Vaisala och Via Separations: Mäta framgång med avancerad svartlutteknik
Kunden: Via Separations
Vaisala-lösning: PR23SD processrefraktometrar för inline-övervakning av TDS
Innovativt membranfiltreringssystem vid International Papers Grande Prairie-fabrik visar på 76 % minskning av energiförbrukningen med kritiskt stöd från Vaisalas lösning för inline-övervakning av svartlut.
När Via Separations ville kommersialisera en banbrytande membranteknik för svartlutskoncentrering i massafabriker, förstod företaget att det var avgörande att bevisa systemets prestanda. I flera årtionden har massafabriker använt enorma indunstare för att koka bort vatten ur en tjock, frätande blandning av organiska och oorganiska ämnen före återvinning, vilket förbrukar stora mängder ånga, skapar kapacitetsflaskhalsar och ökar driftskostnaderna.
Via Separations innovation lovade energibesparingar och minskade kemikaliekostnader, men den hade aldrig blivit driftsatt i kommersiell skala. Noggrann och tillförlitlig mätning av totalt upplöst material (TDS) genom hela processen var avgörande för att mäta Vias resultat.
Utmaningen: Att bevisa en banbrytande teknik
Svartlut – den frätande biprodukten från sulfatprocessen som medför unika mätutmaningar. Det är en trögflytande, frätande vätska som innehåller organiska molekyler från trä, natriumhydroxid och andra oorganiska föreningar med pH-nivåer runt 13 och temperaturer på upp till 82 °C. När den färdas från rötkammaren och brickor till indunstare och slutligen till återvinningspannor måste svartluten koncentreras från ungefär 15 % lösta ämnen till över 70 % innan den kan brännas i en återvinningspanna.
Traditionella avdunstningssystem uppnår denna koncentration genom att förånga vatten, en energikrävande termisk process som står för en betydande del av ånganvändningen i massafabriker. Men indunstare är ofta den största användaren av ånga utanför pappersmaskinerna på fabriken och en vanlig produktionsflaskhals. Om mängden fasta ämnen uppströms sjunker kämpar indunstarna med att hålla jämna steg, vilket leder till minskad effektivitet och tillförlitlighet.
Via Separations utvecklade ett membranbaserat alternativ som använder grafenoxidteknik som mekaniskt separerar vatten från fasta ämnen och därmed undviker behovet av att inducera fasförändring genom värme.
Konceptet var lovande. Pilottester visade att Vias filtreringssystem minskar energiförbrukningen och kapital-/driftskostnaderna avsevärt. Men ingen hade tidigare lyckats med att implementera membran i svartlutkoncentration.
Tillvägagångssättet: Kontinuerlig inline-övervakning med Vaisalas refraktometrar
Via Separations behövde instrument som kunde tåla den krävande industrimiljön samtidigt som de levererade exakta, kontinuerliga mätningar för att visa membranprestanda. Baserat på positiva tidigare erfarenheter av Vaisalas refraktometrar i liknande tillämpningar valde teamet PR23SD processrefraktometer.
Vias innovativa system installerade tre Vaisala-refraktometrar vid strategiska punkter för att ge fullständig insyn i systemprestanda:
- Övervakning av matning in i membransystemet.
- Spårning av koncentrat som lämnar membransystemet.
- Mätning av permeat (det separerade rena vattnet) för att verifiera kvaliteten.
Refraktometrarna använder avancerad optisk mätteknik för att fastställa koncentrationen av totalt upplöst material genom att mäta brytningen av ljus i processvätskan – en mätning som direkt korrelerar till halten av upplöst material. Ännu bättre är att sensorerna klarar de extrema förhållandena med svartlut: höga temperaturer, frätande pH och fiberinnehåll som skulle kompromissa många andra mätningstekniker.
Avgörande var att Via Separations krävde nära 100 % drifttid med minimal interaktion från operatören. Vaisalas självrengörande sensorer hjälper till att hålla mätytorna rena, vilket möjliggör kontinuerlig drift med minimalt underhåll och kompletterar Vias mycket hållbara membran, som vid tidpunkten för publicering har visat en livslängd på 18 månader.
Resultatet: Tillförlitliga prestanda, beprövade i stor skala
Konstruktionen av Grande Prairie-systemet slutfördes på 10 månader. Anläggningen, som består av över 600 membranmoduler, integrerade systemet i International Papers verksamhet utan driftstopp och togs i bruk i maj 2024.
