DE102012220771A1

DE102012220771A1 - Misch-/ Dosiervorrichtung

Info

Publication number: DE102012220771A1
Application number: DE201210220771
Authority: DE
Inventors: Christian Naydowski; Thomas Jaschinski
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Misch-/Dosiervorrichtung (110), insbesondere für eine Maschine (100) zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Mischvorrichtung (170), einer Dosiervorrichtung (180) und einer Düsenvorrichtung (190). Ist eine Elektrolysevorrichtung (160) vorgesehen, die ein, elektrochemisch erzeugte Aluminiumionen aufweisendes, Substratfluid herstellt, das als zumindest ein Substratstrom (120) mittels der Mischvorrichtung (170) in ein die Misch-/Dosiervorrichtung (110) in Strömungsrichtung (240) durchströmendes Injektionsfluid eingemischt wird, wobei das Injektionsfluid als ein Injektionsstrom (130) in einen, ein Prozessfluid aufweisenden, Prozessstrom (140) mittels der Düsenvorrichtung (190) injiziert und mittels der Dosiervorrichtung (180) eindosiert wird, so kann vorteilhaft eine starke Schwankung bzw. ein hohe Auslenkung des pH-Wertes im Bereich der Einleitung des Aluminiumionen-haltigen Substratfluides verringert bzw. verhindert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Misch-/Dosiervorrichtung, insbesondere für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Der zunehmende Einsatz von Ausschuss und Altpapier in der Papierherstellung und die verstärkte Reduzierung des Frischwassereinsatzes haben zu einem Zuwachs an für den Herstellungsprozess schädlichen oder störenden Substanzen in den Wasserkreisläufen geführt. Auch chemische Additive, wie beispielsweise Öle, Lösungsmittel, Harzleime, synthetische Leimungsmittel, Klebstoffe, Nassfestmittel, Stärke, Biozidformulierungen, Dispergiermittel, Bleichchemikalien, Reinigungsmittel, Farbstoffe, Komplexbildner und Lösungsvermittler, die dem Prozess gezielt zugeführt werden, tragen durch Anreicherung in den Kreisläufen zu einer Erhöhung der Konzentration an kolloidal gelösten Störstoffen direkt oder aus der Wechselwirkung untereinander bei. Andere Quellen sind Extrakte aus den Faserstoffen, Lignin und Ligninderivate, Hemicellulosen und Kohlehydrate. Die wachsende Konzentration an Störstoffen führt zu einer reduzierten Effizienz der meist kationischen Funktionschemikalien, wie beispielsweise Fixiermittel, Retentionspolymere. Die bei hohen Prozesstemperaturen vorliegende Sättigung des Prozesswassers mit kolloidal gelösten, anionischen Störstoffen führt in den kühleren Zonen zu Ausfällungen und Ablagerungen. Bereits geringe Temperaturgradienten reichen aus, um klebrige Ablagerungen an hydrophoben oder besonders adhäsiven Flächen, wie beispielsweise Siebmaterial, Filzmaterial, Walzenoberflächen, strömungsarmen Zonen, entstehen zu lassen. Diese können den Prozess empfindlich durch die Bildung von Löchern im Papier, Abrisse, Reinigungsstillstände oder dergleichen beeinträchtigen.
Papiereigenschaften wie Weiße, Opazität, Färbung und Festigkeit sind durch die Anwesenheit von kolloidalen Störstoffen ebenfalls beeinträchtigt. Außerdem kann eine verstärkte Neigung zur Geruchsbildung im Papier auftreten. Die Störstoffe können des Weiteren durch Absenkung der Oberflächenspannung zu vermehrtem Schaum führen, was sich negativ auf die Papierqualität auswirkt oder den vermehrten Einsatz von Schaumregulierern erforderlich macht. Die Anreicherung von Störstoffen im gesamten Wasserkreislaufsystem ist abhängig von der Menge an zugeführten Rohmaterialien, der Prozesstemperatur, der Extrahierbarkeit, der Wasserumlaufrate, der mit dem Abwasser abgeführten Menge, dem Austrag an Störstoffen mit dem produzierten Papier und der Zuführung von Frischwasser. Insbesondere für die Einengung der Wasserkreisläufe, d. h. die verringerte Zufuhr an Frischwasser und die entsprechend verringerte Abfuhr an Abwasser, stellt sich eine erhöhte Konzentration an kolloidal gelösten Störstoffen in den Kreislaufwässern ein. Neben dem hohen Konzentrationsniveau stellen auch dynamische Schwankungen der Störstofffrachten eine Limitierung für eine zielgenaue chemisch-technologische Führung des Prozesses dar. Dabei kommt es zu dauernden Fehldosierungen von Funktionschemikalien mit den oben beschriebenen Auswirkungen.
Üblicherweise werden Prozessströme in Papiermaschinen, die derartige Störstoffe enthalten, durch die Zugabe von Aluminium-Ionen, insbesondere Aluminiumsulfat, behandelt. Zudem kann es gewünscht sein, dass kolloidal gelöste Störstoffe, beispielsweise in der Stoffauflauf-Bütte, an die Fasern angelagert werden, um beispielsweise eine homogene Verteilung der Störstoffe in der Faserstoffbahn zu erreichen oder um eine Anreicherung dieser kolloidal gelösten Störstoffe im Siebwasser oder Klarfiltrat der Blattbildungsvorrichtung zu verringern. Auch können eine Verbesserung der Leimung bzw. der Leimretention gewünscht sein, wobei bei einer Harzleimung und bei einer Leimung mit Alkylketendimer (AKD) und/oder Alkenylbernsteinsäureanhydrid (ASA) zur Verbesserung der Leimung bzw. Leimretention ebenfalls Aluminium-Ionen, insbesondere Aluminiumsulfat, dem jeweiligen flüssigen Arbeitsmedium zugeführt werden. Weiterhin kann eine Verbesserung der Retention, also der Zurückhaltung von Fasern und Feststoffen auf dem Sieb, durch Zugabe von Aluminium-Ionen erreicht werden.
