DE2632999A1 - Verfahren zum zerlegen einer fluessigen suspension von festen partikeln in fraktionen mit verschiedenen durchschnittseigenschaften - Google Patents
Verfahren zum zerlegen einer fluessigen suspension von festen partikeln in fraktionen mit verschiedenen durchschnittseigenschaftenInfo
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Description
Radt, Finkener, Ernesti
P atentanwälte Heinrich-König-Str. 12
4630 Bochum
Aktieselskabet NIRO ATOMIZER, 2£60 S0borg, Dänemark 2632999
Verfahren zum Zerlegen einer flüssigen Suspension von festen Partikeln
in Fraktionen mit verschiedenen Durchschnittseigenschaften.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen einer
flüssigen Suspension von festen Partikeln in Fraktionen mit verschiedenen Durchschnittseigenschaften.
Obwohl die Erfindung generell anwendbar ist und zur Zerlegung aller
Arten von flüssigen Suspensionen fester Partikeln in Fraktionen mit verschiedenen Durchschnittseigenschaften, wie beispielsweise
Partikelgrösse, -form,-masse, -dichte oder -konzentration,
Anwendung finden kann, ist sie von besonderem Interesse für die Zerlegung von Fasernsuspensionen, wie z.B. Papierzellstoffsuspensionen.
Tn den letzten Jahren ist der Fraktionierung von Papierzellstoff
in wässriger Suspension nach Grosse und Form der Zellstoffasern zunehmendes Interesse entgegengebracht worden. Durch Fraktionierung
von Holzschliff lassen sich beispielsweise verschiedene Zellstoffqualitäten erzielen, die es ermöglichen, dem Bedarf an
verschiedenen Papierqualitäten bzw. den Anforderungen verschiedener Papierherstellungsanlagen optimal zu genügen. Ausserdem kann
eine Fraktionierung es möglich machen, eine bestimmte Fraktion zwecks Verbesserung ihrer Güte effektiver und wirtschaftlicher zu
behandeln, ohne dass die Güte einer anderen Fraktion darunter leidet. Eine Fraktionierung kann auch dazu benutzt werden, Schwankungen
in der Qualität von ZellstoffVorräten auszugleichen, und
wäre deshalb eine Alternative zu den grossen Mischtanks, die einen herkömmlichen Teil aller Holzschliffabriken darstellen.
Obwohl die genannten, mit einer Fraktionierung von Zellstoffsuspensionen
verbundenen Vorteile in der Papierindustrie schon seit langer Zeit bekannt sind, ist es bisher noch nicht geglückt,
irgendeine Ausrüstung zur Ausführung einer derartigen Fraktionierung in der Praxis erfolgreich einzusetzen. Ein bekanntes Verfahren
zum Fraktionieren von Holzschliff unter Anwendung eines
Zentrifugalsiebes erwies sich als effektiv anxfendbar für die Ab-
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trennung einer groben Faserfraktion von 10 bis 30 Gew.-% des
Zellstoffgebaltes, aber zum Zerlegen von Holzschliff in Fraktionen
mit im wesentlichen langen bzw. feinen Fasern ist es nicht geeignet. Ferner hat sich gezeigt, dass die mit dem Verfahren
verbundenen Unkosten in Form hohen Energieverbrauchs und schwerer Wasserverschmutzung zu hoch sind, um eine generelle industrielle
Anwendung des Verfahrens gerechtfertigen zu können.
Die ircmer zwingender werdende Notwendigkeit der Wiederverwertung
von Abfällen und der Anwendung von sogenannten Returfasern haben die Papierindustrie dazu veranlasst, sich intensiver für
fortschrittliche Fraktionierverfahren zu interessieren. Durch Fraktionierung gemischten Abfallpapierzellstoffs kann eine
neue Zusammensetzung der verschiedenen Bestandteile des Rohmaterials erzielt werden, durch die sich der Zellstoff in Fraktionen
zerlegen lässt, die entweder einen höheren Gehalt an synthetischen Fasern oder einen höheren Gehalt an Holzschliff haben.
Ausserdem wird durch Fraktionierung eines einheitlicheren Abfallmaterials wie beispielsweise Wellpappeabfalls die Qualität
der Langfaserfraktion besser als die des Rohmaterials, und eine durch eine solche Fraktionierung gewonnene Zellstoffsuspension
lässt sich zu Zwecken verwenden, zu denen normalerweise wesentlich kostspieligere Zellstoffsuspensionen benutzt werden müssten.
DTe oben beschriebenen, seitens der Industrie gestellten Anforderungen
haben u.a. zur Entwicklung des sogenannten Johnsonschen Fraktioniergerätes geführt, das z.B. von Gunnar Olgard im Aufsatz
"Fractionation of Fiber Suspension by Liquid Column Flow" in der Zeitschrift TAPPI, Band 3, Nr. 7, Juli 1970 beschrieben
worden ist. Im Johnsonschen Fraktioniergerät wird eine Anzahl von Rohren benutzt, die an beiden Enden offen sind, und das
Fraktioniergerät arbeitet mit sogenannten Flüssigkeitspfropfen,
d.h. Flüssigkeitsmengen, in denen das zu fraktionierende Material
aufgeschlämmt ist und die zwischen Luftblasen eingeschlossen
sind. Die Fraktionierung erfolgt hauptsächlich durch Ausnutzung von zwei speziellen Vorgängen, die sich in einem derartigen
Flüssigkeitspfropfen abspielen, Im sich bewegenden Suspensions-
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pfropfen bewirken die zwischen Flüssigkeit und Rohrwand wirksamen Scherkräfte, dass sich die grösseren Partikeln in der Mitte des
Rohres sammeln. Ausserdem' stellen sich in jedem Pfropfen solche
internen Strömungsverhältnisse einp dass in bezug auf die mittlere
Strömungsgeschwindigkeit im Rohrzentrum eine vorwärtsgerichtete und an den Wänden eine rückwärtsgerichtete Strömung auftritt,
Dies bewirkt, dass sich die grösseren Partikeln zum vorderen Ende des Pfropfens bewegen, und die Fraktionierung des in jedem Pfropfen
aufgeschlämmten Materials erfolgt dann durch Zerlegen jedes
Pfropfens in einen vorderen und einen hinteren Teil, wenn er aus dem Rohr austritt.
