SE530528C2 - Förfarande för att beräkna malspalt i raffinörer med hjälp av temperatur- och tryckmätning i malzonen - Google Patents

Description

25 30 35 40 530 523 2 Malskivornas diameter varierar beroende på raffinörfabrikat och raffinörernas produktionskapacitet. Tidigare göts malskivoma i ett stycke men idag är det mer vanligt att modultillverka malskivoma i ett antal malsegment (12 och 13), se Figur 1 och Figur 2. Segmenten kan exempelvis sträcka sig från malskivomas centrum till dess periferi eller delas upp i två ringar, en inre (14) och en yttre ring (15). Zonema mellan de inre och yttre ringarna kallas ofta ”breaker bar zone” respektive periferizon..

Malsegmentens ytor (16) designas ofta på olika sätt med karaktäristiska mönster 1 form av bommar (17) och dammar (18). Bommama fungerar som knivar och defibrerar flisen alternativt raffinerar den bildade massafibem. Förutom i den direkta malzonen transporteras både fibrer, vatten och ånga också i dammarna mellan bommarna. Genom olika mönsterdesign kan man få malsegmenten att bli matande altemativt stoppande av fibermassan i syfte att påverka strömningsbetingelserna och därmed skapa speciella massakvaliteten Det friktionsarbete som flisen och massan utsätts för i malzonen gör att det inkommande vattnet förångas. Mängden ånga som produceras är spatialt beroende varför både vatten och ånga kan förekomma tillsammans med flis eller massa i malzonen.

Det finns också andra typer av rafñnörer såsom konkvamar eller raffinörer där båda malskivoma roterar motriktat eller raffinörer som består av fyra malskivor, en i mitten roterande rotor har malskivor monterade på båda sidorna och två stationära malskivor som trycks ihop med hjälp av hydraulkolvar för att få två malzoner.

Vid framställning av massa utifrån vedflis alternativt tidigare raffinerad massa pressas malskivoma ihop så att malzonens spalt (10) blir ungefär 0.2-0.7 mm beroende på vilken raffinörtyp som används.

Malspalten är en central styrvariabel och en ökning eller minskning av spalten sker med hjälp av hydraulkolvar som applicerar ett så kallat hydraultryck (5) på en eller flera malskivor beroende på raffinörtyp. Om malspalten ändras med exempelvis 10% påverkas massakvaliteten betydligt. Det är därför viktigt att ha kunskap om den aktuella malspaltens bredd. Det finns malspaltsmätare på marknaden idag som är applicerade direkt i malskivorna. Vanligtvis används endast en malspaltsgivare per malzon, huvudsakligen för att förhindra ihopslagning av malskivorna och således inte i första hand för att styra malspalten.

Det finns också andra system på marknaden där temperaturen mäts utmed malzonen i syfte att visualisera en temperaturprofil (19) alternativt tryckprofil (20) för stymingsändamål, se Figur 3. Vid en förändrad betingelse i malspalt, produktion (det vill säga flis- altemativt massatillförsel) och spädvattentillsats ändras temperaturen som därmed kan styras. Flera temperatur- och/eller trycksensorer används vanligtvis och kan placeras direkt i malsegmenten alternativt inneslutas i en parallellepipedisk 10 15 20 25 30 35 40 530 528 3 långsträckt skena (21) sträckande sig utefter malsegmentens (12 och 13) aktiva radie (ll), se Figur 1, Figur 2 och Figur 4, enligt förfarandet i EP 0788 407 - Mätning i Malzon. Vanligtvis implementeras den parallellepipediska skenan mellan två malsegment i den yttre ringen, se Figur 2.

Malsegmentens design har visat sig ha stor betydelse för hur temperaturprofilen utmed den aktiva radien ser ut varför det är svårt att på förhand bestämma var temperatursensorerna (22) och/eller trycksensorerna (22) ska placeras i skenan (21).

