NO337068B1 - Apparatur og fremgangsmåte for å regulere alkalinitet og pH i en industriell prosess - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en apparatur og en fremgangsmåte for å regulere alkaliniteten og pH i en industriell prosess.

Alkalinitet er et mål for bufferkapasiteten hos et vannsystem, dvs. kapasiteten til å hindre pH-endringer. Den kan også betraktes som kapasiteten til å akseptere H+<->eller OH" - ioner. Bufferkapasiteten gjør det mulig å tilsette sure og basiske stoffer til et vannsystem uten signifikante endringer i pH. Mengden baser og syrer som kan tilsettes uten å påvirke pH, avhenger av basens og syrens styrke og mengden av disse, samt av mengden alkalinitet. I mange industriprosesser er det ikke tilstrekkelig alkalinitet til å oppnå riktig drift.

En høy alkalinitet forhindrer skadelige pH-variasjoner forårsaket av tilsetning av råmaterialer med forskjellige pH-verdier. I en industriell prosess kan pH-endringer medføre for eksempel uønsket utfelling eller oppløsning.

Generelt er alkalinitet et resultat av mengden hydroksid-, karbonat- og bikarbo-nat-ioner i en vannløsning i henhold til ligningen:

Alkalinitet kan også være et resultat av ammoniakk og de konjugerte baser av fosforsyre, silisiumsyre, borsyre og organiske syrer.

Alkalinitet kan uttrykkes som M-alkalinitet eller P-alkalinitet, avhengig av be-stemmelsesmåten anvendt ved analysen. M-alkalinitet bestemmes ved titrering med syre til endepunktet med metylorange (pH 4,5) og M-alkaliniteten er et resultat hovedsakelig av konsentrasjonen av bikarbonationer. P-alkalinitet bestemmes ved titrering med syre til endepunktet med fenolftalein (pH 8,3) og P-alkalinitet er et resultat av konsentrasjonen av hydroksid- og karbonationer. Alkalinitet uttrykkes ofte som mg/l CaCC>3 eller mmol/1 CaC03.

Alkalinitet må ikke forveksles med pH, som er et mål på konsentrasjonen av H+<->ioner(pH = -log[H<+>].

I tilfelle vannsystemet i en industriell prosess ikke har tilstrekkelig bufferkapasitet, kan pH-regulering og -justering være vanskelig. Mengdene med sure og basiske stoffer som skal tilsettes, må måles ut svært omhyggelig. Spesielt når det anvendes sterke syrer eller baser, vil en overdosering lett medføre for store pH-endringer.

Adekvat alkalinitet er særlig fordelaktig for eksempel i prosesser for fremstilling av masse eller papir, samt i vannbehandlingsprosesser.

Ved produksjon av kjemisk masse blir en massesuspensjon for fremstilling av papir, eller masse generelt, produsert i et såkalt fiberanlegg med operasjoner som koking, bleking, ekstrahering og/eller vasking, hvor pH blir vesentlig endret mellom enhets-operasjonene og hvor en høy alkalinitet generelt ikke er ønskelig. Papirmasse kan også fremstilles av resirkulert papir. Når massen er blitt behandlet og er klar for å bli bear-beidet til masse- eller papirark, vil massen komme inn i papirfabrikken. En slik masse kalles her papirmasse for å skille den fra massen i fiberanlegget. Under den etterfølgende behandling blir papirmassen utsatt for fortynninger med vann og forskjellige finjuster-inger med kjemikalier. Papirmasse kan også fremstilles av flis ved raffinering eller maling. En slik papirmasse kalles mekanisk masse.

En papirmassesuspensjon har lav, egen bufferkapasitet. En høyere alkalinitet i massesuspensjonen ville være fordelaktig fordi mange kjemiske tilsetninger og behand-linger som påvirker pH, utføres under papirfremstillingsprosessen. På den annen side kan pH-fluktuasjoner medføre forskjellige problemer i prosessen, likeledes som ved raffiner-ingen.

En høy alkalinitet er fordelaktig ved papirfremstillingen, for eksempel dersom papirmassen er sur når den kommer inn i massetilberedningen og den korte sirkulasjon kjøres med en nøytral eller basisk pH eller svakt sur pH. pH blir tradisjonelt økt og regulert etter behov ved å tilsette natriumhydroksid, NaOH. Imidlertid er NaOH en svært sterk base, hvilket betyr at kun en liten mengde er nødvendig for pH-justeringer. NaOH må også fortynnes før tilsetning. Papirprodusenten kan derfor ende opp i en situasjon med varierende pH i massen som kommer inn, hvilket har en negativ innvirkning på papir-kvaliteten og på kjøringen av papirmaskinen.

En papirmasse hvor fibrene er blitt behandlet og er klare for anvendelse til fremstilling av papir, kalles oppslått masse. Under massetilberedningen og den lange og korte sirkulasjon i papirfabrikken tilsettes flere papirkjemikalier og fortynningsvann, hvorav noen er sure og derfor senker pH i massen. Ved papirfremstillingen kan man derfor ende opp med en for lav pH i den korte sirkulasjon eller i massetilberedningen, hvilket kan lede til at kalsiumkarbonat anvendt som fyllstoff og/eller pigment blir oppløst og problemer med skumming som skyldes at kalsiumkarbonat som oppløses vil spaltes. Man kan igjen bli tvunget til å justere pH ved å benytte NaOH. pH kan også endre seg under raffinering eller i lagersiloer som følge av mikrobiologisk vekst.

Når massen blekes ved å anvende ditionitt, kan ditionitt medføre problemer når det oksiderer. Svovelsyre blir dannet i papirmaskinsirkulasj onene og medfører at pH minsker i vann og masse.

