Vaisala et Via Separations : mesurer le succès grâce à la technologie avancée de la liqueur noire
Le client : Via Separations
Solution Vaisala : réfractomètres de procédé PR23SD pour la surveillance TDS en ligne
Le système innovant de filtration par membrane installé dans l’usine International Paper’s Grande Prairie affiche une réduction de 76 % de la consommation d’énergie grâce au soutien critique de la solution Vaisala pour la surveillance en ligne de la liqueur noire
Lorsque Via Separations a entrepris de commercialiser une technologie de membranes révolutionnaire pour la concentration de liqueur noire dans les usines de pâte à papier, l’entreprise savait que prouver la performance du système serait primordial. Depuis des décennies, les usines ont recours à des évaporateurs massifs qui extraient l’eau d’un mélange épais et caustique de matières organiques et inorganiques avant la récupération, consommant une quantité importante de vapeur, créant des goulets d’étranglement de capacité et, finalement, augmentant les coûts d’exploitation.
L’innovation de Via Separations promettait des économies d’énergie et une réduction des coûts chimiques, mais elle n’avait jamais été déployée à grande échelle. Une mesure précise et fiable des solides dissous totaux (TDS) tout au long du procédé serait critique pour mesurer les performances de Via.
Le défi : prouver une technologie inédite en son genre
La liqueur noire - le sous-produit caustique de la pulpe kraft qui ressemble à une « soupe d’arbre » - pose des défis de mesure uniques. C’est un fluide visqueux et corrosif qui contient des molécules organiques provenant du bois, de l’hydroxyde de sodium et d’autres composés inorganiques, à un pH d’environ 13 et à des températures atteignant 180 degrés Fahrenheit (environ 82 degrés Celsius). Au fur et à mesure qu’elle passe des digesteurs et des laveuses aux évaporateurs, puis enfin aux chaudières de récupération, la liqueur noire doit être concentrée d’environ 15 % de solides dissous à plus de 70 % avant d’être brûlée dans une chaudière de récupération.
Les systèmes d’évaporation traditionnels obtiennent cette concentration en évaporant l’eau, un procédé thermique énergivore qui représente une part importante de l’utilisation de vapeur dans les usines de pâte à papier. Mais les évaporateurs représentent souvent le principal poste de consommation de vapeur après les machines à papier de l’usine et constituent régulièrement un point de blocage dans la production. Si la concentration des solides en amont diminue, les évaporateurs peinent à suivre, perdant en efficacité et en fiabilité.
Via Separations a conçu une alternative fondée sur la technologie membranaire utilisant l’oxyde de graphène, qui sépare mécaniquement l’eau des solides, supprimant ainsi le besoin de provoquer un changement de phase par la chaleur.
Le concept était prometteur. Les essais pilotes ont révélé que le système de filtration de Via réduit considérablement l’utilisation d’énergie ainsi que les coûts de capital/exploitation. Mais personne n’avait jamais réussi à implanter des membranes dans la concentration de la liqueur noire auparavant.
L’approche : surveillance en ligne continue avec des réfractomètres Vaisala
Via Separations avait besoin d’instruments capables de résister à l’environnement industriel rude tout en fournissant des mesures en continu précises pour démontrer la performance des membranes. Fort de leur expérience positive avec les réfractomètres Vaisala dans des applications similaires, l’équipe a choisi le réfractomètre de procédé PR23SD.
Le système innovant de Via a installé trois réfractomètres Vaisala à des points stratégiques pour offrir une visibilité complète sur les performances du système :
- Surveillance de l’alimentation entrant dans le système membranaire.
- Suivi du concentré sortant du système membranaire.
- Mesurer le perméat (l’eau propre séparée) pour vérifier la qualité.
Les réfractomètres utilisent une technologie de mesure optique avancée pour déterminer la concentration totale de solides dissous totaux en mesurant la réfraction de la lumière dans le liquide de procédé — une mesure qui est directement corrélée à la teneur en solides dissous. Mieux encore, les capteurs peuvent gérer les conditions extrêmes de la liqueur noire : températures élevées, pH caustique et teneur en fibres qui compromettraient de nombreuses autres technologies de mesure.
Il était essentiel pour Via Separations d’atteindre un taux de disponibilité proche de 100 %, avec une interaction minimale de l’opérateur. Les capteurs auto-nettoyants de Vaisala maintiennent les surfaces de mesure propres, permettant un fonctionnement continu avec une maintenance minimale, s’ajoutant aux membranes très durables de Via qui, au moment de la publication, ont démontré une durée de vie de 18 mois.
