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Aufschluss von Holz und Einjahrespflanzen Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Aufschluss von Holz, Einjahrespflanzen und dergleichen zellulosehaltigen
Stoffen zwecks Gewinnung von Zellstoff, Halbzellstoff, Holzschliff oder Holz stoff
sowie eine Vorrichtung zur Durchfiihrung des Verfahrens.
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Die Zerfaserung des Rohstoffs wird unabhängig davon, ob es sich nur
um aie mechanische Ergänzung eines vorangegangenen chemischen Aufschlusses oder,
wie im Falle des sogenannten thermomechanischen AufschluDses, um einen wesentlichen
Teil des gesamten Prozesses handelt, teils mit sogenannten NaBseparatoren, teils
mit sogenannten Entstippern, teils mit Scheiben-oder Kegelrefinern durchgeführt.
Je stärker die rotierenden Schlagwerkzeuge oder die mit struktuierten Oberflächen
versehenen Scheiben beziehungsweise Kegelräder die Rohstoffpartikel angreifen, desto
höher ist der erforderliche Kraftaufwand und desto grösser auch die Gefahr, dass
die Zellulosefasern zerschnitten,zgebrochen oder sonstwie beschädigt werden. Die
diesbezüglichen Arbeitiginge verfolgen aber nicht; nur den Zweck, die Rohstoffpartikel
nach Erweichung beziehungsweise nach Herauslösung des Lignins und der anderen Zelluiosebeg.leitstoffe
in Faserbündel zu zerlegen, sondern dienen auch der Auf abe,die als Pibrillen bezeichneten
Bestandteile der Fasern beziehungsweise deren hervorstehenden Enden zu spreizen
und damit die Voraussetzungen für eine einwandfreie Blattbildung bei der Papier-und
Pappenherstellung zu schaffen.
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Bei der herkömmlichen Vermahlung des irgendwie thermisch und/oder
chemisch vorbehandelten Rohstoffs geht man offensichtlich von der Annahme aus, der
vorstehend beschriebene Angriff mit entsprechend struktuierten Werkzeugen aus Stein
oder Stahl sei das geeignete Mittel, die Fibrillierung herbeizuführen. Diese Annahme
entspricht der früher verbreiteten Vorstellung, die Zellulose
bestehe
aus in sich geschlossenen submikroskopischen Kristallen, deren Struktur einem aus
Backsteinen gebildeten Mauerwerk vergleichbar sei. Nach der heute herrschenden sogenannten
Franzentheorie hat man sich jedoch das Zellulosemicell als einen ultramikroskopischen
Mischkristall von Zelluloseketten verschiedener Lange vorzustellen, die nicht durch
das Lignin oder andere Zellulosebegleitstoffe, sondern durch van der Waalsche Kräfte
zusammengehalten werden, wobei diese Kräfte nicht stark genug sind, sich auch auf
die hervorstehenden und auseinanderstrebenden Enden auszuwirken. Aus der submikroskopischen
Natur des Zellwandgefüges folgt, dass die herkömmliche Vermahlung nur in Ausnahmefällen
angebracht ist, nämlich dann, wenn es um den mechanischen Aufschluss von Splittern,Ästen,
Knoten und dergleichen als Grobstoff auszusortierende Partikel geht. Im übrigen
aber stellt die herkömmliche Vermahlung kein adäquates Mittel dar, einen im submikroskopischen
Bereich liegenden Effekt herbei zuführen0 Ein 1951 in den USA entwickeltes, als
Mechano-Chemical Process bezeichnetes Verfahren beschreitet, ohne auf die Struktur
der Zellwand näher einzugehen, insofern einen neuen Weg, als es den chemischen Aufschluss
mit dem mechanischen Aufschluss kombiniert Das betreffende Verfahren beschränkt
sich allerdings auf die Aufschliezsung von kurz gehtekseltem Stroh. Es schlägt vor,
den Rohstoff unter Zusatz verschiedener Chemikalien, zum Beispiel Natriumlauge oder
Natriumsulflt unter Dampfzufuhr mittels eines Propellers intensiv zu mischen. Für
den Propeller wird eine Geschwindigkeit von 3200 U/min vorgeschrieben0 Die Zerfaserung
soll unter Mitwirkung der Chemikalien vorwiegend durch den Propeller erfolgen.
