medido,
caracterizado por que los medios para medir el comportamiento de sedimentación comprenden un detector basado en radiación electromagnética para determinar en NTU/s la velocidad de sedimentación de dicha materia sólida midiendo la turbidez de la muestra localmente en el recipiente de sedimentación en función del tiempo durante los primeros 180 segundos de sedimentación, permitiendo que la muestra sedimente aún más en el recipiente de sedimentación y determinando después en NTU la turbidez sedimentada de la muestra, en donde los medios para añadir el agente modificador están adaptados para, basándose en la velocidad de sedimentación determinada de la materia sólida en la muestra y la turbidez sedimentada determinada de la muestra, añadir el agente modificador en un punto de adición del proceso de fabricación en una cantidad suficiente para mantener la velocidad de sedimentación por debajo de un nivel predeterminado,
en donde la velocidad de sedimentación en NTU/s y la turbidez sedimentada en NTU, se determinan midiendo la turbidez usando radiación electromagnética en el intervalo de longitudes de onda UV, visible o IR de un detector basado en radiación electromagnética,
en donde dicho proceso es un proceso de fabricación de papel y dicho punto de muestreo está ubicado en una corriente de circulación acuosa de una máquina de papel o cartón, preferiblemente en la línea de agua blanca de la máquina de papel, o en donde el punto de muestreo está en la línea de alimentación de pasta o rechazos a una máquina de papel o cartón.
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