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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flotationsmaschine zum Entfärben von Altpapiermasse
zum Gebrauch in einer Altpapier-Wiedergewinnungsanlage zum Entfasern und Säubern von
Altpapier und zum Zurückverwandeln des Altpapiers in Material zur Papierherstellung. In einer
solchen Maschine werden in einer Flotationszelle Blasen in der Massenflüssigkeit erzeugt, und
Farbe und andere Partikel, etwa Öl und Pech, die an dem Papier gehaftet haben, werden von den
Blasen adsorbiert und durch den Auftrieb in Form von Schaum an die Flüssigkeitsoberfläche
gefördert, der dann entfernt wird.
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Verfahren zum Entfärben von Altpapier sind im wesentlichen in drei Typen aufgeteilt,
nämlich das Flotationsverfahren, das Waschverfahren und eine Kombination von diesen.
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Bei dem Flotationsverfahren wird der Altpapiermassenflüssigkeit, die durch Entfasern von
Altpapier und Zufügen von chemischen Wirkstoffen gewonnen worden ist, Luft zugemischt, und
die freien Farbpartikel werden durch die erzeugten Luftblasen adsorbiert. Die Luftblasen mit den
darin enthaltenen Farbpartikeln treiben nach oben zu der Oberfläche der Flüssigkeit, und die
Farbpartikel werden getrennt und entfernt. Bei dem Waschverfahren wird eine große Menge
Wasser verwendet um die freien Farbpartikel zu entfernen.
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Um zufriedenstellende Ergebnisse bei dem Waschverfahren zu erhalten und um jede
Verringerung der Ausbeute und eine Erhöhung der Belastung des Abwassersystems zu vermeiden,
wird im allgemeinen eine Kombination des Flotations- und des Waschverfahrens eingesetzt. Wenn
die Effizienz des Flotationsverfahrens erhöht wird, kann der Beitrag des Waschverfahrens
minimiert oder weitgehend eliminiert werden.
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Bei dem Flotationsverfahren werden die feinen Farbpartikel umso einfacher von den Blasen
adsorbiert, je kleiner deren Durchmesser ist. Daher ist es für einen wirkungsvollen Einsatz des
Flotationsverfahrens wichtig, daß die Gesamtfläche der Blasenoberfläche groß ist, daß die Blasen
gleichmäßig in der Altpapiermassenflüssigkeit verteilt sind, und daß die Aufenthaltszeit der Blasen
in der Massenflüssigkeit lang ist. Für die selbe Menge von Luft, die der Massenflüssigkeit
zugesetzt wird, ist die gesamte Oberfläche der Blasen umso größer und somit die
Flotationsgeschwindigkeit der Blasen umso langsamer, je feiner die Blasen sind. Die Wirksamkeit des
Flotationsverfahrens wird somit im wesentlichen durch das gleichmäßige Einmischen einer größeren Menge
feiner Luftblasen in die Massenflüssigkeit und durch die Wirksamkeit ihrer Entfernung als Schaum
aus der Flüssigkeit bestimmt.
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Früher haftete Druckfarbe relativ schwach an Papierfasern und war relativ einfach zu
trennen. Die Qualitätsanforderungen an den entfärbten Brei waren auch nicht besonders hoch. Als
Ergebnis konnten bekannte Flotationsmaschinen mit einer relativ kleinen Luftmenge und der sich
daraus ergebenden kurzen Verweildauer der Blasen zufriedenstellende Ergebnisse erreichen.
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In letzter Zeit sind Probleme aufgetreten, die nicht mit der bekannten Entfärbungstechnik
unter Verwendung des Flotationsverfahrens gelöst werden können. Erstens hat sich die
Haftfestigkeit von Druckfarbe an Papier mit der Weiterentwicklung oder Verfeinerung von Drucktechniken
erhöht, etwa der Verwendung des Offset-Verfahrens zum Drucken von Zeitungen, so daß eine
mechanische Kraft erforderlich ist, um die Farbe abzutrennen was dazu führt, daß die getrennten
Farbpartikel kleinere Durchmesser aufweisen als bislang. Zweitens wurde als Ergebnis des
Bewußtseins, daß die Rohstoffvorkommen weltweit abnehmen, die Verwendung von Altpapier stark
erhöht. Drittens hat sich wegen gestiegener Anforderungen an das optische Erscheinungsbild und
die Färbung von bedrucktem Papier die für beim Drucken verwendetes Papier geforderte Qualität
erhöht. Viertens werden zunehmend strenge Vorschriften auf Abwasser aus
Papierherstellungsprozessen angewendet.
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Wenn der Einsatz des Waschverfahrens intensiviert wird, kann das Abwasser die strengen
Vorschriften nicht erfüllen. Daher besteht allgemein Übereinstimmung unter den Fachleuten, daß
die Verwendung eines wirksamen Flotationsverfahrens der beste Ansatz ist, um diese Probleme
zu bewältigen. Daher wurden in letzter Zeit verschiedene verbesserte Flotationsmaschinen
vorgeschlagen.
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Ein neuer Trend bei Flotationsmaschinen ist es, das Volumen der Flotationszelle und die
Verweilzeit der Blasen zu erhöhen, um die Gelegenheit zu Kontakt der Blasen mit Farbpartikeln zu
erhöhen. Die Luftblasen werden feiner gemacht und der Altpapiermassenflüssigkeit in einer
großen Menge zugemischt um eine große Menge an Schaum zu erzeugen. Dieser Trend wird
nicht nur durch mechanische Verbesserungen beeinflußt, sondern auch durch Verbesserungen bei
Entfärbungswirkstoffen (Surfaktantien).
