DE69129017T3

DE69129017T3 - Bleichen von zellstoff und reaktor

Info

Publication number: DE69129017T3
Application number: DE69129017T
Authority: DE
Inventors: David E. Pennington WHITE; Michael A. Bound Brook PIKULIN; Thomas P. Trenton GANDEK; William H. Savannah FRIEND
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Metso Paper Oy
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2011-10-26
Also published as: PT99289B; KR920703923A; CN1047418C; ATE163696T1; EP0512098B1; ZA918280B; NZ240215A; SE9201641D0; US5181989A; CA2069436C; ES2115664T3; SE9201641L; NO922486D0; CA2069436A1; EP0512098B2; US5863389A; AU647858B2; JP2572191B2; FI119108B; WO1992007999A1

Description

Gebet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Delignifizieren und Bleichen von Lignocellulosezellstoff mit einem ozonhaltigen gasförmigen Bleichmittel, die Verwendung einer Reaktorvorrichtung zum Ozonbleichen von Zellstoffteilchen mit hoher Konsistenz und eine Reaktorvorrichtung zum Ozonbleichen von Zellstoffteilchen mit hoher Konsistenz.
Hintergrund der Erfindung
Damit nicht Chlor als Bleichmittel für Zellstoff oder andere Lignocellulosematerialien verwendet werden muß, ist schon früher die Verwendung von Ozon zum Bleichen von chemischen Zellstoff versucht worden. Obwohl das Ozon am Anfang zwar ein ideales Material zum Bleichen von Lignocellulosematerialien zu sein schien, haben die außerordentlichen Oxidationseigenschaften von Ozon und seine verhältnismäßig hohen Kosten bisher die Entwicklung von zufriedenstellenden Ozonbleichverfahren für Lignocellulosematerialien im allgemeinen und insbesondere für südliche Weichhölzer beschränkt.
Ozon reagiert leicht mit Lignin und vermindert den Erhalt an Lignin in dem Zellstoff wirksam, greift aber unter vielen Bedingungen auch aggressiv das Kohlenhydrat an, das die Cellulosefasern des Holzes ausmacht, so daß die Stärke des sich ergebenden Zellstoffes beträchtlich abnimmt. Ozon ist außerdem extrem empfindlich gegen die Verfahrensbe dingungen, beispielsweise den pH-Wert, was seine oxidative und chemische Stabilität betrifft. Wenn diese Verfahrensbedingungen geändert werden, kann sich die Reaktivität des Ozons hinsichtlich des Lignocellulosematerials signifikant verändern.
Das Delignifizierungsvermögen von Ozon wurde zuerst um die Jahrhundertwende erkannt und seitdem arbeiten zahlreiche Personen auf dem Fachgebiet kontinuierlich und in erheblichem Umfang an der Entwicklung eines kommerziell geeigneten Verfahrens unter Verwendung von Ozon zum Bleichen von Lignocellulosematerialien. Darüber hinaus sind auf diesem Gebiet zahlreiche Aufsätze und Patente veröffentlicht worden, und es gibt Berichte über Versuche, die Ozonbleichung unkommerziell im Pilotmaßstab durchzuführen. Beispielsweise wird in US-A-2 466 633 von Grabender et al. ein Bleichverfahren beschrieben, bei dem Ozon durch Cellstoff mit einem Feuchtigkeitsgehalt (auf ofentrockene Konsistenz eingestellt) zwischen 25 und 55% und bei einem auf den Bereich 4 bis 7 eingestellten pH-Wert geführt wird.
Andere nicht auf Chlor basierende Verfahrensschritte zum Bleichen werden von S. Rothenberg, D. Robinson & D. Johnsonbaugh "Bleaching of Oxygen Pulps with Ozone", Tappi, 182–185 (1975) – Z, ZEZ, ZP und ZP_a (P_a-Peroxyessigsäure); und N. Soteland, "Bleaching of Chemical Pulps with Oxygen and Ozon", Pulp and Paper Magazine of Canada, T153-58 (1974) – OZEP, OP und ZP beschrieben. Ferner offenbart US-A-4 196 043 von Singh ein mehrstufiges Bleichverfahren unter Verwendung von Ozon und Peroxid, bei dem ebenfalls versucht wird, die Verwendung von Chlor-Verbindungen zu eliminieren, daß die Rezirkulierung des Abflusses umfaßt.
