CN101094955B

CN101094955B - 用于制造纸、硬板纸或类似物的纤维材料的预处理方法和设备

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Publication number: CN101094955B
Application number: CN2004800203797A
Authority: CN
Inventors: B·拉克斯; R·麦亚拉; M·西皮莱; P·索利斯马; M·麦亚拉
Original assignee: UPM Kymmene Oy; FP Pigments Oy
Current assignee: UPM Kymmene Oy; FP Pigments Oy
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2024-06-15
Also published as: EP1644580A1; FI20031072A0; CA2528337A1; FI20031072A; AU2004256243A1; JP4778423B2; RU2346097C2; US20070272376A1; WO2005005725A1; KR20060080172A; US8480855B2; US8282780B2; BRPI0412531A; EP1644580B1; US20120273149A1; RU2006104614A; BRPI0412531B1; JP2007528946A; FI119563B; CN101094955A

Abstract

预处理用于制造纸或类似物的纤维材料的方法和设备，所述预处理例如是通过使矿物质沉淀于纤维来进行。沉淀期间，在按冲击研磨机原理工作的通流混合器中有益地被预处理过的纤维材料被供输至沉淀反应器。气体被导入沉淀反应器中，以便在反应器中生成气体空间。所述气体含有使矿物质沉淀的物质，诸如二氧化碳(CO₂)。纤维材料作为诸如液滴和/或颗粒的细小的液体及固体物质部分被供输至沉淀反应器的气体空间中。

Description

用于制造纸、硬板纸或类似物的纤维材料的预处理方法和设备

本发明涉及根据本专利申请中稍后介绍的独立的专利权利要求的前序的方法和设备，例如当使矿物质沉淀在纤维上时，所述方法和设备预处理用来制造纸、硬板纸或类似物的纤维材料。

富含矿物的填充料被用于制造纸，以提高纸的各种性能，诸如光学的及印刷的性能；所述矿物诸如：天然的、微粒的碳酸钙，沉淀的碳酸钙(PCC)，高岭粘土及滑石。添加填充料也能在造纸中少用纤维材料。如此获得的成本节约通常明显地高于添加填充料造成的成本。

因此，一般的目标是在用于造纸的纤维悬浮液中尽可能多地添加填充料。然而，可添加至纸中的诸如碳酸钙的填充料不超过20-25％，理由是这涉及纸的强度性能。

为增加纸中的碳酸钙的量，曾建议：使含于填充料中的钙以氢氧化钙的形式添入纤维悬浮液中，而后通过添加二氧化碳使其中的钙转变为沉淀的碳酸钙。因此，有可能促进碳酸钙直接沉淀及附着在纤维表面上及纤维内部，而由此增加纸中的碳酸盐量。

然而可认为这些已知解决方案有如下缺点：

—沉淀反应花费相对长的时间，

—沉淀反应部分地不完全，

—所用的工艺不连续，或

—所用的设备不易集成于造纸工艺中。

在美国专利US 6,471,825中曾建议：添加至纤维悬浮液的氢氧化钙应以碳酸钙的形式直接沉淀在纤维中。所述专利建议：含有纤维及氢氧化钙的悬浮液应首先在圆盘磨浆机式的设备中加以处理，以在二氧化碳气体供输入悬浮液中之前分解可能有的纤维团。

在圆盘磨浆机式的设备中，对纤维悬浮液进行粗处理，使纤维材料弱化。在添加二氧化碳之后，纤维悬浮液在螺旋混合器中混合。然而，应用装设有普通叶片或螺旋混合器的沉淀反应器，难于保证二氧化碳与氢氧化钙的快速及有效混合和完成反应。此外，在这些装置中难于促进已沉淀的碳酸钙对纤维的附着。

另一方面，在美国专利US 5,679,220中曾建议：当纤维悬浮液流过具有光滑内部的长的双部分管式反应器时，应该使用二氧化碳气体使添加至纤维悬浮液的氢氧化钙以碳酸钙的形式沉淀于纤维中。含有氢氧化钙的悬浮液被供输至在管式反应器第一部分的中部的纤维悬浮液中，在供应其中的氢氧化钙悬浮液之前及之后，二氧化碳气体被供输至纤维悬浮液。二氧化碳气体通过反应器壁上的开口被导至反应器。目的是促进所述气体被吸收进在管子内流动的悬浮液中。纤维悬浮液在相对长的混合反应器—长两米以上—中的停歇时间大于一分钟。

因此，本发明的目的是介绍使矿物颗粒沉淀于纤维中的更好方法和设备，所述纤维被用于制造纸、硬板纸或类似物。

本发明的目的是介绍一种方法和设备，由此使以上提及的已知工艺的问题减至最小。

因此本发明的目的是介绍一种方法和设备，由此在沉淀过程期间能获得纤维与矿物质和起沉淀作用的化合物的高水平混合，所述矿物质诸如是氢氧化钙或氧化钙，所述起沉淀作用的化合物诸如是二氧化碳气体。

本发明还有的目的是介绍一种方法和设备，由此可能在非常短时间内和尽可能完全地引发和完成碳酸钙在纤维的表面上及内部的沉淀。

本发明还有的目的是介绍一种方法和设备，由此与传统的作法相比能增加纸的填充料含量。

此外，本发明的目的是介绍一种方法和设备，由此能如所要求的影响纸、硬板纸及相应产品的性能，一般是它们的光学性能及强度性能。

本发明还有的目的是介绍一种方法和设备，它们适用于使矿物质沉淀于非常不同的纤维悬浮液的纤维中，和沉淀于可能留存在纤维悬浮液中的其它固体物质上。

此外，本发明还有的目的是介绍一种设备，它连续地运转，并且易于集成在纸、硬板纸或类似物的制造工艺中。

为实现上述的各目的，根据本发明的方法和设备以在本专利申请中稍后介绍的独立各权项的特点部分为其特征。

本发明涉及使矿物质颗粒沉淀在用于制造纸、硬板纸或类似物的纤维中的方法，所述方法通常包含以下步骤：

(a)含有将用于制造中的纤维的纤维材料被供输入沉淀反应器中；

(b)通常是氢氧化钙[Ca(OH)₂]的反应性矿物质被供输入沉淀反应器中；

(c)纤维材料与反应性矿物质在沉淀反应器中和/或在这些物质被供输入沉淀反应器之前相结合以形成纤维悬浮液；

(d)沉淀反应器中的纤维悬浮液与通常是CO₂的一种物质相接触，CO₂使所述反应性矿物质沉淀，以实现反应性矿物质在纤维悬浮液中的至少部分沉淀，据此至少部分如此形成的沉淀的矿物质在纤维悬浮液中沉淀在纤维上面—在纤维表面和/或纤维内部；和

