CN1070971A - 两阶段纸浆漂白反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两阶段的臭氧漂白纸浆的方 法和装置。在第一阶段中，高稠度纸浆颗粒与含有臭 氧的气体混合剂湍流混合和接触，使基本上所有的纸 浆颗粒与臭氧接触并且至少一部分纸浆颗粒与臭氧 相互反应。然后将纸浆颗粒和气体漂白混合剂引入 具有一静止纸浆层的第二阶段。纸浆颗粒可在纸浆 层中完成它们的反应，这也就从气体漂白混合剂中解 吸掉了在第一阶段中未与纸浆颗粒接触的臭氧。

Description

本发明涉及一种用气相漂白剂（例如臭氧）去除木素和漂白木质纤维素纸浆的新方法和新装置。更具体说，本发明包括将纸浆和臭氧高切变混合和发生漂白反应的第一阶段，以及将混合过的纸浆滞留在滞留层中以便进一步反应并解吸来自携带气体的臭氧的第二阶段。

为了避免使用氯    作为纸浆或其他木质纤维素材料的漂白剂，在漂白化学纸浆方面使用臭氧早已被偿试。尽管最初臭氧就可能已经显示出是一种漂白木质纤维素材料的理想材料，但臭氧特殊的氧化性和相对高的费用以前曾限制了对于通常的木质纤维素材料特别是对于南方软木的完善臭氧漂白工艺的发展。

臭氧易于同木素起反应从而有效地减少了纸浆内的木素含量，但在很多情况下臭氧也侵蚀了构成木材纤维素纤维的碳水化合物从而大大地降低了最终纸浆的强度。此外，臭氧对工艺条件极其敏感，例如对与其氧化性和化学稳定性相关的PH值极为敏感。对于木素纤维素改变这些工艺条件能显著地改变臭氧的反应。

自从本世纪初第一次认识到臭氧的脱木素能力以来，在研究用臭氧漂白木素纤维素材料使其达到适于商业上应用的方法方面很多人一直在不断地为此工作。此外，在这一领域已经发表了很多文章和专利，并有报导说若干非商业的小规模的用臭氧漂白的浓度已被实施。例如授予Brabender等人的美国专利2，466，633描述了一种漂白工艺，其中臭氧被通入25%和55%之间含水量（调整到烘干稠度）的纸浆中并将PH值调整到4-7范围。

授予Carlsmith的美国专利3，814，664公开了一种气体反应装置，包括一个据称对臭氧漂白纸浆有用的圆形的气体容纳腔。需要漂白的纸浆通过一锥形的塞堵式传输机被送入，以便增加气密性。然后该锥塞被一螺旋分离机中断，此时来自气密容器的臭氧与纸浆混合。纸浆被疏松并且纤维在气体中传输，气体直接引入在气密容器内的纸浆层以便纸浆和臭氧的反应。通过一环形排泄腔把作为载体的气体排出并且纸浆被保留至少20分钟以便完成漂白反应。稀释液体被供入装有纸浆的罐底，当反应完成后纸浆被从罐中排出。

另外两个授予Carlsmith的专利公开了包含气体反应层的容器。在美国专利3，785，577中，纸浆被送入一容器，首先通过一螺旋挤压机，然后通过一螺旋喂料机进入一机构，该机构用于粉碎压实的纸浆并使纸浆沿容器的横截面扩散。通过单独的导管把反应气体引入容器。反应后的纸浆通过一螺旋机构从容器底部送出。该机构强迫纸浆通过一片状件以便再压实纸浆。美国专利3，964，962公开了一种对上面讨论的专利′664和′577的改进方案。在容器内有一容纳排出气体的气体释放区。然后一个系统至少将排出气体的一部分引回到容器顶部以便补偿所提供的新的反应气体。

其他臭氧漂白工艺描述在S.Rothenberg，D.Robinson和D.Johnsonbaugh所著的“含氧纸浆的臭氧漂白”中，发表在Tppi    182-185（1975）-Z，ZEZ，ZP和ZPa（Pa-过氧乙酸）;和N.Soteland的“用氧气和臭氧对化学纸浆的漂白”中，发表在加拿大纸浆和造纸杂志T153-158（1974）-OZZP，OP和ZP。此外，授予Singh的美国专利4，196，043公开了一种使用臭氧和过氧化物的多步骤漂白工艺，它也试图避免使用氯化物，而且它也包含液流的再循环。

各种使用带有与中心轴相连的浆叶元件的漂白装置通常是周知的（例如美国专利1，591，070;1，642，978和1，643，566;2，431，478和4，298，426）。另外，美国专利3，630，828和3，725，193所公开的漂白装置用于有15%以上稠度的纸浆上，该装置包括有旋转轴，轴上有用于破碎纸浆的径向相隔的破碎浆叶。美国专利4，093，506公开了一种使处理液（例如氯或二氧化氯）连续分布和混合到高稠度纸浆中的方法和装置。该装置包括一个带有圆柱部分的共轴的壳体、一个自圆柱部分向外延伸的大体为收缩开口的锥形部分、和一个自圆柱部分的另一端向内延伸的封闭的壁。安装在壳体内的旋转轴包括一个轴套，其上装有一组浆叶。这些浆叶连接到一个传送翼或翅上。轴的旋转使得处理液流“尽可能均匀地”分布在纸浆中并与其混合。

美国专利4，278，496公开了一种处理高稠度（例如35-50%）纸浆的立式臭氧反应器。氧/臭氧气体和纸浆（PH值约为5）被输入反应器的顶部使之在整个横断面上分布，以便气体紧密地和纸浆颗粒接触。纸浆和气体混合地分布在一系列下层腔室内的支撑件上的若干层面内。支撑件包括若干孔隙或缝隙。当气体贯穿整个反应器与纸浆接触时，支撑件的形状使得纸浆形成许多交叉的拱状。