Les résultats : performance fiable, prouvée à grande échelle
La construction du système de Grande Prairie a été achevée en 10 mois. L’installation, composée de plus de 600 modules de membranes, a intégré le système aux opérations d’International Paper sans aucun temps d’arrêt et a commencé ses opérations en mai 2024.
Dès l’installation, les données de surveillance continue de Vaisala ont permis à Via Separations de prouver les performances de sa technologie. Les mesures en continu ont confirmé que le système tenait ses promesses en matière d’efficacité énergétique, utilisant 76 % d’énergie en moins par gallon d’eau retiré par rapport aux évaporateurs traditionnels. Cette efficacité permet d’éviter une tonne d’émissions de CO₂ issues des combustibles fossiles toutes les 80 minutes, soit près de 6 500 tonnes métriques par an pour une installation de seconde génération.
Mais la valeur allait au-delà des économies d’énergie. La surveillance continue a révélé comment la performance de la membrane variait à mesure que les caractéristiques d’alimentation de la liqueur noire évoluaient — une information critique pour optimiser le débit. Les données ont révélé un phénomène inattendu et avantageux : les membranes produisaient jusqu’à 93 % de débit de perméat supplémentaire lors des événements de faible concentration en solides, précisément lorsque les usines ont le plus besoin d’augmenter leur capacité d’évacuation d’eau, notamment lors des incidents ou des démarrages.
La surveillance continue des TDS permet la mesure en temps réel de l’état des membranes, ce qui permet d’optimiser les programmes et fréquences de nettoyage afin d’affiner les opérations et de maximiser la valeur générée. Le résultat ? Des millions d'euros économisés par an sur les produits chimiques lors du déploiement à grande échelle.
Avec des durées de vie des membranes allant jusqu’à 18 mois démontrées lors de ce déploiement, l’exactitude des capteurs de Vaisala est devenue cruciale pour détecter les changements subtils du rejet de la membrane au fil du temps. Une légère variation dans la performance des membranes se manifesterait par de petites variations des niveaux de solides dissous dans le concentré ou le perméat — des changements nécessitant une mesure précise pour être détectés et caractérisés.
La capacité d’accepter des courbes d’étalonnage personnalisées s’est révélée particulièrement précieuse. Le système membranaire de Via retire progressivement les composants de la liqueur noire, créant des intermédiaires de procédé avec des rapports de composants différents de ceux de l’alimentation. En développant des étalonnages personnalisés avec des échantillons réels du procédé, Via Separations a garanti que chaque point de mesure offre une exactitude maximale adaptée à la composition spécifique de son flux.
Ce niveau de précision de mesure donne aux clients confiance dans la technologie. Au cours de la première année d'exploitation, le système a journalisé plus de 10 000 heures de fonctionnement avec une disponibilité supérieure à 90 %. Les données TDS continues ont aidé Via Separations à démontrer sa fiabilité à un client afin de réduire les risques liés à son tout premier déploiement commercial de ce type.
L'installation réussie de Grande Prairie a validé la technologie des membranes pour une application longtemps considérée comme impossible. La flotte nord-américaine d’évaporateurs affiche un âge médian de 44 ans, obligeant de nombreux sites à envisager des investissements majeurs dans des équipements vieillissants. La technologie de Via Separations — rendue possible par une surveillance fiable des processus — offre une alternative : des dépenses d’investissement réduites, une efficacité énergétique nettement supérieure et une flexibilité opérationnelle améliorée.
Le partenariat entre Via Separations et Vaisala démontre comment la technologie avancée de mesure stimule l’innovation industrielle. Sans une surveillance continue et précise des solides dissous, Via Separations n’aurait pas pu prouver les performances de son système ni optimiser son fonctionnement. Les données ont fait bien plus que valider la technologie — elles ont révélé des caractéristiques opérationnelles qui créent de nouvelles opportunités de valeur ajoutée pour l’optimisation des processus.
À mesure que Via Separations s’étend à d’autres usines de pâte à papier et explore des applications dans des industries adjacentes, les réfractomètres de Vaisala restent essentiels à la conception et au fonctionnement des systèmes. L’infrastructure de mesure qui a permis de prouver le premier système permet désormais à chaque nouvelle installation d’offrir des performances cohérentes et documentées dès le premier jour.
Pour les usines de pâte à papier confrontées à des pressions pour réduire leurs émissions ou à des contraintes opérationnelles, l'installation de Grande Prairie offre une démonstration convaincante. La concentration par membranes est opérationnelle, fiable, et elle fournit des résultats mesurables qui ne seraient pas possibles sans la surveillance continue et précise assurée par l’instrumentation de Vaisala.
Crédits des graphiques et des images : Via Separations
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