JP4734347B2 - 高粘稠度円錐状ディスク・リファイナ内の木材チップ又はパルプをリファイニングする方法 - Google Patents

Description

本発明は、木材パルプをリファイニング（精製）する方法に関し、より詳細には、本発明は、リファイナ内のパルプ粘稠度が、リファイナへの制御された希釈水の添加によって調整されるそのような方法に関する。

好ましい実施例において、本発明は、リファイニング強度の調整によってＴＭＰ（熱機械パルプ）リファイナを制御する方法に関する。リファイナ内のパルプ粘稠度は、安定したリファイニング強度を達成し、且つ製造レートにおける変化に関連する擾乱などの擾乱を補償するために、制御され且つ調整される。

熱機械パルプ（ＴＭＰ）リフィニングにおけるパルプの品質は、製造のトン当たりのエネルギーとして規定される加えられる比エネルギーに大いに応じる。パルプ品質を制御するための従来のアプローチは、したがって、リファイナ・モータ負荷における変化を介して、又はリファイナ・スループットにおける変化を介して比エネルギーを調整することである、Ｏｗｅｎ Ｊ．らの「２つの機能性を有する高度な制御のオペレータ許容に対する実際のアプローチ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ９８、Ｐｏｒｖｏｏ、Ｆｉｎｌａｎｄ」。

パルプ品質は、このエネルギーが、バー衝撃当たりのリフィニング強度又は比エネルギーによって表現されるときに適用されるレートにも応じる、Ｍｉｌｅｓ Ｋ．「チップ・リファイナにおける滞留時間及びリフィニング強度を計算するための単純化された方法、Ｐａｐｅｒｉ ｊａ Ｐｕｕ、７３（９）、８５２−８５７（１９９１）」。実際に、所定の比エネルギーで、このリフィニング強度はパルプ粘稠度とともに変わる。パルプ粘稠度は、自体がリフィニング強度に逆比例するパルプ滞留時間に影響を及ぼす。設備の数が増大すると、ブロー・ラインで測定され又は推定されるパルプの粘稠度は、リファイナへの希釈水の流量を調整することによって制御される。そのような粘稠度制御は、リファイナの良好な動作のための適切な範囲内に排出口粘稠度を維持するのに役立つ。

非常に高いリファイニング粘稠度で動作するＳｕｎｄｓ ＣＤ８２又はＣＤ７６リファイナのいくつかなどの大きな最新のＴＭＰリファイナにおいて、（図１に示されるように）パルプ粘稠度を変化させるために調整されることができる３つまでの可能な希釈流れが存在し、すなわち、リファイニング・ゾーンの前にパルプ又はチップに添加されるインフィード希釈又は水、リファイナの平坦なゾーンに添加される希釈水、及びいくつかの最新の設備における、円錐状ゾーンに添加される希釈水である。円錐状ゾーンに希釈水を添加する目的は、プレートの周辺での非常に高い粘稠度、及び関連するプレートの詰まりの発生を低減することである。

パルプ粘稠度は、変化し且つリファイナ入口からリファイナ排出口又はブロー・ラインへ通常増大するが、用語リファイナ・パルプ粘稠度は、従来、リファイナ排出口でのパルプの粘稠度を意味する。このパルプ粘稠度は、予測モデルを使用して推定される手動サンプルで測定されるか、又は市販で入手可能なセンサを使用してオンラインで測定される。設備の数が増大すると、パルプの粘稠度は、３つの上述の流れ希釈（インフィード、平坦なゾーン、及び円錐状ゾーン希釈）が、（図２に示されるように）確立された比に従って操作される単一の制御ループを介して制御される。従来技術の単一ループ粘稠度制御スキームは、多くの制限を有する。それらの１つは、比エネルギーに対するその影響である。粘稠度制御のために必要なインフィード希釈又は平坦なゾーン希釈における実際の小さな変化は、円錐状ゾーン希釈における変化より非常に大きなリファイナ・モータ負荷への著しい衝撃を有する。単一ループ粘稠度制御スキームの他の制限は、同一の排出口粘稠度が、インフィード、平坦なゾーン、及び円錐状ゾーン希釈の中で希釈水流れの異なる分配で得られることができることである。他方、リファイニング強度及びパルプ品質が、これら異なる分配で異なり、適切に認識されないなら問題の原因になる。これは、なぜ、比エネルギー及びブロー・ライン粘稠度の点からだけ評価されるリファイニング状態が、非常に異なるパルプ品質を生成することができるかを説明する。

この問題は、米国特許第６，７７８，９３６ Ｂ２号で部分的に対処され、この米国特許第６，７７８，９３６ Ｂ２号で、粘稠度プロファイルは、温度センサを使用して推定され、リファイニング・ゾーン粘稠度は、希釈流れの操作によって、或いはリファイナ供給レートを変更することによって制御される。しかしながら、この以前の米国特許において、粘稠度制御のために、リファイニング前又はリファイニング間に添加される希釈水の使用で区別はされない。１つの粘稠度が制御されるだけである。目的は、品質制御のために目標粘稠度を調整することではなく、リファイニング粘稠度を安定化することである。例えば、所定のパルプ品質の損失を解決するために、製造レートに応じてリファイニング粘稠度を調整する必要性は述べられていない。製造レート変化による品質損失の同一の問題が、単一ループ制御スキームの他の限界である。

ＴＭＰ設備における非常に一般的な問題は、高い製造レートでのパルプ品質の損失である、Ｍｕｒｔｏｎ Ｋ．Ｄ．ら「ＴＭＰパルプ品質及びエネルギー消費に対する製造レートの影響、Ｊ．Ｐｕｌｐ Ｐａｐｅｒ Ｓｃｉ．、２３（８）：Ｊ４１１−Ｊ４１６、１９９０」。高い製造レートでのパルプ強度のこの損失は、パルプ滞留時間における減少に関連するリファイニング強度における増大に帰することができることが示唆された。実際に、高い製造レートで、モータ負荷は、トン当たり十分な量のエネルギーを与えるために増大しなければならない。モータ負荷がより高くなると、より多くの蒸気が生成される。蒸気生成のより高いレートは、同一の比エネルギーでより速い蒸気速度、したがってより低いパルプ滞留時間、及びより高いリファイニング強度を結果として生じる。この問題は、リファイニング粘稠度の適切な調整によって部分的に相殺されることができるが、どのようにこの補償を達成するか、及びどのように製造レートに応じてリファイニング粘稠度を調整するかに対する文献における指示は無い。