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Die nachstehende Tabelle 1 stellt einen Vergleich der mechanischen Wirkung einer
herkömmlichen Flotationsmaschine und einer neuen Flotationsmaschine auf.
Tabelle 1
herkömmliche Maschine
neue Maschine
Luftvolumen (G/L)*
Zellenanzahl pro 100 Breitonnen pro Tag
Zellvolumen (m³) pro 100 Breitonnen pro Tag
Zellvolumen (m³)
Primäre Verweildauer** (min)
Energiequelle (kWh pro Breitonne)
Helligkeitssanstieg (Hunter)
Bemerkungen:
*G/L: Luftvolumen (Gm³/min) pro Einheit Prozeßflüssigkeit (Lm³/min)
** Verweildauer in der ersten Flotationsmaschine. Primärer Ausschuß wird nachbehandelt,
und sekundäre Gutware wird zum Primäreinlaß zurückgeführt.
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Figur 1 ist ein diagrammartiger, perspektivischer Teilschnitt eines bekannten Typs einer
Flotationsmaschine mit vertikaler zylindrischer Zelle, bei der das Bezugszeichen a einen Lufteinlaß
bezeichnet, b einen Massenflüssigkeitseinlaß, c einen Massenflüssigkeitsauslaß, d eine Zelle, e
eine Luftöffnung zum Ausstoßen von Schaum, f ein Schaumgebläse und g einen Schaumauslaß.
Wie gezeigt, umfaßt die Maschine zwei im wesentlichen identische Zellen die aufeinander
gestapelt sind. Luft wird mittels des Strahlpumpeneffekts an jedem Massenflüssigkeitseinlaß der
Massenflüssigkeit zugemischt. Die Flüssigkeit wird dazu gebracht, tangential in jede Zelle zu
strömen und wirbelt mit der in die Flüsssigkeit gemischten Luft um die Zellenachse. In der Zelle
strömt die Luft als Blasen nach oben, um Schaum zu bilden. Die Massenflüssigkeit wird aus der
Nähe der Zellenachse durch die Auslässe c abgeführt. Schaum wird durch die aus der Öffnung e
an der Seitenwand der Zelle in Nähe des Flüssigkeitsspiegels ausgeblasene Luft dazu gebracht,v in
eine (nicht gezeigte) Öffnung zu strömen, und wird dann durch den Auslaß g nach außen
abgeführt. Die den Schaum schiebende Luft wird durch das Schaumgebläse f umgewälzt.
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Bei einer Flotationsmaschine dieses Typs kann die Menge der in die Flüssigkeit gemischten
Luft nicht erhöht werden, weil die Luft durch den Strahlpumpeneffekt eingespritzt wird. Selbst
wenn die Luft unter Überdruck eingespritzt wird, ist das Ergebnis lediglich, daß die Anzahl von
Blasen mit größerem Durchmesser, die somit ineffektiv sind, erhöht wird. Darüberhinaus ist es
schwierig, die Geschwindigkeit der wirbelnden Flüssigkeit optimal zu steuern; wenn die
Geschwindigkeit der Flüssigkeit zu niedrig ist, wird der Ausschuß an Masse erhöht; wenn die
Wirbelgeschwindigkeit zu hoch ist, können die feinen Luftblasen, die einer geringeren Auftriebskraft
unterliegen, die wirbelnde Strömung eventuell nicht kreuzen um nach oben zu treiben, was zu
einer unbefriedigenden Trennung des Schaumes von dem Massenstrom führt.
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Figur 2 ist eine diagrammartige, geschnittene Seitenansicht eines anderen Beispieles eines
bekannten Typs einer Flotationsmaschine, nämlich eine Flotationsmaschine mit einer Kastenzelle,
bei der das Bezugszeichen h einen Lufteinlaß bezeichnet, i einen Einlaß für Massenflüssigkeit, j
eine Zelle vom Kastentyp, k einen scheibenförmigen Rührer mit einer Mehrzahl von Blättern, m
einen Massenauslaß und n einen Schaumauslaß. Flotationsmaschinen von diesem Typ werden im
allgemeinen als "Denver-Typ" bezeichnet. Die Massenflüssigkeit wird in der Mitte des Rührers k
zugeführt, währden die Luft durch Rotation des Rührers eingesaugt wird. Die mit der Luft
vermischte Flüssigkeit wird aufgrund der Zentrifugalkraft des Rühresr k entlang der Bodenfläche der
Zelle verteilt und steigt entlang den Seitenflächen der Zelle auf. Am Flüssigkeitsspiegel werden
die Luftblasen als Schaum von der Massenflüssigkeit getrennt. Die Flüssigkeit strömt dann entlang
der Mitte der Zelle nach unten und zirkuliert. Ein Teil der Flüssigkeit wird durch den Auslaß m
abgeführt, während der Schaum durch den Auslaß n abgeführt wird.
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Bei einer solchen Flotationsmaschine muß der Rührer k schnell gedreht werden, um so
feine Luftblasen zu erzeugen. Wenn seine Geschwindigkeit jedoch zu schnell ist, kann die
Zirkulation der Luft in der Zelle zu heftig werden, was dazu führt, daß der Schaum wieder zurück in die
wirbelnde Massenflüssigkeit eingezogen wird.
