-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mittel zum Erzeugen von Luftblasen in einer Flüssigkeit,
insbesondere zur Verwendung in einer Flotationsmaschine zum Entfärben (Deinken) von
Altpapiermasse, umfassend einen Turbinenrotor in Form eines Käfigs mit einer Mehrzahl von
Blättern oder Stangen am Rand, die zwischen sich Abstände definieren, und Mitteln zum Zuführen von
Druckluft in der Nähe des Drehbauteils. Solche Flotationsmaschinen werden in
Altpapier-Wiedergewinnungsanlagen zum Entfasern und Säubern von Altpapier und dazu verwendet, es wieder
zurück in Material zum Herstellen von Papier umzuwandeln. In einer solchen Maschine werden in
einer Flotationszelle Blasen in der Papiermassenflüssigkeit erzeugt, und Druckfarbe und andere
Partikel, etwa Öl und Pech, die an dem Papier hafteten, werden von den Blasen adsorbiert und
durch den Auftrieb in Form von Schaum an die Flüssigkeitsoberfläche transportiert, der dann über
eine Schaumaufnahme entfernt wird.
-
Verfahren zum Deinken von Altpapier werden im allgemeinen in drei Arten eingeteilt, nämlich
das Flotationsverfahren, das Waschverfahren und eine Kombination aus beiden.
-
Bei dem Flotationsverfahren werden die feinen Farbpartikel umso leichter von den Blasen
adsorbiert, je kleiner ihr Durchmesser ist. Daher ist es zur wirkungsvollen Durchführung des
Flotationsverfahrens wichtig, daß die gesamte Oberfläche der Blasen groß ist, daß die Blasen in der
Papiermassen-Flüssigkeit gleichmäßig verteilt sind und daß die Verweildauer der Blasen in der
Massenflüssigkeit lang ist. Je feiner die Blasen sind, desto größer ist bei der gleichen Menge Luft,
die der Massenflüssigkeit zugemischt wird, die gesamte Oberfläche der Blasen, und desto
langsamer ist daher die Strömungsgeschwindigkeit der Blasen. Die Wirksamkeit des
Flotationsverfahrens wird daher im wesentlichen durch das gleichmäßige Einmischen einer größeren Menge feiner
Luftblasen in die Massenflüssigkeit und durch die Wirksamkeit ihres Entfernens als Schaum
bestimmt.
-
Früher haftete Druckfarbe relativ schwach an Papierfasern und konnte relativ einfach
abgelöst werden. Die Qualitätsanforderungen für entfärbten Papierbrei waren auch nicht besonders
hoch. Daher konnten bekannte Flotationsmaschinen mit einer relativ geringen Luftmenge und der
sich daraus ergebenden relativ kurzen Verweildauer der Blasen zufriedenstellende Ergebnisse
erreichen.
-
In letzter Zeit sind jedoch Probleme aufgetaucht, die mit der bekannten Deink-Technik unter
Verwendung des Flotationsverfahrens nicht gelöst werden können. Erstens ist die Haftfestigkeit
der Druckfarbe an Papier infolge entwickelter oder verbesserter Druckverfahren gestiegen, etwa
durch Verwendung des Offsetdrucks zum Drucken von Zeitungen, so daß eine mechanische Kraft
erforderlich ist, um die Farbe zu trennen, was dazu führt, daß die abgelösten Farbpartikel kleinere
Durchmesser aufweisen als früher. Zweitens ist die Verwendung von Altpapier aufgrund des
Bewußtseins stark angestiegen, daß die Rohstoffvorräte weltweit abnehmen. Drittens ist die für zum
Drucken verwendetes Papier geforderte Qualität aufgrund gestiegener Anforderungen an
optisches Erscheinungsbild und Farbgebung von bedrucktem Papier angestiegen. Viertens werden
zu
nehmend strenge Vorschriften auf Abwasser angewendet, das bei Verfahren zur Papierherstellung
abgeleitet wird.
-
Bei in letzter Zeit entwickelten Flotationsmaschinen bewirkt die hohe
Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, daß die Luftblasen starken Scherkräften ausgesetzt sind und somit in eine höhere
Anzahl feiner Luftblasen umgewandelt werden, die der Massenflüssigkeit zugemischt werden. Die
Agitationsbewegung wird verstärkt, um Luftblasen zufriedenstellend in der Flüssigkeit zu verteilen
und die Verweildauer der Blasen in der Flüssigkeit zu erhöhen und so die Möglichkeit für die
Farbpartikel zu erhöhen, in Kontakt mit den Luftblasen zu gelangen. Die Zelle weist eine große
Kapazität auf, um eine ausreichende Zeitdauer sicherzustellen, um das Schweben und Sammeln der
Luftblasen zu erlauben.
-
Fig. 1 und 2 sind ein schematischer Schnitt von der Seite bzw. ein Schnitt entlang der
Linie IV-IV in Fig. 1 einer kürzlich Flotationsmaschine vom Drehdiffusionstyp (Japanische Patent-
Erstveröffentlichung Nr. 24539011986), bei der das Bezugszeichen 51 eine vertikale Zelle vom
Zylindertyp, 52, 53 und 54 Wehre, 56 Drehverteilröhren, 57 eine rotierende Welle, 58 einen
Luftzufuhreinlaß, 59 den Flüssigkeitsspiegel, 60 einen Massenzuführeinlaß, 61 einen Massenauslaß,
62 eine rotierende Schaumsammelklinge und 63 einen Schaumtrog bezeichnen.