Verschiedene Bleichvorrichtungen unter Verwendung einer zentralen Welle mit daran befestigten Armelementen sind allgemein bekannt (vgl. z. B. US-A-1 591 070 von Wolf, 1 642 978 und 1 643 566 , jeweils von Thorne, 2 431 478 von Hill und 4 298 426 von Torregrossa et al.). Ferner offenbaren US-A-3 630 828 von Liebergott et al. und 3 725 193 von Montigny et al. jeweils eine Bleichvorrichtung, die für Zellstoff mit einer Konsistenz oberhalb 15% verwendet werden kann, wobei die Vorrichtung eine rotierende Welle mit radial beabstandeten Brecherarmen zum Zerkleinern des Zellstoffes aufweist. Richter offenbart in US-A-4 093 506 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Verteilung und Vermischung von Zellstoff mit hoher Konsistenz mit einem Behandlungsfluid wie beispielsweise Chlor oder Chlordioxid. Die Vorrichtung besteht aus einem konzentrischen Gehäuse mit einem zylindrischen Teil, einem allgemein konvergierenden offenen konischen Teil, der sich von einem Ende des zylindrischen Teils nach außen erstreckt und einer geschlossenen Wand, die sich vom anderen Ende des zylindrischen Teils nach Innen erstreckt. In dem Gehäuse ist eine Rotorwelle montiert, die eine Nabe mit einer Vielzahl von daran befestigten Armen aufweist. Diese Arme sind jeweils mit einem Transportblatt oder -flügel verbunden. Durch Rotation der Welle kann das Behandlungsfluid "so gleichmäßig wie möglich" in dem Zellstoff verteilt und damit vermischt werden.
Fritzvold offenbart in US-A-4 278 496 einen vertikalen Ozonisator zur Behandlung von Zellstoff mit hoher Konsistenz (d. h. 35 bis 50%). Sowohl Sauerstoff/Ozongas als auch der Zellstoff (bei einem pH-Wert von etwa 5) werden in den oberen Teil des Reaktors transportiert und so über den gesamten Querschnitt verteilt, daß das Gas in innigen Kontakt mit den Zellstoffteilchen kommt. Der Zellstoff und das Gasgemisch werden in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Kammern in Schichten auf Trägereinrichtungen verteilt. Die Trägereinrichtungen weisen Öffnungen oder Schlitze mit einer solchen Form auf, daß der Zellstoff sich dadurch erstreckende Stoffbrücken bildet, während das Gas in innigem Kontakt mit dem Zellstoff durch den gesamten Reaktor strömt.
Die Beförderung des Zellstoffs durch den Reaktor erfolgt durch wiederholtes, aber kontrolliertes Zerbrechen der Trägereinrichtungen durch rotierende Brecheinrichtungen, die an einer zentralen Welle befestigt sind und sich mit dieser drehen. Dadurch kann der Zellstoff durch die Öffnungen und in die nachfolgenden Kammern treten. Fritzvold et al. offenbaren in US-A-4 123 317 den in dem oben erwähnten '496-Patent von Fritzvold beschriebenen Reaktor noch konkreter. Dieser Reaktor kann ferner zur Behandlung von Zellstoff mit einem Sauerstoff/Ozongasgemisch verwendet werden.
US-A-4 468 286 und 4 426 256 , jeweils von Johnson, offenbaren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von Papierzellstoff mit Ozon. Der Zellstoff und das Ozon werden entweder zusammen oder voneinander getrennt verschiedene Wege entlanggeführt.
US-A-4 363 697 (= EP-A1-0 030 158 ) veranschaulicht bestimmte Schneckengangförderer, die mit Schaufeln, geschnittenen und gefalteten Schneckengängen oder Kombinationen daraus modifiziert sind, und zum Bleichen von Zellstoff mit niedriger Konsistenz mit Sauerstoff verwendet werden. Das Verfahren nach diesem Dokument wird zur Verarbeitung von Zellstoff mit niedriger oder mittlerer Konsistenz durch Delignifizieren mit Sauerstoff angewendet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Ozon zur Verarbeitung von Zellstoff mit hoher Konsistenz verwendet. Ozon ist sehr viel reaktiver als Sauerstoff und außerdem selbstreaktiv. Die hohe Reaktivität von Ozon gestattet den praktisch vollständigen Ablauf der Reaktion bevor es zu einer merklichen Reaktion zwischen dem Zellstoff und dem Trägergas, nämlich ich Sauerstoff, kommt.
FR-A1-1 441 787 und EP-A-276 608 offenbaren jeweils andere Verfahren zum Bleichen von Zellstoff mit Ozon.