纸浆贯穿整个反应器的移动是通过支撑件的重复和受控的截断动作而产生的，而支撑件的截断动作是通过连接到中心轴上并由中心轴来转动的截断元件的旋转而产生的。这就使得纸浆能够穿过支撑件的孔隙并进入到下层腔室中。授予Fritzvold等人的美国专利4，123，317更具体地公开了前面提到的′496号专利所描述的反应器。该反应器也被用于以氧/臭氧混合气体处理纸浆。

授予Johnson的美国专利4，468，286和4，426，256公开了用臭氧连续处理纸浆的方法和装置。纸浆和臭氧一同通过同一路径或分别通过不同的路径。

美国专利4，363，697表示了一种螺旋叶片传输机。通过浆叶、切开并弯折的螺旋叶片或二者的结合等改进之处而将它们用于以氧气漂白低稠度纸浆。

法国专利1，441，787和欧洲专利申请276，608公开了用臭氧漂白纸浆的方法。欧洲专利申请308，314公开了一种用臭氧漂白纸浆的反应器，利用了一个封闭的螺旋叶片传送机，其中臭氧泵入并通过一中心轴从而分布于整个反应器中。纸浆有20-50%的稠度，处理气体的臭氧浓度是在4%-10%之间，以便对绝干纤维（O.D.fiber）可获得2-8%的臭氧利用率。

一般来说，现有技术不能获得一个成功的用臭氧漂白纸浆的反应器或方法，也就不能获得基本上均匀的漂白纸浆。在缓慢移动的滞留型纸浆层方面，例如上面讨论过的Carlsmith的装置中，由于纸浆层高度的不同和在纸浆层内不同位置处的堆密度不同，一些纸浆相对于另一些纸浆而言是与气体漂白混合物相隔离的。这就使漂白混合气体非均匀地通过纤维层，进而导致臭氧-纸浆非均匀地接触以及非均匀地漂白。由于臭氧会通过水而扩散，对于低稠度和中稠度的纸浆来说，为获得同样的漂白程度需要大量的臭氧，因而在低中稠度的纸浆中混合是不必要的。

本发明提供了一种新的装置和气体漂白新工艺。它克服了这里所述的已有技术遇到的问题，产生出一种高级的均匀漂白的纸浆。

本发明的目的是均匀地漂白纸浆。在这方面本发明的特征是在含有臭氧的气体漂白混合剂内高切变地混合纸浆，以确保臭氧大致相同地和均匀地与所有纸浆颗粒相接触。

术语“漂白”在本申请中是指一种添加剂与纸浆相互反应以获得亮度的增加，脱去木素和减小K值，并且对纸浆粘度不产生不利的影响。

按照本发明，一种要被臭氧漂白的低稠度纸浆首先同酸化剂和螯合剂混合以使纸浆最大程度地消耗臭氧。纸浆然后被增稠到大于20%的稠度。一个粉碎装置将纸浆颗粒减少到适当的尺寸（例如小于10mm），使其基本完全被臭氧渗透。通过一个锥式输送机将高稠度纸浆送入破碎装置。锥式输送机以塞堵的方式压实纸浆以增加气密性。在纸浆进入粉碎装置后，或刚离开粉碎装置时立刻将含有臭氧的气体漂白混合剂引入纸浆中。纸浆和气体漂白混合剂共同移动通过反应器的第一阶段。纸浆从粉碎装置直接传入本发明的两阶段反应器。

在本发明反应器的第一阶段中，高稠度纸浆和气体漂白混合剂高切变混合，以便大体上使所有的纸浆颗粒与气体漂白混合剂接触和混合，并在第一阶段至少使一部分纸浆与臭氧起反应。最好基本上全部纸浆在第一阶段起反应。第一阶段同时把纸浆输送到第二阶段。

本发明的第二阶段包括一个滞留容器，其中分布着基本上静止的纸浆层。在第一阶段与臭氧相接触的纸浆颗粒可在纸浆层中完成它们的漂白反应。此外，含有未反应臭氧的气体漂白混合剂穿过纸浆层被抽出。这些臭氧与纸浆相接触以便进一步漂白纸浆。由于臭氧很贵，所以最好在漂白时尽可能多地消耗掉臭氧。纸浆和臭氧在第二阶段的进一步的反应基本消耗了所有剩余的臭氧，这样就从气体漂白混合剂中解吸了臭氧。

在去除了其中所携带的纸浆纤维之后，解吸掉了臭氧的气体漂白混合剂被从反应的第二阶段中排出。漂白后的纸浆向下移动进入稀释水中，以便抑制漂白反应并降低纸浆的稠度，使纸浆易于在后续的工艺步骤中流动。

用于在第一阶段中使纸浆和气体漂白混合剂接触和高切变混合的适宜的装置包括蒸汽混合器、挤出机、螺旋分离机、切开并弯折的螺旋叶片传输机或其他的装置，这些装置能够在把纸浆从粉碎装置传至第二阶段的过程中，将气体漂白混合剂中的纸浆升降，振荡和搅动。

图1是本发明部件一般性布置的流程图;

图2是本发明较佳实施例的正视图;

图3是可作为本发明第一阶段反应器使用的蒸汽混合器的截面图;

图4是可作为本发明第一阶段反应器使用的变螺距双螺旋纤维分离机的局部截面顶视图;