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Gegen dieses Verfahren ist eingewendet worden, seine Wärmebilanz sei
unbefriedigend. Auch führe es zu einem hohen Stromverbrauch.
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Bei dem heute üblichen Kochervolumen von 100 bis 300 m3 wurden vermutlich
auch mehrere Propeller erforderlich sein, um das Füllgut der Vorschrift entsprechend
umzuwälzen0 Bei einer nur einseitig gelagerten Welle ist zudem mit einer starken
Vibration
zu rechnen, die in Kürze zu Lagerschäden führt. Von Nachteil
ist auch die für dieses Verfahren vorgeschriebene direkte Beheizung, die zwangsläufig
zu einer Verdünnung der Kochlauge führt. Von entscheidenter Bedeutung ist jedoch
der Umstand, dass das Mischwerkzeug zwecks Erreichung der vorgeschriebenen Umdrehungszahl
ein dünnes Blatt mit scharfen Kanten aufweisen muss. Ein solches Werkzeug führt
aber zwangsläufig zum Zerschneiden beziehungsweise Zerreissen der feinen Zellulosefasern
und damit zu einer die Blattbildung beeinträchtigenden Kürzung der Fasern, was besonders
dann von grossem Nachteil ist, wenn der Rohstoff, wie das bei Stroh der Fall ist,
ohnehin kurze Fasern aufweist.
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Von diesem grosstechnisch nicht verwirklichten Vorschlag abgesehen,
werden nach dem heutigen Stand der Technik allenfalls einige Teile des Prozesses
zusammengefasst, wie zum Beispiel das Entlüften und Imprägnieren des Rohstoffs0
Im übrigen aber werden die einzelnen Arbeitsgänge, insbesondere das Kochen und Zerfasern
in gesonderten Einrichtungen durchgeführt. Hierbei können durch Verwendung kontinuierlicher
Kocher erhebliche Zeiteinsgarungen erzielt werdenOWegen der relativ kurzen Verweilzeit
des Rohstoffs im Kocher eignen sich jedoch solche Verfahren nur für die Gewinnung
von Halbzellstoff. Im übrigen verbleibt es dabei, dass für das Füllen und Nachfüllen
eines diskontinuierlichen Kochers ein erheblicher Zeitaufwand erforderlich ist.
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Gleiches gilt für das Entleeren. Für diesen Vorgang werden im allgemeinen
25 bis 50 Minuten benötigt, wodurch sich der für den Kochprozess erforderliche Zeitaufwand
erheblich erhöht. Schliesslich erfordert das Umfüllen des Füllgutes von einer Einrichtung
in die nächstfolgende auch dann beträchtliche Zeit, wenn für diesen Vorgang selbsttätige
Fördereinrichtungen verwandt werden.
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Der gesamte Prozess ist daher auch unter dem Gesichtspunkt der erforderlichen
Investitionen recht aufwendig, ohne dass damit eine schonende Behandlung der Fasern
gewährleistet ist.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gesetzt, die angeführten Nachteile
zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, mit dem unter
Hackschnitzel,
gehäckselte Einjahrespflanzen und dergleichen zellulosehaltige Stoffe unter Einsparung
von Zeit, Energie und technischem Aufwand zu Zellstoff, Halbzellstoff,Holzschliff
oder Holzstoff aufgeschlowsen werden können. Die Erfindung ver folgt weiter das
Ziel,das Verfahren so auszubilden,dass die Zerfaserung und die Fibrillierung in
einer die Zellulosesubstanz schonenden Weise erfolgt und die herkömmliche, unter
Verwendung von rotierenden Schlagwerkzeugen, struktuierten Scheiben oder Kegelrädern
oder dergleichen durchgeführte Zerfaserung beziehungsweise Vermahlung auf den aus
Splittern,Ästen,Enoten und dergleichen bestehenden,.nach Dutchführung des erfindungagemässen
Verfahrens aussortierten Grobstoff beschränkt werden kann. Die Erfindung hat sich
ferner die Aufgabe gestellt ,im Falle der Mitverwendung von Chemikalien den Aufschluss
des Rohstoffs mit einer relativ geringen Flüssigkeitsmenge herbeizuführen,sodass
die zum Verdampfen anstehende Ablauge einen relativ hohen Anteil an Trockensubstanz
aufweist.
