FI92225B - Menetelmä keittomallin käyttämiseksi - Google Patents

Description

92225

Menetelmä keittomallin käyttämiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä keittomallin käyt-5 tämiseksi tietokoneavusteisella järjestelmällä ohjatun keittoprosessin, kuten sulfaatti-, sulfiitti-, eräkei-ton, vuokeiton tai vastaavan yhteydessä, jolloin keittoprosessia ohjataan, ainakin alkuvaiheessa laskennallisen keittomallin avulla käyttämällä avuksi 10 ennalta määritettävää, ainakin Kappa-luvun K, alkali- konsentraatiota kuvaavan parametrin ja H-tekijän H keskinäistä vaikutussuhdetta, joka keittomalli perustuu ns. Hattonin Kappa-malliin, joka sitoo toisiinsa Kappa-luvun K, tehollisen alkalin EA ja H-tekijän H, 15 ollen muotoa: K = A - B x [log (H) x (EA)n], missä ensimmäinen tekijä A, toinen tekijä B ja kolmas tekijä 20 n ovat puulajista, puun laadusta, massasta ja keiton kinetiikasta ym. vastaavista asioista riippuvia tekijöitä.

Kappa-mallin on kehittänyt J.V. Hatton (Department of 25 the Environment, Canadian Forestry Service, Western

Forest Laboratory, Vancouver) -70 luvulla. Tällöin kokeellisesti löydetyn yhteyden Kappa-luvun K, tehollisen alkalin EA ja H-tekijän (Vroomin keittotekijä) kesken perusteella on laadittu edellä esitetty yhtälö.

30 Kaavassa oleva H-tekijä kuvaa keittoreaktioiden etenemistä koko keiton ajan keittoajän ja keittolämpö-tilan avulla, jolloin se voidaan esittää muodossa H = exp (43.2 - 161l3/T)dt, missä T = keittolämpötila 35 Kelvineinä.

Hattonin Kappa-malli on käyttökelpoinen käytettäväksi keitonohjauksessa, koska se on 2 92225 - kokeellisesti testattu, - helppo soveltaa automaatiojärjestelmässä, , - sitoo tärkeät keittotekijät toisiinsa, 5 - mahdollistaa kunkin tekijän laskemisen erikseen, kun muut tekijät tunnetaan, - antaa riittävän tarkan tuloksen tehdasoloihin viritettynä, - soveltuu modifioituna myös keittosaannon laskemiseen 10 ja - on sovellettavissa sekä vuo- että eräkeittoon.

Keittoina 11 in käyttöönottoa on rajoittanut kuitenkin se, että keittomallissa esitetyt tekijät A, B ja n 15 ovat vakioita, jotka riippuvat voimakkaasti puulajista, puun laadusta, massasta ja keiton kinetiikasta ym. vastaavista asioista. Näiden vakioiden arvoja on esitetty kirjallisuudessa esim. eräille Pohjois-Amerikan puulajeille tiettyjä vuodenaikoja varten, 20 mutta arvot eivät vastaa muualla maailmassa olevia puulajeja tai ilmasto-olosuhteita. Samoin paikalliset tehdasolosuhteet vaikuttavat oleellisesti kertoimien arvoihin. Tällöin käytännön ongelmana on ollut keit-tomallin hankala viritys käsiteltävälle puulajille 25 kyseisissä tehdasolosuhteissa ja -prosessissa. Hattonin mallin virityksen haittoja on raportoinut mm. Esa Jutila: A survey of kraft cooking control models, IFAC, 1980). Näin ollen eduistaan huolimatta Hattonin Kappa-mallia ei ole aiemmin prosessinohjauksessa 30 laajemmin käytetty viritysongelmiensa vuoksi. Tekniikan tason suhteen viitataan vielä julkaisuun US-5032977, josta tunnetaan kappaleen alkaliparametrin ja H-teki jän keskinäisen vaikutussuhteen käyttö keittomallissa halutun kappaluvun tavoittelemiseksi.