I vannbehandlingsprosesser vil en vesentlig alkalinitet være fordelaktig både ved behandling av friskt vann og spillvann. Ved behandling av drikkevann vil tilstrekkelig alkalinitet sikre at for eksempel pH ikke varierer for mye i vanndistribusjonssystemet. For store pH-fluktuasjoner kan for eksempel medføre korrosjon i rørene på grunn av variasjon i reduksjons-oksidasjons-betingelsene. Den iboende hardhet hos naturlig vann medfører også problemer ved behandlingen.

Ved behandling av spillvann er vannets alkalinitet og pH viktig for biologisk aktivitet. Tilstrekkelig alkalinitet vil sikre at det ikke er for store fluktuasjoner i pH. pH bør ikke variere for mye og bør ha en verdi som er egnet for biologisk aktivitet for at bioprosessen skal kunne foregå på riktig måte.

I kjent teknikk har én måte for å unngå for store pH-fluktuasjoner i industrielle prosesser vært å tilsette oppløst natriumbikarbonat, NaHCC>3, i prosessen. I vandige medier dissosierer NaHC03 og danner bikarbonationer, HCO3", som har en bufferkapasitet og derfor motvirker enhver pH-endring. NaHC03 er et fast pulver som generelt leveres i såkalte big-bag, og papirfabrikken må ha plass for håndtering, utstyr for opp-løsning og tanker for lagring. Det er sølete å arbeide med NaHC03 når det er i kontakt med fuktighet eller vann.

I henhold til WO 98/56988 stabiliseres pH i en massesuspensjon under massetilberedningen for en papirmaskin ved å øke suspensjonens biokarbonat-alkalinitet. En kombinasjon av natriumhydroksid og karbondioksid medfører en signifikant buffer-virkning i massen. Det kan imidlertid forekomme vanskeligheter ved tilsetning av natriumhydroksid og karbondioksid i henhold til oppfinnelsen. En lokal høy pH forårsaket av tilsetning av natriumhydroksid kan medføre utfelling av kalsiumkarbonat. En høy pH kan oppløse ekstraksjonsmidler, som så kan falle ut andre steder i prosessen. En høy pH kan også medføre gulning av massen. Det kan også være vanskelig å tilsette tilstrekkelig med karbondioksid til prosessen.

I kjent teknikk blir tilsetningen av basiske og sure stoffer som er nødvendige ved den industrielle prosess vanligvis utført separat i spesielle doseringspunkter. Anvendelse av basiske og sure stoffer krever ofte forbehandling, for eksempel oppløsning og fortynning, og spesialutstyr for dette før stoffene mates inn i den industrielle prosess. Valget av doseringspunkter avhenger av den aktuelle industriprosess og kjemikaliene. Doseringspunktene for eksempelvis gassformige stoffer må velges omhyggelig med hensyn til egnet trykk, temperatur og massekonsistens. Det kan til og med være umulig å mate inn gassformige stoffer i de nødvendige punkter i den industrielle prosess, eller det kan kreve komplekst utstyr.

De nødvendige mengder med basiske og sure stoffer må måles ut og bestemmes separat for hver industriprosess på grunn av varierende prosessbetingelser. Dersom det anvendes sterke syrer og baser, må de tilsatte mengder måles ut særlig omhyggelig for å unngå for store pH-endringer forårsaket av overdoseringer. Fortynnede stoffer er lettere å tilsette, men fortynningen i seg selv krever ekstra arbeide.

Det kan ofte være viktig at sure eller basiske kjemikalier som er nødvendige i den industrielle prosess kan tilsettes uten å påvirke systemets pH.

Det eksisterer således et behov for en enkel og sikker måte å tilsette sure og basiske stoffer på i industrielle prosesser for derved å regulere alkaliniteten, pH og/eller hardheten i en væske i en industriell prosess.

Et mål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en apparatur som lett kan kobles til en industriprosess for å tilsette basiske og sure stoffer i den industrielle prosess for derved å regulere alkaliniteten og/eller pH i ønskede punkter. Et annet mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en apparatur som gjør det mulig å mate automatisk og nøyaktig sure og basiske stoffer inn i en væske i den industrielle prosess.

Et annet mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for å regulere alkalinitet og pH i en industriell prosess.

Et ytterligere mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for å regulere hardheten i vann i en industriell prosess.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt apparatur for å regulere alkaliniteten og pH i en industriell prosess som angitt i krav 1, og en fremgangsmåte for å regulere alkalinitet og pH i en industriell prosess som angitt i krav 20.

Den foreliggende oppfinnelse angår følgelig en apparatur og en fremgangsmåte for å regulere alkaliniteten i en industriell prosess ved å mate og blande automatisk vann samt basiske og sure stoffer inn i prosessen.

Den foreliggende oppfinnelse angår en apparatur for å regulere alkaliniteten og pH i en væske i en industriell prosess, hvor apparaturen er tilpasset for å bli lokalisert på utsiden av hovedprosesstrømmen i en industriell prosess. Apparaturen innbefatter innløps-anordninger for en basisk substans, en sur substans og vann, regulermgsinnretninger for innløpsanordningene og en reaktor for å omsette den basiske substans, den sure substans og vann. Reaktoren gir en forhåndsdefinert alkalinitet og/eller pH i den resulterende vandige bufferblanding. Apparaturen innbefatter også utløpsanordninger for å tilføre bufferblandingen til hovedprosesstrømmen for å regulere alkaliniteten og/eller pH i den industrielle prosess.