-
Die Massenflüssigkeit strömt durch den Einlaß 60 in die Zelle 51, strömt mehrmals
serpentinenartig zwischen den Wehren 52, 53 und 54 auf und ab und wird dann durch den Auslaß 61
ausgestoßen. Die Luft strömt durch den Einlaß 58 in die Verteilröhren 56, die sich mit hoher
Geschwindigkeit drehen, und strömt durch Belüftungslöcher mit 20-40 mm Durchmesser, die in
kleinen Vorsprüngen 64 auf den Röhren 56 ausgebildet sind. Wegen des
Geschwindigkeitsunterschiedes zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche der Verteilröhren 56 wird die Luft starken
Scherkräften ausgesetzt und in feine Luftblasen umgewandelt, die in der Flüssigkeit verteilt
werden. Die Massenflüssigkeit wird durch die Rotationskraft stark bewegt. Die Luftblasen in der
Flüssigkeit steigen zum Flüssigkeitsspiegel 59 auf, um Schaum zu bilden, der von der Schabklinge 62
in den Trog 63 gesammelt und nach außen abgeleitet wird. Der abgeleitete Schaum kann je nach
Bedarf nachbehandelt werden.
-
Bei einer Flotationsmaschine von diesem Typ müssen, um feine Luftblasen zu erzeugen
und die Flüssigkeit in dem Behälter mit großer Kapazität zu bewegen, die Röhren 56 mit großem
Durchmesser mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden, so daß eine starke Antriebskraft
erforderlich ist. Die Massenflüssigkeit strömt wiederholt zwischen den Wehren 52, 53 und 54 auf und
ab, und für die Blasen in den nach unten strömenden Bereichen ist es schwierig, nach oben zu
steigen, was die Trennung der Blasen von der Flüssigkeit nachteilig beeinflußt. Als ein Ergebnis
variiert die Bildung von Schaum über dem Flüssigkeitsspiegel zwischen den Abschnitten der
Flüssigkeitsoberfläche, an denen die Flüssigkeit nach oben strömt, und denen, an denen die
Flüssigkeit nach unten strömt. Weil die Luft vom Inneren der Verteilröhren 56 aus in die Flüssigkeit
eingeblasen wird, ist eine flüssigkeitsdichte Abdichtung 65 zwischen den Röhren und der Wand der
Zelle erforderlich, aber kompliziert und schwierig instandzuhalten. Wenn die Maschine angefahren
oder angehalten wird oder die Balance zwischen dem Luftdruck und dem Flüssigkeitsdruck
verloren geht, kann die Massenflüssigkeit in die Verteilröhren 56 fließen und aufgrund der
Zentrifugalkraft an deren innerer Wand anhaften, wodurch die Luftauslässe in der Wand der Röhren 56
verstopft werden. Die durch die Verteilröhren 56 erzeugten Strömungsmuster der Bewegung sind
instabil, so daß sich bei Auftreten von Konzentrationsänderungen oder dergl. der Flüssigkeit die
Strömungsgeschwindigkeit der Massenflüssigkeit ändern und die Luftblasen plötzlich platzen
können.
-
US-A-1608896 offenbart eine Einrichtung zum Konzentrieren von Erzen durch das
Flotationsverfahren, bei dem Erz in breiiger Form unten an einem Ende einer länglichen Zelle
eingeleitet wird, in der Luftblasen erzeugt werden. Der mineralische Brei bildet mit den Luftblasen einen
Schaum, der dann über ein Wehr und durch einen Auslaß am anderen Ender der Zelle nach
außen strömt. Der Luftblasengenerator umfaßt einen sich horizontal erstreckenden Rotor, dessen
Rand durch voneinander beabstandete längliche Flügel bestimmt ist, um die ein durchlässiges
Sieb gewickelt ist, das mit einer Plane oder dergl. abgedeckt ist. Längliche Schaufeln erstrecken
sich entlang der Außenseite des Rotors. Im Betrieb wird dem Inneren des Rotors während des
Drehens Luft zugeführt, und diese Luft gelangt durch das Sieb und die Planenabdeckung in Form
von Blasen nach außen.
-
Es ist das Ziel dieser Erfindung, ein Mittel zum Erzeugen von Luftblasen in einer Flüssigkeit
zu schaffen, das zur Lösung der verschiedenen Probleme der oben beschriebenen Maschine
beiträgt. Die Erfindung baut auf dem folgenden Konzept und den Ergebnissen von durch die
Erfinder durchgeführten Versuchen auf.
-
Wenn ein bestimmes Luftvolumen einer Flüssigkeit zugemischt wird, ist die gesamte
Oberfläche der Blasen im wesentlichen umgekehrt proportional zum mittleren Durchmesser der Blasen,
so daß die gesamte Oberfläche umso größer ist, je kleiner der mittlere Durchmesser der Blasen
ist. Die Geschwindigkeit der 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 gleich bleibt. Daraus folgt, daß die Möglichkeit der Luftblasen zum Kontakt mit den
Farbpartikeln, um sie zu adsorbieren und einzufangen, im wesentlichen umgekehrt proportional
zum Quadrat des mittleren Durchmessers der Blasen ist, do daß diese Möglichkeit um so stärker
ansteigt, je kleiner der Durchmesser der Blasen ist.
