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Verfahren und Vorrichtung zum Umrühren und Homogenisieren Der Inhalte
von großen Behältern Die vorliegend. Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorriohtung
sum Umwälzen bzw. Umrühren und Homogenisieren der Inhalte von großen Behältern.
Insbesondere eignet eich die Erfindung ausgeseichnet für die Verwendung bei der
Umwälzung von Susspensionen, insbes, Mischungen von Zellulosefasern und Wasser.
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Die Umwälsung bzw. das Umrühren in großen Behältern, h.h. Behältern,
deren Innenvoluien swischen einigen hundert bis einigen tausend Kubikmetern liegt,
wird z.Z. entweder durch ein zwangesläufiges zirkulierendes Umpumpen, einschließlich
der Verwendung von Unterteilungen, wobei die Pumpeinrichtung selbst
vom
axialen oder zentrifugalen typ sein kann, bewirkt, oder die Umwälzun wird durch
freie Zirkulation bewirkt, die durch große, sich verhältnismäßig langsam bewegende
axiale Propeller erzeugt wird.
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Bei dn erzwungenen, zirkulierenden Umpumpen findet die Homogenisierung
nur langsam statt, so daß eine stellenweise Änderung in den Eigenschaften der kontinuierlich
zugeführten Flüssigkeit durch den Behälter läuft wie ein Pfropfen bzw. Knoten (plug)
und tritt in der Flüssigkeit auf, die kontinuierlich den Tank verläßt. Bs ist oft
der Pall, daß die gelegentliohen Änderung der Eigenschaft mehrere Male in der sustretenden
Flüssigkeit wiederkehrt, nämlich jedes Mal, wenn dieser Flüssigkeitsteil während
seiner Zirkulation an der Stelle in dem Tank vorbeiläuft, wo der Auslaß gelegen
ist. Auf diese Weise ist die Misohung der Inhalte des Behälters mit der in denselben
eintliesenden Flüssigkeit sehr schlecht. bzw. Zwischenwände Wenn in da Behälter
obne irgendwelche Unterteilungen/Propeller verwandt werden, so wird eine bessere
Homogenisierung der Inhalte als durch das zirkulierende Umpumpen erreicht, vorausgesetzt,
daß der Flüssigkeitsstrom, der durch den Propeller angetrieben wird, groß genug
ist. In der Regel ist mit der Porderung nach einen großen Strom bzw. Fluß ein hoher
Energieverbrauch verbunden.
Wenn man dieses letztere Prinzip bei
einer Papierbrei- bzw. -Stoffauspensi@@ von einem Stoffehalt (consistency) von 5
% anwndet, so muß man mit einem Energieverbrauch in der H8he von 1 Kilowatt pro
kubikmeter des Volumons des Behälters rechnen, In der Zellstoff- (pulp) und Papierindustrie
ist wegen des hohen Energieverbrauchs die Verwendung von axialen Propellern in offenen
Behältern auf Behältervolumen unter ungefähr 300 m3 beschränkt, auf jeden Fall bei
Stoffgehalten über uogefähr 3 %.
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Zu einem großen Grade beruht der hohe Energieverbrauch auf dem geringen
wirmkungsgrad der Propeller, die in offenen Papierbrie- bzw. Pulpetzanks arbeiten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Umwälzung durch einen oder
mehrere flüssigkeitsstrahlen bewirkt, die dirch eine oder mehrere Pumpen erzeugt
wer«en, die vorzugsweise in einer äußeren Zirkulationsleitung angebracht sind. Gemäß
der Erfindung können diese Flüssigkeitsstrahlen sine Anfangsgeschwindigkeit von
2 15 m pro Sekunde und vorzugsweise 3 8 g m pro Sekunde besitzen.