Das Johnsonsche Fraktioniergerät hat sich jedoch in der Praxis nicht bewährt, und der hauptsächliche Grund hierfür ist, dass
sich die Rohre, damit eine zufriedenstellende Fraktionierung sichergestellt werden kann, in Richtung ihres Austritts verjüngen
müssen, so dass sie sich leicht verstopfen und die Bewegung der Pfropfen blockieren. Obwohl die Betriebskosten des Johnsonschen
Fraktioniergerätes nicht sehr hoch sind, ist dieses Gerät
immer noch mit demselben Mangel wie die ältere Zentrifugalsiebvorrichtung behaftet, dass nur Suspensionen mit sehr niedrigen
Konzentrationen verarbeitet werden können.
Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes und wirtschaftliches Fraktionierverfahren anzugeben, das sich
für alle Arten von PapierzelIstoffsuspensionen, wie z.B. Holzschliff
suspension, Chemiefasernsuspension, Abfallpapierfasernsuspension usw., eignet.
Erfindungsgemäss wird die Suspension einem Zerstäuber zugeführt, der in einer hauptsächlich horizontalen Ebene rotiert, und zwar
mit einer solchen Peripheriegeschwindigkeit, dass die Suspension in zerstäubter Form in radialen Richtungen vom Zerstäuber ausgeschleudert
wird, und die Fraktionen werden von Auffangmitteln in einer Reihe von Zonen aufgefangen, die in bezug auf den Zer-
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stäuber in verschiedenen Positionen angeordnet sind.
Wie weiter hinten beschrieben ist, haben praktische Versuche gezeigt,
dass die völlig neue Konzeption der Ausnutzung der Zerstäubungstechnologie zur Fraktionierung flüssiger Suspensionen
ausgezeichnete Resultate zeitigt und dass das erfindungsgemässe
Verfahren mit keinem der Mangel der bekannten Verfahren behaftet
ist. Der Energiebedarf ist relativ niedrig, und der Zerstäuber kann so konstruiert werden, dass er den Durchtritt von Zellstoffsuspensionen
zulässt, die eine wesentlich höhere Fasernkonzentration haben als die nach den anderen Verfahren fraktionierbaren
Suspensionen. Ausserdera können mehrere als, wie gewöhnlich, nur zwei Fraktionen aufgefangen werden.
Schliesslich lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren ausser zur
eigentlichen Fraktionierung von Zellstoffsuspensionen nach Grosse
und Form der Fasern auch zu anderen Zerlegungsprozessen anwenden. Tm Prinzip ist dasselbe generelle Konzept auf die Zerlegung jeglicher
Art von flüssigen Suspensionen fester Partikeln in Fraktionen mit verschiedenen Durchschnittseigenschaften anwendbar.
Als deutliches Beispiel hierfür sei erwähnt, dass sich das Verfahren bei der Papierherstellung auch an Stelle eines Hydrozyklons
oder einer anderen Reinigungsausrüstung dazu anwenden lässt, einen Zellstoffreinigungsprozess auszuführen, da es die Möglichkeit eröffnet,
Fraktionen abzutrennen, die hauptsächlich aus unerwünschten Partikeln bestehen, wie beispielsweise Sandkörnern, Splittern
usw.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die
Fraktionierung in einer Zerstäubungskammer, in deren oberem Teil der Zerstäuber in Form eines rotierenden Zerstäuberrades angeordnet
ist.
Einem speziellen Aspekt der Erfindung gemäss wird jedoch ein
scheibenförmiges Zerstäuber rad bevorzugt, das die Form einer flachen Schüssel oder eines flachen Konus besitzt. Die konkave
Oberfläche der Scheibe kann entweder nach oben oder nach unten
gekehrt sein. Im letzteren Fall hat die Scheibe eine obere Wand, deren nach unten gekehrte Oberfläche sich vom Zentrum der Scheibe
nach unten in Richtung der Scheibenperipherie erstreckt und mit der Rotationsebene des Rades einen spitzen Winkel bildet.
Praktische Versuche haben ergeben, dass die oben erwähnte, spezielle
Konfiguration des Zerstäuberrades von grosser Wichtigkeit für die Fraktionierungseigenschaften ist, und da sich Fraktionen
mit verschiedenen Eigenschaften in verschiedenen Höhen relativ dicht an der Peripherie des Rades auffangen lassen, hat diese
spezielle Konfiguration des Rades den bemerkenswerten Vorteil,
dass sie eine Reduktion der Abmessungen einer erwerbsmässig einsetzbaren Fraktionieranlage ermöglicht.