Derzeit üblich werden zu diesem Zweck auch Elektrolysevorrichtungen eingesetzt, die zumindest einem Teil des jeweiligen Prozessstroms elektrochemisch erzeugte Metallionen, insbesondere Aluminium-Ionen, hinzufügen. Mittels der elektrochemisch erzeugten Metallionen, vorzugsweise AL³⁺-Ionen, kann die Nachbehandlung von Biowasser verbessert werden, feststofffreie Kreisläufe flüssiger Arbeitsmedien von kolloidal gelösten Störstoffen zumindest teilweise befreit werden, kolloidal gelöste Störstoffe an/auf den Fasern bei feststoffhaltigen Kreisläufen fixiert werden und die Leimung bzw. die Leimretention, sowie die Retention verbessert werden.
Aus der DE 10/2010 001 769 A1 , der DE 10/2010 001 801 A1 , der DE 10/2010 001 808 A1 und der DE 10/2010 030 996 A1 , sind Vorrichtungen und/oder Verfahren bekannt, bei der Elektrolysevorrichtungen von einem Prozessstrom durchströmt werden, währenddessen elektrochemisch erzeugte Aluminiumionen durch die Elektrolysevorrichtung an den Prozessstrom abgegeben werden. Nachteilig an einer derartigen Prozessführung ist die Ausbildung von harten, Kalziumcarbonat oder Magnesiumcarbonat aufweisenden Belägen, auf den Elektrodenoberflächen und die damit einhergehende Beeinträchtigung der Abgabe von Aluminiumionen in den Prozessstrom.
Werden nun Aluminiumionen-haltige Substratfluide einem Prozessstrom bei der Herstellung von Faserstoffbahnen zugeführt, so kann es im Bereich der Zuführung der Aluminium-haltigen Substratfluide zu einer Absenkung des pH-Wertes kommen. Eine derartige Absenkung des pH-Wertes kann zu unerwünschten chemischen Reaktionen, wie beispielsweise der Zersetzung von Kalziumcarbonat oder Magnesiumcarbonat mit begleitender CO₂-Gas-Entwicklung führen. Zudem kann es nachteilig zur Salzbildung und entsprechenden Ablagerungen im Gesamtsystem kommen. Außerdem tritt ein Konzentrationsgradient bis zur vollständigen Vermischung ein, währenddessen die Abreaktion der Aluminiumionen mit anderen anwesenden Reaktanden eintreten kann, sodass die Konzentration an aktiven, wie gewünscht reagierenden Aluminiumionen durch vorhergehend eintretende Nebenreaktionen gesenkt wird und damit ggf. mehr Aluminiumionen-haltiges Substratfluid dem Prozessstrom zugeführt werden muss.
In der DE 10/2010 028 571 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zumischung einer flüssigen Chemikalie in einen Prozessstrom beschrieben, bei dem das Substratfluid mittels eines Substratstromes und einen den Substratstrom konzentrisch umgebenden Injektionsstrom dem Prozessstrom zugeführt wird. Mittels einer derartigen Misch-/Dosiervorrichtung können insbesondere Polymere, Mikropartikel, Nanopartikel, Stärke, Biozide, Farbstoffe, optische Aufheller, Leimungsmittel oder mineralische Stoffe, dem Prozessstrom zugeführt werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Misch-/Dosiervorrichtung, insbesondere für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verringerte Auslenkung des pH-Wertes im Bereich der Einleitung des Aluminiumionen-haltigen Substratfluides in den Prozessstrom auszeichnet.
In einem Aspekt der Erfindung wird eine Misch-/Dosiervorrichtung, insbesondere für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, vorgeschlagen, die eine Mischvorrichtung, eine Dosiervorrichtung und eine Düsenvorrichtung aufweist. Zudem kann eine Elektrolysevorrichtung vorgesehen sein, die ein, elektrochemisch erzeugtes Aluminiumionen aufweisendes, Substratfluid herstellt, das als zumindest ein Substratstrom mittels der Mischvorrichtung in ein die Misch-/Dosiervorrichtung in Strömungsrichtung durchströmendes Injektionsfluid eingemischt wird, wobei das Injektionsfluid als Injektionsstrom in einen, ein Prozessfluid aufweisenden, Prozessstrom mittels der Düsenvorrichtung injiziert und mittels der Dosiervorrichtung eindosiert wird.
Vorteilhaft kann durch das Einmischen des Substratfluides in das Injektionsfluid des Injektionsstroms eine ausreichende Vermischung von Substratfluid und Injektionsfluid erreicht werden, wobei die Konzentration der elektrochemisch erzeugten Aluminiumionen durch das Injektionsfluid verringert wird. Somit kann eine Konzentration von Aluminiumionen im Injektionsfluid erreicht werden, die eine hinreichend genaue Dosierung der Aluminiumionen in den Prozessstrom mittels der Dosiervorrichtung ermöglicht. Zudem kann durch die Düsenvorrichtung ein vorteilhaftes Eindüsen des Injektionsstromes in den Prozessstrom erreicht werden, sodass zum Einen eine nahezu vollständige Durchmischung von Injektionsfluid und Prozessfluid innerhalb kürzester Zeit und ein hinreichend schneller Abbau des Konzentrationsgradienten im Prozessfluid erreicht werden kann. Somit kann mittels der Kombination einer Mischvorrichtung mit einer Düsenvorrichtung, einer Dosiervorrichtung und einer Elektrolysevorrichtung in einer integrierten Misch-/Dosiervorrichtung vorteilhaft ein zeitlich lang anhaltender und ein hohes Absenken des pH-Wertes im Bereich der Zufuhr des Injektionsfluides in den Prozessstrom verringert werden. Demzufolge sind die Tendenz zur Zersetzung von Kalziumcarbonat bzw. Magnesiumcarbonat mit begleitender CO₂-Gas-Entwicklung und die Verringerung der aktiven Aluminiumionen-Konzentration durch Nebenreaktionen verringert.
