WO2001087985A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von zellstoff mit harnstoff und ammoniak - Google Patents

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WO2001087985A1
WO2001087985A1 PCT/EP2001/005271 EP0105271W WO0187985A1 WO 2001087985 A1 WO2001087985 A1 WO 2001087985A1 EP 0105271 W EP0105271 W EP 0105271W WO 0187985 A1 WO0187985 A1 WO 0187985A1
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WO
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ammonia
pulp
urea
container
cellulose
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PCT/EP2001/005271
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English (en)
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Inventor
Reinhard Wolf
Original Assignee
Zimmer Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zimmer Ag filed Critical Zimmer Ag
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Publication of WO2001087985A1 publication Critical patent/WO2001087985A1/de

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B1/00—Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00—Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • C08B15/05—Derivatives containing elements other than carbon, hydrogen, oxygen, halogens or sulfur
    • C08B15/06—Derivatives containing elements other than carbon, hydrogen, oxygen, halogens or sulfur containing nitrogen, e.g. carbamates

Definitions

  • the present invention relates to a process for the treatment of pulp with urea and ammonia and a device which is particularly suitable for carrying out the process.
  • ammonia treatment of cellulose is required to activate the cellulose in order to be able to carry out subsequent reaction steps, for example acetylation, more easily.
  • an additive can be introduced into the pulp to simplify subsequent reaction steps.
  • DE-A-4329937 describes a process for the treatment of cellulose for its activation for subsequent chemical reactions by contacting the cellulose with liquid ammonia at a pressure which is higher than atmospheric pressure.
  • Ammonia is preferably used in an ammonia to pulp ratio of 6 to 10 mass units of ammonia to 10 mass units of pulp.
  • the reaction with ammonia takes place in a pressure vessel. After a sufficient exposure time, ammonia is expelled by opening the pressure vessel and additional heating.
  • EP-A-057105 describes a process for producing an alkali-soluble cellulose derivative.
  • Cellulose is treated with liquid ammonia, the liquid ammonia containing dissolved urea.
  • the process comprises grinding an alkali treated and acetic acid neutralized cellulose with urea in a large amount of ammonia for 3 to 6 hours. Molar ratios of urea to cellulose of 0.5 to 3 are used. The amount of ammonia used corresponds to about 5 to 10 times, based on the weight, the amount of cellulose.
  • WO-A-9947567 discloses a dosing method for mixtures of ammonia and an additive. A mixture of liquid ammonia and at least one additive is first prepared and this mixture is then added to a solid to be treated.
  • the prior art methods require a relatively long contact time to achieve sufficient saturation of the pulp with the mixture of ammonia and urea. This undesirably increases the time of manufacturing the pulp / urea mixture, which in turn leads to increased costs. At the same time, the cost of the necessary equipment is high.
  • crushed pulp materials i.e. shredded or ground pulp samples are used to achieve sufficient penetration of the pulp with the mixture of ammonia and urea.
  • pulp plates or cellulose webs directly with the mixture of ammonia and urea it is desirable not only to be able to treat pulp or pulp, but also pulp plates or cellulose webs directly with the mixture of ammonia and urea.
  • the object on which the invention is based is therefore to provide a process for treating pulp with urea and ammonia in which the amount of ammonia and / or urea used can be minimized, as a result of which expensive equipment and costs can be saved. Furthermore, the method is also intended for the treatment of cellulose boards and / or cellulose webs be suitable. At the same time, the pulp should be impregnated as homogeneously as possible. Another object on which the invention is based is to provide a device with which, in particular, the method according to the invention can be carried out.
  • the present invention provides a device for treating pulp with urea and ammonia, comprising a pressure vessel and at least one application system provided therein.
  • FIG. 1 and 2 show exemplary embodiments of the device according to the invention.
  • the reference symbols denote the following elements:
  • FIG. 1 shows a side view (section) of a device according to the invention for treating plate pulp.
  • FIG. 2 shows a side view (section) of an apparatus according to the invention for the treatment of pulp.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show preferred application systems of the invention.
  • Figure 3 shows a pair of rollers (8,9) and
  • Figure 4 shows a pair of spray nozzles (8a, 9a).
  • pulp as used in the present application encompasses the fine-fiber mass obtained from the digestion of wood or other plant fibers and which consists predominantly of cellulose , and the pulp types named after the pulping process used or the raw materials used, such as sulfate, nitrate and soda pulp as well as softwood, hardwood and straw pulp.
  • the pulp to be treated according to the method according to the invention is preferably in the form of pulp plates, webs or rolls.
  • the weight ratio of ammonia to pulp is preferably 0.3 to 0.95: 1, particularly preferably 0.5 to 0.9: 1.
  • the molar ratio of urea to pulp is preferably 0.1 to 0.95: 1, particularly preferably 0.5 to 0.9: 1.
  • the process according to the invention is preferably carried out in an ammonia atmosphere.
  • An ammonia pressure of 5 to 25 bar is particularly preferred.
