DE10107448A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff

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DE10107448A1
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Abstract

Bei einem Verfahren sowie einer Vorrichtung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fällungsreaktion wird die Faserstoffsuspension einem Pumpdisperger zugeführt und in diesem durch Scherkräfte beaufschlagt, um größere Faseragglomerate in kleinere oder sogar in Individualfasern aufzubrechen. Dabei wird der Pumpdisperger gleichzeitig als Reaktor für die chemische Fällungsreaktion verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fällungsreaktion.
Der insbesondere auch aus ökonomischen und ökologischen Gründen er­ forderliche schonende Umgang mit Rohstoffresourcen äußert sich bei der Papierherstellung in zunehmend niedrigeren Flächengewichten der Pa­ pierbahn sowie im teilweisen Ersatz des Faserstoffes durch Füllstoffe. Um eine möglichst starke Bindung der Füllstoffe an die Faseroberfläche zu er­ reichen, erfolgt die entsprechende Behandlung in jüngster Zeit durch ei­ nen sogenannten "Fiber Loading™"-Prozeß, wie er u. a. in der US-A-5 223 090 beschrieben ist. Bei einem solchen "Fiber Loading™"-Prozeß wird an die benetzten Faseroberflächen des Fasermaterials wenigstens ein Zusatz­ stoff, insbesondere Füllstoff, eingelagert. Dabei können die Fasern bei­ spielsweise mit Calciumcarbonat beladen werden. Hierzu wird dem feuchten, desintegrierten Fasermaterial Calciumoxid und/oder Calcium­ hydroxid so zugesetzt, daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fa­ sermaterial vorhandenen Wasser assoziiert. Das so behandelte Fasermate­ rial wird anschließend mit Kohlendioxid beaufschlagt.
In der älteren deutschen Patentanmeldung 100 33 979 wird eine Vor­ richtung mit einem eine Rohrschnecke umfassenden großen Reaktor und mehreren zusätzlich vorgesehenen Fluffern oder Pumpdispergern vorge­ schlagen. Die Verweilzeit des Stoffes in einer solchen Rohrschnecke ist je­ doch sehr groß, so daß der Reaktor nicht mit der gewünschten Effizienz arbeitet. Damit der Prozeß unter Überdruck geführt werden kann, muß am Ende des Reaktors ein Ventil vorgesehen sein. Ein solches Ventil ist jedoch äußerst problematisch, da das unter Druck stehende Prozeßgas Kohlendioxid durchschlagen und so unkontrolliert entweichen kann. Es ist daher nur eine quasikontinuierliche Betriebsweise, d. h. eine Art Batchbetrieb möglich.
Ziel der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, das zum einen eine vollständige und schnelle chemische Reaktion und zum anderen eine effiziente Beladung der Faser­ oberflächen (innen und außen) gewährleistet. Überdies soll eine verbes­ serte Vorrichtung der eingangs genannten Art geschaffen werden, die es ermöglicht, die betreffende chemische Reaktion kontinuierlich, effizient und wirtschaftlich durchzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Be­ laden von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fällungsreaktion, bei dem die Faserstoff­ suspension einem Pumpdisperger zugeführt und in diesem durch Scher­ kräfte beaufschlagt wird, um größere Faseragglomerate in kleinere oder sogar in Individualfasern aufzubrechen, und bei dem der Pumpdisperger gleichzeitig als Reaktor für die chemische Fällungsreaktion verwendet wird.
Aufgrund dieser Ausbildung ist nicht nur eine vollständige, sondern auch eine schnelle chemische Reaktion sichergestellt. Überdies wird eine effizi­ ente Beladung der Faseroberflächen, und zwar innen und außen, ge­ währleistet.
Im Reaktionskanal des Pumpdispergers wird die Fließgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension vorzugsweise reduziert. Der Prozeß kann somit auch ohne Ventil am Ende des Reaktors unter Überdruck geführt werden. Die Gefahr eines Durchschlagens des jeweiligen Prozeßgases ist beseitigt.
Im Pumpdisperger wird die Faserstoffsuspension vorzugsweise ausgehend von einem zentralen, radial inneren Bereich allgemein radial nach außen transportiert. Dabei kann im Pumpdisperger ausgehend von diesem zen­ tralen, radial inneren Bereich radial nach außen insbesondere ein Kon­ zentrationsgefälle der Faserstoffsuspension von etwa 50% bis etwa 0,1%, zweckmäßigerweise von etwa 35% bis etwa 2% und vorzugsweise von et­ wa 35% bis etwa 4% erzeugt werden.