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Die Flotationsmaschinen der oben beschriebenen Typen haben das Problem, daß die
Menge der zum Erzeugen von Luftblasen verwendeten Luft wegen der Tatsache, daß sie
selbstansaugend sind, nicht erhöht werden kann. Selbst wenn die Luft zwangsweise in die
Maschine eingeführt würde, würde nur die Menge der unwirksamen Luft erhöht, und ein
zufriedenstellendes Ergebnis könnte nicht erreicht werden. Außerdem müssen wegen ungenügender
Mischung und Trennung von Luft und Flüssigkeit aufeinanderfolgende Zellen in Reihen
hintereinandergeschaltet werden, was zu einer komplizierten und teuren Anlage führt.
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Im Gegensatz hierzu verursacht bei kürzlich entwickelten Flotationsmaschinen die hohe
Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, daß die Luftblasen starken Scherkräften ausgesetzt und somit
in einer größeren Menge zu feinen Luftblasen umgewandelt werden, die in die Massenflüssigkeit
gemischt werden. Die Bwegungstätigkeit wird verstärkt, um Luftblasen zufriedenstellend in der
Flüssigkeit zu verteilen und die Verweildauer der Blasen in der Flüssigkeit zu erhöhen, wodurch
die Möglichkeit für die Farbpartikel, Kontakt mit den Blasen herzustellen erhöht wird. Die Zelle
weist eine große Kapazität auf, um eine ausreichende Zeitdauer sicherzustellen die das
Schwimmen und Sammeln der Luftblasen ermöglicht.
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Die Figuren 3 und 4 sind ein diagrammartiger seitlicher Schnitt bzw. ein Schnitt entlang der
Linie IV-IV in Figur 3 einer kürzlich entwickelten Flotationsmaschine vom Rotationsdiffusionstyp
(japanische Patent-Erstveröffentlichung Nr. 245390/1986), bei der das Bezugszeichen 51 eine
Zelle vom vertikalen Zylindertyp, 52, 53 und 54 Wehre, 56 rotierende Diffusionsrohre, 57 eine
drehende Welle, 58 einen Luftzuführ-Einlaß, 59 den Flüssigkeitsspiegel, 60 einen Massenzuführ-
Einlaß, 61 einen Massenauslaß, 62 eine rotierende Schaumsammelklinge und 63 einen
Schaumtrog bezeichnen.
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Die Massenflüssigkeit strömt durch den Einlaß 60 in die Zelle 51, strömt wiederholt
serpentinenartig zwischen den Wehren 52, 53 und 54 nach oben und unten und wird dann durch den
Auslaß 61 ausgestoßen. Die Luft strömt durch den Einlaß 58 in die Diffusionsrohre 56, die mit
hoher Geschwindigkeit rotieren, und strömt durch in kleinen Vorsprüngen 64 auf den Rohren 56
ausgebildete Belüftungslöcher mit 20-40 mm Durchmesser in die Massenflüssigkeit. Wegen des
Geschwindigkeitsunterschiedes zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche der Diffusionsrohre
56 wird die Luft starken Scherkräften ausgesetzt und zu feinen Luftblasen umgewandelt, die in der
Flüssigkeit verteilt werden. Die Massenflüssigkeit wird durch die Rotationskraft heftig bewegt. Die
Luftblasen in der Flüssigkeit schwimmen zum Flüssigkeitsspiegel 59 auf, wo sie Schaum bilden,
der durch die Abschöpfklinge 62 in dem Trog 63 gesammelt und nach außen ausgestoßen wird.
Der ausgestoßene Schaum kann je nach Bedarf weiterbehandelt werden.
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Bei einer Flotationsmaschine von diesem Typ müssen die Rohre 56 mit großem
Durchmesser mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden, um feine Luftblasen zu erzeugen und die
Flüssigkeit in dem Gefäß zu bewegen, so daß eine große Antriebskraft erforderlich ist. Die
Massenflüssigkeit strömt wiederholt zwischen den Wehren 52, 53 und 54 nach oben und unten, und die
Blasen in den nach unten strömenden Bereichen haben Schwierigkeiten, nach oben zu steigen,
was die Trennung der Blasen von der Flüssigkeit nachteilig beeinflußt. Als ein Ergebnis schwankt
die Erzeugung von Schaum über dem Flüssigkeitsspiegel zwischen den Bereichen der
Flüssigkeitsoberfläche, an denen die Flüssigkeit nach oben strömt und denen, wo die Flüssigkeit nach
unten strömt. Weil die Luft aus dem Inneren der Diffusionsrohre 56 in die Flüssigkeit eingeleitet
wird, ist eine flüssigkeitsdichte Abdichtung 65 zwischen den Rohren und der Wand der Zelle
erforderlich, jedoch kompliziert und schierig zu warten. Wenn die Maschine gestartet oder
angehalten wird oder das Gleichgewicht zwischen dem Luftdruck und dem Flüssigkeitsdruck verloren
geht, kann die Massenflüssigkeit in die Diffusionsrohre 56 strömen und wegen der Zentrifugalkraft
an deren innerer Wand haften bleiben, wodurch die Luftdüsen in der Wand der Diffusionsrohre 56
verstopft werden. Die durch die Diffusionsrohre 56 erzeugten bewegten Strömungsmuster sind
instabil, so daß bei Veränderungen in der Konzentration oder ähnlichem der Flüssigkeit die
Strömungsraten der Masenflüssigkeit variieren und die Luftblasen plötzlich platzen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die verschiedenen Probleme der vorstehend
beschriebenen Maschinen zu lösen. Die Erfindung basiert auf dem folgenden Konzept und auf den
Ergebnissen von Versuchen, welche die Erfinder durchgeführt haben.