图5A和5B分别是图2所示的纸浆层和滞留容器在水平位置A和B上的截面图，表示了供第二实施例中亮度均匀性比较的纸浆层取样位置。

图6A和6B表示在图5A和5B所示的取样位置上本发明的两阶段装置的GE亮度值。

图7A和7B表示在图5A和5B取样位置上常规的层式反应装置的GE亮度值。

图8A和8B分别是图2所示的纸浆层和滞留容器在水平位置A和B上的截面图，表示了供第三实施例中亮度均匀性比较的纸浆层取样位置。

图9A和9B表示在图8A和8B的取样位置上本发明的两阶段反应装置的GE亮度值;

图10A和10B表示在图8A和8B所示取样位置上常规的层式反应装置的GE亮度;

图11是一个可作为本发明第一阶段反应器使用的挤出机的截面侧视图;

图12是本发明第二阶段反应器的气体释放区形状的变化形式的局部截面图。

图1一般性地表明了本发明的工艺和装置。纸浆10被引入若干预调整反应器。在预调整中，洗过的纸浆10首先进入混合槽11，在此纸浆被酸12和螯合剂13处理。酸化的和螯合的纸浆14最好有接近2的PH值以增加被纸浆所消耗的臭氧的利用率。在此阶段纸浆14是低稠度的并被泵入增稠单元15，例如一个双辊挤压机。增稠单元15从纸浆中排去多余的液体16并且将稠度提高到大于20%这一期望的水平。较佳的稠度一般是在38%到48%之间。大部分的多余液体16可以再循环到混合槽11，而一小部分液体（虚线所示）可被排放以保持系统的液量平衡。

高稠度纸浆17被送入粉碎单元18，例如疏解机。纸浆是通过一个锥形的塞堵式螺旋传输装置19而送入的，为的是以通常的方式提高气密性。在本发明中疏解机和锥形的螺旋传输装置与美国专利3，964，962中的装置相似，只是疏松后的纸浆落入在此所描述的第一阶段反应装置中而不是进入常规的层式反应装置。通过疏解机的粉碎产生了适当尺寸和足够低的堆积密度的离散纸浆颗粒，以允许在第一阶段反应装置中臭氧混合气完全渗入大部分的纸浆颗粒中。已经发现纸浆颗粒的尺寸小于5mm左右是最佳的。然而，微粒尺寸的适当值也取决于堆积密度，一般说如果堆积密度足够低则10mm或略小于10mm的颗粒尺寸也是适当的。

含有臭氧的气体漂白混合剂在粉碎单元18中或在它的下方立刻被加入到纸浆17中，然后共同流入第一阶段反应装置。

使用在漂白工艺的臭氧气体可以是带有氧气和/或惰性气体的臭氧混合剂。也可以是带有空气的臭氧混合剂。气体漂白混合剂中臭氧的适当值受在混合剂里臭氧的稳定性的限制。较佳的混合剂是大约3-6%的臭氧与占主导地位的氧气相平衡。臭氧量的适当值至少部分地取决于在臭氧漂白过程要去除的木素量。并且该适当值应与臭氧漂白过程中所能允许的纤维降解的相对量相平衡。臭氧的使用量最好能够与纸浆中50%-70%的木素相互反应。

第一阶段21包括一个高切变混合和接触容器，在该容器中高稠度纸浆17和含有臭氧的气体漂白混合剂发生高切变的混合。高切变混合是指纸浆在一个混合装置或反应器中移过时对纸浆进行湍流翻转。这样基本上所有纸浆在某一点或另一点上被升降、振荡或换句话说在含有臭氧的气体漂白混合剂中被搅拌。然而使气体漂白混合剂内的纸浆颗粒流动则是不必要的，这是因为高切变混合足以提供均匀的漂白纸浆。

臭氧-木素的漂白反应是一种接触反应。对于任何单独的纸浆颗粒来说，这种反应几乎是当木素和臭氧接触时立刻开始并很快就完成的。然而，从纸浆颗粒本身暴露于含有臭氧的气体漂白混合剂中到木素实际上与臭氧相接触尚有一个稍稍的延迟。这一延迟是由于木素基本上位于纸浆颗粒的内部，而且臭氧穿过外面的纸浆纤维和被纸浆纤维保持的水到达木素也需要时间。由于这一原因，在第一阶段反应器内纸浆与臭氧的彻底和均匀的混和是获得均匀亮度的漂白纸浆的基础。

适合用作高切变混合和接触容器的装置包括一个蒸汽混合器，挤出器，螺旋式纤维分离机，例如双螺距双螺旋纤维分离机，或切开和弯折（cut-and-folded）的螺旋叶片输送机。

图2表示按照本发明的一个较佳实施例调整过的高稠度纸浆和汇流的气体漂白混合剂（用32集中表示）被引入第一阶段反应器21，在较佳实施例中，该反应器包括一个切开和弯折的螺旋叶片传输机。这个传输机包括一个壳体，壳体带有法兰35和支撑壁34以形成一个入口。使用在预调整反应器中的疏松/粉碎机18可以安置在切开和弯折的螺旋叶片传输机的入口端，例如由螺栓直接连接到法兰35上。这里的传输机也作为第一阶段的反应容器使用，其中纸浆纤维颗粒36被混合并基本上均匀地和气体漂白混合剂接触，以便基本上使全部纸浆和臭氧接触。对于这个实例来说，一个单一的旋转轴安装在壳体中，轴上带有连续的螺旋叶片。叶片上被切开的部分形成开口并且切开部分相对于轴以预先确定的角度弯折。

