Sensori di misura per il controllo di processo nella produzione di pasta e carta

Cosa comporta la produzione di pasta di legno

Dall'invenzione della carta in pasta di legno e dei cosiddetti processi al solfato e al solfito, a metà del XIX secolo, è stato possibile produrre carta a base di legno. Durante i processi al solfato e al solfito, il legno sfibrato meccanicamente viene decomposto chimicamente mediante bollitura in soluzioni contenenti idrossido di sodio e solfuro di sodio o anidride solforosa, al fine di separare i componenti indesiderati dalle fibre di cellulosa contenute. Si tratta in particolare delle lignine che formano il legno, dei polisaccaridi detti "ermicellulose", delle resine e dei minerali. Mentre le fibre di cellulosa sotto forma di soluzioni acquose vengono pulite e sbiancate in vari processi a più fasi, le resine separate vengono utilizzate per produrre tall oil, che viene raffinato e poi utilizzato nella fabbricazione di prodotti come saponi e lacche.

Processi di produzione di cellulosa e carta

La qualità del prodotto finito dipende non solo dalle proprietà della materia prima, ma anche dalle varie procedure di pulizia e miscelazione utilizzate per la sua lavorazione. Questi includono essenzialmente l'ebollizione della pasta nel liquore bianco utilizzato nel processo di solfatazione, la successiva filtrazione e il lavaggio della materia bollita nelle linee di filtrazione e lo sbiancamento in torre a più stadi, in cui la pasta viene trattata alternativamente con vari ossidanti. La pasta, chiamata stock in questa fase, entra poi nella fase di preparazione dello stock. Qui viene prima mescolata e macinata con vari materiali fibrosi nella vasca di miscelazione, a seconda della ricetta. Vengono aggiunti riempitivi come caolino, carbonato di calcio, colla e inchiostri per ottenere le proprietà desiderate di quella che poi diventerà carta. Nella cassa d'afflusso, la pasta viene poi distribuita uniformemente sui vagli da ugelli fini per la disidratazione e l'aerazione. Questi trasportano la pasta alla sezione di pressatura ed essiccazione della cartiera.

Punti di misura cruciali nel processo di produzione

Numerosi sensori di pH e conducibilità devono garantire la qualità del processo nelle varie fasi di produzione della pasta. Una spremitura chimica troppo intensa, o dosaggi di agenti sbiancanti e residui non sufficientemente monitorati, possono danneggiare facilmente le fibre e ridurne la resistenza, soprattutto durante la bollitura o lo sbiancamento. Tali danni possono essere rilevati solo nei controlli di qualità finali, in cui il cartone o la carta vengono testati per la lunghezza dello strappo, la resistenza allo strappo e la resistenza allo strappo. L'intensità del macero chimico deve quindi essere monitorata e regolata. A tal fine si utilizzano misure di conducibilità, in cui viene monitorata la concentrazione del bagno bianco nelle caldaie per la pasta. Poiché il fluido di processo caldo è altamente alcalino ed estremamente contaminato, il sensore di conducibilità induttivo SE655 ha dimostrato la sua validità grazie alla sua struttura robusta in PEEK resistente alla corrosione. Gli elettrodi del sensore, progettato per misurare la concentrazione di acidi e alcali in fluidi molto sporchi e incrostanti, non sono in contatto diretto con il fluido. Al contrario, l'SE 655 è dotato di un'ampia apertura toroidale del sensore, che riduce al minimo il rischio di contaminazione. L'SE 655 è progettato per un ampio campo di misura da 0,002 a 2000 mS/cm a temperature da -20 a 110 °C e resiste a pressioni fino a 20 bar.

Misure di pH e ORP durante lo sbiancamento in torre

Le misure di ORP e pH svolgono un ruolo importante nel processo di sbiancamento a torre. Il processo di sbiancamento serve a rimuovere residui come la lignina residua. In contenitori a torre in diverse fasi, la pasta viene trattata alternativamente con biossido di cloro e idrossido di sodio o, in processi più moderni ed ecologici, con perossido di idrogeno, ossigeno e ozono. I processi di sbiancamento si basano su uno scambio di elettroni tra gli agenti sbiancanti e le sostanze sbiancate. L'efficacia degli agenti sbiancanti dipende dall'entità del loro potenziale di ossidazione, che può essere determinato mediante misurazioni ORP.