-
Nach Versuchsergebnissen ist zu bemerken, daß die Helligkeit des entfärbten Papiers umso
besser ist, je größer das Volumen der zugemischten Luft und je größer das Volumen des
abgeführten Schaumes ist. Fig. 3 stellt den Zusammenhang zwischen der Helligkeit (Hunter) der
ursprünglichen Masse und der Strömungsgeschwindigkeits-Zurückweisungsrate dar, den man beim
Behandeln bon Altpapiermasse erhält, die zu 100% aus offset-gedruckten Zeitungen besteht. Es
ist zu bemerken, daß selbst bei Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeits-Zurückweisungsrate über
20% hinaus die Helligkeit nicht mehr wesentlich weiter gesteigert wird, so daß eine
Strömungsge
schwindigkeits-Zurückweisungsrate in der Größenordnung von 15-20% vorzuziehen ist (in diesem
Fall ist die Fasermasse in den Rückständen niedriger konzentriert als am Masseneinlaß, und die
Massenzurückweisungsrate liegt in der Größenordnung von ungefähr 5%).
-
Basierend auf den oben erwähnten Problemen, die bei bekannten Flotationsmaschinen
auftreten, und den Ergebnissen der von den Erfindern durchgeführten Versuche hat die Erfindung
folgende Ziele:
-
1) Feine Luftblasen sollen gleichmäßig der Massenflüssigkeit zugemischt werden, wodurch
die Notwendigkeit zum Einblasen eines übermäßigen Luftvolumens in die Flüssigkeit beseitigt und
die erforderliche Leistung zum Einblasen der Luft verringert wird.
-
2) Die Luftblasen sollen der Massenflüssigkeit gleichmäßig mit einer geringeren
Agitationsleistung zugemischt werden.
-
3) Feinere Luftblasen sollen erzeugt werden, um feinere Farbpartikel zu entfernen und um
die Möglichkeit zum Einfangen der Farbpartikel zu erhöhen.
-
4) Das Mittel oder die Einrichtung zum Erzeugen der Luftblasen soll einfach in Konstruktion
und Wartung und zuverlässig im Betrieb sein.
-
Gemäß der Erfindung ist ein Mittel zum Erzeugen von Luftblasen in einer Flüssigkeit nach
dem oben beschriebenen Typ dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Zuführen von
Druckluft eine Luftzuführleitung umfaßt, die benachbart zum äußeren Rand des Turbinenrotors
angeordnet ist und wenigstens eine Luftzuführöffnung aufweist, welche außerhalb des Turbinenrotors
liegt und auf den Turbinenrotor zu gerichtet ist.
-
Ein solches Mittel zum Erzeugen von Luftblasen ist besonders vorteilhaft bei einer
Flotationsmaschine von dem oben beschriebenen Typ, kann aber auch andere Anwendungen finden.
Wenn sie in einer Maschine von dem oben beschriebenen Typ eingesetzt wird, wird sie sehr
schnell gedreht, um feine Luftblasen zu erzeugen, wobei die Flüssigkeit und die Luft in den Rotor
gesaugt werden, wodurch die Luft beträchtlichen Scherkräften ausgesetzt ist, in dem Rotor
gemischt und dann dazu gebracht wird, wieder nach außen zu strömen, wodurch die Luft
wiederbeträchtlichen Scherkräften ausgesetzt wird. Die mit den feinen Luftblasen gemischte
Massenflüssigkeit steigt dann aufgrund ihres verringerten spezifischen Gewichts nach oben auf die freie
Flüssigkeitsoberfläche zu. Wie oben erwähnt adsorbieren die Blasen oder wenigstens ein Teil von
ihnen Farbpartikel und verbleiben in Form von Schaum auf der Flüssigkeitsoberfläche, von der sie
in die Schaumaufnahme strömen, die sich vorzugsweise entlang der gesamten Länge der Zelle
entlang ihrer einen Seite oder wahlweise entlang ihrer Mitte erstreckt, falls zwei Blasengeneratoren
und zwei Wirbelmuster in entgegengesetzten Richtungen in der Zelle vorhanden sind.
-
Es ist zu bevorzugen, daß sich der Turbinenrotor im wesentlichen horizontal erstreckt und
daß die Luftzuführleitung oberhalb des Turbinenrotors angeordnet ist und sich im wesentlichen
parallel zu ihm erstreckt. Der Rotor kann eine zylindrische Form haben, kann aber auch
kegelstumpfförmig sein oder einen entlang seiner Länge stufenweise abnehmenden Durchmesser aufweisen.
-
Der Turbinenrotor kann einen inneren Kern umfassen, der koaxial mit der Rotorachse ist
und dessen Form der des Rotors entspricht, der aber kleiner ist. Dies kann zu einer wirksameren
Blasenerzeugung und zu einem geingeren Energieverbrauch zum Antreiben des Rotors führen.
-
Die Luftzuführleitung kann nur eine einzelne Luftzuführöffnung aufweisen, die die Form
eines Schlitzes haben kann, der sich entlang eines Teils oder der gesamten Länge der
Luftzuführleitung erstreckt, oder sie kann eine Mehrzahl von getrennten Luftzuführöffnungen aufweisen.