Den foreliggende oppfinnelse angår også en fremgangsmåte for å regulere alkaliniteten i en væske i en industriell prosess. Fremgangsmåten omfatter de trinn å tilveiebringe en basisk og en sur substans, hvor substansene i kombinasjon er i stand til å danne bufferioner i et vandig medium, de basiske og sure substanser samt vann føres kontrollert inn i reaktoren i en apparatur som er lokalisert på utsiden av en hovedpro-sesstrøm i den industrielle prosess, bringe den basiske substans, den sure substans og vann til å reagere slik at det oppnås en forhåndsdefinert alkalinitet i den resulterende vandige bufferblanding, og tilføre den vandige bufferblanding til hovedprosesstrømmen for å regulere alkaliniteten i den industrielle prosess.

Apparaturen ifølge oppfinnelsen tillater en svært nøyaktig regulering av alkaliniteten. Den gjør det også mulig å oppnå en nøyaktig pH-regulering. Oppfinnelsen gjør det videre mulig å regulere hardheten på enhver vandig bærer i den industrielle prosess. Apparaturen er lett å installere i alle nødvendige doseringspunkter i en industriell prosess fordi det ikke er nødvendig å tilføre syre og base direkte i prosessen. Tilsetningen av sure og basiske substanser skjer automatisk og sikkert på utsiden av hovedprosessen med apparaturen ifølge oppfinnelsen, uten noen sølete håndtering eller risikabel reaksjon mellom substansene. Lokaliseringen av apparaturen og doseringspunktene for den tilberedte bufferblanding kan bestemmes fritt avhengig av den aktuelle industriprosess.

En apparatur ifølge den foreliggende oppfinnelse kan utformes på mange måter for beste tilpasning til den aktuelle industriprosess. Oppbyggingen kan utformes avhengig av den industrielle prosess hvor apparaturen skal anvendes, samtidig som det tas hensyn til substansene anvendt i apparaturen for tilberedning av bufferblandingen.

Apparaturen ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter en reaktor som enten kan være en kontinuerlig reaktor eller en satsvis reaktor. En kontinuerlig reaktor tillater kontinuerlig regulering av alkaliniteten i den industrielle prosess. I tilfelle det skjer endringer i alkaliniteten eller prosessbetingelsene, kan justeringer skje automatisk og uten forsinkelse. En apparatur med reaktor av satsvis type kan benyttes når det er behov for å justere alkaliniteten for eksempel på grunn av spesielle prosessbetingelser eller råmaterialer. Med en reaktor av satsvis type kan også bufferblandingen bli tilført til en tank hvorfra bufferblandingen blir kontinuerlig og/eller intermitterende tilført til den industrielle prosess.

Oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert med henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 viser en foretrukket utførelsesform av en apparatur ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 2 viser en skjematisk tegning av en papirfremstillingsprosess hvor en apparatur ifølge den foreliggende oppfinnelse er installert.

Den foretrukne utførelsesform av apparaturen vist på figur 1, har en reaktor utformet som en rørreaktor 1 som har ett bend 11. Apparaturen omfatter innløpsanord-ninger 2, 3 og 4 for henholdsvis den basiske og sure substans og vann. Innløpet for den sure substans omfatter et mindre perforert rør 5 lokalisert inne i rørreaktoren 1. Det perforerte rør 5 har flere innløpsåpninger 7. Hver av innløpsanordningene 2, 3, 4 har separate kontrollanordninger 6. Kontrollanordningene 6 reguleres individuelt med en kontrollinnretning (ikke vist) som fortrinnsvis er forbundet med en datamaskin som regulerer hovedprosessen. Apparaturen omfatter også en anordning for temperaturkontroll og -overvåkning 8, en statisk blander 10 og en anordning for å ta prøver 12, samt utløpsanordning 9.

Lengden på rørreaktoren 1 justeres avhengig av den industrielle prosess hvor den er installert. Det er viktig at rørreaktoren 1 har en lengde som er tilstrekkelig til at reaksjonen mellom substansene skjer under kontrollerte betingelser. Antallet bend 11 samt formen og størrelsen på rørreaktoren 1 justeres avhengig av lengden på reaktoren 1 og tilgjengelig plass på lokaliteten der den er installert.

Apparaturens innløpsanordninger 2, 3, 4 omfatter konvensjonelle anordninger som anvendes i industrielle prosesser, så som ventiler. Innløpsanordningen for den basiske og/eller den sure substans innbefatter fortrinnsvis også anordninger (ikke vist) for fortynning og/eller oppløsning av substansen i vann for å kunne oppnå en regulert vann- løsning av substansen. Dette betyr at selv konsentrerte syrer og baser eller faste stoffer anvendes i apparaturen fortrinnsvis uten noen forbehandling utenfor apparaturen. Fortynningen av et konsentrert stoff til en passende konsentrasjon eller oppløsning av et fast stoff, skjer fortrinnsvis i de korresponderende innløpsanordninger på apparaturen. I slike tilfeller er det ikke nødvendig med noe separat trinn for fortynning og oppløsning.

Innløpsanordningene 2, 3 for henholdsvis den basiske og sure substans, kan også omfatte et innløp for en gass som er i stand til å danne en base eller en syre i et vandig medium. Et slikt innløp kan tilveiebringes for eksempel med det perforerte rør 5 inne i rørreaktoren 1 på figur 1. Med det perforerte rør 5 blir den sure substans tilført kontinuerlig og gradvis til reaktor 1 gjennom et stort antall trinn, og dette sikrer en sikker tilsetning av den sure substans.

Innløpsanordningen 4 for vann er et innløp for vannet som skal anvendes i apparaturen. Innløpsanordningen for vann behøver ikke være et separat innløp, men kan i stedet være kombinert med innløpsanordningene for den basiske og/eller sure substans. I et slikt tilfelle blir vannet tilført til apparaturen i det samme punktet som den basiske eller sure substans. Apparaturen kan også omfatte separate kar for forhåndskombinering av den basiske og/eller sure substans med vann. Den oppnådde fortynnede blanding kombineres så med de andre substansene i reaktoren.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen har apparaturen flere, mer foretrukket to eller flere, innløp for den basiske og/eller sure substans og/eller vann. Det

foretrekkes at tilsetningen av noen sure substanser, så som karbondioksid, tilsettes i tre til ti trinn. I en apparatur med rørreaktor er innløpene fortrinnsvis fordelt langs rørreaktoren. Dette gjør det mulig å tilsette substansene slik at det er nok tid til at reaksjonen mellom de tilsatte substanser kan finne sted før mer substans mates inn i reaktoren.