I övrigt finns det egentligen inga andra mätsystem som har applicerats i raffinöremas malzon. Däremot finns det instrument som kan placeras i blåsledningen ut från raffinören där den framlöpande massaströmmens torrhalt kan beräknas med hjälp av algoritmer kopplade till NIR(Near Infra Red)-mätningar.

Redogörelse fór uppfinningen Tekniska problemet: Ett omfattande material beträffande rafñnörstyming med hjälp av torrhaltsmätning, malspaltsmätning och temperaturmätning har redovisats i litteraturen.

Resultaten visar ofta att mätning av torrhalten i blåsledningen uppvisar en tydlig avvikelse från faktisk torrhalt vilket indikerar svårighetsgraden att mäta kontinuerligt i dessa malprocesser. Orsaken till detta bedöms vara att temperaturen på massan och trycket i blåsledningen samt andra mer olinjära processbetingelser påverkar beräkningsalgoritmerna på ett sådant sätt att ett trovärdigt torrhaltsmått ofta inte går att frambringa.

Det har också länge varit ett önskemål att kunna konstruera en fungerande säker absolutmätande malspaltsgivare. Fysiska mätsensorer, baserade på till exempel induktiv teknik, finns på marknaden men ger ofta en relativ mätning samtidigt som de ger brusiga mätsignaler som måste filtreras för att kunna hanteras för olika ändamål.

Ur ett underhållsperspektiv uppvisar kommersiellt tillgängliga malspaltsgivare sällan den robusthet som efterfrågas.

Temperaturmätning har enligt litteraturen visat sig vara en ovanligt robust teknik för styrning av raffinörer. Ofta fordras dock kombinatoriska mättekniker, såsom malspaltsmätning och/eller torrhaltsmätning, vid styrning för att få rätt massakvalitet.

Vid mätning av ternperaturprofilen i malzonen har det framkommit att när produktion, spädvattentillförsel och malspalt ändras så påverkas temperaturprofilen dynamiskt. 10 15 20 25 30 35 40 530 528 4 Den dynamiska förändringen åskådliggörs lämpligen genom att studera Figur 5a, där en stegförändring av spädvattnet påverkar temperaturprofilen på olika sätt beroende på var utmed radien (11) man betraktar händelseförloppet. När spädvattentillförseln ökar minskar temperaturen (23) före temperaturmaximum (24). Efter temperaturmaximum ökar temperaturen (25). Hypotesen har varit att det inkommande vattnet kyler den tillbakagående ångan samtidigt som den framåtgående ångan värms upp.

När produktionen ökar så medför det oftast att hela temperaturprofilen (19) lyfter till en annan nivå (26), se Figur 5b. Detta gäller vanligtvis också när malspalten (10) minskar, vilket är ekvivalent med att hydraultrycket (5) som läggs på malskivorna via hydraulkolvarna ökar.

Alla processbetingelser, exempelvis ökad produktion eller spädvattentillförsel som ändrar den aktiva volymen av trefassystemet (massa, vatten och ånga) i malzonen vid konstant hydraultryck, påverkar givetvis malspalten. Direkt mätning av malspalten kan inte alltid återge detta fenomen, på grund av nämnda brusiga signalinnehåll och/eller för stark filtrering. Detta innebär att en kompensation för att nå ursprunglig malspalt efter en förändring med hjälp av någon typ av styralgoritm inte alltid genomförs. Detta får till följd att massans uppehållstid i malzonen kan variera vilket påverkar massakvaliteten.

I samband med ett antal forskningsprojekt utförda på Chalmers Tekniska Högskola har en helt ny teoretiskt baserad fysikalisk modell dokumenterats (Berg D., Karlström A., Gustavsson M., 2003,”Deterministic consistency estimation in refining processes”, International Mechanical Pulping Conference, p 361-366 Quebec City June 2003).

Modellen är generell men för att den ska kunna användas on-line i processdatorer eller off-line i laboratorier måste inre tillstånd såsom temperatur och/eller absolut tryck mätas i malzonen för att det så kallade tillståndsrummet skall bli tillgängligt för estimering av olika typer av processvariabler som tidigare endast gått att mäta fram under svåra betingelser.

