FR3135994A1 - Procede d’optimisation de l’energie de raffinage pendant une operation de raffinage d’une composition de fibres - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé d’optimisation de l’énergie de raffinage fournie par un raffineur à une composition de fibres pendant une opération de raffinage, le raffineur comprenant au moins deux disques de raffinage séparés l’un de l’autre par un entrefer ajustable. L’invention se rapporte également à un système de raffinage adapté pour la réalisation d’un tel procédé.
Description
La présente invention se rapporte à un procédé d’optimisation de l’énergie de raffinage fournie par un raffineur à une composition de fibres pendant une opération de raffinage, ainsi qu’à un système de raffinage adapté pour la réalisation d’un tel procédé.
Dans le domaine technique de la fabrication du papier, il est connu et courant de raffiner la composition de fibres cellulosiques destinée à former ultérieurement la feuille de papier ou de carton, afin de modifier certaines propriétés de la feuille.
Le raffinage consiste à faire subir aux fibres un traitement mécanique combinant compression mécanique et cisaillement. Il permet, notamment lorsqu’il est réalisé en présence de charges minérales, d’améliorer le taux de rétention de ces charges dans la feuille de papier, et ce sans altérer les propriétés mécaniques du papier, notamment sa résistance à la traction ou au déchirement.
Le raffinage est fréquemment effectué entre deux disques de raffinage parallèles en vis-à-vis, qui sont espacés l’un de l’autre d’une distance ajustable, usuellement appelée « entrefer ». Ces deux disques comprennent généralement un disque rotatif (rotor) et un disque fixe (stator). Ils sont usuellement en alliages métalliques, et comprennent des saillies et des rainures servant à guider la composition fibreuse lorsqu’elles se trouve entre les disques.
Le raffinage peut être réalisé par passage(s) de la composition fibreuse entre ces disques. Il peut également être réalisé par passage(s) à travers une série de paires de disques (2 à 6 paires de disques par exemple), pouvant présenter le même entrefer ou un entrefer décroissant.
Une des principales préoccupations reste la maîtrise de la consommation d’énergie du raffineur nécessaire aux opérations de raffinage.
Lors d’une opération de raffinage, les caractéristiques physico-chimiques de la composition fibreuse varient en fonction du temps de raffinage et du nombre de passage de celle-ci entre les disques ou la série de disques du raffineur. Ces caractéristiques sont notamment sa consistance ou densité, et sa rhéologie, c’est-à-dire ses propriétés d’écoulement en fonction des contraintes mécaniques qui lui sont imposées par le raffineur.
La modification des caractéristiques physico-chimiques de la composition fibreuse est due aux phénomènes qui s’exercent sur les fibres lors du raffinage. Les fibres subissent en effet des forces de compression et de cisaillement, qui peuvent conduire à leur fibrillation. Dans ce cas, les fibres présentent alors un aspect ébouriffé. En outre, elles peuvent également être coupées lors du raffinage, de sorte que leur longueur peut diminuer au fur et à mesure des passages dans le raffineur.
Dès lors, de manière simplifiée, on peut dire que plus le raffinage progresse, et plus la composition fibreuse dans l’entrefer devient fluide.
On comprend donc que, si tous les paramètres de fonctionnement du raffineur restent constants au cours du raffinage, notamment l’écart entre les disques, l’énergie de raffinage fournie par le raffineur à la composition fibreuse tend à diminuer au cours du temps.
Pour illustrer le sujet et avoir une représentation concrète des phénomènes énergétiques qui entrent en jeu, un graphe est présenté en . Il représente, de manière générale, l’évolution de l’énergie de raffinage, et de l’entrefer G, en fonction du nombre de passes Np (ou cycles) de la composition fibreuse entre les disques du raffineur.
De manière générale, l’énergie de raffinage, appelée également « énergie spécifique », correspond à la quantité d’énergie nécessaire au raffineur pour raffiner une tonne de composition de fibres par heure. Elle s’exprime donc en kilowatt-heure par tonne de fibres (kWh/t).
Une première courbe E se rapporte à l’énergie spécifique, mesurée en temps réel ou ponctuellement pendant l’opération de raffinage, qui est l’énergie fournie par le raffineur à la composition de fibres pendant l’opération de raffinage.
Une deuxième courbe Ei représente l’énergie spécifique désirée, qui correspond à l’énergie optimale permettant de fournir aux fibres un travail adapté à leur raffinage, pendant la période de raffinage, sans pertes énergétiques.
Une troisième courbe Cs représente la consigne d’énergie de raffinage, choisie et fixée par l’opérateur, à laquelle le raffineur doit se conformer. De manière usuelle, l’opérateur diminue la consigne d’énergie par paliers dégressifs pendant l’opération de raffinage.
Enfin, l’entrefer G correspond à la distance entre les disques, et s’exprime usuellement en micromètres (µm).
D’après ce graphe, on observe que l’opérateur fixe la consigne d’énergie Cs à une première valeur de consigne Cs1 (représentée en traits pointillés), en début de procédé. L’énergie spécifique va donc tendre vers cette valeur de consigne, et si possible l’atteindre. Pour conserver une énergie spécifique E1 relativement constante et proche de la valeur de consigne Cs1, l’entrefer diminue au fur et à mesure des cycles selon une séquence prédéfinie.
