СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ "МАКРОСТИКОВ" В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕРАБОТКИ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ ИЛИ САНИТАРНО-БЫТОВЫХ БУМАГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
"MACROSTICK" CONTROL METHOD DURING PROCESSING AND PRODUCTION OF PAPER OR HYGIENIC PAPER USING SECONDARY PROCESSED CELLULOSE

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу измерения концентрации и размера видимых гидрофобных частиц («макростиков») в текущей целлюлозной массе. Более конкретно настоящее изобретение относится к устройству и способу осуществления анализа «макростиков» в реальном масштабе времени в текущем потоке жидкой целлюлозной массы. В настоящем способе используется флуоресцентный анализ изображения для идентификации и подсчета «макростиков», а также для измерения их размеров.
Предпосылки создания изобретения
Характеристика видимых гидрофобных частиц, более конкретно видимых гидрофобных частиц в жидкой среде, - это важная проблема общего характера, имеющая особое применение в целлюлозно-бумажной промышленности, в особенности в приложении к вторичному волокну. Отложение вязких и липких веществ и образование больших скоплений гидрофобных материалов представляют серьезную проблему в процессе производства бумаги и санитарно-бытовых бумаг с использованием вторичного сырья. Для разных сортов бумаги эти неполярные липкие загрязняющие примеси, в особенности освободившиеся в ходе роспуска бумажного брака (репульпации), могут стать нежелательными компонентами состава бумажной массы в бумажном производстве и причиняющими беспокойство отложениями на оборудовании, например, на проводах бумагоделательной машины или машины для выработки санитарно-бытовых бумаг.
Вязкие и липкие вещества («стики» и «тэки») - это органические вещества, которые не имеют точного определения. «Стики» и «тэки» - это вязкие вещества, содержащиеся в системе оборотной и технической воды, которые откладываются на одежде, цилиндрах или валиках бумагоделательной машины или машины для выработки санитарно-бытовых бумаг. Синтетические материалы, из которых состоят «стики» и «тэки» (также известные как белая смола), включают адгезивы и связующие вещества, такие как бутадиен-стирольный каучук, этиленвиниловый ацетат, поливиниловый акрилат, поливинилбутираль, полибутадиен и другие, а также компоненты типографской краски, такие как воск, алкидные смолы, акрилаты полиола и т.д. Натуральная древесная смола, присутствующая в целлюлозе из первичного сырья, включает жирные кислоты, жирные сложные эфиры и смоляные кислоты. Натуральная древесная смола более полярна, чем «стики», но в целом также принадлежит к классу гидрофобных примесей и имеет сходные характеристики, относящиеся к мониторингу загрязняющих веществ.
Наиболее распространенная классификация «стиков», используемая в целлюлозно-бумажной промышленности, основана на размерах «стиков» и делит их на три класса: макро, микро и коллоидные. «Макростиками» считаются частицы, которые образуются в результате первичного дробления вторичного сырья во время репульпации. Для удобства классификации принято считать, что размер типичных частиц «макростиков» составляет больше 0.1 мм. «Макростики» удаляются главным образом путем грубого и тонкого сортирования на решетках.
«Макростики» также остаются как остатки на решетках после лабораторного сортирования с шириной отверстия решетки 0.10-0.15 мм. Основными источниками этих веществ являются термоплавкие клеи и клеи, склеивающие при надавливании. «Макростики» могут включать адгезивы и связующие вещества, такие как бутадиен-стирольный каучук, этиленвиниловый ацетат, поливиниловый акрилат, поливинилбутираль, полибутадиен и другие, и/или компоненты типографской краски, такие как воск, алкидные смолы, акрилаты полиола и подобные им вещества. Применяемые в настоящее время способы определения количественных значений «макростиков» являются трудоемкими, и не существует технических приемов непрерывного мониторинга.
Микро (0.1-0.01 мм) и коллоидные «стики» - это «стики», которые могут проходить через отверстия решетки. «Микростики», которые проходят через решетку, могут затем скапливаться и откладываться на бумагоделательной машине/машине для выработки санитарно-бытовых бумаг или попадать в конечный продукт как вновь образованные вторичные «макростики».
Дифференциация, основанная на размере частиц, является условной и не может применяться с большой точностью при различных способах мониторинга. Так, ограничение размеров в предложенном способе не то же самое, как ограничения размеров «макростиков», хотя специалисты, сведущие в данной области, узнают этот способ как способ мониторинга «макростиков». На самом деле, в целлюлозно-бумажной промышленности размер измеряемых «стиков» может быть меньше, чем 0.1 мм при условии, что частицы могут быть обнаружены с помощью системы формирования изображения, которая может включать цифровую микроскопическую камеру, и они оптически разграничены от окружающей среды. Коллоидные «стики» не подходят под это определение, в то время как «микростики» с размерами 0.05-0.10 мм подходят под это определение. Размерные ограничения обычно определяются свойствами используемой системы формирования изображения и отношением уровня сигнала к уровню шума зарегистрированного изображения, где шум может быть электронным, а также фоновым шумом окружающей среды.
Центр управления МТО авиации ВМС (Nalco) разработал собственную технологию для контроля «микростиков», основанную на пьезокварцевом микровзвешивании (QCM) (см., например, Duggirala & Schevchenko, заявка на патент США №2006.0281191; Schevchenko и др., патент США №7,842,165). Технология, основанная на пьезокварцевом микровзвешивании (QCM), подходит для мониторинга «микростиков», но не подходит для «макростиков», потому что «макростики» не прилипают к QCM-поверхности в потоке целлюлозной массы.
Известно, что молекулы флуоресцентных красителей, которые испускаются из состояния переноса межмолекулярного заряда, чувствительны к полярности среды. Полярность влияет на флуоресценцию молекул красителей (и по длине волны, и по интенсивности) и в случае неоднородных систем, таких как суспензии нерастворимых органических жидкостей в воде. Такие красители могут связываться непосредственно с гидрофобными частицами или каплями, которые оказывают сходное воздействие на оптические свойства красителей. Основываясь на этих свойства, были разработаны способы визуализации белковых красящих веществ на основе красителей, которые связываются нековалентной связью с белковыми комплексами. Такие технические приемы были также объединены с операциями электрофореза.
