DE102020002445A1

DE102020002445A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von gebleichtem Zellstoff

Info

Publication number: DE102020002445A1
Application number: DE102020002445.9A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Thaller
Original assignee: Messer Austria GmbH
Current assignee: Messer Austria GmbH
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-10-28
Also published as: EP4139520A1; BR112022021294A2; US20230203751A1; CO2022016641A2; WO2021213740A1

Abstract

Bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Herstellung von gebleichtem Zellstoff, bei dem eine Lignin und Zellstoff enthaltende Suspension wenigstens einem Verfahrensschritt zur sauerstoffunterstützten Bleiche in einem Reaktor unterzogen wird, wie der alkalischen Sauerstoffdelignifizierung, der sauerstoffverstärkten Extraktion oder der sauerstoffverstärkten Peroxidbleiche, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der für die sauerstoffunterstützte Bleiche erforderliche Sauerstoff dem Reaktor zumindest teilweise in Form von Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles zugeführt wird. Die geringe Größe und hohe Stabilität der Nanobläschen ermöglichen eine gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffs in der Suspension und eine vergleichsweise lange Einwirkungszeit. Die Effizienz der Bleiche wird auf diese Weise wesentlich erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gebleichtem Zellstoff, bei dem eine Lignin und Zellstoff enthaltende Suspension wenigstens einem Verfahrensschritt zur sauerstoffunterstützten Bleiche in einem Reaktor unterzogen wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Vorrichtung.
Bei der Produktion von gebleichtem Zellstoff spielen Verfahrensschritte, bei denen ein Bleichvorgang unter Zuhilfenahme von Sauerstoff erfolgt (im Folgenden „sauerstoffunterstützte“ Bleiche genannt), eine zunehmend wichtige Rolle.
So gehört die alkalische Sauerstoffdelignifizierung zu den verbreitetsten Prozessschritten bei der Produktion von gebleichtem Zellstoff. Dabei wird Sauerstoff in einen alkalischen Stoffstrom (Zellulosefaser / Wassergemisch) eindosiert. Unter Druck, Temperatur und in dem bereits erwähnten alkalischen Milieu reagiert Sauerstoff mit Lignin und führt es in eine lösliche Form über. Ziel des Prozessschritts ist die Entfernung von Lignin aus den Fasern. In historischen, einstufigen Prozessen konnten dabei bis zu 50%, in den heute üblichen zweistufigen Prozessen können bis zu 70 % des Lignins aus dem Stoffstrom entfernt werden.
Sauerstoff wird auch bei anderen Bleichstufen, wie der sauerstoffverstärkten Extraktion („EO“, Zuführung von NaOH + O₂) oder der sauerstoffverstärkten Peroxidbleiche („EOP“, Zuführung von NaOH + O₂ + H₂O₂) verwendet. In all diesen Fällen ist eine gute und gleichmäßige Einlösung des Sauerstoffs in den wässerigen Stoffstrom eine der entscheidenden Parameter für die Prozessführung; am schwierigsten ist jedoch diese gleichmäßige Verteilung und Einlösung des Sauerstoffs bei der Sauerstoffdelignifizierung zu bewerkstelligen, da hier die - im Vergleich zu den anderen genannten Prozessstufen - größten spezifischen Sauerstoffmengen eingesetzt werden.
Insbesondere die Sauerstoffdelignifizierung bereitet allerdings auch einige Schwierigkeiten, die insbesondere mit dem Umstand zu tun haben, dass sich Sauerstoff nur schwer in Wasser löst. Insbesondere verlangsamt das Auftreten zu großer Gasblasen die Reaktionsgeschwindigkeit, da die Gasblasen eine physikalische Barriere zwischen gelöstem Sauerstoff und in der Suspension enthaltenem Lignin darstellen können. Zudem steigen die Gasblasen rasch auf und durchlaufen den Reaktor, ohne dass es zu einer Reaktion mit dem Lignin kommt.