  • the method according to the invention will be carried out in a pressure vessel. Such containers are known to the person skilled in the art.
  • the treatment of pulp with ammonia and urea is preferably carried out using an ammonia urea solution.
  • This solution preferably has a concentration of less than 99% of the saturation concentration, particularly preferably of less than 95% of the saturation concentration, based on the saturation concentration of urea in ammonia.
  • the lower limit is preferably 10% of the saturation concentration.
  • the process is preferably carried out at a temperature of 0 to 100 ° C, more preferably 5 to 60 ° C.
  • the process according to the invention is characterized in that, owing to the reduced amount of urea and ammonia, it is possible to carry out the process economically without great operational expenditure.
  • the present invention further enables the treatment of cellulose plates and / or cellulose webs, as a result of which expensive comminution steps can be avoided before the cellulose is loaded with ammonia and urea, and the treatment apparatus is considerably smaller and therefore less expensive.
  • the ammonia and urea are preferably applied in the form of a solution to the cellulose plates, webs or rolls to be treated using the device according to the invention at least one application system, as shown in Figure 1 or 2.
  • the method according to the invention is preferably designed in the treatment of pulp plates, webs or rolls so that the last treated pulp plate or the last treated part of a pulp roll or web still runs for 0.5 to after passing through the application system according to the invention 30 minutes, preferably 1 to 10 Minutes in the ammonia atmosphere. This ensures that the ammonia-urea mixture is evenly and homogeneously present in the interior of the material for the pulp material last treated.
  • Excess ammonia can be removed after the treatment according to the invention.
  • the treating pulp can be heated, a flushing gas flow can be used or a negative pressure can be applied.
  • a flushing gas flow can be used or a negative pressure can be applied.
  • the device according to the invention comprises at least one pressure vessel.
  • Such containers are known to the person skilled in the art.
  • the device according to the invention comprises at least one application system.
  • Preferred examples of application systems according to the invention are a pair of rollers (8,9) and a pair of spray nozzles (8a, 9a).
  • the device according to the invention comprises at least one application system, preferably one to three application systems, particularly preferably one application system.
  • the application systems can be the same or different.
  • a feed area that is optionally funnel-shaped can be provided. This ensures better guidance of the pulp materials to be treated before they run through the application system.
  • the device according to the invention particularly preferably comprises one or two pairs of rollers (9, 8) as application systems.
  • the special designs of such rollers are known to the person skilled in the art e.g. known from the paper coating.
  • the rollers of the application systems described above can also be equipped to move the materials to be carried out, for example by hydraulic drives.
  • the device can also comprise a separate device for moving the materials to be carried through. Examples of these are a roller conveyor (14), preferably with hydraulically operated rollers, and a conveyor belt. If the material to be carried out is in the form of a rolled-up web (13a), for example, the separate device for locomotion can be designed as a coil (15) provided behind the application system. The web of material is clamped into this and guided through the application system by a simple rotary movement.
  • the device according to the invention preferably also comprises a metering pump system (6, 7) with which, for example, an ammonia urea solution can be transported to the application system.
  • a metering pump system (6, 7) with which, for example, an ammonia urea solution can be transported to the application system.
  • metering pump systems are known to the person skilled in the art.
  • Preferred devices essentially consist of three cylindrical pressure vessels (1, 3, 5) which are connected to one another by shut-off devices (2, 4).
  • Shut-off device (2) is optional.
  • the shut-off devices are preferably designed as wedge-type slide valves.
  • Container (1) serves as a template for the pulp to be treated
  • container (3) contains the application system
  • container (5) is the storage for the treated pulp.
  • the container (3) preferably has a heater (16) in order to be able to make pressure or temperature settings. This heating is preferably designed as a half-pipe heating.
  • a locomotion device (14) runs, preferably a roller conveyor, the rollers of which e.g. are hydraulically driven.
  • the pressure vessels are preferably made of stainless steel VZA 1.4571 or similar materials.
  • the at least one application system is located in the container (3).
  • the application system is preferably designed as a pair of rollers (8, 9) or a pair of spray nozzles (8a, 9a). This system preferably comprises at least one pair of application rollers (8, 9).
  • Dosing pumps (6, 7) are also provided in the container (3). The special design of such metering pumps is known to the person skilled in the art.
  • the container (5) contains a storage device (14a) or a winding device (spool) (14) for the reception of cellulose materials.
  • Container (5) is further connected to a heating circuit (20). This includes a
  • Containers (1) and (5) are further connected to a circuit (21). This includes a
  • the container (3) is further connected to the inlet (17) and outlet (18), which
  • the device of the present invention is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the presence of the at least one application system results in an exact metering of the ammonia and the urea as well as a good penetration of the pulp to be treated with the ammonia / urea mixture.
  • the device according to the invention in particular also allows the treatment of cellulose plates and / or cellulose webs with ammonia and urea.
  • the course of the treatment of pulp with ammonia and urea when using plate or roll pulp using a device according to the invention is preferably as follows.