EP-A-308 314 offenbart einen Reaktor zum Bleichen von Cellstoff mit Ozon unter Verwendung eines geschlossenen Schneckengangförderers, wobei das Ozongas durch eine zentrale Welle gepumpt wird, damit es sich überall in dem Reaktor verteilt. Der Zellstoff hat eine Konsistenz von 20 bis 50%, und die Ozonkonzentration des Behandlungsgases liegt zwischen 4 und 10%, so daß 2 bis 8% Ozon auf die O. D.-Faser angewendet werden. Der Schneckenförderer ist eine Beförderungseinrichtung, jedoch keine Dispergierein richtung, und kann daher nicht den Zellstoff in radialer Richtung auf die Weise hochheben, verschieben und hin- und herbewegen wie erfindungsgemäß. Der Förderer bewegt eine dünne Schicht Zellstoff über den Boden eines Gehäuses und setzt somit lediglich eine dünne Schicht Zellstoff auf den Boden der Kammer der Einwirkung des ozonhaltigen Gasgemisches aus. Dadurch ist die Reaktion zwischen Zellstoff und Ozon an der Oberfläche des Zellstoffs möglich, jedoch nicht überall in dem Zellstoff, wie bei der Erfindung.
Aus dem Prospekt 06/89 der Kraftanlagen Heidelberg "Die Pilotanlage für das ASAM-Verfahren", ist ein Ozon-Bleich-Reaktor bekannt, in welchem der Zellstoff in einen Turm mit drei Stufen geblasen wird, wonach er in einen Wassertank fällt.
Trotz der auf diesem Gebiet durchgeführten Untersuchungen ist bis jetzt jedoch kein kommerziell durchführbares Verfahren zur Herstellung von mit Ozon gebleichten Lignocellulosezellstoffen aus Weichholz und verwandter Zell stoffe, insbesondere aus südlichem Weichholz, offenbart worden, sondern lediglich zahlreiche Fehlversuche.
Die Erfindung stellt ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung mit einem ozonhaltigen Bleichmittel zum Bleichen von Zellstoff mit einer Konsistenz von mehr als 20% bereit, mit dem die oben im Stand der Technik auftretenden Probleme gelöst werden und hochgradig gebleichter Zellstoff auf kommerzielle Weise hergestellt werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bleichen von Zellstoffteilchen von einem ersten GE-Weißgrad auf einen zweiten, höheren GE-Weißgrad mit Ozon als gasförmigem Bleichmittel nach Anspruch 1, die Verwendung einer Reaktorvorrichtung nach Anspruch 7 und eine Reaktorvorrichtung zum Ozonbleichen von Zellstoff mit hoher Konsistenz nach Anspruch 8. Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse und Einrichtungen zum Einführen von Zellstoffteilchen in das Gehäuse auf. Die Zellstoffteilchen sollten eine Konsistenz von mehr als 20%, einen ersten GE-Weißgrad und eine so ausreichende Größe haben, daß die praktisch vollständige Durchdringung des Hauptteils der Zellstoffteilchen durch das gasförmige Bleichmittel erleichtert wird, wenn diese dessen Einwirkung ausgesetzt werden.
Die Vorrichtung weist ferner Einrichtungen zum Einführen eines ozonhaltigen, gasförmigen Bleichmittels in das Gehäuse und Einrichtungen zum Dispergieren der Zellstoffteilchen in dem gasförmigen Bleichmittel auf, während die Zellstoffteilchen durch das Gehäuse befördert werden. Die Dispergier- und Beförderungseinrichtung weist Einrichtungen auf, mit dem die Zellstoffteilchen mit dem gasförmigen Bleichmittel in innigen Kontakt gebracht, vermischt und darin dispergiert werden, während die Zellstoffteilchen in radialer Richtung hochgehoben, verschoben und hin- und herbewegt und in axialer Richtung befördert werden, so daß das gasförmige Bleichmittel die hochgehobenen, verschobenen und hin- und herbewegten Zellstoffteilchen umströmt und umgibt. Dadurch werden bei den meisten Zellstoffteilchen praktisch sämtliche Oberflächen der Einwirkung des gasförmigen Bleichmittels ausgesetzt.