排出口粘稠度の制御は一般的な実施であるが、制御の現在の方法は、インフィード及び平坦なゾーン希釈にだけ応じるリファイナ入口粘稠度、製造及び到来ストックの粘稠度並びに排出口粘稠度とは無関係に制御する可能性を認識せず、これは、リファイニング強度を変化させる可能性における厳しい制限を作る。

円錐状ディスク・リファイナへの本明細書における参照は、一次、二次、三次、又はリジェクト・リファイナとして、ＴＭＰ（熱機械パルプ）又はＣＴＭＰ（化学熱機械パルプ）プラントで使用され、且つ３０％より大きなブロー・ライン粘稠度で動作するような高粘稠度円錐状ディスク・リファイナを参照すると理解されるべきである。

本発明は、高粘稠度円錐状ディスク・リファイナ内の木材チップ又はパルプの改善されたリファイニング方法を提供しようとするものである。

特に、本発明は、円錐状ディスク・リファイナの排出口出口での木材パルプの粘稠度を目標粘稠度に制御しようとするものである。

またさらに、本発明は、リファイナ内の許容可能なリファイニング強度のためのパルプ粘稠度を確立しようとするものである。

さらに特に、本発明は、円錐状ディスク・リファイナの円錐状リファイニング・ゾーンへの希釈水の制御された添加によって、排出口での目標パルプ粘稠度を維持しようとするものである。

さらに且つより詳細に、本発明は、円錐状リファイニング・ゾーンの上流側で、リファイナへの希釈水の制御された添加によって、円錐状ディスク・リファイナ内の所望のリファイニング強度を確立しようとするものである。

本発明の一態様によれば、木材パルプをリファイニングする方法が提供され、そのリファイニング方法は、ｉ）間に平坦な上流側リファイニング・ゾーン及び円錐状下流側リファイニング・ゾーンを備えるリファイニング・ゾーンを有する、パルプ入口及びパルプ出口を有するリファイナ・ハウジングを備える円錐状パルプ・リファイナを用意することと、ｉｉ）前記パルプ入口から前記パルプ出口へ前記パルプ・リファイナを通してパルプを供給し、且つ前記リファイニング・ゾーン内のパルプをリファイニングすることと、ｉｉｉ）リファイニングされたパルプ品質のために許容可能なリファイニング強度を維持するために有効な前記リファイニング・ゾーン内のパルプ粘稠度を確立するために、前記円錐状リファイニング・ゾーンの前記パルプ上流側に制御された量の希釈水を添加することを含む。

本発明の他の態様によれば、木材パルプをリファイニングする方法が提供され、そのリファイニング方法は、ｉ）その間に平坦な上流側リファイニング・ゾーン及び円錐状下流側リファイニング・ゾーンを備えるリファイニング・ゾーンを有する、パルプ入口及びパルプ出口を有するリファイナ・ハウジングを備える円錐状パルプ・リファイナを用意することと、ｉｉ）選択された製造レートで前記パルプ入口から前記パルプ出口へ前記パルプ・リファイナを通してパルプを供給し、且つ前記パルプ出口で目標粘稠度のリファイニングされたパルプの排出口を有する前記リファイニング・ゾーン内で前記パルプをリファイニングすることと、ｉｉｉ）前記パルプ出口で前記目標粘稠度を維持するために、前記円錐状リファイニング・ゾーンに制御された量の希釈水を添加することを含む。

本発明のさらに他の態様によれば、木材パルプをリファイニングする方法が提供され、そのリファイニング方法は、ａ）間に平坦な上流側リファイニング・ゾーン及び円錐状下流側リファイニング・ゾーンを備えるリファイニング・ゾーンを有する、パルプ入口及びパルプ出口を有するリファイナ・ハウジングを備える円錐状パルプ・リファイナを用意することと、ｂ）選択された製造レートで前記パルプ入口から前記パルプ出口へ前記パルプ・リファイナを通してパルプを供給し、且つ前記パルプ出口で目標粘稠度のリファイニングされたパルプの排出口を有する前記リファイニング・ゾーン内で前記パルプをリファイニングすることと、ｃ）前記リファイニング・ゾーン内で前記製造レートに対するリファイニングされたパルプ品質のために許容可能なリファイニング強度を維持するために有効なパルプ粘稠度を確立するために、前記パルプ内の水の損失に応答して、前記円錐状リファイニング・ゾーンの前記パルプ上流側に第１の制御された量の希釈水を添加することと、ｄ）前記パルプ出口で前記目標パルプ粘稠度を維持するために、前記円錐状リファイニング・ゾーンに第２の制御された量の希釈水を添加することを含む。

本発明の他の態様において、円錐状ディスク・リファイナを動作する方法が提供され、その方法は、リファイナのパルプ排出口粘稠度を監視することと、リファイナの円錐状ゾーンに供給される希釈水の流量の調整によって、排出口粘稠度を所望の値に制御することを含む。

本発明のさらに他の態様において、円錐状ディスク・リファイナを動作する方法が提供され、その方法は、リファイナのリファイニング・ゾーンの入口でパルプ粘稠度を監視することと、ｉ）リファイニング・ゾーンへのインフィード希釈水の流量、及びｉｉ）リファイニング・ゾーンの平坦なゾーンへの希釈水の流量の少なくとも１つの調整によってパルプ粘稠度を所望の値に制御することを含む。

本発明の重要な要素は、リファイニング粘稠度プロファイルにおける変化を介してリファイニング強度を調整し、したがってパルプ品質への高い製造レートの有害な作用を補償することである。

パルプ粘稠度は、従来技術で一般に実施されるような１つの場所での１つの単一制御ループよるよりむしろ、２つの場所における２つの制御ループによって制御される。２つの場所は、リファイニング・ゾーンの入口（供給粘稠度）と、リファイナ排出口（ブロー・ライン粘稠度）である。リファイナ排出口又はブロー・ライン粘稠度は、リファイニング・ゾーン（円錐状ディスク・リファイナ内のＣＤゾーン）内の希釈水流量の操作によって、入口粘稠度とは無関係に制御される。