Авторы Perfect и др. (публикация ВОИС заявки на патент № WO 2010007390) описывают способ оценки составов многофазных (водных/органических) жидкостей, который в частности отслеживает наличие нефти в воде в местах очистки сточных вод. Авторы Perfect и др. определили, что для выполнения указанного способа предпочтительной является молекула красителя Nile Red («найл ред»). Nile Red является идеальным для оценки органической фазы многофазного жидкого образца, потому что он излучает более интенсивный сигнал при контакте с органической фазой, чем при контакте с водной фазой, причем имеется значительный по длине волны сдвиг. Nile Red имеет высокую фотохимическую стабильность, интенсивный пик испускания флуоресценции и относительно низкую стоимость. Авторы Perfect и др. далее сообщают, что указанный способ может использоваться для распределения по размеру капель органической фазы или водной фазы в многофазном жидком образце на основе анализа изображения. Авторы прогнозируют использование способа в около реальном или реальном масштабе времени.
Авторы Gerli и др. (заявка на патент США №2009/0260767) описывают способ мониторинга и контроля одного или нескольких типов гидрофобных загрязняющих веществ в бумагоделательном процессе. Указанный способ использует проведение измерений с красителями, которые способны к флуоресценции и взаимодействию с гидрофобными загрязняющими веществами. Указанный способ не позволяет проводить измерения «макростиков» или вести мониторинг в реальном времени. Авторы Gerli и др. дают объемную обобщенную характеристику «макростиков» в образце фильтрата.
Автор Sakai (заявка на патент Японии №2007/332467) предлагает осуществлять обработку микроскопического изображения частиц в очищенной от краски целлюлозной массе с целью количественного анализа частиц. Однако процесс, описанный в указанной заявке, не имеет отношения к непрерывному мониторингу с впрыскиванием красителей.
Таким образом, существует необходимость дополнения технологии измерения «микростиков» способом сравнительного мониторинга «макростиков» в реальном времени. Такой способ позволил бы использовать в устройствах изготовления бумаги/устройствах рециклинга древесную массу более низкого качества и больше вторичного сырья, чем это можно сделать сейчас. Желательно, чтобы два указанных способа измерения позволяли осуществлять непрерывные настройки в реальном времени с целью максимального повышения эффективности процесса.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение предлагает способ мониторинга регулируемого параметра в водной суспензии целлюлозной массы. Водная целлюлозная суспензия содержит загрязняющие вещества. Указанный способ включает следующие шаги: создание потока водной суспензии целлюлозной массы; подача света в водную суспензию целлюлозной массы; добавление гидрофобного красителя в водную суспензию целлюлозной массы, причем добавление осуществляется в условиях, вызывающих взаимодействие гидрофобного красителя с загрязняющими веществами, причем это взаимодействие вызывает изменение флуоресцентного излучения; регистрация изображения изменения флуоресцентного излучения; изменение изображения таким образом, чтобы выделить изменение флуоресцентного излучения, вызванное взаимодействием гидрофобного красителя по крайней мере с одним из загрязняющих веществ; и измерение регулируемого параметра в водной суспензии целлюлозной массы на основе измененного изображения.
Настоящее изобретение предлагает также устройство для мониторинга регулируемого параметра в водной суспензии целлюлозной массы, содержащей загрязняющие вещества. Указанное устройство включает емкость, оборудованную смесителем, устройство контроля температуры, измерительную ячейку, устройство циркуляции водной суспензии целлюлозной массы, источник света, устройство формирования изображения, а также обрабатывающее устройство. Устройство контроля температуры функционально связано с устройством контроля температуры водной суспензии целлюлозной массы. Указанная емкость функционально связана с измерительной ячейкой и устройством циркуляции водной суспензии целлюлозной массы таким образом, что водная суспензия целлюлозной массы циркулирует через измерительную ячейку. Указанный источник света установлен таким образом, чтобы подавать свет в водную суспензию целлюлозной массы, когда водная суспензия целлюлозной массы проходит через измерительную ячейку. Указанное устройство формирования изображения функционально размещено таким образом, чтобы регистрировать изображение изменения флуоресцентного излучения. Указанная измерительная ячейка устроена таким образом, чтобы возвращать водную суспензию целлюлозной массы в емкость.
Указанные способы предпочтительно используются для характеристики «макростиков» в водной среде. Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из нижеследующего подробного описания и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание нескольких видов чертежей
Достоинства и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны для средних специалистов после изучения нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
На Фигуре 1A дан перспективный вид первого варианта осуществления изобретения;
На Фигуре 1B дана схема нескольких шагов, предпринимаемых для определения размера частицы «макростика» в многофазном потоке;
На Фигуре 1C дан перспективный вид второго варианта осуществления изобретения;
На Фигуре 1D дан перспективный вид третьего варианта осуществления изобретения;
На Фигуре 1E дан перспективный вид четвертого варианта осуществления изобретения;
На Фигуре 1F дан перспективный вид пятого варианта осуществления изобретения, который включает тело обтекаемой формы;
На Фигуре 1G дан боковой вид пятого варианта осуществления изобретения, который также включает тело обтекаемой формы;
На Фигуре 2 дана схема варианта осуществления изобретения устройства для гидрофобного анализа разовых проб.
Подробное описание изобретения
Хотя возможны различные варианты осуществления настоящего изобретения, на чертежах и в подробном описании представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, а не с целью ограничить настоящее изобретение конкретным описанным вариантом.
Следует также упомянуть, что заголовок данного раздела «Подробное описание изобретения» является требованием Патентного ведомства США и не ограничивает изобретение, раскрытое в данном документе.
Определения
В настоящей заявке на патент следующие термины имеют указанные ниже определения:
Термин «водная суспензия целлюлозной массы» используется для обозначения водной среды, которая может содержать, а может не содержать некоторый уровень целлюлозы.
Термин «устройство циркуляции водной суспензии целлюлозной массы» используется для обозначения устройства, которое осуществляет циркуляцию водной суспензии целлюлозной массы по трубопроводу. Типичным устройством циркуляции водной суспензии целлюлозной массы является насос.