Redan från installationen möjliggjorde Vaisalas kontinuerliga övervakningsdata att Via Separations kunde verifiera teknikens prestanda. Kontinuerliga mätningar bekräftade att systemet levererade enligt sitt energieffektivitetslöfte och förbrukade 76 % mindre energi per liter avlägsnat vatten än traditionella indunstare. Denna energieffektivitet leder till att man undviker ett ton CO₂-utsläpp av fossila bränslen var 80:e minut, eller ungefär 6 500 ton per år för en installation av andra generationen.
Värdet omfattade dock mer än bara energibesparingar. Kontinuerlig övervakning visade hur membranets prestanda varierade när egenskaperna hos svartlutsmatningen förändrades — avgörande information för att optimera genomströmningen. Data visade något oväntat och fördelaktigt: Membranen producerade upp till 93 % mer permeatflöde vid händelser med låg halt av fasta ämnen, precis när fabriken behövde extra vattenavlägsningskapacitet som mest under störningar eller start.
Kontinuerlig TDS-övervakning möjliggör realtidsmätning av membrantillstånd, vilket gör det möjligt att optimera membranrengöringsprogram och -intervaller för att finjustera driften och maximera värdet. Och resultatet? Miljontals kronor på kemikalier insparade årligen vid fullskalig implementering.
Med membranlivslängder på upp till 18 månader som demonstrerats vid denna implementering blev Vaisalas sensornoggrannhet avgörande för att identifiera subtila förändringar i membranets avskiljningseffektivitet över tid. Små variationer i membranprestanda visar sig som små förändringar i koncentratets eller permeatets halt av lösta ämnen – förändringar som krävde exakt mätning för att detekteras och karaktäriseras.
Möjligheten att använda anpassade kalibreringskurvor visade sig vara särskilt värdefull. Vias membransystem avlägsnar svartlutskomponenter successivt och skapar mellanliggande processer med andra komponentförhållanden än i matningen. Genom att utveckla anpassade kalibreringar med faktiska processprov säkerställde Via Separations att varje mätpunkt levererade maximal noggrannhet anpassad efter sin specifika strömsammansättning.
Denna nivå av mätprecision ger kunderna förtroende för tekniken. Under det första driftsåret registrerade systemet mer än 10 000 driftstimmar med över 90 % tillgänglighet. Kontinuerliga TDS-data gjorde det möjligt för Via Separations att visa sin tillförlitlighet för en kund och därmed minska risken vid den första kommersiella installationen i sitt slag.
Den framgångsrika installationen i Grande Prairie bekräftade membranteknikens funktion för en tillämpning som länge ansetts vara omöjlig. Den nordamerikanska förångarflottan har en medianålder på 44 år, och många anläggningar står inför stora investeringsbeslut kring åldrande utrustning. Via Separations teknik, som möjliggjordes med tillförlitlig processövervakning, erbjuder ett alternativ: lägre investeringskostnader, avsevärt högre energieffektivitet och förbättrad operativ flexibilitet.
Partnerskapet mellan Via Separations och Vaisala visar hur avancerad mätteknik driver industriell innovation. Utan kontinuerlig och noggrann övervakning av lösta ämnen kunde inte Via Separations bevisa systemets prestanda eller optimera sin drift. Dessa data gjorde mer än att bara validera tekniken – de identifierade driftsegenskaper som ger nya värdeskapande möjligheter till processförbättring.
När Via Separations expanderar till fler massafabriker och utforskar tillämpningar i angränsande industrier, förblir Vaisalas refraktometrar en integrerad del av systemets design och drift. Mätinfrastrukturen som hjälpte till att bevisa det första systemet möjliggör nu att varje ny installation levererar konsekvent, dokumenterad prestanda från dag ett.
För massafabriker som står inför krav på minskade utsläpp eller operativa begränsningar är Grande Prairie-installationen ett övertygande bevis. Membranbaserad koncentration fungerar, den är tillförlitlig och levererar mätbara resultat som inte skulle vara möjliga utan den kontinuerliga, noggranna övervakningen som Vaisalas instrument ger.
Diagram och bilder: Via Separations
Läs mer
Inline-mätning av torrsubstansinnehåll i kemisk återvinningsprocess
Läs mer om Vaisalas mätlösningar för massa-, pappers- och träindustrin