  • the container (3) is isolated by the slides (2) and (4) and is under an ammonia atmosphere. In the sump (19) of container (3) there is an ammonia urea solution (in equilibrium with the ammonia atmosphere).
  • the metering pumps (6) and (7) like the associated circuits, are filled with ammonia urea solution.
  • the containers (1) and (5) are depressurized and filled with air.
  • Container (5) is closed, container (1) is open.
  • the cellulose plates are placed in container (1) and then closed the container.
  • Now containers (1) and (5) with ammonia vapor from the circuit (21) are steamed up to the equilibrium pressure of container (3).
  • Sliders (2) and (4) are opened.
  • a sheet feed system preferably hydraulically driven, transports the sheets to the application rollers (8) and (9).
  • the ammonia urea solution is applied to the pulp on both sides.
  • the amount to be applied is set via the roller diameter and the metered amount of the pumps (6) and (7), depending on the throughput speed.
  • the sheets are then deposited in container (5) on the depositing device (15a).
  • the slides (2) and (4) are closed.
  • the container (5) is either heated and / or evacuated for drying.
  • the container (1) is evacuated and the ammonia is re-liquefied via the circuit (21). It is then rinsed with air; then the container can be opened again and loaded.
  • the container (5) After drying, the container (5) is brought to ambient pressure, a substantial part of the ammonia already evaporating. Then the heating circuit (20) is opened, and the fan (11) sucks the remaining ammonia from the container (5) and conveys it back to the heat exchanger (12), where it is heated to approx. 30 to 70 ° C Container (5) where the ammonia remaining in the pulp is expelled with the warm ammonia vapor. If the pulp has dried to the desired residual ammonia content, the heating circuit (20) is switched off and shut off. Then container (5) is completely evacuated, if necessary the pulp can be kept under vacuum for a further minute to about 1 hour for post-degassing. Then it is rinsed briefly with air, after which the treated pulp can be removed.
  • the entire system is empty and depressurized, the slide (4) is open.
  • the pulp roll (13a) is hooked into the container (1), threaded and passed through the container (3) into the container (5) and struck there for winding into the bobbin (15).
  • the facility will sealed and misted with gaseous ammonia.
  • the sump (19) from the container (3) is then filled with ammonia urea solution via the inlet (17).
  • the pumps (6) and (7) start up and the pulp band is drawn evenly through the application rollers (8,9).
  • the dosage is as described for the plate pulp. If the pulp is wound up after the container (5), the slide (4) is closed and the sump (19) from the container (3) is emptied through the outlet (18) and the pump circuits.
  • containers (1) and (3) are evacuated, purged with air and are ready for loading again.
  • drying and degassing are carried out analogously to the treatment of cellulose plates.
  • an application system with spray nozzles (8a, 9a) which spray the urea to be applied, for example in the form of a solution, onto the cellulose.
  • the nozzles can be provided both above and below the pulp to be treated.
  • the pulp materials to be treated are passed between the application systems designed, for example, as a pair of rollers (8,9) or as a pair of spray nozzles (8a, 9a).
  • the ammonia and urea are then applied to the pulp via the application system. If the application system comprises a pair of rollers, for example, the ammonia and the urea can be applied to the pulp by transferring these substances from the rollers to the pulp as they pass through the pair of rollers.
  • the inventive method designed in this way causes the pulp to penetrate with the ammonia and urea.
  • the application system comprises a pair of rollers, the rollers, when passing between them, ensure that ammonia and urea are applied evenly to the pulp to be treated in a thin film.
  • the ammonia-urea solution then penetrates the pulp plates. This ensures good and homogeneous penetration. This results in an excellent intercalation, which leads to a largely homogeneous and, above all, complete conversion to carbamate in a subsequent reaction. Due to the uniform implementation, it is achieved that a readily soluble and easily processable product is obtained.
  • the metering of the amount of ammonia and urea to be applied can be carried out when carrying out the method according to the invention by means of the device according to the invention by regulating the metering pumps (6, 7), the throughput speed of the cellulose plates (13) or webs and / or the speed of the application rollers (8, 9).
  • the devices and control techniques required for this are known to the person skilled in the art.
  • the treated pulp sheets, webs or rolls can be freed from excess ammonia after the treatment with ammonia and urea by the methods already described above. Then they can either be processed directly or stored or transported.

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Abstract

Die folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak, umfassend: Behandeln von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak bei einem Molverhältnis von Harnstoff zur Zellstoff von 0,01 bis 0,99 : 1 und einem Gewichtsverhältnis von Ammoniak zu Zellstoff von 0,1 bis 0,99 : 1.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak sowie eine Vorrichtung, die insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Die Ammoniakbehandlung von Zellstoff ist zur Aktivierung des Zellstoffes erforderlich, um nachfolgende Reaktionsschritte, beispielsweise eine Acetylierung, einfacher durchführen zu können. Gleichzeitig kann dabei ein Zusatzstoff in den Zellstoff eingeführt werden, um nachfolgende Reaktionsschritte zu vereinfachen.