Unter einer Mischvorrichtung ist eine Teilvorrichtung der Misch-/Dosiervorrichtung zu verstehen, die das in der Elektrolysevorrichtung elektrochemisch erzeugte, Aluminiumionenaufweisende Substratfluid mit einem Injektionsfluid, das in Strömungsrichtung die Misch-/Dosiervorrichtung durchströmt, vermischt. Die Dosiervorrichtung ist im Wesentlichen dafür zuständig, das Injektionsfluid mittels eines hinsichtlich der Menge definierten Injektionsstromes in den Prozessstrom einzuleiten, während die Düsenvorrichtung die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsgeometrie des Substratstromes regelt. Dabei können die Dosiervorrichtung und die Düsenvorrichtung integral ausgebildet sein.
In der Elektrolysevorrichtung wird das Substratfluid durch einen mit Opferelektroden ausgestatteten Reaktor geleitet, in dem durch Anlegen eines elektrischen Stroms verschiedene elektrochemische Reaktionen ablaufen. Dabei können Metall-Hydroxidflocken, gelöste und ggf. komplexierte Metallionen, sowie diverse hoch reaktive Radikale entstehen. Die Metall-Hydroxidflocken haben ein hohes Adsorptionsvermögen und können so fein verteilte Partikel an sich binden. Außerdem kann es zu Mitfällungs- und Einschlussfällungsreaktionen kommen, bei denen die kolloidal gelösten Stoffe gefällt werden. Daneben kann es auch zu oxidativen Effekten kommen, hauptsächlich durch hoch reaktive Sauerstoff-Radikale, die zu einem Abbau organischer Verbindungen führen können. Die neben der Herstellung von Aluminium-Ionen eintretenden Prozesse können ggf. auch unerwünscht sein, so dass durch die nachfolgende Vermischung mit dem Injektionsfluid diese Prozesse in Ihrer Wirksamkeit abklingen können und insofern den Prozessstrom zumindest weniger stark negativ beeinflussen. Bevorzugt wird als Metall Aluminium eingesetzt und demzufolge Aluminium-Ionen gebildet.
Das Prozessfluid kann beispielsweise die Faserstoffsuspension, die dem Stoffauflauf zugeführt wird, sein oder es kann als Prozessfluid der Inhalt einer Bütte, insbesondere der Stoffauflauf-Bütte, verstanden werden. Es ist ebenso denkbar, dass als Prozessfluid Abwasser der Papiermaschine, Siebwasser aus dem Blattbildungsbereich oder dgl. eingesetzt wird. Als Injektionsfluid kann Frischwasser, Klarwasser des Sekundärkreislaufs oder Siebwasser, sowie gereinigtes Abwasser eingesetzt werden. Als Substratfluid kann Frischwasser, Klarwasser, gereinigtes Abwasser eingesetzt werden, wobei das Substratfluid durch die Elektrolysevorrichtung mit elektrochemisch erzeugten Aluminiumionen angereichert wird. Zumindest ein Substratfluid wird in der Misch-/Dosiervorrichtung mit elektrochemisch erzeugten Aluminiumionen angereichert. Es ist aber auch denkbar, dass weitere Substratfluide der Misch-/Dosiervorrichtung in separaten Substratströmen zugeführt werden, die mittels der Mischvorrichtung mit dem Injektionsfluid zu einem Injektionsstrom vermischt werden, die jedoch nicht mittels der Elektrolysevorrichtung mit elektrochemisch erzeugten Aluminiumionen angereichert werden. Solche weiteren Substratfluide bzw. Substratströme können den mit den Aluminiumionen gewünschten Effekt unterstützen oder weitere Effekte in dem Prozessstrom erzeugen. Somit können vorteilhaft mittels einer einzigen Misch-/Dosiervorrichtung eine Vielzahl an Substraten mittels den jeweiligen Substratströmen über einen Injektionsstrom in den Prozessstrom injiziert werden.
Des Weiteren kann zumindest einer der Ströme, Substratstrom, Injektionsstrom, Prozessstrom, zu zumindest einem der Ströme, Substratstrom, Injektionsstrom, Prozessstrom zumindest eine senkrechte Anordnung und/oder eine Anordnung unter einem spitzen Winkel und/oder eine konzentrische Anordnung aufweisen. Vorteilhaft kann durch die jeweilige Anordnung ein optimales Injizieren des jeweiligen Stromes in den jeweiligen nachfolgenden Strom vorgenommen werden, sodass eine schnelle und umfassende Durchmischung der Ströme innerhalb kürzester Zeit eintritt. Besonders bevorzugt ist dabei der Injektionsstrom senkrecht zu dem Prozessstrom angeordnet.
Dabei ist die Orientierung der jeweiligen Ströme in Flussrichtung des jeweiligen Stroms zu verstehen. Somit bedeutet eine Anordnung unter einem spitzen Winkel, dass die gemäß Ihrer Orientierung angeordneten Ströme unter einem spitzen Winkel in Richtung Ihrer Orientierung angeordnet sind. Dabei wird speziell die Flussrichtung des Injektionsfluids als Strömungsrichtung bezeichnet. Unter einer konzentrischen Anordnung der Ströme zueinander ist eine Anordnung eines Stromes in einem anderen Strom zu verstehen, so dass die Flussrichtungen der Ströme parallel oder im Wesentlichen parallel sind und der eine Strom zumindest teilweise, vorzugsweise ganz den anderen Strom umhüllt.
Ist die Elektrolysevorrichtung integral mit der Mischvorrichtung ausgebildet, so kann mittels einer baulichen Einheit die erfindungsgemäße Dosierung von zumindest einem elektrolytisch erzeugten Aluminium enthaltenden Substratfluid vorgenommen werden. Aufgrund der konstruktiv kompakten Bauweise kann demzufolge Platz gespart werden und die Komponenten können aufgrund der höheren Integration optimal aufeinander abgestimmt werden.
