1.6.3.5. Управление ступенями отбелки

Кислородно-щелочная обработка целлюлозы

КЩО обеспечивает дополнительную делигнифи-кацию целлюлозы перед отбелкой, поэтому задача правления процессом состоит в получении задан­ной жесткости при переменной жесткости посту­пающей с варки целлюлозы.

Исследование процесса КЩО как объекта уп­равления выполнили во ВНИИБе Р. И. Соснов-

ий, Г. Л. Аким и Н. П. Серебряков [125, 126]. Была изучена возможность использования различ­ных косвенных источников информации о процес­се — значение рН, электропроводность массы. По­казано, что контроль и стабилизация рН массы в начале процесса позволяет стабилизировать жест­кость целлюлозы на выходе. Существенно, одна­ко, что измерение рН необходимо производить че­рез 5... 10 мин после начала реакции. Конструкция реактора часто не позволяет установить датчик рН с таким запаздыванием, а измерение рН в самом начале процесса перед поступлением массы в реак­тор не дает необходимой точности управления рас­ходом щелочи.

В настоящее время предложены схемы контро­ля процесса КЩО на основе Каппа-анализатора [127]. К нему подключают линии отбора проб мас­сы на входе и выходе ступени КЩО, и анализатор выдает результаты измерения числа Каппа в каж­дой точке с периодом 10...20 мин.

Алгоритм управления следующий:

• требуемый расход щелочи определяется в за­висимости от числа Каппа на входе и производи­тельности;

• требуемый удельный расход кислорода рас­считывается в зависимости от удельного расхода щелочи с коррекцией по значению рН фильтрата на выходе ступени;

• управление расходом щелочи корректирует­ся на основе отклонения измеренного значения Кап­па на выходе от прогноза со входа ступени.

Недостатком этого решения является примене­ние очень сложного и дорогостоящего прибора — анализатора Каппа.

Альтернативой может служить подход к управ­лению, основанный на стабилизации условий про­цесса и использовании данных лабораторного конт­роля жесткости на входе и выходе ступени. Важно, чтобы измерение жесткости поступающей целлюло­зы производилось в более ранней точке технологи­ческого процесса и результат анализа был готов к моменту входа массы в реактор КЩО.

Стабилизация условий процесса включает обес­печение рассчитанных требуемых удельных расхо­дов химикатов, температуры массы. При управле­нии дозировкой кислорода необходимо учитывать степень насыщения массы кислородом. Для этого производится коррекция расхода кислорода в за­висимости от разности давлений по высоте столба массы в реакторе.

Ступень диоксида хлора на входе отбельной установки

В связи с переходом к схемам отбелки без эле­ментарного хлора в качестве 1-й ступени делигни­фикации нередко используется ступень диоксида хлора, которая позволяет провести делигнифика-цию целлюлозы и предварительную отбелку. Функ­циональная схема управления такой ступенью при­ведена на рис. 1.96.

Согласно схеме подача сульфатной небеленой целлюлозы осуществляется на вход ступени, по­этому предусмотрено предварительное подкисление массы серной кислотой для проведения процесса в требуемой области значений рН.

Технологическая задача ступени — получение заданной белизны целлюлозы на выходе. Поскольку белизна достаточно хорошо коррелирована с жест­костью, такая постановка задачи обеспечивает не­обходимую степень делигнификации целлюлозы. Кроме того, на входе ступени предусмотрена ста­билизация значения рН массы после смешения с диоксидом хлора и стабилизация температуры мас­сы. Схема включает контроль белизны и рН массы в трубопроводе перед башней после смешения с диоксидом хлора.

На этой ступени белизна на поверхности волок­на развивается очень быстро после смешения с ди­оксидом хлора, поэтому возможно управление рас­ходом диоксида хлора с обратной связью по белиз­не на входе ступени. Также с обратной связью по рН предусмотрено управление расходом серной кис­лоты на вакуум-фильтр перед ступенью ДО.

На выходе ступени в зону разбавления башни подается раствор S0₂ для нейтрализации остатков диоксида хлора. Задача управления — обеспече­ние минимального избытка S0₂ в массе на выходе башни. С этой целью эффективно применение измерителя окислительно-восстановительного по­тенциала (ОВП) в ванне вакуум-фильтра. Такой измеритель обладает высокой чувствительностью в рабочей области концентраций остаточного S0₂ и позволяет эффективно управлять расхо­дом S0₂.