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Wenn eine bestimmte Luftmenge einer Flüssigkeit zugemischt wird, ist die gesamte
Oberfläche der Blasen im wesentlichen umgekehrt proportional zu den mittleren Durchmessern der
Blasen, so daß die gesamte Oberfläche der Blasen umso größer ist, je kleiner ihr mittlerer
Durchmesser ist. Die Geschwindigkeit von nach oben strömenden Luftblasen ist im wesentlichen
proportional zum mittleren Durchmesser der Blasen, so daß die Verweildauer der Blasen in der
Flüssigkeit im wesentlichen umgekehrt proportional zum mittleren Durchmesser der Blasen ist,
wenn die Tiefe der Flüssigkeit konstant bleibt. Daraus folgt, daß die Möglichkeit der Luftblasen, in
Kontatk mit den Farbpartikeln zu kommen, um sie zu adsorbieren und einzuschließen, im
wesentlichen umgekehrt proportional zum Quadrat des mittleren Durchmessers der Blasen ist, so daß
diese Gelegenheit um so mehr steigt, je kleiner der Durchmesser der Blasen ist.
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Experimentellen Ergebnissen zufolge ist zu bemerken, daß die Helligkeit des entfärbten
Papiers umso besser ist, je größer das zugemischte Luftvolumen und je größer die ausgestoßene
Schaummenge ist. Figur 5 stellt die Beziehung zwischen der Helligkeit (Hunter) der akzeptierten
Masse und der Strömungsgeschwindigkeits-Zurückweisungsrate dar, die beim Behandeln von aus
100% Offsetdruck-Zeitungspapier bestehender Altpapiermasse erreicht wurde. Es ist zu
bemerken, daß die Helligkeit nicht wesentlich weiter erhöht wird, selbst wenn die
Strömungsgeschwindigkeits-Zurückweisungsrate über 20% hinaus erhöht wird, so daß eine
Strömungsgeschwindigkeits-Zurückweisungsrate in Höhe von 15-20% vorzuziehen ist (in diesem Fall ist die Fasermasse
im Ausschuß niedriger konzentriert als am Masseneinlaß, und die Massenzurückweisungsrate liegt
bei etwa 5%).
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Basierend auf den oben erwähnten bei bekannten Flotationsmaschinen auftretenden
Problemen und den Ergebnissen der von den Erfindern durchgeführten Experimenten, hat die
Erfindung die folgenden Ziele:
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1) Feine Luftblasen sollen gleichmäßig der Massenflüssigkeit zugemischt werden, wodurch
die Notwendigkeit des Einblasens eines übermäßigen Luftvolumens in die Flüssigkeit beseitigt und
dadurch die zum Blasen der Luft benötigte Energie verringert wird.
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2) Die Luftblasen sollen der Massenflüssigkeit mit einer verringerten Energie zum Bewegen
zugemischt werden.
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3) Turbulenz- und tote Zonen in den Strömungskanälen in der Zelle sollen beseitigt werden,
um den Zellinhalt für ein vorgegebenes zu behandelndes Volumen von Massenflüssigkeit zu
reduzieren und die Helligkeitsunterschiede der akzeptierten Masse zu verringern.
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4) Die Möglichkeit für das Mischen und Trennen der Luftblasen von der Massenflüssigkeit
soll wiederholt werden, um so die Behandlungsdauer zu verringern und infolge dessen den
Zellinhalt für ein vorgegebenes zu behandelndes Volumen von Massenflüssigkeit zu verringern.
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5) Eine Störung des Flüssigkeitsspiegels und eine Änderung bei dem erzeugten Schaum
soll beseitigt werden, um den Schaum sanft zu entfernen, ohne daß er wieder in die wirbelnde
Flüssigkeit eingezogen wird.
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6) Feinere Luftblasen sollen erzeugt werden, um feinere Farbpartikel zu entfernen und um
die Gelegenheit zum Einschließen der Farbpartikel zu erhöhen.
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7) Das Mittel oder die Vorrichtung zum Erzeugen der Luftblasen soll einfach in Herstellung
und Wartung und zuverlässig im Betrieb sein.
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Gemäß der Erfindung wird eine Flotationsmaschine zum Entfärben von Altpapiermasse
geschaffen, umfassend eine Flotationszelle, die ein Reservoir für eine Massenflüssigkeit definiert,
die im Gebrauch eine freie Flüssigkeitsoberfläche in der Zelle bildet, eine Schaumaufnahme im
oberen Bereich der Zelle zum Aufnehmen von Schaum, der an die freie Flüssigkeitsoberfläche
aufschwimmt, einen Masseneinlaß am einen Ende der Zelle zum Zuführen der Massenflüssigkeit,
einen Massenauslaß am anderen Ende der Zelle zum Abführen der Massenflüssigkeit und
wenigstens ein in dem unteren Bereich der Zelle angeordnetes längliches, drehbares
Luftblasen-Erzeugnungsmittel, dessen Drehachse sich im wesentlichen horizontal erstreckt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zelle eine längliche Form mit einer im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen
oder teilweise zylindrischen Form aufweist, daß der Masseneinlaß angrenzend an die Unterseite
des einen Endes der Zelle vorgesehen und so angeordnet ist, daß die Massenflüssigkeit in einer
Richtung quer zur Längsrichtung der Zelle in die Zelle einführt und der Massenauslaß angrenzend
an die Unterseite des anderen Endes der Zelle vorgesehen ist, und daß das oder jedes Luftblasen-
Erzeugungsmittel sich zwischen den beiden Enden der Zelle erstreckt, wobei seine Drehachse im
wesentlichen parallel zur Längsachse der Zelle, aber von dieser seitlich in die Richtung versetzt
ist, in die sich der untere Abschnitt ihres Umfanges bewegt, wenn sie gedreht wird, wodurch durch
den Einlaß eingeführte Massenflüssigkeit entlang der Länge der Zelle in wenigstens einem
spiralförmigen Strömungsmuster mit einer im wesentlichen horizontalen Achse zu dem Auslaß
strömt.