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Die Länge eines Pulpesuspenisonsstrahles, der in eine Pulpesuspension
injiziert wird, ist eine leioht meßbare Größe, und diese Länge ist von großer Bedeutung
für die Wirkung der Umwälzung
in einen Pulpebehälter. Um die Vorstellung
der Strahl-Länge zu bestimmen, wird ein Strahl aus Pulpesuspension aus einer kreisförmigen
Düse mit dem Durchmesser D und der Anfangegeschwindigkeit v beobschtet. Dieser Strahl
breitet sioh wic ein Konus aus, der einen Öffnungewinkel von ungefähr 8° besitst,
Er saugt pulpe aus seiner Kachbarschaft an, wobei sich seine Geschwindigkeit allmählich
verringert. Sohließlioh wird die Geschwindigkeit so gering, daß der Strahl nicht
mehr fähig ist, das Fasernetzwerk vor sich zu derformieren, das wie ein plastischer
Körper wirkt, weshalb ein gewisser Minimaldruok erforderlich ist, um es zu verformen.
Bei dieser Geschwindigkeit kehrt der ganze Pulpestrom um und fließt in die verschiedenen
Teile desselben Strahls der Pulpesuspension und ebenso in die Ansaugleitung der
Pumps surück. Es wurde gefunden, daß die Länge L in Strahls der Pulpesuspension
eine Funktion des Düsendurchmessers D, der Anfangsgeschwindigkeit v und des Pulpe0Stoffgehaltes
c ist gemäß der gleichung v L = k x D ( - a) c-0,5 in der k und a konstanten sind.
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Für neue (ungebrauchte) Pulpe (sowohl mechanische Holzpulpe als auch
ohemische Pulpen bzw. Zellstoff. aus Weichholz oder Hartholz) liegen diese Konstanten
bei den folgenden Werten k 3 10 r 11 a n 0,6 - 0,7.
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In diesen Fällen ist angenommen, daß L und D in Metern und v in Metern
pro Sekunde und der Stoffgehalt o in % ausgedrüokt sind.
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Für den Fall einer nicht kriesförmigen Querschnittsfläche der Düse
ist eine Gleichung derselben oder einer ähnlichen Form, jedoch mit anderen Konstanten,
anwandbar.
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Es wurde gefunden, daß die Mischverhältnisse in einem Pulpetak lediglich
dann gut werden, wenn die Strahllänge eines freien Strahls wenigstens so lage wie
der halbe Abstand von der Düse bis zu einer genau gegenüberliegenden Wand des Pul-Petanke
und vorzugsweise etwas mehrals der gemamte Abstand ist.
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Folglich sollte gemäß der vorliegenden Erfindung die Strahllänge 0,5
- 2,0, vorzugsweise 0,7 - 1,3 mml so lang wie der Abstand zu der gegenüberliegenden
Wand sein.
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Aus wirtschaftlichen Gründen ist die Geschwindigkeit des Strahls auf
ungefähr 15 § pro Sekunde begrenzt, weshalb der Einlaßdurchmesser der Düse wenigstens
1/50 des Abbstandes au der gegenüberliegenden Wand und vorzug@weise wenigstens /20
diemes Abstandes betragen sollte.
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Aus den vrogensnnten Bedingungen kann für jeden individuallen Fall
die wirkung abgeleitte werden, die für die Erzeugung
des Strahls
der Pulpesuapension erforderlich iat, der fUr die Umwälzung und die Menge an Pulpe
A pro Minute beabsichtigt ist, die durch die DUse bsw. die Düsen fließt. Die Menge
der Pulpe wird von der Größe des Pulpetanks und dem Volumen B der Pulpesuspension
abhängen, die in da Pulpetank enthalten ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung sollte
der Zirkulstionsumlauf verhältni@@äßig kurz zein, d.h. B : A sollte weniger als
15 Minuten, vorzugewseinse weinger als 10 Minuten und vorzugeweise weniger als 5
Minuten bei in der Praxis auftretenden Pulpesuspensions stoffgebalten z.B. Stoffgehalten]
von 1 - 5 % betragen.
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Ii folgenden soll die Erfindung im einzelnen ii Zusammenhang mit der
beiliegenden Zeichnung erläutert werden, in der schematisch einige verschiedene
Ausführungsformen dargestellt sind. figur 1 seigt einen senkrechten Schnitt durch
eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Figur 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine zweite Auumführungsform.
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Figur 3 5 zeigt einen waagrechten Schnitt durch die Vorrichtung gemäß
figur 2.