Hittills har endast forskningen fokuserat på torrhaltsestirnering i blåsledningen. Flera dokumenterade försök har visat att den estimerade torrhalten är mer noggrann och snabb jämfört med den uppmätta torrhalten i blåsledningen med ovan nämnda NIR- teknologi. I det publicerade materialet har man dock utgått från att malspalten är känd via filtrerad information från existerade mätutrustning.

Modellen förutsätter således att temperaturen och/eller det absoluta trycket mäts utmed ett segment, företrädesvis utmed den yttre ringen i raffinören där den egentliga raffineringen sker, i syfte att matematiskt spänna upp både materialbalansen och energibalansen i raffinören. Det som skiljer modellen från tidigare rudimentära försök att beskriva fysiken runt själva malförloppet är att den beräknar både det reversibla termodynarniska arbetet och det irreversibla raffineringsarbete som utövas på fibrema. 10 15 530 528 5 Det vill säga, modellen beskrivs utgående från ett entropiperspektiv istället för ett entalpibaserat synsätt.

Den dynamiska förändringen vid olika steg i produktion, spädvatten och hydraultryck är starkt olinjär vilket innebär att i vissa situationer, exempelvis när låg torrhalt föreligger i malzonen, påverkas temperaturprofilen inte nämnvärt emedan andra betingelser påverkar temperaturprofilen dramatiskt som schematiskt återges i Figur 5a-Figur 5b. Olinjäritetema påverkas också av hur malsegmenten är designade vilket får till följd att utseendet på temperatur- och tryckprofilerna kan variera både spatialt och dynamiskt. Detta innebär att det inte alltid är lämpligt att styra dessa profiler direkt. Istället kan andra processvariabler, såsom exempelvis malspalten, i raffineringszonen vara nödvändiga att följa i kombination med exempelvis temperaturprofilen. Problemet är dock att dessa sällan går att mäta med tillräcklig noggrannhet varför andra lösningar på problemet måste tillgripas. 10 15 20 25 30 35 40 530 528 Lösningen: Föreliggande uppfinning utgör lösningen på detta problem och avser ett förfaringssätt som använder robust temperatur- och/eller tryckmätning i kombination med tillgängliga mätsignaler från processen och en fysikalisk modell för att estimera fram malspalten i rafñnörerna.

I de fall där endast temperaturmätning används, enligt förfarandet i EP 0 907416 förutsätter systemet att betingelsema i malzonens fibermatta är mättade, det vill säga trycket i malzonen kan beräknas utgående från temperaturmätningen eftersom mättad ånga antas förekomma i hela malzonen. I de fall överhettning kan föreligga måste både temperatur och tryck mätas.

För att återge de olinj ära fenomenen i processen förutsätts att den fysikaliska modellen kan beskriva verkligheten tillräckligt bra. Ingående huvudpararnetrar till modellen är produktion, spädvattentillförsel, hydraultryck och motorlast. Därtill kommer ett antal parametrar såsom inkommande temperaturer för flis-, massa-, vattenflödena, uppskattad flisdensitet och ingående torrhalt, ingående tryck före malzonen och blåsledningstryck etc. enligt (Berg D., Karlström A., Gustavsson M., 2003,”Deterrninistic consistency estimation in refining processes”, International Mechanical Pulping Conference, p 361-366 Quebec City June 2003). En del parametrar kan ansättas som konstanter, såsom radieposition för inre och yttre malsegmentringar emedan andra måste mätas kontinuerligt.

Det är viktigt att påpeka att modellen också förutsätter att motorlasten är känd.

Motorlasten kan i detta sammanhang ses som den effekt som måste tillskjutas processen för att raffinera massan. Motorlasten beskriver dock inte hur effekten fördelar sig utmed malzonen utan ska ses som en totaleffekt, det vill säga en integration av den distribuerade effekten utmed den aktiva radien.