Med den foretrukne utførelsesform ifølge figur 1, vil perforert rør 5, som er lokalisert inne i rørreaktoren 1, sørge for mange innløp. De mange åpninger 7 i det perforerte rør 5 sikrer kontinuerlig og gradvis tilsetning av den sure substans i reaktoren 1. Lengden på det perforerte rør 5 i forhold til hele rørreaktoren 1, samt antall åpninger 7, justeres i henhold til mengden sur substans og strømningshastigheten for denne. Det perforerte rør 5 anvendes fortrinnsvis som et innløp for en gassformig substans, så som karbondioksid. Åpningene 7 i den fjerneste ende av røret 5 kan være større enn åpningene i innløpsenden for å kompensere for trykkfall i røret.

Tilførslene med basisk og sur substans og vannet tilført til apparaturen, reguleres med kontrollinnretningene 6 for innløpsanordninger 2, 3, 4. Kontrollinnretningene 6 er angitt med bokser på figur 1. Kontrollinnretning 6 omfatter en innretning for overvåkning og justering av strømningshastigheten på de basiske og sure substanser som er nødven-dige for reaksjonen. Strømningen reguleres for å sikre nøyaktig dosering av substansene. Ved å regulere mengden med basisk og sur substans som mates inn i reaktoren, kan reak-sjonens kjemiske likevekt reguleres nøyaktig og det oppnås en forhåndsdefinert alkalinitet og pH i den resulterende vandige bufferblanding. Også konsentrasjonene av substansene som er nødvendige ved prosessen, blir fortrinnsvis kontrollert og registrert. På denne måte er det mulig å unngå feil som skyldes uriktige mengder og konsentrasjoner i apparaturen.

Kontrollinnretningen 8 angitt med en boks på reaktor 1, er utformet for å kontrollere reaksjonsbetingeisene og konsentrasjonen av substanser i apparaturen. Kontrollen av apparaturen sikrer også en jevn og sikker drift av apparaturen. Kontrollinnretningen 8 kan omfatte enhver konvensjonell innretning for å måle og analysere de nødvendige parametre, så som temperatur. Kontrollinnretningen 8 kan også innbefatte alarmsystemer for uvanlige situasjoner.

Utløpsanordningen 9 på apparaturen omfatter konvensjonelle anordninger anvendt i industrielle prosesser. Utløpsanordningen 9 gjør det mulig å tilføre bufferblandingen tilberedt i apparaturen til den industrielle prosessen.

For å sikre skikkelig blanding av substansene i apparaturen, så omfatter den fortrinnsvis anordninger 10 for dusjing og/eller omrøring. Blanderne er fortrinnsvis statiske blandere 10, slik som vist på figur 1. Blandingen i apparaturen er fortrinnsvis automatisk og konstant, selv om den kan bli regulert og overvåket separat.

Apparaturen omfatter fortrinnsvis også anordninger for å kjøle reaktorveggen for derved å hindre at substanser som kalsiumkarbonat danner utfellinger på veggen. Kontrollanordningene for apparaturen kan også omfatte anordninger for å fjerne utfelt stoff.

En alkalinitetsapparatur ifølge den foreliggende oppfinnelse er fortrinnsvis knyttet til et kontroll- og overvåkingssystem for den industrielle prosess eller for hoved-prosesstrømmen. Således blir appaturens funksjon kontrollert og overvåket simultant med hovedprosessen. Personellet som kjører apparaturen ifølge den foreliggende oppfinnelse behøver ikke overvåke apparaturen separat fordi den fungerer som en del av hovedprosessen. I de tilfeller apparaturen sørger for fortynning, kan basiske og sure substanser anvendes i apparaturen uten noen forbehandling.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen kontrolleres apparaturen med en datamaskin for å sikre at driften av apparaturen skjer på en kontrollert måte.

Apparaturen ifølge oppfinnelsen kan anvendes ved enhver industriell prosess hvor det er behov for å regulere alkaliniteten. Apparaturen kan utformes i henhold til kravene hos hver enkelt industriprosess. Apparaturen kan anvendes for eksempel i forskjellige punkter i en prosess ved fremstilling av papir eller masse, så som ved massetilberedning, i vannsirkulasjoner, i et filter mellom en massefabrikk og en papirfabrikk eller i tanken for lagring av utskudd. Det er også mulig å benytte apparaturen ifølge oppfinnelsen i en vannbehandlingsprosess. Apparaturen er anvendelig både ved behandling av spillvann og friskt vann.

Figur 2 viser en papirfremstillingsprosess hvor apparaturen 26 ifølge den foreliggende oppfinnelse, er forbundet med en fortynningsskrue 23 etter et filter 22. Apparaturens funksjon i denne type tilfeller er forklart nærmere i eksempel 1.

En fagperson på området er i stand til å beregne den mengde alkalinitet som er nødvendig i en industriell prosess for å opprettholde en tilstrekkelig bufferkapasitet under prosessen. Den nødvendige mengde alkalinitet avhenger blant annet av mengden og typen kjemikalier som tilføres til den industrielle prosess, råmaterialstrømmer, fyllstoff og mengde masse.