Um eine möglichst breite Verteilung des Sauerstoffs im Stoffzustrom zu bewerkstelligen, die Einlösung des Sauerstoffs zu begünstigen und eine effiziente Reaktion mit dem Lignin zu erreichen, sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt.
Beispielsweise ist aus der EP 1 528 149 A1 bekannt, zellstoffhaltige Suspension und eingeleitetes Gas in einem Reaktor starken mechanischen Kräften auszusetzen, um dabei einen möglichst direkten Kontakt von Sauerstoff und Lignin herzustellen.
Der Gegenstand der EP 3 380 667 A1 befasst sich mit dem Problem, dass während des Bleichvorgangs in der Suspension entstehende gasförmige Reaktionsprodukte, insbesondere CO und CO₂, konkurrierend zum Sauerstoff wirken und die Einlösung von Sauerstoff hemmen, wodurch die Effizienz der Sauerstoffzuführung gemindert wird. Zur Lösung dieses Problems schlägt die EP 3 380 667 A1 vor, ein zweistufiges Verfahren zur Sauerstoffdelignifikation durchzuführen, wobei im Anschluss an eine erste Stufe die unter Druck stehende Suspension druckentlastet wird, um störende Gase auszutreiben, und in einer zweiten Stufe eine erneute Druckbeaufschlagung mit einem hohen Sauerstoffpartialdruck erfolgt. Diese Vorgehensweise ist jedoch mit einem beträchtlichen apparativen Aufwand verbunden.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, den Sauerstoff in Form möglichst kleiner Gasbläschen im Stoffstrom zu verteilen um auf diese Weise und unter Ausnutzung eines hohen Oberflächen zu Volumen - Verhältnisses günstige Bedingungen für das Einlösen des Gases zu schaffen, wie beispielsweise in der EP 0 573 892 B1 oder der US 4 886 577 A1 erwähnt.
In der WO 2006/071165 A1 wird hierzu kritisch angemerkt, dass der Lösungsvorgang viel langsamer verläuft als die Umsetzung des bereits gelösten Sauerstoffs in Reaktionen mit verschiedenen organischen Bestandteilen in der Suspension. Da der Abbau des Lignins insbesondere innerhalb von Fasern erfolgt, die sich in der Suspension befinden, werde der gelöste Sauerstoff in der in die Fasern eindringenden Flüssigphase rasch verbraucht. Aus den Gasblasen, die selbst nicht in die Fasern eindringen können, könne der verbrauchte Sauerstoff nicht rasch genug ersetzt werden, mit der Folge, dass die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt und die Effizienz der Reaktion gemindert wird. Die WO 2006/071165 A1 schlägt stattdessen vor, durch intensives Mischen der Suspension den Anteil an gelöstem Sauerstoff während einer Abfolge von mehreren Bleichstufen dauerhaft so hoch wie möglich zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, beim Bleichen unter Verwendung von Sauerstoff die Effizienz der Reaktionsabläufe in den Reaktionen zwischen dem zugeführten Sauerstoff und dem in der Suspension enthaltenen Lignin gegenüber Verfahren nach dem Stande der Technik zu verbessern.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird also der erforderliche Sauerstoff in zumindest einer der im Bleichprozess eingesetzten Stufen zur sauerstoffunterstützten Bleiche, wie beispielsweise der Sauerstoffdelignifizierung, der sauerstoffverstärkten Extraktion oder der sauerstoffverstärkten Peroxidbleiche, zumindest teilweise in Form von Nanobubbles eingetragen. Der Erzeugung der Nanobubbles erfolgt dabei entweder direkt in der Suspension oder indirekt, durch Einleitung von Sauerstoff in eine Leitung, die Wasser oder ein wässriges Fluid direkt oder indirekt in den Reaktor fördert, in dem der Verfahrensschritt zur sauerstoffunterstützten Bleiche, oder zumindest eine Stufe davon, stattfindet. Zumindest innerhalb des Reaktors liegt daher der zugeführte Sauerstoff also zumindest teilweise in Form von Nanobubbles in der Zellstoffsuspension vor.