Ist die Mischvorrichtung von der Elektrolysevorrichtung baulich getrennt, so kann die Mischvorrichtung kleiner dimensioniert werden, sodass auch ein Einsatz der Mischvorrichtung an Stellen möglich ist, die nicht ausreichend Platz für eine integrierte Lösung aufweisen.
Ist zudem die Mischvorrichtung fluidisch direkt mit der Elektrolysevorrichtung verbunden, so kann jeweils frisch erzeugtes, elektrolytisch erzeugte Aluminiumionen enthaltendes Substratfluid der Mischvorrichtung zugeführt werden.
Ist die Elektrolysevorrichtung indirekt mit der Mischvorrichtung über eine Bevorratungsvorrichtung fluidisch verbunden, so kann vorteilhaft der Prozess der elektrochemischen Erzeugung von Aluminiumionen von dem Mischvorgang entkoppelt werden, sodass nicht zwingend dann Aluminiumionen erzeugt werden müssen, wenn mittels der Misch-/Dosiervorrichtung in den Prozessstrom der Injektionsstrom injiziert wird. Dieses hat beispielsweise den Vorteil, dass auch dann ein, elektrolytisch erzeugte Aluminiumionen aufweisender, Substratstrom dem Prozessstrom zugeführt werden kann, wenn die Elektrolysevorrichtung beispielsweise gewartet wird oder anderweitig außer Betrieb ist.
Des Weiteren kann die Dosiervorrichtung zumindest eine Drossel, ein Ventil, ein regelbares Ventil oder dgl. aufweisen. Vorteilhaft kann durch eine derartige Dosiervorrichtung die Menge an zu dem Prozessstrom zugegebenen, elektrochemisch erzeugten Aluminiumionen mit hinreichend gewünschter Genauigkeit eingestellt werden, sodass zum Einen die Prozesse optimal verlaufen können und zum Anderen ein zu hoher Verbrauch an elektrochemisch erzeugten Aluminiumionen zumindest weitgehend vermieden werden kann. Dadurch sind vorteilhaft auch die Kosten zum Betrieb einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn lenkbar und kontrollierbar.
Des Weiteren kann die Düsenvorrichtung eine austauschbare Düse aufweisen. Vorteilhaft kann durch den Austausch der austauschbaren Düse der jeweils gewünschte und benötigte Injektionsstrom, der in den Prozessstrom injiziert wird, bei Bedarf angepasst werden.
Ist dabei die Düsenvorrichtung mit zumindest einer regelbaren Düse ausgestattet, kann vorteilhaft auch ohne Austausch der Düse eine derartige Regelung des Injektionsstroms vorgenommen werden.
Mittels der Düsenanordnung am Prozessstrom kann ein Jetdosierprinzip ausgebildet werden, wobei vorteilhafterweise auch mehrere der oben bezeichneten Dosierdüsen, vorzugsweise um den Umfang der Rohrleitung, in dem der Prozessstrom geführt wird, angeordnet sind und dadurch eine vollständige Durchdringung des Injektionsstroms in den Prozessstrom erreicht wird, um so eine besonders gute Einmischung und homogene Verteilung des Injektionsstroms im Prozessstroms sicherstellen zu können.
Ist die Düsenvorrichtung mit einer Düse ausgestattet, die nach dem Jet-Dosier-Prinzip funktioniert, so können Injektionsströme hergestellt werden, die auch einen Prozessstrom mit einem sehr großen Durchmesser durchdringen können und die demzufolge eine ausreichend gute Vermischung des Injektionsstroms mit dem Prozessstrom und eine große Homogenität des Prozessstromes über den gesamten Durchmesser sicherstellen können.
Weiterhin kann die Dosiervorrichtung integral mit der Düsenvorrichtung ausgebildet sein. Dieses ist beispielsweise durch eine regelbare Düse bzw. ein regelbares Düsenventil möglich, sodass vorteilhaft aufgrund der höheren Integration der Bauelemente zueinander eine kombinierte Düsen-/Dosiervorrichtung sowohl das Eindosieren als auch das Injizieren bzw. die gewünschte Form und Art des Injektionsstromes einstellen kann. Eine derartig hohe Integration verringert zum Einen die Anzahl der im Wartungsfall auszutauschenden Teile und zum Anderen den konstruktiven Aufwand bzw. Wartungsaufwand bei einer gewünschten Änderung der Prozessparameter.
Des Weiteren kann die Mischvorrichtung als Diffusor mit zumindest einem Stufensprung ausgebildet sein. Vorteilhaft kann durch die Ausbildung der Mischvorrichtung als Diffusor eine altbewährte und bekannte Mischtechnik verwendet werden, die zudem eine hohe Ausfallsicherheit und Prozessstabilität aufweist. Zudem kann mittels eines Diffusors nicht nur ein Substratstrom mit einem Injektionsstrom sondern mittels insbesondere mehrerer Stufensprünge auch mehrere Substratströme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen mit einem Injektionsstrom vermischt werden.
Ist dabei ein in Strömungsrichtung vor dem jeweiligen Stufensprung angeordneter vorhergehender Teilabschnitt mit einem dementsprechenden vorhergehenden Durchmesser des Diffusors zylindrisch ausgebildet und/oder ein in Strömungsrichtung nach dem jeweiligen Stufensprung angeordneter, nachfolgender Teilabschnitt mit einem nachfolgenden Durchmesser zylindrisch ausgebildet, so können derartige Teilabschnitte einfach durch Bohrungen hergestellt werden, was die Herstellungskosten für einen derartigen Diffusor deutlich senkt. Dabei können die jeweiligen Teilabschnitte zueinander konzentrisch angeordnet, also mit einer deckungsgleichen Mittelachse ausgebildet sein, oder eine exzentrische Anordnung aufweisen. Vorzugsweise ist der verwendete Diffusor wenigstens aus lediglich zwei verschiedenen Bauteilen mit vorzugsweise zylindrischer Bohrung ausgebildet.