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Die Erfindung verfolgt ferner das Ziel,das Verfahren so auszubilden,dass
es sich auch für den ohne Verwendung von Chemikalien durchgeführten Prozess eignet
und bei hoher Ausbeute auch bei von Natur aus kurzfaserigen Rohstoffen eine für
die Papier-und Pappeherstellung ausreichende Blattbildung gewährleistet. Die Erfindung
hat sich des weiteren die Aufgabe gestellt, die Anwendung des Verfahrens auf einzelne
Arbeitsgänge, zum Beispiel das Kochen, Zerfasern oder Fibrillieren zu gestatten,
als auch die Zusammenfassung mehrerer Arbeitsgänge in einem einheitlichen Prozess
zu ermöglichen, zum Beispiel die Durchführung der Imprägnierung, des Kochens, des
Zerfaserns,des Pibrillierens und des Waschens in ein und derselben Vorrichtung.
Schliesslich hat sich die Erfindung zur Aufgabe gesetzt, eine zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen0 Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe
durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, dadurch gekennzeichnet, dass der
zu Hackschnitzeln geringer Abmessungen, Häcksel oder dergleichen Partikel zerkleinerte
Rohstoff mit oder ohne vorangegangene
Dämpfung, Entlüftung, Imprägnierung
und/oder sonstige Behandlung in einem direkt und/oder indirekt beheizten geschlossenen
säure-,druck-und hitzebeständigen und mit einer sich schnell drehenden Schnecke
ausgestatteten Behälter unter Zusatz von Dampf,Warmwasser und/oder in Lösung gegangenen
Chemikalien unter gleichzeitiger indirekter Wärmezufuhr mittels der Schnecke in
eine rotierende Vorwärtsbewegung versetzt,in rascher Aufeinanderfolge vielfach mit
hoher Geschwindigkeit gegen eine Prallwand geschleudert,durch den Rückprall und
auf Grund der Schwerkraft in die Anfangswindungen der Schnecke befördert und auf
diese Weise wieder in den Kreislauf eingeführt wird, wobei für den Fall,dass der
Prozess ohne Verwendung von Chemikalien durchgeführt wird, nach Erreichen des Glasumwandlungspunktes
in kurzer Zeit eine Erweichung des Lignins und der übrigen Zellulosebegleitstoffe
und im Falle der Mitverwendung von Wasser oder in Lösung gegangener Chemikalien
mit einer relativ geringen Flüssigkeitsmenge in. kurzer Zeit eine vollstandige Durchtränkung
der Rohstoffpartikel mit anschliessender kolloidaler Auflösung des Lignins und der
übrigen Zellulosebegleitstoffe erreicht und allein durch die Reibung der Rohstoffpartikel
untereinander, durcfr den beim Aufschlag auf die Prallwand entstehenden und durch
den osmotischen Druck ohne metallischen Eingriff eine Freilegung der Faserbündel
und der Fasern, ein Platzen und anschliessendes Zerreissen der hydrophoben Primärwand
der Fasern, eine an diesen Vorgang anschliessende Wasseraufnahme des submikroskopischen
Kapillarsystems der vorwiegend aus Zellulose bestehenden Sekundärwand der Fasern
,eine auf der Affinität der Zellulose zum Wasser beruhende micellare Oberflächenreaktion
( intermicellare Reaktion ) sowie eine auf das Innere der Kristallite sich erstreckende
chemische Reaktion ( intramicellare Reaktion ) und als deren Folge eine mit Wärme-und
Druckentwicklung verbundene Quellung der Zellulosesubstanz herbeigeführt wird>
die, unterstützt durch den beim Umwälzen des Füllgutes entstehenden Druck, den die
seitliche Haftung der Fibrillen untereinander bedingenden van der Waalschen Kräften
mit der Folge entgegenwirkt,
dass es mit einem den van der Waalschen
KråttXen entsprechenden relativ geringen Kraftaufwand mit bleibender Wirkung zu
einer die Struktur der Fadenmoleküle schon enden Störung des parallel geordneten
iXIicellargefüges und/oder zu einer die Blattbildung unterstützenden beziehungsweise
ermöglichenden Spreizung der ungleich langen, aus der Micelle als Franzen hervorragenden
Fadenmolekiile kommt, Das Verfahren ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es auf
einzelne Arbeitsgänge anwendbar ist, zum Beispiel das Dämpfen, das Entlüften, das
Imprägnieren, das Kochen, das Zerfasern, das Fibrillieren, das Waschen oder das
Entwässern, und dass auch mehrere Arbeitsgänge, zum Beispiel das Imprägnieren,Kochen,Zerfasern,Fibrillieren
und Entwässern in einem einheitlichen Prozess zusanmengefasst und in ein und derselben
Vorrichtung durchgefahr werden können.