入口粘稠度（又はリファイニング・ゾーンの始まりでの粘稠度）は、供給又は平坦なゾーン希釈、或いはそれらの両方の調整によって制御される。

目標入口粘稠度は、所望のリファイニング強度を達成するために調整される。最新の円錐状ディスク・リファイナでの従来の実施において、希釈水は、円錐状リファイニング・ゾーンに添加され、それによってリファイナの制御に関する操作のために追加の可変要素を表す。

本発明によれば、リファイナの入口での粘稠度は、排出口粘稠度（ブロー・ライン粘稠度）を一定に維持しながら、増大されることができる。結果として、平均リファイニング粘稠度は、プレートの周辺でのパルプの粘稠度を一定にしたまま、したがってプレートの詰まりを避けながら、より高くなる。リファイナ・モータ負荷も増大するが、プレート・ギャップにおける増大を介してその元の値に容易に戻されることができる。結果は、同一のモータ負荷及び比エネルギーであるが、より高い平均リファイニング粘稠度での動作であり、より高いパルプ滞留時間、したがってより低いリファイニング強度を意味する。次に、一定の比エネルギーでのリファイニング強度を調整し、特に高い製造レートでの動作に関連するパルプ品質のある程度の低下を補償することを可能にする。同様に非常に重要なことは、プレートの周辺での粘稠度が、許容可能な範囲内に維持されることができ、一方、平均リファイニング粘稠度は、リファイニング・ゾーン内への水の添加なしに、従来可能であるより非常に広い範囲にわたって調整されることができることである。

さらに図１を参照すると、円錐状リファイナ１０は概略的に例示される。円錐状リファイナ１０は、ギャップ平坦ゾーン１２及びギャップ円錐状ゾーン１４を有する。

円錐状ゾーン１４は、例えば図１における半径ｒ_１、ｒ、及びｒ_２など、異なる半径の複数のゾーンを備えると考えられることができる。

円錐状ゾーン１４は、傾斜の角度θを有する。

リファイナ１０は、リファイニングされるべきチップ又はパルプのための入口１６、及びそれぞれ入口１６、平坦なゾーン１２、及び円錐状ゾーン１４に希釈水を供給するための希釈インフィード・ライン１８、希釈平坦ゾーン・ライン２０、及び希釈円錐状ゾーン・ライン２２を有する。ライン２２は、円錐状ゾーン１４の異なる部分へライン２２内の希釈水を供給するための分岐ライン２４、２６、及び２８を有することができる。したがって、例えば、分岐ライン２４は、円錐状ゾーン１４の上流側又は入口端部に希釈水を供給する。

さらに図２を参照すると、リファイナ３０が希釈ユニット３２及びコントローラ３４を有する、従来技術のリファイニング・システムが概略的に示される。

希釈ユニット３２は、希釈インフィード構成部品３６、希釈平坦ゾーン構成部品３８、及び希釈円錐状ゾーン構成部品４０を有し、これら全ては、リファイナ３０からのライン４２内に発送される情報に応答してコントローラ３４によってともに作動され、その情報は、典型的に、ブロー・ライン粘稠度の実際の測定又は実際に予想されるブロー・ライン粘稠度である。コントローラ３４は、確立されたブロー・ライン粘稠度設定点４４を有するライン４２内のブロー・ライン粘稠度に関する情報を含み、必要なように希釈水流量における変化で応答し、希釈水における変化は、割合α、β、及びΦにそれぞれの量で、すなわちα＋β＋Φ＝１、全て３つの構成部品３６、３８、及び４０に発送される。割合α、β、及びΦは、一般に経験から決定される。この従来技術システムにおいて、リファイナ３０の異なるリファイニング及び供給ゾーンとは無関係に希釈水を供給するための準備は無い。

図３は、リファイナ６０が、独立コントローラ６２及び６４を有する本発明のリファイニング・システムを例示する。

コントローラ６２は、リファイナ６０からコントローラ６２へライン６８内に発送される情報に応答して、リファイナ６０の円錐状リファイニング・ゾーンへ希釈水を供給するための希釈円錐状ゾーン・ライン６６を有する。

この情報は、例えば、動作するリファイナ６０の実際のブロー・ライン粘稠度の測定又は実際に予想されるブロー・ライン粘稠度である。

コントローラ６０は、この情報を、関係式７４に従って製造レート７２から展開されるブロー・ライン粘稠度設定点７０と比較し、且つ目標ブロー・ライン粘稠度（すなわち、ブロー・ライン粘稠度設定点７０）を維持するために、必要なように希釈水の発送で応答する。

コントローラ６４は、希釈インフィード分岐ライン７８を有する希釈ライン７６、及びリファイナ６０からライン８２に発送される情報に応答して、リファイナ６０のインフィード及び平坦ゾーンに希釈水を供給するための希釈平坦ゾーン分岐ライン８０を有する。この情報は、例えば、動作するリファイナ６０の予想される入口粘稠度である。コントローラ６４は、この情報を、関係式８８に従って製造レート７４から展開される確立された入口粘稠度設定点８４と比較し、且つ目標入口粘稠度（すなわち、入口粘稠度設定点８４）を維持するために、必要なように希釈水の発送で応答する。

関係式８６は、以降に説明される式（１１ｂ）であり、関係式８８は、以降に説明される式（１１ａ）である。コントローラ６４によって発送される全希釈水は、全希釈のそれぞれの割合α及びβである、すなわちα＋β＝１である、インフィード希釈水及び平坦ゾーン希釈水の合計である。これらの割合は、個々の希釈流量が、希釈オリフィスの詰まりを避けるために十分大きい限り任意に選択されることができる。

本発明は、円錐状ディスク・リファイナの排出口粘稠度が、市販で入手可能なブロー・ライン粘稠度センサ又は任意のモデルベースの方法を使用して監視されることができ、且つリファイナの円錐状ゾーンへの希釈水流れの単なる調整によって任意の所望の値に制御される方法を提供する。