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Somit erstreckt sich die Zelle bei der erfindungsgemäßen Maschine im allgemeinen
horizontal und wir somit in der Praxis in der Regel länglich sein, und die Massenflüssigkeit strömt an
einem Ende in die Zelle und wird dann mit feinen Luftblasen gemischt, die durch das Luftblasen-
Erzeugungsmittel erzeugt werden. Bestimmte der Farb- und anderer Partikel werden von
Luftblasen
adsorbiert und schwimmen dann zu der Oberfläche der Flüssigkeit auf, von wo sie z.B. über
ein Überströmwehr, in den Schaumtrog gelangen. Die Rotation des Luftblasen-Erzeugungsmittels
erzeugt eine rotierende Bewegung der Flüssigkeit, und nachdem sie nach oben an ihre Oberfläche
geströmt ist, strömt die Flüssigkeit dann wieder nach unten, wo sie wieder mit weiteren Luftblasen
gemischt wird. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt, wodurch der Entfärbeschritt in der
selben Flotationszelle wiederholt wird, wodurch eine hohe Trennungseffizienz erreicht wird.
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Aufgrund der Tatsache, daß dauernd frische Masse in den Einlaß eingeführt und aus dem
Auslaß abgezogen wird, bewegt sich der zirkulierende Flüssigkeitsstrom fortschreitend in
Längsrichtung entlang der Zelle, die vom horizontalen Typ ist, und das Strömungsmuster, dem die
Flüssigkeit folgt, bildet daher wenigstens eine Spirale mit einer im wesentlichen horizontalen
Achse.
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Der obere Abschnitt der Zelle ist vorzugsweise offen. Wenn die Zelle von im wesentlichen
rechteckigem Querschnitt ist, können ihre unteren Ecken von schrägen ebenen Oberflächen oder
bogenförmigen Oberflächen gebildet werden, um so tote Räume zu beseitigen.
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Obwohl die Maschine nur ein Luftblasen-Erzeugungsmittel beinhalten kann, kann sie zwei
oder mehr aufweisen, und bei einer Ausführungsform sind zwei Luftblasen-Erzeugungsmittel
vorhanden, die so angeordnet sind, daß sie sich in der gleichen Richtung drehen, und die beide in
die gleiche Richtung seitlich gegenüber der Längsachse der Zelle versetzt sind. Bei einer weiteren
Ausführungsform sind zwei Luftblasen-Erzeugungsmittel vorhanden, die so angeordnet sind, daß
sie sich in entgegengesetzte Richtung drehen, und die symmetrisch in entgegengesetzte
Richtungen seitlich gegenüber der Längsachse der Zelle versetzt sind, wodurch im Betrieb zwei
spiralförmige Strömungsmuster gebildet werden.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen deutlicher, die als Beispiel unter Bezugnahme
auf die Figuren 6 bis 8 und 11 bis 15 der beigefügten Zeichnungen gegeben wird; die Figuren 9
und 10 liegen außerhalb des Bereiches der Erfindung und sind als Beispiel beigefügt, wie eine
erfindungsgemäße Flotationsmaschine mit einem Luftblasenerzeuger funktionieren kann. Es
zeigen:
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Figur 6 eine ebene Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Flotationsmaschine zum Entfärben;
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Figur 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Figur 6;
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Figur 8 eine perspektivische Ansicht einer Zelle der erfindungsgemäßen Flotationsmaschi-
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Figur 9 eine Seitenansicht eines Luftblasenerzeugers;
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Figur 10 einen Schnitt entlang der Linie X-X in Fig. 9; und
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Figuren 11-15 Schnittansichten modifizierter Konstruktionen der erfindungsgemäßen
Flotationsmaschine zum Entfärben.
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Nach den Figuren 6-10 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Masseneinlaß, 2 einen
Massenauslaß, 3 einen Luftblasenerzeuger, 4 einen Trog zum Sammeln von Schaum, 5 eine
Flotationszelle, umfassend eine zylindrische Trommel 5a und an deren entgegengesetzten Enden
befestigte Endplatten 5b und 5c, 7 eine Massenflüssigkeit, 8 die freie Oberfläche der Flüssigkeit 7,
9 Schaum, 10 feine Luftblasen, 11 einen spiralförmigen Strömungspfad 21 einen Turbinenrotor,
22 Lagerzapfen, 23 Rippen, 24 Klingen 25 einen Turbinenrotorkörper, 26 ein Luftzufuhrrohr und
26a einen Luftdurchlaß.