Die Faserstoffsuspension kann in einem radial äußeren Bereich des Pumpdispergers z. B. mit Wasser verdünnt werden, um den Stoff wieder pumpfähig zu machen.
Vorzugsweise wird ein Pumpdisperger eingesetzt, dessen Reaktionskanal zumindest teilweise durch strukturierte Oberflächen begrenzt ist. Dabei können diese strukturierten Oberflächen beispielsweise durch eine jewei­ lige Zahn- oder Messergarnitur gebildet werden.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens wird ein Pumpdisperger eingesetzt, dessen Reaktions­ kanal zwischen zwei einander gegenüberliegenden, relativ zueinander ro­ tierenden Platten oder dergleichen mit strukturierten Oberflächen gebildet ist, wobei die Faserstoffsuspension in diesem Reaktionskanal allgemein radial nach außen transportiert wird.
Die Durchlaufzeiten für die den Pumpdisperger durchlaufende Faserstoff­ suspension und entsprechend die Reaktionszeit wird vorteilhafterweise in einem Bereich von etwa 0,01 min bis etwa 1 min und vorzugsweise in ei­ nem Bereich von etwa 0,1 sec bis etwa 10 sec gewählt.
Es kann insbesondere ein Pumpdisperger eingesetzt werden, dessen Plat­ ten einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 m bis 2 m besitzen.
Gemäß einer zweckmäßigen praktischen Ausgestaltung wird ein Pump­ disperger mit einander gegenüberliegenden, relativ zueinander rotierenden Platten eingesetzt, die radial außen eine Relativgeschwindigkeit im Bereich von etwa 20 bis etwa 100 m/sec und vorzugsweise im Bereich von etwa 40 bis etwa 60 m/sec besitzen.
Von Vorteil ist auch, wenn die einander gegenüberliegenden, relativ zuein­ ander rotierenden Platten des Pumpdispergers einen gegenseitigen Ab­ stand aufweisen, der im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 100 mm liegt und vorzugsweise etwa 25 bis 50 mm beträgt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird die Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens verdichtet und die zu einem Propfen verdichtete Faserstoffsuspension dem Pumpdisperger zugeführt, durch den der Pfropfen wieder aufgelöst wird. Als Füllstoff kann insbesondere Calciumcarbonat verwendet werden. In diesem Fall ist gemäß einer bevorzugten praktischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß der Faserstoffsuspension Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid zugesetzt wird, die so behandelte Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens verdichtet wird, die zu einem Pfropfen verdichtete Faserstoffsuspension dem den Pfropfen auflö­ senden Pumpdisperger zugeführt wird, im dispergerseitigen Endbereich des Pfropfens und/oder im Eintrittsbereich des Pumpdispergers und/oder in einem zentralen, radial inneren Bereich des Pumpdispergers Kohlendi­ oxid eingeleitet wird und der Pumpdisperger gleichzeitig als Reaktor zur Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calcium­ hydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser eingesetzt wird, in dessen Reaktionskanal vorzugsweise die Fließgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension reduziert wird.
Bei dem Beladen der Fasern wird hier also Calciumcarbonat an die be­ netzten Faseroberflächen eingelagert, indem dem feuchten Fasermaterial Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid zugesetzt wird, wobei zumindest ein Teil davon sich mit dem Wasser der Faserstoffmenge assoziieren kann. Das so behandelte Fasermaterial wird dann mit Kohlendioxid beauf­ schlagt. Überdies kann das entstandene CaCO3 um und zwischen den Fa­ sern eine Suspension bilden.
Der Begriff "benetzte Faseroberflächen" kann alle benetzten Oberflächen der einzelnen Fasern umfassen. Damit ist insbesondere auch der Fall mit erfaßt, bei dem die Fasern sowohl an ihrer Außenfläche als auch in ihrem Innern (Lumen) mit Calciumcarbonat beladen werden.
Demnach werden die Fasern mit dem Füllstoff Calciumcarbonat beladen, wobei die Anlagerung an die benetzten Faseroberflächen durch einen so­ genannten "Fiber Loading™"-Prozeß erfolgt, wie er als solcher in der US-A- 5 223 090 beschrieben ist. In diesem "Fiber Loading™"-Prozeß reagiert das Kohlendioxid mit dem Calciumhydroxid zu Wasser und Calciumcar­ bonat.
Der Pfropfen wird vorzugsweise durch ein dem Pumpdisperger zugeord­ netes rotierendes Drallkreuz aufgelöst.
Die Fließgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension in dem Reaktionskanal wird vorzugsweise so weit reduziert, daß durch eine entsprechend große Durchlaufzeit die Reaktion am Ende des Durchlaufs der Faserstoffsuspen­ sion durch den Reaktionskanal zumindest im wesentlichen abgeschlossen ist.
