Оптико-спектральные методы и средства диагностики и контроля процессов хлорной отбелки целлюлозы

Оптические технологии представляют существенный интерес для современных химических производств, где могут быть эффективно использованы для диагностики и контроля состояния технологических процессов. Оптические методы исредства (фотометрические, рефрактометрические и др.) находят все большее применение в целлюлозно-бумажной промышленности, включая варочные, отбельные, а также бумагоделательные производства.

В процессах отбелки целлюлозы и бумажной массы вплоть, до настоящего времени широко используются хлорсодержащие белящие реагенты, такие как водные растворы хлорадиоксид хлора, гипохлорит натрия и др. Использование этих реагентов создает очевидные как трудо-, так и природоохранные проблемы. С этим связана необходимость оптимизации отбельных производств, использующих хлорсодержащие белители. Как показывает имеющийся производственный опыт, значительную роль в этом могут играть оптические технологии.

Оптимизация алгоритма дозировки белящего реагента предполагает использование исчерпывающих данных по влиянию хлорирования на оптические свойства целлюлозы. Необходимые данные, опубликованные к настоящему времени в доступной научно-технической литературе, неполны и противоречивыпрактически во всех публикациях [1, 2] эти данные имеют качественный характер и представляют, в лучшем случае, оценочный интерес. Поэтому задача исследования зависимости оптических свойств целлюлозной массы от расхода белителя и длительности процесса хлорирования остается актуальной. Особенности целлюлозной массы, как объекта для оптических исследований, требуют создания как лабораторных, так и промышленных проблемно-ориентированных средств и методов оптических измерений.

Представляет интерес также расширение области спектральных измерений на целлюлозной пульпе, традиционно ограниченной длиной волны 400 нм [3], в более коротковолновую область, где могут выявляться полосы собственного поглощения в остаточных лигнинах. Следует ожидать, что длинноволновый край этих полос поглощения формирует спектр отражения целлюлозы в видимом диапазоне длин волн. Данные по ультрафиолетовому поглощению в остаточных лигнинах могут представлять интерес прогностического характера для отбельных процессов.

Цель работы состояла в лабораторных исследованиях влияния хлорирования на оптические свойства целлюлозы, разработке алгоритмов оптимизации процессов отбелки, как по расходу хлорсодержащих реагентов, так и по длительности отбелки, производственных испытаниях оптико-спектрального датчика белизны, а также разработке технологии прогнозирования результатов отбельного процесса по данным ультрафиолетовой спектрофотометрии жидкофазных продуктов отбелки.

Задачи работы: настройка, исследование технико-эксплуатационных характеристик, конструктивная доработка и тестирование на различных объектах лабораторных приборов* и промышленных датчиков для исследования и контроля оптических свойств целлюлозы и целлюлозной пульпы в лабораторных и цеховых условиях, включая лабораторные спектрофотометрические приборы для ультрафиолетовой и видимой областей спектра, колориметрический датчик на основе трехэлементного 1ЮВ-фотодиода, а также оптико-спектральный датчик белизны- - сопоставительный анализ фотометрических характеристик оптических приборов, использующих интегрирующие сферы с различной оптогеометрической конфигурацией;

— анализ и обобщение результатов промышленных испытаний оптико-спектрального датчика белизны;

— оптимизация алгоритмов хлорирования целлюлозы, использующих оптические технологии дозировки белителя.

Научная новизна работы:

— установлено теоретически, что интегрирующая сфера, использующая! внутренний экран для подавленияпрямого попадания светового потока от источника на образец, обеспечивает такую же фотометрическую погрешность измерения коэффициентов диффузного отражения, что и сфера с вынесенными за пределы ее полости излучателем и приемником;

— впервые получены необходимые количественные данные по влиянию хлорирования на оптические свойства целлюлозы;

— впервые показано, что оптимальный расход хлорсодержащего реагента в отбельном процессе целлюлозы может быть определен из зависимости коротковолнового коэффициента отражения от уровня хлорирования массы, как точка перехода от участка быстрого убывания коэффициента отражения* к участку с постоянным значением отражательной способности;

— в рамках теории Кубелки-Мунка впервые установлена количественная взаимосвязь между диффузным отражением света целлюлозой в видимом диапазоне длин волн и ультрафиолетовым поглощением жидкофазных продуктов ее отбелкипредложен алгоритм прогнозированияотбельного процесса, основанный на ультрафиолетовой спектрофотометрии фильтратов водных растворов остаточных лигнинов.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований и компьютерного моделирования, а также данными промышленных испытаний в условиях действующих производств.

Внедрение результатов работы. Предложенный оптико-спектральный датчик белизны установлен в отбельных производствах Котласского целлюлозно-бумажного комбината (г. Коряжма) и Сыктывкарского лесопромышленного комплекса (г. Эжва).