-
Die Erfindung umfaßt auch eine Flotationsmaschine zum Deinken von Altpapiermasse, von
dem Typ, der eine Flotationskammer umfaßt, die ein Reservoir für eine Massenflüssigkeit
definiert, die im Betrieb eine freie Flüssigkeitsoberfläche in der Kammer bildet, eine
Schaumaufnahme im oberen Bereich der Kammer zum Aufnehmen von Schaum, der an die freie
Flüssigkeitsoberfläche aufschwimmt, einen Masseneinlaß am einen Ende der Kammer zum Zuführen von
Massenflüssigkeit, einen Massenauslaß am anderen Ende der Kammer zum Abführen der
Massenflüssigkeit und wenigstens eine im unteren Bereich der Kammer angeordnete, drehbare
Einrichtung zum Erzeugen von Luftblasen.
-
Wie oben erwähnt, ist die Luftzuführleitung vorzugsweise oberhalb des Rotors angeordnet,
aus der Zuführleitung austretende Luft strömt mit der mit dem Rotor rotierenden Flüssigkeit, wird
in einer Zone reduzierten Drucks hinten an jedem Blatt gefangen und strömt dann in den Rotor.
Die mit dem Rotor zirkulierende Massenflüssigkeit stößt gegen die Luftzuführleitung und wird
somit plötzlich verlangsamt, worduch ihr Druck erhöht wird, was dazu führt, daß ein Teil davon in
den Turbinenrotor strömt. Dieses Einströmen der Massenflüssigkeit bringt auch Luft dazu, mit ihr
in den Rotor zu strömen. Die in den Rotor gelangende Luft und Flüssigkeit werden durch die
inneren Kanten des Blattes beträchtlichen Scherkräften ausgesetzt und somit miteinander vermischt.
Die Flüssigkeit strömt anschließend durch die Wirkung von Zentrifugalkräften aus dem
Turbinenrotor, so daß die in ihr enthaltenen Luftblasen durch die äußeren Kanten des Blattes erneut
beträchtlichen Scherkräften ausgesetzt werden. Dies führt dazu, daß die Blasen besonders klein sind
und gleichmäßig in der Massenflüssigkeit verteilt werden. Der Großteil der Massenflüssigkeit in
der Umgebung des Rotors, der von ihm in Zirkulation versetzt wird, strömt tangential vom Rotor
weg nach oben und fördert die Aufwärtsströmung der Flüssigkeit, die zum Teil durch den
verringerten Auftrieb ihres Teils verursacht wird, in dem Luftblasen enthalten sind.
-
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
bestimmter bevorzugter Ausführungsformen deutlicher, die beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Fig. 4 bis 16 gegeben wird, in denen zeigen:
-
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Flotationsmaschine zum Entfärben, umfassend einen
erfindungsgemäßen Blasengenerator;
-
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 4;
-
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Zelle der erfindungsgemäßen
Flotationsmaschine;
-
Fig. 7 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Luftblasengenerators in der
Flotationsmaschine nach den Fig. 4 bis 6;
-
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie X-X in Fig. 7;
-
Fig. 9 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des
Rotors und der aufgelösten Luft darstellt;
-
Fig. 10 einen Graphen, der die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors und das maximale
G/V darstellt;
-
Fig. 11-13 verschiedene Ansichten, die Modifikationen des Turbinenrotors der
erfindungsgemäßen Flotationsmaschine;
-
Fig. 14(a), 14(b) und 14(c) Schnitte, die Modifikationen eines Turbinenblattes an dem
Turbinenrotor zeigen;
-
Fig. 15 eine Schnittansicht einer Modifikation des Luftblasengenerators; und
-
Fig. 16(a), 16(b) und 16(c) Schnittansichten, die Modifikationen der Luftzuführleitung
des erfindungsgemäßen Flotationsmaschine zeigen.
-
Gemäß den Fig. 4-8 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Masseneinlaß, 2 einen
Massenauslaß, 3 einen Luftblasengenerator, 4 einen Trog zum Einfangen von Schaum, 5 eine
Flotationszelle mit einer zylindrischen Trommel 5a und an gegenüberligenden Enden davon
befestigten Endplatten 5b und 5c, 7 eine Massenflüssigkeit, 9 die freie Oberfläche der Flüssigkeit, 9
Schaum, 10 feine Luftblasen, 11 ein spiralförmiges Strömungsmuster, 21 einen Turbinenrotor, 22
Wellenzapfen, 23 Rippen 24 Blätter, 25 einen Turbinenrotorkörper, 26 eine Luftzuführleitung und
26a eine Luftöffnung.
-
Die Zelle 5 umfaßt die im wesentlichen horizontal angeordnete und im allgemeinen
zylindrische Trommel 5a, deren oberer Bereich abgeschnitten ist, Endplatten 5b und 5c, die an
entgegengesetzten Enden der Trommel 5a befestigt sind, und Rahmenbauteile 5d, die zusammen mit einer
Bodenplatte 5f einen Schaumtrog 4 definieren, der von rechteckigem Querschnitt ist und sich
seitlich von einer Seite der Zelle entlang im wesentlichen ihrer gesanten Länge erstreckt. Genauer
erstreckt sich eines der Bauteile 5d von einer oberen Schnittkante 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 horiztontal weg von der erwähnten Schnittkante 5e,
und das verbleibende Bauteil 5d ist mit den beiden erwähnten Bauteilen 5d und der Bodenplatte 5f
verbunden, wodurch der Schaumtrog 4 definiert wird. Eine Überström- oder Wehrplatte 5g ist
einstückig mit einer weiteren Schnittkante 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.