Die mit Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid versetzte Faserstoffsus­ pension kann in einem Mischbehälter durchgemischt werden, bevor sie dem Pumpdisperger zugeführt bzw. zu einem Pfropfen verdichtet wird.
Vorzugsweise werden die Faserstoffsuspension und das Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid dem Mischbehälter zugeführt.
Die Verweildauer in dem Mischbehälter kann beispielsweise so gewählt werden, daß sie in einem Bereich von etwa 0,5 min bis etwa 4 h und vor­ zugsweise in einem Bereich von etwa 3 min bis 1 h liegt.
Die Faserstoffsuspension kann beispielsweise durch Auflösen von Zellstoff oder Altpapier mit Zuschlagstoffen in einem Stofflöser erzeugt oder als nicht getrockneter Faserstoff, der auch als "never tried pulp" bezeichnet wird, dem Beladungsprozeß zugeführt werden, z. B. aus einer weiteren Zellstoffabrik.
Die Faserstoffsuspension kann beispielsweise durch Entwässern im Be­ reich auf bis zu 50% (z. B. = 500 g/l) Stoffdichte eingedickt werden, bevor sie dem Pumpdisperger zugeführt bzw. zu einem Pfropfen verdichtet wird.
Der pH-Wert der Faserstoffsuspension kann durch eine entsprechende, vorzugsweise im Austrittsbereich des Pumpdispergers erfolgende Zugabe von Kohlendioxid eingestellt werden.
Gemäß einer zweckmäßigen praktischen Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird im Verlauf der chemischen Fällungsreaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt, in dem der pH-Wert der Faserstoffsuspenion entsprechend geregelt oder gesteuert wird. Dabei kann der am Ende der Reaktion gemessene pH-Istwert mit ei­ nem Sollwert verglichen und die Regelabweichung über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt werden:
  • - Zugabe von Calciumhydroxid
  • - Zugabe von Kohlendioxid
  • - Stoffdurchsatz
  • - und/oder dergleichen,
wobei die Reaktion insbesondere bei einem pH-Wert von etwa 10 bis etwa 13 begonnen und die Reaktion insbesondere dann als abgeschlossen gilt, wenn der pH-Wert etwa 7,5 beträgt.
Im übrigen kann bei dem Beladen der Fasern mit Calciumcarbonat insbe­ sondere so vorgegangen werden, wie dies in der US-A-5 223 090 beschrie­ ben ist. Der Inhalt dieser Druckschrift wird hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird überdies gelöst durch eine Vorrich­ tung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fällungsreaktion, bei der die Faserstoffsuspension einem Pumpdisperger zugeführt und in diesem durch Scherkräfte beaufschlagt wird, um größere Faseragglomerate in kleinere oder sogar in Individualfasern aufzubrechen, wobei der Pumpdis­ perger gleichzeitig als Reaktor für die chemische Fällungsreaktion vorge­ sehen ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fäl­ lungsreaktion und
Fig. 2 eine Ansicht des Pumpdispergers in Richtung der Pfeile A der Fig. 1.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in rein schematischer Darstellung eine Vor­ richtung 10 zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenden Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fällungsreaktion.
Die Faserstoffsuspension wird einem Pumpdisperger, d. h. einem Pump­ fluffer 12 zugeführt und in diesem durch Scherkräfte beaufschlagt, um das Fasermaterial in Individualfasern aufzubrechen, d. h. die Oberflächen der Fasern freizulegen und entsprechend die Kontaktfläche zu vergrößern. Dabei wird der Pumpdisperger 12 gleichzeitig als Reaktor für die chemi­ sche Fällungsreaktion eingesetzt.
Der Pumpdisperger 12 kann insbesondere so ausgeführt sein, daß sich in dessen Reaktionskanal 14 eine Reduktion der Fließgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension ergibt.
Im vorliegenden Fall ist der Pumpdisperger 12 so ausgeführt, daß die Fa­ serstoffsuspenion ausgehend von einem zentralen, radial inneren Bereich allgemein radial nach außen transportiert wird. Dabei kann sich ausge­ hend von diesem zentralen, radial inneren Bereich radial nach außen bei­ spielsweise ein Konzentrationsgefälle der Faserstoffsuspension von etwa 50% bis etwa 0,1% und vorzugsweise von etwa 35% bis etwa 5% erge­ ben. Überdies können Mittel vorgesehen sein, um die Faserstoffsuspensi­ on in einem radial äußeren Bereich des Pumpdispergers 12 z. B. mit Was­ ser zu verdünnen.
