Vaisala ja Via Separations: menestyksen mittaaminen edistyneellä mustalipeäteknologialla
Asiakas: Via Separations
Vaisalan ratkaisu: PR23SD-prosessirefraktometrit liuenneiden aineiden kokonaismäärän inline-valvontaan
Vaisalan mustalipeän valvontaratkaisu auttaa International Paperin Grande Prairie ‑tehtaan innovatiivista kalvosuodatusjärjestelmää alentamaan energiankulutusta 76 prosentilla
Kun Via Separations ryhtyi kaupallistamaan mullistavaa kalvoteknologiaa, joka oli suunniteltu tehostamaan mustalipeän konsentrointia sellutehtaissa, yritys tiesi, että järjestelmän suorituskyvyn todistaminen olisi ratkaisevan tärkeää. Vuosikymmenten ajan tehtaat ovat turvautuneet massiivisiin höyrystimiin, jotka haihduttavat vettä paksusta, syövyttävästä orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden seoksesta ennen sen talteenottoa. Nämä laitteet kuluttavat suuria määriä höyryä, mikä luo pullonkauloja ja viime kädessä nostaa käyttökustannuksia.
Via Separationsin innovaatio lupasi energiansäästöjä ja kemikaalikustannusten vähennyksiä, mutta sitä ei ollut koskaan otettu käyttöön kaupallisessa mittakaavassa. Tarkka ja luotettava liuenneiden aineiden kokonaismäärän mittaus koko prosessin ajan olisi Vian suorituskyvyn mittaamisen kannalta ratkaisevan tärkeää.
Haaste: ainutlaatuisen teknologian tehokkuuden osoittaminen
Mustalipeään – sulfaattiselluprosessin syövyttävään sivutuotteeseen, joka muistuttaa eräänlaista ”puukeittoa” – liittyy ainutlaatuisia mittaushaasteita. Mustalipeä on viskoosista ja syövyttävää nestettä, joka sisältää puusta peräisin olevia orgaanisia molekyylejä sekä kaustista soodaa ja muita epäorgaanisia yhdisteitä. Sen pH-arvo on noin 13 ja lämpötila voi nousta yli 80 celsiusasteeseen. Mustalipeän kulkiessa mädättämöistä ja pesureista haihduttimiin ja lopulta talteenottokattiloihin sen kiintoainepitoisuus täytyy nostaa noin 15 prosentista yli 70 prosenttiin, jotta se voidaan polttaa talteenottokattilassa.
Perinteisissä haihdutusjärjestelmissä tämä pitoisuus saavutetaan höyrystämällä vettä. Tämä on paljon energiaa kuluttava prosessi, joka vastaa merkittävästä osasta sellutehtaiden höyrynkulutusta. Haihduttimet ovat usein tehtaan suurin höyrynkuluttaja paperikoneiden jälkeen, ja ne muodostavat yleisen tuotannon pullonkaulan. Jos kiintoainepitoisuus laskee ylävirrassa, haihduttimet eivät pysy perässä, ja niiden tehokkuus ja luotettavuus heikkenee.
Via Separations kehitti grafeenioksiditeknologiaa hyödyntävän, kalvosuodatukseen perustuvan vaihtoehdon, jossa vesi erotetaan kiintoaineista mekaanisesti ilman tarvetta lämmöllä aikaansaatavalle faasimuutokselle.
Konsepti oli lupaava. Pilottitestit paljastivat, että Vian suodatusjärjestelmä pienentää merkittävästi sekä energiankulutusta että pääoma- ja käyttökustannuksia. Kukaan ei kuitenkaan ollut aiemmin onnistunut käyttämään kalvotekniikkaa mustalipeän konsentroinnissa.
Lähestymistapa: jatkuva inline-valvonta Vaisalan refraktometreillä
Via Separations tarvitsi mittalaitteita, jotka kestävät vaativan teollisuusympäristön ja pystyvät tuottamaan tarkkoja, jatkuvia mittauksia kalvon suorituskyvyn osoittamiseksi. Aiempi myönteinen kokemus Vaisalan refraktometreistä vastaavissa sovelluksissa sai tiimin valitsemaan PR23SD-prosessirefraktometrin.