Термин «регистрация» используется для обозначения регистрации изображения.
Термин «концентрация» используется для обозначения любого измерения подмножества целого к целому. Концентрация в применении к настоящей заявке может измеряться как масса подмножества к объему целого, объем подмножества к объему целого, величина подмножества к массе целого, величина подмножества к объему целого, величина подмножества к величине целого, и т.п. В применении к настоящей заявке подсчет частиц - это тип измерения концентрации.
Термин «загрязняющее вещество» используется для обозначения любого органического вещества, обнаруженного в водной суспензии, которое не является целлюлозой, водой или веществом, которое специально добавляется в водную суспензию. Типичными загрязняющими веществами являются «стики» (вязкие вещества), древесная смола и подобные им вещества.
Термин «цифровая микроскопическая камера» используется для обозначения камеры, способной регистрировать изображения в микроскопе в цифровом формате хранения информации.
Термин «измерительная ячейка» используется для обозначения устройства, имеющего по крайней мере один непрозрачный участок, причем устройство позволяет осуществлять прохождение жидкости, суспензии или подобных им веществ через устройство, причем осуществляется наружное наблюдение за прохождением потока через устройство.
Термин «жидкость» используется для обозначения любой водной среды, однородной или неоднородной, и в частности жидкостей, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности, таких как водная суспензия, полученная в ходе бумажного производства (например, жидкость, содержащая волокна на стадии целлюлозы), тонкая целлюлозная масса, грубая целлюлозная масса, водные суспензии, образовавшиеся в ходе бумажного производства (например, на разных этапах работы бумагоделательной машины или производства целлюлозы), жидкость на водной основе в сукномойке, в секции гидроизоляции пресса и/или на любом этапе процесса бумажного производства, где, с точки зрения специалиста в этой области, нужен мониторинг загрязняющих веществ. В применении к настоящей заявке бумажная масса - это жидкость.
Термин «гидрофобный краситель» используется для обозначения любого красителя, способного испускать флуоресцентное излучение при взаимодействии с загрязняющим веществом, описанным выше.
Термин «макроскопическое загрязняющее вещество» используется для обозначения любого загрязняющего вещества, содержащего частицы размером больше или равным 0.10 мм, как обычно используется в целлюлозно-бумажной промышленности. Видимая гидрофобная частица - это пример типа макроскопического загрязняющего вещества, хотя это может быть не единственный тип.
Термин «немакроскопическое загрязняющее вещество» используется для обозначения любого загрязняющего вещества, которое не является макроскопическим загрязняющим веществом.
Термин «бумажное производство» используется для обозначения способа производства любой бумажной продукции (например, бумаги, санитарно-гигиенических изделий, картона и т.д.) из целлюлозы, причем способ включает образование водной целлюлозной бумажной массы, дренаж бумажной массы с целью образования бумажного полотна и сушка полотна. Этапы образования бумажной массы, дренажа и сушки могут осуществляться любым известным способом. Бумажное производство может включать стадию изготовления целлюлозы (например, изготовление целлюлозы из древесного сырья или вторичного волокна) и стадию отбеливания (например, химическую обработку целлюлозы с целью повышения белизны). Бумажная масса может включать наполнители и/или другие загрязняющие вещества.
Термин «устройство температурного контроля» используется для обозначения любого устройства или сочетания устройств, которые обеспечивают нагрев, охлаждение или и нагрев, и охлаждение, в ручном или автоматическом режиме, с целью контроля температуры.
Термин «регулируемый параметр» используется для обозначения измеряемого или поддающегося количественному определению параметра. Примеры регулируемых параметров, обычно измеряемых в контексте настоящего изобретения, включают распределение частиц по размерам, концентрацию, подсчет частиц, эффективность добавок и т.д.
Термин «видимое загрязняющее вещество» используется для обозначения любого загрязняющего вещества, регистрируемого микроскопом или микроскопической камерой. Видимое загрязняющее вещество - это разновидность макроскопического загрязняющего вещества.
Настоящее изобретение предлагает способ мониторинга в реальном масштабе времени с целью оценки видимых, и более конкретно, макроскопических загрязняющих веществ в водной суспензии, более конкретно в водной суспензии целлюлозной массы, содержащей бумажную массу вторичной обработки. Указанные загрязняющие вещества можно приблизительно разделить на две категории: гидрофобные частицы грязи и гидрофобные «стики» (вязкие вещества). Твердые гидрофобные частицы, такие как куски пластика, также могут присутствовать в бумажной массе, но такие частицы обычно удаляются на стадии подготовки целлюлозы в бумажном производстве. Настоящий способ позволяет количественно определять указанные загрязняющие вещества в потоке разжиженной целлюлозной массы. В частности, могут выбираться и измеряться в реальном масштабе времени «стики» и «макростики» промежуточных размеров. В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанный способ включает обработку целлюлозной массы флуоресцентным красителем. Как концентрация, так и распределение по размеру этих частиц могут оцениваться путем впрыскивания комбинированного, зависимого от гидрофобности флуоресцентного красителя, оптического возбуждения и формирования изображения, а также анализа изображения. Кроме того, видимые частицы грязи могут измеряться с помощью традиционных оптических средств. Таким образом, полная картина макроскопического загрязнения целлюлозы вторичной обработки может быть получена с помощью такой же оптической измерительной установки, которая может быть выполнена в форме групповой конфигурации, приводимой в движение насосом и имеющей замкнутый контур, или в форме устройства непрерывного параллельного потока на целлюлозно-бумажном комбинате.
Важно заметить, что указанное измерение может осуществляться в реальном потоке целлюлозы, в котором присутствуют добавки, без фильтрации или подготовки жидкого образца. Более того, характеристики целлюлозы могут измеряться в ходе того же эксперимента, в котором измеряется уровень гидрофобных микрочастиц, оседающих на поверхности. В целом, указанный способ позволяет измерять характеристики эффективности сортирования на целлюлозно-бумажном комбинате, количество затраченной бумажной массы и степень гидрофобного покрытия целлюлозной массы.