Die Dispergier- und Beförderungseinrichtung befördert die dispergierten Zellstoffteilchen durch Pfropfenströmung mit einer ausreichend langen Verweilzeit, während der die Temperatur so ausreichend lange aufrecht erhalten wird, daß sich ein Stofftransport des gasförmigen Bleichmittels in die Zellstoffteilchen ergibt. Dadurch wiederum wird eine praktisch gleichmäßige Bleichung des Hauptteils der Zellstoffteilchen erreicht, so daß ein gebleichter Zellstoff mit einem zweiten und höheren GE-Weißgrad gebildet wird. Die Verweilzeit beruht auf den Abmessungen des Reaktors, der Einführgeschwindigkeit der eintretenden Teilchen und der Anordnung und dem Betrieb der Dispergier- und Beförderungseinrichtung. Darüber hinaus kann das Gehäuse der Vorrichtung so orientiert werden, daß durch die Schwerkraft die Beförderung der Zellstoffteilchen unterstützt wird.
Die Einrichtung zum Einführen des gasförmigen Bleichmittels reguliert die Strömungsgeschwindigkeit und Verweilzeit des gasförmigen Bleichmittels in dem Gehäuse. Dies wird durch die Regelung der Strämungsgeschwindigkeit des Einsatzgasstroms in Verbindung mit dem Füllungsgrad der Feststoffe in dem Reaktor erreicht. Das Einsatzgas hat eine spezielle Ozonkonzentration, nämlich eine solche, daß sich dadurch die erwünschte Menge an Ozon ergibt, die auf den Zellstoff angewendet wird. Durch die Regelung der Strömungsgeschwindigkeit des Einsatzgases und der Ozonkonzentration in Verbindung mit dem innigen Vermischen und Kontaktieren mit den Zellstoffteilchen ergibt sich ein hoher Stofftransport des gasförmigen Bleichmittels in den Zellstoff, so daß der Zellstoff auf den gewünschten Weißgrad gebleicht wird.
Die Einrichtung zum Dispergieren und Befördern von Zell stoffteilchen umfaßt einen Schaufelförderer mit einer sich durch das Gehäuse entlang dessen longitudinaler Achse erstreckenden Welle mit einem ersten Ende, das in der Nähe des Endes der Gehäuses angeordnet ist, an dem die Zellstoffteilchen eintreten, und einem zweiten Ende, das in der Nähe des Endes des Gefäßes angeordnet ist, an dem die Zellstoffteilchen austreten. Die Welle weist eine Vielzahl von Schaufelklingen auf, die an der Welle befestigt sind und sich radial davon erstrecken und in einem vorbestimmten Muster angeordnet und orientiert sind, wie es für die gewünschte Schraubensteigung des Schaufelförderers erforderlich ist. Neben der Schraubensteigung sind der Abstand der Schaufeln um die Welle, die Schaufelgröße und -form und der Orientierungswinkel der Schaufeln vorzugsweise so ausgewählt, daß sich die gewünschte Bewegung der Zellstoffteilchen durch das Gehäuse ergibt.
Bei jeder Ausführungsform kann die Schraubensteigung der Schaufelklingen bei gleicher Umdrehungszahl der Welle zum Erhalt von höheren Füllungsgraden verringert werden. Dadurch wird die Verweilzeit des Zellstoffs in der Vorrichtung erhöht, um so eine stärkere Umwandlung des gasförmigen Bleichmittels zu erhalten. Die Schraubensteigung am ersten Ende der Welle kann höher sein als die Schraubensteigung am zweiten Ende der Welle, damit sich an dem Ende des Gehäuses, an dem der Zellstoff eintritt, eine höhere Förderungsgeschwindigkeit ergibt, da der Zellstoff dort die geringste Schüttdichte hat. Ferner kann die Schraubensteigung zur Verminderung des Förderwirkungsgrades so modifiziert werden, daß die Welle für einen wirksameren Kontakt der Zellstoffteilchen mit dem gasförmigen Bleichmittel und zur stärkeren Umwandlung des gasförmigen Bleichmittels mit einer höheren Drehzahl rotiert werden kann, während für die Zellstoffteilchen die Verweilzeit praktisch konstant gehalten wird.