Vian innovatiivisessa järjestelmässä asennettiin kolme Vaisalan refraktometriä strategisiin pisteisiin, joista saatiin kattava kuva järjestelmän suorituskyvystä:
- kalvojärjestelmään tulevan syötteen valvonta
- kalvojärjestelmästä poistuvan konsentraatin seuranta
- permeaatin (erotetun puhtaan veden) mittaaminen laadun varmistamiseksi.
Refraktometrit määrittävät liuenneiden aineiden kokonaismäärän käyttämällä edistynyttä optista mittausteknologiaa, jossa mitataan valon taittumista prosessinesteessä. Saatu mittausarvo on suoraan verrannollinen liuenneiden kiintoaineiden pitoisuuteen. Vielä parempaa on, että anturit kestävät mustalipeään liittyviä äärimmäisiä olosuhteita – korkeita lämpötiloja, syövyttävyyttä ja kuitupitoisuutta –, jotka vaarantaisivat monien muiden mittausteknologioiden toiminnan.
Olennaista oli, että Via Separations edellytti lähes sataprosenttista käyttöaikaa ja minimaalisia käyttäjän toimia. Vaisalan itsepuhdistuvat anturit auttavat pitämään mittauspinnat puhtaina, mikä mahdollistaa jatkuvan toiminnan vähäisellä huollolla. Ne täydentävät loistavasti Via Separationsin erittäin kestäviä kalvoja, jotka ovat julkaisuhetkellä todistaneet toimivuutensa jo 18 kuukauden ajan.
Tulokset: teollisessa mittakaavassa todistettu luotettava suorituskyky
Grande Prairien järjestelmä saatiin valmiiksi 10 kuukaudessa. Yli 600 kalvomoduulista koostuva laitos, joka integroi järjestelmän International Paperin tuotantoon ilman käyttökatkoja, otettiin käyttöön toukokuussa 2024.
Vaisalan laitteet keräsivät heti asennuksesta alkaen valvontatietoja, joiden avulla Via Separations pystyi todistamaan teknologiansa suorituskyvyn. Jatkuvat mittaukset vahvistivat, että järjestelmä täyttää energiatehokkuutta koskevan lupauksensa ja käyttää jokaista poistettua vesilitraa kohti 76 prosenttia vähemmän energiaa kuin perinteiset höyrystimet. Tämä tehokkuus tarkoittaa yhtä hiilidioksiditonnia vähemmän päästöjä joka 80. minuutti, mikä toisen sukupolven asennuksessa vastaa noin 6 500:aa tonnia vuodessa.
Hyödyt eivät kuitenkaan rajoittuneet pelkkään energiansäästöön. Jatkuva valvonta paljasti, miten kalvon suorituskyky vaihteli mustalipeäsyötteen ominaisuuksien muuttuessa – tärkeä tieto tuotannon optimoinnin kannalta. Tiedot osoittivat jotain odottamatonta ja hyödyllistä: kalvot tuottivat jopa 93 % enemmän permeaattivirtausta matalan kiintoainepitoisuuden aikana eli juuri silloin, kun tehtailla on suurin tarve lisätä vedenerotuskapasiteettiaan häiriötilanteissa tai käynnistyksen yhteydessä.
Liuenneiden aineiden kokonaismäärän jatkuva valvonta mahdollistaa kalvojen kunnon reaaliaikaisen mittaamisen, joten kalvonpuhdistusohjelmat ja puhdistusvälit voidaan optimoida toimintojen hienosäätöä ja tuotettavan arvon maksimointia silmällä pitäen. Tulos? Miljoonien eurojen vuosisäästöt kemikaalihankinnoissa, kun järjestelmä otetaan täysimittaiseen käyttöön.