一个典型的切折螺旋叶片的设计在图2中用40A或40B表示。仅仅为了更清楚地表示该切折设计，纸浆被从上螺旋叶片中删去。叶片的开口部分42允许气体漂白混合剂自由地流过，此时弯折部分，46引起气体的径向分布和在气体内的纸浆的高切变升降，振荡和/或搅动以获得所期望的纸浆和臭氧的均匀接触。气体漂白混合剂也由于传输叶片而流动并围绕着纸浆纤维颗粒，使所有纸浆颗粒表面暴露于臭氧以便臭氧基本上完全渗入。这些特性使纸浆纤维颗粒在第一阶段基本均匀地与臭氧接触并被漂白。

在图2所示的较佳实施例中，传输机/反应器包括两段单独的叶片40A和40B。纸浆沿箭头47的方向移动直到其到达上叶片4.0A的端部，在那里它落入流料槽48形式的导管里，到达下叶片40B。下叶片40B沿箭头49的方向移动纸浆朝向第二阶段22。叶片40A和40B的轴被各自独立的电动机46A和46B驱动。作为变换形式，可采用单一的电动机驱动相互连接的轴。在下叶片40B的端处，纸浆通过出口50落出并进入以22表示的第二阶段反应器。

在第一阶段发生的漂白的程度可由多种因素控制，例如臭氧浓度、第一阶段内纸浆的滞留时间和第一阶段的纸浆量。通过在第一阶段被消耗的臭氧的百分率可方便地测算出漂白的程度。这个百分率约在50-90%范围内，通常至少约60%，更多的情况是在第一阶段消耗70%的臭氧。

纸浆颗粒在第一阶段中的滞留时间主要取决于其尺寸和用在该阶段的传输机类型。对于在此所描述的设备来说，第一阶段纸浆的滞留时间一般在40到180秒，最好约为80到120秒。

最终由K值表现的木素的去除总量应该是这样的：臭氧不与纤维素超过量反应以便显著降低纤维素聚合反应的程度。臭氧的添加量取决于纸浆烘干净重（O.D    weight），典型的添加量约是0.2%到2%，以便达到所期待的木素水平。如果有大量的未溶解固体存在于系统中，则需要较大数量的臭氧。由于臭氧很贵，使用最少量必需的臭氧以获得所期望的漂白，并且尽可能充分地将所用的臭氧消耗掉是有益的和合算的。如图2所示，纸浆和含有臭氧的漂白混合剂从第一阶段反应器21进入第二阶段反应器22。第二阶段反应器22包括一个滞留容器，该容器装纳着与臭氧接触的高稠度纸浆56和离开第一阶段后尚未反应的臭氧。纸浆56落入滞留容器52，形成一个基本上静止的纸浆60。

术语“滞留”意指静止或很慢的轴向移动。这样，滞留容器内的材料很缓慢地移动而被保持在那里。因而，与第一阶段21相比容器52内不存在高切变混合或其他明显的搅动。由于纸浆和臭氧已被基本上均匀地混合和接触，因此这种搅动在第二阶段中是不必要的。

离开第一阶段的臭氧被通入纸浆层60，以便延长与纸浆接触的时间，并且通过提供进一步的与纸浆颗粒起反应的机会来解吸尽可能多的残留臭氧（即在第一阶段中未与纸浆颗粒相接触的臭氧）。为了确保均匀漂白，纸浆可以是仅仅暂时保留在纸浆层60中。这个暂留的最短时间必须足够长以允许任何在第一阶段与臭氧接触但未完全反应的纸浆颗粒完成它们的反应。这个滞留时间可以延长以便解吸可能残留的臭氧。解吸过臭氧的气体24然后从第二阶段反应器22中排出。

由于第一阶段21中高切变混合和最初的反应，在第二阶段22的下端部可获得均匀的亮度。在第二阶段中完成的后续反应通过充分利用可获得的臭氧而实现了一个经济节省的工艺过程。

通过控制在水面64上方的纸浆层顶62的高度和控制漂白纸浆30的移出速度就可以控制在第二阶段中的滞留时间。就纸浆漂白和解吸目的而言在纸浆层60中的滞留时间通常不超过17分钟。较长的滞留时间可用于非反应目的，例如当滞留容器52被作为纸浆贮存器使用时。约5到30分钟，最好10到25分钟的滞留时间将产生全面漂白和令人满意的均匀度效果。

如图2所示，稀释的水通过一个（未示出的）入口而引入并注满容器52的底部，以便在第二阶段22下端作为臭氧气体的密封。水平面64于是限定了第二阶段22反应器向下的延伸。水也减少了纸浆的稠度从而使漂白纸浆在后续的工艺步骤中易于移动。

基本上解吸了臭氧并主要包含氧气和若干漂白反应副产品的气体漂白混合剂被容纳在释放区域70，以便回收和抽入排出管73。从这一位置可将被回收的气体24导入再循环气流中。

在一个变换的实施例中，气体释放区域70具有-足够大的横截面，以使气体速度减少到典型的纸浆纤维输送速度之下，如图12所示。当气体被抽入输出管73时，任何正在被输送的纤维能通过纤维保留筛72分离出来而得以保留。

在本发明第一阶段21中代替较佳形式的切折螺旋叶片传输机，也可以使用图3所示类型的混合装置、图4所示类型的螺旋分离机、或者有时称作挤压机的如图11所示类型的装置。

图3所示的混合器75包括一个带有中心轴78的通常的柱形壳体77，中心轴有一组从轴上延伸的旋转件79。这种类型的混合器通常用于混合纸浆的加热蒸汽，并且通常称作蒸汽混合器。

每个旋转件最好为一个梯形，其较宽部分接合在轴78上。另外，每个旋转件79相对于轴的纵轴线以一定角度安装在轴上，并且围绕轴的周向和沿着轴线与毗邻的旋转件径向隔开。旋转件的数量在每个周向上的设置可以是相同的，也可以如图所示不相同。图3表示采用两个或四个旋转件的相邻交错的纵向排列。

