FI71960B - Foerfarande foer styrning av alkalisk cellulosakokning medelsten snabb analysator vilken maeter oorganiska och organisk a okvaetskekomponenter - Google Patents

Description

1 71960

Menetelmä alkalisen selluloosakeiton ohjaamiseksi nopean, epäorgaanisia ja orgaanisia keittoliuosaineosia mittaavan analysaattorin avulla 5 Keksinnön kohteena on menetelmä alkalisten selluloosa- keittojen, erityisesti sulfaattikeiton ohjaamiseksi, jolloin prosessiliuoksista mitataan puusta liuenneet aineosat ja jäljellä oleva epäorgaaninen keittokemikaali nopean analysaatto-rilaitteiston avulla.

10 Keksinnön tarkoituksena oli aikaansaada menetelmä mittaus- tiedon saamiseksi alkalisten selluloosakeittojen keittokemikaa li- ja reaktiotuotepitoisuuksista lyhyin aikavälein keiton ohjaamista varten keiton todellisen edistymisen perusteella.

Keksinnön tarkoitus saavutetaan siten, että pieni, pro-15 sessista otettu näyte syötetään analysaattorin omaan, tarkasti olosuhteiltaan vakioituun nestevirtaukseen, jossa se diffuusion vaikutuksesta laimennuttuaan virtaa pitoisuudeltaan lähes normaalijakautuneena piikkimuotoisena vyöhykkeenä erilaisten läpi-virtausperiaatteella toimivien mittalaitteiden läpi. Puusta 20 liuennut ligniini mitataan ultraviolettisäteilyn absorptioon perustuen jollakin ligniinin UV-spektrin käännepisteen aallonpituudella (esim. 205 tai 280 nm); puusta liuennut kokonais-kuiva-ainemäärä mitataan perustuen taitekerroineroon puhtaaseen, virtaavaan väliaineeseen nähden differentiaalirefrakto-25 metrillä; jäljellä oleva aktiivinen alkali mitataan johtokyky-mittauksella. Lisäksi nestevirtaus voidaan johtaa minkä hyvänsä läpivirtausperiaatteella toteutettavan mittauksen läpi lisämit-tausten saamiseksi. Edellä mainittujen mittausten tietoja käytetään sitten hyväksi sillä pääperiaatteella, että keiton alus-30 sa ja sen edistyessä mitatun alkalipitoisuuden perusteella asetetaan keiton päätepisteen tavoite ja reaktiotuotteiden mittauksilla seurataan tämän tavoitteen toteutumista ja korjataan sitä tarpeen vaatiessa. Kysymyksessä on siis selluloosakeiton ohjaaminen sekä eteenpäin suuntautuvalla "feed forward" säädöllä 35 että toteutuneeseen tilanteeseen perustuvalla taaksepäin kytke- 2 71960 tyllä "feed back" -säädöllä. Molempia säätötapoja on ehdotettu erilaisilla suorilla, prosessiputkista tehtävillä mittauksilla tai automatisoiduilla titraattoreilla suoritettaviksi. Uutta on se, että esillä olevan keksinnön mukainen järjestely yhdis-5 tää kaikki säätötavat tuottamalla siihen tarvittavat tiedot yhdellä ainoalla laitteella ja samasta näytteestä. Erityisen edulliseksi esillä olevan mittaustekniikan tekee se, että mittaukset eivät ole riippuvaisia nollapisteen muutoksista, koska mittausten välillä palataan aina nollaan ja mitataan vain 10 näytteen aiheuttamia eroja mitattavassa suureessa ajan suhteen. Lisäksi koska näyte on laimea ja näytteiden välissä virtaa puhdas mittausväliaine, on mittalaitteiden likaantuminen hyvin vähäistä.

Alkalisten keittojen, erityisesti sulfaattikeiton, ohjaus 15 perustuu nykyään siihen, että keitossa tapahtuvasta ligniinin liukenemisesta on voitu kehittää matemaattinen malli, ns. H-tekijä, joka ottaa huomioon keittokemikaaliannoksen, keitto-lämpötilan ja keittoajan, kuten on esitetty julkaisussa Rekunen, S., Jutila, E., Lähteenmäki, E., Lönnberg, B., Virkola, N-E., 20 Examination of reaction kinetics in kraft cooking. Paperi ja