Der Reaktionskanal 14 des Pumpdispergers 12 ist zumindest teilweise durch strukturierte Oberflächen begrenzt, die beispielsweise durch eine jeweilige Zahn- oder Messergarnitur gebildet sein können.
Wie anhand der Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, ist der Reaktionskanal 14 des Pumpdispergers 12 im vorliegenden Fall zwischen zwei einander gegenüberliegenden, relativ zueinander rotierenden Platten 16 oder der­ gleichen mit strukturierten Oberflächen gebildet. Die Faserstoffsuspension wird zwischen diesen Platten 16 bzw. den strukturierten Oberflächen all­ gemein radial nach außen transportiert.
Die Durchlaufzeit für die den Pumpdisperger 12 durchlaufende Faserstoff­ suspension und entsprechend die Reaktionszeit kann beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,01 min bis etwa 1 min und vorzugsweise in ei­ nem Bereich von etwa 0,1 sec bis 10 sec liegen.
Die Platten 16 des Pumpdispergers 12 können beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 m bis etwa 2 m besitzen.
Die beiden relativ zueinander rotierenden Platten 16 des Pumpdispergers 12 besitzen radial außen vorzugsweise eine Relativgeschwindigkeit im Be­ reich von etwa 20 bis etwa 100 m/sec und vorzugsweise im Bereich von etwa 40 bis 60 m/sec.
Der gegenseitige Abstand der beiden relativ zueinander rotierenden Platten 16 kann beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm liegen, wobei er vorzugsweise etwa 5 mm beträgt.
Wie anhand der Fig. 1 zu erkennen ist, kann dem Pumpdisperger 12 ei­ ne Pfropfenschnecke 18 vorgeschaltet sein, um die Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens zu verdichten. Der Pfropfenschnecke 18 kann eine Zufuhrschnecke 20 vorgeschaltet sein, die in einem zumindest im wesentlichen zylindrischen Kanal oder Gehäuse 22 angeordnet ist.
Der zylindrische Kanal 22 kann einen Anschluß 24 zum Zuführen eines Gemisches besitzen, das beispielsweise zumindest aus der Faserstoffsus­ pension, Wasser und Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid besteht.
Die Pfropfenschnecke 18 ist drehbar in einem kegelförmigen Kanal 26 an­ geordnet, dessen Querschnitt sich in Stofflußrichtung S verjüngt, um die Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens in einem sich an die Pfropfenschnecke 18 anschließenden, unmittelbar vor dem Pumpdisperger 12 angeordneten Kanal 28 zu verdichten. Dieser unmittelbar vordem Pumpdisperger 12 angeordnete Kanal 28 kann mit einer Förderschnecke 30 versehen sein.
Der unmittelbar vor dem Pumpdisperger 12 liegende Kanal 28 kann einen Anschluß 32 zum Einleiten von Kohlendioxid aufweisen. Allgemein kann Kohlendioxid insbesondere im dispergerseitigen Endbereich des Pfropfens und/oder im Eintrittsbereich des Pumpdispergers 12 und/oder in einem zentralen, radial inneren Bereich des Pumpdispergers 12 eingeleitet wer­ den.
Der Pfropfen dichtet den Pumpdisperger 12 gegenüber der Zufuhrschnec­ ke 20 ab.
Der Kanal 20 der der Pfropfenschnecke 18 vorgeschalteten Zufuhrschnec­ ke 20, der Kanal 26 der Pfropfenschnecke 18 und/oder der unmittelbar vor dem Pumpdisperger 12 angeordnete Kanal 28 können unter einem ge­ ringen Überdruck stehen.
Die Schnecken 18, 20, 30 können auf einer gemeinsamen Antriebswelle 34 sitzen oder zumindest teilweise auch getrennt antreibbar sein.
Der Pumpdisperger 12 kann insbesondere einen Reaktor zur Umsetzung der Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser bilden. In dem zwischen den beiden Platten 16 mit strukturierter Oberfläche gebildeten Reaktionskanal 14 wird die Faserstoffsuspension radial nach außen transportiert und mit Calciumcarbonat beladen.
Die Relativgeschwindigkeit der beiden einander gegenüberliegenden Plat­ ten 16 bzw. strukturierten Oberflächen ist vorzugsweise einstellbar, wobei zumindest eine Platte rotiert. Alternativ oder zusätzlich kann auch die ab­ solute Drehzahl einstellbar sein. Damit kann insbesondere die Austrags­ geschwindigkeit beeinflußt werden.
Im Zentrum der der Pfropfenschnecke 18 zugewandten strukturierten Oberfläche 16 des Pumpdispergers 12 ist ein Drallkreuz 36 vorgesehen, durch das der Pfropfen aufgelockert und entsprechend die Oberflächen des Fasermaterials vergrößert werden.