Spatiala vektorer för malzonsbeskrivningen krävs också som ingående parametrar till modellen. Exempel på sådana vektorer är temperatur- och /eller tryckprofilen utmed malzonen som tidigare nämnts men positionsvektom var på den aktiva radien som dessa mäts är också nödvändig att inkludera. Dessutom måste vektoriell information om malsegmentens slipning ingå för att överhuvudtaget kunna beräkna skjuvningen mellan malsegmentens bommar och massan i malzonen.

Det första som vanligtvis genomförs vid användandet av modellen är att interpolera de accepterade vektorelementen som fordras för att utöka vektorstorleken. Vanligtvis mäts endast temperatur och/eller tryck i ett fåtal positioner, tex tio, utmed radien.

Syftet är att beskriva de radiella fenomen i malzonen så noggrant som möjligt också med hänsyn tagen till att det finns diskontinuiteter som lämpligen approximeras med 10 15 20 25 30 35 40 530 528 7 en mjuk kontinuerlig övergång (27). Exempel på sådana diskontinuiteter är Övergångarna från en slipning (28) till en annan på malsegmenten, se Figur 6.

Därefter beräknas de totala massflödena med hjälp av ingående flödesparametrar, entalpi- och entropiberäkningar. Den totala energidistributionen utmed malzonen beräknas därefter med hjälp av bland annat kunskap om malsegmentens slipning, malspalt och massans viskositet. I och med att de totala massflödena och energidistributionen i malzonen är beräknad kan därefter flödeshastigheterna för vatten (29) och ånga (30) estimeras fram utmed den aktiva radien, se Figur 7.

Vanligtvis definieras flödesriktningen som positiv från centrum ut mot malsegmentens perifieri. Det är viktigt att påpeka att den modellerade flödesriktningen för den bildade ångan måste kunna vara negativ eller positiv beroende på var utmed den aktiva radien man betraktar processen eftersom raffineringsprocessen medger att den bildade ångan i malzonen kan strömma både bakåt (i negativ riktning) och framåt (i positiv riktning) i malzonen. Detta innebär att i de fall som processen uppvisar en bakåtgående ånga någonstans utmed radien så måste ånghastigheten vara obefintlig, det vill säga nära noll, i något område utmed den aktiva radien. Denna så kallade stagnationspunkt (31) bör ligga i ett område runt temperaturmaximum men positionen för detta område har aldrig kunnat påvisas tidigare.

Nyligen genomförda experiment i fabriksmiljö, där temperaturprofilen uppmätts med samtidig utnyttjande av en fysikalisk modell, har visat att området där absolutbeloppet av ånghastigheten (32) uppvisar ett minimum någorlunda överensstämmer med det område som temperaturprofilen uppvisar sitt maximum (24), se Figur 8, under förutsättning att malspalten (10) kan släppas fri som oberoende optimeringsparameter i den fysikaliska modellen. Det vill säga optimeringsalgoritmen minimerar skillnaden mellan uppmätt radieposition för temperaturmaximum och positionen utmed radien där den estimerade ånghastigheten är noll genom att iterera fram ett estimat på malspalten som uppfyller dessa betingelser. Det sistnämnda har tidigare inte förutsätts eftersom man hela tiden förutsatt att malspalten måste mätas för att modellen ska kunna användas on-line för styming av arbetsfördelningen mellan det termodynamíska arbetet och raffineringsarbetet i raffinören med hjälp av pålagd produktion, tillförsel av spädvatten och förändring av hydraultryck.

Av praktiska och ekonomiska skäl vill man alltid minimera antalet temperatursensorer samtidigt som man vill mäta hela temperaturprofilens utseende för andra informativa styrningsändamål. Detta innebär således att det är orealistiskt att placera alla sensorer nära den position där man förväntar sig att finna temperaturmaximum. För att komma tillrätta med denna problematik kan en alternativ teknik utnyttjas. Tekniken går ut på att minimera skillnaden mellan faktisk motorlast (33), det vill säga den faktiska elkonsumtionen som man mäter, och den från modellen framräknade integralen av 10 15 20 25 30 35 5GB 528 8 energifördelningen utmed malzonen (34), det vill säga erforderligt estimerat arbete för att raffinera massan, istället för att söka exakt position för temperaturmaximum. På samma sätt som tidigare förutsätts att malspalten (10) är en Obßwênåß optimeringsparameter i den fysikaliska modellen när skillnaden minimeras, se Figur 9.