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Figur 4 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine dritte Ausführungsform.
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In Figur 1 ist ein Behälter 1, der sogenannte Pulpetank fttr die Pulpe
2 gezeigt, wobei in diesem Tank die Umwälzung bzw. die Bewegung durchgeftihrt werden
soll. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies mit Hilfe einer Zirkulationspumpe
6 durchgeführt, $die in einer Zirkulationsleitung angebracht ist, die außerhalb
des Pulpetanks liegt. Fltissigkeit aus des Pulpetank 1 läuft von dem Auslaß 8 durch
die Leitung 7, die Pumpe 6 und die Leitung 5 zu der DUse 3, aus der ein Flüssigkeitsstrahl
4 mit einer Geschwindigkeit austritt, die in den oben erwähnten Grenzen liegt. Der
Flüssigkeitsstrahl bewegt sich nit einer solchen Geschwindigkeit, daß er als eine
Strahlpumps wirkt und Flussigkeit aus der Umgebung des Strahls annugt. Wenn der
Flüssigkeitsstrahl auf die Wand des Pulpetanks 1 auftrifft, die der Duse 3 gegenüberliegt,
so wird der Strahl zerteilt und zurückgeworfen. Die zurücklaufende Flüssigkeit wird
erneut in den Strahl gesaugt und entlage dessen gesemter Länge verteilt. Folglich
bgesitzen die Fließwege der verschiedenen Teile der Pulpesuspension 2 verschiedene
Längen, voraus sich eine gute Mischung ergibt. In Figur 1 sind die Fließwege in
d@@ Fulpetank durch die Pfeile p angeezeigt.
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Die figuren 2 und 3 zeigen eine Anordnung, bei der zwei Paare
von
DUsen 13a, 13b und 14a, 14b in verschiedenen Höhen eines Pulpebehälters 11 angebracht
sind, um die erforderliche Unwälzung bzw. Mischung der Pulpesuspension su bewirken.
Diese Anordnung eingnet sich für den Fall, wenn die Höhe des Pulpetanks verhältnismäßig
groß in Verhältnis In seinen Durchmesser ist. Ähnlich wie in der Ausführungsform
gemäß der Figur 1 wird die Zirkulation der Flüssigkeit mit Hilfe einer PuPpe 16
erhalten, die in einer Röhre 15, 17 zwischen den oben erwähnten Diesen und einen
Auslaß 18 fUr die Flüssigkeit an da Tank 11 angeordnet ist.
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Figur 4 neigt eine Konbination eines Behälters, der Mit Unterteilungen
und Umwälzeinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. In dem
Behälter 21 besteht eine Zone 22, in der die Umwälzung durchgeführt wird, wobei
diese Zone auf eine Unterteilung bzw. abgeteilten Eaum 25 beschränkt ist. Innerhalb
dieser Zone 22 wird die Umwälzung nit Hilfe eines Flüssigkeitsstrahles 24 aus einer
DUse 23 bewirkt, welcher Flüssigkeit unter hohem Druck mit Hilfe einer Pumpe 26
zugeführt wird, die zwischen der DUse 23 und einer Auslaßlei tung 27 des Behälters
21 angeordnet ist. Mit 29 ist der Fließweg des Knotenflusses (plug flow), der innerhalb
des Behälters stattfindet, bezeichnet.
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Biner der Hauptvorteile, der durch die Bewegung bzw. Umwälzung
gemäß
der Erfindung erhalten wird, besteht darin, daß der Energieverbrauch beträchtlich
kleiner ist, als wenn die Umwälzung dt Hilfe von Propellern in den Behälter durehgeführt
wird, Dies beruht teilweise darauf, daß die Möglichkeit besteht, kontrollierte bzw.
gesteuer5te Flußbedingungen in einer Röhrenleitung zu erhalten und eine Pumpe auszuwählen,
die für diese bestimmte Kombination von Druck und Fließgeschwindigkeit geeignet
ist, durch die die loptimalen Bedingungen erzeugt werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus den folgenden
Beispeil deutlich. In einen Pulpetank, der ein inneres volumen von 116 m3, einen
Durchmesser von 5,5 m und eine Höhe von 4,7 mm besitZt, ist eine Papierpulpe- bzw.