-
Der Masseneinlaß 1 an der Unterseite eines Endes der Zelle 5 umfaßt ein Einlaßrohr 1a,
das sich in axialer Richtung der Trommel 5a erstreckt, und eine Düse 1b, die mit dem Einlaßrohr
1a verbunden ist und sich senkrecht zu dem Rohr 1a und tangential zu der Trommel 5a erstreckt.
Der Massenauslaß 2 an der Unterseite des anderen Endes der Zelle 5 ist im wesentlichen ähnlich
dem Masseneinlaß 1 konstruiert und zu dem Einlaß 1 symmetrisch.
-
Der Luftblasengenerator 3 erstreckt sich zwischen den Endplatten 5b und 5c innerhalb des
unteren Abschnittes der Zelle 5. Wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt, umfaßt der Generator einen
Turbinenrotor 21 und eine oberhalb und angrenzend an diesen angeordnete Luftzuführleitung 26.
Der Rotor 21 umfaßt einen Rotorkörper 25 in Form eines zylindrischen Käfigs und axiale
Wellenstummel 22, die sich von entgegengesetzten Enden des Körpers 25 nach außen erstrecken.
Genauer ist der Rotorkörper 25 durch Anordnen einer Mehrzahl (im Ausführungsbeispiel vier) gleich
beabstandeter, paralleler, scheibenförmiger Rippen 23a und 23b, die koaxial den gleichen
Durchmesser haben, und einer Mehrzahl von in gleichem Winkel beabstandeten Blättern 24, die fest an
den äußeren Umfangsoberflächen der Rippen 23a und 23b befestigt sind, konstruiert. Die
Luftzuführleitung 26 weist wenigstens einen Luftauslaß 26a auf, der in Richtung auf den Turbinenrotor 21
zu geöffnet ist und die Form eines runden Loches oder eines länglichen Schlitzes haben kann. Die
Wellenstummel 22 des Turbinenrotors 21 erstrecken sich durch die Endplatten 5b und 5c und sind
in diesen mittels fest mit deren Außenseiten verbundenen Lagern 3b gelagert. Eine Riemenrolle
3b sitzt auf einem der Wellenstummel 22 und ist antriebsseitig mit einem (nicht gezeigten) Motor
verbunden, so daß die Rolle 3a mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden kann.
-
Der Luftblasengenerator 3 ist unterhalb der Achse der Trommel angeordnet und ist von
oben gesehen gegenüber der Achse der Trommel 5a in Richtung des aufsteigenden Pfades (in
Fig. 4 nach rechts) des spiralförmigen Strömungsmusters versetzt, dem die durch den
Masseneinlaß 1 in die Zelle 5 eingeführte Massenflüssigkeit folgt.
-
Der Betrieb der vorstehend beschriebenen Maschine geschieht folgendermaßen:
-
Die Massenflüssigkeit 7 strömt durch das Einlaßrohr 1a des Massenzuführungseinlasses 1
in axialer Richtung in die Zelle 5 und ändert ihre Strömungsrichtung um im wesentichen 90 Grad,
so daß sie im allgemeinen tangential zur Unterseite eines Endes der Zelle 5 aus der Düse 1b
strömt. Wegen der Trägheit der Massenflüssigkeit strömt sie im wesentlichen auf die Vorrichtung 3
zum Erzeugen von Luftblasen zu und erreicht diese, wo doe Flüssigkeit 7 mit feinen Luftblasen
gemischt wird und dann ein verringertes spezifisches Gewicht und somit Auftrieb aufweist. Die
Luftblasen werden von der durch die Öffnung(en) 26a in einem oder mehreren Strömen
ausströmenden Luft erzeugt, die durch Rotation des Blasengenerators 3 in feine Blasen aufgeteilt werden.
Aufgrund der Kombination aus Trägheit beim Eintreten in die Zelle 5 mit dem Auftrieb strömt ein
Teil der Flüssigkeit 7 nach oben und erreicht die freie Flüssigkeitsoberfläche 8. Ein Teil des
Flüssigkeitsstromes 30 bewegt sich mit der äußeren Umfangsoberfläche des Turbinenrotors 21, trifft
auf die Luftzuführleitung 26 oberhalb des Rotors 21 und wird in auf- und absteigende Ströme 31
und 32 aufgeteilt. Der aufsteigende Strom 31 verstärkt die oben beschriebene Strömung nach
oben, während der absteigende Strom das Einleiten der Luft von der Leitung 26 in den Rotor 21
unterstützt.
-
Die Massenflüssigkeit mit den feinen Blasen 10 steigt auf und erreicht die freie Oberfläche
8. Sie strömt über die freie Oberfläche 8 auf den Schaumtrog 4 zu, während einige feine Blasen
als Schaum über der Oberfläche 8 bleiben.
-
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 wieder die Einrichtung 3 zum Erzeugen von Luftblasen. Die Massenflüssigkeit wirbelt
somit wiederholt um die Achse der Zelle. Weil fortwährend Flüssigkeit in die Zelle strömt, wird sie
fortschreitend in Richtung auf den Massenauslaß 2 zu verlagert, nimmt somit, wie in den Fig.