En effet, comme indiqué précédemment, le raffinage de la composition fibreuse entraine une modification de ses propriétés physiques et chimiques, notamment de sa consistance et de son écoulement, c’est-à-dire de sa rhéologie. Pour maintenir le niveau d’énergie spécifique au niveau de la consigne, il est donc nécessaire d’adapter l’entrefer à l’évolution de la rhéologie de la composition, et ainsi de rapprocher les disques, ce qui se traduit par une diminution de l’entrefer G suite à l’adoption d’une nouvelle consigne d’énergie. On peut se référer à l’évolution de la courbe G entre le temps 0 et le cycle 10.
Pour éviter que les disques n’entrent en collision, l’opérateur abaisse la consigne à une deuxième valeur de consigne Cs2 au cycle 10. Ceci provoque une brusque augmentation de l’entrefer, puisque les disques appliquent alors à la composition une contrainte trop importante par rapport à sa rhéologie à cet instant, et sont donc rapidement écartés l’un de l’autre afin de faire chuter l’énergie spécifique.
Entre les cycles 10 et 20, la modification de la rhéologie de la composition conduit à une diminution régulière de l’entrefer G pour conserver une énergie spécifique E relativement constante et proche de la valeur de consigne Cs2.
Ce schéma se poursuit jusqu’à ce que l’énergie spécifique atteigne une valeur plancher, à laquelle l’opérateur sait que les fibres ont été suffisamment raffinées. Le raffinage est alors arrêté.
Cette diminution graduelle de l’énergie de consigne Cs, sous la forme de marches d’escalier, permet ainsi de se rapprocher de l’énergie spécifique désirée Ei.
Les énergies de consigne Cs sont obtenues de manière empirique, par essais-erreurs, en répétant un grand nombre de fois le procédé et en adaptant les paramètres en conséquence, et ce pour chaque type de composition fibreuse.
En effet, la courbe d’énergie désirée Ei dépend d’un grand nombre de paramètres, parmi lesquels la nature des fibres, la consistance de la composition, et de manière générale, la rhéologie de la composition.
Sur la base de cette analyse, deux approches sont envisageables.
Une première approche, dite conservative, consiste à définir, préalablement au démarrage du raffinage, une courbe échelonnée de consignes d’énergie avec des paramètres conservatifs. Ceci implique cependant un temps de raffinage long, dans la mesure où il est nécessaire d’éviter absolument que les disques n’entrent en collision, et donc de prévoir une marge de sécurité en choisissant les paliers de consigne d’énergie.
Une deuxième approche, dite agressive, consiste à définir une courbe échelonnée de consignes d’énergie de manière à obtenir un temps de raffinage court. Cela conduirait cependant à une collision des disques pour certains ensembles de paramètres d’entrée, dans la mesure où la loi de mouvement optimale des disques est unique à chaque ensemble de paramètres d’entrée.
Ces deux approches ne sont donc pas optimales.
Ainsi, pour obtenir une loi de mouvement optimale des disques, une surveillance manuelle continue est nécessaire. Un inconvénient majeur est que cette solution nécessite la présence d’opérateurs qualifiés, ce qui engendre des coûts de production élevés, en plus de potentiellement réduire la productivité lorsque l’opérateur doit consacrer du temps à cette tâche plutôt qu’à une autre qui nécessiterait son expertise.
Un but de l’invention est de proposer un procédé d’optimisation de l’énergie de raffinage fournie par un raffineur à une composition de fibres pendant une opération de raffinage, permettant de surmonter les inconvénients précédents.
La composition de fibres comprend de l’eau et des fibres, avantageusement cellulosiques. Elle peut également comprendre des charges minérales. L’homme du métier saura adapter le rapport massique entre les fibres cellulosiques et les charges minérales. Il saura également adapter la concentration en fibres cellulosiques et en charges minérales dans la composition, notamment dans l’eau.
L’invention vise en particulier à fournir un tel procédé permettant d’optimiser l’énergie de raffinage fournie par un raffineur à une composition de fibres, en fonction des caractéristiques physico-chimiques de ladite composition et de leur évolution au cours d’une opération de raffinage, et ce de manière automatisée, sans nécessiter la présence d’un opérateur dédié à la gestion de l’énergie et/ou au réglage de l’entrefer pendant l’opération de raffinage.
A cette fin, l’invention propose un procédé d’optimisation de l’énergie de raffinage fournie par un raffineur à une composition de fibres pendant une opération de raffinage, dans lequel le raffineur comprend au moins deux disques de raffinage séparés l’un de l’autre par un entrefer ajustable.
Le procédé est principalement caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
a) fixer une consigne d’énergie de raffinage initiale,
b) mesurer une vibration du raffineur, pour obtenir un signal de vibration correspondant qui dépend de l’entrefer,
c) comparer au moins une caractéristique du signal de vibration à une valeur maximale et/ou à une valeur minimale déterminée, de sorte que :
- c1) si la caractéristique du signal de vibration est inférieure à la valeur maximale, recommencer le procédé depuis l’étape b),
- c2) si la caractéristique du signal de vibration est supérieure ou égale à la valeur maximale, diminuer automatiquement la consigne d’énergie de raffinage initiale à une valeur de consigne inférieure, et augmenter automatiquement l’entrefer de sorte que l’énergie de raffinage tende vers la valeur de consigne inférieure,
et/ou
- c3) si la caractéristique du signal de vibration est supérieure à la valeur minimale, recommencer le procédé depuis l’étape b),
- c4) si la caractéristique du signal de vibration est inférieure ou égale à la valeur minimale, augmenter automatiquement la consigne d’énergie de raffinage initiale à une valeur de consigne supérieure, et diminuer automatiquement l’entrefer de sorte que l’énergie de raffinage tende vers la valeur de consigne supérieure.
a) fixer une consigne d’énergie de raffinage initiale,
b) mesurer une vibration du raffineur, pour obtenir un signal de vibration correspondant qui dépend de l’entrefer,
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L’invention se base sur le contrôle et l’optimisation de l’énergie de raffinage (énergie spécifique) utilisée pour raffiner une composition fibreuse en utilisant la mesure des vibrations du raffineur.
