NO338171B1 - Fremgangsmåte for å bestemme Kappa-tall i kjemisk masse med synlig nær-infrarød spektrometri, samt anordning og massetilberedingslinje for dette. - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte for å bestemme cellulosefiberegenskaper, slik som restlignininnhold i kjemisk masse, med hjelp av en spektroskopisk teknikk oppnådd over et område som dekker de synlige og de nær-infrarøde områder av det elektromagnetiske spekteret, omfattende trinnene av å oppnå en prøve fra prosesslinjen, minimalt fjerne noe overskuddsvann, utsette fibrene i prøven for en stor lysstrålekilde, valgfritt å bevege prøven ved en konstant hastighet, og innhente spektraldataene over en forhåndsbestemt tidsperiode, og korrelere spekteret til en tidligere bestemt kalibrering for å bestemme Kappa-tallet. Alternativt, som et arrangement for prosesskontroll, inkluderer foreliggende oppfinnelse monteringen av eksitasjonslyskilden og den fiberoptiske sonden langs forskjellige steder i kraftkoking og blekeprosessen, slik som 1) ved trommelbrunmasse vaskerne og 2) gjennom blekeanleggfortykkere, lokalisert rett før bestrykningskniven, sonden er festet til et hurtig skannende spektrometer, via fiberoptiske kabler, med en komputersekvenserende spektral innhenting og korrelering av spekteret mot en forhåndsbestemt kalibrering, og å logge resultatene.

Description

Fremgangsmåte for å bestemme Kappa-tall i kjemisk masse med synlig nær-infrarød spektrometri, samt anordning og massetilberedingslinje for dette Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ny fremgangsmåte for å måle fiberegenskaper, spesielt restlignininnhold av kjemisk masse, med hjelp av et raskt skannende spektrometer i det kombinerte synlige og nær infrarøde spektralområdet.

Bakgrunnsteknikk

Den nøyaktige on-line målingen av Kappa takket av kjemiske masser oppnådd fra raskt varierende masser forblir et uløst tema for produsenter av kjemisk masse. Anlegg som anvender sagbrukspon fra forskjellige steder og de om produserer spesialkvaliteter er spesielt påvirket på grunn av variasjonen av sponkvalitet fra forskjellige leverandører. Dette temaet er enda mer fremtredene nå, grunnet en mangel på tilgjengelig treflis på markedet og det faktum at masse- og papirfabrikker tvinges til å kjøpe flis som er geografisk langt unna deres produksjonsanlegg. Alt for ofte må masse som produseres under kvalitetsendring, eller fra dårlig karakteriserte flisslagsblandinger nedgraderes på grunn av høy andel av utilstrekkelig kokt masse, ettersom hvert treflisslag kokes forskjellig. Analysatorer som er i stand til rask bestemmelse av Kappa-tall kunne hjelpe anlegg i å vesentlig redusere Kappa-tall variasjon, blekekostnader og mengden masse utenom kvalitet.

Nåværende kontrollalgoritmer for kokere (disgeter) anvender buelinje (bow-line) Kappa tall i sammenheng med H-faktoren [1] for å kontrollere massetilberedings-operasjonen. Generelt er målinger av Kappa-tall nødvendig som en tilbakemeldingsparameter for å tillate justeringer i luten lastet til kokeren ved de forskjellige sonene av kokingen og mer kritisk, som en forovermatet parameter for kontroll av blekeanlegget. Høyere Kappa-tall masser krever høyere laster av blekekjemikalier for å nå de endelige målsatte lyshetsnivåene, spesielt under oksygen-avlignifiseringstrinnet.

Målingen av restlignininnhold i masse har tradisjonelt blitt gjort på en timesbasis som en laboratorieanalyse ifølge TAPPI standard metode T236 [2] som anvender en tilbaketitrering av restpermanganat med kaliumiodid. Imidlertid krever metoden utstrakt opparbeidelse og kan ta 30 til 60 minutter per prøve. Jiang et al. [3] har forbedret denne standartteknikken ved å halvautomatisere titreringsprosessen med en automatisk multiprøvetitrator. Mer nylig har Chai et al. [4] foreslått anvendelsen av rask syrliggjøring for å forbedre nøyaktigheten av kaliumpermanganattitrering. Mangandioksidutfelling hindres og derved kan restpermanganat analyseres uten spektral forstyrrelse fra MnC>2og tillate den UV-synlige spektrometriteknikken i å bli mer nøyaktig enn ved titrering. Imidlertid krever denne fremgangsmåten fortsatt prøvefremstilling, et antall reagenser og en kjemisk reaksjon som det tar mellom tre til fem minutter å fullføre. Tidsforsinkelsen begrenser nyttigheten av denne fremgangsmåten for tilbakemeldingskontroll av kokeren og for forovermeldingskontroll av blekeanlegget.