4-6 gezeigt, ein spiralförmiges Strömungsmuster im Gegenuhrzeigersinn an, und strömt durch den
Massenauslaß 2 aus der Zelle 5.
-
Wie bereits erwähnt, ist die Konstruktion des Luftblasengenerators 3 so, daß die Druckluft
auf den Turbinenrotor 21 zu geblasen wird, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, und es wird,
wie in Fig. 8 gezeigt, eine zirkulierende Strömung 35 um die Blätter 24 gebildet, so daß die
Druckluft bezüglich der Bewegungsrichtung der Blätter 24 von hinten in den Rotor 21 strömt. Die
Massenflüssigkeit 7 mit den feinen Luftblasen wird dann durch die Zentrifugalkraft und die für die
zirkulierende Strömung 35 verantwortliche Kraft gezwungen, aus dem Rotor zu strömen. Die Luft
wird bei zwei verschiedenen Gelegenheiten, nämlich wenn sie in und aus der Turbine 21 strömt,
extrem starken Scherkräften unterworfen, und wird so zu feinen Luftblasen 10 zum Mischen mit
der Massenflüssigkeit 7. Wegen des Blasengenerators 3 in dem spiralförmigen Strömungspfad 11
werden die Luftblasen 10 gleichmäßig in die Massenflüssigkeit gemischt, und das Mischen und
Trennen der Luftblassen mit und von der Flüssigkeit 7 wird viele Male wiederholt. Weil die
Luftblasen 10 gleichmäßig in der. Flüssigkeit 7 verteilt sind und eine konstante Aufstiegsgeschwindigkeit
haben, bleibt die Flüssigkeitsströmung in einem stabilen Zustand. Wegen der Form der Zelle
treten weder eine Turbulenz der Flüssigkeitsströmung, noch eine Störung der freien Oberfläche oder
eine Änderung in der Verteilung des Schaumes auf. Als Ergebnis wird ein stabilisiertes
Schaumbett 9 über der freien Oberfläche 8 gebildet, und das Schaumbett 9 wird nicht wieder in die
Flüssigkeit 7 gezogen. Das Schaumbett über der freien Oberfläche 8 wird wegen der spiralförmigen
Strömung der Massneflüssigkeit 7 auf den Trog 4 zu bewegt und strömt über die Überströmplatte
5g in den Trog 4, von dem der Schaum nach außen abgeleitet und falls notwendig weiterbehandelt
wird. Die nachbehandelte Gutware wird wieder dem Masseneinlaß 1 zugeführt.
-
Man sagt, daß der Durchmesser der durch das Flotationsverfahren zum Deinken aus einer
Flüssigkeit entfernbaren Farbpartikel 10 um oder mehr ist und daß der optimale
Durchmesserbereich der Farbpartikel 10-15 um ist. Man sagt auch, daß der Durchmesser der Farbpartikel,
welche durch Harzbinder gebundene Kohlenstoffpartikel enthaltende Feststoffe sind, die durch eine
Luftblase mit 1 mm Durchmesser adsorbiert werden können, in der Größenordnung von 13 um
liegt. Daraus folgt, daß der Durchmesser der adsorbierbaren Farbpartikel umso kleiner wird, je
kleiner der Durchmesser der Luftblasen ist. Im Bereich des Zeitungsdruckes ersetzt der
Offsetdruck zunehmend den Hoch- und Tiefdruck. Die Kohlenstoffpartikel in der Druckfarbe für den
Offsetdruck sind seh fein (in der Größenordnung von 0,01 um) und können nach dem Drucken nicht
einfach von Fasern gelöst werden. Um dieses Problem zu lösen, ist ein Deink-Verfahren bekannt,
bei dem die Masse bis zu einem hohen Grad 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 entferndenden Farbpartikel immer kleiner wird.
-
Im Vergleich zu herkömmlichen Einrichtungen zum Erzeugen von Luftblasen erzeugt die
erfindungsgemäße Einrichtung zum Erzeugen von Luftblasen wesentlich kleinere Luftblasen.
Wegen der beträchtlichen Schwierigkeiten beim Messen des Durchmessers einer Luftblase, wird
das in einer Flüssigkeit gelöste Luftvolumen als Parameterzum Anzeigen des Durchmessers und
Volumens von enthaltenen Luftblasen verwendet, weil die Schwebe- oder Steiggeschwindigkeit
umso langsamer ist, je kleiner der Durchmesser der erzeugten Blase ist, und daher das Volumen
der in der Flüssigkeit verbleibenden Luft desto größer ist. Das Volumen der gelösten Luft kann an
dem Anstieg des Flüssigkeitsspiegels gemessen werden.
-
GelöstesLuftvolumen (%) = Anstieg / ursprünglichesFlüssigkeitsvolumen + Anstieg · 100
-
Bei der bekannten Flotationsmaschine ist das gelöste Luftvolumen 2-10%, mit dem
erfindungsgemäßen Blasengenerator kann jedoch das gelöste Luftvolumen bis auf 20-25% gesteigert
werden. Je hoher die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine ist, desto größer ist das gelöste
Luftvolumen.
-
Der Graph in Fig. 9 zeigt das gelöste Luftvolumen wenn
-
G/V = 0,6 bzw. 0,3 wobei
-
G = Durch das Gebläse gefördertes Luftvolumen in m³/min
-
V = Volumen der Zelle in m³
-
Versuchsbedingungen: Alte Zeitungen wurden als Masse verwendet, und die Konzentration
war 1% mit zugefügtem Deink-Mittel.