Первый аспект настоящего изобретения состоит в том, что описаны способ и устройство для обнаружения видимых вязких веществ («стиков») в многофазной жидкости, состоящей из воды, имеющей химический состав, типичный для целлюлозно-бумажного комбината, из волокнистой целлюлозной массы и смеси гидрофильных и гидрофобных частиц. Обнаружение видимой гидрофобной частицы с помощью флуоресценции происходит как минимум в три этапа.
На первом этапе флуоресцентный краситель добавляется в многофазный поток с заданной концентрацией, скоростью смешивания и температурой жидкого образца. В системе с замкнутым контуром краситель дозировано добавляется в емкость, которая содержит целлюлозную массу и которая оборудована смешивающим устройством. Масса циркулирует по замкнутому контуру, причем время пребывания частиц определяется экспериментально (до тех пор, пока показания стабильны), и измерения проводятся несколько раз, чтобы определить допустимый предел погрешности. В системе измерения параллельного потока смешивание осуществляется устройствами, потенциально включающими стационарное смешивающее устройство или витой шланг и имеющими достаточное время пребывания частиц. Регулирование времени пребывания частиц, концентрации и температуры образца влияет на скорость поглощения флуоресцентного красителя гидрофобными частицами поверхности и тем самым влияет на измеренное время.
На втором этапе источник возбуждающего света освещает гидрофобную частицу, имеющую флуоресцентный краситель, абсорбированный поверхностью.
На третьем этапе устройство формирования изображения используется для измерения флуоресценции, излучаемой гидрофобной частицей, что является результатом процесса переноса энергии поглощающих флуоресценцию протонов с возбуждающего источника.
На четвертом этапе используется алгоритм обработки изображения с целью отделения гидрофобной частицы от фона и определения размера частицы. Путем выборки и обработки ряда изображений в текучей системе определяется количество и распределение по размеру частиц «макростиков». Далее подробно описаны различные шаги.
Устройство для обнаружения и измерения размера и распределения «макростиков» показано на Фигуре 1А. Указанное устройство состоит из измерительной ячейки 102 с оптическим доступом 103 и устройством формирования изображения 101. Многофазная жидкость, состоящая из волокнистого материала 104 и частиц 105, которые могут быть как гидрофобными, так и гидрофильными, течет через измерительную ячейку мимо окна оптического доступа 193. Источник света 100, работающий на длине волны возбуждения для гидрофобного красителя (Nile Red), направляется на окно оптического доступа 103. Обнаружение гидрофобной частицы/частиц осуществляется с помощью устройства формирования изображения 101 путем мониторинга излучения флуоресцентного света 106. Излучаемый свет имеет более низкую энергию (большую длину волны) по сравнению с источником возбуждения, что позволяет осуществлять отделение гидрофобных частиц от длины волны источника возбуждения и длин волн излучения путем использования узкополосных и полосовых фильтров.
Используемый источник возбуждения 100 может быть как импульсным, так и постоянным. Примерами возможных источников света могут служить источники света особой длины волны, такие как светодиодные, лазерные источники (диодные, Nd:YAG, аргоновые и т.д.), или сочетание любого источника белого света (СИД, лампа накаливания, дуговая лампа и т.д.) и оптического фильтра для достижения нужной длины волны/длин волн возбуждения. Предпочтительным является способ коллимирования источника света с целью однородного освещения области изображения. Множественный или единичный источник света может использоваться с углом ввода (θ) в диапазоне от величины чуть больше нуля градусов до перпендикуляра. В конфигурации, показанной на Фигуре 1А, обнаружение и расположение света возбуждения происходит на одной и той же стороне окна оптического доступа 103. В такой конфигурации потери света возбуждения от рассеивания и затухания в многофазной жидкости сведены к минимуму, так как длина распространения световых волн в среде минимизирована. Другие варианты конфигураций для введения света возбуждения показаны на Фигурах 1C и 1D.
Предпочтительным вариантом осуществления устройства формирования изображения 101 является камера с матричным детектором с комбинированной сборкой линзы и фильтра. Детектор камеры может быть либо детектор на КМОП-структурах, либо ПЗС-детектор при условии, что квантовая эффективность достаточна высока при коротком времени экспозиции, чтобы обнаружить флуоресценцию. Сочетание высокой квантовой эффективности и короткого времени экспозиции требуется, чтобы обнаружить слабую флуоресценцию частиц в текучей среде без искажения или размывания изображения. Типичная квантовая эффективность для стандартных коммерчески доступных камер на ПЗС является достаточно высокой для обнаружения флуоресценции в указанном применении. Кроме того, типичные камеры на ПЗС используют шаровидный затвор, который помогает сократить искажение и размывание изображения.
Можно также использовать КМОП - камеры, но их нужно выбирать с большей осторожность, так как такие камеры обычно имеют более слабую квантовую эффективность и используют технологию сдвигаемого затвора. Можно использовать специализированные КМОП - камеры с высоким коэффициентом усиления или КМОП - камеры с усилением яркости изображения, но они обычно значительно дороже. Что касается комбинации линзы с фильтром, выбор линзы зависит от желаемого увеличения, а выбор фильтра зависит от длины волны излучения флуоресценции.
Этапы обработки изображения, предпринимаемые для идентификации и определения размера гидрофобных частиц, показаны на блок-схеме на Фигуре 1В. Обработка изображения может производиться в реальном масштабе времени путем регистрации изображения и его обработки с помощью либо компьютера, либо процессора, встроенного в камеру. Как вариант изображения могут накапливаться с помощью носителя данных (например, магнитной ленты, жесткого диска и.т.д.) и обрабатываться в более позднее время.
