Ученые Пермского Политеха нашли способ улучшить качество бумаги и картона

Ученые Пермского Политеха впервые в России создали автоматизированную систему диагностики воды целлюлозно-бумажной промышленности. В отличие от существующих решений, она работает в реальном времени, поэтому предотвращает ухудшение качества бумаги и позволяет предприятиям сокращать убытки, а значит, сдерживать рост цен для потребителей. Об этом CNews сообщили представители Пермского Политеха.

Каждый раз, покупая бумажную продукцию — от тетрадей до картонных упаковок, — мы платим не только за сам товар, но и за скрытые издержки производства. Например, чтобы экономить воду, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности используют ее многократно в замкнутом цикле. Однако это приводит к тому, что в воде активно размножаются бактерии, которые портят качество продукции. Сейчас специалисты оценивают состояние воды с помощью лабораторных анализов, но они не позволяют отследить изменения в реальном времени. Это значит, что предприятие не успевает вовремя скорректировать условия, из-за чего убытки от брака и перерасхода ресурсов могут достигать нескольких миллионов рублей. Эти потери производитель закладывает в цену, и в итоге переплачивают потребители. Ученые Пермского Политеха впервые в России разработали систему, которая диагностирует состояние воды в реальном времени. Это позволит в несколько раз быстрее отслеживать ухудшение ее качества и оперативно реагировать на него, сокращая убытки предприятий и снижая себестоимость товаров.

Производство бумаги и картона — один из самых сложных технологических процессов в промышленности, который требует не только специальных условий, но и огромного количества воды. Именно поэтому на предприятиях внедрен замкнутый цикл: жидкость очищают и применяют повторно, а не сбрасывают в канализацию.

Однако при таком многократном использовании, даже после очистки, в стоках остаются мелкие органические примеси — частицы древесного волокна и реагентов. Они постепенно накапливаются и создают идеальную среду для размножения бактерий, грибков и других микроорганизмов. Их количество напрямую влияет на химический состав воды. Она закисает и портится, а бумага из-за этого теряет прочность и легко рвется. Чем больше образуется загрязнений, тем больше средств предприятию приходится направлять на очистку или полную замену жидкости в стоках.

Чтобы отслеживать состояние воды, проводят лабораторные анализы. Технологи берут пробы и на основе полученных данных принимают решения, например, добавляют реагенты для подавления бактерий. Тем не менее, сейчас контролировать производственные условия в реальном времени невозможно.

Анализы делают периодически, поэтому специалист получает результаты с задержкой, когда показатели в стоках уже изменились. Это значит, что оценки специалистов оказываются некорректными, и на их основе уже невозможно правильно выбрать эффективный режим очистки, поэтому решения могут не давать нужного результата.

В итоге ухудшение качества продукции негативно сказывается на ее цене. Бумага теряет прочность, идет в брак, а предприятие компенсирует эти убытки через повышение стоимости. Это значит, что затраты в конечном счете ложатся на потребителей, поскольку все дополнительные расходы производитель закладывает в цену товара.

Проблема в том, что целлюлозно-бумажная промышленность сегодня обеспечивает нас огромным количеством продукции: бумагой, картоном для упаковки, санитарно-гигиеническими изделиями (салфетками, полотенцами) и сырьем для строительства, фильтрации и электроизоляции. Ежегодно в России производят более 10 миллионов тонн таких товаров. Даже небольшой процент брака оборачивается потерями миллионов рублей, которые ложатся не только на предприятия, но и на конечных потребителей.

Сегодня известно, что больше всего на размножение микроорганизмов в воде влияют температура, кислотность среды и количество органических загрязнений. При этом эти параметры на производствах до сих пор измеряют и оценивают отдельно.

В реальности же бактерии реагируют на сочетание разных факторов. Например, небольшое повышение температуры и кислотности по отдельности могут быть безопасны, но вместе они запускают более активный рост микроорганизмов. Именно поэтому ученые предложили учитывать одновременное воздействие разных факторов при диагностике.

Для этого исследователи разработали математическую модель, которая позволяет свести все показатели (температуру, кислотность и уровень загрязнений) к одному значению и показывает, насколько состояние воды отклоняется от нормы.

«Для проверки модели мы использовали данные из известных экспериментальных исследований, где на реальном предприятии были замерены ключевые параметры жидкости с разной периодичностью. Далее мы подставили эти сведения в свою модель, с ее помощью определили общее состояние воды и сопоставили результат с тем, что в действительности происходило в экспериментах. В ходе сравнения оказалось, что наши расчеты совпадают с изменениями, которые были зафиксированы на производстве. Чем больше результаты модели отклонялись от нормы, тем сильнее ухудшались свойства бумаги», — сказала Ольга Билоус, старший преподаватель кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ.

Также ученые спроектировали систему управления для целлюлозно-бумажного производства, которая позволит в реальном времени отслеживать состояние оборотной воды и подавать сигнал при первых признаках ухудшения. Сначала в цехе устанавливаются датчики, которые постоянно измеряют температуру, кислотность и электропроводность. Потом все данные с них поступают в небольшой промышленный компьютер, который с помощью созданной модели обрабатывает информацию и вычисляет общий показатель состояния воды.

«Чтобы система могла отличать норму от отклонения, мы также определили допустимые значения диагностического показателя: когда условия считаются безопасными, а когда необходимо принять меры. Для этого проанализировали данные, полученные в ходе экспериментальных исследований: сведения о показателях воды (температура, кислотность, содержание органики) и соответствующие им характеристики готовой продукции», — сказала Ольга Билоус.

Система работает в несколько раз быстрее, чем лабораторные анализы, и позволяет выявлять отклонения не тогда, когда бумага уже потеряла прочность, а на этапе возникновения благоприятных для бактерий условий. Кроме того, она полностью автоматизирована и способна отслеживать необходимые параметры без участия человека.

В результате за счет своевременного обнаружения проблем система поможет сократить объемы испорченной воды, уменьшить количество бракованной бумаги и картона, а также снизить расход химических реагентов на очистку. В зависимости от масштабов предприятия предложенное решение позволит сэкономить от сотен тысяч до миллионов рублей ежегодно. Это напрямую снижает себестоимость продукции, в которую сегодня закладываются огромные издержки на переработку брака, очистку и замену воды.