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Die Zelle 5 umfaßt die im wesentlichen horizontal angeordnete und im allgemeinen
zylindrische Trommel 5a, die an ihrem oberen Abschnitt abgeschnitten ist, an den entgegengesetzten
Enden der Trommel 5a befestigte Endplatten Sb und 5c und Rahmenbauteile 5d, die zusammen
mit einer Bodenplatte 5f einen Schaumtrog 4 definieren, der einen rechteckigen Querschnitt
aufweist und sich seitlich von eine Seite der Zelle im wesentlichen über deren gesamte Länge
erstreckt. Genauer erstreckt sich eines der Bauteile 5d von einer oberen abgeschnittenen Kante 5e
an einer Seite der Trommel 5a; zwei der Bauteile 5d erstrecken sich vertikal von den Endplatten
5b und 5c, sind mit dem einen Bauteil 5d verbunden und erstrecken sich horizontal weg von der
abgeschnittenen Kante 5e, und das verbleibende Bauteil 5d ist mit diesen beiden Bauteilen 5d und
der Bodenplatte 5f verbunden, wodurch der Schaumtrog 4 definiert wird. Eine Überström- oder
Wehrplatte 5g ist einstückig mit einer weiteren abgeschnittenen Kante 5e an der anderen Seite der
Trommel 5a ausgebildet und erstreckt sich schräg nach außen, so daß Schaum über die Platte 5g
in den Trog 4 überströmt.
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Der Masseneinlaß 1 an der Unterseite eines Endes der Zelle 5 umfaßt ein sich in axialer
Richtung der Trommel 5a erstreckendes Einlaßrohr 1a und eine Düse 1b, die mit derm Einlaßrohr
1a verbunden ist und sich rechtwinklig zu dem Rohr 1a und tangential zu der Trommel 5a
erstreckt. Der Massenauslaß 2 an der Unterseite des anderen Endes der Zelle 5 ist in der
Konstruktion im wesentlichen ähnlich dem Masseneinlaß 1 und mit dem Einlaß 1 symmetrisch.
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Der Luftblasenerzeuger 3 erstreckt sich innerhalb des unteren Abschnitts der Zelle 5
zwischen den Endplatten 5b und 5c. Wie in den Figuren 9 und 10 gezeigt umfaßt der Erzeuger 3
einen Turbinenrotor 21 und ein Luftzufuhrrohr 26, das über ihm und an ihn angrenzend angeordnet
ist. Der Rotor 21 umfaßt einen Rotorkörper 25 in Form eines zylindrischen Käfigs und axiale
Lagerzapfen 22, die sich von entgegengesetzten Enden des Körpers 25 nach außen erstrecken.
Insbesondere ist der Rotorkörper 25 durch Anordnen einer Mehrzahl (bei der Ausführungsform
vier) von gleich beabstandeten koaxialen, parallelen scheibenförmigen Rippen 23a und 23b mit
dem gleichen Durchmesser wobei eine Mehrzahl von von in Winkelrichtung gleich beabstandeten
Klingen 24 fest an den äußeren Umfangsflächen der Rippen 23a und 23b befestigt sind. Das
Luftzufuhrrohr 26 weist wenigstens einen Luftauslaß 26a auf, der zu dem Turbinenrotor 21 hin
offen ist und die Form eines runden Loches oder eines länglichen Schlitzes aufweisen kann. Die
Lagerzapfen 22 des Turbinenrotors 21 erstrecken sich durch die Endplatten 5b und 5c und werden
durch sie in an ihren äußeren Oberflächen fest angebrachten Lagern 3b gelagert. Eine
Riemenscheibe
3a wird von einem der Lagerzapfen 22 getragen und ist antriebsmäßig mit einem (nicht
gezeigten) Motor verbunden, so daß die Riemenscheibe 3a mit hoher Geschwindigkeit rotiert
werden kann.
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Der Luftblasenerzeuger 3 ist unterhalb der Achse der Trommel angeordnet und von oben
gesehen in Richtung auf den aufsteigenden Pfad des spiralförmigen Strömungsmusters hin (in
Figur 6 nach rechts) versetzt, dem die aus dem Masseneinlaß 1 in die Zelle 5 eingeführte
Massenflüssigkeit folgt.
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Die Funktionsweise der oben beschriebenen Maschine ist wie folgt:
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Die Massenflüssigkeit 7 strömt durch das Einlaßrohr 1a des Massenzuführ-Einlasses 1 in
axialer Richtung in die Zelle 5 und ändert ihre Strömungstrichtung um im wesentlichen 90 Grad,
so daß sie im allgemeinen tangential angrenzend an die Unterseite eines Endes der Zelle 5 aus
der Düse 1b strömt. Wegen der Trägheit der Massenflüssigkeit, strömt sie im wesentlichen auf das
Luftblasen-Erzeugungsmittel 3 zu und erreicht dieses, wo die Flüssigkeit 7 mit feinen Luftblasen
gemischt wird und dann eine scheinbar verringerte spezifische Dichte und somit Auftrieb aufweist.
Die Luftblasen werden durch die aus dem oder den Auslässen 26 a in einem oder mehreren
Strömen ausströmende Luft erzeugt, die durch die Rotation des Blasenerzeugers 3 in feine Blasen
zerteilt werden. Wegen der Kombination der Trägheit beim Einführen in die Zelle 5 mit Auftrieb
strömt einiges der Flüssigkeit 7 nach oben und erreicht die freie Flüssigkeitsoberfläche 8. Ein Teil
des Flüssigkeitsstromes 30 bewegt sich mit der äußeren Umfangsfläche des Turbinenrotors 21
und trifft auf das Luftzufuhrrohr 26 oberhalb des Rotors 21 und wird in Aufwärts- und
Abwärtsströme 31 und 32 aufgeteilt. Der Aufwärtsstrom 31 verstärkt die oben beschriebene steigende
Strömung, während der Abwärtsstrom 32 die Einleitung der Luft aus dem Rohr 26 in den Rotor 21
unterstützt.