Um die Einleitung von Suspensionen mit hohem Faserngehalt, d.h.
mit einem Gehalt von mehr als If, zu ermöglichen, müssen das
Zuleitungssystem und der Zerstäuber speziell konstruiert sein, so dass keine durch die Fasern verursachte Verstopfungen auftreten.
Generell bedeutet dies, dass der Materialfluss innerhalb des Turbulenzbereiches gehalten werden muss. Auch wird die Funktion
des Zerstäuberrades dadurch verbessert, dass die zu zerstäubende Suspension gleich massig fliessend in das Zerstäuberrad eintritt.
In einigen Fällen kann dadurch eine bessere Funktion erzielt werden,
dass in den oberen Teil der Zerstäubungskammer ein Luftstrom eingeleitet wird, dessen Hauptgeschwindigkeitskomponente quer zu
der Richtung verläuft, in der das zerstäubte Material vom Zerstäuber weggeschleudert wird.
Mit Bezug auf die Fraktionierung von Papierzellstoffsuspensionen
hat sich erwiesen, dass folgende Parameter für die Optimierung des Prozesses von Wichtigkeit sind: die Konfiguration des Zerstäuberrades,
die Peripheriegeschwindigkeit des Zerstäuberrades, die Geschwindigkeit und Menge, mit der die Suspension dem Rad
zugeleitet wird, d.h. die Belastung des Rades und die asymmetrische gegen die symmetrische Verteilung auf dem Rad.
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Weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung gehen aus dem folgenden
hervor, in dem die Anwendung des Verfahrens zur Fraktionierung von Papierzellstoffsuspensioneη unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beschrieben wird. Es zeigt
Fig. 1 eine Versuchsanlage, in der Versuche zur Fraktionierung von Papierzellstoffsuspensionen nach Fasernlänge ausgeführt
wurden,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines in dieser Versuchsanlage
benutzten Zerstäubers,
Fig. 3 eine Reihe von Histogrammen, die die Ergebnisse der mit Hilfe der Anlage nach Fig. 1 durchgeführten Versuche veranschaulichen,
Fig. h eine andere Versuchsanlage, in der weitere Fraktionierversuche
ausgeführt wurden,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ergebnisse, die bei den Versuchen in der Anlage nach Fig. 4 erzielt wurden,
Fig. 6 eine mögliche Konfiguration einer Industrieanlage für die Fraktionierung von Papierzellstoffsuspensionen nach dem
erfindungsgemässen Verfahren,
Fig. 7 eine Weiterentwicklung von Suspensionseinlaufmitteln,
die so konstruiert sind, dass sie eine gleichmässige Verteilung der zugeleiteten Suspension sicherstellen, und
Fig. Ö eine alternative Ausführung des Zerstäuberrades und
der Suspensionseinlaufmittel.
Tn der in Fig. 1 wiedergegebenen Versuchsanlage wurde eine Papierzellstoff
suspension in der Form einer Suspension thermomechanisch aufgeschlossenen Holzschliffs durch ein Einlaufrohr 1
in einen Zerstäuber 2 in der Form eines Zerstäuberrades wie des in Fig. 2 veranschaulichten eingeleitet, welcher Zerstäuber im
oberen Teil einer Kammer 3 von dem Typ, der herkömmlich für Zerstäubungstrocknungszwecke
Anwendung findet, zentral angeordnet war. Da die Kammer 3 um ihre vertikale Achse symmetrisch war,
ist in Fig. 1 nur die Hälfte dieser Kammer wiedergegeben.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des in Fig. 2 veranschaulichten
Zerstäuberrades umfasst das Rad eine obere Wand 19, die vom
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Zentrum des Rades in Richtung der Peripherie desselben leicht abwärtsgewölbt ist, so dass sie an ihrer äusseren kreisförmigen
Kante mit der Rotationsebene des Rades einen spitzen Winkel bildet. Eine Antriebswelle 20 erstreckt sich durch eine Öffnung
im mittleren Teil der oberen Wand 19 hindurch und ist am Boden 21 des Rades befestigt, der mit Hilfe von Abstandsstücken 22 in
einem solchen Abstand von der oberen Wand 19 angebracht ist, dass sich auf der nach unten gekehrten Oberfläche der oberen
Wand 19 aus der durch das Einlaufrohr 1 eingeleiteten Suspension ein Film bilden und in Richtung der Peripherie der genannten oberen
Wand bewegen kann, wo er zerstäubt wird»
In einer der Versuchsreihen liess man das Zerstäuberrad 2 mit
einer ziemlich hohen Peripheriegeschwindigkeit rotieren, so dass das zerstäubte Material als dichter Nebel vom Zerstäuberrad
ausgeschleudert wurde. In drei verschiedenen Zonen A, B und C der Kammer 3 wurden Proben des zerstäubten Materials entnommen,
und zwar mit Hilfe von Saugbechern k$ 5 und 6, die jeweils
aus einem Rohrstück bestanden, das am einen Ende verschlossen und über dessen anderes Ende ein Drahtsieb gespannt war» Die
Caugbecher waren an eine gemeinsame Saugleitung angeschlossen
und mit regelmässigen Abständen an einer Stange oder Welle 7 befestigt,
die es ermöglichte, die Saugbecher so in die Kammer 3 einzuführen, dass ihre Auffangsiebe jeweils annähernd rechtwinklig
zu den gedachten geraden Linien vom Zerstäuberrad zu den einzelnen Bechern verlaufen.