Блок-схема на Фигуре 1В показывает этапы обработки и образец изображения для иллюстрации каждого этапа обработки. На первом этапе первичное изображение регистрируется для анализа. Показанный образец изображения взят из лабораторных измерений жидкого образца целлюлозно-бумажного комбината с использованием конфигурации, сходной с той, что показана на Фигуре 1А. В этом примере гидрофобная частица четко выделена с помощью яркого пятна на изображении. Однако на первичном изображении показаны также более мелкие частицы наряду с волокнистым материалом, так что общий фон изображения становится серым. В целях фоновой коррекции в указанном случае применяется изменение питания для снижения яркости и контрастности в темных областях и увеличения контрастности в ярких областях. Как видно на образце изображения, изменение значительно удаляет серый фон вместе с большим участком фонового излучающего материала. Другие способы фоновой коррекции включают извлечение собранного изображения без изменения флуоресценции, вызванной гидрофобными загрязняющими веществами, или извлечение усредненного из предыдущих изображений. Что касается усредненного изображения, может использоваться скользящее среднее с алгоритмом для идентификации и удаления изображений с усредненного изображения, которые содержат флуоресцирующие гидрофобные загрязняющие вещества. Идентификация частиц осуществляется на следующем этапе путем преобразования изображения в бинарное с пороговым ограничением дальнейшего удаления слабо излучающего материала в изображении. В настоящем примере некоторые мелкие остаточные частицы остаются в бинарном изображении для фиксированного значения порога, как указано на изображении. Дополнительная фильтрация, основанная на размерном параметре (например, частицы меньше заданного размера), удаляет изображения мелких остаточных частиц, в результате чего получается чистое бинарное изображение с одной частицей. На заключительном этапе измеряются различные характерные свойства частиц, такие как область покрытия загрязняющими частицами, гидравлический радиус, диаметр диска Waddel, местоположение, высота, длина и.т.д., данные в пикселях. Преобразование пикселей в физические величины (например, миллиметр на пиксел) осуществляется специалистом путем калибровки камеры в соответствии со стандартом. Затем результаты одного анализа сохраняются в памяти, и процедура повторяется для следующего зарегистрированного изображения. Путем сбора результатов проведенных анализов для энного количества изображений можно разработать распределение частот и описательную статистику различных свойств частиц. Выявленная тенденция изменения свойств частиц (например, среднего размера частиц) может применяться для отслеживания характеристик жидкости и влияния на процесс изменений операционной и химической обработки.
Второй аспект настоящего изобретения состоит в использовании системы камер для контроля как флуоресценции гидрофобных частиц, покрытых флуоресцентным красителем, так и характеристик пропускания в многофазной жидкости с целью идентификации гидрофобных частиц, волокон и хлопьеобразующих агентов (флокулянтов). Иллюстрация системы двух камер дана на Фигуре 1Е, где камера 101 контролирует флуоресценцию гидрофобных частиц, а камера 102 - характеристики пропускания в многофазной жидкости. Источник освещения и возбуждения направлен сквозь жидкость, а затем свет расщепляется с помощью двоичного элемента 111, что позволяет осуществлять передачу излучаемого света и отражать свет возбуждения. Камера 110 контролирует свет возбуждения, который ослабляется волокном, флокулянтом и плотностью частиц в жидкости. Одновременный сбор и обработка изображений с камер 101 и 110 позволяет идентифицировать гидрофильные и гидрофобные частицы, а также волокна с гидрофобным материалом, поглощенным поверхностью, и без него. Альтернативной конфигурацией является сочетание отражения обнаруженных гидрофобных частиц и передачи сквозь жидкость остальных частиц и волокна. В этом случае двоичный элемент 111 также используется как фильтр и отражающий элемент. В варианте конфигурации, показанной на Фигуре 1Е, используется светорасщепляющая призма (не показана) с двойными камерами. Одновременный контроль различных характеристик жидкости может осуществляться при условии использования известных способов фильтрования. Кроме того, многокамерная система может также использоваться для контроля на различных оптических глубинах в жидкости.
Третий аспект настоящего изобретения - это способ концентрации многофазной жидкости в области измерения с помощью обтекаемого тела 200, как показано на Фигурах 1F и 1G. Путем помещения обтекаемого тела 200 в поток достигается сокращение области вблизи зоны измерения, тем самым осуществляется концентрация твердого материала ближе к фокальной плоскости системы формирования изображения. Геометрия обтекаемого тела 200 позволяет осуществлять плавный переход по мере того, как жидкость приближается и течет вокруг тела при условии, что число Рейнольдса для потока остается ниже уровня турбулентного переноса (Red<4000). Использование обтекаемого тела усиливает обнаруживающую способность путем увеличения количества частиц, проходящих через фокальную плоскость системы формирования изображения. Кроме того, эта конструкция сводит к минимуму перепад давления в измерительной ячейке, а также уменьшает риск закупоривания.
Четвертый аспект настоящего изобретения основан на регистрации вязких частиц (микро и макро) на оптическом окне, покрытом полупрозрачным гидрофобным материалом, сходным с тем, который описан авторами Schevchenko и др. (публикация заявки на патент США №2009.0056897) и в частично продолжающей заявке (заявка на патент США №12.907,478, дата подачи 19 октября 2010 года), обе эти заявки включены в документ посредством ссылки. Однако вместо того, чтобы использовать кварцевые микровесы для обнаружения скопления вязких частиц, налипших на поверхность с нанесенным покрытием, указанный способ основан на контроле изменения флуоресценции с течением времени. Данная конфигурация сходна с той, что показана на Фигуре 1А, но окно оптического доступа 103 покрыто гидрофобным материалом. Частицы, прилипающие к окну, выявляются путем флуоресценции с использованием источника возбуждения 100. В этом случае динамика жидкости исключается из измерения, сокращая тем самым требования к формированию изображения (время экспозиции, квантовая эффективность, скорость захвата и т.д.). По мере того как растет число частиц, осевших на поверхности, меняется со временем интенсивность и/или площадь покрытия. Отслеживание этих данных во времени дает возможность установить скорость наращивания вязких частиц («стиков») на окне оптического доступа с нанесенным на него покрытием. Изменение скорости наращивания может быть связано с влиянием концентрации химических добавок, с составом бумажной массы или изменениями в технологическом процессе.
Наконец, все конфигурации, показанные на Фигурах 1А, 1C, 1D и 1Е, могут использоваться с обтекаемым телом 200. В случае, когда свет передается в направлении, противоположном камере (через ячейку в нижней части, как показано на Фигурах 1D и 1Е), обтекаемое тело 200 может быть оптически прозрачным. При правильной конструкции оптически прозрачное обтекаемое тело может служить осью коллимации для света, поступающего через ячейку в нижней части.