Dabei ist es wichtig, daß die Einbringung des Zusatzstoffes möglichst gleichmäßig erfolgt, um in den nachfolgenden Reaktionsschritten ein homogenes Reaktionsprodukt zu erhalten. Solche Verfahren sind im Stand der Technik bekannt.
So ist in DE-A-4329937 ein Verfahren zur Behandlung von Cellulose zu deren Aktivierung für nachfolgende chemische Reaktionen durch Inkontakt- bringen der Cellulose mit flüssigem Ammoniak bei gegenüber Atmosphärendruck erhöhtem Druck beschrieben. Dabei wird bevorzugt Ammoniak in einem Mengenverhältnis Ammoniak zu Zellstoff von 6 bis 10 Masseeinheiten Ammoniak zu 10 Masseeinheiten Zellstoff eingesetzt. Die Reaktion mit Ammoniak findet in einem Druckgefäß statt. Nach einer ausreichenden Einwirkzeit wird Ammoniak durch Öffnen des Druckgefäßes und zusätzliches Erwärmen ausgetrieben.
Die EP-A-057105 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines alkalilöslichen Cellulosederivats. Dabei wird Cellulose mit flüssigem Ammoniak behandelt, wobei der flüssige Ammoniak gelösten Harnstoff enthält. Das Verfahren umfaßt das Mahlen einer mit Alkali behandelten und mit Essigsäure neutralisierten Cellulose mit Harnstoff in einer großen Menge Ammoniak für 3 bis 6 Stunden. Dabei werden molare Verhältnisse von Harnstoff zu Cellulose von 0,5 bis 3 eingesetzt. Die verwendete Ammoniakmenge entspricht etwa dem 5 bis 10-fachen, bezogen auf das Gewicht, der Menge an Cellulose. Die WO-A-9947567 offenbart ein Dosierverfahren für Mischungen aus Ammoniak und einem Zusatzstoff. Dabei wird zunächst eine Mischung aus flüssigem Ammoniak und mindestens einem Zusatzstoff hergestellt und diese Mischung anschließend einem zu behandelnden Feststoff zugeführt. Dabei wird die Herstellung der Mischung und die Zuführung der Mischung zum zu behandelnden Feststoff jeweils 2-fach, jedoch zeitversetzt ausgeführt, so daß das Ammoniakzusatzstoffsystem praktisch kontinuierlich für das Weiterleiten zum Feststoff zur Verfügung gestellt wird. Diese internationale Patentanmeldung offenbart auch die Behandlung von Cellulose mit Harnstoff und Ammoniak. Dabei werden 500 g Harnstoff mit 4.000 g Ammoniak gemischt und dann zu 2.000 g Zellstoff in vorzerkleinerter Form gegeben.
Die bekannten Verfahren zur Behandlung von Zellstoff mit Ammoniak und Harnstoff haben den Nachteil, daß eine große Menge an Ammoniak verwendet wird, wodurch der apparative Aufwand für das Abtreiben der Ammoniakmengen, für das Rückkühlen und Wiederverflüssigen des Ammoniaks und für die Herstellung der Ammoniakharnstoffmischung erheblich ist.
Weiterhin erfordern die Verfahren des Standes zur Technik eine relativ lange Kontaktzeit zum Erreichen einer ausreichenden Sättigung des Zellstoffes mit der Mischung aus Ammoniak und Harnstoff. Dies verlängert unerwünschtermaßen die Zeit der Herstellung des Zellstoff/Harnstoff-Gemisches, was wiederum zu erhöhten Kosten führt. Gleichzeitig ist der Kostenaufwand für die notwendigen Apparate groß. Darüber hinaus werden in den bekannten Verfahren zerkleinerte Zellstoffmaterialien, d.h. zerrissene oder gemahlene Zellstoffproben verwendet, um eine ausreichende Durchdringung des Zellstoffes mit dem Gemisch aus Ammoniak und Harnstoff zu erreichen. Für viele Verfahren ist es aber wünschenswert, nicht nur zerfaserten oder zermahlenen Zellstoff, sondern Zellstoffplatten oder Zellstoffbahnen direkt mit der Mischung aus Ammoniak und Harnstoff behandeln zu können.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher, ein Verfahren zur Behandlung von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak zur Verfügung zu stellen, in welchem die Menge an eingesetztem Ammoniak und/oder Harnstoff minimiert werden kann, wodurch aufwendige Apparaturen und Kosten gespart werden können. Weiterhin soll das Verfahren auch zur Behandlung von Zellstoffplatten und/oder Zellstoffbahnen geeignet sein. Gleichzeitig soll eine möglichst homogene Imprägnierung des Zellstoffs erreicht werden. Eine weitere, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der insbesondere das erfmdungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Behandlung von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak, umfassend:
- Behandeln von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak bei einem Molverhältnis von Harnstoff zu Zellstoff von 0,01 bis 0,99 : 1 und einem Gewichtsverhältnis von Ammoniak zu Zellstoff von 0,1 bis 0,99 : 1.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Behandlung von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak zur Verfügung, umfassend einen Druckbehälter und mindestens ein darin vorgesehenes Auftragesystem.