Bei der Versuchsanlage konnte ein Luftstrom in die Kammer 3 eingeleitet
werden, und zwar durch einen das Zerstäuberrad 2 umgebenden Lufteintritt Ö in der Decke der Kammer, welcher Luftstrom
eine Hauptgeschwindigkeitskomponente hatte, deren Richtung ouer zu der Richtung verlief , in der das zerstäubte Material
das Zerstäuberrad 2 verliess.
Wie bereits erwähnt, wurden zahlreiche Versuche mit einer Fasernsuspension
in Form einer Suspension thermomechanisch aufgeschlos-
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senen Holzschliffs ausgeführt. Bei diesen Versuchen hatte das
Einlaufrohr 1 für die Suspension einen Durchmesser von 6 mm und
das Zerstäuberrad 2 einen Durchmesser von 120 ram. Jede Probe,
die mit Hilfe der Saugbecher U, 5 und 6 in den Zonen A, B bzw.
C der Kammer 3 entnommen worden waren, wurden in drei verschiedene
Fraktionen zerlegt mit Hilfe eines Labor-Klassiergerätes, das ein 50 Kesh-Sieb (ca. 400 Maschen/cm ) zum Zurückhalten einer
groben Fasernfraktion und Durchlassen einer mittleren Fasernfraktion sowie ein 100 Mesh-Sieb (ca. 1600 Maschen/cm ) zum Zurückhalten
der mittleren Fasernfraktion und Durchlassen einer feinen Fasernfraktion umfasste.
Bevor auf eine Diskussion der Ergebnisse dieser Versuche eingegangen
werden soll, die in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben sind, sei kurz erwähnt, dass dem ausgeführten Prozess die
Erkenntnis des Umstandes zugrunde liegt, dass diejenigen Kräfte, mit denen die Suspension vom Zerstäuber ausgeschleudert wird,
d.h. im vorliegenden Beispiel die Zentrifugalkräfte des Zerstäuberrades 2, zuerst die Suspension dispergieren und dass anschliessend
offenbar sowohl Zentrifugalkräfte als auch Scherkräfte auf verschiedene Teile der Suspension verschiedenartig
einwirken, so dass sich Fraktionen mit verschiedenen Eigenschaften ergeben.
Bei allen Versuchen enthielt der ursprüngliche Holzschliff, der in die Versuchsanlage nach Fig. 1 eingeleitet wurde, eine feine
Fasernfraktion von 65,0 Gew.-^, eine mittlere Fraktion von 0,0
Gew.-fr und eine grobe Fraktion von 27,0 Gew.-%.
In der nachstehenden Tabelle geben die ersten beiden Spalten jeweils
die Versuchsnummer bzw. die drei Probenentnahmezonen A, B
und C an. Die folgenden Spaltengeben die verschiedenen, für den
Prozess wichtigen Parameter an, wie die Konzentration der ursprünglichen Suspension beim Einlauf in das Zerstäuberrad 2,
die Rotationsgeschwindigkeit des Zerstäuberrades und die Menge der zugeführten Luft, während die nächsten Spalten in Gew.-% die
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relativen Anteile der feinen Fasernfraktion, der mittleren Fasernfraktion und der groben Fasernfraktion in den in den Zonen
A, B und C in jedem Versuch entnommenen Proben wiedergeben. Diese Verteilung der Fasernfraktionen ist in Form von Histogrammen
auch in den Fig. 3a bis 3g dargestellt, welche der ursprünglich eingeleiteten Suspension bzw. den Versuchen Nr. 1 bis
Nr. 6 entsprechen. Die beiden letzten Spalten in der Tabelle geben die in den Zonen A, B und C aufgefangenen relativen Kengen
zerstäubten Materials nach Gew.-^ bzw. Volumen wieder. Es
sei noch erwähnt, dass die Probenentnahmepositionen A, B und C bei diesen Versuchen willkürlich gewählt worden waren, so dass
die Proben B und C, die sich in ihrer Zusammensetzung im allgemeinen sehr ähnlich waren, zum Zwecke des Vergleichs mit Probe A
zusammengefasst v/erden könnten, da sich durch einen solchen Vergleich der Probe A mit den kombinierten Proben B und C die Effektivität
des Zerlegungsprozesses am besten beurteilen Hesse.
Ein Vergleich der Ergebnisse des Versuchs Nr. 5 mit den Ergebnissen
der anderen Versuche lässt erkennen, dass die Geschwindigkeit, mit der die ursprüngliche Suspension dem Zerstäuberrad
zugeleitet wird, ein wichtiger Parameter ist. Bei der in Versuch Nr. 5 benutzten reduzierten Zufuhrgeschwindigkeit ist die Verteilung
der drei Fraktionen in der in der Zone A entnommenen Probe, in welcher Zone der grösste Teil des zerstäubten Materials
aufgefangen wurde, nicht wesentlich anders als die Verteilung in der ursprünglichen Suspension, wogegen dies bei allen anderen
Versuchen ganz eindeutig der Fall ist, und zwar ist der prozentuale Anteil der Grobfasernfraktion in der in Zone A entnommenen
Probe wesentlich grosser als in der ursprünglichen Suspension und die Feinfasernfraktion in dieser Probe kleiner als in der ursprünglichen
Suspension.
Bezüglich der in den Zonen B und C entnommenen Proben zeigen die
meisten der Versuche eine bedeutende Abnahme der Grobfasernfraktion und eine entsprechende Zunahme der mittleren und/oder der
feinen Fasernfraktion in bezug auf die ursprüngliche Suspension.
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Vers.
Nr.
Nr.
