Vaisala und Via Separations: Erfolgsmessung mit fortschrittlicher Schwarzlauge-Technologie
Der Kunde: Via Separations
Vaisala-Lösung: PR23SD Prozessrefraktometer für die Inline-Überwachung von TDS
Innovatives Membranfiltrationssystem in Grande Prairie Mill von International Paper zeigt eine Energieeinsparung von 76 % dank Vaisala Inline-Überwachungslösung für Schwarzlauge
Als Via Separations sich daran machte, eine bahnbrechende Membrantechnologie zur Konzentration von Schwarzlauge in Zellstoffwerken zu kommerzialisieren, war dem Unternehmen klar, dass der Nachweis der Systemleistung von entscheidender Bedeutung sein würde. Über Jahrzehnte hinweg haben Zellstoffwerke auf riesige Verdampfer gesetzt, die Wasser aus einer dicken, ätzenden Mischung aus organischen und anorganischen Stoffen vor der Rückgewinnung verdampfen, dabei erhebliche Mengen an Dampf verbrauchen, Kapazitätsengpässe verursachen und letztlich die Betriebskosten in die Höhe treiben.
Die Innovation von Via Separations versprach Energieeinsparungen und Kostensenkungen bei Chemikalien, war jedoch noch nie im industriellen Maßstab eingesetzt worden. Eine genaue und zuverlässige Messung des Gehalt an echt gelösten Stoffen (TDS) im gesamten Prozess wäre kritisch für die Bewertung der Leistung von Via.
Die Herausforderung: Nachweis einer erstmalig eingesetzten Technologie erbringen
Schwarzlauge – das ätzende Nebenprodukt der Kraftzellstoffherstellung, das an „Baumsuppe“ erinnert – stellt besondere Herausforderungen für die Messung dar. Es handelt sich um eine zähflüssige, korrosive Flüssigkeit, die organische Moleküle aus Holz, Natriumhydroxid und andere anorganische Verbindungen bei einem pH-Wert von etwa 13 und Temperaturen bis zu 82 °C enthält. Während sie von den Digestoren und Waschanlagen zu den Verdampfern und schließlich zu den Rückgewinnungskesseln gelangt, muss die Schwarzlauge von etwa 15 % gelösten Feststoffen auf über 70 % konzentriert werden, bevor sie im Rückgewinnungskessel verbrannt werden kann.
Traditionelle Verdunstungssysteme erreichen diese Konzentration durch das Verdampfen von Wasser, einen energieintensiven thermischen Prozess, der einen erheblichen Teil des Dampfbedarfs in Zellstofffabriken verursacht. Aber Verdampfer sind im Werk häufig die größten Dampfabnehmer nach den Papiermaschinen und stellen einen häufigen Produktionsengpass dar. Wenn die Feststoffkonzentration im Zulauf sinkt, haben die Verdampfer Schwierigkeiten mitzuhalten, was zu Einbußen bei Effizienz und Zuverlässigkeit führt.
Via Separations entwickelte eine membranbasierte Alternative, die Graphenoxid-Technologie verwendet und Wasser mechanisch von Feststoffen trennt, wodurch die Notwendigkeit einer Phasenänderung durch thermische Verfahren überflüssig wird.
Das Konzept war vielversprechend. Pilottests zeigten, dass Vias Filtrationssystem die Energieverwendung sowie die Investitions- und Betriebskosten erheblich senkt. Aber bislang hatte niemand Membranen erfolgreich in der Schwarzlauge-Konzentration eingesetzt.
Der Ansatz: Kontinuierliche prozessinterne Überwachung mit Vaisala Refraktometern
Via Separations benötigte Messinstrumente, die der rauen Industrieumgebung standhalten konnten und gleichzeitig präzise, kontinuierliche Messungen lieferten, um die Leistung der Membran zu demonstrieren. Aufgrund positiver Erfahrungen mit Vaisala Refraktometern in ähnlichen Anwendungen wählte das Team das PR23SD-Prozessrefraktometer aus.
Das innovative System von Via installierte drei Vaisala-Refraktometer an strategischen Punkten, um vollständige Transparenz über die Systemleistung zu gewährleisten:
- Überwachung des Zulaufs in das Membransystem.
- Überwachung des Konzentrats beim Austritt aus dem Membransystem.
- Messung des Permeats (des getrennten sauberen Wassers) zur Überprüfung der Qualität.
Der Einsatz von Vias bewährter Technologie ermöglicht Kosteneinsparungen und Emissionsreduzierung. Die Modularität des Filtrationssystemangebots von Via stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber branchenüblichen Trennverfahren dar.“>
In den Refraktometern kommt fortschrittliche optische Messtechnik zum Einsatz, um den Gehalt an echt gelösten Stoffen zu bestimmen, und zwar durch Messung der Lichtbrechung in der Prozessflüssigkeit – ein Messwert, der in direktem Zusammenhang mit dem Gehalt gelöster Feststoffe steht. Noch besser: Die Sensoren sind in der Lage, die extremen Bedingungen der Schwarzlauge zu bewältigen – hohe Temperaturen, stark ätzender pH-Wert und ein Fasergehalt, der viele andere Messtechnologien beeinträchtigen würde.
Entscheidend war, dass Via Separations nahezu 100 % Betriebsbereitschaft bei minimalem Bedienaufwand erforderte. Die selbstreinigenden Sensoren von Vaisala helfen, die Messflächen frei zu halten und ermöglichen einen kontinuierlichen Betrieb mit minimalem Wartungsaufwand. Sie ergänzen die besonders langlebigen Membranen von Via, die zum Zeitpunkt der Veröffentlichung eine Lebensdauer von 18 Monaten erreicht haben.