Betegnelsen "hovedprosesstrøm" anvendt i den foreliggende beskrivelse og i kravene, betyr egentlig strømmen med kombinerte råmaterialer fra start til slutt i en industriell prosess. Imidlertid kan hovedprosesstrøm også betegne en strøm med andre råmaterialer enn de som gir alkaliniteten ifølge oppfinnelsen, eller det kan angi sløyfer og resirkuleringer av prosessvæsker, så som sirkulasjoner av prosessvann på forskjellige punkter i den industrielle prosess. Driften av den industrielle prosess kan være kontinuerlig eller av satsvis type, selv om kontinuerlig drift er foretrukket.

Hovedprosesstrømmen ifølge oppfinnelsen er fortrinnsvis en vandig strøm i en industriell prosess hvor råmateriale(r) strømmer fra start til slutt. Hovedprosesstrømmen kan også være en strøm som leder til eller er adskilt fra råmaterialstrømmen. Den kan for eksempel være en vandig massesuspensjon i et fiberanlegg eller i en papirmaskin, eller en vannstrøm som leder til og/eller er separert fra suspensjonen. Hovedprosesstrømmen kan også være en massesuspensjon etter et bleketrinn, ved en massetilberedning, i en lang sirkulasjon eller i en kort sirkulasjon. Den kan omfatte strømmer med resirkulert vaske-vann eller friskt vann. Hovedprosesstrømmen kan også være en strøm i en vann- eller spillvannsbehandlingsprosess.

Betegnelsene "massetilberedning", "lang sirkulasjon" og "kort sirkulasjon" i den foreliggende beskrivelse, har betydningene definert i "Papermaking Science and Techno-logy: Book & Papermaking Part 1, Stock Preparation and Wet End", red. Hannu Paula-puro, Fapet Oy, 2000, s. 125.

En basisk substans ifølge oppfinnelsen er en substans som virker som en base i omgivelsene i den aktuelle prosess. Den basiske substans kan bli tilsatt i form av et fast stoff, en væske eller en gass, og den kan bli oppløst eller fortynnet i apparaturen. En foretrukket basisk substans er et alkalimetallhydroksid, alkalimetallkarbonat, alkalimetallbikarbonat, alkalimetallfosfat, alkalimetallbifosfat og/eller alkalimetallfosfitt. En foretrukket basisk substans er flytende eller fast natriumhydroksid, natriumkarbonat, natriumbikarbonat, natriumfosfat, kalsiumhydroksid, kaliumhydroksid eller grønnlut eller hvitlut i en vedkokeprosess.

En sur substans er en substans som virker som en syre i omgivelsene i den aktuelle prosess. Den sure substans kan også være en gass som gir en syre i et vandig medium. Dette betyr at den er en gassformig substans som danner en syre i et vandig medium, for eksempel gassformig karbondioksid eller svoveldioksid. Karbondioksid er en gass som lett oppløses under alkaliske betingelser, for eksempel i vann eller i en massesuspensjon, og danner karbonsyre og/eller bikarbonationer i henhold til reaksjonslign- ingen: C02+ H20 <=> H2C03<=> H+ + HC03". Ved høy pH, spesielt over 10, vil den dominerende reaksjon være C02+ 2 OH"<<=>>CO3" + H20.

En vannløsning av en sur substans kan også bli kalt en vandig syre. Således er karbondioksid en sur substans som danner en vandig syre. Den sure substans kan også være en organisk eller uorganisk syre, fortrinnsvis valgt blant svovelsyre, alun, fosforsyre, karbonsyre, sitronsyre og saltsyre.

Når det anvendes natriumhydroksid eller kaliumhydroksid, er en foretrukket sur

substans karbondioksid, svoveldioksid, svovelsyre, karbonsyre eller fosforsyre. Den mest foretrukne kombinasjon er natriumhydroksid og karbondioksid. Foretrukne kombinasjon-er av basisk og sur substans er for eksempel et karbonatsalt eller fosfatsalt og en sterk syre slik som saltsyre eller alun.

En kontrollert vannløsning av en basisk og/eller sur substans betyr en oppløsning av den korresponderende substans med en bestemt konsentrasjon. Oppløsningen kan fremstilles separat på forhånd av en konsentrert eller fast substans og deretter mates inn i apparaturen. En fordel med apparaturen er imidlertid at den kontrollerte vannløsning også kan tilberedes automatisk i apparaturen. Når det for eksempel anvendes NaOH som den basiske substans, så omfatter apparaturen fortrinnsvis anordninger for å fortynne NaOH som har en opprinnelig konsentrasjon for eksempel på ca. 30 %, for å oppnå en NaOH-løsning med en konsentrasjon på 1 -9 vekt %, fortrinnsvis ca. 6 vekt %.

Vannet anvendt i apparaturen kan omfatte råvann eller vann separert fra hoved-prosesstrømmen i den industrielle prosess. Vannet kan komme for eksempel fra en vannstrøm som leder til og/eller er skilt fra en massesuspensjon eller papirmasse. Vannet kan også omfatte fortynnet massesuspensjon separert fra hovedprosessen. Vannet kan også være drikkevann som skal behandles ved en vannbehandlingsprosess. Alkaliniteten i drikkevannet økes fortrinnsvis umiddelbart før vannet tilføres til vanndistribusjonssystemet. Alkaliniteten i spillvann reguleres fortrinnsvis under spillvannsbehandlingen.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en vandig bufferblanding for anvendelse i en industriell prosess. Blandingen tilberedes i apparaturen ved reaksjon mellom den basiske substans og den sure substans, hvor substansene i kombinasjon er i stand til å danne bufferioner som påvirker alkaliniteten i et vandig medium. Den resulterende vandige bufferblanding har en forutbestemt alkalinitet som avhenger av den nødvendige alkalinitet i den aktuelle industrielle prosess. Den vandige bufferblanding er i stand til å medføre forhøyet alkalinitet i den industrielle prosess som den tilføres til.