Puu 62 (1980):2, 80-90. Tämän kaltainen malli toimii melko tyydyttävästi, jos keitto-olosuhteet ja hakkeen laatu ja kosteus ovat tiedossa. Näin ei kuitenkaan ole tilanne yleensä yhdelläkään tehtaalla, vaan olosuhteet vaihtelevat satunnaisesti, ja 25 varsinkin keiton ohjauksen kannalta tärkeät, raaka-ainetta eli haketta kuvaavat suureet kuten kosteus, laatu ja palakokojakauma jäävät nykyisen mittaustekniikan mahdollisuuksien ulkopuolelle. Asian tilaa on yritetty korjata tekemällä keittimen liuoksista erilaisia mittauksia. Keittävän kemikaalin eli aktiivi-30 alkalin määrää on pyritty mittaamaan joko johtokykymittauksella suoraan prosessiputkistosta julkaisussa Lundqvist, G., Alkali analysis by conductivity measurements. Svensk Papperstid. 76 (1972):9, 524-527 esitetyllä tavalla, tai US-patenteista 4 104 028 ja 4 012 197 sekä julkaisusta Wallin, G., Noreus, s., 35 Computer control of batch digesters. Svensk Papperstid.

3 71960 76(1973):9, 329-334 tunnetulla automaattisella mikroprosessori-ohjatulla titrauksella keittoliuosnäytteestä. Suoraa johtokyvyn mittausta haittaa kuitenkin voimakas likaantuminen proses-siputkissa ja siitä seuraava nollapisteen liukuminen ja sen 5 kompensoinnin vaikeus. Titraattorit antavat melko luotettavaa tietoa tehollisesta alkalista, mutta ne ovat hitaita ja vain yksi piste keittoa kohti sen alkuvaiheissa ei vielä kerro alkalin kulumisen profiilia eikä niin ollen jäännösalkalia, joka loppupisteen määräämisen kannalta on ehkä olennaisin eteenpäin 10 kytketyn säädön perusta.

Puusta liukenevan ligniinin mittausta ja keiton päätepisteen arviointia tältä pohjalta on myös yritetty. Erityisesti ultraviolettisäteilyn absorptiota on käytetty Kleinert, T.N., Joyce, C. S., Short wawelength ultraviolet absorption of 15 various lignins and related substances. IV ligning determination in sulphate pulping liquor. Pulp and pap.mag.of Can. 58 (1957): 11, 147-152; Williams, D. J., The application of the ultraviolet absorption characteristic of lignin to the control of pulp uniformity. Appita 22 (1968):2, 45-52; Capart, R., 20 Obese -Decty, K-, Le Cardinal, G., Gelus, M., Contribution to on-line kraft pulping control. IFAC PRP 4 automation, Ghent, Belgium 1980, s. 121-128. Näiden menetelmien suuri heikkous on ollut niiden jatkuvatoimisuus, joka johtaa vaikeasti hallittavaan likaantumiseen ja vielä vaikeammin hallittavaan jatku-25 vatoimiseen suureen laimentamiseen. Teknisten vaikeuksien vuoksi ei ligniinimittauksia ole otettu jatkuvaan käyttöön keiton ohjauksessa. Lisäksi voidaan arvioida, että pelkkä ligniini-pitoisuus ilman tietoa alkalipitoisuudesta ja haketäytön ominaisuuksista ei voi olla luotettava loppupisteen määritysperusta. 30 Kirjallisuudesta ei ole löydetty mainintaa edellämai nittujen mittausten yhteiskäytöstä eikä myöskään mittausten suorittamisesta yhdellä laitteistolla samasta näytteestä.

Esillä oleva keksintö yhdistää edellä kirjallisuudessa mainitut yksittäismääritykset uudella tekniikalla poistaen 35 aikaisemmin esiintyneitä mittaustulosten luotettavuutta hei- 4 71960 kentäviä seikkoja ja mahdollistaa samalla periaatteessa rajattoman määrän erilaisia läpivirtausmittauksia yhdestä ja samasta näytteestä.