本発明は、リファイニング・ゾーンの入口でのパルプ粘稠度が、従来の材料平衡式を使用して予測され且つ監視されることができ、インフィード希釈流量、平坦ゾーン希釈流量、又はこれら流れの両方の任意の組合せの調整によって任意の所望の値に制御されることができる方法も提供する。

これらの方法において、リファイナ入口及び排出口粘稠度は、図３に示されるなどの２つの独立粘稠度制御ループによって所望の値に維持されることができる。

リファイナ入口粘稠度目標は、リファイニング強度及び特にパルプ滞留時間を変更する目的で調整されることができ、したがってリファイニング強度は、リファイナ排出口でのパルプの粘稠度を変更することなく調整されることができる。

入口粘稠度目標は、以下の式（１１ａ）及び（１１ｂ）に従って製造レートに応じて調整されることができる。

リファイニング強度は、製造レートに応じて調整されることができ、特にリファイニング強度は、高い製造での動作に関連するパルプ品質における損失を補償するために、増大する製造レートとともに低減されることができる。

円錐状ディスク・リファイナ（ＣＤリファイナ）は、Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ機械パルプ形成プロセスで広く使用されるようになった。これらリファイナは、２つのディスクから作られ、一方のディスクは回転し、他方のディスクは静止している。それらは、２つのリファイニング・ゾーンも有し、平坦ゾーン（ＦＺ）及び円錐状ゾーン（ＣＺ）である。平坦ゾーンで部分的にリファイニングされるべきチップ又はパルプは、ステータの中心を介してロータの中心プレートに向かって供給され、次に、ほとんどのリファイニングが行われる円錐状ゾーン内で遠心力によって駆動される。リファイニング平坦ゾーンで調整されることができる変数は、スループット・レート、平坦ゾーン・プレート・ギャップ、インフィード希釈、及び平坦ゾーン希釈である。所定のスループット・レートでのリファイニング円錐状ゾーンにおける操作される変数は、円錐状ゾーン・ギャップ及び円錐状ゾーン希釈である。円錐状ゾーンへの希釈水の流れは、ゾーンの始まりで、ほぼゾーンの中央で円錐状ゾーンの端部へ向かって添加されることができ、又は上述の全ての任意の組合せとして供給されることができる、図（１）。制御されることができる変数は、リファイナ・モータ負荷、比エネルギー、リファイニング強度、出口粘稠度（ブロー・ライン粘稠度）、及び入口粘稠度である。そのような多くの操作される変数及びそのような多くの相互作用する制御変数で、ＣＤリファイナは、動作が困難であり且つ理解が困難である非常に複雑なシステムである。

操作される変数の設定は、パルプの滞留時間に影響を及ぼし、したがってパルプの品質に影響を及ぼす。制御変数の中で、パルプ品質に大きな影響を有するのは、加えられる比エネルギー及びリファイニング強度である。これら２つの変数は、上述の入力変数に大きく応じるが、より詳細には、それらはスループット及びリファイニング粘稠度に応じる。

パルプ品質へのスループットの作用は、Ｍｕｒｔｏｎ Ｋ．Ｄ．ら「ＴＭＰパルプ品質及びエネルギー消費に対する製造レートの影響、Ｊ．Ｐｕｌｐ Ｐａｐｅｒ Ｓｃｉ．、２３（８）：Ｊ４１１−Ｊ４１６、１９９０」など多くの文献で対処された。スループット・パルプ品質関係は、リファイナが、平坦ディスクであるか又はＣＤディスク構成であるかに大きく応じる。それは、プレート設計にも応じることができ、最も重要には、それは、スループット動作範囲に応じる。スループット動作範囲が非常に大きく、且つパルプ品質制御の目的が、所定の自由性に合致するとき、スループットの大きな増大は、しばしば比エネルギーにおける低減を結果として生じる。これは、パルプの速度を増大する生成された蒸気における増大に寄与することができ、したがってパルプ滞留時間の低減を結果として生じる。いくつかのパルプ特性は、次にリファイニング強度における関連する増大によって影響を受けることがある。この状況を解消するために、スループットにおける増大は、損失された所定のパルプ特性の劣化を解消するために、リファイニング強度を低減することによって達成されるべきである。リファイニング強度を操作する最も容易な方法は、リファイニング粘稠度を変更することによる。しかしながら、より大きな影響は、米国特許第６３３６６０２号（Ｋ．Ｍｉｌｅｓによる）、及びＫ．Ｍｉｌｅｓによる文献「高い粘稠度リファイニングにおけるリフィニング強度及びパルプ品質」Ｐａｐｅｒｉ ｊａ Ｐｕｕ、７２（５）：５０８−５１４（１９９０）で記載されるように、リファイナの回転速度を変更するときに得られる。ここで考慮されるアプローチは、以下に説明されるように、リファイニング粘稠度を変更することを介してリファイニング強度を変更するために制限される。

粘稠度プロファイル
リファイニング粘稠度は、パルプ強度に直接の影響を有する非常に重要な変数の１つとして、Ｋ．Ｍｉｌｅｓらによる文献「チップ・リファイナにおけるパルプの流れ」Ｊ．Ｐｕｌｐ Ｐａｐｅｒ Ｓｃｉ．、１６（２）：Ｊ６３−Ｊ７２、１９９０で認識された。幾分狭い正しい粘稠度範囲内での動作は、非常に重要である、Ｓｔｒａｎｄ、Ｂ．Ｃ．らの「高い粘稠度チップ・リファイニングにおける比エネルギー消費に対する製造レートの影響、Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｕｌｐ Ｃｏｎｆ．、Ｏｓｌｏ、（１９９３）」。許容可能な制限内の増大する粘稠度は、より広いプレート・ギャップでの動作を生じ、長い繊維を展開し、高いバルクを維持し、且つプレートの衝突を避けることを助長する。その範囲外での動作は、不安定なリファイナ動作を生じる傾向がある。低い粘稠度は、狭いプレート・ギャップを生じ、繊維切断、及び強度特性における損失を結果として生じることがある。非常に高い粘稠度で、シビイ・パルプが生成され、いわゆるドライ繊維切断が起こり得る。