Личный вклад автора. Все основные результаты, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной" работе, получены* лично автором. Общая постановка целей и задач исследований проведена совместно с научным руководителем’работы Яськовым А. Д. Подготовка к публикации полученных результатов осуществлялась совместно с соавторами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на:

— X Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий* в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

— П1 Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленнойсоциальной и экономической сфер» (г. Муром, 2011 г.) — 1.

— VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2011 г.);

— XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.);

— конференциях профессорско-преподавательского состава СПб НИУ ИТМО в 2008;2011 гг.

Публикации. Всего опубликовано в виде научных статей, трудов научных конференций и учебных пособий 10 работ. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей в журналах списка ВАК, а также 3 работы в материалах международных и всероссийской научных конференций.

4.3 Выводы к главе 4.

В. ходе промышленных испытаний оптико-спектрального датчика! были исследованы алгоритмы оптимизации дозировки хлорсодержащего белящего реагента. Было подтверждено, что метрологические возможности оптического канала на, длине волны X = 457 нм, определяющего параметр белизны В, ограничены как характеристиками технологическогопотока- (концентрацией пульпы, скоростью потока и др.), так и передаточной функцией оптического тракта, (временным изменением световых характеристик излучателяснижением прозрачности оптического окна зонда и др.). Использование дополнительных оптических каналов на длинах волн % = 630 и 1100 нм позволяет частично скомпенсировать действие некоторых внешних факторов, таких как изменение концентрации целлюлозной пульпы (оптический канал на X = 1100 нм). Но во всех фотометрических алгоритмах применения оптико-спектрального датчика белизны, в том числе и использующих спектральное отношение ^457/^630, остается некомпенсированным продолжительный временной дрейф параметров оптических каналов.

Предложенный здесь алгоритм оптимизации расхода белящего реагента, основанный на определении особой точки в зависимости В{ка) (рис. 4.9), позволяет полностью устранить действие на результаты отбелки различных внешних факторов. Так изменение концентрации хлорируемой целлюлозной массы или же снижение прозрачности входного оптического окна датчика приводят только к смещению графика на рис. 4.9 по оси ординат, а качественный вид зависимостей белизны В или спектрального отношения /?457/ 7?6зо от расхода хлор содержащего белящего реагента сохраняется.

В связи с этим представляется возможным упростить конструкцию оптико-спектрального датчика, оставив в нем только один канал измерений на длинах волн в фиолетово-синей области спектра, а также отказаться от контроля жесткости целлюлозы на входе и выходе ступени отбежи.

Заключение

.

В рамках настоящей работы были проведены исследования влияния хлорирования на оптические свойства целлюлозы с использованием спектрофотометрических приборов, а также промышленные испытания оптико-спектрального датчика белизны, предназначенного для. регулирования расхода хлорсодержащих отбеливателей в технологическом потоке.

Тестирование лабораторных приборови? промышленных датчиков показало, что они обеспечивают достаточно точные, результаты измерений и могут представлять интерес не только для целлюлозно-бумажной промышленности, но и для отбельных производств других отраслей текстильной, пищевой и т. д.).

Сопоставительный анализ фотометрических характеристик оптических приборов, использующих интегрирующие сферы с различной оптогеометрической конфигурацией, установил, что фотометрическая сфера с экраном для подавления прямого попадания светового потока от источника на образец обеспечивает такую же погрешность измерения коэффициентов диффузного отражения, что и сфера с вынесенными за пределы ее полости излучателем и приемником. Влияние изменения размеров экрана и выходного порта на распределение освещенности на поверхности сферы и образца может не учитываться. Основная фотометрическая погрешность обусловлена снижением*освещенности в полости интегрирующей сферы.

Установленная', в рамках теории Кубелки-Мунка количественная взаимосвязь между диффузным отражением света, целлюлозой в видимом диапазоне длин, волн и ультрафиолетовым поглощением жидкофазных продуктов ее отбелки позволила только на основании результатов оптических измерений в ультрафиолетовой области спектра прогнозировать оптические характеристики выходной целлюлозы, а также корректировать параметры технологического потока для их оптимизации.

Исследование влияния хлорирования на оптические свойства целлюлозы в лабораторных и цеховых условиях позволило разработать алгоритм дозировки хлорсодержащих белящих реагентов с применением оптико-спектральных датчиков. Данный алгоритм основан на нахождении в зависимостях параметра белизны и спектрального отношения ^^457/^630 от концентрации активного хлора в белителе характерной точки, соответствующей переходу от участка быстрого спада этих параметров к участку, где они фактически не изменяются при возрастании уровня хлорирования. Алгоритм исключает ошибки в дозировке хлорсодержащих белящих реагентов, свойственные оптическим датчикам фотометрического типа, а также позволяет полностью устранить действие на результаты отбелки различных внешних факторов (снижение прозрачности оптического окна датчика, изменение концентрации целлюлозной массы и др.).

Установленные алгоритмы использования оптико-спектрального датчика белизны подтвердились результатами пробных отбелок целлюлозы, проводимых на производствах Котласского целлюлозно-бумажного комбината (г. Коряжма) и Сыктывкарского лесопромышленного комплекса (г. Эжва).