混合器壳77还包括一组安置在壳77内侧沿圆周环形排列的元件76。它们朝向轴78延伸并环形排列在旋转轴元件79之间。为了方便，这些元件76与旋转轴元件79具有同样的尺寸和形状。

本发明中也可使用其他的蒸汽混合器，例如，美国专利4，295，925或4，298，426所描述的那种。另外对元件76、79的数量、外形、排列和形状可加以选择以获得所期待的高切变混合。这样，柱形或截头锥形的棒或其他形状亦可用作元件76、77。可以采用形状和尺寸都相同的元件或采用不相同的混合元件。元件76、77的确切形状或其排列可加以变化，只要纸浆能与气体漂白混合剂适当地混合并基本消除纸浆的拱桥现象即可。当轴78旋转时，图3的排列形式能够疏散纸浆并且元件76防止了纸浆的拱桥现象。其他排列形式也可以采用

作为本发明第一阶段反应器21而起作用的其他装置是图4所示的纸浆纤维分离机85。在此使用的纤维分离机这里仅作为众所周知的装置来描述。当涉及在本发明中的使用时并不意味着该装置必须真正地分离纸浆。纸浆纤维分离机85包括一个用于容纳两平行转轴86、89的外壳88，这两个转轴有相互啮合的旋向相反的螺旋叶片87，90。当轴86沿与轴89相反的方向旋转时就可使叶片适当地相互啮合。外壳88包括纸浆入口91和纸浆出口93。这样，当引入到入口91中的纸浆颗粒穿越该装置朝着出口移动时，纸浆颗粒必然承受高切变作用。

在本领域中另一种有用的纸浆纤维分离机类型是双螺杆双螺旋纸浆纤维分离机。其他纸浆纤维分离机（例如美国专利3，533，563所述的）也能用作本发明第一阶段的反应器21。

同样可以用于本发明第一阶段中的装置是本领域中称为挤压机的在图11中表示为94的装置。被期待用在本发明中的挤出机包括具有衔接的双螺旋95的装置，双螺旋95包含在一气密的壳体96内。螺旋带有如图11中97，98分别表示的交错的纸浆膨胀区和压实区。这种装置已在欧洲专利申请号0，276，608中公开。

上面提到的装置的一个共同特性是它们能够通过升降、振荡和/或搅拌高稠度纸浆使纸浆承受高切变混合，从而获得基本上均匀的纸浆与臭氧的混合。高稠度纸浆存在于含有臭氧的气体漂白混合剂中。

虽然本发明的反应器能用于漂白许多种不同的纸浆，对于进入反应器的软木或硬木纸浆来说，所期望的最初特性范围应是10或更小的K值，大于13CPS的粘度和大于20%但小于60%的稠度。在如此所述的纸浆被漂白之后，纸浆排出臭氧反应器时至少具有约45%且一般约45%至70%的GE亮度，对于软木浆通常是在45%以上，硬木浆通常为55%以上。纸浆（硬木浆或软木浆）也有一个大于10的粘度和约为5或更小的K值。

在引入纸浆层60之间的本发明的高切变混合提供了高渗透以及臭氧与纸浆基本上均匀的接触。本发明也使大于50%最好60-75%或更多的纸浆颗粒与臭氧的反应能在第一阶段完成。由于在第一阶段中大部分纸浆颗粒被漂白，离开第一阶段时纸浆整个亮度接近所期待的最终亮度的60-75%。即便剩余的臭氧没有完全均匀地与纸浆层里的纸浆颗粒混合，漂白过的纸浆的最终亮度也比现有技术的纸浆层工艺过程均匀，这是因为进入第二阶段的纸浆已经被漂白到接近所期待值的70%。由于这个原因，期望在第一阶段中获得臭氧与纸浆颗粒最大的反应以便得到最佳纸浆漂白均匀度。与此相比臭氧被添加到常规的纸浆层时，纸浆必须在纸浆层里被完全漂白。由于臭氧和纸浆非均匀地混合而造成漂白程度的变化将引起最终的纸浆亮度有较大的差异和不均匀性。

实施例：

本发明的范围结合下列实施例被进一步描述。实施例仅作为解释的目的而不构成以任何方式对本发明的限制。除非另有指示，所有的化学百分率以绝干（OD）纤维的重量为基础进行计算。本领域的技术人员将理解到亮度值指标无须精确地达到，当纸浆的GEB值低于指标值2%时也是可接受的。平均亮度值可随取样位置的不同而稍稍变化。例如纸浆层中的样品和排出反应器的样品之间的变化。这种变化是由于如下事实：即不可能获得遍布整个纸浆层的亮度样品。如果精确和完备的样品是可能的，这种不一致性将会消失。

在下面的例子里，反应器的第一阶段包括一个切折螺旋叶片传输机，具有图2所示的两组叶片。叶片直径约19英吋，每个叶片约9英尺长，半节距的设计被用于传输机。在第一阶段传输机/反应器里纸浆的充填程度一般约为25%。第二阶段的反应器基本与图2所示的一样。疏松机用于传送低到约4mm尺寸的纸浆颗粒。

实例一：

在本例中，纸浆是疏松的并被氧气漂白的低K值松木，有约8或更小的K值。预反应器调整得到大于14CPS的粘度，42%的稠度，约41%GEB的亮度和略小于2的PH值。通过反应器的纸浆吨数约每天15吨（tpd）。第一阶段传送机以约20rpm的速度旋转。在第一阶段提供近似115秒的纸浆滞留时间。在第二阶段中的纸浆被保持在气体释放区域上方约3英尺的高度，产生约17分钟的滞留时间。共流的气流具有约50-60scfm的速度，带有近似3.5-4wt%的臭氧量。