パルプ粘稠度は、希釈水流量を変更することによって調整されることができる。いくつかの最新のＣＤリファイナは、インフィード希釈、平坦ゾーン希釈、及び１つ以上の円錐状ゾーン希釈を備える。そのようなリファイナに関して、同じスループット・レート及び同じモータ負荷で、排出口粘稠度目標は、希釈流れの多くの異なる組合せで得られることができる。それは、リファイニング・ゾーン内の異なる粘稠度プロファイル及び異なるパルプ強度特性を結果として生じることがある。

平坦ディスク・リファイナに関する粘稠度プロファイルは、文献「チップ・リファイナの性能予測」に展開される以下の式によって予測されることができる、Ｋ．Ｍｉｌｅｓら「構造アプローチ」Ｊ．Ｐｕｌｐ Ｐａｐｅｒ Ｓｃｉ．、１９（６）：Ｊ２６８−Ｊ２７４、１９９３。

ここで、Ｌは、Ｌ≒２２５８ｋＪ・ｋｇ^−１で近似されるリファイナ入口での潜熱であり、ｒ_ｉｎは、平坦ゾーンの入口径であり、ｒ_ｏｕｔは、平坦ゾーンの出口径であり、ｒ_０は、粘稠度が評価される平坦ゾーンにおける任意の点での径である。Ｅ_０は、比エネルギーであり、Ｃ_ｉは、以下のように定義されるリファイナに対する入口粘稠度であり、

ここで、Ｃ_ｐは、リファイナに対するスクリュー・フィーダへ入る前のストックの粘稠度であり、ｐｒｏｄは、スループット・レートであり、ｄｉｌｕｔｉｏｎは、リファイナ入口に添加される水であり、リファイニング・ゾーン内のエネルギーの均等な分散が仮定される。これは、平坦ディスク・リファイナに関する場合である。しかしながら、ＣＤリファイナに関しては、２つのリファイニング・ゾーン（平坦ゾーン及び円錐状ゾーン）が、パルプへ等しいエネルギーを分散しないことが観察された。さらに、ほとんどのエネルギーは、円錐状ゾーン内のパルプに加えられる。これは、多くの設備において、円錐状ゾーン・プレートは、平坦ゾーン・プレートより迅速に磨耗する傾向がある事実によって支持される。したがって、平坦ゾーン内の繊維に加えられるエネルギーが無視されるなら、式（１）の形式は、ＣＤリファイナのための粘稠度プロファイルＣ_ＣＺを推定するために修正され且つ使用されることができる。そのプロフィルの表現は、水が添加される円錐状ゾーンにおける位置ｒ_ｃに応じる。したがって、円錐状ゾーンへの入口で、粘稠度Ｃ_ｉｌは、以下によって与えられ、

ここで、ｄｉｌｕｔｉｏｎ_{ｉｎｆｅｅｄ}は、インフィード希釈であり、ｄｉｌｕｔｉｏｎ_ＦＺは、平坦ゾーン希釈である。次に、ｒ_ｃの前の任意の所定位置ｒで、粘稠度Ｃ_ｃｚは、以下によって与えられ、

ここで、Ｃ_ｉｌは、式（３）で定義されるようなものであり、ｒ_１は、平坦ゾーンの出口径であり、ｒ_２は、円錐状ゾーンの端部でのディスクの出口径である、図（１）。ｒ＝ｒ_ｃに関して、粘稠度Ｃ_ｃｚは、以下によって与えられ、

ここで、Ｃ_ｉ２は、以下によって与えられ、

ここで、ｄｉｌｕｔｉｏｎ_ＣＺは、円錐状ゾーン希釈であり、Ｃ_ｉ２は、希釈が円錐状リファイニング・ゾーン内で生じる点での粘稠度である。

次に、ｒ_ｃの後の任意の所定位置ｒで、粘稠度Ｃ_ｃｚは、以下によって与えられる。

排出口粘稠度又はブロー・ライン粘稠度Ｃ_ＢＬは、ｒ＝ｒ_２のとき、以下によって与えられる。

この最後の式は、同じブロー・ライン粘稠度Ｃ_ＢＬは、インフィード希釈、平坦ゾーン希釈、及び円錐状ゾーン希釈を組み合わせる１つ以上の可能な方法によって得られることを示す。これら組合せの各１つは、リファイニング・ゾーンに沿った異なる粘稠度プロファイル、したがって、異なる平均リファイニング粘稠度を結果として生じる。それを例示するために、図（４）は、２つの粘稠度プロファイルの実施例を示し、プロファイル（１）で、全ての希釈水はインフィードで添加される。これは、低い入口粘稠度を結果として生じる。プロファイル（２）は、インフィード、平坦ゾーン、及び円錐状ゾーンの間の全希釈流れの所定の割合に対応する。分かるように、プロファイル（２）において、入口粘稠度及び平均リファイニング粘稠度の両方は、より高く、一方、同じ排出口粘稠度を維持する。これは、滞留時間の増大を提供し、一方、比エネルギー及びブロー・ライン粘稠度を一定に維持する。

所定の粘稠度プロファイルに関して、入口粘稠度Ｃ_ｉ２の変化及び変動は、ブロー・ライン粘稠度Ｃ_ＢＬの変数に影響を及ぼす。実際、Ｃ_ｉ２に関して式（８）Ｃ_ＢＬの導関数を取り、以下を導く。

これは、以下を意味する。

Ｃ_ＢＬ＞Ｃ_ｉ２を知ると、この式は、Ｃ_ｉ２の変数が大きく増幅され、それらが、排出口粘稠度の変数に大きく寄与することを示す。排出口粘稠度が高くなると、これら変数がより重要になる。これは、制御の必要性を例示し、且つ入口粘稠度変数を安定化する。リファイニング・ゾーン内の希釈流れを使用する排出口粘稠度の独立した制御は、またこの問題を軽減する。そのような排出口粘稠度制御を用いて、入口粘稠度における変化は可能である。この特徴は、以降の部分で記載されるように高い製造レートで利用されることができる。