Nåværende kommersielt tilgjengelige Kappa-tall analysatorer anvender UV-lys med en kombinasjon av relfektans-, sprednings-, trasmittans- og konsistensmålinger [5-6] for å analysere masseprøver med frekvenser i størrelsesorden av 10 til 20 minutter. Disse metodene (STFI, Metso, og BTG) benytter en gjennomsiktig celle/kammer gjennom hvilken en nøye vasket masse, fortynnet til kjent konsistens (0,1% til 0,4%) sirkuleres, hvorved det reflekterte og transmitterte lyset samles ved noen på forhånd bestemte UV-eller synlige bølgelengder over en periode på ett eller flere minutter, og et konsistenskorrigert Kappa-tall bestemmes fra disse avlesningene for å gjøre rede for endringen i reflektert intensitet som er sterkt avhengig av konsistens. UV-sensoren anvendes for å måle restligning mens det synlige lyset anvendes for konsistensmåling. En typisk rutine krever ekstensiv vasking for å fjerne overskytende restlut. Fortynning utføres deretter til omtrentlig volum og masseslurryen sirkuleres og en separat detektor anvendes for konsistensbestemmelse. Dersom konsistensen ikke er innen det ønskete området, justeres fortynningen og masseblandingen måles om igjen en gang til. Når den ønskete konsistensen oppnås, utføres Kappa-tall målinger. Selv om prinsippet er enkelt, er selve målingen kompleks fordi ligningabsorpsjon ikke kan måles nøyaktig uten å regne med forstyrelsene produsert av endringer i massekonsistens og masse. Dette problemet kan adresseres ved å bygge to-punktskalibreringer som er gyldige for et relativt smalt område av prøvebetingelser. Kalibreringer fremstilles ved å karakterisere forholdet mellom de tre typene målinger ved en gitt optimal konsistens, og rapporteres å være tilfredsstillende for blekeanleggsprøver [6], enkeltslagsmasser og stabile, godt karakteriserte blandete masser med konstant sammensetning.

Nåværende tilgjengelige kommersielle Kappa-analysatorer gir ikke nøyaktige resultater for masser av ukjent eller raskt endrende sammensetning [7]. Når sammensetningen av flis endres konstant, må instrumenter konstant omkalibreres for å følge endringene i masse. Å oppdatere to-punktskalibreringen og prøvesystemet krever konstant oppmerksomhet fra instrumenteringspersonell. Videre, grunnet det ytterligere prøvefremstillingstrinnet, er gjennomføring relativt lav, som kun tillater gjennomføring av omtrent to prøver per time for hver lokalisering.

Ligningkjemikere har anvendt vibreringsspektroskopi i omtrent femti år for å karakterisere tre og masseprøver. Marton og Sparks [8] har bestemt Kappa-tall for masser ved å anvende arealet under ligningtoppen ved 1510 cm-1 og cellulosetoppen ved 1100 cm"<1>som en intern standard. Lignin/cellulosetopp-arealforholdet ble funnet å være upåvirkelig for variasjoner i basisvekt. Likeledes utviklet Berben et al. [9] en fremgangsmåte anvendende infrarød diffus reflektans for å estimere lignininnhold i ubleket masse. Et lineært forhold for alle arter kombinert ble funnet mellom arealet av båndet ved 1510 cm"1 og Kappa-tall for en bred variasjon av treslag. Imidlertid anvendte disse fremgangsmåtene tørre masseprøver og kan ikke tilpasses til online prosessanalyse av Kappa-tall for prosesskontroll.

US Patent No. 4,743,339 [10] illustrerer en fremgangsmåte for å bestemme masseegenskaper, inkludert Kappa-tall anvendende FT-IR i det spektrale området fra 6300 nm til 7800 nm. I denne fremgangsmåten må et spektrum oppnådd med 200 intervall (co-ad gjennomsnitt, baselinjekorrigeres ved først å bestemme vanninnholdet og fiberinnholdet (konsistens). Denne fremgangsmåten er ekstremt sensitiv for konsistens, ettersom den må bestemmes for å gi en nøyaktig baselinjekorreksjon. En annen mangel med denne fremgangsmåten er at den er sensitiv for treslag og må rekalibreres med endringer i kokemasse. Videre begrenser antallet skanninger denne måleteknikken som en online-analysator ettersom det tar over 15 minutter for hver spektrale innhenting, uten å inkludere tid for prøvefremstilling, og må utføres ved romtemperatur.

Yuzak og Lohrke [11] detaljerte resultatene av en serie eksperimenter og viste at NTR kan anvendes for å estimere Kappa-tallet av riktige fremstilte kraft masseprøver, dvs. tørkete håndark, med et avvik på ±2,0 Kappa. Forfatterne konkluderte at gjennom deres serier med forhåndsbehandlingsmetoder av prøve, er NTR spektralmodell for bestemmelse av Kappa-tall: 1. Uten forhåndsbehandling - uakseptabel, 2. Springvannvasket - uakseptabel (avvik -9,0 til +11,7), 3. Springvannvasket og filtrert uakseptabel (avvik -11,8 til +4,3). 4. Springvannvasket + blandet + filtrert + presset - uakseptabel (avvik -0,3 til -15,2), 5. Springvannvasket + blandet + tørket (håndark) - akseptabel (avvik ±2,0 Kappa). Selv om forfatterne anvendte spektralområdet på 1500-1750 nm og 2100-2400 nm, er læren deres tillit til homogenisering og tørking av prøvene effektivt vekk fra å anvende NTR-spektroskopi som raskt on-line metode for å bestemme Kappa-tall.

US Patent Nr. 5,536,942 [12] beskriver en fremgangsmåte og apparat for å måle egenskaper, inkludert Kappa-tall, på fibere i en fibersuspensjon med hjelp av et NIR-spektrometer. Oppfinnelsen gir detaljer om trinnene og apparatet for å ekstrahere prøvene fra prosesstrømmen, gjentatt vasking i et kammer, og å pumpe den fortynnete løsningen til en celle som innbefatter en sil hvorved fibrene konsentreres og overvåkes ved 950 nm til en absorbans fra 2,0 til 4,5 absorbansenhet (absorbance unit (A.U.)) for å oppnå den foretrukne konsistens (3%), og å registrere med detektoren for å oppnå et overgangs NTR spektrum i området fra 850 nm til 1050 nm. Prøven gjenhomogeniseres deretter ved å tilbakespyle cellen og omkonsentrere fibrene på silene og deretter gjenta innhentingen. Denne fremgangsmåten avhenger også tungt på målingen av konsistens og drives ved høyt absorbansnivå, utenfor den typiske lineære Beer-Lamberts lov og når grensen for lineært område av mange instrumenter. Som et resultat, for konsistensområdet anvendt av U.S. Patent No. 5,536,942, vil små feil i absorbansen overføres til store feil assosiert med Kappa-tall bestemmelse. I tillegg begrenser kravet om utstrakt vasking og konsentrering før innhenting av spektrale data deretter etterfulgt av gjenhomogensiering og konsentrering og datainnhenting også den virkelige online-gjennomførbarheten av måleteknikken for prosesskontroll.