Als „Nanobubbles“ oder „Nanobläschen“ sollen hier Gasblasen mit einem Durchmesser zwischen 20 nm und 1 µm verstanden werden. Die Bezeichnung „Nanobubble“ erfolgt insbesondere zur Unterscheidung von größeren Bläschen mit einem Durchmesser zwischen 1 µm und 100 µm, die im Kontext der vorliegenden Erfindung als „Mikrobubbles“ oder „Mikrobläschen“ bezeichnet werden. Es hat sich in verschiedenen Untersuchungen gezeigt, dass Nanobubbles mit einem Durchmesser von über 20 nm über einen langen Zeitraum von einigen Wochen oder gar länger in Wasser stabil bleiben können. Im Unterschied zu Mikrobläschen steigen sie nicht zur Wasseroberfläche, da die durch die - vergleichsweise geringe - Auftriebskraft veranlasste Steigbewegung durch die Brownsche Molekularbewegung gestört und fast vollständig aufgehoben wird. Zugleich ist das Zeta-Potenzial an der Oberfläche der Nanobläschen groß genug, um die Oberflächenspannung zu kompensieren und so die Auflösung des Nanobläschens zu verhindern. Erst bei einem Durchmesser von deutlich unterhalb von 20 nm nimmt die Oberflächenspannung überhand, die Nanobubbles kollabieren und verschwinden in Sekundenbruchteilen. Weiterhin neigen Nanobubbles aufgrund abstoßender Wechselwirkungen ihrer Oberflächen nicht zur Koagulation. Eine im Kontext der vorliegenden Erfindung bevorzugte Größe der Nanobubbles liegt bei einem mittleren Durchmesser zwischen 20 nm und unter 1 µm, bevorzugt bei einem mittleren Durchmesser zwischen 20 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 20 nm und 200 nm.
Die Nanobubbles sind zum Stoffaustausch mit ihrer Umgebung in der Lage. Ein mit einem bestimmten Gas beladenes Nanobläschen kann in Abhängigkeit von der Sättigung dieses Gases in einer umgebenden Lösung Gasmoleküle in die Lösung abgeben oder aus dieser aufnehmen. Im Kontext mit einem sauerstoffunterstützten Bleichverfahren sind die Nanobubbles mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas gefüllt und stellen somit ein stabiles Reservoir an Sauerstoff dar, durch das in der umgebenden Zellstoffsuspension gelöster Sauerstoff, der im Verlauf der Ligninreaktionen umgesetzt wird, rasch ersetzt werden kann. Zudem sind die Nanobubbles so klein, dass sie selbst in ligninhaltige Fasern in der Suspension eindringen und dort eine dauerhafte Sauerstoffversorgung für die Ligninreaktionen sicherstellen können.
Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Nanobubbles in wässerige Systeme werden beispielsweise in der US 2012/0175791 A1 , US 2019/0083945 A1 , US 6 382 601 B1 , US 10 293 312 B2 oder der WO 2017/217402 A1 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird, ohne dass damit jedoch die Art des Eintrags der Nanobubbles nach der vorliegenden Erfindung auf diese vorbekannten Systeme beschränkt werden soll. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass die Vorrichtung so beschaffen ist, dass ein wesentlicher Teil des einem wässerigen Fluid zugeführten Sauerstoffs im Fluid in Form von Nanobubbles erzeugt wird. Dies wird beispielsweise dadurch bewerkstelligt, dass der Sauerstoff durch eine Düse oder eine Einperlvorrichtung eingetragen wird, die mindestens abschnittsweise aus einem porösen Material, etwa Sinterkeramik oder Sinternetall, gefertigt ist, dessen Porendurchmesser so groß sind, dass im Fluid stabile Nanobläschen der gewünschten Größenordnung entstehen. Beispielsweise liegen die Durchmesser der Poren des porösen Materials ebenfalls im Nanobereich, also unter 1 µm.