高いスループット・レート
前述のように、高い製造レートでのリファイニングのときに、パルプ滞留時間を低減し、したがって所定のパルプ強度特性に影響を及ぼすより多くの蒸気が生成される。この問題を解決する１つの方法は、高い製造レートでのリファイニング強度を低減することによる。Ｋ．Ｍｉｌｅｓによる文献「高い粘稠度リファイニングにおけるリフィニング強度及びパルプ品質」Ｐａｐｅｒｉ ｊａ Ｐｕｕ、７２（５）：５０８−５１４（１９９０）で説明されるように、これは、２つの以下の方法の１つを使用して行われることができる。最も有効であるが最も困難な方法は、リファイナ回転速度を調整することによる。既存の動作に関してより実際的な第２の方法は、リファイニング強度を増大することによる。ＣＤリファイナに関して、それは、Ｃ_ｉｌを増大することによって達成されることができ、一方、製造レートに応じる許容可能なレベルに排出口粘稠度を維持する。Ｃ_ｉｌは、リファイナに対する入口粘稠度の指示である。したがって、インフィード希釈及び平坦ゾーン希釈は、リファイナに対する流れの粘稠度を調整するように作用し、一方、円錐状ゾーン希釈は、式（５）、Ｃ_ｃｚ（ｒ＝ｒ_ｃ）を調整し、排出口粘稠度Ｃ_ＢＬの調整を結果として生じ、Ｃ_ｉｌが高すぎるときパルプの乾燥を妨げる。

高い製造レートでの所定のパルプ特性の劣化を解消するために、入口粘稠度Ｃ_ｉｌ及び排出口粘稠度Ｃ_ＢＬは、以下などの製造レートに応じて調整される目標値に調整されるべきである。
Ｃ_ｉｌ＝α_{ｉｎｆｅｅｄ}ｐｒｏｄ＋β_{ｉｎｆｅｅｄ} （１１ａ）
Ｃ_ＢＬ＝α_ＢＬｐｒｏｄ＋β_ＢＬ （１１ｂ）

Ｃ_ＢＬが、Ｃ_ｉｌ及びＣ_ｃｚ（ｒ＝ｒ_ｃ）に応じることに留意されたい。さらに、Ｃ_ＢＬは、Ｃ_ｉｌに影響を及ぼすことなくＣ_ｃｚ（ｒ＝ｒ_ｃ）を調整することによって調整されることができる。係数α_{ｉｎｆｅｅｄ}、β_{ｉｎｆｅｅｄ}、α_ＢＬ、及びβ_ＢＬは、プレート・ギャップにおける変化へのモータ負荷の十分な応答、及びインフィード及び／又は平坦ゾーン希釈流量における増大へのモータ負荷の正応答を提供するために、粘稠度目標が安定動作範囲内に確実にあるように選択される。この希釈水流量における増大がモータ負荷における増大を導く状況は、異常であり且つ望ましくないと考えられる。プロセス・ゲインのオンライン推定は、異常又は望ましくない動作状況を検出するために実施される。製造レートは、所定の自由性に対する比エネルギー、及び円錐状ディスク・リファイナに関するパルプ特性に影響を与える、Ｓｔｒａｎｄ、Ｂ．Ｃ．らの「高い粘稠度チップ・リファイニングにおける比エネルギー消費に対する製造レートの影響、Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｕｌｐ Ｃｏｎｆ．、Ｏｓｌｏ、（１９９３）」。粘稠度は、この作用を補償し且つ製造レートの様々なレベルでの安定したパルプ品質を維持する比エネルギーの増大を可能にするために、調整されるべきである。製造レートと、目標入口及び排出口粘稠度との間の関係式（１１ａ）及び（１１ｂ）は、実験的に決定される。式（１１ａ）における係数が第１に決定される。動作製造レートが、Ｐｒｏｄ_ｌｏｗと称される低い製造レートと、Ｐｒｏｄ_ｈｉｇｈと称される高い製造レートとの間で変化することができると仮定し、且つリファイナが、Ｃ_{ＢＬｏｐｅｒａｔｉｏｎ}と称されるその通常の排出口粘稠度の近くで動作するとも仮定すると、係数α_{ｉｎｆｅｅｄ}及びβ_{ｉｎｆｅｅｄ}の決定が、２つの段階で実行される。第１の段階は、Ｐｒｏｄ_ｌｏｗに製造レートを調整し、次に、インフィード及び／又は平坦ゾーン希釈流量を序々に増大及び低減し、すなわち安定な動作状況の範囲を包含するために、リファイナ入口粘稠度Ｃ_ｉｌを低減及び増大することからなる。希釈流量における各変化に関して、Ｃ_ＢＬは円錐状ゾーンにおける希釈水を調整することによってＣ_{ＢＬｏｐｅｒａｔｉｏｎ}に調整される。各これら動作状況に関して、パルプ・サンプルは、ブロー・ラインから取られ、その強度は、測定され且つＣ_ｉｌに関連付けられる。この一組の実験から、測定される最も強いパルプに対応する、Ｃ_{ｉｌｏｐｔｉｍａｌ＿ｌｏｗ}と称される最適なＣ_ｉｌが選択される。同様な実験は、次に、Ｃ_{ｉｌｏｐｔｉｍａｌ＿ｈｉｇｈ}を決定するために高い製造Ｐｒｏｄ_ｈｉｇｈで実行される。

これら二組の実験の間に、低い及び高い製造レート、平坦ゾーン・ギャップ、及び円錐状ゾーン・ギャップは一定に維持される。排出口粘稠度Ｃ_ＢＬは、また、Ｃ_ｃｚを調整することによって、Ｃ_ＢＬ＝Ｃ_{ＢＬｏｐｅｒａｔｉｏｎ}で一定に維持される。インフィード及び／又は平坦ゾーン希釈流量を介して入口粘稠度だけが変更される。係数α_{ｉｎｆｅｅｄ}及びβ_{ｉｎｆｅｅｄ}は、以下によって決定される。