Seuraavat kuviot kuvaavat keksintöä: 5 kuvio 1 analysaattorilaitteisto alkalisten keittojen seurantaan ja ohjaukseen, kuvio 2 teollisen mittakaavan sulfaattieräkeiton edistyminen keittoajän funktiona, kuvio 3 analysaattorin ligniinimittaustulosten perus-10 teella laskettu ligniinin liukenemiskäyrä teollisesta sulfaat-tieräkeitosta keittoajän funktiona, kuvio 4 analysaattorin teollisesta sulfaattieräkeitosta mittaama suhteellinen alkalipitoisuus laboratoriossa suoritetun alkalititrauksen funktiona, 15 kuvio 5 analysaattorin teollisesta sulfaattieräkeitosta mittaama suhteellinen kuiva-ainepitoisuus laboratoriossa suoritetun kuiva-ainemäärityksen funktiona, kuvio 6 jatkuvatoimisen sulfaattikeiton seuranta.

Kuvion 1 mukaan prosessiputkesta esim. jonkin pumpun 20 painepuolelta 1 (eräkeittimen kiertopumppu, vuokeittimen jonkin kierron kierrätyspumppu) otetaan venttiilillä 2 pieni näyte, joka jäähdytetään jäähdyttimessä 3 ja suodatetaan sintteri-suodattimessa 4 sekä johdetaan pesuventtiilin 5 normaaliasen-non kautta luuppi-injektioventtiilin 6 luuppiin 7. Kun näytteen 25 edustavuuden kannalta tarpeellinen määrä näytettä (putkikoolla 1/8" n. 50 ml) on mennyt läpi luupista,kääntyy injektioventtii-li 6 60 astetta ja analysaattorin oma nestevirtaus 8 (pumppu tai paineistettu nestesäiliö) ohjautuu luupin kautta vieden vakiotilavuuden (luuppi 25 mikrolitraa) näytettä mukaansa. Ana-30 lysaattorin nestevirtauksessa (yleensä puhdas vesi, mutta myös laimea alkali tai alkalinen puskuriliuos) näyte laimenee pitkässä kapillaariputkessa 9 (5-6 m 0 0,8 mm teflonkapillaari) diffuusion vaikutuksesta ilman minkäänlaisia keinotekoisia laimennusvaiheita ja laimentunut näytevyöhyke virtaa läpi eri-35 laisten mittalaitteiden: ultravioletti - eli UV-detektori 10 5 71960 mittaa näytteen ligniinipitoisuuden ultraviolettisäteilyn absorptioon (205 tai 280 nm) perustuen, taitekerroin- eli RI-detektori mittaa näytteen kuiva-ainepitoisuuden taitekerroin-eroon perustuen, johtokyky- eli JK-detektori mittaa jäljellä 5 olevan aktiivialkalipitoisuuden hydroksyyli-ionien johtokykyyn perustuen. Lisäksi virtaus voidaan johtaa muihin läpivirtaus-periaatteella toimiviin mittauksiin xx 13, joita ovat esim. ioniselektiiviset elektrodit, pH-elektrodit sekä jonkin neutraloivan kemikaalin lisääminen, jolloin reaktiolämmön ja joh-10 tokykymuutosten avulla voidaan mitata tehollinen alkali ja sulfiditeetti.

Eri detektorien mittaussignaalit laimentuneesta näyte-vyöhykkeestä integroidaan ajan funktiona, eli lasketaan pitoi-suuspiikkien pinta-alat, jotka suoraan ovat näytteen suhteelli-15 siä pitoisuuksia ajettaessa analysaattorin nestevirtaus vakio-vauhdilla. Mikäli halutaan, voidaan suhteelliset pitoisuudet muuntaa todellisiksi esim. g/1 ajamalla laboratoriossa analysoituja näytteitä ja muodostamalla kalibrointikäyrä.

Kun näytevyöhyke on joutunut analysaattorissa laimennus-20 kapillaariin, alkaa välittömästi näytelinjan pesu. Venttiili 5 ohjaa veden vastavirtaan läpi suodattimen 4 ja jäähdyttimen 3 ja pesuvesi poistuu venttiilistä 14.

Keksinnön mukaisen analysaattorijärjestelyn edut ovat: - tarvittava näytemäärä on pieni (50 ml). On edullista, 25 koska pienessä näytemäärässä on vähän kiintoainetta ja näin suodatin on helppo pitää puhtaana yksinkertaisella vastavirta-pesulla. Tehdaskoeajoissa 0 30 mm:n sintteri on pysynyt täysin puhtaana useissa tuhansissa analyyseissä.

- kirjallisuudessa mainittujen ultraviolettilaitteiden 30 vaatimia monimutkaisia laimennuslaitteita ei tarvita lainkaan.

Laimennos syntyy itsestään pitkässä kapillaariputkessa diffuusion vaikutuksesta.