(e)如此处理过的纤维悬浮液被导出沉淀反应器。

在根据本发明的典型解决方案中建议：

(f)含有使上述反应性矿物质沉淀的物质的气体，诸如二氧化碳，被供输入沉淀反应器以生成气体空间，所述气体空间含有在沉淀反应器中的所述起沉淀作用的物质；和

(g)被供输入的和/或形成于沉淀反应器中的纤维悬浮液被分散在所述气体空间中，即被分解成诸如含有固体物质和/或液体的液滴和/或颗粒的细小部分。

通常，含有沉淀剂的气体作为连续的气流被供输入沉淀反应器中，以便在反应器中保持所要求的气体空间。气体中的沉淀剂的量，例如，根据起沉淀作用的气体的来源及质量和/或所需的纸性能，可广泛变化。要被供输入沉淀反应器中的气体，一般含有＞5％，通常＞10％，而如果需要甚至是100％的沉淀剂，所述沉淀剂诸如是二氧化碳。因此含有沉淀剂的气体可能例如是纯的或几乎纯的二氧化碳、燃烧气体或某些其它合适的气体或含有二氧化碳的气体混合物。当然，可能使用不是二氧化碳的沉淀剂，它适于使所用的反应性矿物质沉淀。通常气体被供输入沉淀反应器中，使得在沉淀反应器中保持过压力(超大气压力)。

在根据本发明的解决方案中，目的是把纤维悬浮液、其液相及固相供输入分解成微小部分、液滴和/或颗粒的气体空间中。在此情况下，应用任何已知的或新颖的方法使纤维悬浮液被分解成纯液体状滴-含有诸如纤维及矿物质的固体物质的液滴，固体颗粒和/或覆盖液体的固体颗粒。在此情况下，在纤维悬浮液中的纤维材料至少是部分地被分解成分离的纤维。另一方面，纤维悬浮液的液相被分散成大多数＜10mm，通常＜1mm的液滴。小液滴、纤维和其它固体颗粒成雾状的气体悬浮液被分散入气体空间中，其中的体积流量比被供输入反应器的纤维悬浮液的体积流量大得多。这在纤维悬浮液的液滴和/或颗粒与周围气体之间生成大的接触面积，能使要被沉淀的反应性矿物质与气体中的沉淀剂之间非常快和完全地产生沉淀反应。

当应用根据本发明的解决方案时，还可假定：几乎每个分离的纤维被气体外膜所包围，这引致来自周围液体的矿物质快速地及有效地沉淀在纤维的表面上和纤维的内部。或者所述过程是相反的，而目标是把气体作为细气泡供输入有点稠的纤维悬浮液中，在此情况下所述沉淀就不像那样快和完全。

当应用根据本发明的解决方案时，在纤维上生成已沉淀的材料的高度活性的面积，通过它，可假定：当沉淀反应在这些部分继续时，各纤维形成正反的相互结合。这些结合提高了要制造的纸的强度性能。

根据本发明的一个有益的实施例，当考虑纤维材料的流动时，在沉淀反应器的前方或在沉淀反应器中，有利地在反应器的开始处形成了激活区域。在激活区域中，各力被导向纤维悬浮液，例如它们或机械摩擦地或化学摩擦地激活纤维，增大它们的容积以形成相互的结合，或吸收正沉淀的和/或已沉淀的矿物质。纤维的激活提高了要制造的纸的强度性能。

在激活区域中，较好是使悬浮液的纤维分散成小滴和/或颗粒并同时激活它们。当纤维例如由于Ca(OH)₂条件而导致膨胀时，在碱性的条件中是有利于进行激活的。

在激活区域中，例如反复连续的冲击力、双重冲击力、剪切力、扰动(力)、过压的及负压的脉动(力)和其它相应的力可被导向纤维悬浮液中，例如通过原纤化或研磨纤维或通过对矿物质打开纤维腔管，各种力机械地激活纤维，特别是它们的表面。另一方面，纤维，特别是纤维表面，可因此被化学地激活，使得活性的OH^-基生成在纤维表面上。

根据本发明的有益实施例，激活可以在例如沉淀反应器中被引发，所述沉淀反应器具有装设了通流混合器(through flow mixer)的激活区域，所述通流混合器按多环冲击研磨机原理工作，并包含多个，通常3-8个，更经常4-6个装设有多个叶片或类似物的同心的环，至少每隔一个的环起转子的作用，而与它们相邻的环用作定子或在相反方向或以不同速度转动的转子。转子速度为5-250m/s。相邻环之间的速度差为10-500m/s，通常为50-200m/s。研磨机或混合器根据较早在芬兰专利105699B、105112B和WO-公布96/18454中介绍的这个原理来工作。

在按冲击研磨机原理工作的通流混合器中，纤维悬浮液通常从各环的中心径向地向外运动通过混合器，使得在各环上的叶片或相应装置能引导冲击力及双重冲击力，和在各环上面向外流动的纤维悬浮液中产生剪切力、扰动(力)和负压的及过压的脉动(力)，并激活纤维。按冲击研磨机原理工作的反应器可有效地处理纤维悬浮液，使它具有或是高的或是非常低的干物质含量，以适应沉淀工艺。在根据本发明的沉淀反应器中，有可能沉淀非常不同的干物质含量的矿物质，诸如0.1-40％的，通常1-15％的，更经常3-7％的含量。在供料管和排放管中的纤维悬浮液的可泵送性主要决定了所述界限。

通流混合器中的相邻各环、各转子、各叶片或类似物通常以相反方向运动，这能产生有效的连续冲击力，主要是在相反的方向上，即冲击力及双重冲击力将被导入流过反应器的纤维悬浮液中。另一方面，如果静止的各环--定子--被装在各环--相同方向转动的各转子--之间，就可能把由转子各叶片产生的冲击力和由定子各叶片产生的双重冲击力引导至流过反应器的纤维悬浮液中。应用以高度不同的速度在相同方向转动的各转子可获得类似结果。