Originale
Suspension
Suspension
crt
O
co 3
oo
O
co 3
oo
OO
CT>
Probe
A B C
A B C
A B C
A B C
A B C
A B C
Fraktionierung von thermomechanisch aufgeschlossenem Holzschliff —
Klassierung mit Hilfe von 50 Mesh- und 100 Mesh-Sieben (ca. 400 Maschen/cm2 bzw. ca. 1600 Maschen/cm2]
Konz.b. Einlauf |
Einlauf- geschw. m/s |
Scheiben- geschw. U/min |
Luft zufuhr kg/h |
Fein | Faserklassierung Mittel |
Grob |
65,0 | 8,0 | 27,0 | ||||
1 1 1 |
10,2 10,2 10,2 |
20.000 20.000 20.000 |
3200 3200 3200 |
31,0 65,0 65,0 |
12,0 17,0 17,0 |
57,0 18,0 18,0 |
3,0 3,0 3,0 |
10,0 10,0 10,0 |
20.000 20.000 20.000 |
3200 3200 3200 |
37,4 72,3 68,7 |
3,1 14,0 14,5 |
59,5 13,7 16,8 |
4,0 4,0 4,0 |
11,5 11,5 11,5 |
20.000 20.000 20.000 |
3200 3200 3200 |
44,7 79,8 72,8 |
7,4 2,0 13,2 |
47,9 18,2 14,0 |
co co co
'co co'co |
10,5 10,5 10,5 |
20.000 20.000 20.000 |
— | 36,5 61,8 66,4 |
9,1 19,7 4,9 |
54,4 18,5 28,7 |
3,3 3,3 3,3 |
5,0 5,0 5,0 |
20.000 20.000 20.000 |
3200 3200 3200 |
63,1 86,0 |
4,6 0 |
32,3 14 |
co co co
co co co |
10,5 10,5 10,5 |
14.000 14.000 14.000 |
3200 3200 3200 |
35,3 81,3 71,8 |
7,5 3,2 6,4 |
57,2 15,5 21,8 |
ReI. Menge
% Gewicht Volumen
66,4 } 33,6
77,9 22<1
87,7 ]i2,3
71.4 28,6
65
79
53
65 35
85 15
OJ X)
- li -
Ferner ist aus den Versuchsergebnissen ersichtlich, dass eine
Variation der anderen in der Tabelle angeführten Parameter, d.h.,
der Konzentration der zugeleiteten Suspension, der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe und der Menge der zugeführten Luft,
innerhalb der angegebenen Grenzen die Effektivität der Fraktionierung nicht wesentlich ändert. Diese Veränderlichen beeinflussen
jedoch einander in einer sehr komplexen Weise und können Bedeutung erlangen, falls sie in einem solchen Umfang geändert werden,
dass in der Kammer kein dichter Nebel mehr erzeugt wird.
Um die Verteilung eingehender zu studieren und die Tauglichkeit der Erfindung für die gleichzeitige Abtrennung von Sandkörnern
und Fraktionierung der Fasern zu testen; wurde eine weitere Serie von Versuchen durchgeführt.
Die Versuchsanlage hatte den gleichen prinzipiellen Aufbau wie bei den Versuchen 1-6, deren Ergebnisse in der weiter vorn
stehenden Tabelle aufgeführt sind, aber das Auffang- und Probenentnahmesystem
war detaillierter, und zwar wurden, wie in Fig. 4 durch 23a bis h angedeutet, Proben in ß verschiedenen Höhen entnommen.
Anstatt durch eine Klassierung wurden die Unterschiede zwischen den Proben nach dem sogenannten Schopper-Rieglerschen Verfahren
in Fahlgraden (0SR) ermittelt und diese als Mass für die Effektivität
der Fraktionierung benutzt. Dieses Verfahren ist in englischer Sprache in der Zeitschrift "Svensk Papperstidning",
6g (1965), 6, l^ß-191, beschrieben worden.
Die Ergebnisse der Fraktionierung einer Suspension von Zellstoff aus Druckereiabfällen sind in Fig. 5 wiedergegeben, in welcher
Figur die Kurve 24 zeigt, dass eine feine Fraktion (mit hohem
Mahlgrad) in der Nähe der Decke der Kammer, eine grobe Fraktion in der Mitte und eine mittel bis feine Fraktion in der Nähe des
Bodens der Kammer entnommen werden kann.
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Eine weitere Serie von Versuchen wurde mit dieser Ausrüstung und
der Suspension von sedimentierten Returfasern mit einer Konzentration
von 2>f ausgeführt. Tn diesem Fall wurde der grösste Teil
^er Zellulose in den Bechern 23b, c und d aufgefangen, während
die Sandkörner fast ausschliesslich in den Eechern 23d und e
enthalten waren.
Zusammenfassend kann aus den Versuchsergebnissen geschlossen werden,
dass eine Zerlegung von Papierzellstoffsuspensionen in Fraktionen mit voneinander verschiedenen durchschnittlichen Eigenschaften
wenigstens bis zu Feststoffgehalten von 4 Gew.-^ in der
Ausgangssuspension möglich ist, was weit über die Konzentrationen der Suspensionen hinausgeht, die sich mit bekannten Ausrüstungen
fraktionieren liessen. Bei der aktuellen Versuchsanlage hat sich erwiesen, dass eine kleine Reduktion der Scheibengeschwindigkeit
nicht kritisch ist, wohingegen die Zuleitungsgeschwindigkeit der
Suspension zur Scheibe bei unveränderlicher Scheibengeschwindigkeit
ein wichtiger Parameter ist. Die Annahme scheint jedoch berechtigt zu sein, dass sich die bei einer reduzierten Zuleitungsgeschwindigkeit auftretende Reduktion der Effektivität wenigstens
teilweise dadurch kompensieren lässt, dass die Scheibengeschwindigkeit entsprechend so weit erhöht wird, dass bei der aktuellen
Zuleitungsgeschwindigkeit wieder ein dichter Nebel aus zerstäubtem
Material erzeugt wird.