Le procédé selon l’invention établit à cet effet un lien direct entre les vibrations du raffineur et l’énergie spécifique.
Ce lien direct permet d’adapter l’énergie spécifique au cours d’une opération de raffinage, afin de se rapprocher au plus près de l’énergie désirée (courbe Ei de la ). On réduit ainsi la quantité d’énergie globale nécessaire pour raffiner la composition de fibres pour une même durée de raffinage. Autrement dit, on réduit la durée de raffinage pour une même quantité d’énergie utilisée. On peut donc réduire le nombre de paires de disques de raffinage et/ou le nombres de cycles de raffinage.
Plus en détails, comme décrit précédemment, plus le raffinage progresse, et plus la composition fibreuse devient fluide. Ainsi, pour conserver un raffinage efficient, c’est-à-dire une valeur d’énergie spécifique suffisante pour raffiner efficacement les fibres, celle-ci étant généralement réglée sur une consigne, il est nécessaire de rapprocher les disques (d’une même paire) l’un de l’autre, ce qui se traduit par une réduction de l’entrefer.
Le rapprochement des disques conduit ces derniers à entrer en résonnance l’un avec l’autre. Ce phénomène se traduit par une modification du signal de vibration, notamment par une augmentation de l’amplitude des harmoniques d’une fréquence caractéristique du corps et des disques du raffineur.
L’invention exploite ce phénomène de résonnance, en mesurant de manière régulière dans le temps une vibration du raffineur, de préférence en temps réel (en continu), afin de détecter la résonnance. Lorsque la résonnance est atteinte, la consigne d’énergie est abaissée. Les disques sont alors déplacés de manière à s’écarter l’un de l’autre afin que l’énergie mesurée tendent vers, voire atteigne, la nouvelle consigne d’énergie abaissée. On sort ainsi de la zone de résonnance. Il s’agit d’une régulation par le haut.
L’invention propose également une régulation par le bas. Lorsque la vibration du raffineur devient trop basse, cela signifie que les disques sont trop écartés pour fournir à la composition une énergie spécifique optimale. La consigne d’énergie est alors augmentée, ce qui conduit à un rapprochement des disques afin que l’énergie mesurée tendent vers, voire atteigne, la nouvelle consigne augmentée. On se rapproche alors de la zone de résonnance.
La réitération de ces étapes au cours du raffinage conduit à une diminution globale échelonnée et automatique de l’énergie spécifique, et ce, en s’approchant le plus possible de l’énergie désirée (courbe Ei de la ). On optimise donc l’énergie spécifique grâce aux mesures de vibration du raffineur. Bien évidemment, lorsque l’on opère une régulation par le bas, on observe localement une augmentation de l’énergie spécifique, qui résulte de l’augmentation de la consigne d’énergie.
De plus, le profil et la vitesse de déplacement des disques entre deux consignes d’énergie consécutives, jusqu’à leur entrée en résonnance, dépend de la nature de la composition fibreuse, c’est-à-dire de ses propriétés physiques dont sa rhéologie, et de ses propriétés chimiques, c’est-à-dire de la nature des fibres. Or, la nature de la composition fibreuse évolue dans le temps, et notamment entre deux consignes d’énergie consécutives. Par conséquent, le procédé selon l’invention permet d’optimiser l’énergie spécifique en fonction des propriétés physico-chimiques de la composition fibreuse et de leur évolution au cours de l’opération de raffinage, sur la base des vibrations du raffineur, et ce de manière précise et automatique, sans nécessiter le suivi d’un opérateur. La présente invention ne nécessite pas de connaître ou de mesurer la viscosité de la composition fibreuse.
Comme on le verra dans la suite du présent texte, on obtient ainsi des profils d’évolution de l’énergie en fonction du nombre de passage, qui sont différents en fonction de la nature des composition fibreuses raffinées.
A titre informatif, on précise qu’une « vibration » désigne un mouvement d’oscillation mécanique des molécules autour d’une position d’équilibre stable. La mesure des vibrations s’effectue en transformant l’oscillation mécanique en oscillation électrique à l’aide de transducteurs, tels que des capteurs (avantageusement accéléromètres ou microphones) électromagnétiques, électrodynamiques, électrostatiques, ou encore piézoélectriques. Un ou plusieurs capteurs peuvent être utilisés. En cas de pluralité de capteurs, il s’agit avantageusement de capteurs du même type, par exemple des accéléromètres.