Вариантом осуществления настоящего изобретения является способ контроля размера по крайней мере одного макроскопического загрязняющего вещества, или концентрации макроскопических загрязняющих веществ, в водной среде, такой как водная суспензия целлюлозной массы, и более конкретно, в водной суспензии целлюлозной массы вторичной переработки. Водная суспензия содержит загрязняющие вещества, как макроскопические, так и микроскопические. Указанный способ включает следующие этапы: создание потока водной суспензии целлюлозной массы; добавление гидрофобного красителя в водную суспензию целлюлозной массы, причем добавление осуществляется в условиях, вызывающих взаимодействие гидрофобного красителя с загрязняющими веществами, причем это взаимодействие вызывает изменение флуоресцентного излучения; регистрация изображения изменения флуоресцентного излучения, причем изображение имеет фон; коррекция фона изображения; отфильтровывание из изображения зарегистрированного изменения флуоресцентного излучения, вызванного немакроскопическим загрязняющим веществом; и качественная характеристика размера частиц по крайней мере одного макроскопического загрязняющего вещества, или концентрации макроскопических загрязняющих веществ, с использованием не отфильтрованного зарегистрированного изменения флуоресцентного излучения. Указанный способ применяется на устройстве, включающем измерительную ячейку, источник света и по крайней мере одну цифровую микроскопическую камеру. Коррекция фона усиливает зарегистрированное изменение флуоресцентного излучения, вызванного взаимодействием гидрофобного красителя с макроскопическим загрязняющим веществом (веществами), при этом она ослабляет зарегистрированное изменение флуоресцентного излучения немакроскопического загрязняющего вещества (веществ) и волокон, покрытых гидрофобным слоем. Излучение от этих волокон гораздо менее интенсивно, чем от видимых/макроскопических загрязняющих веществ.
Предметом другого варианта осуществления изобретения является способ измерения эффективности добавки. Добавка вводится в жидкую бумажную массу для снижения отложения макроскопических загрязняющих веществ в бумажном производстве. Водная суспензия содержит загрязняющие вещества, как макроскопические, так и микроскопические. Указанный способ включает следующие этапы: создание потока водной суспензии целлюлозной массы; добавление гидрофобного красителя в водную суспензию целлюлозной массы, причем добавление осуществляется в условиях, вызывающих взаимодействие гидрофобного красителя с загрязняющими веществами, причем это взаимодействие вызывает первое изменение флуоресцентного излучения; регистрация изображения первого изменения флуоресцентного излучения, причем изображение имеет фон; коррекция фона изображения; отфильтровывание из изображения зарегистрированного первого изменения флуоресцентного излучения, вызванного немакроскопическим загрязняющим веществом; введение добавки в водную суспензию; повторение шагов добавления красителя, регистрации и корректировки изображения, отфильтровывания с целью создания не отфильтрованного зарегистрированного второго изменения флуоресцентного излучения; сравнение не отфильтрованного зарегистрированного второго изменения флуоресцентного излучения с не отфильтрованным зарегистрированным первым изменением флуоресцентного излучения. Указанный способ применяется на устройстве, включающем измерительную ячейку, источник света и по крайней мере одну цифровую микроскопическую камеру. Коррекция фона усиливает зарегистрированные изменения флуоресцентного излучения, вызванные взаимодействием гидрофобного красителя с макроскопическими загрязняющими веществами, при этом она ослабляет зарегистрированные изменения флуоресцентного излучения немакроскопических загрязняющих веществ.
Предметом еще одного варианта осуществления изобретения является способ измерения эффективности добавки, закрепляющей «микростики», что снижает концентрацию невидимых (коллоидных) «микростиков» в водной суспензии бумажной массы. Закрепляющая добавка прикрепляется ровно к поверхности волокна. В результате этого флуоресценция волокна, покрытого гидрофобным слоем, возрастает. Этот рост может использоваться для количественного определения воздействия закрепляющей добавки. Как правило, флуоресценция волокна отфильтровывается как фон из зарегистрированного изображения. В настоящем варианте осуществления изобретения фильтр устанавливается таким образом, чтобы измерялась флуоресценция волокна, покрытого гидрофобным слоем, а флуоресценция, соответствующая как видимым, так и коллоидным загрязняющим веществам, отфильтровывалась из зарегистрированного изображения.
Указанная добавка вводится в водную суспензию целлюлозной массы для снижения отложения гидрофобных макроскопических загрязняющих веществ в бумажном производстве. Водная суспензия целлюлозной массы, как правило, содержит загрязняющие вещества, как макроскопические, так и микроскопические. Указанный способ включает следующие этапы: создание потока водной суспензии целлюлозной массы; добавление гидрофобного красителя в водную суспензию целлюлозной массы, причем добавление осуществляется в условиях, вызывающих взаимодействие гидрофобного красителя с загрязняющими веществами, причем это взаимодействие вызывает изменение флуоресцентного излучения; регистрация изображения изменения флуоресцентного излучения, причем изображение имеет фон; коррекция фона изображения; отфильтровывание из изображения зарегистрированного изменения флуоресцентного излучения, вызванного макроскопическими и микроскопическими свободно плавающими загрязняющими веществами; и определение эффективности указанной добавки с использованием не отфильтрованного зарегистрированного изменения флуоресцентного излучения, вызванного волокном. Шаг определения эффективности может осуществляться путем сравнения измеренного изменения флуоресцентного излучения, вызванного волокном, со средними значениями или любым другим известным способом. Указанный способ применяется на устройстве, включающем измерительную ячейку, источник света и по крайней мере одну цифровую микроскопическую камеру. Коррекция фона усиливает зарегистрированное изменение флуоресцентного излучения, вызванное взаимодействием гидрофобного красителя с гидрофобным слоем на поверхности волокон, при этом она ослабляет зарегистрированное изменение флуоресцентного излучения свободно плавающих загрязняющих веществ.