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Ein weiteres Kennzeichen des Verfahrens besteht darin, dass die nach
Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verbleibenden, aus Splittern,Ästen,Knoten
und dergleichen bestahenden nicht aufgeschlossenen Rohstoffparcikel aussortiert,
gegebenenfalls erstmalig oder erneut einem chemischen Aufschluss unterworfen und
unabhängig davon unter Verwendung von Naßseparatoren, Entstippern, ocheiben-oder
Kegelrefinern auf herkömmliche Weise zerfasert und fibrilliert werden.
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?Tach einer weiteren Ausbildung des Verfahrens ist es möglich, dass
das Entwässern und/oder tiZaschen der Rohstoffpartikel unter Verwendung eines in
die Prallwand des Behälters einschiebbaren engmaschigen Siebes durchgeführt wird,
wobei die Flüssigkeit durch das Sieb dringt und abgezogen wird, während der Feststoff
solange umgewälzt wird, bis der gensünschte Feuchtigkeits-beziehungsvzeise Trockengr-ad
erreicht ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
dass in einem druck-,hitze-und säurebeständigen, wärmeisolierten,mit Ein-und Auslassventilen
für feste,flüssige und gasförmige Stoffe versehenen geschlossenen und indirekt heizbaren
Behälter eine zweifach gelagerte,mit hoher Ge -schwindigkeit
um
ihre Achse drehbare,eine heizbare Hohlwelle aufweisende und mit der Wandung abschliessende
Schnecke und üher dieser ein, in Drehrichtung gesehen,nach hinten sich ab;..
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flachender Hohlraum angeordnet ist, dessen Stirnwand, beginnend mit
der Oberkante der Schneckenwelle, zunächst eine geringe Schräge nach aussen und
in ihrem oberen Drittel eine starke, als Prallwand dienende und die Rückführung
des Füllgutes unterstützende Schräge nach innen aufweist, wobei die Rückführung
des Füllgutes in die Anfangswindungen der Schnecke durch einen, in Drehrichtung
gesehen, stromlinienförmig nach hinten sich abflachenden heizbaren Einbau erzwingbar
ist, der ungefähr die weite Hälfte der Schnecke überdeckt, deren obere Wandung bildet
und mit der vorletzten Schneckenwindung endet.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet,
dass sie durch wahlweises Einschieben eines Siebes verschiedener,insbesondere auch
enger Maschenweite in die Prallwand oder eine andere Fläche des Behältermantels
zum Sortieren, Entwässern, Waschen und anderen Arbeitsgängen verwendbar ist.
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Nach einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung
ist vorgesehen, dass die Schnecke mittels eines Motors durch'Verwendung eines Getriebes
mit verschiedener Geschwindigkeit antreibbar, zwecks Entleerung über ein, in Drehrichtung
gesehen, unter der Anfangswindung der Schnecke liegendes Auslassventil,auch in umgekehrtem
Drehsinn antreibbar ist, und dass sämtliche Arbeitsgänge und Takte, das Öffnen rnd
Schliessen der Ein-und Auslassventile eingeschlossen, mittels einer entsprechenden
Schaltaulage selbsttätig regulierbar sind.