35 Tämän keksinnön mukaisella menetelmällä on tarkoituksena saada aikaan ratkaiseva parannus edellä esitettyihin epäkohtiin ja siten kohottaa alalla vallitsevaa 3 92225 tekniikan tasoa. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, että keittomallia käytetään muodossa: 5 K - AI + B1 X [log(H) x (AL)n], missä o£fsetparametri AI, jyrkkyysparametri B1 ja viritys-parametri n ovat puulajista, puun laadusta, massasta ja keiton kinetiikasta ym. vastaavista asioista 10 riippuvia tekijöitä, ja, jossa aikaiiparametri AL kuvaa tehollista alkalia, jonka keittomallin avulla, ainakin ratkaistaan toiminnallinen Kappa-luku Katunne ttuj en lajikohtaisten Kappa-luvun K, H-tekijän H ja alkaliparametrin AL tavoitearvojen avulla.

15

Keksinnön mukaisen menetelmän tärkeimpinä etuina voidaan mainita sen yksinkertaisuus ja tarkkuus, jolloin erityisesti käyttöönottovaiheissa keitonohjaus on helppo virittää kyseisen keittämön kullekin massa-20 ja puulajille, jolloin myös keitonohjauksen ylläpito on mahdollista toteuttaa käyttöhenkilökunnan toimesta. Tällöin kunnossapitohenkilökuntaa tai vastaavaa ei tarvita enää keitonohjauksen Kappa-säädön viritykseen. Keittomallia voidaan käyttää hyvin myös poikkeus ti lan-25 teissä, kuten la jinvaihdoissa, tuotantonopeuden vaihdoissa ym. vastaavissa, joissa keiton hallinta korostuu entisestään. Ajo-olosuhteiden muuttuessa keittomallin hyöty on suurimmillaan pyrittäessä parempaan laadunhallintaan. Mäin ollen keksinnön 30 mukainen keittomalli mahdollistaa Kappa-mallin käytön nykyisin käytössä olevia järjestelmiä monipuolisemmin ja tehokkaammin.

Muissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on 35 esitetty edullisia ratkaisuja keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseksi.

4 92225

Seuraavassa selityksessä keksintöä havainnollistetaan yksityiskohtaisesti.

f

Keksinnön mukainen menetelmä on tarkoitettu keittoina 1-5 Iin käyttämiseksi tietokoneavusteisella järjestelmällä, kuten yleisimmin digitaalisella automaatiojärjestelmällä ohjatun, erityisesti sellun keittoprosessin, kuten sulfaatti-, sulfiitti-, eräkeiton, vuokeiton tai vastaavan yhteydessä, jolloin keittoprosessia ohjataan, 10 ainakin alkuvaiheessa laskennallisen ns. Hattonin

Kappa-mallin avulla, joka on muotoa: K = A - B x [log(H) x (EA)n], 15 jota keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään muodossa: K = AI + B1 x [log(H) x (AL)n], 20 missä of fsetparametri AI, jyrkkyysparametri B1 ja viritysparametri n ovat puulajista, puun laadusta, massasta ja keiton kinetiikasta ym. vastaavista asioista riippuvia tekijöitä ja, jossa alkaliparametri AL kuvaa tehollista alkalia. Esitetyn keittomallin 25 avulla ratkaistaan toiminnallinen Kappa-luku Kt tunnettujen lajikohtaisten kappaluvun K, H-tekijän ja alkaliparametrin AL tavoitearvojen avulla, käyttämällä avuksi ennalta määritettävää, ainakin Kappa-luvun K, alkaliparametrin AL ja H-tekijän keskinäistä 3 0 vaikutus suhdetta.

Menetelmän soveltamiseksi on edullista käyttää alkali-parametriä AL muodossa, jolloin se kuvaa tehollista alkaliannosta prosentteina absoluuttisen kuivasta 35 puusta laskettuna (ekvivalenttina Na2<3:na tai NaOH:na laskettuna, Na20 = 0,775 x NaOH).

