Vaisala e Via Separations: Misurare il successo con la tecnologia avanzata per il liscivio nero
Il cliente: Via Separations
Soluzione Vaisala: rifrattometri di processo PR23SD per il monitoraggio in linea dei solidi totali disciolti
Il sistema innovativo di filtrazione a membrana presso lo stabilimento International Paper di Grande Prairie dimostra una riduzione del consumo energetico del 76% grazie al supporto critico della soluzione Vaisala per il monitoraggio in linea del liscivio nero.
Quando Via Separations ha deciso di commercializzare una rivoluzionaria tecnologia a membrana per la concentrazione del liscivio nero nelle cartiere, l’azienda sapeva che dimostrare le prestazioni del sistema sarebbe stato fondamentale. Per decenni, le cartiere hanno fatto affidamento su evaporatori di grandi dimensioni che fanno bollire l’acqua da una densa miscela caustica di sostanze organiche e inorganiche prima del recupero, consumando grandi quantità di vapore, creando limitazioni di capacità di trattamento e, in ultima analisi, aumentando i costi operativi.
L'innovazione di Via Separations prometteva risparmi energetici e una riduzione dei costi dei prodotti chimici, ma non era mai stata adottata su scala commerciale. Una misura accurata e affidabile dei solidi totali disciolti (STD) durante tutto il processo era critica per valutare le prestazioni del sistema di Via Separations.
La sfida: dimostrare una tecnologia senza precedenti
Il liscivio nero (il sottoprodotto caustico del processo kraft per la pasta di cellulosa, un liquido scuro e viscoso derivato dal legno) presenta sfide uniche di misura. È un fluido viscoso e corrosivo che contiene molecole organiche provenienti dal legno, idrossido di sodio e altri composti inorganici, con livelli di pH intorno a 13 e temperature che raggiungono i 180 gradi Fahrenheit (circa 82 °C). Nel suo percorso dai digestori e dalle unità di lavaggio agli evaporatori e infine alle caldaie di recupero, il liscivio nero deve essere concentrato da circa il 15% di solidi disciolti a oltre il 70% prima di poter essere bruciato in una caldaia di recupero.
I sistemi di evaporazione tradizionali raggiungono questa concentrazione eliminando l’acqua per ebollizione, un processo termico ad alta intensità energetica che comporta un elevato consumo di vapore nelle cartiere. Tuttavia, gli evaporatori sono spesso i principali consumatori di vapore, al di fuori delle macchine per la carta presso la stabilimento, e rappresentano una frequente limitazione produttiva dell’impianto. Se la concentrazione di solidi a monte diminuisce, gli evaporatori faticano a tenere il passo, perdendo efficienza e affidabilità.
Via Separations ha sviluppato un’alternativa basata su membrane, che utilizza la tecnologia dell’ossido di grafene per separare meccanicamente l’acqua dai solidi, eliminando la necessità di indurre un cambiamento di fase mediante il calore.
Il concetto era promettente. I test pilota hanno rivelato che il sistema di filtrazione di Via Separations riduce significativamente sia l’utilizzo energetico che i costi di capitale e operativi. Tuttavia, fino ad allora nessuno aveva implementato con successo l’uso di membrane nella concentrazione del liscivio nero.
La soluzione: monitoraggio continuo in linea con i rifrattometri Vaisala
Via Separations necessitava di una strumentazione in grado di resistere ad ambienti industriali gravosi, garantendo al contempo misurazioni continue e precise per dimostrare le prestazioni della membrana. Sulla base di precedenti esperienze positive con i rifrattometri Vaisala in applicazioni simili, il team ha selezionato rifrattometro di processo PR23SD
installandone tre unità in punti strategici del sistema innovativo, fornendo così una visibilità completa delle prestazioni del sistema.
- Monitoraggio del flusso di alimentazione in ingresso al sistema a membrana.
- Monitoraggio del concentrato in uscita dal sistema a membrana.
- Misurare il permeato (l'acqua pulita separata) per verificare la qualità.
I rifrattometri utilizzano una tecnologia avanzata di misura ottica per determinare la concentrazione totale di solidi totali disciolti, misurando la rifrazione della luce nel liquido di processo, una misura che è direttamente correlata al contenuto di solidi disciolti. Ancora meglio, i sensori sono in grado di gestire le condizioni estreme del liscivio nero: alte temperature, pH caustico e contenuto di fibre che comprometterebbero molte altre tecnologie di misura.
Fondamentalmente, Via Separations richiedeva tempi di attività prossimi al 100% con un intervento minimo da parte dell'operatore. I sensori autopulenti di Vaisala aiutano a mantenere pulite le superfici di misura, consentendo un funzionamento continuo con manutenzione minima e integrandosi con le membrane altamente resistenti di Via Separations, che, al momento della pubblicazione di questo articolo, hanno dimostrato una durata di 18 mesi.