通流混合器中的各转子及各定子的各叶片或类似物可同时引导纤维悬浮液从各环的毂盘径向地向外运动。当(纤维悬浮液)从中心朝外环移动时，转子环及定子环的扩大在入口--中心--与出口--外环--之间产生了压力差。当从中心朝外运动时压力减小。所产生的压力差促进了纤维悬浮液通过通流混合器的输送。

根据本发明的有益实施例，有个机械激活的问题，例如，当处理纤维表面时，使得自由的和反应性的表面从其中的纤维上暴露出来，易于附着可沉淀的矿物质，或是从其中的所述纤维表面暴露出的原纤维使可沉淀物质易于附着。原纤维的生成增大了纤维的特殊表面面积，使纤维能结合更多的可沉淀矿物质。所生成的原纤维部分可从纤维上脱离，而因此增加了纤维悬浮液的细小物质，这在某些情况下甚至是所希望的。

根据本发明的有益实施例，机械激活也变成实际问题，例如，当负压的及过压的脉动(力)作用于各纤维时，引致它们打开、撕开或形成孔，使纤维悬浮液中更大量的反应性矿物质更易于穿入各纤维并沉淀于其中。

根据本发明的有益实施例，化学激活变成实际问题，例如，当纤维表面被激活了时，使得能结合可沉淀的或已沉淀的矿物质的活性化学基形成于纤维的表面上。例如可能在纤维表面上生成活性的OH^-基，它们能与矿物质形成结合，并引致矿物质附着于纤维。

根据本发明的通常方法，在纤维材料及反应性的矿物质，诸如石灰乳，即Ca(OH)₂，被导入沉淀反应器之前，它们有益地相结合以形成纤维悬浮液。以淤渣或悬浮液的形式把要被沉淀的反应性矿物质添加入纤维材料悬浮液中，通常形成含有纤维材料及反应性矿物质的纤维悬浮液。因此，有可能使淤渣或悬浮液快速及均匀地混合入纤维悬浮液中。另一方面，要被沉淀的反应性矿物质可以固体形式以及例如作为粉末被添加至纤维材料悬浮液中。在悬浮液被供输至沉淀反应器之前，当反应性矿物质被添加至纤维材料悬浮液时，各纤维具有吸收反应性矿物质的时间，如果需要可达几分钟，而如果矿物质是碱性的，它将使纤维膨胀至对于激活和/或碳化有利的形态。这意味着当沉淀开始时，有可能更容易使矿物质沉淀在纤维表面以及纤维内部。如果需要，纤维物质及矿物质当然可以单独地被导至沉淀反应器，使这些物质刚一在沉淀器反应器中就混合。

当把根据本发明的解决方案应用于矿物质的沉淀时，就可能把诸如原材料、原材料供应比例、pH值、对采用的工艺最合适的压力及温度选作(工作)条件。对于这些参数，根据本发明的方案没有设置任何限制。

除非另有说明，这些解释涉及以下各点：

—纤维材料悬浮液指一种液体，所述液体基于至少含有纤维材料的悬浮液，

—纤维悬浮液指一种液体，所述液体基于至少含有纤维材料及沉淀所需的反应性矿物质的悬浮液，

—气体悬浮液指一种悬浮液，所述悬浮液至少由纤维材料、反应性矿物质和起沉淀作用的气体组成，其中纤维材料与反应性矿物质被精细地分离，和

—已处理的纤维悬浮液指一种液体，所述液体基于至少含有纤维材料及已沉淀的矿物质颗粒的悬浮液。

上述的悬浮液还可含有其它物质，诸如已沉淀的矿物颗粒或未沉淀的矿物质。

在根据本发明的方法中，氢氧化钙[Ca(OH)₂]，即石灰乳，或其它Ca²⁺离子源可用作反应性矿物质，能使所谓的已沉淀的碳酸钙(PCC)沉淀入纤维中和/或纤维内部。本发明还使得能应用其它相应的反应性矿物质，诸如氧化钙或硫酸钙，使用起沉淀作用的气体可使它们被沉淀和被附着。

用于沉淀中的反应性矿物质，根据纤维的性质、要制造的纸或希望改进的制造工艺来选择。沉淀于纤维悬浮液中的，特别是沉淀于纤维中的矿物质，能够提高例如纸的白度、亮度、不透明度、光泽度、松厚度、印刷效果、适印性、脱水性、干燥性等等。

较好是使用起沉淀作用的气体作为起沉淀作用的化学物品。例如可使用二氧化碳作为氢氧化钙的起沉淀作用的气体。因此可把含有诸如纯的或几乎纯的二氧化碳(CO₂)气体的二氧化碳、燃烧气体或用于此目的的其它合适气体供输入沉淀反应器中。也可能使用比二氧化碳合适的另一种沉淀剂。

本发明不仅能使纤维悬浮液中的可沉淀的反应性物质沉淀在纤维中，而且还能沉淀在留存于所述悬浮液中的其它无机的或有机的颗粒的表面上。这些颗粒例如可包含诸如是二氧化钛颗粒的其它矿物质颗粒或杂质颗粒或纤维基的细小颗粒。因此使用沉淀的碳酸钙或类似物，根据本发明的解决方案可被用于遮盖留在不完全脱墨纤维中的墨汁剩余物。已沉淀在无机物颗粒上的反应性物质也具有把颗粒附着在纤维上的能力，然后与纤维一起保留在纸中。另一方面，沉淀在纤维上的矿物质也具有把各纤维结合在一起的能力，这提高了纸的强度性能。