係数β_{ｉｎｆｅｅｄ}は、常に正であり、入口粘稠度は、製造レートが増大するとき増大することを意味することに留意されたい。

この点まで、式（１１ｂ）でα_ＢＬ＝０及びβ_ＢＬ＝Ｃ_{ＢＬｏｐｅｒａｔｉｏｎ}に対応する全体製造レートに関して、排出口粘稠度を一定に維持するＣ_ＢＬ＝Ｃ_{ＢＬｏｐｅｒａｔｉｏｎ}ことが決定されることができる。これは、同一の排出口粘稠度Ｃ_ＢＬ＝Ｃ_{ＢＬｏｐｅｒａｔｉｏｎ}に関して、入口粘稠度は、製造レートが増大するとき増大することを保証する次善の解決方法である。これは、リファイニング強度の低下、したがってかなり所望の作用であるパルプ滞留時間の増大を結果として生じる。

パラメータα_ＢＬ及びβ_ＢＬに関する最適値を決定するために、製造レート及び入口粘稠度は、第１にそれぞれＰｒｏｄ_ｌｏｗ及びＣ_{ｉｌｏｐｔｉｍａｌ＿ｌｏｗ}に調整される。次に、円錐状ゾーン希釈流量は、安定した動作状況の広い範囲を包含するために、序々に増大及び低減され、すなわち排出口粘稠度Ｃ_ＢＬは、低減及び増大される。各円錐状ゾーン希釈変化に関して、パルプ・サンプルは、ブロー・ラインから取られ、その強度は、測定され且つＣ_ＢＬに関連する。実験のこれら組から、最も強いパルプを結果として生じるＣ_{ｉｌｏｐｔｉｍａｌ＿ｌｏｗ}と称される最適なＣ_ＢＬが、選択される。同様な実験は、最適な排出口粘稠度Ｃ_{ＢＬｏｐｔｉｍａｌ＿ｈｉｇｈ}を決定するためにＰｒｏｄ_ｈｉｇｈ及びＣ_ｉｌ＝Ｃ_{ｉｌｏｐｔｉｍａｌ＿ｈｉｇｈ}で考えられる。高い及び低い製造レートでの最適排出口粘稠度が知られると、係数α_ＢＬ及びβ_ＢＬが、以下によって決定される。

このアプローチは、ブロー・ライン粘稠度が、粘稠度制御で使用される主要なパラメータである現在の状況を避ける。それは、インフィード、平坦ゾーン、又は円錐状ゾーン希釈流れで変更されることができるので、同じブロー・ライン粘稠度が、非常に異なるリファイニング・ゾーン粘稠度で達成されることができる。粘稠度は、リファイニング強度及びしたがってパルプ特性に影響を及ぼすので、リファイニング粘稠度における知られていない変数が避けられることができる。このアプローチは、入口粘稠度Ｃ_ｉｌの増大を可能にし、一方、平均リファイニング粘稠度が、より長いパルプ滞留時間、且つしたがって同一の比エネルギーでのより低いリファイニング強度を意味するように、排出口粘稠度を許容可能なレベル又は定数に維持する。

モータ負荷制御
リファイニング・ゾーンの主要部分におけるリファイニング強度が、入口粘稠度を調整することによって最適なレベルに維持されるとき、安定した比エネルギーは、プレート・ギャップの調整を介してモータ負荷を制御することによって達成されることができる。目標モータ負荷は、通常行われるべきであるように、様々な製造レートで所望の比エネルギーを得るために調整される。これは、粘稠度が、プレート・ギャップにおける変更に対するモータ負荷における有意な応答を確実にするために十分に高い場合だけで可能である。

現在の状況は、プレート・ギャップ及び粘稠度の両方が、一般にモータ負荷を制御するために使用される。このように、リファイニング強度及びリファイニング・エネルギーの両方が、同時に変更されることができ、任意の所定の状況においてパルプ特性に関して何が結果であるかを予測することは困難である。本明細書で記載される新規なアプローチは、リファイニング強度及び比エネルギーが、どのようにパルプ特性に影響を及ぼすかの現在の理解に基づいて、パルプ特性のより良好な制御を与える、Ｍｉｌｅｓ Ｋ．Ｂ．ら「リファイナ・パルプにおける木材特徴及びエネルギー消費、Ｊ．Ｐｕｌｐ Ｐａｐｅｒ Ｓｃｉ．２１：Ｊ３８３−Ｊ３８９、１９９５」。各要因が別個に制御されるとき、日常の操作の間に計画的な方法でパルプ品質問題を訂正することはより容易になる。

入力変数及び円錐状ディスク・リファイナの２つのリファイニング・ゾーンを示す単純化された概略図である。 従来技術にしたがった排出口粘稠度を調整するための概略的な単一の制御ループである。 本発明による排出口粘稠度及び入口粘稠度を制御するための概略的な２つの制御ループである。 ２つの粘稠度プロファイルの実施例を示し、プロファイル（１）では、全ての希釈水はインフィードで添加される。これは、結果として低い入口粘稠度を生じる。プロファイル（２）は、インフィードと円錐状ゾーンとの間の全体の希釈流れの所定の分割に対応する。分かるように、プロファイル（２）において、入口粘稠度と平均リファイニング粘稠度との両方は、同一の排出口粘稠度を維持しながらより高い。これは、一定の比エネルギー及びブロー・ライン粘稠度を維持しながら、滞留時間の増大を提供する。

Claims (20)