PCT Patentsøknad med publiseringsnr. WO 01/79816 [13] beskriver en fremgangsmåte for å bestemme fysiske egenskaper av fibersuspensjoner slik som viskositet, strekkstyrke, fiberlengde, tetthet, bruddindeks, grovhet, opasitet, bankekrav, lysspredning, nullspenn samt kjemiske sammensetninger slik som ligning og heksanuronsyre. Prøvene er hentet fra prosessen og vasket for å tilveiebringe ren masse som fortynnes til to strømmer med én delvis strøm som skal avvannes og tørkes og anvendes for spektroskopisk analyse, mens den andre delstrømmen anvendes for analyse av fysiske fiberdata ved hjelp av billedanalyse. De to datasettene kombineres med flervariabel databehandling for forutsigelser av fysiske fiberegenskaper. Fremgangsmåten fremsetter at korrelasjonen forbedres med kombinasjonen av data fra FibreMaster og NTR data. Spektroskopiske målinger utføres i NTR området fra 780 nm til 2500 nm. Den fortynnete prøven trenger å bli tørket til et faststoffinnhold på minst 50%, fortrinnsvis 70%, som oppnås ved filtrering og tvungen lufttørking fortrinnsvis ved hjelp av direkte kontakt med komprimert luft. Fremgangsmåten fremsetter videre at tørkeprosessen tar tid, men billedanalysen tar også tid og dette tillater synkronisering mellom de to teknikkene. Som sådan kan utførelsen av den fremsatte metoden kun nå fire analyser per time, og er beskrevet som uegnet for en on-line anvendelse. I tillegg, ble ingen data for Kappa-tall presentert.

Birkett and Gambino [14] gir videre detaljer om resultatet oppnådd med et filtometer eller filterbasert spektrometer og viste korrelasjoner for håndark Kappa-tall laget fra Eucalyptus grandis og 5 spesielle bølgelengder som har blitt optimalisert ved multilineær regresjon. Forfatteren viser at det er treslagavhengighet assosiert med filterbaserte spektrometre ettersom modeller utviklet for E. grandis ikke var i stand til å tilveiebringe akseptable resultater som bestemt ved den totale kalibreringsmodellen (s. 195, 1. avsnitt, linje 5 til 17). Forfatteren hevder videre at (s.195, avsnitt 3, linjer 1-3) "... at kalibreringer for furu og eukalyptus bør behandles separat" og at"... det kan være nødvendig å kalibrere for et spesifikt slag..." Videre tilveiebringer forfatteren resultater utført med tørkete håndark med masse. Birkett og Gambino erkjenner denne spesielle saken ved å fremsette at resultatene er oppnådd med tørkete håndark og at"... evnen til å anvende NTRS på våt masse åpenbart ville gjøre prosesskontroll lettere og raskere"

(s.196, avsnitt 1, linjes 8-13). Birkett og Gambino viste at filterbasert NIR system er ømfintlig for treslagvariasjon og kun kan anvendes på tørkete håndark.

US Patent 5,953,111 [15], Millar et. al. beskriver anvendelsen av et kontinuerlig kappamålesystem hvorved lys fra en eksiteringskilde injiseres i en strømmende ledning som bærer masse. Reflektert lys samles med to detektorer, én i nærheten og én på avstand langs en lyskilde feed-back som en referanse. Det reflekterte lyset samlet ved detektorene i nærhet og på avstand normaliseres med referansen og anvendes for beregninger av Kappa-tall. Belysningslyset består av individuelle spesifikke bølgelengder i det synlige spekteret som består av en bølgelengde i det blå området, grønne området, gule og røde området (side 6, avsnitt 4, linjer 7-10). Som med mange andre systemer nåværende tilgjengelig, stoler dette systemet hovedsakelig på ligninabsorbansen i det synlige området med enkel bølgelengde, som i et filtometer eller filterbasert synlig spektrometer. Selv om filterbaserte systemer er relativt rimelige og kan konfigureres med mange forskjellige bølgelengder, lider filterbasert system for bølgelengdenøyaktighet fra filter-til-filter grunnet tilvirkningsprosesser samt kalibreringsdrift og de ekstensive kalibreringskrav grunnet system til system forskjeller. Videre viste Birkett and Gambino [14], over, at NIR filterbaserte systemer ikke kan håndtere treslagvariasjoner og krever tørkete håndark for å tilveiebringe akseptable Kappa-tall for prosesskontroll. Grunnet disse manglene og vanskelighetene, er filterbaserte systemer vanligvis ikke fremgangsrike som online-analysatorer.

Poke et al., [16] presenterer en NTR metode for bestemmelsen av ligning i tremel, som krever å tørke og male prøvene. Igjen er denne metoden klart uegnet for en på-linje-anvendelse.