На выходе ступени предусмотрен автоматичес­кий датчик белизны целлюлозы, позволяющий бо­лее оперативно, чем на основе лабораторных ана­лизов, корректировать управление дозировкой ди­оксида хлора при изменении свойств небеленой цел­люлозы. Кроме того, информация этого датчика может быть использована для управления следую­щей ступенью отбелки.

Функциональная структура включает расчет удельных расходов химикатов (в кг/т а. с. в.). Эти данные выдаются оператору и используются в рас­четах модели белизны целлюлозы на выходе сту­пени. Прогноз белизны используется в задаче рас­чета требуемых расходов химикатов; эта задача также учитывает существенно нелинейные зависи­мости рН и ОВП от расходов химикатов и рассчи­тывает требуемые расходы H₂S0₄ и раствора S0₂ с учетом указанных нелинейностей.

Функциональная схема включает также ряд дополнительных контуров регулирования и пря­мого управления клапанами.

Ступень отбелки диоксидом хлора

Это одна из основных ступеней отбелки, ее тех­нологическая задача — получение заданной белиз­ны на выходе ступени.

Основными возмущающими воздействиями для этой ступени являются изменение белизны целлю­лозы на входе и изменение концентрации раствора дикосида хлора. Значение рН поступающей массы может существенно влиять и на процесс отбелки и на работу измерителей, используемых для контро­ля этого процесса.

Поскольку технологическая схема обычно не пре­дусматривает регулирование значения рН подкис -лением массы на входе ступени, необходимо обеспе­чить стабилизацию рН на предыдущей ступени (ще­лочение, отбелка пероксидом водорода), чтобы пос­ле промывки значение рН массы, поступающей на ступень диоксида хлора, было не более 8.

Современный принцип управления отбелкой диоксидом хлора — измерение на входе ступени белизны целлюлозы и концентрации диоксида хло­ра в массе [128]. Наиболее эффективно проводить измерение этих параметров через несколько минут после смешения массы с диоксидом хлора, когда реакция уже частично прошла, но конструктивные особенности оборудования позволяют проводить из­мерения только через 10... 15 с после смешения. Ре-:;ция диоксида хлора с целлюлозой происходит медленно, поэтому белизна в точке измерения прак­тически не зависит от дозировки химикатов. Реко­мендуемая схема установки датчика белизны — до ввода двуокиси хлора в массу, датчик концентра­ции химиката устанавливается после смесителя СЮ₂ с массой или, если есть возможность, через 5... 15 мин после смешения.

Работа датчика концентрации химиката типа Polarox фирмы «Kajaani* для контроля концентра­ции диоксида хлора в массе подробно рассмотрена в материалах фирмы «Rauma-Repola» (Финляндия) [124]. Основной характеристикой потенциостатичес-кого измерителя является вольт-амперная зависи­мость для измеряемого раствора. На рис. 1.97 при­ведены такие графики для двух значений (420 и 760 мг/л) концентрации диоксида хлора в растворе.

Из графика видно, что существуют две рабочие области при потенциалах +400 и -600 мВ, в кото­рых измеряемая сила тока слабо зависит от потен­циала. Эти области наиболее пригодны для рабо­ты измерителя.

Влияние значения рН на результаты измерения показаны на рис. 1.98. В начале процесса отбелки значение рН обычно больше 4,5, график показы­вает, что в этой области влияние рН слабое.

На рис. 1.99 показана зависимость результатов измерений от концентрации диоксида хлора в ра-

створе. Эта зависимость линейная, и графики по­казывают высокую точность измерения.

Ниже приведены основные принципы управле­ния процессом отбелки диоксидом хлора:

• на основании измерения исходной белизны производится расчет требуемой концентрации ди­оксида хлора в той точке, где установлен датчик концентрации; система управления (по прямой свя­зи) поддерживает требуемую дозировку химиката с использованием математической модели белизны на выходе ступени;

• контур управления на основе датчика кон­центрации химиката в массе поддерживает требуе­мую концентрацию; этот датчик позволяет ком­пенсировать возмущения по расходу массы, кон­центрации раствора диоксида хлора, но изменение концентрации массы может вносить ошибку в уп­равление, так как концентрация химиката в жид­кой фазе будет изменяться при том же расходе во­локна;

• отдельный контур управления стабилизиру­ет температуру массы на входе ступени, отклоне­ния температуры от заданной учитывает модель белизны;

• адаптация математической модели белизны целлюлозы производится на основании данных из­мерения белизны на выходе ступени — автомати­ческого или лабораторного [119].

