DE10255842A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Chemikalien in eine Fasersuspension - Google Patents

Abstract

Der Chemikalienstrom wird in den Fasersuspensionsstrom in Verbindung mit einer Rohrerweiterung eingeleitet, die ein erstes Rohr und ein in seinem Durchmesser größeres zweites Rohr, die über eine zur Strömungsrichtung senkrechte Erweiterungsstufe aneinander gefügt sind, umfasst. Das Einleiten des Chemikalienstromes in den Fasersuspensionsstrom kann entweder im zweiten Rohr in der auf die Erweiterungsstufe folgenden Zone idealer Vermischung erfolgen oder im ersten Rohr so nahe bei der Erweiterungsstufe, dass den zugesetzten Chemikalien keine Zeit bleibt, vor Erreichen der Erweiterungsstufe mit der Fasersuspension zu reagieren.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Einbringen von Chemikalien in die Fasersuspension im Primärkreislauf der Papiermaschine. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Einbringen von Chemikalien in die Fasersuspension im Primärkreislauf der Papiermaschine.
• Papier bzw. Karton besteht aus einem Gemisch aus Fasern, Feinstoff und diversen Hilfsstoffen. Ein Teil der Komponenten des Papiers wird bereits in der Stoffaufbereitungsanlage miteinander vermischt, aber ein Teil der Chemikalien wird dem fertigen Stoffgemisch erst kurz vor dessen Einleiten in den Stoffauflauf zugesetzt.
• Im Hinblick auf die Papier- bzw. Kartoneigenschaften ist es außerordentlich wichtig, dass sämtliche Rohstoffkomponenten bei der Blattbildung zu einem möglichst homogenen Gemisch vermischt sind, und das setzt im Primärkreislauf der Papiermaschine ein leistungsfähiges Chemikalieneintragssystem voraus. Besonders wichtig ist, dass sich die Chemikalien gut mit dem gesamten Stoffvolumen vermischen. So müssen zum Beispiel die Retentionsmittel, die dazu dienen, die Feinstoffretention in der Siebpartie zu verbessern, möglichst gleichmäßig mit dem Stoff vermischt werden, damit ein maximaler Effekt erzielt wird und Schwankungen in den Papiereigenschaften vermieden werden. Zugesetzt werden die Retentionsmittel gewöhnlich vor Vorrichtungen, die in der Strömung Schubspannungen verursachen, wie zum Beispiel Pumpen, Sortierer und Wirbelsichter. Oft werden die Chemikalien über einen Einspeisering in die Rohrleitung eingetragen. Das Problem dabei ist, die Chemikalie gleichmäßig unter die Pfropfenströmung zu mischen. Es können im Rohrinneren auch kreuzweise angeordnete Schlitzdüsen eingesetzt werden. Das Problem bei dieser Lösung besteht in hohem Verschmutzungsrisiko und schlechter Vermischung.
• Verallgemeinernd kann festgestellt werden, dass es bei geringem Mischungsvolumen und ausreichend starker mischungsfördernder Turbulenz am leichtesten ist, ein homogenes Gemisch zu erzielen. Man war deshalb bestrebt, in Papier- und Kartonherstellungsprozessen in der Strömung Turbulenz bewirkende Vorrichtungen für diesen Zweck auszunutzen indem man Chemikalienkomponenten vor diesen Sortierern und Pumpen zusetzte. Beim schnellen Rotieren der Sortierer- bzw. Pumpen-Rotorschaufeln entstehen außerordentlich starke Scherfelder, die Turbulenz bewirken. In der Praxis können sich die so entstandenen Scherfelder sogar als zu stark erweisen und dann zu einer Zerstückelung von Polymerketten führen, was die Wirkung der Polymere als Retentionsmittel herabsetzt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gleichmäßige Verteilung der Chemikalien auf die Fasersuspension und somit als Ergebnis ein homogenes Gemisch zu erzielen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Chemikalien so behutsam einzubringen, dass kein Zerstückeln der Polymerketten erfolgt.
• Die Lösung der vorgenannten, nachstehend näher erläuterten Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens und entsprechend mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 4 aufgeführten Merkmalen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Fasersuspension neigt typischerweise zu Flockenbildung, was im Hinblick auf optimales Untermischen von Chemikalien ein wesentlicher Nachteil ist. Auflösen lässt sich die Flockenstruktur durch Erzeugen ausreichender Turbulenz in der Strömung. Eine vorteilhafte Methode zur Fluidisierung der Fasersuspension besteht in der Erzeugung von Turbulenz in einem stufenförmigen Erweiterungsteil des Strömungskanals der Fasersuspension. Eine solche Lösung kommt zum Beispiel im Turbulenzgenerator des Stoffauflaufs zur Anwendung. Durch abrupte Erweiterung des Strömungskanals wird in der Strömung ein rücklaufender Wirbel mit einem kräftigen Scherfeld an seinen Grenzflächen erzeugt, das eine beachtliche Turbulenz bewirkt. Der rücklaufende Wirbel erstreckt sich bis zum Stagnationspunkt, wonach die Turbulenz dann allmählich abklingt. Die kräftige Turbulenz zerteilt die Flocken der Fasersuspension und bewirkt eine Fluidisierung des Suspensionsstromes. Zur Gewährleistung einer möglichst intensiven Fluidisierung ist dafür zu sorgen, dass für die Bildung des rücklaufenden Wirbels unter allen Prozessbedingungen ausreichend Raum vorhanden ist.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Fluidisieren des Fasersuspensionsstromes durch Einleiten desselben in eine rotationssymmetrische Rohrerweiterung, in der das erste Rohr sich stufenartig zu einem zweiten Rohr erweitert, wobei das Einbringen des Chemikalienstroms in Verbindung mit der Rohrerweiterung erfolgt. Das Einbringen des Chemikalienstromes kann entweder in das zweite Rohr in der auf die Erweiterungsstufe folgenden Zone idealer Vermischung erfolgen oder aber in das erste Rohr so nahe bei der Erweiterungsstufe, dass die Chemikalie nicht zum Reagieren kommt, bevor sie in den von der Erweiterungsstufe in der Strömung verursachten rücklaufenden Wirbel gerät. Das Einbringen erfolgt über in der Erweiterungsstufe oder am Rohrumfang symmetrisch angeordnete Injektionsöffnungen oder -rohre, wobei auch mehrere aufeinander folgende Einleitungsstellen vorhanden sein können.
• Die Intensität des in der rotationssymmetrischen Erweiterung des Strömungskanals erzeugten Scherfeldes reicht aus, für das Untermischen der Chemikalien optimale Bedingungen zu schaffen, jedoch bleiben die Schubspannungen beträchtlich geringer als zum Beispiel in dem von Pumpen- oder Sortiererschaufeln erzeugten Scherfeld. Die optimale Methode, Chemikalien unter das gesamte Volumen der Fasersuspension zu mischen, besteht also darin, die verschiedenen Komponenten so in die Rohrerweiterung einzubringen, dass sie an die Grenzfläche des sich hinter der Erweiterung bildenden rücklaufenden Wirbels geleitet werden und so in ein ausreichend intensives, aber die Polymer-Molekülkette unzerstückelt lassendes Scherfeld geraten. Die Dosierung der Chemikalien kann dabei entweder an einer einzigen oder an mehreren aufeinander folgenden Rohrerweiterungsstufen erfolgen.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich infolge gleichmäßigerer Verteilung der Chemikalien deren Dosiermengen verringern und damit Kosteneinsparungen erzielen.
• Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, auf deren Details die Erfindung jedoch nicht eng beschränkt werden soll.
• Fig. 1A zeigt schematisch die Wirkung der Rohrerweiterung auf das Strömungsverhalten.
• Fig. 1B veranschaulicht die Flockigkeit der Fasersuspension an der Stelle B in Fig. 1A.
• Fig. 1C veranschaulicht die Flockigkeit der Fasersuspension an der Stelle C in Fig. 1A.
• Fig. 1D veranschaulicht die Flockigkeit der Fasersuspension an der Stelle D in Fig. 1A.
• Fig. 2 zeigt das Einbringen von Chemikalien über die Erweiterungsstufe der Rohrerweiterung.
• Fig. 3 zeigt zwei alternative Chemikalien-Dosierpositionen in Verbindung mit der Rohrerweiterung.
• Fig. 4 zeigt eine alternative Chemikalien-Dosierposition unmittelbar vor der Rohrerweiterung.
• Fig. 5 zeigt das Einbringen von Chemikalien über einen in die Erweiterungsstufe eingefügten Eintragsflansch.
• Fig. 6 zeigt das Einbringen von Chemikalien über an der Erweiterungsstufe angeordnete Zuführungsschläuche.
• Mit Bezugnahme auf Fig. 1A-1D sei zuerst die Wirkung der stufenartigen Vergrößerung des Strömungskanalquerschnittes auf die Fasersuspensionsströmung erörtert. Die Fasersuspensionsströmung verläuft in Pfeilrichtung zunächst in einem ersten Rohr 1 und nimmt dann hinter einer Erweiterungsstufe 3 ihren Fortgang in einem zweiten Rohr 2, wobei Rohr 1 und Rohr 2 koaxial zueinander verlaufen. Die Erweiterungsstufe 3 besteht aus einem rechtwinklig zu den Achsen der Rohre 1 und 2 verlaufenden Ringflansch, dessen Innendurchmesser dem Durchmesser D₁ des ersten Rohres 1 und dessen Außendurchmesser dem Durchmesser D₂ des zweiten Rohres 2 entspricht. Das Verhältnis aus dem Rohrdurchmesser D₂ hinter und D₁ vor der Erweiterungsstufe beträgt bevorzugt D₂/D₁ = 1,1 . . . 5,0. Bei der erfindungsgemäßen Lösung beträgt die Höhe h = (D₂-D₁)/2 der Erweiterungsstufe 3 bevorzugt wenigstens 50 mm bei einem Rohrdurchmesser von 500 mm. Auf jeden Fall muss die Höhe h der Erweiterungsstufe 3 größer als die Faserlänge sein, das heißt sie muss wenigstens 2 mm betragen.
• Die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts bewirkt in der Strömung einen rücklaufenden Wirbel E, in dessen Grenzschichten große Schubspannungen herrschen. Diese bewirken in der Strömung Turbulenz, die ausreichend stark ist, um die Flocken zu zerteilen und so den Suspensionsstrom zu fluidisieren. Mit der Fluidisierung des Fasersuspensionsstromes nimmt dieser Strömungseigenschaften an, die denjenigen von Wasser gleichen, und die Mehrphasenströmung beginnt sich wie eine Einphasenströmung zu verhalten.
• In Fig. 1B-1D ist die Flockigkeit der Fasersuspension an der Stelle B vor der Erweiterungsstufe 3, unmittelbar hinter dem Endpunkt des rücklaufenden Wirbels E, das heißt hinter dem Stagnationspunkt S an der Stelle C und nach einer kurzen Zeit erneuter Flockenbildung an der Stelle D veranschaulicht. Vor der Erweiterungsstufe 3 sind die Flocken groß (Fig. 1B), und die Strömung verläuft als Pfropfenströmung. Hinter dem Stagnationspunkt S des rücklaufenden Wirbels E sind die Flocken klein und gleichmäßig verteilt (Fig. 1C) Die Turbulenz hält den Strom in gut durchmischtem Zustand. Je weiter sich der Strom von der Erweiterungsstufe 3 entfernt, eine desto stärkere erneute Flockenbildung ist zu beobachten (Fig. 1D).
• Auf die Erweiterungsstufe 3 folgt also eine Zone turbulenter und gut fluidisierter Strömung, die sich in Strömungsrichtung etwas über den Stagnationspunkt S hinaus erstreckt und als Zone idealer Vermischung bezeichnet wird. Die Länge L dieser Zone idealer Vermischung ist abhängig u. a. von der Höhe h der Erweiterungsstufe 3, der Stoffdichte der Fasersuspension und der mittleren Faserlänge. Die Länge L der Zone idealer Vermischung beträgt im Allgemeinen etwa das 20- bis 50-fache der Höhe h der Erweiterungsstufe 3.
• Um ein gleichmäßiges Vermischen der zugesetzten Chemikalie mit der Fasersuspension zu erzielen, muss diese dem Suspensionsstrom in einer Phase zugeführt werden, in der dieser in gut fluidisierter Form vorliegt. Die Fasersuspension hat dann nur geringe Flockigkeit und eine Turbulenz, die zwar ausreicht, Chemikalie und Fasersuspension gut miteinander zu vermischen, jedoch nicht so heftig ist, dass Polymerketten der Chemikalie dabei zerstückelt würden. In Fig. 2-4 sind in Verbindung mit der Rohrerweiterung verschiedene Positionen gezeigt, in denen das Einbringen der Chemikalien mit dem Ergebnis gleichmäßiger, intensiver Vermischung erfolgen kann.
• Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zum Einbringen von Chemikalien in die Fasersuspension. Der Chemikalienstrom F₁ wird parallel zur Hauptstromrichtung in die Erweiterungsstufe 3 in der Nähe jener Stelle geführt, wo sich der Hauptstrom aus dem ersten Rohr 1 in das zweite Rohr 2 ergießt. Der an der Rohrerweiterungsstelle einzuleitende Chemikalienstrom F₁ wird so gegen den rücklaufenden Wirbel E gerichtet, dass er an die Grenzfläche zwischen rücklaufendem Wirbel und Hauptstrom gerät. Die vom rücklaufenden Wirbel E bewirkte Turbulenz zerteilt die in der Fasersuspension vorhandenen Flocken und bewirkt gleichzeitig ein gleichmäßiges Vermischen der Chemikalie mit dem Fasersuspensionsstrom. In der Praxis erfolgt das Einbringen der Chemikalie in die Erweiterungsstufe 3 über symmetrisch angeordnete Injektionsöffnungen oder -rohre, die in den Zeichnungen nicht im Einzelnen dargestellt sind.
• Fig. 3 zeigt zwei alternative Chemikaliendosierpositionen. Bei der einen Position ist der Chemikalienstrom F₂ schräg in die Mitte des rücklaufenden Wirbels E gerichtet, bei der anderen Position ist der Chemikalienstrom F₃ auf ein Stelle des Suspensionstroms hinter dem Stagnationspunkt 5 gerichtet, an der die Fasersuspension noch gut vermischt ist.
• In Fig. 4 wird der Chemikalienstrom F₄ im ersten Rohr 1 unmittelbar vor der Erweiterungsstufe 3 in den Fasersuspensionsstrom geleitet. Die Dosierstelle muss so nahe bei der Erweiterungsstelle liegen, dass der zugesetzten Chemikalie keine Zeit bleibt, vor der in der Erweiterungsstufe erfolgenden kräftigen Vermischung des Stromes zu reagieren oder sich an die Fasern zu binden.
• In Fig. 5 und 6 sind zwei alternative Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, bei denen das Einbringen der Chemikalien über einen Gutstoffflansch 13 des dem Stoffauflauf vorgeschalteten Maschinensortierers erfolgt, wobei ein Strom-Reduzierrohr 11 direkt an diesen Sortierer montiert ist (nicht gezeigt). Der Gutstoffflansch ist mit einer Anzahl Injektionsöffnungen 14 versehen, über die der Chemikalienstrom parallel zu dem aus dem Reduzierrohr 11 austretenden Hauptstrom in den Fasersuspensionsstrom eingeleitet wird. Die Injektionsöffnungen 14 sind symmetrisch um die Mündung des Rohres 11 herum angeordnet. Die Rohre 11 und 12 verlaufen koaxial zueinander, so dass sich der Strömungskanal an der Stufe 3 rotationssymmetrisch erweitert.
• In Fig. 6 werden die Chemikalien über Schläuche 19 direkt in die im Gutstoffflansch 13 vorhandenen Injektionsöffnungen 14 geführt.
• In dem Beispiel von Fig. 5 ist an den Gutstoffflansch 13 ein Chemikalieneintragsflansch 15 gefügt, der eine oder mehrere Zufuhrkanäle 16 hat, von denen aus die Chemikalie durch die Injektionsöffnungen 14 hindurch in das Rohr 12 geleitet wird. Diese Zufuhrkanäle 16 können in der gleichen Art ausgeführt werden wie die zur Zuführung von Verdünnungswasser dienenden Kanäle bei Verdünnungsstoffaufläufen. In die Kanäle 16 des Eintragsflansches 15 gelangt der Chemikalienstrom über eine mit einem Ventil 18 versehene Rohrleitung 17.
• Das erfindungsgemäße Chemikalieneinbring-Prinzip, bei dem das von einer rotationssymmetrischen Rohrerweiterung in der Strömung bewirkte maximale Scherfeld ausgenutzt wird, kann in verschiedenen Stufen des Papierherstellungsprozesses angewendet werden. Das Verfahren funktioniert bei der Dosierung sowohl kleiner als auch großer Chemikalienmengen in der beschriebenen Weise und eignet sich zur Dosierung aller dem Papierfaserstoff im Primärkreislauf zuzusetzender Chemikalien und Hilfsmittel. Die zuzusetzende Chemikalie kann dabei in flüssiger, fester oder Gasform oder als Gemisch derselben vorliegen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Einbringen von Chemikalien in die Fasersuspension im Primärkreislauf der Papiermaschine,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Chemikalienstrom (F₁; F₂; F₃; F₄) in den Fasersuspensionsstrom in Verbindung mit einer Rohrerweiterung eingebracht wird, die aus einem ersten Rohr (1) und einem in seinem Durchmesser größeren zweiten Rohr (2), die über eine zur Strömungsrichtung senkrechte Erweiterungsstufe (3) miteinander verbunden sind, besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chemikalienstrom (F₁; F₂; F₃; F₄) im zweiten Rohr (2) in der auf die Erweiterungsstufe (3) folgenden Zone idealer Vermischung, deren Länge (L) höchstens das 50-fache der Höhe (h) der Erweiterungsstufe (3) beträgt, in den Fasersuspensionsstrom geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chemikalienstrom (F₄) im ersten Rohr (1) so nahe bei der Erweiterungsstufe (3) in den Fasersuspensionsstrom geleitet wird, dass den zugesetzten Chemikalien keine Zeit bleibt, vor dem Eintritt des Stromes in die Erweiterungsstufe (3) mit der Fasersuspension zu reagieren.

4. Vorrichtung zum Einbringen von Chemikalien in die Fasersuspension im Primärkreislauf der Papiermaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine rotationssymmetrische Rohrerweiterung aufweist, die ein erstes Rohr (1; 11) und ein in seinem Durchmesser größeres zweites Rohr (2; 12), die über eine zur Strömungsrichtung senkrecht verlaufende Erweiterungsstufe (3; 13) aneinander gefügt sind, sowie Mittel zum in Verbindung mit der Rohrerweiterung erfolgenden Einleiten des Chemikalienstromes (F₁; F₂; F₃; F₄) in den durch die Rohrerweiterung fließenden Fasersuspensionsstrom umfasst.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Einleiten des Chemikalienstromes in den Fasersuspensionsstrom dienenden Mittel eine Anzahl Injektionsöffnungen (14) sowie Mittel (15-18; 17-19) zum Heranführen des Chemikalienstromes an die Injektionsöffnungen (14) umfassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einleiten des Chemikalienstromes in den Fasersuspensionsstrom eine Anzahl Injektionsöffnungen, angeordnet an einem als Erweiterungsstufe dienenden Flansch (3; 13), umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einleiten des Chemikalienstromes in den Fasersuspensionsstrom eine Anzahl Injektionsöffnungen, angeordnet am Umfang des zweiten Rohres (2) an einer Stelle, deren Abstand von der Erweiterungsstufe (3) höchstens das 50-fache der Höhe (h) der Erweiterungsstufe (3) beträgt, umfassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einleiten des Chemikalienstromes in den Fasersuspensionsstrom eine Anzahl Injektionsöffnungen, angeordnet am Umfang des ersten Rohres (1) an einer Stelle, die der Erweiterungsstufe (3) vorangeht, umfassen.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr aus dem Gutstoffrohr (11) des dem Stoffauflauf vorgeschalteten Maschinensortierers besteht und als Erweiterungsstufe der Gutstoffflansch (13) des besagten Sortierers fungiert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gutstoffflansch (13) des Maschinensortierers ein Chemikalieneintragsflansch (15) gefügt ist, der Strömungskanäle (16) zum Heranführen des Chemikalienstromes an die am Gutstoffflansch (13) vorhandenen Injektionsöffnungen (14) aufweist.

11. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem Durchmesser (D₂) des zweiten Rohres (2; 12) und dem Durchmesser (D₁) des ersten Rohres (1; 11) im Bereich D₂/D₁ = 1,1 . . . 5, 0 liegt.

12. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Erweiterungsstufe (3) wenigstens 2 mm, bevorzugt wenigstens 50 mm beträgt.