Parameter wie pH-Wert und Salinität haben einen Einfluss insbesondere auf die Mindestgröße der Nanobubbles, ab der die Nanobläschen stabil in der Lösung vorliegen können. Um zu gewährleisten, dass ein möglichst großer Anteil des Sauerstoffs in der Suspension in Form von stabilen Nanobläschen vorliegen kann, ist es daher zweckmäßig, die Art des Eintragssystems so zu wählen, dass die Durchschnittsgröße der beim Eintrag erzeugten Bläschen und deren Stabilität bei den in der Zellstoffsuspension vorherrschenden Bedingungen berücksichtigt wird. Dies kann beispielsweise empirisch erfolgen, indem verschiedene Eintragssysteme vor einer dauerhaften Inbetriebnahme getestet und deren Eignung für das jeweilige chemische System festgestellt wird.
Die Dosierung des Sauerstoffs in Form von Nanobubbles kann im Bleichprozess bei allen sauerstoffunterstützten Bleichstufen zum Einsatz kommen, insbesondere bei der alkalischen Sauerstoffdelignifizierung, bei der sauerstoffverstärkten Extraktion („EO“), in welcher der Zellstoffsuspension neben Natronlauge (NaOH) Sauerstoff zugeführt wird, oder der sauerstoffverstärkten Peroxidbleiche („PO“ oder „EOP“), bei der der Zellstoffsuspension neben Wasserstoffperoxid (H₂O₂) sowie ggf. Natronlauge ebenfalls Sauerstoff zugeführt wird. Kommen mehrere dieser Bleichstufen zum Einsatz, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch nur in einer oder mehreren dieser Bleichstufen eingesetzt werden. Das gleiche gilt für aufeinanderfolgende Stufen einer mehrstufig durchgeführten Sauerstoffdelignifizierung. Ein Verfahrensschritt zur sauerstoffunterstützten Bleiche mit der erfindungsgemäßen Sauerstoffzuführung kann im Übrigen auch ergänzend zu einer nicht sauerstoffunterstützten Bleichstufe erfolgen, wie beispielsweise einer Delignifizierungstufe mit ClO₂.
Die Anordnung von mechanischen Mitteln, wie Rührer, Rotoren etc. muss so erfolgen, dass durch mechanische Einwirkungen wie starke Scherkräfte oder Kavitationen die Stabilität der Nanobubbles nicht beeinträchtigt wird.
Die Zuführung des Sauerstoffs in Form von Nanobubbles kann unmittelbar in die Zellstoffsuspension erfolgen, oder in eine Zuleitung, über die dem Reaktor, in dem die jeweilige Bleichstufe abläuft, Wasser oder eine wässeriges Fluid zugeführt wird. Beispielsweise erfolgt die Zuführung der Nanobubbles in ein Prozesswasser, wie beispielsweise Filtrat, das in einer oder mehreren späteren Waschstufen gewonnen wurde und im Gegenstrom zum Bleichprozess in eine oder mehrere vorhergehende Waschstufen zurückgeführt wird und dort z.B. als Verdünnungswasser verwendet wird. Ebenso denkbar ist die Zuführung des Sauerstoffs in Form von Nanobläschen in eine direkt in den jeweiligen Reaktor einmündenden Frischwasserzuführung oder in eine Leitung, die ein wässeriges Fluid, beispielsweise eine Lösung von NaOH oder H₂O₂ oder die Zellstoffsuspension selbst zum Reaktor fördert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch zum Eintragen von Sauerstoff in Zellstoffsuspensionen vergleichsweise hoher Stoffdichte geeignet, insbesondere zur Behandlung von Zellstoffsuspensionen mittlerer Konsistenz (MC) mit Stoffdichten zwischen 8% und 20%, bevorzugt zwischen 10% und 14% geeignet. Auch höhere Stoffdichten bis 35% sind vorstellbar. In diesem Fall wird der Sauerstoff in Form von Nanobubbles bevorzugt in Verdünnungswasser zugeführt, das in die Zellstoffsuspension eingebracht wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von gebleichtem Zellstoff, die mit wenigstens einem Reaktor ausgerüstet ist, in dem eine Lignin und Zellstoff enthaltende Suspension (Zellstoffsuspension) wenigstens einem Verfahrensschritt zur sauerstoffunterstützen Bleiche unterzogen wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor oder einer mit dem Reaktor strömungsverbundenen Zuleitung für die Zellstoffsuspension und/oder für ein dem Reaktor zuzuführendes wässeriges Fluid, wie beispielsweise Waschwasser oder ein NaOH oder Peroxid enthaltendes Fluid, eine Eintragsvorrichtung zum Eintragen von Sauerstoff in Form von Sauerstoff Nanobubbles zugeordnet ist.