除去纤维材料和要被沉淀的反应性矿物质外，要被供输至沉淀反应器的纤维悬浮液可包含用于造纸或类似物的其它固体物质，诸如：

—例如氧化钙、硫酸钙、碳酸钙、滑石、高岭粘土或二氧化钛的其它矿物质，

—脱墨过程中从纤维脱离的纤维基细物质、其它细物质或杂质，各种工艺废料和/或

—用于改善留着率的物质，诸如淀粉、灭菌剂。

本发明适用于制造纸幅或纸浆产品，所述纸浆产品是由纸、硬板纸或其它相应纤维状材料制作的。

因此本发明适用于

—制造各种各样的纸幅产品，诸如新闻纸、精细等级纸、杂志纸、牛皮纸、软薄页纸、专用纸或硬板纸；

—由各种各样的纸浆制造产品，诸如化学的、机械的、化学-机械的、热机械的纸浆，或半机械的纸浆、再循环(回用)的纸浆或它们的混合物；

—由各种各样的纤维制造纸，诸如：初纤维、化学的或机械的纤维、漂白的或非漂白的纤维，精制的或非精制的纤维，干燥的或非干燥的纤维、脱墨的或染墨的再循环纤维，或由损纸浆获得的纤维，或是任何这些纤维的混合物。

现在已发现：就沉淀而言，通过把纤维及反应性矿物质作为精磨的纤维悬浮液供输入起沉淀作用的气体中，即与先前的工艺相比是相反的方法，就可能使反应性矿物质、纤维材料和起沉淀作用的气体显著容易地及有效地混合在一起。

沉淀反应可立刻开始，而且在小纤维悬浮液滴与气体之间形成巨大的接触表面的基础上快速产生反应。沉淀容易发生于纤维表面以及纤维的内部。通过调节纤维物质的成分、反应性矿物质和/或起沉淀作用的气体的成分，应用本发明的方法和设备，就可能控制可获得的纸的性能，诸如纸的强度及光学性能。

已分散的--已分解的纤维悬浮液越细，可设想发生的反应越快和越有效。应用按冲击研磨机原理工作的通流混合器，就可能使纤维悬浮液成雾状的气体悬浮液分散在起沉淀作用的气体中，在所述雾状的气体悬浮液中气体、纤维及要被沉淀的反应性矿物质被有效地混合在一起。应用根据本发明的解决方案，就可能使作为气体悬浮液参与沉淀作用的各成分的微观结构变均匀，在其中各不同成分之间的反应可立即发生。例如当已激活的纤维容易地返回至非激活状态时，即当各原纤维及纤维中形成的开口容易地关闭时，这是特别有利的。留存在纤维悬浮液中的矿物质至少部分地具有防止原纤维复原的能力。当需要时，纤维悬浮液可被再激活一次或几次。

现在还发现了：在沉淀作用之前和/或沉淀作用期间，通过激活纤维材料提高了各纤维结合在一起的能力和纤维结合已沉淀的矿物质的能力；这能够加强沉淀作用和提高纸的性能。甚至在沉淀反应器中的一种单独处理就足于获得所希望的沉淀作用及纸性能。

本发明涉及各附图，其中：

图1作为例子简略地图释根据本发明的沉淀反应器的垂直剖面；

图2作为例子简略地图释安装于根据图1的沉淀反应器中的分解及激活装置的水平剖面；

图3作为例子简略地图释根据本发明的另一个沉淀反应器的垂直剖面；

图4作为例子简略地图释图3介绍的沉淀反应器的分解及激活装置的水平剖面；

图5作为例子简略地图释根据本发明的沉淀反应器组的垂直剖面；

图6作为例子简略地图释根据本发明的另一个沉淀反应器组的垂直剖面；和

图7作为例子简略地图释根据本发明的第三沉淀反应器组的垂直剖面。

图1图释根据本发明的连续运转的沉淀反应器10，包括：沉淀槽12，安装在沉淀槽12中的分解及激活装置14，纤维悬浮液的供料管16，起沉淀作用的气体的供料管18，和已处理的纤维悬浮液的排放管20。此外，所述设备10包括致动器22，它包含致动器22与装置14之间的轴承和密封组件24。

分解及激活装置14是所谓的通流混合器，图2介绍了其水平剖面，装置14包含6个同心布置的环26、26′、26″、28、28′、28″，6个环装设有叶片26a、26′a、26″a、28a、28′a、28″a。在装置14中，纤维悬浮液被分解成小的部分、液滴和/或固体颗粒。与此同时，纤维悬浮液中的纤维在装置14中被激活，使得提高了各纤维结合在一起的能力和它们的容纳已沉淀的矿物质的能力。在分解与激活装置中停歇的时间是短暂的，＜10s，通常＜2s，而甚至更经常＜1s。

如图2中介绍的箭头所指示，分解装置的第一组环26、26′、26″如转子般运转，在图中介绍的情况下，它们是逆时针转动。还有，与第一组环相邻的第二组环28、28′、28″如转子般运转，然而在图中介绍的情况下，它们是顺时针转动。安装在各环上的叶片26a、26′a、26″a和28a、28′a、28″a撞冲径向地向外运行通过所述装置的纤维悬浮液，使它(纤维悬浮液)成为反复冲击及双重冲击的靶子。同时，由于各叶片彼此互相趋近，在相邻转子的各叶片之间形成过压力，而当各叶片彼此拉离时形成负压力。压力差非常迅速地在纤维悬浮液中产生过压的及负压的脉动(力)。此外，在运行通过装置14的纤维悬浮液中同时产生了剪切力及扰动(力)。

含有纤维材料及反应性矿物质的纤维悬浮液或纤维淤渣通过管子16被供输至分解及激活装置14的中心部分30，在所述装置的中心与外环之间产生的压力差的作用下，纤维悬浮液从该处径向地向外朝外环28″的敞开外边沿32运动。当需要时，纤维悬浮液也可被供输至装置14的各环之间。也能通过独立的各管子把纤维材料和反应性矿物质供输入分解及激活装置14中，在此情况下，在这个装置之前不会形成含有纤维及矿物质的纤维悬浮液。

由相反方向转动的转子各叶片产生的冲击力、双重冲击力、剪切力、扰动(力)和负压的及过压的脉动(力)使纤维悬浮液分解成非常细小的部分、液滴和固体颗粒，同时，例如通过使它们原纤化来激活纤维。其中，激活是充分的，因为巨大的冲击力和强大的剪切力作用于纤维悬浮液。然而，在根据本发明的解决方案中，纤维悬浮液可移过相对敞开的通路而通过各环，而因此没有受到如同纤维在圆盘精磨机或圆锥精磨机式方案中处理时的类似研磨及纤维破碎力。如果情况是这样，在根据本发明的解决方案中，纤维触碰转子各叶片表面的时间仅是非常短的。