For å overvinne begrensningene av NIR spektrometri, har U.S. Patent 6,551,451, Trung et al. [17] foreslått anvendelsen av synlig-eksitering Råman spektroskopi for å måle lignin i masse. Selv om denne metoden overvinner noen av begrensningene assosiert med laserindusert fluorescens, krever denne metoden fremstillingen av en høykonsistens prøve (15 til 30%) og en relativt lang oppnåelsestid (5 til 10 minutter), primært på grunn av nedarvet svakhet av Raman-signalet produsert ved det lille belysningspunktet anvendt i anvendelsen. De små belysningspunktene begrenser mengden masse som tas prøve av gjennom dårlig underprøvetagning, som derved øker sannsynligheten for å få en ikke-representativ prøve for analyse. Dette vil øke uvissheten av målingen fordi Kappa-tallet er kjent for å variere betydelig fra fiber-til-fiber innen en koking.

PCT Patentsøknad med publiseringsnr. WO 95/31710 beskriver anvendelse av

spektrofotometriske metoder, særlig nær-infrarød og infrarød spektrometri for målinger av kvalitet og styrkeparametre fra trær til tømmer, flis, sagmugg, samt masse og papir. I disse metodene må masseprøvene være spesifikt tørket og oppmalt før analyse. Spektre mellom 400 og 2500 nm eller mellom 1100 og 2500 nm er detektert for dette formål.

U.S. Patent 5,680,321 beskriver anvendelse av nær-infrarød spektroskopi som en metode for å kvantifisere egenskapene til papir ved å benytte UV-VIS-NIR og/eller IR-spektrometer og anvendelse av kjemometrisk metodikk for utvikling av kalibrering og monitorering av fluffmasse-papiregenskaper. Ingen eksempler på Kappa-tall måling er gitt, og alle eksemplene er kun målt på tørre papirprøver.

U.S. Patent 4,013,506 beskriver en metode for å kontrollere masseblekeprosessen for å oppnå ønsket viskositet og lyshet ved hjelp av en forover eller bakover strategi i kombinasjon med en optisk enhet ved å utnytte refleksjon av en eller to bølgelengder, som målt på masseoppslemminger. US Patent 5,953,111 beskriver en metode for kontinuerlig monitorering av Kappa-tall i avlignifiseringsprosessen hvorved lysenergi fra i det minste blått, grønt, gult og infrarødt sendes ut av lyskilden. Lyset samles av to detektorer (nært og fjernt), som normaliseres med en lyskilde-feedback som referanse. Det samlede lyset blir deretter benyttet for å beregne Kappa-tall. Ved begge disse tidligere patentene blir kun spesifikke adskilte bølgelengder analysert og benyttet, og disse metodene kan forbedres.

Derfor lærer kjent teknikk klart bort fra anvendelsen av NIR-spektrometri for å bestemme Kappa-tallet på våte masseprøver, spesielt derom man ønsker å utføre raske, on-line kvantitative analyser. Uventet tilveiebringer oppfinnelsen en meget rask metode for å den kvantitative bestemmelsen av lignininnhold eller Kappa-tall i våte masseprøver. NIR-spektrometri er gjentatt beskrevet i kjent teknikk som å være ganske følsom for fuktighetsinnhold, dette lærer videre fagpersoner innen masseanalyse, vekk fra å anvende NIR-spektrometri for målingen av lignininnhold eller Kappa-tall. Ingen av metodene sitert i kjent teknikk er i stand til å bestemme lignininnhold med tilstrekkelig nøyaktighet og detalj for å gi en brukbar måling for prosess og/eller kvalitetskontroll. I det følgende beskrives en slik metode. Foreliggende oppfinnelse overvinner begrensningene beskrevet over ved å utføre målinger på en stor mengde masse, og ulikt kjent teknikk kan også tolerere moderate variasjoner i konsistens.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte for å bestemme egenskapene av kjemisk massefibere, spesielt men ikke begrenset til, restlignininnholdet av kjemiske masser, i hvilke manglene fra kjent teknikk overvinnes og for å tilveiebringe sann online prosessovervåking i størrelsesorden av sekunder uten prøvefremstilling slik som ved tørking og konsistensmålinger.

I henhold til en utførelse av oppfinnelsen, er det tilveiebrakt en fremgangsmåte

for å bestemme en masseegenskap av kjemiske massefibere massefibere (44), der egenskapen er valgt fra lignininnhold, Kappa-tall og ISO-lyshet, omfattende: a) å utsette massefibere (44) avledet fra minst delvis kokte treflis (10) for lys som dekker et område i det synlige området fra 350 nm til 750 nm og et område i nær-infrarød (NIR) området fra 1100 nm til 2400 nm, og å tillate massefibrene å reflektere lyset, b) å samle lys reflektert fra fibrene (44), c) å etablere et spektrum av det reflekterte lyset (52), hvori lyset i området mellom 750 nm og 1100 nm er blokkert ut, d) sammenligne spekteret med et spekter av kjemiske massefibere (44) for hvilke masseegenskapen er kjent, og e) evaluere masseegenskapen fra sammenligningen i d).

I henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen, er det tilveiebrakt i en anordning for å bestemme en masseegenskap av massefibere, der egenskapen er valgt fra lignininnhold, Kappa-tall og ISO-lyshet, for anvendelse i en massetilberedingslinje med en koker (12) for koking av treflis (10), og massevasking (16, 20) og blekestasjoner (18), hvori anordningen omfatter: i) en lyskilde (24, 46) tilpasset for å utsette massefibrene (44), ved en minst ett sted i linjen for lys som dekker et område i det synlige området fra 350 nm til 750 nm og et område i nær-infrarødt (NIR) området fra 1100 til 2400 nm, ii) et spektrometer (34, 48) for å samle lys reflektert (52) fra massefibrene (44) utsatt for nevnte lyskilde (24, 46) og å etablere et spekter av det reflekterte lyset (52) hvori lyset i området mellom 750 nm og 1100 nm er blokkert ut, og iii) sammenligningsanordning (38, 50) for å sammenligne spekteret etablert i ii) med et spekter av massefibere (44) av kjent masseegenskap og fra hvilket egenskapen av massefibrene i i) kan bestemmes.