Die Eintragsvorrichtung bzw. die Eintragsvorrichtungen umfasst/umfassen beispielsweise eine Düse oder ein Einperlsystem, das zumindest abschnittsweise aus porösem Material gefertigt ist, wie beispielsweise Sinterkeramik oder Sintermetall. Die Porendurchmesser des porösen Abschnitts sind so groß, dass im Fluid stabile Nanobläschen der gewünschten Größenordnung entstehen, also beispielsweise Porendurchmesser aufweist, die der Größe der einzutragenden Nanobläschen, also zwischen 20 nm und 1000 nm, entsprechen. Im Betriebszustand ragt der poröse Abschnitt in die Zellstoffsuspension oder das Fluid hinein und erlaubt so die Erzeugung der Nanobubbles direkt beim Einleiten des Sauerstoffs in das jeweilige Fluid.
Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (1) zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Verfahren 1 zum Bleichen von Zellstoff, der beispielsweise als Vorprodukt für die Herstellung von Papier oder anderen Produkten zum Einsatz kommt. Dabei durchläuft eine wässerige Zellstoffsuspension 2, die neben Zellstoff noch Anteile von Lignin enthält, die nacheinander ablaufenden sauerstoffunterstützten Bleichstufen einer alkalischen Sauerstoffdeliginfizierung 3, einer sauerstoffverstärkten alkalischen Extraktion 4 sowie einer sauerstoffverstärkten Peroxidbleiche 5.
Bei der Sauerstoffdelignifizierung 3 wird die Zellstoffsuspension 2 in einem druckfesten Reaktor bei hohen Temperaturen in einer alkalischen Umgebung mit Sauerstoff behandelt. Dabei werden wesentliche Anteile des noch in der Suspension enthaltenen Lignins durch Reaktion mit Sauerstoff entfernt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier nur ein Verfahrensschritt zur Sauerstoffdelignifizierung 3 gezeigt, die Sauerstoffdelignifizierung 3 kann dabei in einem einzelnen Reaktor oder

- wie bei heutigen Bleichverfahren üblich - mehrstufig in mehreren, hintereinandergeschalteten Reaktoren erfolgen.

Die Sauerstoffdelignifizierung 3 erfordert ein alkalisches Milieu mit einem pH-Wert von etwa pH=11 bei einer Temperatur zwischen 80°C und 105°C, das im hier gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Zuführung von NaOH und von heißem Dampf in den Reaktor realisiert wird. Die Suspension besitzt dabei eine mittlere Konsistenz von beispielsweise 10% bis 14% Stoffdichte. In den Reaktor oder in die Reaktoren wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas eingeleitet. Im heute eher ungebräuchlichen Fall einer einstufigen Sauerstoffdelignifizierung erfolgt die Behandlung bei einem Druck von beispielsweise 7 bis 8 bar im Zulauf und 4,5 bis 5,5 bar im Auslauf des (einzigen) Reaktors. Die Behandlungsdauer (Retentionszeit) beträgt dabei beispielsweise 50 bis 60 min. Im Falle einer zweistufigen Sauerstoffdelignifizierung unterscheiden sich in der Regel Druck und Reaktionsdauer in beiden Reaktoren. Üblich ist beispielsweise in der ersten Stufe ein Druck von 7 bis 10 bar und 10 bis 15 Minuten Retentionszeit und in der zweiten Stufe ein Druck von 3 bis 5 bar, bei einer Retentionszeit von ca. 1 h.