Dabei versteht man unter einem Stufensprung eine Aufweitung der Querschnittfläche, so dass jeweilig ein vorhergehender Durchmesser kleiner ist, als ein nachfolgender Durchmesser. Durch einen derartigen Stufensprung werden in Strömungsrichtung nach der Stufe bzw. Kante bzw. Aufweitung des Durchmessers aufgrund der Vergrößerung der Querschnittfläche Turbulenzen erzeugt, die zum Einen das Injektionsfluid durchmischen, und zum Anderen für ein schnelles Einmischen des jeweiligen Substratfluides verwendet werden können.
Weist die als Diffusor ausgebildete Mischvorrichtung zumindest ein Stufensprungverhältnis, also einen Quotienten aus dem nachfolgenden Durchmesser und dem vorhergehenden Durchmesser, von 1,1–5,0 auf, so können im Bereich des Stufensprungs Turbulenzen erzeugt werden, die eine optimale Einmischung und Vermischung des Substratfluides in das Injektionsfluid ermöglichen. Es ist auch denkbar, dass das Stufensprungverhältnis 1,1 bis 3,0, insbesondere 1,1 bis 3,0, beispielsweise 1,1 bis 2,0 und gegebenenfalls 1,2 bis 1,5 beträgt.
Weist der nachfolgende Teilabschnitt eine das 20fache bis 180fache des Stufensprungverhältnisses betragende Länge auf, so kann die Turbulenzausbildung in gewünschter Art und Weise an die Zusammensetzung des Injektionsfluides und des Substratfluides angepasst werden, um eine optimale Durchmischung zu erreichen. Es ist auch denkbar, dass die Länge des nachfolgenden Teilabschnitts das 20fache bis 180fache, insbesondere das 30fache bis 160fache, gegebenenfalls das 40fache bis 140fache und beispielsweise das 50fache bis 120fache des Stufenverhältnisses beträgt.
Dieser Vorteil kann ebenfalls durch eine Länge des nachfolgenden Teilabschnittes bewirkt werden, die das 20fache bis 100fache der Differenz aus nachfolgendem Durchmesser und vorhergehendem Durchmesser aufweist. Es ist auch denkbar, dass die Länge des nachfolgenden Teilabschnitts das 20fache bis 180fache, insbesondere das 30fache bis 160fache, gegebenenfalls das 40fache bis 140fache und beispielsweise das 50fache bis 120fache der Differenz beträgt.
Eine besonders gute Durchmischung von Substratfluid und Injektionsfluid ist dadurch zu erreichen, dass das Substratfluid in einem Bereich hoher Turbulenz in Strömungsrichtung nach dem Stufensprung in den Injektionsstrom eingeleitet wird. Dabei sei unter einem Bereich mit hoher Turbulenz derjenige Bereich zu verstehen, der zumindest 60 % der maximal erreichbaren Turbulenz aufweist. Durch Zuführen der Substratfluide in einen Bereich mit hoher Turbulenz kann vorteilhaft eine schnelle und nahezu vollständige Durchmischung von Substratfluid und Injektionsfluid erreicht werden, sodass auch auf kurzer Durchmischungsstrecke eine ausreichende Homogenität des Injektionsfluides sichergestellt werden kann.
Des Weiteren kann die Mischvorrichtung eine erste Substratzuleitung und eine zweite Substratzuleitung aufweisen, die beide in den Injektionsstrom hineinragen, wobei die beiden Substratzuleitungen senkrecht zum Injektionsstrom angeordnet sind. Vorteilhaft kann durch eine derartige Anordnung das Substratfluid in einem mittleren Bereich des Injektionsstromes appliziert werden, wodurch die Vermischung des Injektionsfluides mit dem Substratfluid vorteilhaft verbessert wird.
Des Weiteren kann eine erste Ausströmöffnung der ersten Substratzuleitung unmittelbar gegenüber einer zweiten Ausströmöffnung der zweiten Substratzuleitung angeordnet sein. Vorteilhaft ist durch eine derartige Anordnung der ersten Ausströmöffnung zur zweiten Ausströmöffnung die Erzeugung von Wirbeln und Turbulenzen möglich, da die beiden Substratströme aufeinander prallen und zudem von dem Injektionsstrom mitgeführt werden. Weist dabei die zweite Substratleitung einen kleineren Durchmesser auf, als die erste Substratzuleitung, so kann eine Vorabvermischung der beiden Substratfluide vor der Vermischung mit dem Injektionsfluid vorteilhaft vorgenommen werden, sodass beispielsweise erst nach einer zumindest teilweisen Durchmischung der Substratfluide dieselbe mit dem Injektionsfluid vermischt werden.
Des Weiteren kann die erste Substratzuleitung von einer in den Injektionsstrom hineinragenden ersten Ausbuchtung umgeben sein und/oder die zweite Substratzuleitung von einer in den Injektionsstrom hineinragenden zweiten Ausbuchtung. Vorteilhaft ist durch eine derartige Anordnung der ersten Ausströmöffnung zur zweiten Ausströmöffnung die Erzeugung von Wirbeln und Turbulenzen möglich, da die Ausbuchtung zu Verengungen und Aufweitungen führt, wodurch in dem Injektionsstrom Wirbel und Turbulenzen erzeugt werden.
Dabei kann eine erste Ausströmöffnung der ersten Substratzuleitung in Strömungsrichtung versetzt zu einer zweiten Ausströmöffnung der zweiten Substratzuleitung angeordnet sein. Vorteilhaft ist durch eine derartig versetzte Anordnung der ersten Ausströmöffnung zur zweiten Ausströmöffnung ebenfalls die Erzeugung von Wirbeln und Turbulenzen möglich, da dies durch den häufigen Richtungswechsel des Injektionsstromes unterstützt wird.