Dans la mesure où un son est une vibration mécanique d’un fluide, le terme « vibration » englobe non seulement les ondes qui se propagent dans les éléments constitutifs du raffineur (milieu solide), mais également les ondes qui se propagent dans l’air autour du raffineur (milieu fluide), c’est-à-dire les « ondes sonores », que celles-ci appartiennent au spectre des fréquences audibles, des infrasons, ou des ultrasons.
Selon d’autres aspects, le procédé selon l’invention présente les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon leurs combinaisons techniquement possibles :
- le procédé est réitéré au moins une fois depuis l’étape b) après réalisation de l’étape c2) ou de l’étape c4), la consigne d’énergie de raffinage initiale étant remplacée par la consigne inférieure ou supérieure respectivement ;
- la caractéristique du signal de vibration comprend une accélération du raffineur ;
- l’accélération est mesurée en calculant une moyenne en temps réel d’un nombre paramétrable de valeurs d’accélération mesurées dans un intervalle de temps compris entre 0,5 seconde et 5 secondes, de préférence entre 1 seconde et 3 secondes ;
- le nombre paramétrable de valeurs d’accélération est compris entre 10 et 500, de préférence entre 50 et 300, plus préférentiellement entre 100 et 300 ;
- la consigne inférieure de l’étape c2) ou la consigne supérieure de l’étape c4) est maintenue constante pendant un intervalle de temps d’au moins 5 secondes, de préférence pendant au moins 10 secondes, plus préférentiellement pendant au moins 20 secondes (avantageusement moins de 60 minutes), quelle que soit la vibration mesurée pendant ledit intervalle de temps.
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L’invention se rapporte également à un système de raffinage pour la réalisation du procédé décrit précédemment. Il s’agit donc d’un système de raffinage pour l’optimisation de l’énergie de raffinage fournie par ledit système de raffinage à une composition de fibres pendant une opération de raffinage.
Le système est principalement caractérisé en ce qu’il comprend :
- un raffineur muni d’au moins deux disques de raffinage séparés l’un de l’autre par un entrefer ajustable,
- un capteur de vibration configuré pour mesurer une vibration du raffineur, et fournir en sortie un signal de vibration correspondant qui dépend de l’entrefer,
- un système de contrôle configuré pour recevoir le signal de vibration du capteur de vibration, comparer au moins une caractéristique du signal de vibration à une valeur maximale ou une valeur minimale déterminée, et pour commander le raffineur, selon le procédé décrit précédemment.
- un raffineur muni d’au moins deux disques de raffinage séparés l’un de l’autre par un entrefer ajustable,
- un capteur de vibration configuré pour mesurer une vibration du raffineur, et fournir en sortie un signal de vibration correspondant qui dépend de l’entrefer,
- un système de contrôle configuré pour recevoir le signal de vibration du capteur de vibration, comparer au moins une caractéristique du signal de vibration à une valeur maximale ou une valeur minimale déterminée, et pour commander le raffineur, selon le procédé décrit précédemment.
Selon d’autres aspects, le système selon l’invention présente les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon leurs combinaisons techniquement possibles :
- le capteur de vibration comprend un accéléromètre (ou un microphone), et la caractéristique du signal de vibration comprend une accélération du raffineur mesurée par ledit accéléromètre (ou ledit microphone) ;
- le système de contrôle est configuré pour mesurer l’accélération en effectuant la moyenne en temps réel d’un nombre paramétrable de valeurs d’accélération mesurées par l’accéléromètre (ou par le microphone) dans un intervalle de temps compris entre 0,5 seconde et 5 secondes, de préférence entre 1 seconde et 3 secondes ;
- le nombre paramétrable de valeurs d’accélération est compris entre 10 et 500, de préférence entre 50 et 300, plus préférentiellement entre 100 et 300 ;
- le système de contrôle est configuré pour maintenir constante la consigne inférieure de l’étape c2) ou la consigne supérieure de l’étape c4) pendant un intervalle de temps d’au moins 5 secondes, de préférence pendant au moins 10 secondes, plus préférentiellement pendant au moins 20 secondes (avantageusement moins de 60 minutes), quelle que soit la vibration mesurée pendant ledit intervalle de temps.
- le capteur de vibration comprend un accéléromètre (ou un microphone), et la caractéristique du signal de vibration comprend une accélération du raffineur mesurée par ledit accéléromètre (ou ledit microphone) ;
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D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées suivantes :
Description détaillée de modes de réalisation de l’invention
L’invention concerne un procédé d’optimisation de l’énergie de raffinage fournie par un raffineur à une composition de fibres pendant une opération de raffinage, ainsi qu’un système de raffinage adapté à la mise en œuvre d’un tel procédé.
Le système de raffinage comprend un raffineur.
Le raffineur est muni d’au moins deux disques de raffinage séparés l’un de l’autre par un entrefer ajustable. Cela signifie que les disques sont mobiles l’un par rapport à l’autre, et peuvent être rapprochés ou écartés l’un de l’autre. De manière générale, dans une paire de disques, un seul des disques peut être mobile (rotor) alors que l’autre reste fixe (stator).
Il est possible de prévoir plusieurs paires de disques, agencées en série ou en parallèle, selon le type de raffinage souhaité. L’homme du métier saura comment optimiser le nombre de disques et leur agencement afin d’obtenir les performances de raffinage désirées.
Le système de raffinage comprend également au moins un capteur de vibration, configuré pour mesurer une vibration du raffineur, et fournir en sortie un signal de vibration du raffineur.