在图1及2介绍的根据本发明的解决方案中，起沉淀作用的气体通过管子18被导至分解及激活装置的各环中心(部分)30。从这个中心位置起，所述气体径向地向外流动，在分解及激活装置14和围绕它(装置14)的沉淀槽12中生成含有起沉淀作用的气体的气体空间34。所述气体通过位于沉淀反应器顶部的管子21排出。如果需要，可能把起沉淀作用的气体供输入各环中和/或分解及激活装置的各环之间。在分解及激活装置的气体空间中沉淀反应就已经开始。

当在分解及激活装置14中处理纤维悬浮液时，纤维悬浮液形成非常细小的液滴及颗粒，它们将从装置14被分散至气体空间的周围部分34′。细小液滴及颗粒主要从其外环区域成雾状流体36释出分解及激活装置。当细小液滴及颗粒广泛地分散在沉淀槽中时，在分解及激活装置外边的沉淀反应可持续相对长的时间。已处理的纤维悬浮液降入沉淀槽底部的池中，并通过管子20从所述罐排出。

沉淀槽12的尺寸、形状、宽度及高度可这样选择：使得释出分解及激活装置的液滴及颗粒保留在沉淀槽的气体空间34′中，以使它们在其中的停歇时间尽可能合适。例如，增大沉淀槽12的高度，使它成塔状，以增加纤维悬浮液的停歇时间。

沉淀反应器10中的工艺还可通过调整而加以调节，例如，各环的数量，各环之间的距离，每个环上的各叶片之间的距离，以及在分解及激活装置中的叶片尺寸及位置。

通过沉淀槽12的底部排出的纤维悬浮液可被再循环至同一个沉淀反应器，或被供输至另一个反应器以完成处理。

图释根据本发明的、具有其分解及激活装置的另一个沉淀反应器的图3及4，当应用时使用了如图1及2所介绍的相同标号。根据本发明，图3介绍的另一个沉淀反应器10与图1及2介绍的装置的区别主要在于：所述反应器包括装设有封闭的外环32的分解及激活反应器14，而所述沉淀反应器不包含延伸到所述分解及激活装置外部的独立的沉淀区域。图3及4介绍的解决方案适用于例如当可假定已经在分解及激活反应器的气体空间中如所要求的完成了沉淀反应时。

在图3及4介绍的分解装置中，最外环28″被封盖环的外罩40包围。外罩14包括用于从装置14排放已处理的纤维悬浮液的排放口42。已处理的纤维悬浮液可从排放口42通过管子被引导而用于进一步处理或加工。

当沉淀不在图3介绍的反应器中发生时，这个装置也可被应用于纤维悬浮液的激活。图1及图3介绍的两个或多个两种形式的沉淀反应器可布置成连续的系列。图5图释图1所介绍形式的3个沉淀反应器的组。当应用时，各标号与先前各图中的相同。

图5图释3个沉淀反应器10、10′、10″，此处为了碳化Ca²⁺离子，而用CO₂气体处理含有Ca(OH)₂的纤维悬浮液，即使CaCO₃沉淀。各反应器连续地连接，使得部分地处理过的含纤维的纤维悬浮液、已沉淀的碳酸盐及未沉淀的氢氧化钙从第一反应器10的排放20被导至第二反应器10′的供料管16′。相应地，已处理的纤维悬浮液通过第二反应器10′的排放管20′被导至第三反应器10″的供料管16″。

含有气体的二氧化碳通过管子18、18′、18″被引导至每个反应器。含气体的二氧化碳通过供料管18被供输至第一反应器10，这包含沉淀(碳化)和对已经在分解及激活装置14中的纤维的活性碳酸盐的形成。已沉淀的碳酸钙沉淀在纤维上以及沉淀在留存于纤维悬浮液中的其它颗粒上。碳酸盐还作为单独的颗粒沉淀在纤维悬浮液中。可能通过管子18′、18″引导同一的或其它的含气体的二氧化碳至第二及第三反应器10′、10″，以便完成沉淀反应(碳化)。气体通过排放管21、21′、21″从各反应器排除。

要被供输至沉淀反应器10的纤维悬浮液可在单独的激活装置中被激活，所述单独的激活装置连接于沉淀反应器10的前方。所述激活装置方便地是冲击研磨机式的通流混合器。

图6图释另一个沉淀反应器组，它具有两个根据图1所介绍形式的沉淀反应器10、10′，它被连续安装成系列。其结构主要类似于图3介绍的通流混合器的激活装置44被连接在第一沉淀反应器10的前方。要被供应至沉淀反应器的纤维材料在所述激活装置中被激活。然而，起沉淀作用的气体没有供输至所述激活装置。

纤维材料通过在顶部的管子46被引导至激活装置44。已激活的纤维材料通过破碎槽48被导入第一沉淀反应器10中。也有可能通过激活装置44前面的管子50或通过激活装置44后面的管子52把要沉淀的矿物质、氢氧化钙添加至纤维材料。在破碎槽48中，纤维材料被允许在所要求时间内在碱性的条件中膨胀。含有纤维材料和要被沉淀的矿物质的纤维悬浮液，从破碎槽48起通过底部的管子16被引导至沉淀反应器的分解及激活装置14。起沉淀作用的气体18，通常是二氧化碳，与纤维悬浮液一起被引导至装置14。通常含有水蒸气及二氧化碳的气体从沉淀反应器的顶部通过管子21被排除。为在气体洗涤及冷却装置54中进行处理而引导所述气体。在装置54中，含有气体的已处理的二氧化碳通过管子10被再循环返回至沉淀反应器10。集中在沉淀反应器底部的已处理的纤维悬浮液通过排放管20而被排除。

图6介绍的第二沉淀反应器10′主要按与第一沉淀反应器10相同的原理而运转。从第一反应器10底部被排放至管子20，并且除已沉淀的碳酸钙之外通常含有纤维材料及氢氧化钙的纤维悬浮液，通过管子16′从底部被引导至第二反应器10′的分解及激活装置14′。从洗涤及冷却装置54起，含有气体的二氧化碳被导至第二反应器10′。其中所要求量的碳酸钙已沉淀入纤维中的、几乎完全处理了的纤维悬浮液，通过管子20′经第二反应器10′底部被排放。所述气体从第二反应器10′的顶部排除，并被导至洗涤及冷却装置54以进一步再循环。