Papierzellstoffsuspension von 3,5 % Stoffgehalt eingefüllt. Genügende Umwälzung
kann mit Hilfe eines Propellers erhalten werden, der einen Druchmesser von 1 m,
bei 350 Um-Drchungen pro Minute besitzt. Die erforderliche Energie wird sodann ungefähr
90 Kilowatt betragen. Mit einer äußeren Zirkulation gemäß der Erfindung von 0,45
m3 pro Sekunde und einer Anfangsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls in der Düse
von 8 1 pro Sekunde wird eine bessere Homogenisierung dt einem Knergieverbrauch
von l3ediglich 40 Kilowatt erhalten, Bei 8000 Betriebsstunden pro Jahr und bei eines
Preis von 0,03 schwedischen Kronen pro Kilowatt bedeutet eine Ersparnis
von
50 Kilowatt eine Ersparnis von 12 000 scwedischen Kronen pro Jahr.
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Die Umwälzung gemäß der Erfindung kann gleichfalls durehgeführt werden,
wenn die Flussigkeit sich in der Hähe des Siedepunkts befindet. Auf der anderen
Seite erseugen, wenn die Flüssigkeit nahe dem Siedepunkt ist, gewöhnliche Propeller
Ablösungen bzw. Kavitationen und verlieren au Virksamkeit und Lebensdauer. Mit einer
äußeren Zirkulation ist es mäglich, auf der einen Seite die Zirkulationspumpe mit
einer genügend langen Zufuhrleitung zu der Pumpe auszustatton und auf der anderden
Seite eine solche Art von Pumpe zu wählen, die weniger empfindlich gegen Ablösung
bzw.
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Kavitation bzw. Blasenbildung ist. Es sollte ebenfalls erwähnt werden,
daß es bei der Verwendung der äußeren Zirkulation möglich ist, die notwendigen Unterhaltungs-
und Instandsetzungsarbeiten an der Umwälzeinrichtung auszuführen, ohne den Tank
leeren zu müssen.
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Mit den System der äußeren Zirkulation gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es möglich, Flüssigkeit von dem Behälter völlit oder teilweise an einigen anderen
Stellen als an der DUse abzumaugen, was dadurch besonders vorteilhaft ist, daß ein
örtlicher Stau in den Pulpetanks vermieden wird. Wenn ein Propelle verwendet wird,
kann man eine solche Anpessungefähigkeit
nicht erhalten, da die
gesamte Plllssigkeit auf die Absaugseite des Propellers abläuft. Die aus dem Behälter
abgezogene und der Düse zugeführte Flüssigkeit für die Flüssigkeitsstrahlen kann
aus dem Inhalt des Behälters in seinem jeweiligen Zustand bestehen. In vielen Fällen
wird es jedoch vorgezogen, aua dem Behälter lediglich die Flüssigkeitsphase einer
Suspension abzuziehen, die in des Behälter gehalten wird und die umgerührt bzw.
umgewälzt wird.
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Dies kann durch geeignete Abschirmeinrichtungen erreicht werden, die
den Durchgang nur des Teiles des Inhalte des Behäters zulassen, der zu den Düsen
für die Flüssigkeitsstrahlen zirkuliert wird. Die Flüssigkeit, die su den Düsen
gepumpt wird, braucht nicht nur aus Flüssigkeit Zu bestehen, die aus dem Behälter
abgezogen worden ist, sondern eie kann auch Flüssigkeit enthalten, die von außen
zugeführt wird.
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Die Verdünnung des Inhalts des Behälters, die durch einen solchen
Schritt herbeigeführt würde, kann entweder beabsichtuigt sein oder es kann ihr entgegengewirkt
werden, inda dem Behälter eine Flüssigkeitsmenge entnommen wird, die der oben erwähnten
Flüssigkeitsmenge entspricht, die von der außenseite zugeführt wird.
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Die Brfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, da diese auf verschiedene Weise innsrhalb des Rahmens der Erfindung
abgewandelt werden können.