Управление дозировкой раствора S0₂ в зону раз­бавления башни описано выше для ступени ДО.

Отбелка озоном

Отбелка озоном осуществляется посредством двух самостоятельных агрегатов — отбельного обо­рудования, включающего массный насос, смеситель, реактор и вакуум-фильтр, а также озонаторной установки. При разработке вопросов автоматиза­ции процесса отбелки не рассматривалось управле­ние озонным генератором и подготовкой газооб­разного озона в предположении, что эти средства управления должны поставляться в комплекте с озонаторной установкой.

Задача управления процессом отбелки озоном — обеспечить получение требуемой белизны целлю­лозы с соблюдением ограничений по дозировке озо­на. Ограничения определяются двумя факторами:

1. для массы средней концентрации увеличение объема вводимой газообразной смеси может приве­сти к плохому смешению массы с газом; по дан­ным фирмы «Капшг», объемный расход газа не должен превышать 0,3 от расхода массы;

2. повышенный расход озона, необходимый для достижения заданной белизны, может вызвать зна­чительное увеличение деструкции волокна; допус­тимая область дозировок определяется при техно­логической наладке процесса.

Поскольку процесс отбелки озоном протекает с большой скоростью как при высокой, так и при средней концентрации массы, основной информа­цией для контроля и управления этим процессом может служить измерение белизны целлюлозы в потоке после смешения массы с озоном. При сред­ней концентрации массы датчик белизны необхо­димо установить в трубопроводе перед реактором, это позволит построить управление расходом озо­на с обратной связью при небольшом запаздыва­нии в контуре управления.

Процесс должен проходить в слабокислой среде при значении рН, равном 3, поэтому необходимо предусмотреть контроль рН на входе ступени и, при необходимости, стабилизацию значения рН регули­рованием расхода соответствующего химиката.

Ступень щелочения с кислородом

Цель управления ступенью — получение стабиль­ного качества целлюлозы при концентрации оста­точной щелочи на выходе в заданных пределах.

Анализ литературы и опыта работы целлюлоз­ного завода ОАО «Усть-Илимский ЛПК» показы­вает, что за показатель качества целлюлозы на выходе ступени принимают белизну. Белизна пос­ле ступени ЩО растет с увеличением концентра­ции кислорода и щелочи в массе. Практически удельный расход кислорода выбирается в процессе наладки режима из условия получения прироста белизны без существенной деструкции целлюлозы. В дальнейшем задача системы управления — это стабилизация заданного удельного расхода кис­лорода.

Управление дозировкой щелочи должно обеспе­чить получение заданной концентрации остаточной щелочи при изменении значений рН поступающей массы. Поскольку белизна на выходе ступени зави­сит от белизны на входе, необходимо рассчитывать задание по остаточной щелочи в зависимости от оце­нок белизны (степени делигнификации) на выходе предыдущей ступени отбелки. Для управления до­зировкой щелочи необходимо иметь в системе уп­равления оценку значения рН на входе ступени. На основе такой оценки возможен прогноз по модели концентрации остаточной щелочи на выходе ступе­ни и расчет требуемого удельного расхода щелочи.

Для получения необходимой точности управле­ния целесообразно использовать автоматический измеритель значения рН на входе ступени, если это возможно по конструктивным соображениям. При отсутствии датчика рН возможен расчет по модели оценки рН на входе ступени.

Задание по удельному расходу щелочи пересчи-тывается в требуемый объемный расход с учетом производительности и концентрации раствора ще­лочи.

Отбелка пероксидом водорода с кислородом и щелочью

Логика управления белизной целлюлозы на сту­пени отбелки пероксидом водорода с добавкой кис­лорода в основном аналогична ступени отбелки диоксидом хлора. Функциональная схема автома­тизации этой ступени приведена на рис. 1.100.