图7图释包括3个安装成系列的沉淀反应器10、10′、10″的第三沉淀反应器组。各反应器安装在彼此的顶部上，而纤维悬浮液从顶部供输至位于反应器中的分解及激活装置。第一应器10在最顶部而第三反应器10″在最低处，这表示：当纤维悬浮液移动通过各反应器时大部分向下流动。单独的预激活装置44和纤维材料的被碎槽48安装在如图7介绍的沉淀反应器组的前面。

本发明的优点特别是含有：

—为沉淀而同时激活及分解纤维材料的能力；

—快速、有效及完全实现沉淀反应的能力，甚至在沉淀反应器中单个运行通过也产生良好结果；

—所述激活能强有力及有效地处理纤维，而不用以任何其它方法完全破碎或损伤纤维；

—调节激活的能力；

—实现高度有效地混合纤维悬浮液、矿物质与气体的能力，这意味着：纤维悬浮液中的每个小的容积单元都受到了处理，并在每个容积单元中发生沉淀；

—也能影响在纤维内部沉淀的能力；

—沉淀反应使它能把各纤维结合在一起，在此情况下可假定提高了纸的强度性能；

—应用沉淀反应去遮盖墨汁剩余物的能力，所述剩余物在退墨之后遗留在纤维中；

—沉淀反应的应用使它能把无机的及有机的颗粒与纤维相结合，并使它们保留在纸中；

—优化性能的能力，这些性能诸如是：通过沉淀制造的纸的亮度、强度及不透明度。

在下列实例中介绍的实验的目的是比较：应用根据本发明解决方案加工的纤维/PCC产品的碳化与应用其它介绍的方法加工的纤维/PCC产品的碳化。所述目的仅是为解释本发明，不是限制它。

下列条件被应用于所有的实验：

—类似的机器—用于生产高级纸的精制松木纤维，其一致性约为3.5％；

—Ca(OH)₂淤渣，其干物质含量约为17％；和

—含气体的CO₂，其成分相同。

(K1)应用根据本发明的方法，通过混合所需量的Ca(OH)₂淤渣与含有松木纤维的纤维原料来加工纤维/PCC产品，使得沉淀之后的纤维/PCC的比例为70/30，并进一步泵送纤维/Ca(OH)₂悬浮液两次通过图1介绍的沉淀反应器。然后根据本发明，纤维/Ca(OH)₂悬浮液作为微粒的悬浮液被泵入含气体的CO₂中。超量的含气体的CO₂被供输入所述装置中。在这次处理后，纤维/PCC产品的pH值为7。

(V1)在比较中，应用流化化学混合器通过泵送纤维/Ca(OH)₂悬浮液6次通过所述化学混合器来加工纤维/PCC产品。此外，超量的含气体的CO₂被供输入所述化学混合器中。刚处理之后，纤维/PCC产品的pH值为7。

(V2)作为另一个比较，实施了相应于实验(V1)的沉淀，除去化学混合器不允许进行流化外，仅使超量的含气体的CO₂被供输至所述混合器。纤维/Ca(OH)₂悬浮液被泵送8次通过所述化学混合器。刚处理完之后，纤维/PCC产品的pH值为7。

(K1)当应用根据本发明的解决方案加工产品时，甚至在实验24小时之后产品的pH值为7，这证明完成了碳化。

(V1)在这例子中应用上述方法加工的产品，在实验24小时之后的pH值为10，这证明碳化没有完成，而为了完成碳化反应，产品的碳化不得不继续数分钟。

(V2)在这个例子中应用上述方法加工的产品，在加工24小时之后的pH值为11，这证明碳化没有完成，而为了完成碳化反应，产品的碳化不得不继续数分钟。

在所有情况下，用于实际碳化的时间是短的，但仅是在根据本发明的方法中，碳化是在非常短时间内完成的，而不需要进一步碳化。

所述目的不是把本发明限制在如上面各实例介绍的各实施例。相反，目的是使本发明能广泛应用于各权项的目标中。

因此，当制造纸、硬板纸或类似物时，根据本发明的解决方案可应用于其它形式的纤维材料预处理中，以便激活纤维及它们的表面，使得：例如机械地或者化学地提高它们的结合在一起的能力，机械地或者化学地提高它们的结合矿物质的能力，活性的OH基形成于它们的表面上和/或它们的腔管开口，以使矿物质也能沉淀在纤维的内部。在此情况下，纤维材料在按冲击研磨机原理工作的通流混合器中被预处理，所述通流混合器包括多个，更经常是3-8个，最经常是4-6个装设有叶片的同心环，其中至少每个其它环如转子般运转，而这些环的相邻各环如定子般或转子般运转，相邻各环的速度差为10-500m/s，通常是50-200m/s，

—用于把纤维材料主要供输至所述各环的中心的供料装置，和

—敞开的最外环，它允许已径向地向外流过各环的纤维悬浮液在不同方向上离开所述环；或者装设有一个或多个排放口的最外环，用于从沉淀反应器排放已径向地向外流过各环的纤维悬浮液。

当例如通过添加的Ca(OH)₂的作用而使纤维膨胀了时，就有益地完成了预处理。根据本发明，纤维的预处理，在纤维材料进入与反应性的矿物质接触之前，特别良好地适用于激活纤维材料，由此所述矿物质确定要被沉淀在纤维上。根据本发明的预处理良好地适用于其它的加工，其中目的是预处理纤维材料，以达到纤维材料所需的相应性能。

Claims

1.在要被用于制造纸、硬板纸的纤维上沉淀矿物颗粒的方法，所述方法至少包括以下步骤：

(a)含有要被用于制造的纤维的纤维材料被供输入沉淀反应器中；

(b)反应性矿物质被供输入沉淀反应器中；

(c)反应性矿物质和纤维材料被混合，以在沉淀反应器中和/或这些物质被供输入沉淀反应器中之前形成纤维悬浮液；

(d)在沉淀反应器中的纤维悬浮液被暴露在一种物质中，所述物质至少部分地使所述反应性矿物质沉淀，在此情况下，至少部分如此形成的已沉淀的矿物质沉淀在留存于纤维悬浮液中的纤维上；