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Die erfindungsgemsse Vorrichtung ist fernerhin dadumcln gekennzeichnet,
dsss der Umlauf des Füllgutes, insbesondere die im Zuge der Einfuhrung des Rohstoffs
in den Behälter erfolgende Imprägnierung, durch ein unter dem Rohstoffeinlassventil
im Mantel des Behälters angeordnetes Schauglas kontrollierbar,die Temperatur durch
ein Thermometer ablesbar und durch ein Thermostat selbsttätig regulierbar ist.
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Das vorliegende Verfahren beruht somit auf der überraschend gefundenen
Erkenntnis, dass unabhängig davon, ob das im Rohstoff enthaltene Lignin und die
übrigen Zellulosebegleitstoffe entfernt werden oder nicht, mehrere Arbeitsgänge
in einem einheitlichen Prozess zusammengefast und Zerfaserung und Fibrillierung
ohne metallischen Eingriff in die Rohstoffsubstanz vorgenommen werden können0 Der
Verzicht auf das Eingreifen von rotierenden Schlagwerkzeugen, struktuierten Scheiben
oder Kegelrädern gewährleistet eine schonende Behandlung der Fadenmoleküle und führt
zu einer wesentlichen Qualitätsverbesserung. Daneben bringt die Erfindung eine wesentliche
Einsparung an Zeit und technischem Aufwand mitsich und schafft darüber hinaus die
Möglichkeit, auch mit von Natur aus kurzfasrigen Rohstoffen eine ausreichende Blattbildung
herbeizuführen0 Im Hinblick darauf, dass die zum Umwälzen des Füllgutes verwendete
Energie mehreren Zwecken dient, ist der auf den einzelnen Arbeitsgang entfallende
Kraftaufwand relativ gering, Da im Falle der Verwendung von Chemikalien zufolge
der intensiven Durchmischung und des beim Aufschlag auf die Prallwand ausgeübten
Druckes die Durchtränkung der Rohstoffpartikel und die kolloidale Auflösung des
Lignins und der Hemizellulosen auch mit einer relativ geringen Flüssigkeitsmenge
herbeigeführt werden kann,führt die Erfindung auch zu einem höheren Trockensubstanzgehalt
der Ablauge und damit zur Reduzierung des Wärmebedarfs beim Eindicken der Ablauge
durch Verdampfen0 Die Erfindung trägt damit auch zur Lösung des die Umwelt belastenden
Ablaugenproblems bei. Die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens wird
dadurch nicht beeinträchtigt, dass der aussortiez grobstoff der herkömmlichen Zerfaserung
zuzuführen ist; denn auch bei herkömmlichen Verfahren werden die nicht aufgeschlossenen
Splitter, Äste und Knoten einer mehrmaligen Behandlung unterworfen.
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Die von der Erfindung vorgesehene indirekte Beheizung verhindert im
Falle der Verwendung von Chemikalien die Verdünnung der Laugenkonzentration durch
eingeführten Dampf 0 Die Wärmezufuhr über die Hohlwelle der Schnecke und den über
der Schnecke angeordneten,
oben und unten vom Materialfluss berührten
Einbau gewährleistet einen ausgezkichneten Wärmeübergang. Gleichzeitig wird durch
diese Anordnung die Möglichkeit geschaffen, den Mantel des Behälters gegen Wärmeaustritt
zu isolieren. Auch das dient der Wirtschaftlich/der Erfindung. Dadurch dass das
Füllgut nach Verlassen der Schnecke ohne Richtungsänderung zunächst schräg nach
aussen geführt wird, werden in dieser Zone Stauungen vermieten, Die nach innen gerichtete
Schräge der Prallwand und der über der Schnecke liegende stromlinienförmige Einbau
gewährleisten die einwandfreie Rickfwnrung des Füllgutes in die Anfangswindungen
der Schnecke0 So kann das Füllgut mit etwa 25 m/sec durch die Vorrichtung geschleudert
werden, ohne dass es zu Stauungen kommt.Diese Geschwindigkeit entspricht einer.