A cet effet, on peut utiliser un ou plusieurs capteurs de vibration, afin de rendre la mesure de vibration plus précise. Le ou les capteurs peuvent être positionnés à divers endroits du raffineur, par exemple sur le corps du raffineur et/ou sur le moteur du raffineur.
De préférence, on utilise au moins deux capteurs de vibration, dont un premier capteur est positionné le corps du raffineur et un deuxième capteur est positionné sur le moteur du raffineur.
Selon un mode de réalisation préféré, le capteur de vibration comprend un accéléromètre (ou un microphone), configuré pour mesurer une accélération du raffineur, et fournir en sortie un signal électrique caractéristique de ladite accélération du raffineur.
Alternativement, le capteur de vibration peut comprendre un microphone, configuré pour mesurer une vibration sonore résultant de la vibration du raffineur, et fournir en sortie un signal électrique caractéristique de ladite vibration sonore.
Le système de raffinage comprend également un système de contrôle, configuré pour commander au moins un des éléments du raffineur, dont au moins un des disques de raffinage.
Le système de contrôle est configuré pour recevoir en entrée le signal de vibration du capteur de vibration, comparer au moins une caractéristique du signal de vibration à une valeur maximale ou une valeur minimale déterminée, et commander l’un au moins des disques afin de modifier l’entrefer en conséquence comme expliqué plus en détails dans la suite du présent texte.
Le système de raffinage comprend de préférence au moins un dispositif de calcul, configuré pour calculer une énergie de raffinage, c’est-à-dire une énergie spécifique. Le dispositif de calcul en connecté à plusieurs capteurs dont il reçoit les données servant au calcul de l’énergie spécifique, par exemple le débit de la composition fibreuse, la vitesse de rotation du moteur et des disques, ou encore l’entrefer.
Le système de calcul peut calculer l’énergie spécifique en temps réel, c’est-à-dire en continu, ou ponctuellement à des instants déterminés.
Le dispositif de calcul peut être intégré au système de contrôle, ou distinct de celui-ci.
Le système de raffinage comprend également une mémoire dans laquelle peuvent être stockées des données relatives au fonctionnement du système de raffinage. Ces données comprennent notamment une ou plusieurs consignes d’énergie spécifique. Elles peuvent être enregistrées par le constructeur lors de la fabrication du système et/ou par un opérateur avant ou pendant une opération de raffinage.
La mémoire peut être intégrée au système de contrôle, ou distincte de celui-ci.
Le procédé d’optimisation de l’énergie de raffinage selon l’invention va maintenant être décrit en références aux figures 2, 3 et 4. Ce procédé est basé sur la mise en œuvre du système de raffinage qui vient d’être décrit.
On commence par mettre en marche le système de raffinage, que l’on alimente par un flux de composition fibreuse.
De préférence, on mesure l’énergie de raffinage dès le début du raffinage et pendant toute l’opération de raffinage. Cette mesure est réalisée par le dispositif de calcul.
Le flux de composition fibreuse ainsi que la vitesse de rotation du moteur et des disques du raffineur sont préférentiellement maintenus constants pendant toute l’opération de raffinage. Outre les raisons évidentes de praticité et de contrainte industrielle, ceci permet de faire varier un faible nombre de paramètres, et ainsi de mieux contrôler l’évolution de l’énergie spécifique au cours du temps.
Dans une étape a), on fixe une consigne d’énergie de raffinage initiale (ou énergie spécifique initiale), notée Cs1.
Une étape b) consiste à mesurer une vibration du raffineur, pour obtenir un signal de vibration correspondant. Le signal de vibration dépend de l’entrefer, en ce qu’il est d’autant plus fort que les disques sont proches l’un de l’autre. En pratique, cette mesure de vibration est réalisée par le capteur de vibration, qui reçoit en entrée les vibrations du raffineur, et fournit en sortie un signal de vibration correspondant. Le signal de vibration est alors transmis au système de contrôle.
Le signal de vibration peut alors être traité par un système de traitement du signal prévu à cet effet. Il peut s’agir par exemple de filtrer le signal sur un intervalle de fréquences donné.
Le système de contrôle reçoit en entrée le signal de vibration. Dans une étape c), celui-ci compare au moins une caractéristique Cq dudit signal de vibration à une valeur maximale Vmaxou une valeur minimale Vmindéterminée.
Sur l’organigramme de la , ces conditions sont notées : « Cq ≥ Vmax? » et « Cq ≤ Vmin? ».
En pratique, les valeurs maximale Vmaxet minimale Vmindépendent des réglages du système de raffinage. Elles sont donc déterminées de manière empirique par l’opérateur lors de différents essais de raffinage, et enregistrées par celui-ci dans la mémoire du système de raffinage. L’opérateur peut les modifier avant ou pendant une opération de raffinage.
A l’issue de la comparaison, si la caractéristique Cq du signal de vibration est inférieure à la valeur maximale Vmax, ou supérieure à la valeur minimale Vmin, alors la condition précédente n’est pas respectée (N). On réitère alors le procédé depuis l’étape b) de mesure. Cette alternative est appelée c1) ou c3) sur l’organigramme de la .
Au contraire, si la caractéristique Cq du signal de vibration est supérieure ou égale à la valeur maximale Vmax, ou inférieure ou égale à la valeur minimale Vmin, alors la condition précédente est respectée (O).