1. 機械パルプをリファイニングする方法であって、
   ａ）間に平坦な上流側リファイニング・ゾーン及び円錐状下流側リファイニング・ゾーンを備えるリファイニング・ゾーンを有する、パルプ入口及びパルプ出口を有するリファイナ・ハウジングを備える円錐状パルプ・リファイナを用意することと、
   ｂ）選択された製造レートで前記パルプ入口から前記パルプ出口へ前記パルプ・リファイナを通して機械パルプを供給し、且つ前記パルプ出口で目標粘稠度のリファイニングされた機械パルプの排出口を有する前記リファイニング・ゾーン内で前記機械パルプをリファイニングすることと、
   ｃ）前記リファイニング・ゾーン内で前記製造レートに対するリファイニングされたパルプ品質のために許容可能なリファイニング強度を維持するために有効なパルプ粘稠度を確立するために、前記機械パルプ内の水の損失に応答して、前記円錐状リファイニング・ゾーンの機械パルプ上流側に第１の制御された量の希釈水を添加することと、
   ｄ）前記パルプ出口で前記目標パルプ粘稠度を維持するために、前記円錐状リファイニング・ゾーンに第２の制御された量の希釈水を添加することを含む、方法。
2. 請求項１に記載の機械パルプをリファイニングする方法において、段階（ｃ）における前記希釈水は、前記入口及び前記平坦なリファイニング・ゾーンで添加される、方法。
3. 請求項１または２に記載の機械パルプをリファイニングする方法において、段階（ｄ）における前記希釈水は、前記円錐状リファイニング・ゾーン内の複数の離間された点で添加される、方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の機械パルプをリファイニングする方法において、前記円錐状リファイニング・ゾーン内でのリファイニングの間に水の損失を有する前記円錐状リファイニング・ゾーン内のパルプ粘稠度を監視し、且つ前記目標パルプ粘稠度を維持するために、前記監視することに応答して段階（ｄ）における前記希釈水の添加を調整する段階を含む、方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の機械パルプをリファイニングする方法において、前記希釈水の第１の制御された量は、前記ポンプ入口での粘稠度を制御し、且つ前記制御された量は、前記リファイナ内の熱及び材料バランスから決定される、方法。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の機械パルプをリファイニングする方法において、前記パルプ出口でパルプ粘稠度を監視することと、そこから前記第２の制御された量の希釈水を決定することを含む、方法。
7. 請求項６に記載の機械パルプをリファイニングする方法において、前記監視することは、粘稠度センサを用いて前記パルプ出口で前記パルプ粘稠度を検知することを含む、方法。
8. 請求項６に記載の機械パルプをリファイニングする方法において、前記監視することは、前記リファイナのプロセス・パラメータを評価することと、前記パラメータから希釈水の前記制御された量を決定することを含む、方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の機械パルプをリファイニングする方法において、前記リファイナの前記入口及び前記出口で前記目標パルプ粘稠度は、以下の式（１１ａ）及び（１１ｂ）、
   Ｃ_ｉｌ＝α_{ｉｎｆｅｅｄ}ｐｒｏｄ＋β_{ｉｎｆｅｅｄ} （１１ａ）
   Ｃ_ＢＬ＝α_ＢＬｐｒｏｄ＋β_ＢＬ （１１ｂ）
   に従って製造レートに応じて選択される、方法。
10. 円錐状ディスク・リファイナを動作する方法であって、
    前記リファイナの機械パルプ排出口粘稠度を監視することと、
    前記リファイナの円錐状ゾーンに供給される希釈水の流量の調整によって、前記排出口粘稠度を所望の値に制御することを含み、
    前記排出口粘稠度は、前記リファイナのリファイニング・ゾーンの入口で機械パルプ粘稠度を維持する制御ループとは無関係である粘稠度制御ループによって維持される、方法。
11. 請求項１０に記載の円錐状ディスク・リファイナを動作する方法において、リファイナ入口粘稠度目標は、前記リファイナ内のリファイニング強度を変更するために調整される、方法。
12. 請求項１１に記載の円錐状ディスク・リファイナを動作する方法において、機械パルプ滞留時間及び前記リファイニング強度は、前記機械パルプ排出口粘稠度における変更なしに調整される、方法。
13. 円錐状ディスク・リファイナを動作する方法であって、
    前記リファイナのリファイニング・ゾーンの入口で機械パルプ粘稠度を監視することと、
    ｉ）前記リファイニング・ゾーンへのインフィード希釈水の流量、及び
    ｉｉ）前記リファイニング・ゾーンの平坦なゾーンへの希釈水の流量
    の少なくとも１つの調整によって前記機械パルプ粘稠度を所望の値に制御することを含み、
    前記入口での前記機械パルプ粘稠度は、前記リファイナの排出口機械パルプ粘稠度を維持する制御ループとは無関係である粘稠度制御ループによって維持される、方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、前記機械パルプ粘稠度は、前記リファイナ内のリファイニング強度を変更するために前記制御することによって調整される、方法。
15. 請求項１３に記載の方法において、機械パルプ滞留時間及び前記リファイニング強度は、前記機械パルプ排出口粘稠度における変更なしに調整される、方法。
16. 円錐状ディスク・リファイナを動作する方法であって、
    前記リファイナのリファイニング・ゾーンの入口で機械パルプ粘稠度を監視することと、
    ｉ）前記リファイニング・ゾーンへのインフィード希釈水の流量、及び
    ｉｉ）前記リファイニング・ゾーンの平坦なゾーンへの希釈水の流量
    の少なくとも１つの調整によって前記機械パルプ粘稠度を所望の値に制御することと、
    関係
    Ｃ_ｉｌ＝α_{ｉｎｆｅｅｄ}ｐｒｏｄ＋β_{ｉｎｆｅｅｄ} （１１ａ）
    により製造レートに応じて前記機械パルプ粘稠度を調整することを含む、方法。
17. 請求項１６に記載の円錐状ディスク・リファイナを動作する方法において、前記リファイニング強度は、製造レートに応じて調整される、方法。
18. 請求項１７に記載の円錐状ディスク・リファイナを動作する方法において、前記リファイニング強度は、高い製造レートに関連する機械パルプ品質における損失を補償するために増大する製造レートとともに減少される、方法。
19. 請求項１７に記載の円錐状ディスク・リファイナを動作する方法において、前記入口での前記機械パルプ粘稠度は、前記リファイナの排出口機械パルプ粘稠度を維持する制御ループとは無関係である粘稠度制御ループによって維持される、方法。
20. 請求項１６に記載の円錐状ディスク・リファイナを動作する方法であって、さらに、
    前記リファイニング・ゾーンの出口で機械パルプ粘稠度を監視することと、
    前記リファイニング・ゾーンの円錐状ゾーンへの希釈水の流量の調整によって前記機械パルプ粘稠度を所望の値に制御することと、
    関係
    Ｃ_ＢＬ＝α_ＢＬｐｒｏｄ＋β_ＢＬ （１１ｂ）
    により製造レートに応じて前記機械パルプ粘稠度を調整することを含む、方法。

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