Fiqurenbeschreibunq
In den Figuren 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Dabei benennen die Bezugszeichen die folgenden Elemente:
( 1 ) Behälter (Vorlage) ( 1 a) Deckel
(2) Absperrorgan
(3) Behälter (Reaktionsdruckbehälter)
(4) Absperrorgan
(5) Behälter (Ablage) (5a) Deckel
(6) Dosierpumpe
(7) Dosierpumpe
(8) Auftragwalze
(9) Auftragwalze
(10) Gebläse
(11) Gebläse
(12) Wärmetauscher
(13) Zellstoffplatte (13a) Zellstoffrolle
(14) Rollenbahn
(15) Spule (15a) Ablagevorrichtung (16) Heizvorrichtung
(17) Zulauf
(18) Ablauf
(19) Ammoniak/Harnstoff (Sumpf)
(20) Heizkreislauf
(21) Kreislauf
Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht (Schnitt) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung von Plattenzellstoff. Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht (Schnitt) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung von Rollenzellstoff. Die Figur 3 und die Figur 4 zeigen bevorzugte Auftragssysteme der Erfindung. Dabei zeigt Figur 3 ein Walzenpaar (8,9) und Figur 4 ein Sprühdüsenpaar (8a,9a).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der Ausdruck „Behandlung", wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, benennt ein Verfahren, das zu einer Imprägnierung des Zellstoffs mit Ammoniak und Harnstoff führt. Solche Behandlungen werden im Stand der Technik auch als Interkalationsverfahren bezeichnet. Alle diese Begriffe werden hier synonym verwendet. Der Ausdruck Zellstoff, wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, umfasst die beim Aufschluß von Holz oder anderen Pflanzenfasern anfallende, feinfasrige überwiegend aus Cellulose bestehende Masse. Der Begriff umfasst die ja nach beabsichtigtem Verwendungszweck individuell benannten Zelllstoffarten, wie Kunstfaserzellstoff, Edelzellstoff oder Papierzellstoff, sowie die nach den eingesetzten Aufschlußverfahren oder den eingesetzten Rohmaterialien benannten Zellstoffarten, wie Sulfat-, Salpeter- und Natronzellstoff sowie Nadelholz-, Laubholz- und Strohzellstoff.
Der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandelnde Zellstoff liegt vorzugsweise in Form von Zellstoffplatten, -bahnen oder -rollen vor.
Beim Behandeln von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Gewichtsverhältnis von Ammoniak zu Zellstoff bevorzugt 0,3 bis 0,95:1, insbesondere bevorzugt 0,5 bis 0,9:1. Das Molverhältnis Harnstoff zu Zellstoff ist bevorzugt 0,1 bis 0,95:1 , insbesondere bevorzugt 0,5 bis 0,9:1. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einer Ammoniakatmosphäre durchgeführt. Insbesondere bevorzugt ist ein Ammoniakdruck von 5 bis 25 bar. Dazu wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Druckbehälter durchgeführt werden. Solche Behälter sind dem Fachmann bekannt.
Vorzugsweise erfolgt die Behandlung von Zellstoff mit Ammoniak und Harnstoff unter Verwendung einer Ammoniakharnstofflösung. Bevorzugt hat diese Lösung eine Konzentration von kleiner als 99% der Sättigungskonzentration, insbesondere bevorzugt von kleiner als 95% der Sättigungskonzentration, bezogen auf die Sättigungskonzentration von Harnstoff in Ammoniak. Die untere Grenze liegt bevorzugt bei 10 % der Sättigungskonzentration.
Das Verfahren wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 0 bis 100°C durchgeführt, bevorzugter bei 5 bis 60°C.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß auf Grund der reduzierten Menge an Harnstoff und Ammoniak eine wirtschaftliche Verfahrensführung ohne großen operativen Aufwand möglich ist. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ermöglicht die vorliegende Erfindung weiterhin die Behandlung von Zellstoffplatten und/oder Zellstoffbahnen, wodurch aufwendige Zerkleinerungsstufen vor der Beaufschlagung des Zellstoffes mit Ammoniak und Harnstoff vermieden werden können und die Behandlungsapparatur wesentlich kleiner und damit kostengünstig ausfällt.
Wenn im erfindungsgemäßen Verfahren der Zellstoff in Form von Zellstoffplatten, -bahnen oder -rollen behandelt wird, erfolgt die Aufbringung des Ammoniaks und des Harnstoffs bevorzugt in Form einer Lösung auf die zu behandelnden Zellstoffplatten, -bahnen bzw. -rollen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mindestens einem Auftragsystem, wie in Figuren 1 oder 2 gezeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei der Behandlung von Zellstoffplatten, -bahnen bzw. -rollen vorzugsweise so gestaltet, dass die zuletzt behandelte Zellstoffplatte bzw. der zuletzt behandelte Teil einer Zellstoffrolle bzw. -bahn nach dem Durchlaufen durch das erfindungsgemäße Auftragesystem noch für 0,5 bis 30 Minuten, bevorzugt 1 bis 10 Minuten in der Ammoniakatmosphäre verbleibt. So wird auch für das zuletzt behandelte Zellstoffmaterial sichergestellt, dass das Ammonik-Hamstoffgemisch gleichmäßig und homogen im Inneren des Materials vorliegt.