In der anschließenden alkalischen Extraktion 4 wird das nach der Delignifizierung verbleibende Lignin mittels NaOH zum großen Teil löslich gemacht. Die Zugabe von Sauerstoff verstärkt dabei die Bleichwirkung („EO“, sauerstoffverstärkte Extraktion). Die Behandlung erfolgt in einem Reaktor bei einer Temperatur von beispielsweise 55°C-80°C und einem Druck, der beispielsweise zwischen Atmosphärendruck und 3-4 bar liegt, bei einer Verweilzeit von beispielsweise 60 bis 120 min.
In der Peroxidbleiche 5 wird der Suspension als weiteres Bleichmittel ein Peroxid, insbesondere Wasserstoffperoxid (H₂O₂) zugeführt. Auch die Effizienz dieses Verfahrensschritts kann durch Zugabe von Sauerstoff wesentlich verbessert werden („PO“, sauerstoffverstärkte Peroxidbleiche). Die Behandlung erfolgt in einem Reaktor beispielsweise bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von beispielsweise zwischen 85°C und 90°C oder unter einem erhöhten Druck bei Temperaturen von beispielsweise zwischen 100°C und 110°C.
Es versteht sich von selbst, dass die hier gezeigten Verfahrensschritte 3, 4, 5 nicht zwingend alle und in der hier beschriebenen Weise durchgeführt werden müssen; im Rahmen der Erfindung können einzelne oder mehrere dieser Schritte vorhanden sein, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren, hier nicht beschriebenen Bleichstufen.
Den Bleichstufen 3, 4, 5 sind in an sich bekannter Weise jeweils Waschstufen 6, 7, 8, 9 vor- bzw. nachgeschaltet. In der abschließenden Waschstufe 9 erfolgt eine Zuführung eines wässerigen Mediums, beispielsweise Frischwasser oder Kondensat. Das bei der Wäschstufe 9 anfallende Filtrat wird - ebenfalls in an sich bekannter Weise - über eine Filtrat- und Waschwasserführung 10 jeweils im Gegenstrom zum Lauf der Zellstoffsuspension den jeweils vorhergehenden Waschstufen 8, 7, 6 zugeführt. Am Ende der letzten Waschstufe 9 wird eine als Zwischenprodukt entstandene Suspension mit zumindest weitgehend gebleichtem Zellstoff 11 nachfolgenden, hier nicht weiter interessierenden Verarbeitungsschritten zugeführt.
Wie erwähnt erfolgt in den Bleichstufen 3, 4, 5 eine Zuführung von Sauerstoff, die direkt oder indirekt in die jeweils die Bleichstufe 3, 4, 5 beherbergenden Reaktoren erfolgt. Erfindungsgemäß wird dabei zumindest ein Teil des Sauerstoffs in Form von Nanobubbles mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 20 nm und 1000 nm eingetragen. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind beispielhaft verschiedene Möglichkeiten für Orte gezeigt, an denen ein Sauerstoffeintrag in Form von Nanobubbles erfolgen kann.
Beispielsweise kann zur Sauerstoffversorgung der alkalischen Sauerstoffdelignifikation 3 ein Eintrag von Sauerstoff in Form von Nanobubbles in einer Zuführung 13 für Rücklaufwasser erfolgen, in die auch die für die alkalische Sauerstoffdelignifizierung 3 erforderliche Natronlauge eingespeist wird, wie anhand der Sauerstoffzuführung 14 gezeigt. Der Eintrag von Sauerstoff in Form von Nanobubbles kann jedoch auch, ergänzend oder alternativ dazu, in einer Zuleitung 15 für Waschwasser an die der Sauerstoffdelignifizierung 3 vorgeschaltete Waschstufe 6 erfolgen (Sauerstoffzuleitung 16), in einer direkt in den Reaktor (oder einen oder mehreren der Reaktoren) der Sauerstoffdelignifizierung 3 mündenden Sauerstoffzuleitung 17 und/oder in einer die zellstoffhaltige Suspension dem Reaktor (oder einem der Reaktoren) der Sauerstoffdelignifizierung 3 zuführenden Transportleitung 18, wie durch Sauerstoffzuleitung 19 angedeutet.