Bufferblandingen ifølge oppfinnelsen dannes av den basiske substans, sure substans og vann som føres inn i apparaturen på en kontrollert måte. Den basiske substans og den sure substans reagerer i vannet i apparaturen og gir en forutbestemt alkalinitet i den resulterende vandige bufferblanding. Reguleringsanordningene på apparaturen sørger for at bufferblandingen får en ønsket alkalinitet og pH. Konsentrasjonen av den basiske substans reguleres og overvåkes fortrinnsvis ved å måle for eksempel densiteten av den basiske substans. Mengden sur substans matet inn i reaktoren justeres så for å oppnå en ønsket alkalinitet og pH i den resulterende bufferblanding. Den resulterende vandige bufferblanding tilføres til hovedprosesstrømmen i den industrielle prosess for å regulere alkaliniteten og pH i den industrielle prosess.

Også pH i reaktoren blir fortrinnsvis regulert og kontrollert. pH i den resulterende vandige bufferblanding reguleres i henhold til behovene i den industrielle prosess. I en papir- eller massefremstillingsprosess kan en foretrukket pH for eksempel være fra ca. 6 til 10. Også konsentrasjonen av karbonation, konsentrasjonen av bikarbonation og/eller den totale alkalinitet eller M-alkalinitet kan bli kontrollert i apparaturen. Alkaliniteten i den resulterende vandige bufferblanding justeres således til en spesifikk, forutbestemt verdi i apparaturen. Den resulterende vandige bufferblanding tilføres til den industrielle prosess for å regulere alkaliniteten i hovedprosesstrømmen.

I apparaturen blir temperaturen og trykket i reaktoren fortrinnsvis regulert for å opprettholde egnede betingelser for reaksjonene mellom vannet og den basiske og den sure substans. Fortrinnsvis reguleres temperaturen fordi reaksjonene kan være sterkt eksoterme. En for høy temperatur kan medføre trykkøkning eller til og med eksplosjon.

Fortrinnsvis sørges det for blanding av substansene for å sikre en hensiktsmessig og sikker omsetning av substansene. I en flertrinnsreaksjon hvor syre eller base tilsettes gradvis, bør den forutgående reaksjon være ferdig før ny substans tilsettes. Apparaturen kan omfatte anordninger for hurtig lukking av innløpene i det tilfelle at for eksempel temperaturen eller trykket i reaktoren blir for høyt.

I noen tilfeller vil vannet anvendt i reaksjonen inneholde frie kalsiumioner. Frie kalsiumioner kan medføre problemer i mange prosesser, for eksempel når de felles ut sammen med andre forbindelser i prosessen. Kalsiumioner kan lede til for eksempel uønsket avfetning på veggene. I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er det mulig å hindre kalsiumkarbonat i å felles ut på veggene i reaktoren ved å kjøle reaktorveggene. Alt utfelt kalsiumkarbonat vil således forbli i oppløsningen og vil bli tilført som faste partikler til hovedprosessen sammen med bufferblandingen, eller alternativt kan det bli fjernet fra blandingen. Dersom vannet har høy hardhet, kan det bli behandlet for å redusere hardheten og mengden kalsiumioner. Vannet kan bli behandlet for eksempel magnetisk eller ved utfelling. Slike metoder er kommersielt tilgjengelige.

I en papirfremstillingsprosess kan det være fordelaktig at eventuelle kalsiumioner utfelles i apparaturen. Spesielt når det basiske substans omfatter NaOH som bringes i kontakt med kalsiumioner i vannet, vil påfølgende tilførsel av C02 som den sure substans, medføre at kalsiumionene felles ut som kalsiumkarbonat. Det utfelte kalsiumkarbonat vil bli tilført til papirfremstillingsprosessen og feste seg til fibrene i massesuspensjonen og bli fjernet fra sirkulasjonsvannet.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen benyttes apparaturen til å regulere alkaliniteten ved å anvende natriumhydroksid som den basiske substans og karbondioksid som den sure substans. Natriumhydroksidet tilført til apparaturen kan også være konsentrert. Natriumhydroksidet kan ved behov bli fortynnet i apparaturen før innføringen i reaktoren. En foretrukket konsentrasjon etter fortynning er fra ca. 1 til 9 %, mer foretrukket fortynnes NaOH til en konsentrasjon på ca. 6 %. Fortynningen av natriumhydroksidet kan utføres i innløpsenden av reaktoren i et punkt før innføringen av karbondioksidet, eller natriumhydroksidet kan bli fortynnet separat på forhånd.

I en foretrukket utførelsesform innføres karbondioksid i minst to separate trinn, fortrinnsvis i to til ti separate trinn. I tilfelle det anvendes en rørreaktor, blir karbondioksid fortrinnsvis ført inn i rørreaktoren gradvis, for eksempel gjennom et perforert rør lokalisert inne i rørreaktoren.

Oppfinnelsen skal nå belyses med noen få eksempler, som ikke begrenser oppfinnelsen på noen som helst måte. En fagperson på området vil være i stand til å anvende apparaturen på mange forskjellige måter.

Eksempel 1

En apparatur ifølge den foreliggende oppfinnelse ble testet i en papirfabrikk som hadde prosesskarakteristikkene vist på figur 2. Apparaturen 26 ifølge den foreliggende oppfinnelse var en rørreaktor lokalisert på utsiden av hovedprosessen 20 i papirfabrikken illustrert på figur 2. Apparaturen 26 var forbundet med papirfabrikkens regulerings- og kontrollsystem.

Apparaturen 26 ble anvendt til å tilberede en bufferblanding som inneholdt natriumioner og bikarbonationer ved å absorbere gassformig karbondioksid 28 i en fortynnet vannløsning 29 av natriumhydroksid (ca. 2 %). pH i blandingen var ca. 8,0. Alkaliniteten i blandingen var ca. 500 mmol CaC03/l.

En massesuspensjon 20 som omfattet en linje med bjørk og som hadde en pH på 5,0, ble pumpet fra et masselagringstårn 21 til et filter 22 i papirfabrikken. Konsistensen på massesuspensjonen etter filteret var ca. 30 %. Bufferblandingen fremstilt i apparaturen 26 ble tilført til massesuspensjonen ved hjelp av en fortynningsskrue 23 etter filteret 22 i en mengde på 6 kg/1000 kg masse (basert på tørrvekt). Massesuspensjonen ble samtidig fortynnet til en konsistens på ca. 10 % ved å anvende vann 30 i tillegg til bufferblandingen. Den resulterende massesuspensjon ble pumpet gjennom et fallrør 24 til papirfabrikkens lagringstårn 25.1 tårnet var pH ca. 7,2 og alkaliniteten var fra 7 til 8 mmol CaC03/l.

Massen ble hentet fra lagringstårnet 25 og ført til papirfremstillingsprosessen 27 med CaC03-holdig hvitvann 31 fra den etterfølgende papirmaskin hvor pH ved drift var 8,0. Siden pH i massesuspensjonen var blitt hevet med bufferblandingen til 7,5 og på grunn av den økte alkalinitet i massesuspensjonen, så forble CaC03i hvitvannet i fast form i den resulterende fortynnede suspensjon. Dersom det ikke var blitt anvendt noen bufferblanding, ville CaC03 være blitt oppløst som en følge av pH-variasjonen som ville funnet sted når massesuspensjonen ved pH 5,0 møtte hvitvannet med pH 8,0. Som en følge av at bufferblandingen ble matet inn i prosessen med skrue 23, ble hele den etterfølgende papirfremstillingsprosess stabilisert og M-alkaliniteten i hvitvannet ble hevet fra 2,6 mmol CaCOs/l til 4,5 mmol CaCOs/l. Hardheten på hvitvannet ble redusert med ca. 30 % fra 65 Ca mg/l til 28 Ca mg/l.

Fremgangsmåten over ble også benyttet for en linje med furu i samme papirfabrikk. Fremgangsmåten var den samme, med unntak av at bufferblandingen ble tilført i fallrøret 24 gjennom fordelingsringen. Det ble oppnådd de samme fordelaktige resultater som ved anvendelse i linjen for bjørk.

Eksempel 2

En apparatur ifølge oppfinnelsen ble testet med hensyn til å hindre pH-endringer i en utskuddsmasse i et lagringstårn, forårsaket av organiske syrer dannet som en følge av mikrobiologisk aktivitet.

Utskuddsmasse fra flere steder i en papirfremstillingsprosess ble samlet i et lagringstårn. En apparatur ifølge oppfinnelsen ble forbundet med et resirkuleringsrør som ble anvendt i lagringstårnet for å hjelpe til med å homogenisere utskuddsmassen i tårnet. En bufferløsning med pH 7,5 ble med avbrudd tilført i en mengde på 5 kg NaHCO3/1000 kg masse (basert på tørr vekt) til resirkuleringstårnet. pH i utskuddsmassen forble konstant og det ble ikke observert noen økning i pH på tross av mikrobiologisk aktivitet.

Eksempel 3

Vannet i et vannleveringssystem hadde lav alkalinitet (0,2 mmol CaC03/l). Den lave alkaliniteten medførte pH-fluktuasjoner i leveringssystemet, og dette medførte i sin tur korrosjonsproblemer i rørene.

Med apparaturen ifølge oppfinnelsen ble vannets alkalinitet økt til en verdi på 1,0 mmol CaC03/l ved å anvende NaOH og C02.

pH i det bufrede vannet forble konstant på 7,0 og ingen korrosjonsproblemer forekom i rørene.

Det er åpenbart at oppfinnelsen kan bli variert på en lang rekke måter som er åpenbare for fagfolk på området, uten å avvike fra rammen for kravene.

Claims (32)

1. Apparatur for å regulere alkaliniteten og pH i en industriell prosess, hvor apparaturen er tilpasset for å bli lokalisert på utsiden av en hovedprosesstrøm i den industrielle prosess, hvor apparaturen innbefatter, inntaksmidler, en reaktor og uttaksmidler og er karakterisert vedåha - innløpsanordninger (2,3,4) for en basisk substans, en sur substans og vann, - individuelt styrte reguleringsanordninger (6) for innløpsanordningene (2,3,4), - en reaktor (1) for å omsette den basiske substans, den sure substans og vannet for å oppnå en forhåndsdefinert alkalinitet og pH i den resulterende vandige bufferblanding, og - utløpsanordning (9) for å tilføre vandige bufferblandingen til hovedprosesstrømmen og regulere alkaliniteten og pH i den industrielle prosess.

2. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat den industrielle prosess omfatter apparaturen plassert på utsiden en hovedprosesstrøm i den industrielle prosess, der den industrielle prosess er en prosess for fremstilling av papir eller masse eller en vannbehandlingsprosess for friskt vann eller spillvann.

3. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat apparaturen er forbundet med et regulerings- og kontrollsystem for den industrielle prosess eller hovedprosesstrømmen.

4. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat innløpsanordningen (2) for en basisk substans omfatter et innløp for en fast eller flytende base fortrinnsvis valgt blant natriumhydroksid, natriumkarbonat, natriumbikarbonat, natriumfosfat, kalsiumhydroksid, kaliumhydroksid og/eller grønnlut eller hvitlut, og innløpsanordningen (3) for en sur substans omfatter et innløp for gassformig karbondioksid eller svoveldioksid eller for en flytende organisk eller uorganisk syre, fortrinnsvis valgt blant svovelsyre, alun, fosforsyre, karbonsyre og saltsyre.

5. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat innløpsanordningen (2,3) innbefatter anordninger for å fortynne og/eller oppløse den basiske og/eller den sure substans i vann for å tilveiebringe en kontrollert vannløsning av den basiske og/eller sure substans.

6. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat innløpsanordningen (3) for en sur substans omfatter et innløp (5) for flytende syre eller for en gass som er i stand til å danne en syre i et vandig medium.

7. Apparatur ifølge krav 6, karakterisert vedat innløpsanordningen (2) for en basisk substans omfatter et innløp for fortynnet natriumhydroksid og innløpsanordning (3) for en sur substans omfatter et innløp (5,7) for gassformig karbondioksid.

8. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat innløpsanordningen for vann (4) omfatter et innløp for vann eller en fortynnet massesuspensjon som er skilt fra hovedprosesstrømmen.

9. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat innløpet for vann er kombinert med innløpet (2,3) for en basisk substans og/eller innløpet for en sur substans.

10. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat irinlø<p>sre<g>ulermgsinnretningen (6) omfatter en anordning for å kontrollere og justere strømmen og/eller konsentrasjonen av den basiske og den sure substans og vannstrømmen, for derved å tilveiebringe en forutbestemt alkalinitet.

11. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat apparaturen omfatter en kontinuerlig reaktor eller en satsreaktor.

12. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat reaktoren omfatter en rørreaktor (1) som har tilstrekkelig lengde til at reaksjonen mellom substansene får foregå på en kontrollert måte.

13. Apparatur ifølge krav 12, karakterisert vedat rørreaktoren (1) omfatter flere innløp for den basiske og/eller sure substans og/eller vann.

14. Apparatur ifølge krav 12, karakterisert vedat rørreaktoren (1) innbefatter to eller flere innløp (7) for den sure substans og at innløpene er fordelt langs rørreaktoren.

15. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat reaktoren omfatter reguleringsanordninger (8) for å regulere en parameter valgt blant temperatur, trykk, strømningsmengde og -hastighet, blanding og pH.

16. Apparatur ifølge krav 15, karakterisert vedat reaktorens regulermgsanordninger (8) omfatter anordninger for å kjøle reaktorveggene for derved å hindre kalsiumkarbonat i å danne utfellinger på veggene.

17. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat reaktoren omfatter reguleringsanordninger (8) for å fjerne utfelt stoff.

18. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert vedat apparaturen er tilpasset for å være lokalisert på utsiden og være forbundet med en massetilberedning, en vannsirkulasjonsledning, en kort sirkulasjon, et filter mellom en massefabrikk og en papirfabrikk, en lagringstank for utskuddsmasse og/eller en ledning med klart filtrat i en papirfremstillingsprosess.

19. Apparatur ifølge krav 1, hvor apparaturen omfatter en tank for den nevnte bufferløsningen.

20. Fremgangsmåte for å regulere alkalinitet og pH i en industriell prosess,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: det tilveiebringes en basisk og en sur substans, hvilke substanser i kombinasjon er i stand til å danne bufferioner som innvirker på alkaliniteten i et vandig medium, individuelt styrte kontrollerte tilførsler av den basiske og den sure substans samt vann føres inn i reaktoren i en apparatur lokalisert på utsiden av en hovedprosesstrøm i den industrielle prosess, den basiske substans og den sure substans bringes til å reagere i vannet for derved å tilveiebringe en forutbestemt alkalinitet i den resulterende vandige bufferblanding, den vandige bufferblanding tilføres til hovedprosesstrømmen for å regulere alkaliniteten og pH i den industrielle prosess.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat den industrielle prosess er en prosess for fremstilling av papir eller masse, eller en vann- eller spillvannbehandlingsprosess.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat hovedprosesstrømmen omfatter en vandig massesuspensjon i en papirfremstillingsprosess eller en vannstrøm som leder til og/eller er skilt fra suspensjonen.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat den basiske substans omfatter et alkalimetallhydroksid, et alkalimetallkarbonat, et alkalimetallbikarbonat, et alkalimetallfosfat, et alkalimetallbifosfat og/eller et alkalimetallfosfitt og/eller grønnlut eller hvitlut og at den sure substans omfatter gassformig karbondioksid eller svoveldioksid eller en flytende organisk eller uorganisk syre, fortrinnsvis valgt blant svovelsyre, alun, fosforsyre, karbonsyre og saltsyre.

24. Fremgangsmåte ifølge krav 23, karakterisert vedat den basiske substans omfatter natriumhydroksid og at den sure substans omfatter karbondioksid.

25. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat karbondioksidet føres inn i en rørreaktor i minst to separate trinn, fortrinnsvis i mer enn to trinn, mest foretrukket i 3 til 10 trinn eller mer.

26. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat vannet omfatter prosessvann skilt fra hovedprosesstrømmen og/eller vann som leder til hovedprosesstrømmen.

27. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat vannet inneholder kalsiumioner og at reaktorveggen er kjølt for å hindre kalsiumkarbonat i å bli felt ut på veggen, og at alt utfelt stoff eventuelt fjernes fra bufferblandingen før denne tilføres til hovedprosesstrømmen.

28. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat temperatur, trykk, blanding og/eller pH ved reaksjonen mellom substansene og/eller i strømmen av substansene, kontrolleres.

29. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat pH i den vandige bufferblanding reguleres til ca. 6 til 10.

30. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat vannet behandles for å redusere vannets hardhat.

31. Fremgangsmåte ifølge krav 3 0, karakterisert vedat vannet behandles magnetisk eller ved utfelling.

32. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat den industrielle prosessen styres slik at kalsiumkarbonat beholdes i fast form.