Nach der erfindungsgemäßen Behandlung kann überschüssiger Ammoniak entfernt werden. Dazu kann beispielsweise der behandelnde Zellstoff erwärmt werden, ein Spülgastrom verwendet oder ein Unterdruck angelegt werden. Diese Verfahrensschritte können einzeln oder in Kombination angewandt werden. Die dazu nötigen Vorrichtungen sind dem Fachmann bekannt.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens einen Druckbehälter. Solche Behälter sind dem Fachmann bekannt.
Weiter umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein Auftragesystem. Bevorzugte Beispiele erfindungsgemäßer Auftragesysteme sind ein Paar Walzen (8,9) und ein Paar Sprühdüsen (8a,9a).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens ein Auftragesystem, bevorzugt ein bis drei Auftragesysteme, insbesondere bevorzugt ein Auftragesystem. Dabei können die Auftragesysteme gleich oder verschieden sein.
Vor dem erfindungsgemäßen Auftragesystem kann ein gegebenenfalls trichterförmig ausgestalteter Einzugsbereich vorgesehen sein. Dieser sichert eine bessere Führung der zu behandelnden Zellstoffmaterialien vor dem Durchlaufen des Auftragesystems.
Insbesondere bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein oder zwei Paar Walzen (9, 8) als Auftragesysteme. Die speziellen Ausgestaltungen solcher Walzen sind dem Fachmann z.B. aus der Papierbeschichtung bekannt.
Die Walzen der oben beschriebenen Auftragesysteme können auch zur Fortbewegung der durchzuführenden Materialien ausgerüstet sein, beispielsweise durch hydraulische Antriebe. Zusätzlich kann die Vorrichtung noch eine separate Einrichtung zur Fortbewegung der durchzuführenden Materialien umfassen. Beispiele davon sind eine Rollenbahn (14), vorzugsweise mit hydraulisch betriebenen Rollen, und ein Transportband. Liegt das durchzuführende Material beispielsweise in Form einer aufgerollten Bahn (13a) vor, so kann die separate Einrichtung zur Fortbewegung als hinter dem Auftragesystem vorgesehene Spule (15) ausgestaltet sein. In diese wird die Bahn des Materials eingespannt und durch einfache Drehbewegung durch das Auftragesystem geführt.
Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung noch ein Dosierpumpensystem (6, 7), mit welchem beispielsweise eine Ammoniakharnstofflösung zum Auftragesystem transportiert werden kann. Solche Dosierpumpensysteme sind dem Fachmann bekannt.
Die vorliegende Erfindung wird weiter unter Verweisung auf die beiliegenden Abbildungen beschrieben.
Bevorzugte Vorrichtungen (Figur 1 und 2) bestehen im wesentlichen aus drei zylindrischen Druckbehältern (1,3,5), die über Absperrorgane (2,4) miteinander verbunden sind. Absperrorgan (2) ist optional. Die Absperrorgane sind vorzugsweise als Keilplattenschieber ausgestaltet. Behälter (1) dient als Vorlage für den zu behandelnden Zellstoffs, Behälter (3) enthält das Auftragesystem, und Behälter (5) ist die Ablage für den behandelten Zellstoff. Der Behälter (3) besitzt vorzugsweise eine Beheizung (16), um Druck, bzw. Temperatureinstellungen vornehmen zu können. Diese Beheizung ist bevorzugt als Halbrohrheizung ausgestaltet. Von Behälter (1) durch Behälter (3) in Behälter (5) läuft eine Fortbewegungseinrichtung (14), vorzugsweise eine Rollenbahn, deren Rollen z.B. hydraulisch angetrieben sind. Die Druckbehälter werden vorzugsweise aus Edelstahl VZA 1.4571 oder ähnlichen Materialien gefertigt.
Im Behälter (3) befindet sich das mindestens eine Auftragesystem. Bevorzugt ist das Auftragesystem als Walzenpaar (8,9) oder Sprühdüsenpaar (8a,9a) ausgestaltet. Vorzugsweise umfasst dieses System mindestens ein Paar Auftragungswalzen (8,9). Weiter sind im Behälter (3) Dosierpumpen (6, 7) vorgesehen. Die spezielle Ausgestaltung solcher Dosierpumpen sind dem Fachman bekannt. Der Behälter (5) enthält eine Ablagevorrichtung (14a) oder Aufwickeleinrichtung (Spule) (14) für die Aufnahme von Zellstoffmaterialien.
Behälter (5) ist weiter mit einem Heizkreislauf (20) verbunden. Dieser umfasst ein
Gebläse (11) und einen Wärmetauscher (12).