Weitere Versuche haben gezeigt, dass der hauptsächliche Beitrag
zur Fraktionierung nach dem erfindungsgemässen Verfahren vom
Zerstäuberrad geleistet wird, da eine Zerlegung der Zellstoffsuspension
in Fraktionen mit verschiedenen Durchschnittseigenschaften sehr dicht an der Peripherie des Zerstäuberrades erreicht
werden kann. Beispielsweise konnte beobachtet werden, dass bei Anwendung eines Rades mit einem Durchmesser von 120 mm, welches
mit einer Geschwindigkeit von 20.000 U/min rotierte, und bei
Zuleitung einer Suspension durch ein Zuleitungsrohr mit einem Durchmesser von 4 mm und mit einer Zuleitungsgeschwindigkeit von
11 l/min in einem waagerechten Abstand von nur 66 mm von der Peripherie des Rades eine effektive Fraktionierung erfolgt. Hieraus
konnte gefolgert werden, dass bei einer Fraktionierung nach dem erfindungsgemässen Verfahren ballistische Effekte keine wesentliche
Rolle spielen, was auch durch den Umstand, dass bei allen in der Tabelle aufgeführten Versuchen die grobe Fraktion in der
Zone aufgefangen worden war, die von den drei Positionen die höchstgelegene einnahm, und durch den Umstand eindeutig bestätigt
wird, dass die Luftzufuhr bei den Versuchen offensichtlich kein kritischer Parameter war.
Auf Grundlage der experimentellen Untersuchungen ist es möglich, eine industrielle Fraktionieranlage mit der in Fig. 6 wiedergegebenen,
generellen Konfiguration zu konstruieren. In dieser Figur
hat die Zerstäubungskammer 9 zylindrische Seitenwände und
einen flachen Boden, und die Zonen A, B und C zum Auffangen der Zellstoffraktionen mit den verschiedenen Durchschnittseigenschaften
sind j η ringförmigen Kanälen 10, 11 und 12 angeordnet, von denen der eine an der zylindrischen Seitenwand ausgebildet ist,
während die anderen auf dem flachen Boden vorgesehen sind. Jeder der genannten Fraktionskanäle ist mit einem Zellstoffaustrittrohr
13, 14 bzw. 15 verbunden, welche Austrittrohre so konstruiert sind, dass durch einen Lufteintritt 16 und auf die Kammerdecke
verteilte Einblasöffnungen 17 in die Kammer eingeleitete Luft die Kammer nicht durch diese Rohre verlassen kann, sondern durch
einen abgeschirmten Luftaustritt 1Ö in der Mitte des Kammerbodens entweichen muss.
Bei den bisher beschriebenen Versuchen, bei welchen ein Zerstäuberrad
wie das in Fig. 2 gezeigte zusammen mit einem Zuleitungsrohr 1 zum Einleiten der Suspension durch eine Öffnung im zentralen
Teil der oberen Wand 19 des Rades benutzt wurde, musste aufgrund der Gegenwart der Antriebswelle 20 das Zuleitungsrohr notwendigerweise
in bezug auf die Senkrechte zur Rotationsebene des Rades geneigt sein. Die Belastung des Rades wurde deshalb asymmetrisch.
Eine gleichmässigere Verteilung der eingeleiteten Suspension innerhalb
des Zerstäuberrades, die das Rad für eine Industrieanlage wie die in Fig. 6 gezeigte geeigneter machen würde, kann durch
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Anwendung von Einleitmitteln der in Fig. 7 wiedergegebenen Konstruktion
erzielt werden.
In dieser Figur ist ein Flüssigkeitsverteiler 25 in der zentralen Öffnung der oberen Wand 19 des Zerstäuberrades vorgesehen,
welches ansonsten denselben generellen Aufbau wie das in Fig. 2 gezeigte Rad hat. Dieser Flüssigkeitsverteiler besteht aus einem
stationären rohrförmigen Element, das oben mit Flanschen versehen
ist, die um die zentrale öffnung in der oberen Wand 19 herum gegen die nach oben gekehrte Oberfläche dieser Wand anliegen,
und der Verteiler 25 ist so dimensioniert, dass zwischen
seiner unteren Stirnseite und dem Boden 21 des Rades ein Schlitz 26 gebildet wird.
Fig. & veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Zerstäuberrades,
bei dern die zugehörigen Einleitmittel so konstruiert sind, dass eine gleichmässige Verteilung der eingeleiteten
Suspension im Rad erzielt wird.
In diesem Eeispiel wird die Suspension durch ein vertikales Einlei
trohr 27 zugeführt, das sich durch den unteren Teil der Zerstäubungskamner hindurcherstreckt und kurz vor der nach unten
gekehrten Seite der oberen Wand 2Ö eines Zerstäuberrades endet, welches Rad von der gleichen generellen Konstruktion ist wie das
in Fig. 2 gezeigte, bei dem aber die Antriebswelle 29 direkt an
der oberen Wand befestigt ist, die deshalb keine zentrale öffnung aufweist. Bei dieser Ausführungsform hat der Boden 21 des Rades
die Funktion, die zugeführte Suspension gegen die nach unten gekehrte Seite der oberen Wand 2£ zu leiten und sicherzustellen,
dass die Suspension dort einen sich nach aussen bewegenden Film bildet.