La condition Cq ≥ Vmaxrespectée signifie que le raffineur est entré en résonnance et que les disques sont très proches l’un de l’autre. Le système de contrôle diminue alors automatiquement la consigne d’énergie spécifique Cs1 à une valeur de consigne inférieure Cs2. Pour que l’énergie spécifique tende vers la valeur de consigne inférieure puis se stabilise autour de cette valeur, le système de contrôle commande automatiquement les disques afin de les écarter, augmentant ainsi l’entrefer Ef. Ce faisant, le raffineur sort de l’état de résonnance. Cette alternative est appelée c2) sur l’organigramme de la .
De manière incidente, les étapes c) et c2) permettent d’éviter que les disques du raffineur n’entrent en collision, et ce quelle que soit la consigne d’énergie en vigueur. Cela implique qu’il est possible de choisir une consigne d’énergie initiale très élevée afin de maximiser l’efficacité du raffinage, sans craindre un accident causé par une collision des disques.
La condition Cq ≤ Vminrespectée signifie que la vibration est très basse, ce qui suggère que les disques sont trop éloignés l’un de l’autre pour apporter l’énergie suffisante pour raffiner efficacement les fibres. Le système de contrôle augmente alors automatiquement la consigne d’énergie spécifique Cs1 à une valeur de consigne supérieure Cs2. Pour que l’énergie spécifique tende vers la valeur de consigne supérieure puis se stabilise autour de cette valeur, le système de contrôle commande automatiquement les disques afin de les resserrer, diminuant ainsi l’entrefer Ef. Cette alternative est appelée c4) sur l’organigramme de la .
Selon un mode de réalisation préféré, la caractéristique Cq du signal de vibration comprend une accélération du raffineur. Une telle accélération s’exprime usuellement en g, où 1g équivaut à environ 9,82 m/s2. Dès lors, la comparaison c) ainsi que les alternatives c2) et c4) sont réalisées avec une valeur d’accélération, par comparaison de ladite valeur d’accélération avec des valeurs d’accélération maximale Vmaxet minimale Vmin.
L’accélération utilisée peut être une valeur efficace de l’amplitude du signal de vibration filtré sur une plage de fréquences déterminée. La plage de fréquence déterminée peut par exemple être comprise entre 4 kHz et 10 kHz.
L’accélération est de préférence mesurée en effectuant la moyenne en temps réel d’un nombre paramétrable de valeurs d’accélération mesurées dans un intervalle de temps donné. On parle alors de moyenne mobile ou glissante. Cela signifie que la moyenne est modifiée en permanence par la prise en compte continue de nouvelles valeurs d’accélération et le rejet d’anciennes valeurs d’accélération, qui entrent dans son calcul.
L’intervalle de temps dans lequel est calculé la moyenne d’accélération est avantageusement compris entre 0,5 seconde et 5 secondes, de préférence entre 1 seconde et 3 secondes.
En outre, le nombre paramétrable de valeurs d’accélération est avantageusement compris entre 10 et 500, de préférence entre 50 et 300, plus préférentiellement entre 100 et 300.
A l’issue de l’étape c2) ou de l’étape c4), le procédé est de préférence réitéré au moins une fois depuis l’étape b), afin d’optimiser l’énergie spécifique tout au long de l’opération de raffinage. Dans ce cas, la nouvelle consigne d’énergie spécifique Cs2 est susceptible d’être modifiée automatiquement en une consigne inférieure ou supérieure Cs3, selon le résultat de l’étape c) de comparaison, et ainsi de suite au fur et à mesure des itérations successives du procédé.
De préférence, la consigne inférieure ou supérieure Cs2 résultant de l’étape c2) ou de l’étape c4) respectivement, est maintenue constante pendant un intervalle de temps d’au moins 5 secondes, de préférence pendant au moins 10 secondes, plus préférentiellement pendant au moins 20 secondes (avantageusement moins de 60 minutes), quelle que soit la vibration mesurée pendant ledit intervalle de temps. Ceci permet de bien stabiliser l’énergie du système à la nouvelle valeur de consigne, et d’éviter tout perte d’énergie.
De manière optionnelle, l’étape c) (c’est-à-dire les sous-étapes c2) et c4)) peut être suivie d’une étape d) selon laquelle le dispositif de mesure effectue une mesure de la longueur moyenne des fibres de la composition fibreuse. Il peut s’agir d’une moyenne en nombre, en poids, ou en longueur, en fonction de ce qui convient à l’opérateur.
Si la longueur moyenne L des fibres est supérieure à une longueur minimale Lmin, le raffinage continue. Si au contraire ladite longueur moyenne des fibres est inférieure ou égale à la longueur minimale Lmin, on arrête le raffinage.
Sur la est illustré un graphe représente un signal de vibration mesuré par le capteur et transmis par ce dernier au système de contrôle. La caractéristique du signal de vibration qui est mesurée puis comparée est ici une accélération, notée Ac (exprimée en g), qui est reportée en ordonnée.