Behälter (1) und (5) sind weiter mit einem Kreislauf (21) verbunden. Dieser umfasst ein
Gebläse (10).
Behälter (3) ist weiter mit Zulauf (17) und Ablauf (18) verbunden, die zur Zu- bzw-
Abführung der Ammoniak-Harnstofflösung ausgestaltet sind.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Durch die Gegenwart des mindestens einen Auftragesystems wird eine exakte Dosierung des Ammoniaks und des Harnstoffs sowie eine gute Durchdringung des zu behandelnden Zellstoffes mit dem Ammoniakharnstoffgemisch erreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt insbesondere auch die Behandlung von Zellstoffplatten und/oder Zellstoffbahnen mit Ammoniak und Harnstoff.
Der Ablauf der Behandlung von Zellstoff mit Ammoniak und Harnstoff bei der Verwendung von Platten- oder Rollenzellstoff unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise wie folgt.
Plattenzellstoff (Figur 1)
Der Behälter (3) ist durch die Schieber (2) und (4) isoliert und steht unter einer Ammoniakatmosphäre. Im Sumpf (19) von Behälter (3) befindet sich eine Ammoniakharnstofflösung (im Gleichgewicht mit der Ammoniakatmosphäre). Die Dosierpumpen (6) und (7) sind wie auch die zugehörigen Kreisläufe mit Ammoniakharnstofflösung gefüllt. Die Behälter (1) und (5) sind drucklos und mit Luft gefüllt.
Die oberen Klöpperböden der beiden Behälter sind als aufklappbare Deckel ausgeführt, die mit Spannschrauben schnell und gasdicht verschlossen werden können. Behälter (5) ist verschlossen, Behälter (1) offen. In Behälter (1) werden die Zellstoffplatten eingelegt und dann der Behälter verschlossen. Nun werden Behälter (1) und (5) mit Ammoniakdampf aus Kreislauf (21)bis auf den Gleichgewichtsdruck von Behälter (3) aufbeschlagt. Schieber (2) und (4) werden geöffnet.
Ein Blatteinzugssystem, vorzugsweise hydraulisch angetrieben, transportiert die Blätter zu den Auftragswalzen (8) und (9). Beim Durchlaufen der Auftragswalzen wird die Ammoniakharnstofflösung beidseitig auf den Zellstoff aufgebracht. Die aufzubringende Menge wird über den Walzendurchmesser und die Dosiermenge der Pumpen (6) und (7) eingestellt, abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit. Die Blätter werden dann in Behälter (5) auf die Ablagevorrichtung (15a) abgelegt. Ist der gesamte Stapel durchgelaufen, werden die Schieber (2) und (4) geschlossen. Der Behälter (5) wird zur Trocknung entweder erwärmt und/oder evakuiert. Der Behälter (1) wird evakuiert und der Ammoniak der Wiederverflüssigung über Kreislauf (21) zugeführt. Anschließend wird mit Luft nachgespült; dann kann der Behälter wieder geöffnet und beladen werden.
Behälter (5) wird nach erfolgter Trocknung auf Umgebungsdruck gebracht, wobei bereits ein wesentlicher Teil des Ammoniaks verdampft. Danach wird der Heizkreislauf (20) geöffnet, und das Gebläse (11) saugt den verbliebenen Ammoniak aus Behälter (5) und befördert diesen über den Wärmetauscher (12), wo er auf ca. 30 bis 70°C erhitzt wird, zurück in den Behälter (5), wo mit dem warmen Ammoniakdampf der im Zellstoff verbliebene Ammoniak ausgetrieben wird. Ist der Zellstoff bis zum gewünschten Restgehalt an Ammoniak getrocknet, wird der Heizkreislauf (20) abgestellt und abgesperrt. Danach wird Behälter (5) vollständig evakuiert, falls nötig kann der Zellstoff noch eine Minute bis ca. 1 Stunde unter Vakuum zum Nachentgasen gehalten werden. Dann wird kurz mit Luft nachgespült, anschließend kann der behandelte Zellstoff entnommen werden.
Rollenzellstoff (Figur 2)
Die Anlage und die Verfahrensführung für Rollenzellstoff gestaltet sich ähnlich wie oben beschrieben, es entfällt jedoch der Schieber (2) (siehe Figur 2).