Denna teknik innebär också att ett bättre estimat för den position där ånghastigheten i det närmaste är noll kan beräknas oavsett hur flackt området är kring temperaturmaximum. Det senare kan användas för att designa mönster där vetskapen om positionen för stagnationspunkten på malsegment är av betydelse.

Med vetskap om var stagnationspunkten ligger utmed radien på den yttre periferiringen kan uppehållstiden, som fibrerna befinner sig i malzonen, före och efter stagnationspunkten beräknas eftersom massans vektoriella hastighet kan beräknas.

Detta innebär att även om den exakta uppehållstiden är svår att prediktera så kan en relation mellan uppehållstid före stagnationspunkt och den totala uppehållstiden vara intressant att följa eftersom den ger information om hur ett statistiskt mått på hur fibrerna bearbetas kan härledas.

Det är viktigt att påpeka att mätningen av temperaturen alternativt trycket eller en kombination av de båda är nödvändig för att överhuvudtaget kunna estimera fram malspalten med denna metod.

I och med att ett trovärdigt mått på malspalten kan beräknas innebär detta också att estimatet kan användas för styrningsändainål. Malspalten styrs företrädesvis med hjälp av det pålagda hydraultrycket men påverkas också av andra parametrar som spädvattentillförsel och produktion eftersom dessa påverkar volymen i malzonen.

Figur 10 visar schematiskt stymingen av processen. Enheten (35) som utgörs av en dator eller liknande elektronisk utrustning matas med differensen mellan (börvärdena) (36) och (ärvärdena) på den estimerade malspalten (10). Styrenheten (35) styr sedan hydraultrycket (5), flis- eller massaflödet (6) i kombination med tillfört vatten (37).

Från processen (38) matas intermittent med hög samplingshastighet de uppmätta processignalema (39) (såsom produktion, spädvattentillförsel, hydraultryck, temperaturprofil och/eller tryckprofil, motorlast, in- och utgående flödens temperaturer och tryck, ingående torrhalt etc.) tillsammans med geometriska och materialkaraktäristiska parametrar (40) (såsom malsegmentens slipning, postion för temperatur- och/eller trycksensorer, densitet, viskositet etc.), erforderliga för beräkningen av malspalten (10), in i en datorenhet (41). Den malda massan tas ut från processen vid (42).

I de fall en tillräckligt noggrann malspaltsgivare finns tillgänglig kan ovanstående beräkningsförfarande också användas för att kalibrera malspaltsgivaren on-line 10 15 20 530 528 9 eftersom skillnaden mellan beräknad malspalt och uppmätt malspalt ger den offset som krävs som underlag vid kompenseringen.

I de fall när en trovärdig malspaltsmätning finns tillgänglig och när massans absoluta viskositet bedöms variera inom större områden, som till exempel för CTMP, kan man i modellen sätta den absoluta viskositeten som oberoende variabel i syfte att on-line styra kernikalietillsatserna i processen.

Huvudändamålet med uppfinningen är således att beskriva ett förfaringssätt, som med stor tillförlitlighet kan presentera en on-line altemativt off-line baserad estimering av malspalten mellan segmenten i raffinörens malzon. Uppfinningen är baserad på att temperaturprofilen och/eller den absoluta tryckprofilen kan mätas i malzonen.

I de fall uppfinningen används on-line matas de estimerade värdena (ärvärdena) på malspalten in i en datorenhet där de önskade värdena (börvärdena) är inmatade varifrån avvikelser från (börvärdena) matas in i en styrenhet som reglerar det pålagda trycket på malskivoma i raffinören och tillflödet av flis eller massa samt vatten till denna, samt eventuellt ångtryck.