In gleicher Weise bestehen verschiedene Möglichkeiten für die Zuführung von Sauerstoff auch in der alkalischen Extraktion 4 und der Peroxidbleiche 5, wobei indes in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nur Sauerstoffzuführungen 20, 21 gezeigt sind, die in eine stromauf zum jeweiligen Reaktor angeordnete Transportleitung 22, 23 für die Zellstoffsuspension einmünden.
Der Eintrag des Sauerstoffs in Form von Nanobubbles ist im Übrigen nicht auf die hier gezeigten Eintragspunkte beschränkt, vielmehr kann der Eintrag auch an anderen, hier nicht gezeigten Punkten erfolgen.
Im Übrigen ist es im Rahmen der Erfindung keineswegs erforderlich, dass der Eintrag des Sauerstoffs ausschließlich in Form von Nanobubbles erfolgt, Möglich ist vielmehr auch, dass der Eintrag des Sauerstoffs in Form von Nanobubbles ergänzend zu anderen Eintragsweisen für den Sauerstoff vorgenommen wird.
Der Erzeugung der Nanobubbles erfolgt jeweils an der Einmündung der Sauerstoffzuführungen 14, 16, 17, 19, 20, 21 in die jeweilige fluidführende Leitung 13, 15, 18, 22, 23 und/oder den jeweiligen Reaktor an geeigneten Eintragsvorrichtungen 24. Erforderlich ist dabei nur, dass im Betrieb der Eintragsvorrichtungen 24 diese zumindest mit einer die Nanobubbles erzeugenden Vorrichtung, beispielsweise einer Düse, von Wasser oder eines wässerigen Fluids oder einer Suspension umgeben sind, sodass sich die Nanobubbles in der wässerigen Phase ausbilden können. Die Nanobubbles werden anschließend vom Strom des jeweiligen Fluids mitgetragen und gelangen so in den jeweiligen Reaktor der Reaktion 3,4, 5. Im Übrigen kann eine solche Eintragsvorrichtung 24, die die Erzeugung von Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles im jeweiligen Fluid erlaubt, auch nur an einer oder einigen der genannten Einmündungen der Sauerstoffzuführungen 14, 16, 17, 19, 20, 21 vorgesehen sein:
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den im Verlauf der verschiedenen Bleichstufen in die Zellstoffsuspension eingetragenen Sauerstoff mit einer wesentlich höheren Effizienz einzusetzen, als diese bei Verfahren aus dem Stande der Technik der Fall ist. Die geringe Größe der Nanobläschen ermöglichen eine gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffs in der Suspension und erleichtern den Transport des Sauerstoffs bis unmittelbar an das zu oxidierende Lignin. Zudem stellen die Nanobubbles in Bereichen, in denen ein hoher Sauerstoffbedarf vorliegt, ein leicht verfügbares Reservoir für Sauerstoff dar.