Die gesamte Anlage ist entleert und drucklos, Schieber (4) ist offen. Die Zellstoffrolle (13a) wird in Behälter (1) eingehängt, eingefädelt und durch Behälter (3) in Behälter (5) geführt und dort zum Aufwickeln in Spule (15) angeschlagen. Die Anlage wird verschlossen und mit gasförmigen Ammoniak beschlagen. Anschließend wird der Sumpf (19) von Behälter (3) mit Ammoniakharnstofflösung über Zulauf (17) gefüllt. Die Pumpen (6) und (7) laufen an, und das Zellstoffband wird gleichmäßig durch die Auftragungsrollen (8,9) gezogen. Die Dosierung erfolgt wie für den Plattenzellstoff beschrieben. Ist der Zellstoff nach Behälter (5) gespult, wird Schieber (4) geschlossen und der Sumpf (19) von Behälter (3) durch Ablauf (18) und die Pumpenkreisläufe entleert. Danach werden Behälter (1) und (3) evakuiert, mit Luft gespült und sind wieder zum Beladen bereit. In Behälter (5) läuft analog der Behandlung von Zellstoffplatten die Trocknung und Entgasung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist auch der Einsatz eines Auftragssystems mit Sprühdüsen (8a,9a), die den aufzubringenden Harnstoff, beispielsweise in Form einer Lösung auf den Zellstoff aufsprühen möglich. Die Düsen können sowohl oberhalb als auch unterhalb des zu behandelnden Zellstoffs vorgesehen werden. Die zu behandelnden Zellstoffmaterialien werden zwischen den beispielsweise als Walzenpaar (8,9) oder als Sprühdüsenpaar (8a,9a) ausgestalteten Auftragesystemen hindurchgeführt. Der Ammoniak und der Harnstoff werden dann über das Auftragesystem auf den Zellstoff aufgebracht. Umfasst das Auftragesystem beispielsweise ein Paar Walzen, so kann die Aufbringung des Ammoniaks und des Harstoffs auf den Zellstoff durch Übertragung dieser Substanzen von den Walzen auf den Zellstoff beim Durchlauf durch das Walzenpaar erfolgen.
Unabhängig von der Art der Aufbringung bewirkt das derart ausgestaltete erfindungsgemäße Verfahren eine Durchdringung des Zellstoffs mit dem Ammoniak und dem Harnstoff. Umfasst das Auftragesystem beispielsweise ein Paar Walzen, so sorgen die Walzen beim Durchlaufen zwischen den selben dafür, dass Ammoniak und Harnstoff in einem dünnen Film gleichmäßig auf den zu behandelnden Zellstoff aufgebracht werden. Die Ammoniak-Harnstofflösung dringt dann in die Zellstoffplatten ein. So ist für eine gute und homogene Durchdringung gesorgt. Dies resultiert in einer ausgezeichneten Interkalation, was zu einer weitestgehend homogenen und vor allem vollständigen Umsetzung zu Carbamat in einer folgenden Umsetzungsreaktion führt. Dabei wird auf Grund der gleichmäßigen Umsetzung erreicht, dass ein gut lösliches und gut weiterverarbeitbares Produkt erhalten wird. Die Dosierung der Menge an aufzubringendem Ammoniak und Harnstoff kann beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Regelung der Dosierpumpen (6, 7), der Durchlaufgeschwindigkeit der Zellstoffplatten (13) bzw. -bahnen und/oder der Geschwindigkeit der Auftragungswalzen (8, 9) erfolgen. Die dazu nötigen Vorrichtungen und Regelungstechniken sind dem Fachmann bekannt.
Die behandelten Zellstoffplatten, -bahnen oder -rollen können nach der Behandlung mit Ammoniak und Harnstoff noch durch schon oben beschriebene Verfahren von überschüssigem Ammoniak befreit werden. Dann können sie entweder direkt weiterverarbeitet oder gelagert oder transportiert werden.

Claims

Patentansprüche
. Verfahren zur Behandlung von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak, umfassend:
Behandeln von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak bei einem Molverhältnis von Harnstoff zur Zellstoff von 0,01 bis 0,99 : 1 und einem Gewichtsverhältnis von Ammoniak zu Zellstoff von 0,1 bis 0,99 : 1.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei bei einem Ammoniakdruck von 5 bis 25 bar gearbeitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Ammoniakharnstofflösung eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Ammoniakharnstofflösung eine Konzentration von < 95 % der Sättigungskonzentration von Harnstoff in Ammoniak aufweist.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Behandlung von Zellstoff mit Harnstoff und Ammoniak durch Auftragung von Harnstoff und Ammoniak auf den Zellstoff mit mindestens einem Auftragesystem erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine Auftragesystem ein Paar Walzen umfasst.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zellstoffplatten, -bahnen oder -rollen behandelt werden.
8. Vorrichtung zur Behandlung von Zellstoff mit Ammoniak und Harnstoff, umfassend mindestens einen Druckbehälter (3) und mindestens ein darin vorgesehenes Auftragesystem.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Auftragesystem ein Paar Auftragwalzen (8,9) umfasst,
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, weiter umfassend einen Behälter (1) zur Bereitstellung des zu behandelnden Zeilstoffes und einen Behälter (5) für die Ablage des behandelnden Zellstoffes.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die drei Behälter (1 ,3,5) über zwei Absperrorgane (2,4) miteinander verbunden sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , wobei die Absperrorgane (2,4) doppelseitig dichtende Keilplattenschieber sind.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, weiter umfassend Dosierpumpen (6,7) zum Zuführen von Ammoniakharnstofflösungen zum mindestens einem Auftragesystem.
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