Förfarandet enligt föreliggande uppflnning är inte inskränkt till någon anordning för avläsning av temperatur eller tryck i malzonen. Sådana anordningar ar emellertid kända genom exempelvis svenska patentet 94037433-9 och EP 0907416.

Uppfinningen är inte begränsad till den visade utföringsformen utan den kan varieras på olika sätt inom patentkravens ram. 10 15 20 25 30 530 528 10 Beskrivning av ritningsunderlag: Figur 1: Snitt av ett stationär malskiva som trycker mot ett roterande malskiva.

Figur 2: Två malsegment med mellanliggande parallellepipedisk långsträckt skena för mätning av temperatur och/eller tryck.

Figur 3: Temperaturprofil och tryckprofil som funktion av malzonsradien.

Figur 4: Parallellepipedisk långsträckt skena med diskret placerade temperatur- och/eller trycksensorer.

Figur 5a: Temperaturprofilens spädvattentillförseln. utseende före och efter en ökning av Figur Sb: Temperaturprofilens utseende före och efter en ökning av produktionen.

Figur 6: Malspalt och slipning som funktion av den aktiva radien.

Figur 7: Äng- och vattenhastigheterna som funktion av den aktiva radien.

Figur 8: Den absoluta ånghastigheten respektive temperaturprofilen som funktion av den aktiva radien.

Figur 9: Schematisk återgivning av den oberoende malspalten samt skillnaden mellan motorlast och den framräknade integralen av energifördelningen utmed malzonen som funktion av antalet erforderliga iterationer för att nå ett förutbestämd skillnad mellan uppmätt motorlast och den från modellen frarriräknade integralen av energifördelningen utmed malzonen, det vill säga erforderligt estimerat arbete för att raffinera massan.

Figur 10: Schematisk beskrivning över hur processen styrs med hjälp av estimerad malspalt.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 530 528 ll Patentkrav:

1. Förfarande för att intermittent beräkna malspalten i en raffinör, kännetecknat av att ett flertal positionsangivna tryckgivare och/eller temperaturgivare, placerade utefter den aktiva radien i rafñnörens malsegment tillsammans med spatial information om malsegmentens slipning, används ihop med information om processvariablema flis eller massatillförsel, dessas densitet, ingående torrhalt samt raffinörens uppmätta motorlastg spädvattenstillsats, temperatur samt tryck på in- och utgående flöden, hydraultryck i syfte att med hjälp av en fysikalisk modell minimera skillnaden mellan uppmätt motorlast och den från modellen framräknade integralen av energifördelningen utmed malzonen genom att iterera fram en i modellen oberoende malspalt. . Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknande av att den estimerade malspalten (ärvärdet) matas in i en datorenhet där de önskade värdena (börvärdena) är inmatade, varifrån avvikelserna från börvärdena matas in i en styrenhet som reglerar det pålagda trycket på malskivoma i raffinören och tillflödet av flis eller massa och/eller vatten till denna samt eventuellt ångtrycket. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknande av att den estimerade malspalten används för att förskjuta positionen där ånghastigheten i malzonen i det närmaste är noll fram och tillbaka medelst förändringar i produktion, vattentillsats eller det pålagda trycket på malskivoma alternativt en kombination av dessa styrparametrar. Förfarande enligt något av patentkrav 1-3, kännetecknande av att i de fall en tillräckligt noggrann malspaltsgivare finns tillgänglig kalibrera densamma on- line medelst skillnaden mellan beräknad malspalt och uppmätt malspalt vilket motsvarar det erforderliga kompenseringsbehovet. Förfarande enligt något av patentkrav 1-3, kännetecknande av att de önskade värdena på temperaturprofilen är inmatade tillsammans med den aktuella uppmätta temperaturprofilen i en datorenhet, varifrån avvikelserna från den önskade värdena matas in i en styrenhet som reglerar den estimerade malspalten för att nå den önskade temperaturprofilen.