-
Es ist anzumerken, daß selbst wenn das Luftvolumen gesteigert wird, das gelöste
Luftvolumen nicht entsprechend wesentlich gesteigert wird, daß jedoch, je höher die
Rotationsgeschwindigkeit ist, das gelöste Luftvolumen umso mehr steigt. Mit anderen Worten ist es möglich, den
Durchmesser der Luftblasen durch Ändern der Rotationsgeschwindigkeit zu ändern.
-
Die Konstruktion und der Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Erzeugen von
Luftblasen wird nun im Einzelnen im Vergleich zu der kürzlich entwickelten Diffusionseinrichtung
beschrieben, die ihr am ähnlichsten ist.
-
Einer der bedeutendsten Konstruktionsunterschiede zwischen der erfindungsgemäßen
Einrichtung und der bekannten Einrichtung liegt darin, daß ersterer die Luft von außerhalb des
Rotors zugeführt wird, während bei letzterer die Luft aus dem Inneren des Rotors zugeführt wird.
-
Vom Gesichtspunkt der Instandhaltbarkeit her spielt die der Konstruktionsunterschied eine
wichtige Rolle. Bei ersterer sind das Luftzuführsystem und der Rotor unabhängig voneinander, so
daß die Einrichtung einfach konstruiert und sehr leicht zu säubern und zu warten ist, während bei
letzterer das flüssigkeitsdichte Abdichten konstruktionsseitig sehr kompliziert und das Reinigen in
zerlegtem Zustand und Inspektionen und Wartung schwierig sind.
-
Insbesondere ist der wesentliche Unterschied, daß bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
zum Erzeugen von Luftblasen Luft und Flüssigkeit ins Innere der Turbine von außerhalb der
Turbine erfolgen, so daß sie im inneren der Einrichtung gemischt und dan ausgestoßen werden,
während bei der bekannten Einrichtung die Luft aus dem Inneren ausgestoßen und entlang dem
Umfang des Rotors mit der Flüssigkeit gemischt wird.
-
Vom Gesichtspunkt des Stabilisierens der Erzeugung von Luftblasen hat der oben
beschriebene Konstruktionsunterschied einen sehr wichtigen Einfluß. Bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung werden, solange das Luftvolumen nicht ungewähnlich groß ist, die Luft und die
Flüssigkeit in die Turbine eingeleitet, miteinander vermischt und so ausgestoßen, daß unabhängig
von Luftvolumen und Flüssigkeitsdruck die Blasenerzeugung stabilisiert wird. Andererseits können
bei der bekannten Einrichtung keine Blasen erzeugt werden, wenn das Gleichgewicht zwischen
Luft und Flüssigkeit verlorengeht. Somit ist der Rotor von Luft umgeben, wenn das Luftvolumen
gesteigert wird, so daß plötzlich eine Übermenge Luftblasen entstehen kann; wird das Luftvolumen
verringert, so kann die Flüssigkeit in den Rotor eindringen und ein Verstopfen der Luftauslässe
verursachen.
-
Fig. 10 ist ein Graph, der das Grenz-G/V der erfindungsgemäßen Einrichtung zum
Erzeugen von Luftblasen und der herkömmlichen Diffusionsmaschine vom Rotationstyp zeigt,
wobei beide Rotoren mit gleichem Durchmesser haben. In diesem Fall bedeutet Grenz-G/V das
maximale Luftvolumen, das keine plötzliche Übermenge von Luftblasen verursacht. Es ist klar,
daß das Grenz-G/V der erfindungsgemäßen Einrichtung viel höher ist.
-
Der zweite Unterschied zwischen den beiden Einrichtungen betrifft den Größenunterschied
der erzeugten Luftblasen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die Luftblasen zweimal
den Scherkräften ausgesetzt, nämlich beim Eintreten in den und beim Verlassen des Rotors, und
die Luftblasen werden daher viel kleiner erzeugt. Andererseits werden die Luftblasen bei der
bekannten Einrichtung nur einmal einer Scherkraft ausgesetzt, nämlich wenn die Luft aus dem
Rotor strömt, so daß die Größe der Luftblasen relativ groß ist. Das gelöste Luftvolumen, das wie
oben erwähnt, ein Anhaltspunkt für die größe der erzeugten Luftblasen ist, liegt bei den gleichen
Bedingungen bei 24% im Fall der Erfindung und bei 12% im Fall der bekannten
Diffusionseinrichtung vom Rotationstyp. Die Versuchsbedingungen waren wie folgt:
-
G/V = 0,25
-
Masse: alte Zeitungen
-
Konsistenz: 0,8% und
-
Umfangsgeschwindigkeit des Rotors: 600 m/min
-
Bei der bekannten Diffusionsmaschine vom Rotationstyp wird ein großer Teil der Drehkraft
zur Agitation verwendet, um so die Luftblasen gleichmäßig in der Zelle zu verteilen.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Erzeugen von Luftblasen ist in der Zelle auf die
aufsteigende Flüssigkeitsströmung zu versetzt, d. h. in Richtung der Seite der Zelle, auf der sich
der Rand des Rotors nach oben bewegt, so daß die aufsteigende Strömung mit den Luftblasen die
spiralförmige aufsteigende Strömung der Flüssigkeit verstärkt. Die durch den Turbinenrotor 21
erzeugte Flüssigkeitsströmung trifft auf die Luftzuführleitung 26, so daß ein Teil dieser Flüssigkeit
nach oben strömt und entsprechend die Spiralströmung weiter intensiviert wird. Der spiralförmige
Flüssigkeitsstrom ist stabil, und die Luftblasen werden durch den spiralförmigen Flüssigkeitsstrom
eingefangen und gleichmäßig in der Zelle verteilt, so daß der Durchmesser des Turbinenrotors 21
bis auf die kleinste Größe verkleinert werden kann, die zum Einbringen eines geeigneten
Luftvolumens in die Flüssigkeit ausreicht. Die zur Agitation benötigte Leistung wird verringert, so
daß auch der gesamte Energieverbrauch verringert wird.