选择56%GEB的亮度指标作为从第二阶段反应器排出的纸浆的指标。在上述情况下，根据本发明的反应器获得了约56.6%GEB的排出反应器时的平均亮度。排出时的平均K值减少到约3.6。在获得这个被改善的亮度时，所得到的臭氧约有71%被消耗在反应器的第一阶段中，另有22%被消耗在反应器的第二阶段中，因而臭氧总消耗量可达到约93%。

实施例2：

除了吨数约为8-10tpd，纸浆的初始亮度稍低约为39%GEB外，本例的工艺条件基本与上述例1第一阶段所述条件相同。

此外，所选择的纸浆释出亮度指标为56%GEB。在这种情况下本发明获得约54.1%GEB的平均释出亮度。释出时平均K值减至约3.9。在第一和第二阶段的臭氧消耗量近似于实施例1的消耗量。

除反应器释放处的样品外，纸浆层样品也被提取以便确定贯穿纸浆层的漂白均匀度。从纸浆层的两个不同的水平截面上取出17个样品。

水平位置A近似位于图2中的A处，在气体释放区域上方约3英尺处，近似沿着纸浆层顶表面。相应的样品位置1-10表示在图5A中。

水平位置B近似位于图2中的B处，在气体释放区域上方1/2英尺处。相应的样品位置11-17表示在图5B中。

为了比较，常规的纸浆层反应器例如美国专利3，964，962所公开的装置也可用于用臭氧漂白同样品位的纸浆，即纸浆具有35.1%GEB的初始亮度，在2.5wt%浓度下臭氧气体的流速为173scfm，35%的稠度和约8.8英尺的纸浆层高度。常规的纸浆层反应器的吨数是约15tpd。常规纸浆层反应器的工作参数的选择是基于熟悉本工艺的人员的技术知识以提供与所使用反应器相宜的最佳结果。取样的位置处于与图5A和5B所示纸浆层近似的同一位置。

图6A和6B表示根据本发明的第二阶段纸浆层中的亮度分布，相应于分别图示在图5A和5B所示的取样位置。图7A和7B表示常规纸浆层反应器的相应的参数。这些数据被汇总于表Ⅰ并给予比较。从图6、7的比较以及表Ⅰ明显可见通过使用两阶段漂白工艺和在此所述的反应器，本发明改善了宏观均匀度。

表Ⅰ

	本发明的两阶段反应器	常规的纸浆层反应器
			纸浆层的平均亮度	56.4	54.3
亮度的标准谝差	3.4	4.4
			高亮度样品	61.2	62.0
低亮度样品	49.3	45.6
			亮度范围（高一低）	11.9	16.4

实例3：

除了使用的是硬木纸浆外，本例类似于前述的实施例。硬木浆有约5或更少的K值，预调整反应器提供了大于10cps的粘度，约42%的稠度和约47%的GEB的初始亮度。纸浆同样也酸化到稍小于2的pH值。本例的纸浆吨数是8tpd。第一阶段的反应器传输机以约21rpm的速度旋转，用以提供稍小于约115秒的第一阶段滞留时间。在第二阶段纸浆层高度也保持在3英尺，滞留时间约17分钟，4-5wt%臭氧浓度的共流气流具有约30scfm的速率。

选择63%GEB作为亮度指标并且臭氧的浓度在上述范围内稍稍改变，以便维持亮度指标。在这些条件下反应器释出的平均亮度约为65.6%GEB。释出时的平均K值降到约1.65。在反应器的第一阶段内约消耗63-65%的臭氧，在第二阶段消耗25-32%的臭氧，因此全过程总消耗约90～95%的臭氧。

如实例2，从本发明的纸浆层中取出亮度样品并和传统纸浆层反应器获得的结果相比较。传统纸浆层反应器中的工况是约32.6%GEB的初始亮度，臭氧浓度在2.5wt%时的臭氧气流流速约为176scfm，42%的稠度和8.5英尺的纸浆层高度。传统纸浆层反应器的吨数也是约15tpd。

图8A和8B表示27个纸浆样品的位置，它们分别如图2中A和B所示那样处于气流释放区2上约3英尺和1¹/₂英尺的水平位置，图9A和9B表示了分别与图8A和8B表示的样品位置相应的本发明第二阶段中的亮度分布。（表示在图9A的样品是沿纸浆层顶部获得的）。图10A和10B表示了传统纸浆层反应器的相应的参数。这些参数汇总于表Ⅱ中并给予比较，比较图9图10和表Ⅱ其结果表明，本发明比传统的纸浆层反应器在亮度均匀性上有明显的改善。

表Ⅱ

	本发明的两阶段反应器	常规的纸浆层反应器
			纸浆层的平均亮度	63.4	55.7
亮度的标准谝差	1.3	6.0
			高亮度样品	65.9	65.0
低亮度样品	61.2	43.5
			亮度范围（高一低）	4.7	21.5

Claims (25)

1、一种用臭氧漂白高稠度纸浆颗粒以使纸浆亮度从第一级GE亮度提高到较高的第二级GE亮度的方法，包括：

将纸浆颗粒和含有臭氧的气体漂白混合剂引入到第一阶段；

在第一阶段高切变地使纸浆颗粒与气体漂白混合剂相混合，使气体漂白混合剂与纸浆颗粒接触并混合，从而使至少一部分纸浆和臭氧在第一阶段起反应；

将纸浆颗粒和带有未反应臭氧的气体漂白混合剂从第一阶段引入第二阶段(即滞留阶段)；和

使纸浆颗粒和未反应的臭氧在第二阶段(滞留阶段)起反应，以进一步从气体漂白混合剂中消耗臭氧，从而获得一个有第二级GE亮度的漂白纸浆并且基本解吸了从漂白混合剂中可获得的全部臭氧。