I mezzi contaminati da solidi spesso bloccano il sistema di riferimento dei sensori convenzionali, ma in questo caso viene utilizzato il sensore ORP SE564 Memosens, che elimina questo rischio grazie a una giunzione aperta a doppia perforazione. Il sistema di riferimento con un moderno elettrolita polimerico garantisce la misurazione del potenziale con una stabilità a lungo termine da -1500 mV a 1500 mV. Dopo ogni processo di sbiancamento, la pasta viene lavata e deve essere controllata per verificare la presenza di residui di sbiancamento mediante misure di pH prima di entrare in contatto con altri prodotti chimici nella torre successiva. A bassa manutenzione e sviluppato per supporti con elevati carichi di detriti ed estrema forza ionica, Memosens SE571 viene utilizzato per il monitoraggio del pH dopo ogni lavaggio. Il suo sistema di riferimento è in contatto con il fluido di processo tramite una giunzione ad anello in PTFE, riducendo al minimo il rischio di contaminazione o blocco. Il sensore è inoltre protetto dalla lisciviazione grazie al suo serbatoio di sale. Uno speciale elemento di riferimento a cartuccia con trappola per ioni d'argento impedisce l'avvelenamento del sistema di riferimento.

Recupero delle sostanze chimiche utilizzate 

Il recupero dei prodotti chimici utilizzati è fondamentale per un funzionamento efficiente dal punto di vista dei costi delle cartiere. Per questo motivo, gran parte degli impianti di produzione di pasta di legno e carta è utilizzata per trattare il bagno nero derivante dalla filtrazione e dal lavaggio delle fibre di legno bollite e separate. Il bagno nero ha inizialmente un contenuto di solidi fino al 20%. Questo contenuto viene aumentato fino a circa l'80% per mezzo dell'evaporazione, in modo che il liquido denso ora prodotto possa essere incenerito dopo l'aggiunta di solfato di sodio. Convertendo l'energia liberata in elettricità e calore di processo, le cartiere possono coprire gran parte del loro fabbisogno energetico totale. Allo stesso tempo, rimane un fondente costituito da carbonato di sodio e solfuro di sodio, che viene disciolto nel bagno verde. La successiva causticizzazione del bagno verde con latte di calce produce idrossido di sodio e fanghi di calce, che vengono separati mediante filtrazione o sedimentazione. Mentre il liquore bianco così ottenuto dal liquore verde viene riutilizzato nel processo di bollitura, la calce separata dopo l'essiccazione e la cottura viene utilizzata per produrre nuovamente il liquore bianco. I sensori Memosens SE630 sono utilizzati per misurare la conducibilità, necessaria non solo nelle diverse sezioni del processo di lavaggio della pasta, ma anche nelle diverse stazioni del circuito del bagno nero. I sensori di conducibilità, con un campo di misura da 10 µS/cm a 20 mS/cm, sono progettati per un'elevata pressione fino a 16 bar e temperature fino a 135 °C. Sono piuttosto flessibili nell'uso grazie alla loro elevata resistenza chimica, termica e meccanica e alla facilità di pulizia. Nel ciclo di recupero chimico, servono anche a monitorare il breakthrough delle caldaie del bagno nero e a controllare l'efficienza della recausticizzazione del bagno verde, ad esempio.

La sicurezza del personale tecnico 

Molti punti di misura nella produzione di cellulosa sono posizionati in ambienti in cui la presenza di personale tecnico deve essere limitata al minimo. A causa dell'aggressività dei fluidi di processo ad alto contenuto di solidi, i sensori presentati sopra sono soggetti a una durata limitata, nonostante la loro struttura molto robusta. Tuttavia, riducono notevolmente la manutenzione e quindi il tempo di permanenza del personale nei punti di misura. L'uso di sensori Memosens pre-calibrati elimina completamente la necessità di calibrazione in loco. Inoltre, i sensori Memosens - a differenza degli elettrodi cablati - possono essere rapidamente inseriti e disinseriti grazie agli attacchi a baionetta a sgancio rapido. Questi accoppiamenti, che trasmettono i dati del sensore e forniscono tensione in modo induttivo, sono completamente insensibili all'umidità e ai depositi, e non richiedono la gestione dei cavi, necessaria quando si sostituiscono i prodotti tradizionali. Per le misure in linea con i sensori Memosens, sono disponibili anche i raccordi retrattili della serie SensoGate, che possono estendere, pulire, calibrare e reintrodurre il sensore nel processo a intervalli e in modo completamente automatico. La camera di lavaggio di questi raccordi retrattili è perfettamente sigillata rispetto al processo, per cui la manutenzione del sensore può essere eseguita alla massima pressione di processo. Il raccordo retrattile ad azionamento manuale SensoGate WA131M offre una soluzione particolarmente economica per la sostituzione rapida dei sensori in linea.