Le signal de gauche (1) se rapporte à un premier réacteur, pour lequel une valeur maximale d’accélération est fixée à 5g (1 g = 9,80665 m/s2). Le dispositif de calcul détermine en temps réel la moyenne de l’accélération à partir de l’amplitude du signal. Lorsque cette moyenne est supérieure ou égale à la valeur maximale 5g, le système de contrôle abaisse la valeur de consigne à une nouvelle valeur de consigne inférieure (par exemple 4,5g), et envoie un ordre de commande aux disques afin de les écarter l’un de l’autre, augmentant ainsi l’entrefer, et diminuant alors l’énergie spécifique. Le système de contrôle ajuste l’entrefer de sorte que l’énergie spécifique tende vers, voire atteigne, la nouvelle valeur de consigne inférieure. On contrôle ainsi l’énergie spécifique par le haut.
Le signal de droite (2) se rapporte à un second réacteur, pour lequel une valeur maximale d’accélération est fixée à 3g. De manière similaire au réacteur de gauche, lorsque l’accélération moyenne mesurée est supérieure ou égale à la valeur maximale 3g, le système de contrôle abaisse la valeur de consigne à une nouvelle valeur de consigne inférieure, et commande les disques pour augmenter l’entrefer.
Il est également possible de prévoir que la valeur 3g représente une valeur minimale d’accélération pour le réacteur de gauche (1), indépendamment ou en combinaison avec la valeur maximale 5g. Dans ce cas, lorsque l’accélération moyenne mesurée est inférieure ou égale à la valeur minimale 3g, le système de contrôle augmente la valeur de consigne à une nouvelle valeur de consigne supérieure (par exemple 3,5g), et envoie un ordre de commande aux disques afin de les rapprocher l’un de l’autre, diminuant ainsi l’entrer, et augmentant alors l’énergie spécifique. Le système de contrôle ajuste l’entrefer de sorte que l’énergie spécifique tende vers, voire atteigne, la nouvelle valeur de consigne supérieure. On contrôle ainsi l’énergie spécifique par le bas.
Respectivement, il est bien sûr possible de prévoir que la valeur 5g représente une valeur maximale d’accélération pour le réacteur de droite (2), indépendamment ou en combinaison avec la valeur minimale 3g. Le principe de fonctionnement est le même que ce qui précède.
Lorsque l’on fixe à la fois une valeur minimale 3g et une valeur maximale 5g, l’accélération moyenne mesurée est comparée à chacune de ces deux valeurs extrêmes, et l’énergie spécifique est augmentée ou diminuée selon sa valeur. On contrôle ainsi l’énergie spécifique par le haut et par le bas.
Sur la sont représentés 8 graphes référencés (A), (B), (C), (D), (E), (F), (G), et (H), qui illustrent l’évolution de l’énergie spécifique E en fonction du nombre de passes Np dans le raffineur, pour différentes compositions fibreuses.
Ce qu’il est important de remarquer est que ces graphes présentent tous un profil relativement similaire, à savoir une décroissance de l’énergie par paliers, au fur et à mesure du raffinage de la composition. Toutefois, le nombre de paliers, leur durée, et leur énergie respective diffère d’un graphe à l’autre, et donc d’une composition fibreuse à l’autre.
Par exemple, le graphe (A) compte 8 paliers, contre seulement 7 paliers pour le graphe (B). De même, le graphe (G) compte 9 paliers, contre seulement 7 paliers pour le graphe (H).
En outre, et toujours à titre d’exemple, le palier de 23 kWh/t du graphe (A) dure environ 1 passe, contre environ 3 passes pour celui du graphe (B). De même, le palier de 17 kWh/t du graphe (G) dure environ 1 passe, contre environ 5 passes pour celui du graphe (H). Le palier de 17 kWh/t est d’ailleurs le dernier palier du graphe (H), puisque les fibres ont alors atteint leur taille minimale, contrairement au graphe (G) qui comprend en plus les paliers à 14 kWh/t puis 11 kWh/t, nécessaires pour finaliser le raffinage.
Ceci s’explique de la manière suivante. Les compositions des graphes (A) à (H) diffèrent par leurs propriétés physico-chimiques, notamment par la nature des fibres, leur quantité relative dans la composition, leur distribution de longueur, ou encore par la consistance de la composition, et par la présence et la nature de charges incorporées dans la composition.
Ces différences de propriétés ont un impact sur la rhéologie des compositions, c’est-à-dire sur leurs propriétés d’écoulement en fonction de la contrainte appliquée lors du raffinage.
En outre, plus le raffinage progresse, plus les fibres sont raccourcies et cisaillées, de sorte que les propriétés précédentes se modifient, de même que la rhéologie.
Par conséquent, l’évolution de l’énergie spécifique mesurée au cours du temps diffère d’une composition à l’autre, conduisant ainsi à une régulation de ladite énergie par le système de contrôle selon l’invention, elle aussi différente. En pratique, le profil d’évolution de l’entrefer au cours du raffinage varie en fonction de la composition à raffiner.
Le procédé de l’invention tient compte de l’évolution des propriétés physico-chimiques de la composition, et ajuste automatiquement, en conséquence, l’énergie spécifique au plus proche de l’énergie optimale.
Ainsi, le procédé de l’invention ajuste et optimise de manière automatique l’énergie spécifique en fonction des propriétés physico-chimiques de la composition à raffiner, en utilisant la vibration du raffineur comme élément de mesure.