Der Kohlendioxidanschluß 32 ist zweckmäßigerweise so angeordnet, daß das Kohlendioxid dem Bereich zuführbar ist, in dem der Pfropfen aufgelöst wird.
Die einander gegenüberliegenden strukturierten Oberflächen 16 erzeugen Scherkräfte im Faserstoff, wodurch die Kontaktfläche der Reaktanden ver­ größert und somit eine schnelle und effiziente Reaktion gewährleistet wird.
Der Pumpdisperger 12 kann einen zumindest im wesentlichen tangential zu den Platten bzw. strukturierten Oberflächen 16 angeordneten Auslauf 38 für die beladene Faserstoffsuspension besitzen. Diesem Auslauf 38 braucht kein Drossel- oder Absperrorgan nachgeschaltet werden, da der Strömungswiderstand des Reaktionskanals 14 zwischen den strukturier­ ten Oberflächen 16 diese Funktion übernimmt. Die Leitung kann direkt mit dem nächsten Prozeßabschnitt verbunden werden. Optional kann im Bereich des Auslaufs 38 eine Kohlendioxidzuleitung vorgesehen sein, um den für den nächsten Prozeßschritt erforderlichen pH-Wert entsprechend einstellen zu können.
Überdies kann der Pumpdisperger 12 einen zumindest im wesentlichen tangential zu den Platten bzw. strukturierten Oberflächen 16 angeordne­ ten Zulauf 40 zur Verdünnung des beladenen Stoffes mit Wasser und/oder Calciumhydroxid, insbesondere aus einer vorgeschalteten Stoff­ eindickung, auf weniger als 6%, vorzugsweise 3% bis 6%, besitzen. Durch die entsprechende Verdünnung wird der Stoff wieder pumpfähig.
Überdies kann der Pumpdisperger 12 mit einer Heizeinrichtung versehen sein, über die die Reaktionstemperatur beeinflußbar ist.
Die Faserstoffsuspension wird beispielsweise durch Auflösen von Zellstoff oder Altpapier mit Zuschlagstoffen in einem Stofflöser 42 erzeugt oder als nicht getrockneter Faserstoff, der auch als "never tried pulp" bezeichnet wird, dem Beladungsprozeß zugeführt, z. B. aus einer weiteren Zellstoffa­ brik.
Die Faserstoffsuspension kann z. B. im Bereich 46 durch Entwässern auf bis zu 50% (z. B. = 500 g/l) Stoffdichte eingedickt werden. Dieser Schritt ist nur erforderlich, falls der Stoff im sogenannten Low-Consistency- Verfahren aufgelöst wird.
Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid werden der Faserstoffsuspension in einem Mischbehälter 44 zugegeben, in dem das betreffende Gemisch dann durchgemischt wird. Die Quellzeit kann beispielsweise 0,5 min bis etwa 4 h und vorzugsweise etwa 3 min bis etwa 1 h betragen. Im Bereich der Schnecken 20, 18, 28 wird die Faserstoffsuspension dann unter Bil­ dung eines Pfropfens verdichtet. Insbesondere im Endbereich der Ver­ dichtung und/oder am Eintrittsbereich des als Reaktor dienenden Pump­ dispergers 12 und/oder in einem zentralen Bereich des Pumpdispergers 12 wird Kohlendioxid eingeleitet. Durch das Drallkreuz 36 wird der Stoff zur Auflösung des Pfropfens zerfasert, wodurch die Kontaktfläche entspre­ chend vergrößert wird. In dem Reaktionskanal 14 werden Scherkräfte auf­ gebracht. In diesem Reaktionskanal 14 wird die Faserstoffsuspension ra­ dial nach außen transportiert, wobei die Fließgeschwindigkeit in dem einen Reaktor bzw. einen Radialdiffusor bildenden Pumpdisperger 12 redu­ ziert wird, um durch die entsprechende Erhöhung der Kontaktzeit für eine Vervollständigung der Reaktion am Ende des Reaktors 12 zu sorgen.
Wahlweise kann der pH-Wert durch Zugabe von Kohlendioxid im Bereich des Auslaufs 38 eingestellt werden.