Die Ergebnisse: Zuverlässige Leistung, bewährt im industriellen Maßstab
Der Bau des Grande Prairie-Systems wurde in 10 Monaten abgeschlossen. Die Anlage, bestehend aus über 600 Membranmodulen, integrierte das System ohne Ausfallzeit in die Betriebsabläufe von International Paper und begann im Mai 2024 mit dem Betrieb.
Ab der Installation konnte Via Separations durch die kontinuierlichen Überwachungsdaten von Vaisala die Leistungsfähigkeit seiner Technologie unter Beweis stellen. Kontinuierliche Messungen bestätigten, dass das System seine zugesagte Energieeffizienz erbrachte und 76 % weniger Energie pro Gallone des entfernten Wassers als herkömmliche Verdampfer verwendete. Diese Effizienz führt dazu, dass alle 80 Minuten eine Tonne CO₂-Emissionen aus fossilen Brennstoffen eingespart werden, was bei einer Installation der zweiten Generation etwa 6.500 metrische Tonnen pro Jahr entspricht.
Doch der Wert ging über die Energieeinsparung hinaus. Die kontinuierliche Überwachung zeigte, wie sich die Membranleistung veränderte, wenn sich die Eigenschaften der Schwarzlauge änderten – kritische Informationen zur Optimierung des Durchsatzes. Die Daten zeigten etwas Unerwartetes und Vorteilhaftes: Die Membranen erzeugten während Ereignissen mit niedrigem Feststoffgehalt bis zu 93 % mehr Permeatfluss – genau dann, wenn die Werke bei Störungen oder beim Hochfahren am dringendsten zusätzliche Kapazitäten zur Wasserentfernung benötigen.
Kontinuierliche TDS-Überwachung ermöglicht die Echtzeitmessung der Membrangesundheit und damit die Optimierung von Reinigungsprozeduren und -zyklen, um den Betrieb feinzujustieren und die Wertschöpfung zu maximieren. Das Ergebnis? Jährliche Chemikalieneinsparungen in Millionenhöhe bei Einsatz im industriellen Maßstab.
Mit nachgewiesenen Membranlebensdauern von bis zu 18 Monaten bei dieser Anwendung wurde die hohe Sensorgenauigkeit von Vaisala ausschlaggebend, um subtile Veränderungen im Rückhaltevermögen der Membran im Zeitverlauf zu erkennen. Kleine Abweichungen in der Membranleistung würden sich als geringe Veränderungen des Gehalts an gelösten Feststoffen im Konzentrat oder Permeat bemerkbar machen – Veränderungen, die nur durch präzise Messungen nachgewiesen und charakterisiert werden können.
Die Fähigkeit, benutzungsdefinierte Kalibrierungskurven zu akzeptieren, erwies sich als besonders wertvoll. Das Membransystem von Via entfernt die Bestandteile der Schwarzlauge schrittweise und erzeugt dabei Prozesszwischenprodukte mit anderen Komponentenverhältnissen als im Zulauf. Durch die Entwicklung benutzerdefinierter Kalibrierungen mit tatsächlichen Prozessproben stellte Via Separations sicher, dass jeder Messpunkt höchste Genauigkeit lieferte, abgestimmt auf die jeweilige Stromzusammensetzung.
Dieses Maß an Messpräzision vermittelt den Kunden Vertrauen in die Technologie. Im ersten Betriebsjahr protokollierte das System mehr als 10.000 Betriebsstunden bei einer Verfügbarkeit von über 90 %. Kontinuierliche TDS-Daten halfen Via Separations, einem Kunden die Zuverlässigkeit nachzuweisen und so das Risiko bei der erstmaligen kommerziellen Einführung zu verringern.
Die erfolgreiche Installation in Grande Prairie validierte die Membrantechnologie für eine seit langem als unmöglich geltende Anwendung. Die nordamerikanische Verdampferflotte hat ein Medianalter von 44 Jahren, wobei viele Anlagen vor wichtigen Investitionsentscheidungen hinsichtlich alternder Ausrüstung stehen. Die Technologie von Via Separations – ermöglicht durch zuverlässige Prozessüberwachung – bietet eine Alternative: geringere Investitionsausgaben, deutlich höhere Energieeffizienz und verbesserte betriebliche Flexibilität.
Die Partnerschaft zwischen Via Separations und Vaisala zeigt, wie fortschrittliche Messtechnologie industrielle Innovationen fördert. Ohne kontinuierliche und präzise Überwachung der gelösten Feststoffe hätte Via Separations weder die Leistungsfähigkeit seines Systems belegen noch dessen Betrieb optimieren können. Die Daten leisteten mehr als nur die Validierung der Technologie — sie offenbarten betriebliche Eigenschaften, die neue Optimierungspotenziale für Prozessverbesserungen aufzeigen.
Während Via Separations in zusätzliche Zellstoffwerke expandiert und Anwendungen in angrenzenden Industriezweigen erforscht, bleiben Vaisalas Refraktometer ein wesentlicher Bestandteil von Systemdesign und Betrieb. Die Messinfrastruktur, die dazu beitrug, die Leistungsfähigkeit des ersten Systems zu belegen, ermöglicht es nun, dass jede neue Installation vom ersten Tag an eine gleichbleibende, dokumentierte Leistung erbringt.
Zellstoffwerke, die unter Druck stehen, Emissionen zu reduzieren oder betriebliche Einschränkungen zu bewältigen, finden in der Installation in Grande Prairie einen aussagekräftigen Beleg. Das membranbasierte Konzentrationsverfahren läuft zuverlässig und liefert messbare Ergebnisse, die ohne die kontinuierliche und präzise Überwachung durch die Instrumente von Vaisala nicht möglich wären.
Grafiken und Bilder: Bildnachweis – Via Separations
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