Die industrielle Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur
Fraktionierung von Papierzellstoffsuspensionen ist keinesfalls auf die Ausbildung der Ausrüstung nach Fig. 4 beschränkt, sondern die
Ausgestaltung der Zerstäubungskammer und der Auffangkanäle oder -zonen kann auf geeignete V/eise abgewandelt v/erden. Dasselbe gilt
für die spezielle Konstruktion des Zerstäubers.
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Ferner ist in der Papierindustrie die Anwendung des Verfahrens
keineswegs auf die Fraktionierung irgendeiner besonderen Zellstoff suspension an sich beschränkt. Die grundlegenden Prinzipien
der Erfindung sind beispielsweise auf die Fraktionierung der
Suspensionen von Holzschliff, Chemiefasern, sedimentierten Fasern oder Abfallpapierfasern anwendbar. Schliesslich kann das
erfindungsgemässe Verfahren auch bei anderen Prozessen in der Zellstoffverarbeitung zum Einsatz gelangen, z.B. bei der Reinigung
von Zellstoffsuspensionen, die die Abtrennung von Unreinheiten, wie Sandpartikeln oder Splittern, umfasst.
Beispielsweise hat sich durch einen praktischen Versuch erwiesen,
dass sich bis zu 95% der in einem gegebenen Abfallpapierzellstoff
enthaltenen Sandpartikeln zusammen mit dem grössten Teil der groben Splitter entfernen lassen. Ausserdem konnte gezeigt werden,
dass sich eine auf diese Weise gereinigte Zellstoffsuspension nach dem erfindungsgemässen Verfahren gleichzeitig mit der Reinigung
in eine Reihe von Fraktionen zerlegen lässt, die sich von grob bis fein erstrecken.
Generell ausgedrückt, lassen sich die grundlegenden Prinzipien der Erfindung nicht nur in der Papierherstellung anwenden, sondern
können auch zum Zerlegen von flüssigen Suspensionen faseriger oder nicht-faseriger Partikeln Anwendung finden.
So ist beispielsweise ein Versuch mit einer Steinwollensuspension ausgeführt worden, die sowohl Partikeln in der Form von Fasern
als auch kugelförmige Partikeln oder Perlen enthielt. In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse eines Versuchs zusammengestellt,
der in einer Versuchsanlage, die zwar denselben prinzipiellen Aufbau wie die Anlage nach Fig. 5, aber nur fünf
Auffangbecher hatte, mit einer Steinwollensuspension mit einem Gesaratfeststoffgehalt von 0,5 Gew.-$ durchgeführt wurde. Die Tabelle
gibt in den Spalten II bis V die Zusammensetzung von sowohl der in das Zerstäuberrad eingeleiteten Suspension als auch der
Proben a bis d wieder, die mit Hilfe der fünf Becher entnommen wurden, welche in verschiedenen Höhen zwischen der Decke und dem
Boden der Kammer angebracht waren. Die in jeder dieser Spalten
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angegebenen prozentualen Werte sind in Gew.-^ ausgedrückte Anteile
des in Spalte.I angegebenen Feststcffgehaltes. Die in Spalte I für die Proben a bis e angegebenen prozentualen Werte
sind in Gew.-^ ausgedrückte Anteile des Feststoffgehaltes der
eingeleiteten Suspension.
I | II | III | IV | V | |
Feststoff | Perlen | Perlen | Perlen | Fasern u. | |
gehalt | über 2 5Oii | über 125,* | über 63yh | Perlen | |
kleiner als | |||||
63A» | |||||
% von I | % von I | f. von I | % von I | ||
Eingel. | 0,5 | 10 | 25 | 40 | 60 |
Suspension | |||||
Probe a | 9,4 | 0,7 | 2,1 | 5,6 | 94,4 |
b | 27,6 | 0,2 | 0,9 | 8,6 | 91,4 |
C | 29,9 | 0,3 | 3 | 25 | 75 |
d | 24,4 | 10,8 | 29 | 76,7 | 23,3 |
e | 0,6 | 19,1 | 68,1 | 86,2 | 13,8 |
Die Ergebnisse zeigen, dass die Fasern auf die Proben a, b und c und die kugelförmigen Partikeln mit Durchmessern über 63/t auf
die Proben d und e, primär auf die Probe d, konzentriert waren. Die ursprüngliche Suspension wurde somit in hauptsächlich aus Fasern
bestehende Fraktionen und in hauptsächlich aus kugelförmigen Partikeln bestehende Fraktionen zerlegt. In diesem Zusammenhang
sei darauf aufmerksam gemacht, dass in einer Steinwollensuspension die faserigen Partikeln und die kugelförmigen Partikeln dieselbe
Kassendichte haben und sich nur in ihrer Form voneinander unterscheiden. Weitere Versuche, die mit Steinwollensuspensionen
mit einem Feststoffgehalt von mehr als 5% ausgeführt wurden, haben gezeigt, dass sich sogar mit Suspensionen mit Feststoffgehalten
bis zu 10$ ausgezeichnete Ergebnisse erzielen lassen.