2、一种用臭氧漂白高稠度纸浆颗粒以使纸浆亮度从第一级GE亮度提高到较高的第二级GE亮度的方法，包括：

将纸浆颗粒和含有臭氧的气体漂白混合剂引入到第一阶段;

在第一阶段混合纸浆颗粒和气体漂白混合剂，使基本上所有的纸浆颗粒与气体漂白混合剂相接触，以使至少一部分纸浆颗粒和臭氧在第一阶段起反应，从而消耗约50-90%的臭氧;

将纸浆颗粒和带有未反应臭氧的漂白混合剂从第一阶段引入到基本上静止的第二阶段，在第二阶段中接触臭氧的纸浆颗粒完成与所述臭氧的反应;以及

纸浆颗粒与未反应的臭氧在第二阶段起反应以便消耗掉基本上所有可得到的臭氧，以此从气体漂白混合剂中解吸掉臭氧，从而获得一种具有第二级GE亮度的基本均匀的漂白纸浆。

3、如权利要求2所述的方法，其特征是进一步包括将纸浆颗粒粉碎到适当的尺寸，以实现大多数所述的纸浆颗粒能被臭氧渗透。

4、如权利要求2所述的方法，其特征是全部可得到臭氧约60-75%消耗在第一阶段中，约20-40%消耗在第二阶段中。

5、如权利要求2所述的方法，其特征在于纸浆颗粒具有约35-50%的稠度，在通入第二阶段之前纸浆颗粒与气体漂白混合剂混合40-150秒。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于在第二阶段纸浆颗粒与未反应臭氧进行5-30分钟的反应，以便基本上完成纸浆颗粒的漂白。

7、一种用臭氧漂白高稠度木浆颗粒以使纸浆亮度从第一级GE亮度提高到较高的第二级GE亮度的方法，包括：

将具有第一级GE亮度及约35-50%稠度的纸浆和含有臭氧的气体漂白混合剂一同引入第一阶段反应容器内;

使纸浆和气体漂白混合剂在第一阶段容器内承受高切变混合，使基本上全部纸浆颗粒与臭氧相接触;

将第一阶段容器内纸浆和气体漂白混合剂的高切变混合保持足够长的一段时间，使得至少一部分纸浆和臭氧起反应以消耗气体漂白混合剂内约50-90%的臭氧;

将纸浆颗粒和气体漂白混合剂从所述第一阶段容器引入第二阶段反应容器内，以便在第二阶段反应容器内形成一基本静止的纸浆层;

抽吸所述气体漂白混合剂穿过纸浆层，使得纸浆颗粒与从第一阶段容器接收来的未反应臭氧起反应，从而通过在纸浆层中与纸浆颗粒的反应基本上全部解吸掉来自气体漂白混合剂的臭氧，以此获得具有第二级GE亮度的纸浆;

从第二阶段的容器中回收已解吸了臭氧的气体漂白混合剂;

通过向第二阶段反应容器内的纸浆加水来中止所述的漂白反应;

从所述第二阶段容器中排出具有第二级GE亮度的纸浆。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于在第一阶段反应容器内所消耗的臭氧量占所得到的臭氧总量的60-75%，以及在第二阶段反应容器内所消耗的臭氧量至少占所得到的臭氧总量的20-40%。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于当实施所述的高切变混合时，在第一阶段容器内将所述纸浆连续地从入口传送到出口。

10、一种用于臭氧漂白高稠度纸浆颗粒的反应装置，包括：用于使高稠度纸浆颗粒与臭氧相接触并使至少一部分纸浆和臭氧起反的高切变混合和接触装置;和

用于容纳来自混合和接触装置的纸浆颗粒及臭氧的滞留容器，该容器将所述纸浆颗粒和臭氧保留一足够长的时间以完成纸浆和臭氧的反应。

11、如权利要求10所述的装置，其特征在于高切变混合和接触装置包括一个混合容器，它具有一个用于接收所述纸浆颗粒的入口和一个在至少一部分纸浆和臭氧反应之后排出纸浆和臭氧的出口;

滞留容器包括一个直接与混合容器出口相连的入口。

12、如权利要求11所述的装置，其特征在于高切变混合和接触装置包括一个限定了入口和出口的壳体，入口和出口与壳体内腔相连，内腔容纳着两根平行的旋转轴，轴上装有相互配合的用于将纸浆从入口推向出口的螺旋叶片。

13、如权利要求11所述的装置，其特征在于高切变混合和接触装置包括一个限定了入口和出口的壳体，入口和出口与壳体内腔相连，内腔容纳着一旋转轴，轴上有一组分别径向延伸的刚性元件，一组相配合的的刚性元件从所述壳体上向内延伸朝向所述的旋转轴。

14、如权利要求11所述的装置，其特征在于高切变混合和接触装置包括一个限定了入口和出口的壳体，入口和出口与壳体内腔相连，内腔容纳着一具有连续的螺旋叶片的旋转轴，所述的螺旋叶片有一组从叶片上切开的部分以便在叶片上形成若干开口，所述切开部分相对于旋转轴以预定的角度弯折。

15、如权利要求11所述的装置，其特征在于进一步包括一个安装在壳体上的粉碎装置，用于粉碎纸浆颗粒并将粉碎后的纸浆颗粒引入混合容器的入口。

16、一种臭氧漂白纸浆的装置，用于使高稠度纸浆和含有臭氧的气体漂白混合剂相互反应，从而将所述纸浆从第一级GE亮度漂白到较高的第二级GE亮度，所述装置包括：

第一阶段反应装置，用于使具有第一级GE亮度的高稠度纸浆颗粒与含有臭氧的气体漂白混合剂高切变地混合和接触，从而基本上使全部纸浆颗粒与气体漂白混合剂混合和接触，使得至少一部分纸浆颗粒和臭氧起反应;和