I en spesielt foretrukket utførelse er anordningene for å bestemme masseegenskapen i ligningen nedstrøms for kokeren.

I henhold til en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen, er det tilveiebragt en massetilberedingslinje omfattende en koker (12) for koking av treflis (10), en massevasking (16, 20), en blekestasjon (18), og en anordning for å bestemme en masseegenskap av massefibere ifølge oppfinnelsen.

I en spesiell utførelse vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for å bestemme cellulosefiberegenskapene, slik at, men ikke begrenset til, restlignininnhold av kjemisk masse med hjelp av en spektroskopisk teknikk oppnådd over et område i det elektromagnetiske strålingsområdet dekker det synlige (350 til 750 nm) og det nær infra-røde (NIR) (100 til 2400 nm), omfattende trinnene av å oppnå fibrene fra prosessen, fjerne overskuddsvann, belyse fibrene eller fibersamlinger med en stor stråleeksiteringskilde, valgfritt å bevege prøven ved konstant hastighet, samle det diffuserte reflekterte lyset med en fiberoptisk sonde, registrere det reflekterte lyset med én eller flere detektorer, for eksempel tre detektorer, for en forhåndsbestemt tid, og å logge spekteret og korrelere de spektrale data med hjelp av en datamaskin og en tidligere fremstilt kalibreringsmodell, og å bestemme masseegenskapene av prøven.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er et skjematisk blikk av referert installasjonskonfigurasjon ifølge oppfinnelsen i hvilken en eksitasjonskilde og en prøvetager er lokalisert ved

brunmassevasketrommelen og blekeanleggvasketromlene;

Fig. 2 er et skjematisk blikk av en alternativ installasjon og anvendelse av foreliggende oppfinnelse for laboratorium offline analyse av massefiberprøver, inkludert Kappa-tall; Fig. 3 er en graf som viser korrelasjonen mellom Kappa-tallet bestemt ved standard analyseteknikk mot NIR bestemt Kappa-tall av foreliggende oppfinnelse. Fig. 4 er en graf som viser korrelasjonen mellom laboratorietitrert Kappa-tall mot NIR bestemt Kappa-tall anvendende læren av én kjent teknikk. Fig. 5 er en graf som viser korrelasjonen mellom laboratorie-titrert Kappa-tall mot NIR-bestemt Kappa-tall anvendende læren av én kjent teknikk (850-1050 nm); Fig. 6 er en graf som viser korrelasjonen mellom NTR Kappa-tall bestemt ved foreliggende oppfinnelse for tre forskjellige tretyper. En lignende, men separat kalibrering oppnås for hardtre. Fig. 7 er en graf som viser korrelasjonen mellom Kappa-tall avledet i henhold til oppfinnelsen (NIR Kappa) og laboratorium titreringsresultater for Kappa. Fig. 8 er en graf lignende fig. 7 for tre forskjellige masser eller kvaliteter, spesielt kvalitet A, fremstilt fra A-mølle, og omfatter hemlokkgran, ceder og blandinger av SPF i andeler av henholdsvis 60%, 20% og 20%. Fig. 9 er en graf lignende fig. 8 men for kvalitet B, fremstilt fra B-mølle, og omfatter hemlokkgran og blandinger av SPF med andeler av henholdsvis 80% og 20%. Fig. 10 er en graf lignende fig. 8 men for kvalitet C, fremstilt fra C-mølle, og omfatter Douglas fir og SPF-blandinger i andeler av henholdsvis 80% og 20%; og Fig. 11 er en graf som viser korrelasjonen mellom ISO-lyshet og masse som bestemt ved oppfinnelsen (NTR ISO-lyshet) og laboratoriebestemt ISO-lyshet av massen.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser av oppfinnelsen

Med referanse til fig. 1 introduseres treflis 10 i en koker 12 og blandes med kokekjemikalier for å frigi ligninet fra trematrisen for å gi massefibere. Massefiberne blåses deretter inn i en tank 14 til hvilken vann tilsettes og massen pumpes til en brunmassevasker 16. Massen vaskes gjennom flere vaskere 16 og blekes deretter i flere tårn 18 og vaskere 20 før den sendes til en papirmaskin 22.

Et arrangement, og fortrinnsvis også andre varianter derav, for online måling med foreliggende oppfinnelse inkluderer montering av et eksitert lyskilde 24 og en fiberoptisk sonde 26 sammen med forskjellige lokaliseringer av kraftmasseprosessen og blekeprosessen, slik som ved brunmassevasketrommel 28, og blekeanlegg-vasketromelen 30, rett før bestrykningsblad 32, koblet til et raskt skannende spektrometer 34, via fiberoptiske kabler 36, med en datamaskin 38 som sekvenserer spektrale innhentinger og korrelerer det resulterende spekter mot en forhåndsbestemt kalibrering, og logger resultatene.

For laboratorieanalyser tillater foreliggende oppfinnelse rask analyse av Kappa-tall med minimal prøvefremstilling. Ved å referere til fig. 2 samles masseprøver fra de ønskete prosesslinjene, brakt til laben og vasket for å fjerne sortlut (dersom nødvendig) ved å filtrere gjennom en Buchner-trakt 40, som tillater det meste av overskuddsvann i å bli fjernet med vakuumflaske 42, og å utsette massefibrene 44 for en eksiteringskilde 46 for spektral datainnsamling. Et høyhastighets skannende spektrometer 48, kontrollert med en personlig datamaskin 50 registrerer diffust reflektert lys 52 gjennom fiberoptisk sonde 54, registrerer et spektrum, og beregner restligninkonsentrasjonen fra spekteret. Spektrale data samles i området fra 350 til 2500 nm. Innen dette området, anvendes mer foretrukne spektrale områder på 350 nm til 750 nm og 110 nm til 2300 nm for kalibrering.