Claims (12)
- Procédé d’optimisation de l’énergie de raffinage fournie par un raffineur à une composition de fibres pendant une opération de raffinage, le raffineur comprenant au moins deux disques de raffinage séparés l’un de l’autre par un entrefer ajustable, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a) fixer une consigne d’énergie de raffinage initiale,
b) mesurer une vibration du raffineur, pour obtenir un signal de vibration correspondant qui dépend de l’entrefer,
c) comparer au moins une caractéristique du signal de vibration à une valeur maximale et/ou à une valeur minimale déterminée, de sorte que :
- c1) si la caractéristique du signal de vibration est inférieure à la valeur maximale, recommencer le procédé depuis l’étape b),
- c2) si la caractéristique du signal de vibration est supérieure ou égale à la valeur maximale, diminuer automatiquement la consigne d’énergie de raffinage initiale à une valeur de consigne inférieure, et augmenter automatiquement l’entrefer de sorte que l’énergie de raffinage tende vers la valeur de consigne inférieure,
et/ou
- c3) si la caractéristique du signal de vibration est supérieure à la valeur minimale, recommencer le procédé depuis l’étape b),
- c4) si la caractéristique du signal de vibration est inférieure ou égale à la valeur minimale, augmenter automatiquement la consigne d’énergie de raffinage initiale à une valeur de consigne supérieure, et diminuer automatiquement l’entrefer de sorte que l’énergie de raffinage tende vers la valeur de consigne supérieure. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel le procédé est réitéré au moins une fois depuis l’étape b) après réalisation de l’étape c2) ou de l’étape c4), la consigne d’énergie de raffinage initiale étant remplacée par la consigne inférieure ou supérieure respectivement.
- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la caractéristique du signal de vibration comprend une accélération du raffineur.
- Procédé selon la revendication 3, dans lequel l’accélération est mesurée en calculant une moyenne en temps réel d’un nombre paramétrable de valeurs d’accélération mesurées dans un intervalle de temps compris entre 0,5 seconde et 5 secondes, de préférence entre 1 seconde et 3 secondes.
- Procédé selon la revendication 4, dans lequel le nombre paramétrable de valeurs d’accélération est compris entre 10 et 500, de préférence entre 50 et 300, plus préférentiellement entre 100 et 300.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la consigne inférieure de l’étape c2) ou la consigne supérieure de l’étape c4) est maintenue constante pendant un intervalle de temps d’au moins 5 secondes, de préférence pendant au moins 10 secondes, plus préférentiellement pendant au moins 20 secondes, quelle que soit la vibration mesurée pendant ledit intervalle de temps.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- le procédé est réitéré au moins une fois depuis l’étape b) après réalisation de l’étape c2) ou de l’étape c4), la consigne d’énergie de raffinage initiale étant remplacée par la consigne inférieure ou supérieure respectivement ;
- la caractéristique du signal de vibration comprend une accélération du raffineur ;
- l’accélération est mesurée en calculant une moyenne en temps réel d’un nombre paramétrable de valeurs d’accélération mesurées dans un intervalle de temps compris entre 0,5 seconde et 5 secondes ;
- le nombre paramétrable de valeurs d’accélération est compris entre 10 et 500 ;
- la consigne inférieure de l’étape c2) ou la consigne supérieure de l’étape c4) est maintenue constante pendant un intervalle de temps d’au moins 5 secondes, quelle que soit la vibration mesurée pendant ledit intervalle de temps. - Système de raffinage pour l’optimisation de l’énergie de raffinage fournie par ledit système de raffinage à une composition de fibres pendant une opération de raffinage, caractérisé en ce qu’il comprend :
- un raffineur muni d’au moins deux disques de raffinage séparés l’un de l’autre par un entrefer ajustable,
- un capteur de vibration configuré pour mesurer une vibration du raffineur, et fournir en sortie un signal de vibration correspondant qui dépend de l’entrefer,
- un système de contrôle configuré pour recevoir le signal de vibration du capteur de vibration, comparer au moins une caractéristique du signal de vibration à une valeur maximale ou une valeur minimale déterminée, et pour commander le raffineur, selon le procédé de l’une quelconque des revendications 1 à 7. - Système de raffinage selon la revendication 8, dans lequel le capteur de vibration comprend un accéléromètre ou un microphone, et la caractéristique du signal de vibration comprend une accélération du raffineur mesurée par ledit accéléromètre ou ledit microphone.
- Système de raffinage selon la revendication 9, dans lequel le système de contrôle est configuré pour mesurer l’accélération en effectuant la moyenne en temps réel d’un nombre paramétrable de valeurs d’accélération mesurées par l’accéléromètre ou le microphone dans un intervalle de temps compris entre 0,5 seconde et 5 secondes, de préférence entre 1 seconde et 3 secondes.
- Système de raffinage selon la revendication 10, dans lequel le nombre paramétrable de valeurs d’accélération est compris entre 10 et 500, de préférence entre 50 et 300, plus préférentiellement entre 100 et 300.
- Système de raffinage selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel le système de contrôle est configuré pour maintenir constante la consigne inférieure de l’étape c2) ou la consigne supérieure de l’étape c4) pendant un intervalle de temps d’au moins 5 secondes, de préférence pendant au moins 10 secondes, plus préférentiellement pendant au moins 20 secondes, quelle que soit la vibration mesurée pendant ledit intervalle de temps.
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-
2023
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO1986006770A1 (fr) * | 1985-05-06 | 1986-11-20 | Sunds Defibrator Aktiebolag | Procede de fabrication de pulpe mecanique |
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