Aus dem Voranstehenden ist somit ersichtlich, dass das erfindungsgemässe
Verfahren und System auf verschiedenartigen industriellen Gebieten zur Zerlegung von flüssigen Suspensionen fester Parti-
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kein erfolgreich eingesetzt werden können. Selbstverständlich
müssen jeweils die Parameter des Prozesses und die Konstruktion der Zerstäubungsausrüstung·auf das im gegebenen Prozess zu verarbeitende
Material abgestimmt werden.
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Claims (13)
1. Verfahren zum Zerlegen einer flüssigen Suspension von festen Partikeln in Fraktionen mit verschiedenen Durchschnittseigenschaf^en,
dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension einem Zerstäuber
(2) zugeführt wird, der in einer hauptsächlich horizontalen Ebene rotiert, und zwar mit einer solchen Peripheriegeschwindigkeit,
dass die Suspension in zerstäubter Form in radialen Richtungen vom Zerstäuber ausgeschleudert wird, und dass
die Fraktionen von Auffangmitteln (4, 5, 6) in einer Reihe von Zonen (A, B, C) aufgefangen werden, die in bezug auf den Zerstäuber
in verschiedenen Positionen angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Suspension eine wässrige Suspension ist, die faserige Partikeln enthält, welche vom Zerstäuber (2) dispergiert und hierdurch in
verschiedene Fraktionen nach Partikelgrösse und -form zerlegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die wässrige Suspension eine Papierzellstoffsuspension ist, die zwecks Klassierung nach Fasernlänge durch den Zerstäuber(2)
dispergiert
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Papierzellstoffsuspension bei der Einleitung in den Zerstäuber (2) eine Mindestkonzentration von 0,5 Gew.-^ hat.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Papierzellstoffsuspension dem Zerstäuber (2) mit einer sol
chen Strömung zugeleitet wird, die sich innerhalb des Turbulenzbereiches befindet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Papierzellstoffsuspension dem Zerstäuber (2) mit einer
Strömungsgeschwindigkeit von wenigestens 5 m/s zugeleitet wird
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7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zerstäubung der genannten Suspension in einer Zerstäubungskammer (3) erfolgt, in deren oberem Teil der Zerstäuber (2) im
Abstand von den Wänden der Kammer angeordnet ist, und dass um den Zerstäuber herum in den oberen Teil der Kammer Luft eingeblasen
wird, deren Hauptgeschwindigkeitskomponente euer zu der Richtung verläuft, in der das zerstäubte Material vom Zerstäuber v/eggeschleudert
wird.
£. Anlage zum Zerlegen einer flüssigen Suspension von festen
Partikeln in Fraktionen mit verschiedenen Durchschnittseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kammer (3) mit
Einleitmitteln (1) zum Einleiten einer flüssigen Suspension von festen Partikeln, einen rotierenden Zerstäuber (2), der in einer
hauptsächlich horizontalen Ebene in der Kammer angeordnet ist und dem die genannte Suspension mit Hilfe der Einleitmittel zugeführt
wird, Mittel (20) zum Drehen des Zerstäubers zwecks Ausschleuderung des Materials aus diesem in zerstäubter Form sowie
Auffangmittel (4, 5, 6) für das zerstäubte Material umfasst, die in einer Anzahl von Zonen (A, B, C) mit verschiedenen Positionen
in bezug auf den Zerstäuber angeordnet sind.
9. Anlage nach Anspruch Ö, dadurch gekennzeichnet, dass sie
ausserdem Mittel (Ö) im oberen Teil der Kammer (3) zum Einblasen
von Luft enthält, deren Hauptgeschwindigkeitskomponente quer zu der Richtung verläuft, in der das zerstäubte Material vom Zerstäuber
(2) weggeschleudert wird.
10. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
genannte Zerstäuber (2) ein scheibenförmiges Zerstäuberrad ist, das eine obere Wand (19) hat, deren nach unten gekehrte Ober- ·
fläche sich vom Zentrum des Rades nach unten in Richtung der Radperipherie erstreckt und mit der Rotationsebene des Rades einen
spitzen Winkel bildet.
11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitmittel einen Flüssigkeitsverteiler (25) in der Form
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eines stationären rohrförmigen Elements umfassen, das in einer
zentralen Öffnung so in der oberen Wand (19) des Zerstäuberrades
(2) angeordnet ist, dass das Rad rotieren kann, wobei sich die Antriebswelle (20) des Zerstäuberrades durch das genannte rohrförnige
Element hindurcherstreckt, und dass das Rad ausserdem einen Boden (21) umfasst, an dem die Antriebswelle befestigt
ist und der in einem solchen Abstand von der oberen Wand (19) angebracht ist, nass zwischen dem Boden des Rades und dem unteren
Ende des rohrförmigen Elementes ein schmaler Schlitz (26) gebildet wird, der einen hauptsächlich gleichmässigen Austritt
der Suspension aus dem rohrförmigen Element und eine gleichmassige
Verteilung derselben zwischen dem Boden des Rades und der oberen Wand bis hinaus zur Peripherie des Rades ermöglicht.
12. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einleitmittel ein Einleitrohr (27) umfassen, das sich durch
den unteren Teil der Zerstäubungskammer (3) in hauptsächlich vertikaler Richtung und koaxial mit dem Zerstäuberrad hindurcherstreckt
und kurz vor der nach unten gekehrten Seite der oberen Wand (2Ö) mit seinem oben offenen Ende endet.
13. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auffang- und Probenentnahmemittel in der Kammer in verschiedenen
Höhen unter dem Zerstäuberrad und ausserhaIb der Peripherie desselben
angeordnet sind.
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