(e)如此处理过的纤维悬浮液被引出沉淀反应器，

(f)含有使所述反应性矿物质沉淀的物质的气体被供输入沉淀反应器中，以在沉淀反应器中形成含有沉淀剂的气体空间；和

(g)已被供输入的和/或在沉淀反应器中形成的纤维悬浮液，被作为小的固体颗粒或液滴分解到所述气体空间中，其特征在于：

-在沉淀之前和/或沉淀期间纤维材料在激活区域中被激活，以提高各纤维相互结合的能力和结合已沉淀的矿物质的能力，和

-纤维材料在激活区域中的停歇时间是短的，即＜10s。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述反应性矿物质为氢氧化钙[Ca(OH)₂]。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于：所述使所述反应性矿物质沉淀的物质的气体为二氧化碳(CO₂)。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：

在步骤(g)中，纤维悬浮液的液相作为小的液滴分解到所述气体空间中，所述小的液滴多数＜10mm。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于：所述小的液滴＜1mm。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于：

在激活区域中各种力作用于纤维悬浮液，所述激活区域相对于纤维悬浮液流体而言位于沉淀反应器的前方或沉淀反应器的开始处，所述各种力激活纤维，以提高各纤维相互结合和结合正沉淀的和/或已沉淀的矿物质的能力。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于：

为促进激活，将所谓反复冲击力、双重冲击力、剪切力、扰动力、过压的及负压的脉动力的各种力导入纤维悬浮液中，由此

-通过纤维的原纤化或精细化和使它们的腔管打开用于矿物质，使各纤维被机械地激活；和/或

-纤维表面被化学地激活，在纤维表面上形成活性的氢氧根离子(OH^-)。

8.根据权利要求6的方法，其特征在于：流过激活区域的纤维悬浮液流体受到连续的强烈冲击力和双重的冲击力的作用，所述强烈冲击力和双重的冲击力是用5-250m/s速度转动的各叶片在纤维悬浮液流体中产生的。

9.根据权利要求6的方法，其特征在于：

沉淀反应器的激活区域包括按冲击研磨机原理工作的通流混合器，所述混合器具有多个同心布置的、装设有叶片的环，所述环中的至少每隔一个的环作为转子运转，而这些环的相邻环作为定子或转子运转，而其中转子与定子之间及相邻环的各转子之间的速度差为10-500m/s，

-供应了纤维悬浮液，以便使所述纤维悬浮液从通流混合器的中心径向地向外移动通过其环，在此情况下，在各环上的叶片把反复冲击力、双重冲击力、剪切力和/或过压的及负压的脉动力导至向外流动的纤维悬浮液上，从而一起激活纤维。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于：所述混合器具有3-8个同心布置的、装设有叶片的环。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于：所述混合器具有4-6个同心布置的、装设有叶片的环。

12.根据权利要求9的方法，其特征在于：所述转子与定子之间及相邻环的各转子之间的速度差为50-200m/s。

13.根据权利要求9的方法，其特征在于：

要被供输入沉淀反应器中、含有使矿物质沉淀的物质的至少部分气体通过激活区域被供输至沉淀反应器，在此情况下，在激活期间或刚激活之后，在这个激活区域中被激活的纤维立刻与所述沉淀剂接触。

14.根据权利要求1的方法，其特征在于：含有纤维材料及反应性矿物质的纤维悬浮液在激活区域中的停歇时间＜2s。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于：含有纤维材料及反应性矿物质的纤维悬浮液在激活区域中的停歇时间＜1s。