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Die die feinen Blasen 10 enthaltende Massenflüssigkeit steigt auf und erreicht die freie
Oberfläche 8. Sie strömt über die freie Oberfläche 8 auf den Trog 4 zu, während einige feine
Blasen als Schaum über der freien Oberfläche 8 erhalten bleiben.
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Die nun im wesentlichen von den feinen Luftblasen 10 freie Massenflüssigkeit strömt
entlang der inneren Oberfläche der Trommel 5a auf der Seite des Schaumtroges 4 nach unten und
erreicht wiederum das Luftblasen-Erzeugungsmittel 3. Die Massenflüssigkeit wirbelt somit
wiederholt um die Achse der Zelle. Weil andauernd Flüssigkeit in die Zelle strömt, wird sie fortschreitend
auf den Massenauslaß 2 zu verlagert und nimmt somit, wie in den Figuren 6 bis 8 gezeigt, ein
spiralförmiges Strömungsmuster 11 im Gegen uhrzeigersinn an und strömt durch den
Massenauslaß 2 aus der Zelle 5.
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Wie oben erwähnt, ist die Konstruktion des Luftblasenerzeugers 3 so, daß die Druckluft auf
den mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Turbinenrotor 21 zu geblasen wird, und es wird, wie in
Figur 10 gezeigt, ein zirkulierender Strom 35 um die Klingen 24 gebildet, so daß die Druckluft von
hinten in den Rotor 21 strömt, bezogen auf die Bewegungsrichtung der Klingen 24. Die die feinen
Blasen enthaltende Massenflüssigkeit 7 wird dann durch die Zentrifugalkraft und durch die für den
zirkulierenden Strom 35 verantwortliche Kraft dazu gezwungen, aus dem Rotor zu strömen. Bei
zwei getrennten Gelegenheiten, d. h. wenn die Luft in und aus der Turbine 21 strömt, wird sie
extrem starken Scherkräften unterworfen und wird somit zu feinen Luftblasen 10 zum Mischen mit
der Massenflüssigkeit 7. Wegen des Blasenerzeugers 3 in dem spiralförmigen Strömungspfad 11
werden die Luftblasen 10 gleichmäßig in die Massenflüssigkeit gemischt, und das Mischen und
Trennen der Luftblasen 10 in die und von der Flüssigkeit 7 wird vielfach wiederholt. Weil die
Luftblasen 10 gleichmäßig in der Flüssigkeit 7 verteilt werden und eine konstante
Steiggeschwindigkeit aufweisen, bleibt der Flüssigkeitsstrom in einem stabilen Zustand. Wegen der Form der
Zelle tritt keine Turbulenz des Flüssigkeitsstromes, keine Störung der freien Oberfläche und keine
Veränderung in der Schaumverteilung auf. Als Ergebnis wird über der freien Oberfläche 8 ein
stabilisiertes Schaumbett 9 gebildet, und es tritt kein Wiedereinsaugen des Schaumbettes 9 durch
die Flüssigkeit 7 auf. Das Schaumbett über der freien Oberfläche 8 wird wegen der spiralförmigen
Strömung der Massenflüssigkeit 7 auf den Trog 4 zu gedrückt und strömt über die Übertrömplatte
5g in den Trog 4, aus dem der Schaum nach außen abgeführt und wenn nötig einem
nachgeschalteten Prozeß unterworfen wird. Der nachbehandelte, akzeptierte Anteil wird wieder dem
Masseneinlaß 1 zugeführt.
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Man sagt, daß der Durchmesser der durch einen Flotationsprozeß zum Entfärben aus einer
Flüssigkeit entfernbaren Farbpartikel 10 µm oder mehr ist und daß der optimale
Durchmesserbereich der Farbpartikel 10 bis 15 µm ist. Man sagt auch, daß der Durchmesser der Farbpartikel,
welche durch Harzbinder gebundene Kohlenstoffpartikel enthaltende Feststoffe sind, die in einer
Luftblase von 1 mm Durchmesser adsorbierbar sind, in der Größenordnung von 13 µm liegt.
Daraus folgt, daß der Druchmesser der Frabpartikel, die adsorbiert werden können, umso kleiner
ist, je kleiner der Durchmesser der Luftblasen ist. Im Bereich des Zeitungsdruckes ersetzt
Offsetdruck den Reliefdruck. Die Kohlenstoffpartikel in der Farbe zum Offsetdrucken sind sehr fein (in
der Größenordnung von 0,01 µm) und können nach dem Drucken nicht einfach von Fasern
entfernt werden. Um dieses Problem zu lösen, ist ein Entfärbungsverfahren bekannt, bei dem die
Masse sehr stark kondensiert wird und die Fasern mechanischen Scherkräften ausgesetzt werden,
wodurch die anhaftenden Farbpartikel entfernt werden. Die Scherkräfte machen natürlich die
freien Farbpartikel kleiner, so daß der Durchmesser der durch das Flotationsverfahren zu
entfernenden Farbpartikel kleiner und kleiner wird.
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Figur 11 zeigt eine erste Modifikation der erfindungsgemäßen Flotationsmaschine, bei der
die Zelle einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist.