5 92225

Keittomallin ratkaisemiseksi on edullista määrittää Kappa-luvun K, alkaliparametrin AL ja H-tekijän keskinäistä vaikutussuhdetta kahden herkkyysparametrin avulla, jolloin ensimmäinen herkkyysparametri dH/dK 5 kuvaa H-tekijän muutosnopeutta Kappa-luvun K suhteen ja toinen herkkyysparametri dAL/dK kuvaa alkaliparametrin AL muutosnopeutta Kappa-luvun K suhteen. Ensimmäinen herkkyysparametri dH/dK ilmaisee montako H-tekijä yksikköä tarvitaan muuttamaan Kappa-lukua 10 yhden yksikön verran kun ollaan tietyssä toimintapisteessä; esim. Pohjolan havupuulle kovuustasolla Kappa 36 ± 4 arvo on noin 67 H-tekijäyksikköä, lähde:

Puumassan valmistus II osa 1. Toinen herkkyysparametri dAL/dK ilmaisee montako alkaliannoksen prosenttiyksik-15 köä tarvitaan muuttamaan Kappa-lukua yhdellä yksiköllä tietyssä toimintapisteessä; esim. Pohjolan havupuulle kovuustasolla 36 ± 4 arvo on noin 0,25 alkaaliprosent-tiyksikköä, lähde: Puumassan valmistus II osa 1.

20 Tällöin määriteltyjen herkkyysparametrien dH/dK, dAL/dK avulla on mahdollista laskea viritysparametri n ensimmäisestä yhtälöstä I: n = [log(e) x AL x dH/dK] / [log(H) x H x dAL/dK], 25 missä e = 2,17183, jonka jälkeen on edelleen mahdollista laskea lasketun viritysparametrin n ja määritetyn ensimmäisen herkkyysparametrin dH/dK avulla jyrkkyys-parametri B1 toisesta yhtälöstä II: 30 B1 = -[ln(10) x H] / [(AL)n x dH/dK], jonka jälkeen on edelleen mahdollista laskea laskettujen jyrkkyysparametrin B1 ja viritysparametrin n 35 sekä Kappa-luvun tavoitearvon K perusteella offset-parametri AI kolmannesta yhtälöstä III: AI = K - B1 x [log(H) x (AL)n].

6 92225 Tällöin laskettujen offsetparametrin AI, jyrkkyyspara-metrin B1 ja viritysparametrin n sekä tunnettujen i lajikohtaisten H-tekijän ja alkaliparametrin AL 5 tavoitearvojen avulla on mahdollista ratkaista toimin- , nai linen Kappa-luku K^ sijoittamalla ne keittomalliin:

Kt = AI + B1 x [log(H) x (AL)n].

10 Edellä käytetyt yhtälöt I, II, III on johdettu keit-tomallista: K = AI + B1 X [log(H) x (AL)n], (1) 15 josta saadaan tietyssä toimintapisteessä seuraavat yhtälöt: K - dK = AI + B1 [log(H + dH) x (AL)n] (2) K - dK = AI + B1 [log(H) x (AL + dAL)n] (3) 20 merkitsemällä keittomallista johdetut yhtälöt yhtäsuu-riksi saadaan alkaliannoksen AL eksponentti n ratkaistua: 25 n = {log[log(H+dH)/log(H)]} / (log[(AL+ dAL)/AL]> (4)

Kun estimoidaan lauseketta log (H + dH) lausekkeella: log(H) + (k x dH) / H, missä k = log(e), e = 2,7183, 30 saadaan yhtälö (4) sieventymään yhtälöksi I: n = [log(e) x AL x dH/dK] / [log(H) x H x dAL/dK] (5) (mäntymassa Kappa-taso 19,H = 1100 ... 1400, estimaatin 35 hyvyys:

Err^ = 1,91 X 10“® Sum of squared residuals = 10,0 x 10“1 Square of multiple correlation coefficient 7 92225

Sig = 0,0 x 10"! Significance of fit

Max Err = 1,6 x 10"* Maximum error)

Keittomallin jyrkkyysparametrin B1 määrittämä yhtälö 5 saadaan johdettua vähentämällä yhtälöstä (1) yhtälö (2), jolloin saadaan B1 = dK / {(AL)n x log[H/(H + dH)]>, (6) 10 jota vastaavasti sieventämällä edelleen saadaan yhtälö II, eli B1 = -[ln(10) x H] / [(AL)n x dH/dK] (7) 15 Offsetparametrin AI ratkaisemiseksi ratkaistaan yhtälö 1 sen suhteen: AI = K - B1 x [log(H) x (AL)n], (8) 20 jossa Kappa-lukuna käytetään Kappa-luvun tunnettua tavoitearvoa.