16.根据权利要求1的方法，其特征在于：

含有＞5％沉淀剂的气体被供输入沉淀反应器中。

17.根据权利要求16的方法，其特征在于：所述气体含有＞10％沉淀剂。

18.根据权利要求16的方法，其特征在于：所述沉淀剂为二氧化碳。

19.根据权利要求17的方法，其特征在于：所述沉淀剂为二氧化碳。

20.根据权利要求1的方法，其特征在于：

-含有沉淀剂的气体是适于使所用的反应性矿物质沉淀的任何气体，或是这些气体的混合物；和

-含有沉淀剂的气体被供输入沉淀反应器中，使得在沉淀反应器中保持过压力。

21.根据权利要求1的方法，其特征在于：

-含有沉淀剂的气体是纯的二氧化碳、燃烧废气或其它含二氧化碳的气体；和

22.根据权利要求1的方法，其特征在于：

-纤维悬浮液被引导通过两个或多个沉淀反应器，其中各气体空间的气体成分可以不同，使得：

-第一沉淀反应器中的含有沉淀剂的气体是纯的二氧化碳，而在下一个沉淀反应器中或在这之后的一个反应器中的气体是燃烧废气或是二氧化碳含量较低的另一种气体；或

-在第一反应器中的含有沉淀剂的气体是二氧化碳含量较少的气体，而在下一个沉淀反应器中的或在这之后的下一个反应器中的气体是纯的二氧化碳。

23.根据权利要求1的方法，其特征在于：

-反应性矿物质包括氢氧化钙、硫酸钙、氧化钙和/或它们的混合物，适于用沉淀剂加以沉淀，和

-反应性矿物质这样选择：使得要由纤维制造的产品具有所希望的性能，其包括所希望的光学性能。

24.根据权利要求1的方法，其特征在于：纤维材料包括

-通过化学的、机械的、化学-机械的、热机械的或相应的加工获得的初纤维；

-由新闻纸、牛皮纸、柔软纸或硬板纸获得的退墨的或墨染的再循环纤维，或是由破碎的纤维获得的纤维；

-漂白的或非漂白的纤维，精制的或非精制的纤维，干燥的或非干燥的纤维，或是任何这些纤维的任何混合物。

25.根据权利要求1的方法，其特征在于：纤维材料含有除了纤维基精细物质之外，还含有其它纤维、杂质和/或矿物质。

26.根据权利要求1的方法，其特征在于：纤维材料以0.1-40％的浓度被供输入沉淀反应器中。

27.根据权利要求26的方法，其特征在于：纤维材料以1-15％的浓度被供输入沉淀反应器中。

28.根据权利要求27的方法，其特征在于：纤维材料以3-7％的浓度被供输入沉淀反应器中。

29.用来把矿物颗粒沉淀在要被用于制造纸、硬板纸的纤维中的设备，所述设备包括沉淀反应器，所述沉淀反应器装设有

-用于供应纤维材料及矿物质的供料装置，将所述纤维材料及矿物质单独地或者作为纤维悬浮液一起被供应至沉淀反应器；

-用于把含有使矿物质沉淀的物质的气体供应至沉淀反应器的供料装置；

-包括气体空间的沉淀空间，其中被供输入沉淀反应器中的纤维材料及含有反应性矿物质的纤维悬浮液与含有所述沉淀剂的气体相接触；

-用于从沉淀反应器排放含有纤维材料及已沉淀的矿物质的纤维悬浮液的装置，和

-分解装置，使供输至沉淀反应器的、含有纤维材料及反应性矿物质的纤维悬浮液，作为小的固体颗粒或液滴分解到所述气体空间中，其特征在于：所述设备还包括激活装置

-所述激活装置被布置用来在沉淀之前和/或在沉淀期间处理纤维材料，以提高各纤维相互结合的能力和结合已沉淀的矿物质的能力，和

-纤维材料在所述激活装置中的停歇时间是短的，即＜10s。

30.根据权利要求29的设备，其特征在于：

分解装置包括按冲击研磨机原理工作的通流混合器，所述通流混合器包括多个装设有叶片的同心的环，所述环中的至少每隔一个的环作为转子运转，而这些环的相邻各环作为定子或作为转子运转，

在通流混合器中

-所述各转子和相邻各环的各定子或各转子的速度差为10-500m/s，和

-各环上的各叶片被配置成这样：主要径向地向外流动的纤维悬浮液受到反复的冲击力、双重冲击力、剪切力、扰动力、和/或过压的及负压的脉动力的作用，从而激活纤维。

31.根据权利要求30的设备，其特征在于：所述混合器具有3-8个同心布置的、装设有叶片的环。

32.根据权利要求31的设备，其特征在于：所述混合器具有4-6个同心布置的、装设有叶片的环。

33.根据权利要求30的设备，其特征在于：所述转子与定子之间及相邻环的各转子之间的速度差为50-200m/s。

34.根据权利要求30的设备，其特征在于：

-供应纤维材料及反应性矿物质至沉淀反应器的供料装置被布置成这样：这些物质主要地被供输入通流混合器各环的中心，和

-供应含有使矿物质沉淀的物质的气体的供料装置被布置成这样：所述气体大部分被供输至通流混合器，使在通流混合器中开始沉淀。

35.根据权利要求34的设备，其特征在于：

-通流混合器安装在沉淀反应器中气体空间的顶部，

-通流混合器主要具有敞开的最外环，使已流过通流混合器的纤维悬浮液从各环排放至不同的方向，和

-用于从沉淀反应器排除含有纤维材料及已沉淀的矿物质的纤维悬浮液的装置被布置在沉淀反应器的底部。

36.根据权利要求30的设备，其特征在于：

一个或多个排放口被布置在通流混合器的最外环上，以从沉淀反应器排除已流过通流混合器的纤维悬浮液。

37.根据权利要求29的设备，其特征在于：

所述设备包括至少两个顺续连接的、装设有通流混合器的沉淀反应器。

38.根据权利要求29的设备，其特征在于：

所述设备包括按冲击研磨机原理工作的通流混合器，所述通流混合器被安装在沉淀反应器的前面，并被布置用来加工纤维材料或要被供输至沉淀反应器的含纤维材料及反应性矿物质的纤维悬浮液，以便在它被供输至沉淀反应器之前激活纤维材料。

39.一种用于预处理制造纸、硬板纸的纤维材料以激活纤维及它们的表面的方法，使得：机械地或化学地提高它们的相互结合的能力，或机械地或化学地提高它们的结合矿物质的能力，活性的氢氧根离子(OH^-)形成于它们的表面上和/或它们的腔管打开以使矿物质沉淀在纤维内部，

其特征在于：

所述方法包括在按冲击研磨机原理工作的通流混合器中预处理纤维材料，所述通流混合器包括

-多个装设有叶片的同心的环，所述环中的至少每隔一个的环作为转子运转，而它们的相邻各环作为定子或作为转子运转，相邻各环之间的速度差为10-500m/s，

-主要供应纤维材料至所述各环的中心的供料装置，和

-敞开的最外环，允许已径向地向外流过各环的纤维悬浮液从所述环向不同方向排放，或是敞开的最外环设置有一个或多个排放口以从沉淀反应器排除已径向地向外流过各环的纤维悬浮液。

40.根据权利要求39的方法，其特征在于：所述混合器具有3-8个同心布置的、装设有叶片的环。

41.根据权利要求40的方法，其特征在于：所述混合器具有4-6个同心布置的、装设有叶片的环。

42.根据权利要求39的方法，其特征在于：所述转子与定子之间及相邻环的各转子之间的速度差为50-200m/s。

43.根据权利要求39的方法，其特征在于：

当纤维由于添加Ca(OH)₂而膨胀时，进行激活。

44.预处理要被用于制造纸、硬板纸的纤维材料以激活纤维及它们的表面的设备，使得：机械地或化学地提高它们的相互结合的能力，或机械地或化学地提高它们的结合矿物质的能力，活性的氢氧根离子(OH^-)形成于它们的表面上和/或它们的腔管打开以允许矿物质沉淀在纤维的内部，

其特征在于：

所述设备包括按冲击研磨机原理工作的通流混合器，所述通流混合器包含

-多个装设有叶片的同心的环，所述环的至少每隔一个的环作为转子运转，而它们的相邻各环作为定子或作为转子运转，相邻各环之间的速度差为10-500m/s，

-主要供应纤维材料至所述各环的中心的供料装置，和

-敞开的最外环，允许已径向地向外流过各环的纤维悬浮液从所述环向不同方向上排放，或者敞开的最外环设置有一个或多个排放口以从沉淀反应器排放已径向地向外流过各环的纤维悬浮液。

45.根据权利要求44的设备，其特征在于：所述混合器具有3-8个同心布置的、装设有叶片的环。

46.根据权利要求45的设备，其特征在于：所述混合器具有4-6个同心布置的、装设有叶片的环。

47.根据权利要求44的设备，其特征在于：所述转子与定子之间及相邻环的各转子之间的速度差为50-200m/s。

48.权利要求44中的设备的应用，所述设备用于在纤维材料与反应性矿物质接触之前预处理所述纤维材料。