Für manche Anwendungen kann auch die Anordnung der Substratzuleitungen unter einem spitzen Winkel zum Injektionsstrom von Vorteil sein. In diesem Fall kann eine durch die erste Ausströmöffnung der ersten Substratzuleitung und/oder eine durch die zweite Ausströmöffnung der zweiten Substratzuleitung aufgespannte Ebene parallel zum Injektionsstrom angeordnet sein. In diesem Fall können die beiden Substratströme aufeinander prallen und durch Turbulenzen und Verwirbelungen besser miteinander vermischt werden.
Des Weiteren kann in Strömungsvorrichtung vor der ersten Substratzuleitung und in Strömungsvorrichtung vor der zweiten Substratzuleitung zumindest eine dritte Substratzuleitung vorgesehen sein, die ebenfalls in den Injektionsstrom hinein ragt. Dabei ist es denkbar, dass auch mehrere Paare von erster und zweiter Substratzuleitungen hintereinander angeordnet sind, ggf. unterbrochen durch eine oder mehrere dritte Substratzuleitungen. Es ist ebenfalls denkbar, dass in Umfangsrichtung der Misch-/Dosiervorrichtung mehrere Paare von ersten und zweiten Substratzuleitungen jeweils in einer Ebene angeordnet sind, um eine besonders gleichmäßige Zuleitung der Substratfluide zu erreichen. Aufgrund von mehreren Substratzuleitungen können demzufolge mit einer Misch-/Dosiervorrichtung unterschiedliche Substrate bzw. Chemikalien in den Injektionsstrom eingespeist werden, sodass die Anlage insgesamt konstruktiv einfacher ausgebildet werden kann und weniger zu wartende Bauelemente aufweist.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 eine Misch-/Dosiervorrichtung mit einer integrierten Elektrolysevorrichtung,
2 eine Misch-/Dosiervorrichtung mit einer baulich getrennten Elektrolysevorrichtung,
3 eine Misch-/Dosiervorrichtung mit einer zwischen einer Mischvorrichtung und einer Elektrolysevorrichtung angeordneten Bevorratungsvorrichtung,
4 eine als Diffusor ausgebildete Mischvorrichtung,
5 eine Misch-/Dosiervorrichtung mit zwei senkrecht zu einem Injektionsstrom und einander gegenüber liegend angeordneten Substratzuleitungen,
6 eine Misch-/Dosiervorrichtung mit zwei senkrecht zu dem Injektionsstrom angeordneten und mit Auswölbungen versehenen Substratzuleitungen,
7 eine Misch-/Dosiervorrichtung mit zwei schräg zu dem Injektionsstrom und einander gegenüber liegend angeordneten Substratzuleitungen,
8 eine Misch-/Dosiervorrichtung mit zwei gegenüber liegend angeordneten Substratzuleitungen und einer vor den beiden Substratzuleitungen in Strömungsrichtung vorgelagerten dritten Substratzuleitung.
Eine Maschine 100 zur Herstellung einer Faserstoffbahn, wie in 1 gezeigt, kann mit einer Misch-/Dosiervorrichtung 110 ausgestattet sein, mit der ein Substratstrom 120, der elektrochemisch erzeugte Aluminiumionen aufweist, in einen Injektionsstrom 130 eingemischt werden kann, wobei mittels der Misch-/Dosiervorrichtung 110 die beiden Ströme 120, 130 in einen Prozessstrom 140 injiziert werden. Mittels der Misch-/Dosiervorrichtung 110 kann zumindest ein weiterer Substratstrom 150 mit dem Injektionsstrom 130 vermischt werden, wobei der weitere Substratstrom 150 elektrochemisch erzeugte Aluminiumionen aufweisen kann und/oder eine andere Zusammensetzung besitzt.
Die Misch-/Dosiervorrichtung weist weiterhin eine Elektrolysevorrichtung 160, mittels der elektrochemisch erzeugte Aluminiumionen dem Substratstrom 120 zugesetzt werden, auf. Des Weiteren weist die Misch-/Dosiervorrichtung 110 eine Mischvorrichtung 170 auf, und ist mit einer Dosiervorrichtung 180 und einer Düsenvorrichtung 190 ausgestattet. Mittels der Dosiervorrichtung 180 kann das Injektionsfluid mittels des Injektionsstromes 130 in ausreichender Menge dem Prozessstrom 140 zugeführt werden, und mit der Düsenvorrichtung 190 kann die gewünschte und notwendige Strömungsgeschwindigkeit des Injektionsstromes 130 in den Prozessstrom 140 eingestellt werden. Dabei kann die Elektrolysevorrichtung 160 integral mit der Mischvorrichtung 170 ausgebildet sein, sodass die Elektrolysevorrichtung 160 und die Mischvorrichtung 170 eine bauliche Einheit ausbilden.
Es ist auch denkbar, wie in 2 dargestellt, dass die Mischvorrichtung 170 mit der Elektrolysevorrichtung 160 keine bauliche Einheit ausbildet, sodass die Elektrolysevorrichtung 160 baulich von der Mischvorrichtung 170 getrennt ausgebildet ist und die Vorrichtungen 160, 170 über eine Zuleitung 200 fluidisch miteinander verbunden sind.
In einer erweiterten Ausführungsform, wie in der 3 ausgeführt, kann zudem zwischen der Elektrolysevorrichtung 160 und der Mischvorrichtung 170, die baulich voneinander getrennt sind und über die Zuleitung 200 fluidisch miteinander verbunden sind, in der Zuleitung 200 eine Bevorratungsvorrichtung 210 angeordnet sein, mittels der die Erzeugung der Aluminiumionen mittels der Elektrolysevorrichtung 160 und die Injektion des Injektionsstromes 130 in den Prozessstrom 140 zeitlich und räumlich voneinander getrennt werden können.