Kappa-mallia käytetään keiton ohjauksessa lajikohtaisesti. Kullekin ajettavalle massa-/puulajille 25 annetaan yksinkertaisesti herkkyysparametrit dAL/dK

ja dH/dK sekä tavoitearvot K, H, AL, jotka lajikohtaiset arvot tallennetaan automaatiojärjestelmän resepteihin.

30 Mallin viritys lasketaan yhtälöistä I, II ja III

automaattisesti joko määrävälein tai muutostilanteessa.

Kun malli on vireessä, lähtöarvojen perusteella voidaan mikä tahansa keittotekijöistä määrittää, kun muut tekijät tunnetaan.

35

Keksinnön mukaisen menetelmän avulla on mahdollista automaatiojärjestelmän avulla simuloida ajotilan-teita antamalla erilaisia lähtösuureiden arvoja ja 8 92225

lukemalla järjestelmän monitoreilta ennustetut muuttujien arvot. Näin voidaan esim. lajinvaihtotilanteessa tutkia uusien parametriarvojen vaikutuksia ennen todellisten prosessisuureiden muuttamista. Simuloitavia 5 suureita tyypillisesti ovat tarvittava alkaliannos AL

* tai H-tekijä. Simuloinneilla voidaan esim. muutos- ja rajoitustilanteissa arvioida, kyetäänkö haluttu tuotannon määrä ja laatu saavuttamaan kemikaaleja säästämällä.

10

Eräällä suomalaisella sulfaattieräkeittämöllä määritettiin menetelmän avulla keitonohjauksen potentiaalia säästää kemikaalikulutusta. H-tekijää kasvattamalla haluttiin pidentää keittoaikaa, eli säästää höyryener-15 giaa. Sennalla haluttiin pitää tuotantomäärä ja massan laatu (Kappa-taso ja hajonta) vakiona. Mallin avulla laskettiin, että kyseinen toimenpide on mahdollinen.

Samoin selvisi, että kyseinen keittoajän pidennys ja sitä vastaava höyrynsäästö voidaan hyödyntää myös 20 kemikalisäästönä. Alkaliannostusta oli näin mahdollista pienentää 7 %. Koeajon jälkeen todettiin, että kyseisellä alkaliannoksella kyetään ajamaan toivottua tuotantovauhtia ja laatua, jolloin koeajon jälkeen uudet asetusarvot otettiin jatkuvaan käyttöön.

25

On selvää, että keksintö ei rajoitu edellä esitettyyn sovellutukseen, vaan sitä voidaan perusajatuksen puitteissa muunnella huomattavastikin. Luonnollisesti valitsemalla joku tai joitakin parametreja edellä 30 esitetystä poiketen saattavat sovellettavat kaavat ulkoasultaan poiketa oleellisestikin esitetystä. Luonnollisesti tässäkin esityksessä käytetyt kaavat voidaan uudelleenjärjestelyin esittää hyvinkin poik- i keavissa muodoissa. Esim. tunnettujen lajikohtaisten 35 toiminnallisen Kappa-luvun ja alkaliparametrin perusteella on mahdollista ratkaista toimintapisteen H-tekijä keittomallista muodossa: 92225 9 H = exp [ (Kt - AI) / (B1 x (AL)n)], tai toiminnallisen Kappa-luvun ja H-teki jän perusteella toimintapisteen alkaliparametri keittomallista muodos-5 sa: AL = exp {1/n [ log((Kt - AI) / (B1 x log(H)))]> 4 i

Claims (6)