Dem Fasermaterial wird also Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) so zugesetzt, daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial, d. h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und in de­ ren Wänden, vorhandenen Wasser assoziieren kann, wobei sich die fol­ gende chemische Reaktion einstellt:
In dem als Reaktor dienenden Pumpdisperger 12 wird das Fasermaterial dann derart mit Kohlendioxid (CO2) beaufschlagt, daß Calciumcarbonat (CaCO3) an die benetzten Faseroberflächen weitestgehend angelagert wird. Dabei stellt sich die folgende chemische Reaktion ein:
Im Verlauf der chemischen Reaktion in dem Pumpdisperger 12 kann bei­ spielsweise dadurch für eine zumindest im wesentlichen vollständige Um­ setzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt werden, daß der pH-Wert der Faserstoffsuspension entsprechend geregelt und/oder gesteuert wird. Dabei kann der jeweilige pH-Wert am Ende der Reaktion gemessen und mit einem vorgebbaren Sollwert vergli­ chen werden, um anschließend die Regelabweichung beispielsweise über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen zu vermindern oder zu beseitigen: Zugabe von Calciumhydroxid, Zugabe von Kohlendioxid, Stoff­ durchsatz und/oder dergleichen. Dabei kann die Reaktion insbesondere bei einem pH-Wert von etwa 10 bis etwa 13 begonnen und die Reaktion insbesondere dann als abgeschlossen betrachtet werden, wenn der pH- Wert etwa 7,5 beträgt.
Bezugszeichenliste
10
Vorrichtung
12
Pumpdisperger, Fluffer
14
Reaktionskanal
16
Platte, strukturierte Oberfläche
18
Pfropfenschnecke
20
Zufuhrschnecke
22
zylindrischer Kanal
24
Anschluß
26
kegelförmiger Kanal
28
Kanal
30
Förderschnecke
32
Anschluß
34
Antriebswelle
36
Drallkreuz
38
Auslauf
40
Zulauf
42
Stofflöser
44
Mischbehälter
46
Eindickung
S Stofflaufrichtung

Claims (55)

1. Verfahren zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthalte­ nen Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fällungsreak­ tion, bei dem die Faserstoffsuspension einem Pumpdisperger (12) zugeführt und in diesem durch Scherkräfte beaufschlagt wird, um größere Faseragglomerate in kleinere oder sogar in Individualfasern aufzubrechen, und bei dem der Pumpdisperger (12) gleichzeitig als Reaktor für die chemische Fällungsreaktion verwendet wird.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionskanal (14) des Pumpdispergers (12) die Fließge­ schwindigkeit der Faserstoffsuspension reduziert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Pumpdisperger (12) die Faserstoffsuspension ausgehend von einem zentralen, radial inneren Bereich allgemein radial nach außen transportiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Pumpdisperger (12) ausgehend vom zentralen, radial inneren Bereich radial nach außen ein Konzentrationsgefälle der Faserstoff­ suspension von etwa 50% bis etwa 0,1%, zweckmäßigerweise von etwa 35% bis etwa 2% und vorzugsweise von etwa 35% bis etwa 4% erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffsuspension in einem radial äußeren Bereich des Pumpdispergers (12) mit Wasser verdünnt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pumpdisperger (12) eingesetzt wird, dessen Reaktionskanal (14) zumindest teilweise durch strukturierte Oberflächen (16) be­ grenzt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierten Oberflächen (16) durch eine jeweilige Zahn- oder Messergarnitur gebildet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pumpdisperger (12) eingesetzt wird, dessen Reaktionskanal (14) zwischen zwei einander gegenüberliegenden, relativ zueinander rotierenden Platten (16) oder dergleichen mit strukturierten Oberflä­ chen gebildet ist, wobei die Faserstoffsuspension in diesem Reak­ tionskanal (14) allgemein radial nach außen transportiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaufzeit für die den Pumpdisperger (12) durchlaufende Faserstoffsuspension und entsprechend die Reaktionszeit in einem Bereich von etwa 0,01 min bis etwa 1 min und vorzugsweise in ei­ nem Bereich von etwa 0,1 sec bis etwa 10 sec gewählt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pumpdisperger (12) eingesetzt wird, dessen Platten einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 m bis etwa 2 m besitzen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pumpdisperger (12) mit einander gegenüberliegenden, rela­ tiv zueinander rotierenden Platten (16) eingesetzt wird, die radial außen eine Relativgeschwindigkeit im Bereich von etwa 20 bis etwa 100 m/sec und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 60 m/sec besitzen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pumpdisperger (12) mit einander gegenüberliegenden, rela­ tiv zueinander rotierenden Platten (16) eingesetzt wird, die einen ge­ genseitigen Abstand aufweisen, der im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 100 mm liegt und vorzugsweise etwa 25 mm bis etwa 50 mm beträgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens ver­ dichtet und die zu einem Pfropfen verdichtete Faserstoffsuspension dem Pumpdisperger (12) zugeführt wird, durch den der Pfropfen wieder aufgelöst wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff gefälltes Calciumcarbonat verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstoffsuspension Calciumoxid und/oder Calcium­ hydroxid zugesetzt wird, die so behandelte Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens verdichtet wird, die zu einem Pfropfen verdichtete Faserstoffsuspension dem den Pfropfen auflösenden Pumpdisperger (12) zugeführt wird, im dispergerseitigen Endbereich des Pfropfens und/oder im Eintrittsbereich des Pumpdispergers (12) und/oder in einem zentralen, radial inneren Bereich des Pumpdis­ pergers (12) Kohlendioxid eingeleitet wird und der Pumpdisperger (12) gleichzeitig als Reaktor zur Umsetzung der genannten Aus­ gangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser eingesetzt wird, in dessen Reaktionskanal (14) vorzugsweise die Fließge­ schwindigkeit der Faserstoffsuspension reduziert wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei einer Stoffdichte von etwa 25% bis etwa 35% und vorzugsweise bei einer Stoffdichte von etwa 30% bis etwa 35% erfolgt.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfropfen durch ein dem Pumpdisperger (12) zugeordnetes rotierendes Drallkreuz (36) aufgelöst wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension in dem Re­ aktionskanal (14) soweit reduziert bzw. die Durchlaufzeit so groß gewählt wird, daß die Reaktion am Ende des Durchlaufs der Faser­ stoffsuspension durch den Reaktionskanal (14) zumindest im we­ sentlichen abgeschlossen ist.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid versetzte Fa­ serstoffsuspension in einem Mischbehälter (44) durchgemischt wird, bevor sie dem Pumpdisperger (12) zugeführt bzw. zu einem Pfropfen verdichtet wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffsuspension und das Calciumoxid bzw. Calcium­ hydroxid dem Mischbehälter (44) zugeführt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweildauer in dem Mischbehälter (44) so gewählt wird, daß sie in einem Bereich von etwa 0,5 Minuten bis etwa 4 Stunden und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 3 Minuten bis etwa 1 Stunde liegt.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffsuspension durch Auflösen von Zellstoff oder Alt­ papier mit Zuschlagstoffen in einem Stofflöser (42) erzeugt oder als nicht getrockneter Faserstoff dem Beladungsprozeß zugeführt wird, z. B. aus einer weiteren Zellstoffabrik.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffsuspension durch Entwässern auf bis zu 50% Stoffdichte eingedickt wird, bevor sie dem Pumpdisperger (12) zu­ geführt bzw. zu einem Pfropfen verdichtet wird.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der Faserstoffsuspension durch eine entsprechende, vorzugsweise im Austrittsbereich des Pumpdispergers (12) erfol­ gende Zugabe von Kohlendioxid eingestellt wird.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der chemischen Fällungsreaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangs­ stoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt wird, in­ dem der pH-Wert der Faserstoffsuspension entsprechend geregelt oder gesteuert wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der am Ende der Reaktion gemessene pH-Istwert mit einem Sollwert verglichen und die Regelabweichung über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt wird:
  • - Zugabe von Calciumhydroxid
  • - Zugabe von Kohlendioxid
  • - Stoffdurchsatz
  • - und/oder dergleichen,
wobei die Reaktion insbesondere bei einem pH-Wert von etwa 10 bis etwa 13 begonnen und die Reaktion insbesondere dann als abge­ schlossen gilt, wenn der pH-Wert etwa 7, 5 beträgt.
27. Vorrichtung (10) zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fäl­ lungsreaktion, bei der die Faserstoffsuspension einem Pumpdisperger (12) zugeführt und in diesem durch Scherkräfte beaufschlagt wird, um größere Faseragglomerate in kleinere oder sogar in Indivi­ dualfasern aufzubrechen, wobei der Pumpdisperger (12) gleichzeitig als Reaktor für die chemische Fällungsreaktion vorgesehen ist, ins­ besondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpdisperger (12) so ausgeführt ist, daß sich in dessen Reaktionskanal (14) eine Reduktion der Fließgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension ergibt.
29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpdisperger (12) so ausgeführt ist, daß die Faserstoff­ suspension ausgehend von einem zentralen, radial inneren Bereich allgemein radial nach außen transportiert wird.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpdisperger so ausgeführt ist, daß sich ausgehend vom zentralen, radial inneren Bereich radial nach außen ein Konzentra­ tionsgefälle der Faserstoffsuspension von etwa 50% bis etwa 0,1%, zweckmäßigerweise von etwa 35% bis etwa 2% und vorzugsweise von etwa 35% bis etwa 4% ergibt.
31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Faserstoffsuspension in einem radial äußeren Bereich des Pumpdispergers (12) mit Wasser zu ver­ dünnen.