Die Mischvorrichtung 110, wie in 4 gezeigt, kann als ein Diffusor 220 ausgebildet werden, der zumindest einen Stufensprung 230, 230’ aufweist. Dabei wird strömt in einer Strömungsrichtung 240 der Injektionsstrom 130 durch die Mischvorrichtung 170. Vor dem jeweiligen Stufensprung 230, 230’ in Strömungsrichtung 240 ist ein jeweiliger vorhergehender Teilabschnitt 250, 250’ angeordnet. Dem Stufensprung 230, 230’ ist jeweils ein nachfolgender Teilabschnitt 260, 260’ in Strömungsrichtung 240 nachfolgend. Dabei weist der jeweilige vorhergehende Teilabschnitt 250, 250’ einen vorhergehenden Durchmesser 270, 270‘ auf und der nachfolgende Teilabschnitt 260, 260’ einen nachfolgenden Durchmesser 280, 280’. Zudem weist jeder nachfolgende Teilabschnitt eine Länge 290 auf. Bevorzugt dabei ein Stufensprungverhältnis, also ein Quotient aus dem nachfolgenden Durchmesser 280, 280’ und dem vorhergehenden Durchmesser 270, 270’ von 1,2–1,5. Die Länge 290 des jeweiligen nachfolgenden Teilabschnittes 260, 260’ kann zum Einen das 20fache bis 180fache des Stufensprungverhältnisses betragen und/oder zum Anderen das 20fache bis 100fache der Differenz aus nachfolgendem Durchmesser 280, 280’ und vorhergehendem Durchmesser 270, 270’.
Durch den jeweiligen Stufensprung 230, 230’ wird in Strömungsrichtung 240 nach demselben ein Bereich mit hoher Turbulenz 300, 300’ erzeugt. Über in der 4 nicht gezeigte Bohrungen können dem Injektionsstrom 130 ein oder mehrere Substratströme 120, 150 zugeführt werden.
Die Misch-/Dosiervorrichtung 110 bzw. die Mischvorrichtung 170 kann, wie in 5 dargestellt, derartig zum Prozessstrom 140 angeordnet sein, dass der Injektionsstrom 130 senkrecht in den Prozessstrom 140 eingeleitet wird. Zudem kann die Mischvorrichtung 170 eine erste Substratzuleitung 310 aufweisen und eine zweite Substratzuleitung 320. Dabei können die beiden Substratzuleitungen 310, 320 derart angeordnet sein, dass die zugehörigen Substratströme 120, 150 senkrecht in den Injektionsstrom 130 eingeführt werden. Dabei können die in der 5 gezeigten Substratströme 120, 150 auch umgekehrt angeordnet sein. Ein erster Durchmesser 330 der ersten Substratzuleitung 310 kann dabei größer ausgebildet sein, als ein zweiter Durchmesser der zweiten Substratzuleitung 320. Zudem ist es denkbar, dass die erste Ausströmöffnung 350 der ersten Substratzuleitung 310 gegenüber der zweiten Ausströmöffnung 360 der zweiten Substratzuleitung 320 angeordnet ist. Aufgrund einer derartigen Anordnung kann eine Umströmung des weiteren Substratstromes 150 mit dem Substratstrom 120 und eine Durchmischung derselben vor Einmischung der beiden Substratströme 120, 150 in den Injektionsstrom 130 stattfinden und demzufolge eine intensive Durchmischung der Ströme 120, 130, 150 erreicht werden.
Um einen Diffusor-ähnliches Prinzip, wie in 6 dargestellt, zu erreichen, kann die erste Substratzuleitung 310 eine Ausbuchtung 370 und die zweite Substratzuleitung 320 eine Ausbuchtung 375 aufweisen, die in den Injektionsstrom 130 hineinragen und demzufolge für Turbulenzen und Verwirbelungen sorgen.
Es ist ebenso denkbar, dass, wie in 7 dargestellt, die Substratzuleitungen 310, 320 bzw. die Substratströme 120, 150 unter spitzen Winkeln α, β zu dem Injektionsstrom 130 angeordnet sind. Eine derartige schräge Einleitung der Substratströme 120, 150 kann unter bestimmten Voraussetzungen vorteilhaft für eine schnelle und umfassende Durchmischung der Ströme 120, 130, 150 vorteilhaft sein.
Vor den Substratzuleitungen 310, 320, wie in 8 dargestellt, kann eine in Strömungsrichtung 240 vorgeordnete dritte Substratzuleitung 380 vorgesehen sein. Mittels der dritten Substratzuleitung 380 kann ein weiterer Substratstrom 120 oder 150 in den Injektionsstrom 130 eingemischt werden. Dabei ist es auch denkbar, dass in beliebiger Anzahl und Abfolge mehrere Substratzuleitungspaare 310, 320 und ein oder mehrere dritte Substratzuleitungen 380 in Strömungsrichtung 240 an der Mischvorrichtung 170 abfolgend angeordnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10/2010001769 A1 [0006]
DE 10/2010001801 A1 [0006]
DE 10/2010001808 A1 [0006]
DE 10/2010030996 A1 [0006]
DE 10/2010028571 A1 [0008]

Claims

Misch-/Dosiervorrichtung, insbesondere für eine Maschine (100) zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Mischvorrichtung (170), einer Dosiervorrichtung (180) und einer Düsenvorrichtung (190), dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrolysevorrichtung (160) vorgesehen ist, die ein, elektrochemisch erzeugte Aluminiumionen aufweisendes, Substratfluid herstellt, das als zumindest ein Substratstrom (120) mittels der Mischvorrichtung (170) in ein die Misch-/Dosiervorrichtung (110) in Strömungsrichtung (240) durchströmendes Injektionsfluid eingemischt wird, wobei das Injektionsfluid als ein Injektionsstrom (130) in einen, ein Prozessfluid aufweisenden, Prozessstrom (140) mittels der Düsenvorrichtung (190) injiziert und mittels der Dosiervorrichtung (180) eindosiert wird.
Misch-/Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Ströme, Substratstrom (120), Injektionsstrom (130), Prozessstrom (140), zu zumindest einem der Ströme, Substratstrom (120), Injektionsstrom (130), Prozessstrom (140), zumindest eine Anordnung ausgewählt aus folgender Gruppe aufweist: eine senkrechte Anordnung, eine Anordnung unter einem spitzen Winkel (α, β), eine konzentrische Anordnung.
Misch-/Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung (160) zumindest eine Eigenschaft ausgewählt aus folgender Gruppe aufweist: eine integrale Ausbildung mit der Mischvorrichtung (170), eine von der Mischvorrichtung (170) baulich getrennte Ausbildung, eine direkt mit der Mischvorrichtung (170) fluidisch verbundene Ausbildung, eine indirekt mit der Mischvorrichtung (170) über eine Bevorratungsvorrichtung (210) fluidisch verbundene Ausbildung.
Misch-/Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung (180) zumindest ein Bauelement aus folgender Gruppe aufweist: eine Drossel, ein Ventil, ein regelbares Ventil.
Misch-/Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenvorrichtung (190) zumindest ein Bauelement ausgewählt aus folgender Gruppe aufweist: eine austauschbare Düse, eine regelbare Düse, eine Düse gemäß des Jet-Dosier-Prinzips, die Dosiervorrichtung (180), wobei die Düsenvorrichtung (190) und die Dosiervorrichtung (180) integral ausgebildet sind.
Misch-/Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (170) als ein Diffusor (220) mit zumindest einem Stufensprung (230, 230') ausgebildet ist und zumindest eine Eigenschaft ausgewählt aus folgender Gruppe aufweist: eine zylindrische Ausbildung eines in Strömungsrichtung (240) vor dem jeweiligen Stufensprung (230, 230') angeordneten vorhergehenden Teilabschnitts (250, 250') mit einem vorhergehenden Durchmesser (270, 270'), eine zylindrische Ausbildung eines in Strömungsrichtung (240) nach dem jeweiligen Stufensprung (230, 230') angeordneten, nachfolgenden Teilabschnitts (260, 260') mit einem nachfolgenden Durchmesser (280, 280'), ein Stufensprungverhältnis, also einen Quotienten aus dem nachfolgenden Durchmesser (280, 280') und dem vorhergehenden Durchmesser (270, 270'), von 1,1 bis 5,0, eine das 20-fache bis 180-fache des Stufensprungverhältnisses betragende Länge (290) des nachfolgenden Teilabschnitts (260, 260'), eine das 20-fache bis 100-fache der Differenz aus nachfolgendem Durchmesser (280, 280') und vorhergehendem Durchmessers (270, 270') betragende Länge (290) des nachfolgenden Teilabschnitts (260, 260'), eine Einleitung des Substratfluids in einen Bereich hoher Turbulenz (300, 300') in Strömungsrichtung (240) nach dem jeweiligen Stufensprung (230, 230').
Misch-/Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (170) eine erste Substratzuleitung (310) und eine zweite Substratzuleitung (320) aufweist, die beide in den Injektionsstrom (130) hineinragen, wobei die beiden Substratzuleitungen (310, 320) senkrecht zum Injektionsstrom (130) angeordnet sind, wobei eine erste Ausströmöffnung (350) der ersten Substratzuleitung (310) unmittelbar gegenüber einer zweiten Ausströmöffnung (360) der zweiten Substratzuleitungen (320) angeordnet sein kann, wobei ein zweiter Durchmesser (340) der zweiten Substratzuleitung (320) kleiner sein kann, als ein erster Durchmesser (330) der ersten Substratzuleitung (310).
Misch-/Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (170) eine erste Substratzuleitung (310) und eine zweite Substratzuleitung (320) aufweist, die beide in den Injektionsstrom (130) hineinragen, wobei die beiden Substratzuleitungen (310, 320) senkrecht zum Injektionsstrom (130) angeordnet sind, wobei die erste Substratzuleitung (310) von einer in den Injektionsstrom (130) hineinragenden, ersten Ausbuchtung (370) umgeben ist, wobei die zweite Substratzuleitung von einer in den Injektionsstrom hineinragenden zweiten Ausbuchtung (375) umgeben ist, wobei eine erste Ausströmöffnung (350) der ersten Substratzuleitung (310) in Strömungsrichtung (240) versetzt zu einer zweiten Ausströmöffnung (360) der zweiten Substratzuleitungen (320) angeordnet sein kann, wobei ein zweiter Durchmesser (340) der zweiten Substratzuleitung (320) kleiner sein kann, als ein erster Durchmesser (330) der ersten Substratzuleitung (310).
Misch-/Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (170) eine erste Substratzuleitung (310) und eine zweite Substratzuleitung (320) aufweist, die beide in den Injektionsstrom (130) hineinragen, wobei die beiden Substratzuleitungen (310, 320) unter einem spitzen Winkel (α,β) zum Injektionsstrom (130) angeordnet sind, wobei eine erste Ausströmöffnung (350) der ersten Substratzuleitung (310) unmittelbar gegenüber einer zweiten Ausströmöffnung (360) der zweiten Substratzuleitungen (320) angeordnet sein kann, wobei eine durch die erste Ausströmöffnung (350) aufgespannte Ebene parallel zum Injektionsstrom (130) angeordnet sein kann, wobei eine durch die zweite Ausströmöffnung (360) aufgespannte Ebene parallel zum Injektionsstrom (130) angeordnet sein kann.
Misch-/Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (240) vor der ersten Substratzuleitung (310) und in Strömungsrichtung (240) vor der zweiten Substratzuleitung (320) zumindest eine dritte Substratzuleitung (380) vorgesehen ist, die in den Injektionsstrom (130) hineinragt.