914307.DOC 92 2 2 ^ 10

1. Menetelmä keittomallin käyttämiseksi tietokoneavusteisellä järjestelmällä ohjatun keittoprosessin, kuten sulfaatti-, sulfiitti-, eräkeiton, 5 vuokeiton tai vastaavan yhteydessä, jolloin keittoprosessia ohjataan, ainakin alkuvaiheessa laskennallisen keittomallin avulla käyttämällä avuksi ennalta määritettävää, ainakin Kappa-luvun (K), alkalikonsent-raatiota kuvaavan parametrin ja H-tekijän (H) keskinäistä vaikutussuhdetta, joka keittomalli perustuu ns. Hattonin Kappa-malliin, jolloin keit-10 tomallia käytetään muodossa: K = A\ + B\*^og(H)*(AL)”\ missä offsetparametri (A1), jyrkkyysparametri (B1) ja viritysparametri (n) ovat 15 puulajista, puun laadusta, massasta ja keiton kinetiikasta ym. vastaavista asioista riippuvia tekijöitä ja, jossa alkaliparametri (AL) kuvaa tehollista alkalia, jonka keittomallin avulla, ainakin ratkaistaan toiminnallinen Kappa-luku (Kt) tunnettujen lajikohtaisten Kappa-luvun (K), H-tekijän (H) ja alkaliparametrin (AL) tavoitearvojen avulla, tunnettu siitä, 20 että määritetään Kappa-luvun (K), alkalikonsentraatiota kuvaavan alkaliparametrin (AL) ja H-tekijän (H) keskinäinen vaikutussuhde ainakin yhden, sopivimmin kahden herkkyyspara-25 metrin avulla, jolloin ensimmäisellä herkkyysparametrilla (dH/dK) kuvataan H-tekijän muutosnopeutta Kappa-luvun (K) suhteen, ja toisella herkkyysparametrilla (dAL/dK) kuvataan alkaliparametrin (AL) muutosnopeutta Kappa-luvun (K) suh-30 teen. johdetaan ainakin yhtä herkkyysparametria käyttäen keitto-malliyhtälöstä

35 K = Al + Bl*[\og(H)*(AL)n] 914307.DOC 9 2 Z 2 5 11 lausekkeet offsetparametrille (A1), jyrkkyysparametrille (B1) ja viritysparametrille (n), ja ratkaistaan lausekkeet käyttäen lajikohtaisia Kappa-luvun 5 (K), H-tekijän (H) ja alkaliparametrin (AL) tavoitearvoja. m

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasketaan määritettyjen herkkyysparametrien (dH/dK, dAL/dK) avulla viritysparametri (n) ensimmäisestä yhtälöstä (I): 10 n =[log(e)*AL*dH/dK]/[log(H)*H*dAL IdK], missä e = 2,7183

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasketaan lasketun viritysparametrin (n) ja määritetyn ensimmäisen herkkyysparametrin (dH/dK) avulla jyrkkyysparametri (B1) toisesta yhtälöstä (Π):

20 B\ = -[\n(\0)*H]l[{AL)n*dHldK].

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1—3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasketaan laskettujen jyrkkyysparametrin (B1) ja viritysparametrin (n) sekä Kappa-luvun tavoitearvo (K) perusteella offsetparametri 25 (A1) kolmannesta yhtälöstä (III): A1=K - B\* [log(tf)* {AL r ]·

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1—4 mukainen menetelmä, tunnettu 30 siitä, että ratkaistaan laskettujen offsetparametrin (A1), jyrkkyyspara- . metrin (B1) ja viritysparametrin (n) sekä tunnettujen lajikohtaisten H- tekijän (H) ja alkaliparametrin (AL) tavoitearvojen avulla toiminnallinen Kappa-luku (Kt) sijoittamalla ne keittomalliin:

35 Kt=A\+B\*]\og{H)*(AL)n]. 914307.DOC 92 2 2 5 12

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tunnettu lajikohtainen alkaliparametrin (AL) tavoitearvo määritetään kuvaamaan vaikuttavaa alkaliannosta prosentteina absoluuttisen kuivasta puusta laskettuna (ekvivalenttina Na20:na tai NaOHma laskettuna, 5 Na20 = 0,755 x NaOH). I i i 92225 13 Patentkray: