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Verfahren zur Entfernung der im Kocher und in den Schnitzeln enthaltenen
Luft bei der Herstellung von Sulfitzellstoff aus Holz Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Entfernung der im Kocher und in den Schnitzeln enthaltenen Luft bei
der Herstellung von Sulfitzellstoff aus Holz unter Anwendung von Druckänderungen
vor Beginn des eigentlichen Kochvorganges.
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Um eine gleichmäßige und rasche Kochung zu erlangen und die sogenannten
Schwarzkochungen zu vermeiden, müssen die zu kochenden Schnitzel so vollständig
wie möglich mit der Kochlösung durchtränkt werden. Dieses an sich so einfache Ziel
hat sich als sehr schwer erreichbar herausgestellt.
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Die Aufsaugung der Kochlösung durch die Schnitzel erfolgt entweder
durch Diffusion über die Flüssigkeiten, die sich in den Zellwänden befinden, oder
durch Eindringen längs der Kapillaren der Zellgewebe. Die Aufsaugung durch Diffusion
geht langsamer vor sich als die längs der Kapillaren erfolgende. Die Aufsaugung
der Kochflüssigkeit in die Schnitzel quer zu deren Fasern verläuft sehr langsam,
so daß: der überwiegende Teil der Flüssigkeit von den Schnittenden der Schnitzel
her in Richtung der Fasern vordringen muß. Man hat festgestellt, daß die in Faserrichtung
vor sich gehende Aufsaugung 50- bis 100mal rascher verläuft als die lotrecht gegen
sie erfolgende. Da die Luft im Holzzellgewebe sich vorzugsweise in den Kapillaren
befindet, wirkt sie stark verlangsamend auf die sich hier abspielende Aufsaugung.
Das hat dazu geführt, daß man gegenwärtig die sogenannte Ankochzeit nach der jeweiligen
Durchtränkungsgeschwindigkeit der Schnitzel bestimmt.
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Es sind vielerlei Verfahren zur Entfernung der Luft aus den Zellgeweben
und aus dem Kocher bekanntgeworden. Zu den gebräuchlichsten Verfahren zählt das
Dämpfen der Schnitzel bei der Füllung und bzw. oder im Kocher. Nun genügt aber ein
bloßes Dämpfen bei weitem nicht, um die Luft aus den Schnitzeln vollständig zu entfernen,
da eine gewisse Luftmenge immer zurückbleibt, je nach der Temperatur; die die Schnitzel
bei der Dämpfung erreichen. Andererseits kann die Temperatur nicht übermäßig gesteigert
werden, da dies die Kochung schädigt.
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Von den oben angeführten Verfahren, bei welchen die Luftmenge in den
Kocherfüllungen mittels Dampf vermindert werden soll, ist hier die sogenannte Svenssonsche
Dampffüllung genannt, die ein Dämpfen der Späne im Zusammenhang mit dem Füllen des
Kochers vorsieht. Von neueren Verfahren ist das sogenannte Va-Purge-Verfahren (USA.-Patentschrift
2 640 774) zu nennen, nach welchem nach dem Einfüllen der Schnitzel, aber vor dem
Säureeinpumpen in denKocher Dampf geleitet wird, bis der Druck eine bestimmte Höhe
erreicht hat (z. B. 1,4 at). Hierauf wird der Druck rasch abgelassen und der ganze
Vorgang einmal oder mehrmals wiederholt. Schließlich wird kalte Säure in den Kocher
gepumpt. Dieses bisher wohl für das beste gehaltene Verfahren ist aber zeitraubend,
so z. B. soll bei Anwendung von 100 m3 fassenden Kochern die gesamte Dämpfbehandlung
48 Minuten dauern. Die erzielten Kürzungen der Kochzeit gehen also zum Teil- wegen
der länger gewordenen Vorbehandlungszeit wieder verloren. Außerdem läßt sich das
Verfahren nur unter Anwendung besonderer, eigens zu diesem Verfahren bestimmter
Kocher mit -großen Dampfauslässen durchführen. Es ist folglich an sich nicht für
die Kocher geeignet, die gegenwärtig im Gebrauch sind. Die lange Dampfbehandlung
ist auch insofern nachteilig, als in der Wärme die Zellenöffnungen der Fasern zuquellen,
was die Austreibung der Luft ganz wesentlich behindert.
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Es sind auch schon verschiedene Verfahren bekannt, die Luft mittels
Vakuum aus den Schnitzeln zu entfernen. Dies führt aber nicht nur leicht zu Beschädigungen
der Kocherauskleidung, sondern ist auch sehr umständlich, erfordert eine teure Sonderausrüstung
und viel Zeit. Ein derartiger Vorschlag ging beispielsweise dahin, das zerkleinerte
Holz bei einem Dampfüberdruck von 0,5 bis 1 at zu dämpfen und dann das im Kocher
befindliche Wasserdampf-Luft-Gemisch möglichst vollständig abzusaugen. Danach soll
die Kochflüssigkeit eingelassen werden und der Druck 20- bis 40mal stoßweise von
8 bis 10 auf 16 bis 20 at
erhöht werden, um die Luft auszutreiben.
Die oben angeführten Nachteile des Vakuumverfahrens gelten für dieses Verfahren
in höchstem Maße.
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Bekannt ist auch ein Vorschlag; die Luft im Kocher während des Kochens
durch Ablassen des Luft-Dampf-Gemisches zu entfernen. Dadurch wird aber die Luft
aus den Schnitzeln nur in geringem Maße entfernt.
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Die Nachteile der bekannten Verfahren werden entsprechend der Erfindung
dadurch beseitigt, daß der Kocher nach Einbringung der Schnitzel, ohne Vorbehandlung
derselben mittels Dampfdruck und Vakuum, mit Kochflüssigkeit gefüllt wird und daß
der Druck der Kochflüssigkeit hierauf erhöht und dann rasch wieder herabgesetzt
wird. Die im oberen Teil des Kochers sich zusammendrängenden Gase oder Luft läßt
man dabei entweichen. Das kann mehrmals durchgeführt werden.
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Dadurch wird nicht nur die Anwendung von Vakuum vermieden, sondern
die Höchstdrücke können auch niedrig gehalten werden. Da das der Erfindung entsprechende
Verfahren vor Beginn der eigentlichen Kochung ohne Anwendung von Dampf durchgeführt
wird, wird das Zuquellen der Poren der Holzzellen vermieden. Das Verfahren selbst
dauert nur wenige Minuten, und infolge der gründlichen Luftentfernung wird auch
die eigentliche Kochzeit wesentlich verkürzt. Man erhält eine hohe Zellstoffausbeute
bester Qualität.
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Das neuartige Verfahren eignet sich für alle Kochverfahren, unabhängig
davon, ob dieKochweise direkt oder indirekt ist. Es eignet sich auch für Kochverfahren,
bei denen der nach der Durchtränkung überflüssig gewordene Teil der Kochflüssigkeit
abgezogen wird.
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Da die Aufsaugung von Sulfitkochsäure in die Schnitzel langsamer fortschreitet
als z. B. die von alkalischen Kochlösungen bei Sulfatkochungen, eignet sich das
Verfahren am besten für Kochungen von Sulfitzellstoff. Für die im Hauptanspruch
angeführte Kombination wird lediglich Schutz für diese Gesamtkombination, nicht
aber für die Einzelmerkmale oder Teilkombinationen beansprucht.
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Das Verfahren läßt sich kurz darstellen wie folgt: In den Kocher,
der etwa nach dem Svenssonschen Verfahren mit gedämpften Schnitzeln angefüllt wurde,
pumpt man Kochsäure und läßt gleichzeitig die im Kocher befindliche Luft wie auch
die etwaigen übrigen Gase am besten in einen unter gleichmäßigem Gegendruck stehenden
Raum ausströmen, beispielsweise durch Leiten der Gas- und Luftmischung in einen
Injektor, wie diese sich, als vielbenützte Geräte in Sulfitzellstoffabriken auf
dazu geeigneten Säurebehältern finden. Sobald der Kocher mit Säure vollgefüllt ist,
wird unter fortgesetztem Säurepumpen der sogenannte kalte Druck bis zu einem bestimmten
überdruck gesteigert, worauf eine rasche Druckminderung folgt, um z. B. zu erreichen,
daß die im oberen Teil des Kochers abgesonderte Luft, Kochflüssigkeit oder eine
Mischung dieser beiden über eine Luftleitung ausgelassen werden. Nach Sinken des
Drucks wird der kalte Druck mittels der Säurepumpe zum zweiten Mal erhöht, und wenn
der benötigte Überdruck erreicht ist, die Luft, die Kochflüssigkeit oder die Mischung
derselben neuerdings rasch über eine Luftleitung ausgelassen. Je nach Bedarf kann
das Verfahren auch einige Male wiederholt werden. Ein abwechselndes Eindringen der
Kochsäure in die Schnitzel und Ausströmen aus ihnen, bewirkbar durch abwechselndes
Steigern und rasches -Mindern des Flüssigkeitsdrucks, entfernt die Luft aus den
Schnitzeln, die sich im oberen Teil des Kochers absondert, von wo sie dann auszulassen
ist. Hierbei gleicht sich die Dichte der Kochsäure in den von Anfang an rund 20
bis 50 % Wasser enthaltenden Schnitzeln so. aus, daß zu Beginn der Kochung die Schnitzel
mit gleich starker Kochsäure vollkommen durchtränkt sind.
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Das Verfahren läßt sich innerhalb von etwa fünf Minuten bewerkstelligen,
wobei kein Dampf oder andere Hilfsmittel der Art erforderlich sind, wie man sie
bei den früheren, umständlichen Tränkungsverfahren gebrauchte. Die oben dargestellte
Luftentfernung und Vortränkung kann während der Anfangskochung noch um ein erhebliches
gesteigert werden, nämlich durch Entfernen von z. B. 15'°/o Säure der Gesamtsäuremenge
im Kocher, bei 75° C, wobei infolge eines raschen und vorübergehenden Nachlassens
des Druckes (von rund 4 atü auf 2 atü) eine die Tränkung vervollständigende Saug-
und darauffolgende Druckwirkung auf die Kapillaren der Schnitzel erzielt wird, während
der Druck mit zunehmender Wärme sich wieder steigert. Trotz obigem läßt sich z.
B. bei 110 bis 11S° C die übliche Säuremenge von etwa 20'°/o vom Kocher abziehen,
wodurch eine nicht geringe Ersparnis an Chemikalien und Wärme erreicht wird. So
wird demnach durch dieses Verfahren mit den einfachsten Mitteln ein vollständiges
Entweichen der Luft aus den Schnitzeln sowie eine rasche und vollständige Aufsaugung
der Kochlösung in den Schnitzeln erreicht, deutlich ablesbar an der Verkürzung der
Kochzeit um etwa 50 Q/o gegenüber der bei den bisher gängigen Verfahren. Diese Behandlungsweise
ergibt, dank der vollständigen Tränkung der Schnitzel, schon zu Beginn der eigentlichen
Kochung konstante und genau zu erkennende Verhältnisse, wodurch der Zeitpunkt der
Fertigkochung auf Grund der Kochzeit allein vorausbestimmt werden kann, ohne daß
dem Kocher die üblichen Säure- und Massenproben zwecks Untersuchung zu entnehmen
sind. Daraus ergibt sich auch eine größere Gleichmäßigkeit des Stoffes und ein geringerer
Ästeanfall. Ferner wird eine Ersparung von Dampf und von Schwefel möglich, weil
die Kochflüssigkeit keine Schwefeldioxyd oxydierende Luft mehr enthält.
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Infolge der luftfreien Kochflüssigkeit ist auch die Wärmeübertragung
auf die Kochflüssigkeit im Wärmeaustauscher wirksamer, und im Wärmeaustauscher bildet
sich nicht mehr die übliche Gipsablagerung, die durch die Oxydation des Schwefeldioxyds
zu Schwefeltrioxyd verursacht wurde.
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Als Beispiel dient eine Darstellung einer Sulfitzellstoffkochung,
ausgeführt mittels eines mit einem Wärmeaustauscher versehenen Kochers von 300 m3.
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Der Kocher wird unter Anwendung des Svenssonschen Dampffüllverfahrens
mit Schnitzeln gefüllt. Hierauf beginnt das Einpumpen der Säure, wobei man die dem
oberen Ende des Kochers entströmende Gasmischung über ein Luftrohr einem Verzweigungspunkt
zuführt, von wo ein Teil .des Gases durch den Säureinjektor in den Säurebehälter
gesaugt wird, während ein anderer geradeaus in einen Säureturm einströmt. Durch
diese Behandlung wird der vom Säureturm erzeugte, hinsichtlich der Stärke schwankende
Gegendruck ausgeglichen, der sonst jedesmal beim Pumpen im Kocher Gegendrücke hervorruft.
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Nachdem der Kocher mit Säure gefüllt ist, wird das Luftventil geschlossen
und die Säurepumpe zwecks Erzeugung des sogenannten kalten Drucks im Kocher in Tätigkeit
gesetzt. Wenn ein Überdruck von 3 atü erreicht ist, werden die im oberen Teil des
Kochers
angesammelte Luft und der luftenthaltende Säureschaum ausgelassen, und inzwischen
treibt die Säurepumpe unausgesetzt weitere Säure in die Füllung. Sobald der Druck
dann auf 4,2 atü gestiegen ist, wird unten am- Kocher das Säureventil geschlossen,
während das Luftventil geöffnet und der Druck innerhalb 10 Sekunden auf 2 atü sinken
gelassen wird. Nun schließt man das Luftventil, und nach einer Pause von 1/z Minute
beginnt man neuerdings mit dem Säurepumpen, wobei der Druck bis auf 4,2 atü gesteigert
wird, gefolgt von einer raschen Druckminderung, entsprechend der obenbeschriebenen.
Eine derartige Drucksteigerung und rasche Druckminderung wird insgesamt dreimal
neu vorgenommen. Nach der letzten Drucksteigerung wird das Säureventil noch einmal
geschlossen und die Schnitzel dem Eindringen der Säure während 2 Minuten ausgesetzt,
wonach die oben im Kocher angesammelte Luft und der luftenthaltende Säureschaum
entfernt werden. Wenn neuerlich ein Druck von 4,2 atü eingetreten ist, wird die
Kochung auf die übliche Weise begonnen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Wärme
so schnell gesteigert werden kann, wie es mit Hilfe eines Wärmeaustauschers möglich
ist. Sobald 75° C erreicht sind, werden vom Kocher 30 m3 Säure entfernt (15 % der
eingepumpten Säuremenge). Trotz dieser so beträchtlichen Säureentfernung bei 75°
C werden bei 110° C noch 40 m3 entfernt, mithin 20'% der ursprünglichen Säuremenge.
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Bei der in dieser Weise durchgeführten Kochung wird eine Ankochzeit
(bis etwa 100° C) von 1 Stunde und 45 Minuten und eine Fertigkochzeit von 4 Stunden
und 15 Minuten, also eine gesamte Kochzeit von 6 Stunden festgestellt. Die Kochdruck
im mittleren Teil des Kochers ist 6,5 atü. Die Härte der gewonnenen Masse ist 12,0
(TAPPI-Methode 214-m 50), entsprechend der Roe-Zahl 3,8.
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Die Zusammensetzung der Säure bei dieser Kochung ist 6,68'% Gesamt-S
02 und 0,95 % Ca 0. Mit demselben Kocher wird eine der obigen entsprechende Kochung
vorgenommen, nur mit dem Unterschied, daß bei dem Wärmesteigern während der Kochung
unter einem Druck von 8 atü stehender Dampf geradeaus in den unteren Teil des Kochers
geleitet wird. Hierbei gelingt die Durchführung der Ankochung, d. h. die Steigerung
der Temperatur auf 100° C, in 75 Minuten und die Fertigkochung in 3 Stunden und
25 Minuten, so daß also eine Gesamtkochzeit von 4 Stunden und 30 Minuten erreicht
wird. Der Kochdruck bei dieser Kochung beträgt 6,5 atü und die Höchsttemperatur
135° C. Die erhaltene Masse hat die TAPPI-Zahl 12,4, was der Roe-Zahl 4,0 entspricht.
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Bei dieser Kochung beträgt die Zusammensetzung der Säure 6,02'% Gesamt-S
02 und 0,90 % Ca 0.
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Bei denselben Kochern unter denselben Verhältnissen und unter Verwendung
derselben Massesorte schwankt die Dauer der Kochzeit bei Gebrauch des alten Verfahrens
zwischen 9 und 11 Stunden, wobei die Dauer der Ankochung zwischen 3 und 31/2 Stunden
schwankt. Wie man sieht, wird mit dem neuen Verfahren eine Verkürzung der Kochzeit
mit rund 5 bis 6 Stunden erzielt und außerdem noch der Vorteil, daß die Kochzeit
hier von Kochung zu Kochung, bei gleicher Massesorte, stets die gleiche bleibt.
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Die Beispiele lassen klar erkennen, daß man hier dank einer vollständigen
Durchtränkung die Kochung so schnell ausführen kann, wie die Wärmezufuhr zum Kocher
überhaupt technisch möglich ist. Daran war früher nicht zu denken, da ein zu schnelles
Steigern der Kochtemperatur zu Schwarzkochungen führte. Mit dem neuen Verfahren
hingegen erzielt man durch Kochungen in übereinstimmung mit den obenstehenden Beispielen
und bei einem Verlauf von bisher unerreichter Kürze eine Masse, die an Gleichmäßigkeit
und Weiße die früher gewonnenen übertrifft. Dank dem neuen Verfahren erhält man
eine so selektive Kochung, daß ein normaler Stoff durchgekocht ist, während die
Äste nach der Kochung hart bleiben und sich somit beim Nachsortieren der Masse leicht
völlig von der eigentlichen Primamasse abscheiden lassen. Dies zeigt sich auch darin,
daß die Astmassemenge bei dem neuen Verfahren lediglich 1,8 bis 2,0"/@ von der Gesamtmassemenge
beträgt, während die entsprechende Zahl in derselben Fabrik bei Anwendung des bisherigen
Verfahrens 3,5 bis 3,8 % beträgt.
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Die Gesamtmasseausbeute ist in einer Serie von Versuchskochungen,
die siebenundzwanzig Kochungen nach dem neuen Verfahren und siebenundzwanzig nach
dem alten umfaßte, bei der ersten Gruppe um 5 % gestiegen.
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Beispielsweise ist es möglich, die eine oder mehrere Drucksteigerungen
und schnelle Druckminderungen bei der Kochflüssigkeit auch nach Beginn der eigentlichen
Kochung vorzunehmen und sogar nur nach dem Beginn der Kochung.
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Die Drucksteigerungen erzeugt man mittels einer Säurepumpe oder mehreren;
mit diesen kann man den erhöhten Druck in dem jeweiligen Kocher entweder direkt
oder indirekt hervorrufen; in letzterem Fall wird der Druck in an sich bekannter
Weise von einem Kocher in den anderen übertragen.
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Weiterhin läßt sich eine rasche Druckminderung in an sich bekannter
Weise durch Entfernen von Kochflüssigkeit aus dem Kocher bewirken. Die Kochflüssigkeit
kann man hierbei an einer anderen Stelle als am oberen Teil des Kochers abnehmen,
wie etwa von seinem unteren Teil. Infolge des raschen Abzugs der Kochflüssigkeit
sinkt auch der Druck rasch.
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Die beiden obengenannten Verfahren zur Herabsetzung des Drucks können
aber auch zugleich angewendet werden, d. h. Säure läßt sich aus dem Kocher, z. B.
von seinem unteren Teil, entfernen, wie auch Gase sowohl als Kochflüssigkeit oder
eine Mischung dieser beiden vom oberen Teil des Kochers.
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Infolge des raschen Druckabsinkens strömt von den Schnitzeln Luft
in reichlicher Menge aus. Dies kann versuchsmäßig aufgezeigt werden, z. B. so, daß
man eine Kochung mit einem Gefäß aus einem durchsichtigen oder zum Teil durchsichtigen
Stoff ausführt, wobei man während des Druckabsinkens und auch danach beobachten
kann, wie die Luft in Form von zahlreichen Blasen und unter Entwicklung von Schaum
aus den Schnitzeln entweicht.
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Eine weitere Auswertungsmöglichkeit in den Grenzen der Erfindung ist
noch die, daß man während der Drucksteigerungsphase gleichzeitig die im oberen Teil
des Kochers angesammelten Gase und die Kochflüssigkeit oder eine Mischung dieser
beiden in an sich bekannter Weise durch ein Luftventil entweichen lassen kann. Hierbei
muß das Luftventil nur ganz leicht geöffnet oder so weit offen sein, daß die Säurepumpen
noch imstande sind, den Druck zu steigern. Während des raschen Druckabsinkens nach
dieser Phase, etwa durch Auslassen von Kochflüssigkeit, kann das Luftventil offen
bleiben, und so gelangt die Luft ununterbrochen zum Ausströmen durch den oberen
Teil des Kochers.
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Um ein fortgesetztes Entweichen der Luft zu ermöglichen, und zwar
bei einer nahezu gleichbleibenden
Strömungsgeschwindigkeit, ist
hier eine Druckminderung in der Kochflüssigkeit, wenigstens in der Hauptsache, mit
anderen Mitteln erzielbar als dadurch, daß man die ausgeströmte Luft und die etwaigen
anderen Gase vom oberen Teil des Kochers entweichen läßt. Als ein solches anderes
Mittel kann das rasche Entfernen der Kochflüssigkeit vom unteren Teil des Kochers
zwecks Hervorrufung des raschen Druckabsinkens dienen. Selbstverständlich verstärkt
und vervollständigt auch das fortgesetzte Gasausströmen aus dem oberen Teil des
Kochers die rasche Druckminderung, wobei sein Anteil an dieser jedoch nur gering
sein kann. Das rasche Absinken des Drucks wird hier hauptsächlich durch Entfernen
von Kochflüssigkeit erreicht. Eine Unterbrechung der Ausströmung des von den Schnitzeln
abgesonderten und sich noch absondernden Gases vom oberen Teil des Kochers ist für
die Zeit denkbar, in welcher der Druck durch Entfernen von Flüssigkeit aus dem unteren
Teil des Kochers rasch vermindert wird, welches Mittel allein zur Erreichung einer
starken und rasch erfolgenden Druckminderung genügt.
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Der Zeitpunkt des Luftauslassens vom oberen Teil des Kochers braucht
also in keiner Weise von der mit anderen Mitteln erzielbaren Steig- und Sinkzeit
des Drucks abhängig zu sein. Unter diesen Umständen läßt sich auch das Entfernen
der Luft und etwaiger anderer Gase vom oberen Teil des Kochers während der Drucksteigerungs-
sowohl als auch der Druckminderungsphase der Kochflüssigkeit vornehtuen oder nur
während einer von diesen zwei Phasen oder auch bei gleichmäßig bleibendem Druck.