Innen det spektrale området fra 350 nm til 750 nm er området fra 400 til 750 nm mest foretrukket. Generelt viser området under 400 nm, dvs. mellom 350 nm og 400 nm spektra som er støy ete og derved mindre verdifulle i informasjonen det gir.

Det produserte spekteret er et kontinuerlig spektrum fra 350 til 2500 nm, fortrinnsvis 400 nm til 2400 nm, imidlertid kan området mellom 750 nm og 1100 nm være blokkert ut, dersom ønskelig, og bedre resultater oppnås når den siste regionen er blokkert ut.

Spekteret etableres basert på den kjemiske sammensetningen av massen, for eksempel restlignininnhold. Eksiteringslyset samvirker med massen utsatt for lyset og ved forskjellige spesifikke frekvenser, absorpsjon, for eksempel lignin absorpsjon, oppstår og endrer i intensitet assosiert med slik ligninabsorpsjoner registreres som et mål på restlignininnhold av massen.

Mens metoden er spesielt beskrevet for å bestemme lignininnhold, kan den likeledes benyttes for å bestemme andre masseegenskaper, for eksempel Kappa-tall og ISO-lyshet.

Kalibrering for anvendelse i foreliggende oppfinnelse er utviklet med hjelp av multivariante analyseteknikker slik som delvis minste kvadrat,

prinsipalkomponentanalyse og varianter av slike. Den utviklete modellen innholder alle variasjoner som kan forutsees i prosesstrømmene, inkludert ekstreme svingninger i

fiberegenskapene, for å tillate robusthet. Variasjoner som skal inkluderes i MVA-kalibreringen inkluderer konsistens (5% til 30%), treprøver og Kappa-tall (0,5 til 110 Kappa). Mer detalj av MVA kan finnes andre steder.

Ved hver av vaskerne tilveiebringes et vakuum for å fjerne overskuddsvann. De spektrale dataene oppnås mens tromlene er i bevegelse for å tilveiebringe god representasjon av masseprøvene. I denne mer foretrukne konfigurasjonen, fjerner foreliggende oppfinnelse kravet for prøvetagende anordninger og tilveiebringer øyeblikkelig og kontinuerlig Kappa-resultater for prosesskontroll.

I fortrukne utførelser har massefibrene en konsistent på 8 til 30%, dersom nødvendig kan overskuddsvann fjernes fra massefibrene før de eksponeres for lyset, for bestemmelsen av den ønskete masseegenskapen.

Massefibrene kan egnet være mobile under bestemmelsestrinnene, og kan passende huses i et kammer som roteres ved konstant omdreiningshastighet, under trinnene av å eksponere massefibrene for lys, og å samle det reflekterte lyset. Samlingen av reflektert lys kan utføres i en forhåndsbestem periode som er kort sammenlignet med tidsperiodene nødvendig i tidligere prosedyrer, mer spesielt mindre enn 60 sekunder, og enda mer spesielt mindre enn 10 sekunder. På den andre siden kan prøven være stasjonær eller bevegelig og ingen forskjell i resultatene har blitt observert under måling av stasjonær prøve og når den beveger seg opptil 10 fot/sekund. Prøvebevegelse og datainnsamling resulterer i en gjennomsnittsdannende effekt og ettersom prøven beveger seg raskere observeres mer gjennomsnittdannelse slik at resultatene for hovedmengden av materiale forblir nøyaktig.

Fremgangsmåten av oppfinnelsen kan anvendes for å bestemme masseegenskap ved forskjellige trinn av massetilberedning, hvorved for eksempel kontinuerlig måling av Kappa-tall er tilveiebrakt for forovermating og tilbakemeldingskontroll av arbeids- og blekeprosessen i masseproduksjon, for å tilveiebringe et masseprodukt med ønsket Kappa-tall.

Foreliggende oppfinnelse, som benytter en kombinasjon av mer foretrukne spektrale områder (350 nm til 750 nm og 1100 nm til 2400 nm), innehar en stor belyst flekk og under-prøvetaking for å gi klare fordeler over kjent teknikk. Fra den individuelle og kombinerte læren av kjent teknikk, som lærer bort fra å analysere våte prøver og å anvende ikke-optimerte spektrale områder, og som ytterligere er komplisert ved kravet for å ekstrahere, vaske, konsentrere og homogenisere, har foreliggende oppfinnelse overvunnet alle disse begrensningene av tidligere lære og kan øyeblikkelig tilveiebringe kontinuerlig restligninbestemmelse.

Fremgangsmåten kan også anvendes på massefibere før koking er fullført, dvs. under kokefasen. I dette tilfellet er massefibrene av delvis kokte treflis. Dette tilveiebringer en måte for å overvåke kokingen. Fortrinnsvis derimot anvendes fremgangsmåten på massefibere etter fullføring av kokingen, dvs. nedstrøms for kokeren i massetilvirkingslinjen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer derved en fremgangsmåte for å bestemme egenskapene av kjemiske massefibere, spesielt, men ikke begrenset til, restlignininnholdet av kjemiske masser, i hvilke manglene av kjent teknikk er overkommet og tilveiebringer ekte online prosessovervåking på sekunder uten prøvefremstilling, slik som tørking og konsistensmåling.

Eksperimentell del

Eksperimentene ble utført med en Analytical Spectral Device (analytisk spektralanordning) (ASD, Boulder, Co.), mer spesifikt et synlig/NTR spektrometer i stand til å tilveiebringe en fullstendig skanning fra 350 nm til 2500 nm på 100 millisekunder. Enheten er kompakt og kan betjenes med en batteri-eneregipakke for feltoperasjoner. Data ble samlet og gjennomsnittsberegnet over 40 skanninger i det fullstendige spektrale området, som krevde 4 sekunder.

Eksempel 1

Massefiberprøver ble førstehåndspresset for å fjerne overskuddsvann og plassert på prøvebrettet. Under datainnsamling spant brettet for å tilveiebringe bedre gjennomsnitt og forbedre statistisk signifikans. Figur 3 viser resultatene oppnådd for hemlokkgran masseprøver og den endelige brunmassevasker en og gjennom de forskjellige vaskerne av blekeanlegget. Delvis minste kvadrat flervariat kalibrering anvendes for å generere kalibreringen anvendende en kombinasjon av foretrukne spektrale områder 350 nm til 750 nm og 1100 nm til 2400 nm. Seks faktorer ble anvendt for å generere modellen vist som ga en R<2>på 0,9999. Det skal noteres at det er 10 datapunkter ved hvert konsentrasjonsnivå, som viser den ekstremt gode reproduserbarheten av foreliggende oppfinnelse. Rotmiddelkvadrat standardavvik for forutsigelse (RMSEP) er 0,2 Kappa med en reproduserbarhet på 0,05 Kappa. Videre indikerer også disse resultatene at foreliggende oppfinnelse er i stand til å måle restlignininnholdet av fullt bleket kjemisk masse ned til markert nivå (90+) lyshet. Til slutt ble disse resultatene oppnådd med massefibere som har varierende konsistens, som varierer fra 8% til 30% og som var våte. Den kombinerte læren av kjent teknikk over indikerer klart at gode resultater slik som vis i foreliggende oppfinnelse kun kan oppnås enten på tørre håndark eller masse med 70% konsistens.

Eksempel 2

Figur 4 viser resultatene generert med prøvedatasettet over, men kalibreringsområdet er valgt til å spenne kun over NTR-området på 1100 nm til 2500 nm, som indikert ved kjent teknikk. Resultatene viser dårligere data, men forutsigelsesawik på ±2 Kappa som er mye høyere enn i resultatene oppnådd i foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 3

Figur 5 viser resultatene oppnådd med det samme datasett over, men kalibrert i et spektralt område av en annen kjent teknikk lære, nemlig 850 nm til 1050 nm. Som vist lærer resultatet, oppnådd med kjent teknikk lære igjen bort fra den foreliggende oppfinnelse ettersom avvikene i forutsigelsene er i størrelsesorden ±4 Kappa.

Eksempel 4

Figur 6 viser resultatene av foreliggende oppfinnelse for restligninbestemmelse oppnådd for massefibere fra forskjellige trearter, inkludert men ikke begrenset til, Douglas gran, hemlokkgran, gran, Jack furu, balsam gran og Western rød ceder. Som vist oppnås utmerket korrelasjon og en enkel kalibrering er anvendbar for alle mykvedslag, som indikerer at foreliggende oppfinnesle ikke er påvirket av massevariasjoner. Lignende resultater ble oppnådd som en separat kalibrering for hardvedmassefibere (ikke vist) med foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 5

Figur 7 illustrerer Kappa-tall resultatene oppnådd fra bruksinstallasjon av foreliggende oppfinnelse, som oppnådd med teknisk personell og operatører ved bruket. Utmerkete korrelasjoner ble oppnådd mellom foreliggende oppfinnelse og brukspersonell, som indikerer anvendbarheten av foreliggende oppfinnelse. Data ble samlet mellom foreliggende oppfinnelse og brukspersonell, som indikerer anvendeligheten av foreliggende oppfinnelse. Data ble samlet over en toukers periode hvorved brukspersonell hentet prøver fra prosesslinjen og utførte laboratorietester for sammenligning mellom foreliggende oppfinnelse og laboratorium standardmetoder. Det skal noteres at foreliggende oppfinnelse kan tilveiebringe Kappa-tall målinger til under 1-enhet kappa-tall. Dette er uventet ettersom ingen annen teknikk er i stand til å tilveiebringe slik lav deteksjonsgrense.

Eksempel 6

Figurer 8-10 illustrerer ytterligere anvendbarheten av foreliggende oppfinnelse. Fremgangsmåten av oppfinnelsen ble utført i en bruksinstallasjon med varierende grad av endringer og treslagblandinger. Korrelasjoner mellom foreliggende oppfinnelse og standard laboratorieanalyser for A-mølle, B-mølle og C-mølle, som produserer masse av tre forskjellige kvaliteter, kvalitet-A, kvalitet-B og kvalitet-C er vist. Hver prosesslinjemasse massetilbereder forskjellige treslag, hovedsakelig Western red seder, Douglas gran, hemlokkgran, og andre gran-furu-rødgran (Sprice-Pine-Fir) (SPF) blandinger. Treslagenes sammensetning for kvalitet-A består av 60% hemlokkgran, 20% seder, og 20% SPF, mens kvalitet-B består av 80% hemlokkgran, og 20% SPF, og kvalitet-C består av 80% Douglas gran og 20% SPF. Data viser at foreliggende oppfinnelse kan anvendes på ekte masseprosesser med tilstrekkelig nøyaktighet for prosesskontroll og optimalisering og kan spenne over forskjellige treslagblandinger og kvalitets endringer.

Figur 8 er et plott av mølleinstallasjonsresultater oppnådd i mølle med tre forskjellige masser/kvaliteter, spesielt kvalitet A med treslagsammensetning 40% hemlokkgran, 20% seder, 40% SPF, som viser utmerket korrelasjon mellom foreliggende oppfinnelse og laboratorietitrering med standard laboratorieanalyser. Figur 9 er et plott av mølleinstallasjonsresultater oppnådd i mølle med tre forskjellige masser/kvaliteter, spesielt med kvalitet B med treslagsammensetning på 80% hemlokkgran og 20% SPF, som viser utmerket korrelasjon mellom foreliggende oppfinnelse og laboratorietitrering med standard laboratorieanalyser. Figur 10 er et plott av mølleinstallasjonsresultater oppnådd i mølle med tre forskjellige masser/kvaliteter, spesielt med kvalitet C med treslagsammensetning på 80% seder og 20% SPF, som viser utmerket korrelasjon mellom foreliggende oppfinnelse og laboratorietitrering med standard laboratorieanalyser. Mølleinstallasjonsresultater validerer anvendbarheten av foreliggende oppfinnelse for prosesstilvirkingsanvendelse med varierende tresalgblanding.

Eksempel 7

Figur 11 sammenligner bruksinstallasjonsresultater oppnådd med fremgangsmåten av foreliggende oppfinnelse med det av standard laboratorieteknikker for ISO-lyshet. Figur 11 er et plot av mølleinstallasjonsresultater som illustrerer anvendelsen av foreliggende oppfinnelse for å måle, som en opsjon, ISO-lysheten av massen. Fremgangsmåten kan tilveiebringe ISO-lyshet umiddelbart for ytterligere kontrollevne av massevaskingen og blekeprosessene. Som sådan, med foreliggende oppfinnelse, selv om ikke krevd, kan det tilveiebringe samtidig kappa-tall samt ISO-lyshetsbestemmelse innen sekunder.

Referanser

Claims (16)

1. Fremgangsmåte for å bestemme en masseegenskap av kjemiske massefibere (44), der egenskapen er valgt fra lignininnhold, Kappa-tall og ISO-lyshet, omfattende: a) å utsette massefibere (44) avledet fra minst delvis kokte treflis (10) for lys som dekker et område i det synlige området fra 350 nm til 750 nm og et område i nær-infrarød (NTR) området fra 1100 nm til 2400 nm, og å tillate massefibrene å reflektere lyset; b) å samle lys reflektert fra fibrene (44); c) å etablere et spektrum av det reflekterte lyset (52), hvori lyset i området mellom 750 nm og 1100 nm er blokkert ut; d) sammenligne spekteret med et spekter av kjemiske massefibere (44) for hvilke masseegenskapen er kjent, og e) evaluere masseegenskapen fra sammenligningen i d).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , hvori lyset i det synlige området er i området fra 400 nm til 750 nm.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, hvori massefibrene (44) har en konsistens på 8% til 30%.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, hvori massefibrene (44) er mobile under trinn a) og b).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, hvori massefibrene finnes i et kammer (28, 30) under trinnene a) og b), and kammeret (28, 30) roteres ved en konstant omløpshastighet.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5, hvori innsamlingen i trinn b) er for en forhåndsbestemt tidsperiode.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvori tidsperioden er mindre enn 60 sekunder.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvori tidsperioden er mindre enn 10 sekunder.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 8, hvori massefibrene (44) i trinn a) er i en massetilberedingslinje.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvori trinnet a) utføres på massefibrene (44) ved flere steder (28, 30) itilberedingslinjen.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvori de flere stedene (28, 30) er nedstrøms for kokingen av treflis (10) fra hvilke massefibrene (44) er avledet.

12. Anordning for å bestemme en masseegenskap av massefibere, der egenskapen er valgt fra lignininnhold, Kappa-tall og ISO-lyshet, for anvendelse i en massetilberedingslinje med en koker (12) for koking av treflis (10), og massevasking (16, 20) og blekestasjoner (18), hvori anordningen omfatter: i) en lyskilde (24, 46) tilpasset for å utsette massefibrene (44), ved minst ett sted i linjen for lys som dekker et område i det synlige området fra 350 nm til 750 nm og et område i nær-infrarødt (NIR) området fra 1100 til 2400 nm; ii) et spektrometer (34, 48) for å samle lys reflektert (52) fra massefibrene (44) utsatt for nevnte lyskilde (24, 46) og å etablere et spekter av det reflekterte lyset (52) hvori lyset i området mellom 750 nm og 1100 nm er blokkert ut; og iii) sammenligningsanordning (38, 50) for å sammenligne spekteret etablert i ii) med et spekter av massefibere (44) av kjent masseegenskap og fra hvilken egenskapen av massefibrene i i) kan bestemmes.

13. Anordning for å bestemme en masseegenskap av massefibere ifølge krav 12, hvori lyskilden (24, 56) er tilpasset for å tilveiebringe lys i hvilket området for det synlige området er 400 til 750 nm.

14. Anordning for å bestemme en masseegenskap av massefibere ifølge krav 12, hvori anordningen for å bestemme en masseegenskap er nedstrøms for kokeren (12).

15. Anordning for å bestemme en masseegenskap av massefibere ifølge krav 14, hvori anordningen er ved flere steder nedstrøms for kokeren (12).

16. Massetilberedingslinje omfattende en koker (12) for koking av treflis (10), en massevasking (16, 20), en blekestasjon (18), og en anordning for å bestemme en masseegenskap av massefibere ifølge et hvilket som helst av krav 12 til 15.