В попытке предотвратить отложение загрязняющих веществ на оборудовании бумажного производства можно добавить химический реагент в водную суспензию целлюлозной массы. Эффективность добавки можно измерить посредством настоящего изобретения путем определения того, выросла ли концентрация макроскопических загрязняющих веществ, уменьшилась ли или осталась неизменной, попадает ли она в выбранный диапазон, или размер частиц загрязняющих веществ становится больше, меньше или остается прежним. Эффективность одного конкретного класса добавок, который может включать закрепляющие добавки, может быть измерена на основе изменения флуоресценции волокон, покрытых гидрофобными загрязняющими веществам, причем флуоресценция увеличивается по мере того, как все большее количество загрязняющих веществ откладывается на волокнах. Такое измерение может позволять сравнивать эффективность одной добавки с другой (или несколькими), или такое измерение может позволять оптимизировать количество или концентрацию добавки, вводимой в водную суспензию целлюлозной массы. Подобные вычисления или сравнения можно было бы осуществлять в отношении источников целлюлозы, регулируемых параметров процесса или в любой другой подходящей с точки зрения специалиста области.
В качестве источника света может использоваться светодиод, что является предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
В качестве гидрофобного красителя может использоваться сольватохромный краситель, например, химический реагент, включающий феноксазиновый краситель, карбоцианин, перидий-бетаиновый краситель, полисульфонатный краситель, родамин краситель, флуоресцеин или комбинация одного или нескольких из этих веществ. Особенно предпочтительным вариантом осуществления изобретения является гидрофобный краситель Nile Red.
Гидрофобный краситель может быть растворен в органическом растворителе, который способен смешиваться с водой, например, метанол, этанол, пропанол, изопропанол, бутанол или комбинация одного или нескольких из этих растворителей.
На Фигуре 2 показан вариант системы анализа разовых проб гидрофобных веществ. Для проведения анализа целлюлозная масса 304 помещается в контейнер 302. Нагревательный элемент 303 охватывает контейнер 302 с целью нагрева образца и для поддержания нужной температуры. Смешивающее устройство 303 используется для равномерного распределения целлюлозы в водном растворе, а также для быстрого смешивания водной суспензии целлюлозной массы с добавленным раствором красителя. Как показано на Фигуре, поток (водной суспензии целлюлозной массы и красителя) в смешивающем устройстве вращается против часовой стрелки, выходит из контейнера 302 через трубку 305 и прокачивается через измерительную ячейку 102, как было показано раньше, с помощью насоса 306. Анализ текущей целлюлозной массы осуществляется с помощью системы формирования изображения 300, которая включает устройство формирования изображения и источник возбуждения, как описывалось выше. После прохождения через измерительную ячейку целлюлозная масса возвращается в контейнер 302.
В одном из вариантов осуществления изобретения переменным параметром является распределение размера частиц.
В одном из вариантов осуществления изобретения переменным параметром является концентрация.
В одном из вариантов осуществления изобретения переменным параметром является подсчет частиц.
В одном из вариантов осуществления изобретения переменным параметром является эффективность добавки.
Поток водной суспензии целлюлозной массы может подаваться с этапа обработки бумажного производства. Таким этапом может быть этап роспуска бумажного брака (репульпации), этап отмывания печатной краски с макулатуры, этап водяной петли, этап подготовки жидкой волокнистой массы, этап изготовления бумаги или этап изготовления санитарно-бытовых бумаг. Специалист в данной области сопоставит эти этапы и соответствующие типовые процессы. Поток водной суспензии целлюлозной массы может подаваться как из системы циркуляции по замкнутому контуру, где поток нагнетается насосом, так и с помощью бокового оборудования на целлюлозно-бумажном комбинате.
Примеры:
Портативное устройство анализа разовых проб гидрофобных веществ, показанное на Фигуре 2, использующее измерительную ячейку и оптическую систему формирования изображения, было испытано на непрерывном потоке целлюлозной массы в системе циркуляции по замкнутому контуру. Указанное устройство анализа включало смешивающее устройство типа ковша со скоростью 400 оборотов в минуту, скорость потока 1.2 галлонов в минуту, устройство предварительного нагрева целлюлозы при необходимости, причем температура поддерживалась с помощью нагретого наружного кожуха и термоэлемента. Могла использоваться оптическая система в качестве настольного инструмента или проводиться реконфигурация с целью непрерывного мониторинга в режиме онлайн. Для указных примеров использовалась настольная установка. Свежая целлюлоза бралась для образца из первого источника. Свежая целлюлоза изготавливалась из вторичного волокна и затем разводилась водой в соотношении 1:4, до 15 литров. Затем к разведенной целлюлозной массе добавлялся краситель Nile red, 30 мл 0.1% расчетной массы в изопропаноле при смешивании, и после этого немедленно начиналось регистрация (за исключением эксперимента, представленного в Таблице II). Полученные данные хранились в электронном виде. Используя камеру и устройство обработки изображения с подходящими характеристиками, указанными ниже в Таблице I, можно было обнаружить флуоресцирующие вязкие вещества («стики») в потоке раствора целлюлозы без помех со стороны волокон целлюлозы. Флуоресценция от волокон присутствовала, как и ожидалось, но она была гораздо слабее, чем излучение от частиц. Учитывая, что каждый тест занимал 11 минут, согласование по времени было установлено в середине теста для экспериментов, данные по которым приведены в таблицах IV-VI.
Таблица I: Конфигурация камеры и заданные технологические установки для данных, собранных в таблицах II-VI.
Конфигурация камеры
Камера: Imaging Source DMK 31BU03
Экспозиция: 300 микросекунд (1.3333)
Усиление: 900
Частота кадров: 7.5 в секунду
Линза: Pentax 25 мм f/1.4 с 10 мм удлинительным кольцом
Калибровка: 10.05 микрон на пиксель
Количество кадров: 5000 (11 минут на тест)
Период итерации: 100
Условия обработки изображения
Этапы технологической обработки
1 Функция мощности: 2.66
2 Установка порога: нижний уровень = 20, верхний уровень = 255
3 Фильтр частиц (отсортировывать частицы диаметром меньше 80 микрон)
4 Сохранение данных о размере частиц
Для того чтобы иметь сравнимые результаты, необходимо было учитывать степень разбавления и консистенцию каждой порции целлюлозы. Количество частиц с учетом консистенции, указанных в нижеприведенных таблицах как «Кол-во частиц с учетом конс./100», показывает сравнимые значения между двумя порциями целлюлозы. Указанные величины были получены путем деления числа частиц на степень разбавления (20%), а затем на консистенцию. Затем количество частиц с учетом консистенции («Кол-во частиц с учетом конс.») произвольно делилось на 100, и эти полученные значения внесены в таблицы.