Отличие состоит в том, что при отбелке перо­ксидом водорода предусмотрена подача раствора щелочи для стабилизации значения рН, поэтому система управления должна включать измере­ние и стабилизацию рН массы на входе ступени. Как и на ступенях щелочной обработки, значение рН в ходе реакции и в конце процесса коррелиро-вано со значением рН в начале процесса [129], по­этому достаточно стабилизировать его на входе сту­пени.

Контроль концентрации пероксида водорода в растворе с помощью потенциостатического изме­рителя также рассмотрен в работе [124]. Вольт-амперная характеристика для этого химиката при­ведена на рис. 1.101, она показывает, что измере­ния следует проводить при отрицательных потен­циалах на измерительном электроде. На рис. 1.102 приведен график зависимости показаний от кон­центрации пероксида в растворе, полученный при потенциале -200 мВ. Это линейная зависимость в широком диапазоне концентраций, она свидетель­ствует о небольшой ошибке измерения концентра­ции пероксида.

Влияние значения рН на измерение концентра­ции ощутимо в диапазоне 10... 11 (рис. 1.103), что еще раз подтверждает важность стабилизации рН на входе ступени.

Расчет требуемого удельного расхода сульфата магния производится пропорционально удельному расходу пероксида водорода, который определяет

система управления. Регулирование объемных рас ходов химикатов система производит пропорцио­нально расходу волокна на входе ступени, кото­рый рассчитывает отдельная задача [117].

Хелатная обработка целлюлозы

Обработка целлюлозы хелатирующим химика­том позволяет уменьшить концентрацию ионое металлов переменной валентности, которые вызы­вают разложение пероксида водорода и уменьша­ют эффективность отбелки. На этой ступени сис­тема управления обеспечивает стабилизацию удель­ного расхода хелатирующего реагента (фиолент, трилон-Б и т. п.). Система управления рассчиты­вает требуемый расход реагента пропорционально расходу волокна с учетом концентрации раствора хелатирующего реагента.

Для эффективной обработки целлюлозы необ­ходимо поддерживать значение рН массы в слабо­кислой области. Измерение значения рН на входе ступени целесообразно производить рН-метром с датчиком, встраиваемым в трубопровод массы пос­ле смешения с химикатами. На основе значения рН массы производится управление дозировкой сер­ной кислоты в смеситель.

Гипохлоритная отбелка вискозной целлюлозы

Технологическая задача этой ступени — полу­чение вязкости целлюлозы в заданных пределах. При решении задачи управления гипохлоритной отбелкой фирмы, поставляющие системы управле­ния отбелкой, обычно ограничиваются общей ста­билизацией условий процесса, предоставляя управ­ление вязкостью, т. е. расходом гипохлорита, опе­ратору-отбельщику.

Опыт работ по автоматизации этого процесса на ОАО «Светогорский ЦБК» и ОАО «Амурский ЦКК» позволяет предложить общие решения по управле­нию. Поскольку автоматическое измерение вязкос­ти невозможно, необходимо сформировать в систе­ме управления оценку вязкости на входе ступени гипохлоритной отбелки на основе данных лабора­торных измерений, причем очень существенно, что­бы такие измерения проводились на входе предыду­щей ступени отбелки. В этом случае можно сфор­мировать необходимую оценку вязкости к моменту входа массы в гипохлоритную ступень с учетом вре­мени ее пребывания на предыдущей ступени.

На основе оценки вязкости на входе ступени осуществляется расчет требуемой концентрации активного хлора в массе с использованием матема­тической модели вязкости. Модель включает ос-

новные переменные — входную вязкость и кон­центрацию активного хлора, а также условия про­цесса — температуру, значение рН массы, прогно­зируемую длительность реакции. Прогноз длитель­ности рассчитывается по текущей производитель­ности установки.

Для контроля концентрации активного хлора в ступени гипохлоритной отбелки фирма «Kajaani* предлагает использовать датчик Polarox-C [123, 128]. Такая возможность появилась, когда в кон­струкцию датчика была включена автоматическая электрическая очистка измерительного электрода. Опыт применения этого датчика подтвердил эф­фективность регулирования концентрации актив­ного хлора в массе, что позволило в 2,5 раза умень­шить ошибку регулирования концентрации актив­ного хлора по сравнению с ручным управлением оператора и обеспечить стабилизацию вязкости целлюлозы на выходе ступени.

Задача управления дозировкой щелочи для ста­билизации значения рН массы решается аналогич­но ступеням щелочной обработки.