- mittaukset eivät ole lainkaan riippuvaisia mittalaitteiden nollakohtien siirtymistä, koska mitataan vain näytevyö- 35 hykkeen aiheuttamaa eroa ja mittausten välillä palataan aina 6 71960 nollakohtaan oli se mikä hyvänsä.

- mittaluslaitteiden likaantuminen on olematonta, koska näyte on hyvin laimea ja näytteiden välillä virtaa puhdas mit-tausväliaine.

5 - kaikki mittausolosuhteet on tarkasti vakioitu pitämäl lä mittalaitteiden ja virtaavan mittausväliaineen lämpötila vakiona.

- integrointiperiaatteesta johtuen pienet vaihtelut laitteen toiminnassa tai laimennusvyöhykkeen muodossa eivät 10 aiheuta häiriötä.

Esimerkki 1

Analysaattorilaitteiston käyttö keksinnön mukaisesti teh-dasmittakaavaisen sulfaattieräkeiton seurantaan._

Kuvion 1 mukaisella analysaattorilaitteistolla seurattiin 15 10 minuutin näytteenottovälein teollista sulfaattieräkeitintä ottamalla näyte keittimen kalorisaattoripumpun painepuolelta.

3

Keittimen tilavuus oli 180 cm , puulaji mänty, alkaliannos 21 % laskettuna puun määrästä, sulfiditeetti 30 % ja keitto-lämpötila 170°C. Kuvion 1 mukaisessa laitteistossa käytettiin 20 analysaattorin virtaavana nesteenä puhdasta vettä, nestevirtaus-lähteenä 8 letkupumppua, virtausnopeudella 4 ml/min, näyte-luupin 7 tilavuus oli 25 jj.1 , diffuusiolaimennuskapillaarin 9 pituus 5mja0O,8mm. Ultraviolettidetektori 10 oli Knauer UV/VIS Photometer, aallonpituus 280 nm, taitekerroindetektori 25 oli Knauer Differential Pefractometer ja johtokykydetektori Vydac Conductivity Detector. Detektorien sähköiset signaalit integroitiin 8 bittisellä SELMA-mikrotietokoneella ja itse tehdyllä integraattoriohjelmalla. Tällä tavoin mitaten muodostui yhden näytteen analyysiajaksi noin neljä minuuttia.

30 Esimerkki 2

Analysaattorilaitteiston käyttö keksinnön mukaisesti tehdasmittakaavaisen jatkuvatoimisen sulfaattikeiton seurantaan

Toimittiin kuten esimerkissä 1 paitsi, että seurattiin jatkuvatoimisen sulfaattikeittimen erilaisia kiertoja, jotka 35 olivat tasoituskierto, poistuva mustalipeä, katkaisukierto ja 7 71960 pesukierto. Analysaattorilla otettiin näyte aina noin 5 minuutin välein siirtymällä kierrosta toiseen, jolloin yhden kierron analyysiväliksi muodostui 20 minuuttia. Tulokset ilmenevät kuviosta 6.

Claims (5)

8 71960

1. Menetelmä alkalisten selluloosakeittojen, erityisesti sulfaattikeiton ohjaamiseksi, tunnettu siitä, 5 että keittimen prosessiputkesta otetaan näyte, joka syötetään analysaattorin nestemäisen väliaineen avulla kapillaari-putkeen, jolloin analysaattori on keittoprosessin ulkopuolella, minkä jälkeen näytevyöhyke siirretään itsestään laimentuneena haluttuihin, sinänsä tunnettuihin mittalaitteisiin, jois-10 sa epäjatkuvasti ja nollakohdasta riippumatta mitataan keitto-kemikaali, varsinkin aktiivialkalin pitoisuus keiton alussa ja miten aktiivialkalia kuluu keiton aikana sekä reaktiotuotteiden eli ligniinin ja kuiva-aineen pitoisuudet, ja että saatujen mittaustulosten perusteella keittoa ohjataan säätämällä 15 keittoaikaa ja -lämpötilaa ja prosessiin syötettävän aktiivi-alkaalin määrää.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjataan sulfaattieräkeittoa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n -20 n e t t u siitä, että ohjataan jatkuvatoimista sulfaatti- keittoa .

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että analysaattorin nestemäinen väliaine on vesi.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittalaitteet ovat ultravioletti-detektori, taitekerroindetektori ja johtokykydetektori.