32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionskanal (14) des Pumpdispergers (12) zumindest teilweise durch strukturierte Oberflächen begrenzt ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierten Oberflächen (14) durch eine jeweilige Zahn- oder Messergarnitur gebildet sind.
34. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionskanal (14) des Pumpdispergers (12) zwischen zwei einander gegenüberliegenden, relativ zueinander rotierenden Platten (16) oder dergleichen mit strukturierten Oberflächen gebildet ist, wobei die Faserstoffsuspension in diesem Reaktionskanal allgemein radial nach außen transportiert wird.
35. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaufzeit für die den Pumpdisperger (12) durchlaufende Faserstoffsuspension und entsprechend die Reaktionszeit in einem Bereich von etwa 0,01 min bis etwa 1 min und vorzugsweise in ei­ nem Bereich von etwa 0,1 sec bis 10 sec liegt.
36. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (16) des Pumpdispergers (12) einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 m bis etwa 2 m besitzen.
37. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden relativ zueinander rotierenden Platten (16) des Pumpdispergers (12) radial außen eine Relativgeschwindigkeit im Bereich von etwa 20 bis etwa 100 m/sec und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 60 m/sec besitzen.
38. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden relativ zueinander rotierenden Platten (16) des Pumpdispergers (12) einen gegenseitigen Abstand aufweisen, der im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 100 mm liegt und vorzugsweise etwa 25 mm bis etwa 50 mm beträgt.
39. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pumpdisperger (12) eine Pfropfenschnecke (18) vorgeschaltet ist, um die Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens zu verdichten.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfropfenschnecke (18) eine Zufuhrschnecke (20) vorge­ schaltet ist, die in einem zumindest im wesentlichen zylindrischen Kanal (22) angeordnet ist.
41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Kanal (22) einen Anschluß (24) zum Zuführen eines Gemisches besitzt, das zumindest aus der Faserstoffsuspensi­ on, Wasser und Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid besteht.
42. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfropfenschnecke (18) drehbar in einem kegelförmigen Ka­ nal (26) angeordnet ist, dessen Querschnitt sich in Stofflußrichtung (S) verjüngt, um die Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens in einem sich an die Pfropfenschnecke (18) anschließen­ den, unmittelbar vor dem Pumpdisperger (12) angeordneten Kanal (28) zu verdichten.
43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß der unmittelbar vor dem Pumpdisperger (12) angeordnete Kanal (28) mit einer Förderschnecke (30) versehen ist.
44. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (20) der der Pfropfenschnecke (18) vorgeschalteten Zufuhrschnecke (20), der Kanal (26) der Pfropfenschnecke (18) und/oder der unmittelbar vor dem Pumpdisperger (12) angeordnete Kanal (28) unter Überdruck steht.
45. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecken (18, 20, 30) auf einer gemeinsamen Antriebs­ welle (34) sitzen oder zumindest teilweise getrennt antreibbar sind.
46. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpdisperger (12) als Reaktor zur Umsetzung der Aus­ gangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser vorgesehen ist.
47. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit der beiden einander gegenüberlie­ genden Platten bzw. strukturierten Oberflächen (16) einstellbar ist.
48. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Plattendrehzahl einstellbar ist.
49. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum der der Pfropfenschnecke (18) zugewandten struk­ turierten Oberfläche des Pumpdispergers (12) ein Drallkreuz (36) vorgesehen ist, um den Pfropfen aufzulockern und entsprechend die Oberflächen des Fasermaterials zu vergrößern.
50. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgesehener Kohlendioxidanschluß (32) so angeordnet ist, daß das Kohlendioxid dem Bereich zuführbar ist, in dem der Pfrop­ fen aufgelöst wird.
51. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherkräfte durch die einander gegenüberliegenden struk­ turierten Oberflächen (16) des Pumpdispergers (12) gebildet werden.
52. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpdisperger (12) einen zumindest im wesentlichen tan­ gential zu den Platten bzw. strukturierten Oberflächen angeordne­ ten Auslauf (38) besitzt.
53. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Auslaufs des Pumpdispergers (12) eine Kohlen­ dioxidzuleitung vorgesehen ist.
54. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpdisperger (12) einen zumindest im wesentlichen tan­ gential zu den Platten bzw. strukturierten Oberflächen (16) ange­ ordneten Zulauf (40) zur Verdünnung des beladenen Stoffes mit Wasser und/oder Calciumhydroxid, insbesondere aus einer vorge­ schalteten Stoffeindickung, auf weniger als 6%, vorzugsweise 4% bis 6%, besitzt.
55. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpdisperger (12) mit einer Heizeinrichtung versehen ist, über die die Reaktionstemperatur beeinflußbar ist.
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