Kun tämä käyttöönotto osoitti kalvojen käyttöiän olevan jopa 18 kuukautta, Vaisalan anturien tarkkuus oli ratkaisevan tärkeää ajan mittaan tapahtuvan kalvon erotuskyvyn hienovaraisen muutoksen havaitsemiseksi. Vaihtelu kalvon suorituskyvyssä ilmenee pieninä muutoksina konsentraatin tai permeaatin kiintoainepitoisuuksissa. Tällaisten muutosten havaitseminen ja analysointi vaatii tarkkaa mittausta.
Mahdollisuus käyttää räätälöityjä kalibrointikäyriä osoittautui erityisen arvokkaaksi. Vian kalvojärjestelmä poistaa mustalipeän komponentteja asteittain, jolloin prosessivälituotteissa on erilaiset komponenttisuhteet kuin syötteessä. Kehittämällä räätälöityjä kalibrointeja todellisten prosessinäytteiden avulla Via Separations varmisti, että jokainen mittauspiste tuotti juuri kyseisen virtauksen koostumukseen sovitetun maksimaalisen tarkkuuden.
Tämä mittaustarkkuuden taso vahvistaa asiakkaiden luottamusta teknologiaan. Ensimmäisen toimintavuoden aikana järjestelmällä oli yli 10 000 käyttötuntia ja yli 90 prosentin käyttöaste. Jatkuvat tiedot liuenneiden aineiden kokonaismäärästä antoivat Via Separationsille mahdollisuuden osoittaa asiakkaalle ratkaisun luotettavuuden, mikä vähensi lajinsa ensimmäisen kaupallisen käyttöönoton riskejä.
Grande Prairien onnistunut asennus todisti kalvoteknologian soveltuvuuden käyttötarkoitukseen, jossa sitä oli pitkään pidetty mahdottomana. Pohjois-Amerikan höyrystinkaluston keski-ikä on 44 vuotta, ja monilla laitoksilla on edessään merkittäviä investointipäätöksiä kaluston vanhetessa. Luotettavan prosessivalvonnan avulla Via Separationsin teknologia tarjoaa vaihtoehdon, joka mahdollistaa alhaisemmat investointikustannukset, merkittävästi paremman energiatehokkuuden ja toimintojen parantuneen joustavuuden.
Via Separationsin ja Vaisalan kumppanuus osoittaa, miten edistynyt mittausteknologia edistää teollisuuden innovaatiota. Ilman jatkuvaa ja tarkkaa liuenneiden aineiden määrän valvontaa Via Separations ei olisi voinut todistaa järjestelmänsä suorituskykyä tai optimoida sen toimintaa. Kerätyt tiedot eivät vain vahvistaneet teknologian toimivuutta vaan myös nostivat esiin ominaisuuksia, jotka luovat uusia mahdollisuuksia lisäarvon tuottamiselle ja prosessin parantamiselle.
Kun Via Separations laajentaa toimintaansa uusiin sellutehtaisiin ja tutkii käyttömahdollisuuksia muilla teollisuudenaloilla, Vaisalan refraktometrit säilyvät keskeisenä osana järjestelmien suunnittelua ja käyttöä. Mittausinfrastruktuuri, jonka avulla voitiin todentaa ensimmäisen järjestelmän toimivuus, mahdollistaa nyt jokaisen uuden asennuksen yhdenmukaisen ja dokumentoidun suorituskyvyn heti ensimmäisestä päivästä lähtien.
Grande Prairien asennus toimii vakuuttavana todisteena sellutehtaille, joilla on päästöjen vähennyspaineita tai operatiivisia rajoitteita. Kalvopohjainen konsentrointi on toimiva ja luotettava ja tuottaa mitattavissa olevia tuloksia, joita ei olisi mahdollista saavuttaa ilman Vaisalan mittalaitteiden tarjoamaa jatkuvaa ja tarkkaa mittausta.
Kaaviot ja kuvat: Via Separations
Lisätietoja
Kuiva-ainepitoisuuden inline-mittaus kemikaalien talteenottoprosessissa
Lue lisää Vaisala-mittausratkaisuista sellu-, paperi- ja puuteollisuudelle