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Zellen mit einem winkligen Querschnitt mögen im Vergleich zu zylindrischen Zellen einen
langsameren Flüssigkeitsstrom aufweisen, haben jedoch den Vorteil einer einfacheren Herstellung
und einer verringerten Größe im Vergleich zu ihrem Volumen. Ein Paar von
Luftblasen-Erzeugungsmitteln sind in Richtung zu einer Seite der Zelle hin versetzt angeordnet. Dies ist gegenüber
lediglich einem einzelnen größeren Lufterzeugungsmittel vorzuziehen, weil die Luftblasen
gleichmäßiger in dem gesamten Volumen der Massenflüssigkeit im Inneren der Zelle verteilt werden.
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Figur 12 zeigt eine dritte Modifikation der Erfindung bei der die Zelle einen im wesentlichen
rechteckigen Querschnitt aufweist und zwei Luftblasen-Erzeugungsmittel leicht in
entgegengesetzten Richtungen um den selben Abstand von der Zellenachse versetzt sind, so daß zwei
spiralförmige Ströme erzeugt werden, die in der Mitte aufsteigende Strömungen und entlang der
Zellwände absteigende Strömungen aufweisen. Die dritte Modifikation ist insbesondere vorteilhaft,
wenn ein großes Volumen von Massenflüssigkeit zu behandeln ist.
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Figur 13 zeigt eine Modifikation der in Figur 12 gezeigten dritten Modifikation. Die zwei
Luftblasen-Erzeugungsvorrichtungen sind weiter in Richtung auf die Seitenwände der Zelle zu
versetzt, so daß die Abwärtsströme zwischen den Vorrichtungen und die Aufwärtsströme
angrenzend an die Zellwände gebildet werden. Entsprechend ist der Schaumtrog entlang der Mitte der
Zelle angeordnet. Diese Konstruktion ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Zelle groß ist.
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Figur 14 zeigt eine vierte Modifikation, bei der sich ein Kern 40 mit der gleichen Form, aber
geringerer Größe wie die Zelle entlang der Länge der Zelle in der Nähe der Achse der
spiralförmigen Strömung darin erstreckt. Wegen des Kerns 40 strömt die spiralförmige Strömung sicher
durch das Luftblasen-Erzeugungsmittel 3, so daß das Mischen der Massenflüssigkeit mit
Luftblasen sehr erleichtert wird, und tote Zonen, die in der Nähe der Achse der spiralförmigen Strömung
entstehen könnten, verhindert werden.
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Figur 15 zeigt eine fünfte Modifikation der Erfindung, bei der der Boden der Zelle geneigt ist.
In diesem Fall ist es vorzuziehen, das Luftblasen-Erzeugungsmittel parallel zu dem geneigten
Boden anzuordnen. Der geneigte Boden ist dahingehend vorteilhaft, daß beim
Außerbetriebnehmen die Massenflüssigkeit einfach und vollständig aus der Zelle abgelassen werden kann, so daß
das Reinigen der Zelle erleichtert wird.
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Es ist klar, daß die Flotationsmaschine zum Entfärben und ihre erfindungsgemäßen Teile
nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sind und daß
verschiedene weitere Modifikationen durchgeführt werden können. Wenn die Flotationsmaschine zum
Beispiel eine rotierende Diffusionsvorrichtung beinhaltet, wie in Figur 3 gezeigt, können
zusätzliche Effekte erreicht werden.
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Die Wirkungen und Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden:
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Die Massenflüssigkeit strömt in einem oder mehreren spiralförmigen Strömungsmustern in
der Zelle zwischen dem Einlaß und dem Auslaß, und strömt somit wiederholt in die Nähe des
Blasenerzeugungsmittels, das weitere Blasen in sie mischt. Die Flüssigkeit strömt dann nach oben
zu der freien Oberfläche, an der der mitgeführte Schaum vefbleibt, und strömt dann wieder nach
unten, und der Zyklus wird wiederholt, so daß
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(1) feine Luftblasen gleichmäßig und wiederholt in die Flüssigkeit gemischt werden, wodurch
das Einleiten von nutzloser Luft beseitigt und die zum Blasen der Luft benötigte Energie verringert
wird;
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(2) die in die Flüssigkeit gemischten Luftblasen die Bewegung der Flüssigkeit fördern, so
daß keine separate Energiequelle zum Bewegen benötigt und die zum Antreiben des
Blasenerzeugungsmittels benötigte Energie reduziert wird;
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(3) keine Turbulenz in der Flüssigkeit verursacht und keine tote Zone in der Zelle gebildet
wird, wodurch das Volumen der Zelle zum Behandeln eines vorgegebenen Volumens von
Massenflüssigkeit reduziert werden kann und Veränderungen in der Helligkeit des akzeptierten Anteils
auf ein Minimum reduziert werden;
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(4) wiederholtes Mischen und Trennen der Flüssigkeit und der Luftblasen die
Behandlungszeit reduziert und das zum Behandeln eines vorgegebenen Flüssigkeitsvolumens benötigte
Volumen der Zelle verringert; und
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(5) es keine Ströung der freien Oberfläche der Flüssigkeit gibt und der Schaum gleichmäßig
über die gesamte Oberfläche erzeugt wird, wodurch auf der Oberfläche schwimmender Schaum
nicht wieder durch die wirbelnde Flüssigkeit eingezogen, sondern sanft entfernt wird, z. B. über ein
Übertrömwehr in den Schaumtrog, aus dem er anschließend abgeführt wird.