第二阶段反应装置，用于容纳来自第一阶段反应装置的已同气体漂白混合剂混合的纸浆颗粒并将纸浆颗粒保持在纸浆层内，在纸浆层内纸浆颗粒可进一步与从第一阶段反应容器接收来的未反应的臭氧起反应，所述第二反应装置包括用于抽吸所述气体漂白混合剂使其穿过纸浆层的抽吸装置，从而通过和纸浆的反应而基本上全部解吸掉来自气体漂白混合剂的臭氧，还包括从解吸过的气体漂白剂中将所携带的纸浆颗粒分离出来的分离装置，所述第二阶段反应装置和第一阶段反应装置直接相连。

17、如权利要求16所述的装置，其特征在于所述第一阶段反应装置包括一个限定了入口和出口的壳体，以及包括在纸浆颗粒与气体漂白混合剂高切变混合和接触的同时将纸浆颗粒从入口传输到出口的传输装置。

18、如权利要求17所述的装置，其特征在于所述第一阶段反应装置在其入口和出口间有一预先确定的长度，所述传输装置包括以一定速度驱动传输装置的驱动装置，该速度足以使得气体漂白混合剂内50-90%的臭氧通过第一阶段反应装置内与纸浆颗粒的反应而被消耗掉。

19、如权利要求18所述的装置，其特征在于所述第二阶段反应装置包括一个直立的具有顶部和底部的通常为柱形的容器，通过与第一阶段反应装置壳体连接的顶部实现与第一阶段反应装置的出口相通，从而可接收纸浆颗粒和气体漂白混合剂。

20、如权利要求19所述的装置，其特征在于所述第一阶段反应装置是任何一种蒸汽混合机、挤出机、螺旋式纤维分离机、或切开-弯折螺旋叶片传输机。

21、如权利要求19所述的装置，其特征在于所述第一阶段反应装置的壳体进一步限定了至少一个与入口和出口相连的内腔，所述传输装置包括：

至少一个沿内腔长度延伸的旋转中心轴，

将纸浆从入口移向出口时用来升降、振荡和搅动纸浆颗粒的安装在旋转轴上的延展装置。

22、如权利要求21所述的装置，其特征在于所述的延展装置包括围绕所述轴的连续的螺旋叶片，并有若干从叶片上切开以形成开口的切开部分，所述切开部分相对于轴以一预定的角度弯折。

23、一种臭氧漂白纸浆的系统，包括如下组合：

将低稠度的纸浆与酸化剂和螯合剂相混合的混合装置;

将所述低稠度纸浆脱水以提供大于20%稠度的高稠度纸浆的增稠装置;

输送低稠度纸浆到增稠装置中的泵送装置;

将所述高稠度纸浆粉碎到所期望的颗粒尺寸及堆积密度的疏松装置;

压实所述高稠度纸浆并以类似塞堵的方式将纸浆送到所述疏松装置中的锥形传输装置;

将含在气体漂白混合剂内的臭氧与所述纸浆共同引入到所述疏松装置内的引入装置;

与所述疏松装置相连，用以容纳高稠度纸浆和包含在气体中的臭氧的两阶段臭氧-纸浆反应装置，所述反应装置包括：

第一反应装置，它用于使高稠度纸浆颗粒与包含在漂白混合剂内的臭氧高切变混合和接触，从而使基本上所有的纸浆颗粒与臭氧混合和接触并且至少使一部分纸浆颗粒与臭氧起反应，所述第一反应装置包括一个限定了入口和出口的壳体，以及当纸浆颗粒与包含在漂白混合剂内的臭氧相混合和接触时将纸浆从入口传送到出口的传输装置，传输装置至少包括一沿壳体长度延伸的旋转轴，以及安装在轴上的当从入口向出口移送纸浆时使纸浆升降、振荡和搅拌的延展装置，第一反应装置在入口和出口间有预先确定的长度，所述传输装置包括以一定速度驱动旋转轴的驱动装置，该速度足以使气体漂白混合剂内50-90%的臭氧通过在所述壳体内与纸浆颗粒的反应而被消耗掉。

第二反应装置，用于容纳来自第一反应装置的已混合的纸浆颗粒和气体漂白混合剂并将纸浆颗粒保持在一纸浆层内，在纸浆层中，纸浆颗粒同气体漂白混合剂中未接触和未反应的臭氧起反应，所述第二反应装置包括具有顶部和底部的通常为柱形的壳体，所述顶部毗邻于第一反应装置的壳体处并限定了一个直接与第一反应装置出口相连的入口，该入口用于接收混合后的纸浆和气体漂白混合剂，所述第二反应装置还包括抽吸气体漂白混合剂使其穿过纸浆层从而基本上全部解吸掉混合剂中剩余臭氧的抽吸装置，以及包括用于从解吸过臭氧的漂白混合剂中将所携带的纸浆颗粒分离出来的分离装置。

24、如权利要求23所述的装置，其特征在于所述延展装置包括围绕所述轴的螺旋叶片，该螺旋叶片有若干从叶片上切开以形成开口的切开部分，所述切开部分相对于轴以预定的角度弯折。

25、如权利要求23所述的装置、其特征在于所述第一反应装置可以是任何一种蒸汽混合器、挤出机、螺旋纤维分离机、或切开-弯折的螺旋叶片传输机。

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