I risultati: prestazioni affidabili dimostrate su larga scala
La costruzione del sistema di Grande Prairie è stata completata in 10 mesi. L’impianto, composto da oltre 600 moduli a membrana, ha integrato il sistema nelle operazioni di International Paper senza alcun periodo di inattività, avviando le attività a maggio 2024.
Fin dall'installazione, i dati di monitoraggio continuo di Vaisala hanno permesso a Via Separations di dimostrare le prestazioni della sua tecnologia. Le misurazioni continue hanno confermato che il sistema rispettava la promessa di efficienza energetica, utilizzando il 76% di energia in meno per ogni gallone d'acqua rimosso rispetto agli evaporatori tradizionali. Questa efficienza si traduce nell’evitare una tonnellata di emissioni di CO₂ da combustibili fossili ogni 80 minuti, ovvero circa 6.500 tonnellate metriche all’anno per un’installazione di seconda generazione.
Tuttavia, il valore va ben oltre il risparmio energetico. Il monitoraggio continuo ha evidenziato come le prestazioni delle membrane cambiassero in funzione delle caratteristiche dell’alimentazione del liscivio nero, fornendo informazioni cruciali per ottimizzare la resa del processo. I dati hanno evidenziato un risultato inaspettato e vantaggioso: le membrane hanno prodotto fino al 93% in più di flusso di permeato durante eventi a basso contenuto di solidi, proprio nel momento in cui le cartiere necessitano maggiormente di capacità aggiuntiva per la rimozione dell’acqua, durante interruzioni o avviamenti dell’impianto.
Il monitoraggio continuo dei solidi totali disciolti consente di misurare in tempo reale lo stato delle membrane, permettendo di ottimizzare procedure e frequenze di pulizia per perfezionare le operazioni e massimizzare il valore generato. Il risultato? Milioni risparmiati ogni anno per le sostanze chimiche, se implementato su larga scala.
Con durata di vita delle membrane fino a 18 mesi dimostrate in questa applicazione, la precisione dei sensori Vaisala è risultata cruciale per rilevare variazioni sottili nel rigetto delle membrane nel tempo. Piccole variazioni nelle prestazioni delle membrane si manifestano come lievi cambiamenti nei livelli di solidi disciolti nel concentrato o nel permeato, variazioni che richiedono misurazioni precise per essere rilevate e caratterizzate.
La possibilità di utilizzare curve di calibrazione personalizzate si è rivelata particolarmente preziosa. Il sistema a membrana di Via Separations rimuove progressivamente i componenti del liscivio nero, creando intermedi di processo con rapporti di componenti diversi rispetto al flusso di alimentazione. Sviluppando calibrazioni personalizzate basate su campioni di processo reali, Via Separations ha garantito che ogni punto di misura offrisse la massima precisione, adattata alla composizione specifica del flusso.
Grazie a questo livello di precisione delle misure, i clienti possono avere piena fiducia nella tecnologia. Nel primo anno di attività, il sistema ha registrato oltre 10.000 ore di funzionamento, mantenendo una disponibilità superiore al 90%. I dati TDS continui hanno aiutato Via Separations a dimostrare l’affidabilità della tecnologia a un cliente, riducendo i rischi legati alla sua prima implementazione commerciale di questo tipo e,
la riuscita installazione di Grande Prairie, ha confermato l’efficacia della tecnologia a membrana per un’applicazione a lungo considerata impossibile. La flotta nordamericana di evaporatori ha un'età mediana di 44 anni, con molte strutture che devono affrontare importanti decisioni di investimento riguardo alle apparecchiature ormai datate. La tecnologia di Via Separations, resa possibile da un monitoraggio affidabile dei processi, offre un’alternativa: minori costi di investimento, efficienza energetica notevolmente superiore e maggiore flessibilità operativa.
La partnership tra Via Separations e Vaisala dimostra come la tecnologia di misura avanzata possa guidare l’innovazione industriale. Senza un monitoraggio continuo e accurato dei solidi disciolti, Via Separations non avrebbe potuto dimostrare le prestazioni del suo sistema né ottimizzarne il funzionamento. I dati hanno fatto più che convalidare la tecnologia: hanno rivelato caratteristiche operative che aprono nuove opportunità di creazione di valore per il miglioramento dei processi.
Man mano che Via Separations si espande verso ulteriori mulini di cellulosa ed esplora applicazioni in industrie adiacenti, i rifrattometri Vaisala restano parte integrante della progettazione e del funzionamento del sistema. L’infrastruttura di misurazione che ha contribuito a dimostrare l’efficacia del primo sistema permette ora a ciascuna nuova installazione di garantire prestazioni coerenti e documentate fin dal primo giorno.
Per le cartiere soggette a pressioni per ridurre le emissioni o a vincoli operativi, l’installazione di Grande Prairie rappresenta un esempio concreto e convincente. La concentrazione a membrana è operativa, affidabile e sta offrendo risultati misurabili che non sarebbero possibili senza il monitoraggio continuo e accurato fornito dalla strumentazione Vaisala.
Crediti per grafici e immagini: Via Separations
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