Для первого эксперимента использовалась целлюлозная масса с низким содержанием вязких веществ («стиков»). Целлюлозная масса имела консистенцию 1.68%. В этом эксперименте показания снимались семь раз, первый раз через 45 минут после добавления красителя для обеспечения полного насыщения после индукционного периода. Полученные данные показывают хорошую воспроизводимость как по количеству частиц, так и по распределению размера частиц. Таблица II иллюстрирует результаты первого эксперимента.
Для второго эксперимента целлюлозная масса с более высоким содержанием загрязняющих веществ была описана таким же способом. Целлюлозная масса имела консистенцию 4.15%. В этом эксперименте показания снимались непрерывно сразу после добавления красителя. Этот тест дал динамическую картину и продемонстрировал продолжительность индукционного периода до полного насыщения (40 минут при комнатной температуре; время до полного насыщения было значительно снижено путем установки температуры в соответствии со стандартными условиями вторичной обработки 40 градусов Цельсия). Полученные данные показывают хорошую воспроизводимость как по количеству частиц, так и по распределению размера частиц по достижении насыщения. Таблица III иллюстрирует результаты второго эксперимента. Сравнение двух экспериментов продемонстрировало согласованность показаний для двух выбранных образцов, дало примерный индукционный период до достижения состояния равновесия красителя и позволило сравнить уровень загрязнения двух порций целлюлозной массы, который совпал с ожидаемым результатом.
Содержание вязких веществ («стиков») составило приблизительно отношение 1:6.5, что и было ожидаемым результатом.
В третьем эксперименте мы изменяли температуру, чтобы оценить ее влияние на время насыщения. В выбранных условиях при комнатной температуре стабильные показания (насыщения) достигаются приблизительно через один час. Повышение температуры до 40 градусов Цельсия сокращает указанное время приблизительно до 30 минут, а дальнейшее повышение температуры до 55 градусов Цельсия (в момент добавления красителя) - приблизительно до 15 минут.
Таблица II
Результаты первого эксперимента (целлюлозная масса с низким содержанием вязких веществ («стиков»))
Номер
Кол-во частиц
Диапазон
Среднее значение
Среднее Отклонение
Кол-во частиц с учетом конс./100
1
85
3748
394
427
252.9762
2
66
4006
292
498
196.4286
3
65
3812
372
530
193.4524
4
62
3410
369
484
184.5238
5
57
2295
363
378
169.6429
6
79
1328
296
233
235.1190
7
60
1218
279
206
178.5714
Ср.:
204.3651
Таблица III
Результаты второго эксперимента (целлюлозная масса с высоким содержанием вязких веществ («стиков»))
Номер
Время, мин
Кол-во частиц
Диапазон
Среднее значение
Среднее Отклонение
Кол-во частиц с учетом конс./100
0
0
14
188
199
1
3
140
168.6747
2
6
538
309
187
85
648.1928
3
18
811
506
201
93
977.1084
4
30
956
579
204
94
1151.807
5
42
1116
696
209
103
1344.578
6
54
1079
605
209
00
1300.000
7
66
1128
804
204
97
1359.036
Номера 5-7 Ср.:
1334.538
Таблица IV
Результаты эксперимента, проведенного при температуре 25 градусов Цельсия
Номер
Время, мин
Кол-во частиц
Диапазон
Среднее значение
Среднее Отклонение
Кол-во частиц с учетом конс./100
1
6
6
376
355
152
18
2
16.5
19
537
257
164
57
3
29
34
554
214
123
101
4
40.5
35
376
203
107
104
5
53
44
569
242
143
131
6
86
63
599
276
167
187
7
98
68
613
253
132
202
8
153
61
842
314
181
182
9
165
55
1190
320
206
164
10
206.5
60
544
236
137
179
Ср.6-10
187
Таблица V
Результаты эксперимента, проведенного при температуре 40 градусов Цельсия
Номер
Время, мин
Кол-во частиц
Диапазон
Среднее значение
Среднее Отклонение
Кол-во частиц с учетом конс./100
1
6
11
514
268
158
33
2
19.5
41
539
285
164
122
3
31.5
52
696
275
169
155
4
45.5
56
753
276
169
167
5
75.5
58
799
304
205
173
6
133.5
46
773
284
160
137
7
145.5
58
800
310
198
173
Ср.3-7
159
Таблица VI
Результаты эксперимента, проведенного при температуре 55 градусов Цельсия
Номер
Время, мин
Кол-во частиц
Диапазон
Среднее значение
Среднее Отклонение
Кол-во частиц с учетом конс./100
1
6
17
527
263
153
51
2
17.5
63
575
252
157
187
3
29.5
63
1006
245
170
187
4
175.5
54
704
282
176
161
5
186.5
69
778
296
181
205
6
198.5
65
572
274
157
193
Ср.2-6
187
Все патенты, на которые есть ссылка в настоящем документе, включены в документ посредством ссылки, независимо от того, указано это в тексте или нет.
В настоящем документе слова, употребляющиеся в единственном числе, могут относиться как к единственному, так и множественному числу. Наоборот, любая ссылка на предметы во множественном числе включает, где это уместно, и единственное число.
Исходя из вышеизложенного, следует заметить, что многочисленные модификации и варианты могут осуществляться без отступления от сущности и границ настоящего изобретения. Следует понимать, что приведенные в документе конкретные варианты осуществления изобретения или примеры не являются ограничивающими. В настоящем документе приводимая ниже формула изобретения охватывает все модификации в рамках формулы.