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Umdrehungszahl von etwa 750 U/min. Im übrigen richtet sich die sie
Durchlaufgeschwindigkeit und die Verweilzeit nach der jeweiligen Beschaffenheit
des Rohstoffs, der Art des Aufschlusses und dem gesteckten ProduktionszielO Diesen
Anforderungen kann die erfindungsgemässe Vorrichtung elastisch angepasst werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der anliegenden Zeichnung
schematisch dargestellt: Im unteren Teil eines druck-,hitze-und Säurebeständigen,
aus legierten Stahl bestehenden,gegen Wärmeaustritt isolierten Behälterslliegt eine
aus legiertem Stahl bestehende,um ihre Achse drehbare Schnecke 2 , deren Segmente
gleich hoch sind und gleichen Abstand voneinander aufweisen, Die Segmente schliessen
mit der Wandung bündig ab. Die in zwei Lagern ruhende Welle der Schnecke 3 ist hohl
und von innen beheizbar.
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Über der Schnecke befindet sich ein Hohlraum 4 , dessen, in Drehrichtung
der Schnecke gesehen, vorderer Teil einen nach hinten sich abflachenden Einbau 5
aufweist.Die Unterseite des Einbaues 6 ist entsprechend dem Radius der Schnecke
nach innen gewölbt.
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Der einbau kann die Schnecke bis zur li-lrte überdecken0 Seine Vorderseite
7 ist abgerundet.
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Die Stirnseite des Hohlraums weist beginnend mit der Oberkante der
Sc.lneckenwelle zunächst eine geringe hieigung nach aussen 8 und in ihrem oberen
Drittel eine starke Neigung nach innen 9 auf.
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Der Deckel des Behälters verläuft zunächst waagerecht nach hinten
10 und fällt im hinteren Drittel mit einer Schräge zur Oberkante der ersten Schneckenwindung
11 ab O Im hinteren Teil des den Hohlraum umschliessenden Gehäusemntels ist ein
Thermometer 12 und ein Such glas 13 angeordnet, Im moden des Behälters sind Ventile
zum Abzug der Ablauge,des Waschwasser, und des Füllgutes vorgesehen,von denen das
vordere dann benutzt wird, wenn die Entleerung ohne Änderung des Drehsinns cter
Schnecke erfolgt 14 . Die Benutzung des hinteren Ventils 15 setzt eine Änderung
des Drehsinns voraus0 Die Schnecke wird durch einen Rotor 16 angetrieben.Durch Zwischenschaltung
eines Getriebes 17 kann die Geschwindigkeit beliebig eingestellt werden.
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Über der Vorrichtung ist ein mit einem konischen Boden versehener
Druckbehälter 18 angeordnet, der zum Dämpfen der Hackschnitzel beziehungsweise des
Häcksels bestimmt ist.Der Behälter ist durch ein verschlie sbares Zwischenstück
19 mit einer zum Entlüften der Rohstoifpartikel bestimmten Einrichtung 20 verbunden,
die aus einer konisch verlaufenden Schnecke mit enger werdenden Windungen und einem
entsprechenden Gehäuse besteht, Die von einem Motor 21 angetriebene Einrichtung
entlüftet den Rohstoff durch Pressen. Die Einrichtung ist mit der erfindungsgemässen
Vorrichtung durch ein verschliessbares Zwischenstück 22 verbunden Die in die erfindungsgemässe
Vorrichtung eingeführten zusammengepressten Rohstoffpartikel werden im Stadium der
Ausdehnung mittels entsprechender Leitungen und Düsen mit Dampf 23, Lauge 24 oder
Warmwa sser 25 besprüht.Zur Speisung der Leitungen dienen ein Dampfbehälter 26,
ein Laugenbehälter 27 und ein Warmwasserbehälter 28.Durch Zwizchenschaltung einer
Pumpe 29 kann die Lauge auch unter Druck in die Vorrichtung eingeführt werden. Sämtliche
ArbeitsgcXnge sind durch eine Schalteinrichtung 30 selbsttätig regulierbar.