-
Fig. 11 zeigt eine erste Modifikation des Turbinenrotors der Einrichtung zum Erzeugen von
Luftblasen. Der Rotor ist kegelstumpfförmig, und sein an den Massenflüssigkeitsauslaß
angrenzender Durchmesser ist vergrößert, um die Umfangsgeschwindigkeit des Auslaßbereichs des
Rotors zu erhöhen, um die Luftblasen kleiner zu machen. Als Ergebnis steigt der Säuberungs- oder
Reinigungseffekt mit abnehmendem Abstand vom Auslaß.
-
Fig. 12 zeigt eine zweite Modifikation des Turbinenrotors, bei welcher der Rotor einen
abgestuften Durchmesser aufweist und eine Mehrzahl von Zylindern von unterschiedlichen
Durchmessern umfaßt, die in der Reihenfolge ihrer Durchmessser koaxial miteinander verbunden
sind. Diese Modifikation kann Effekte ähnlich den in Fig. 11 gezeigten erzielen.
-
Fig. 13 zeigt eine dritte Modifikation des Turbinenrotors, bei der die Turbinenblätter
spiralförmig verdreht sind, so daß die Blätter eine Axialkraft auf die Massenflüssigkeit ausüben.
Als Ergebnis kann die Spiralströmung der Massenflüssigkeit gesteuert werden.
-
Fig. 14(a) zeigt eine erste Modifikation der Turbinenblätter des Turbinenrotors, bei der
jedes Blattgegenüber der radialen Richtung um einen Winkel geneigt ist. Bei Drehung des Rotors in
der durch den Pfeil 70 angedeuteten Richtung kann der Rotor mit einem kleineren Drehmoment
angetrieben werden, und das Volumen der bearbeiteten Luftblasen wird entsprechend verringert.
Andererseits wird, wenn der Rotor in die durch den Pfeil 80 angedeutete Richtung gedreht wird,
mehr Drehmoment zum Antreiben des Rotors benötigt, und das Volumen der bearbeiteten
Luftblasen wird erhöht.
-
Fig. 14(b) zeigt eine zweite Modifikation der Turbinenblätter, bei der jedes Blatt
bogenförmig ist. Wenn das Blatt in die durch den Pfeil 70 angedeutete Richtung gedreht wird, sinkt die
benötigte Antriebskraft, und das Volumen der behandelten Luft wird verringert. Andererseits steigt
die erforderliche Antriebskraft, wenn es in die durch den Pfeil 80 angedeutete Richtung gedreht
wird, und das Volumen der behandelten Luft steigt.
-
Fig. 14(c) zeigt eine dritte Modifikation der Turbinenblätter, bei der jedes Blatt die Form
einer runden Stange aufweist, die einfacher gefertigt werden kann, um die Herstellkosten zu
senken.
-
Fig. 15 zeigt eine weitere Modifikation des Turbinenrotors. Wie gezeigt, ist ein Kern 29 von
ähnlicher Form aber geringerer Größe als die äußere Wand des Turbinenrotors in dem Rotor
an
geordnet. Wegen des I< ems 29, der eine kleine Erhöhung der Herstellkosten verursachen kann,
kann die Antriebskraft verringert und das Volumen der behandelten Luft erhöht werden.
-
Die Fig. 16(a), 16(b) und 16(c) zeigen verschiedene Modifikationen der Luftzuführleitung
26 der Einrichtung zum Erzeugen von Blasen. Jede Modifikation weiste einen geraden Abschnitt
auf, auf den die mit dem Rotor kreisförmig strömende Flüssigkeit trifft, und verstärkt die
Ablenkung dieser Flüssigkeit in den steigenden Strom.
-
Die Wirkungen und Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden:
-
Die Luftzuführleitung der Einrichtung zum Erzeugen von Luftblasen ist außerhalb, aber
angrenzend an den Turbinenrotor angeordnet, der mit hoher Geschwindigkeit rotiert, wodurch Luft in
das Innere des Rotor geblasen und gesaugt und anschließend wieder ausgestoßen wird, wodurch
starke Scherkräfte auf die Luftblasen ausgeübt werden, so daß
-
1) die erzeugten Luftblasen besonders klein sind und somit feinere Farbpartikel adsorbieren
können als bisher, und
-
2) die benötigte Dichtung einfach gestaltet und gewartet werden kann und ein Verstopfen
von Luftöffnungen in dem Rotor durch die Massenflüssigkeit verhindert werden kann, weil
Luftöffnungen in dem Rotor entfallen.