Bezugszeichenliste

1.: Verfahren
2.: Zellstoffsuspension
3.: Alkalische Sauerstoffdelignifizierung
4.: Alkalische sauerstoffverstärkte Extraktion
5.: Sauerstoffverstärkte Peroxidbleiche
6.: Waschstufe
7.: Waschstufe
8.: Waschstufe
9.: Waschstufe
10.: Filtrat- und Waschwasserführung
11.: Suspension mit gebleichten Zellstoff
12.: -
13.: Zuführung (für Verdünnungswasser, NaOH)
14.: Sauerstoffzuführung
15.: Zuführung für Waschwasser
16.: Sauerstoffzuführung
17.: Sauerstoffzuführung
18.: Transportleitung
19.: Sauerstoffzuführung
20.: Sauerstoffzuführung
21.: Sauerstoffzuführung
22.: Transportleitung
23.: Transportleitung
24.: Eintragsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1528149 A1 [0006]
EP 3380667 A1 [0007]
EP 0573892 B1 [0008]
US 4886577 A1 [0008]
WO 2006/071165 A1 [0009]
US 2012/0175791 A1 [0015]
US 2019/0083945 A1 [0015]
US 6382601 B1 [0015]
US 10293312 B2 [0015]
WO 2017/217402 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung von gebleichtem Zellstoff, bei dem eine Lignin und Zellstoff enthaltende Suspension wenigstens einem Verfahrensschritt zur sauerstoffunterstützen Bleiche (3,4,5) in einem Reaktor unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der für die sauerstoffunterstützte Bleiche (3,4,5) erforderliche Sauerstoff dem Reaktor zumindest teilweise in Form von Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles zumindest teilweise durch Erzeugung von Nanobubbles in eine mit dem Reaktor für die sauerstoffunterstützte Bleiche (3, 4, 5) strömungsverbundenen Zuleitung für Frischwasser, einer Zuleitung (15) für Prozesswasser und/oder einer Zuleitung (13) für eine in der sauerstoffunterstützten Bleiche (3, 4, 5) eingesetzten Chemikalie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verfahrensschritt der sauerstoffunterstützten Bleiche (3, 4, 5) eine Waschstufe (6) vorgeschaltet ist, in der der Zellstoff enthaltenden Suspension Waschwasser zugeführt wird, und die Zuführung der Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles zumindest teilweise durch Erzeugung von Nanobubbles im Waschwasser der Waschstufe (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles zumindest teilweise durch Erzeugung von Nanobubbles in der Suspension in einer in den Reaktor für die sauerstoffunterstützte Bleiche (3, 4, 5) einmündenden Transportleitung (18, 22, 23) für die zellstoffhaltige Suspension oder im Reaktor für die sauerstoffunterstützte Bleiche (3, 4, 5) selbst erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass der Verfahrensschritt der sauerstoffunterstützten Bleiche (3, 4, 5) in mehreren, jeweils in einem separaten Reaktor durchgeführten Stufen abläuft und der dabei erforderliche Sauerstoff einem der Reaktoren oder mehreren Reaktoren zumindest teilweise in Form von Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffunterstützte Bleiche (3, 4, 5) einen Verfahrensschritt der Sauerstoffdelignifizierung (3) und/oder einen Verfahrensschritt zur sauerstoffverstärkten Extraktion (4) und/oder einen Verfahrensschritt zur sauerstoffverstärkter Peroxidbleiche (5) umfasst und dass der für zumindest einen dieser Verfahrensschritte (3), (4), (5) erforderliche Sauerstoff zumindest teilweise in Form von Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellstoff enthaltene Suspension, in welche der Sauerstoff in Form von Nanobubbles bei dem Verfahrensschritt der sauerstoffunterstützten Bleiche (3, 4, 5) eingetragen wird, eine Stoffdichte zwischen 8% und 35%, bevorzugt zwischen 10% und 14% aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung von gebleichtem Zellstoff, mit wenigstens einem Reaktor, in dem eine Lignin und Zellstoff enthaltende Suspension wenigstens einem Verfahrensschritt zur alkalischen sauerstoffunterstützen Bleiche (3, 4, 5) unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor und/oder einer mit dem Reaktor strömungsverbundenen Zuleitung (13, 15, 18, 22, 23) für die Zellstoffsuspension und/oder für ein dem Reaktor zuzuführendes wässeriges Fluid eine Eintragsvorrichtung (24) zum Eintragen von Sauerstoff in Form von Sauerstoff enthaltenden Nanobubbles zugeordnet ist.