Die Einrichtung zum Dispergieren und Befördern von Zellstoffteilchen der Vorrichtung, d. h. der Schaufelförderer, kann ferner so eingestellt werden, daß der Füllungsgrad der Zellstoffteilchen in dem Gehäuse verringert wird. Diese Einstellung kann erreicht werden, indem ein erster Förderabschnitt mit einer höheren Fördergeschwindigkeit vorgesehen wird. Dieser erste Förderabschnitt ist betriebsbereit mit einem zweiten Förderabschnitt zum Dispergieren der Zellstoffteilchen in dem gasförmigen Bleichmittel verbunden. Vorteilhafterweise umfassen der erste und der zweite Förderabschnitt Förderelemente, beispielsweise Schaufeln, die auf einer gemeinsamen Welle in einem so ausreichenden Abstand montiert sind, daß die Bildung von Brücken oder Pfropfen aus Zellstoffteilchen dazwischen minimiert oder vermieden wird. Ferner können Einrichtungen zur Regelung der Betriebsparameter des ersten und zweiten Förderabschnitts zum Erhalt eines gewünschten Reaktorfüllungsgrades, der Verweilzeit der Zellstoffteilchen und/oder der Verweilzeit des Bleichmittels verwendet werden.
In einer bevorzugten Anordnung weist das Gehäuse zwei Gehäuseabschnitte auf, die übereinander montiert sind und in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind. Der ersten (oder obere) Gehäuseabschnitt umfaßt den ersten und den zweiten Förderabschnitt, durch den der Zellstoff zu einer Leitung befördert wird, die zum unteren Gehäuseabschnitt führt, wo der Zellstoff weiterbehandelt und durch einen dritten Förderabschnitt zum Ausgang des unteren Gehäuseabschnittes befördert wird. Durch diese Anordnung steigt der Platzbedarf der Anlage nicht.
Das Gas kann durch die Vorrichtung nach dem Gleichstromprinzip (gleiche Richtung) oder nach dem Gegenstromprinzip in bezug zum beförderten Zellstoff strömen, jedoch ist die Gasströmung nach dem Gegenstromprinzip bevorzugt. Darüber hinaus kann sich die Einrichtung zum Einführen des gasförmigen Bleichmittels in das Gehäuse an einer einzelnen Stelle befinden, an der das gasförmige Bleichmittel nach dem Gleichstromprinzip oder nach dem Gegenstromprinzip in bezug auf den beförderten Zellstoff an einer oder an mehreren Stellen eingeführt wird.
Zur Aufnahme des gebleichten Zellstoffes und des restlichen gasförmigen Bleichmittels kann ein Verdünnungstank verwendet werden. Die Vorrichtung umfaßt ferner Einrichtungen zum Rückgewinnen des restlichen gasförmigen Bleichmittels und Einrichtungen zum Rückgewinnen des gebleichten Zellstoffs. Die Einrichtung zum Rückgewinnen von gebleichtem Zellstoff weist einen ersten Auslaß auf, der im unteren Teil des Verdünnungstanks angeordnet ist, und im Falle der Gasströmung nach dem Gleichstromprinzip weist die Einrichtung zur Rückgewinnung des restlichen gasförmingen Bleichmittels einen zweiten Auslaß auf, der sich am oberen Teil des Verdünnungstanks befindet.
Ein besonders nützlicher Bestandteil der Vorrichtung sind beispielsweise Einrichtungen zum Zerkleinern der Zellstoffteilchen. Derartige Einrichtungen sind betriebsbereit mit den Einrichtungen zum Einführen der Zellstoffteilchen in das Gehäuse verbunden.
Kurze Figurenbeschreibung
1 ist eine graphische Darstellung der Wellendrehzahl gegen den Verfestigungsdruck des Zellstoffs für Zellstofförderer mit unterschiedlichem Durchmesser.
2 ist eine graphische Dartellung des Verfestigungsdruckes des Zellstoffs gegen den kritischen Schaufelabstand für Zellstoff aus südlichem Weichholz mit einer Konsistenz von 42%.
3 ist eine graphische Darstellung der Lithium-Konzentration des aus dem Reaktor austretenden Zellstoffs gegen die Zeit nach der Zugabe von mit Lithium behandeltem Zellstoff am Reaktoreingang als Indikator zur Bestimmung der Verweilzeit des Zellstoffs in dem Reaktor für bestimmte Schaufelförderer.
4 ist eine graphische Darstelldung der verhältnismäßig breiten und schmalen Verweilzeitverteilungen des Zellstoffs für bestimmte Schaufelförderer.
5 ist eine graphische Darstellung des Reaktorfüllungsgrades gegen die Wellengeschwindigkeit für verschiedene Schaufelförderer.
6 ist eine graphische Darstellung der Verweilzeiten des Zellstoffs gegen die Wellengeschwindigkeit für verschiedene Schaufelförderer.
7 ist eine Seitenansicht eines bevorzugten Ozonreaktors nach der Erfindung.
8 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Reaktors von 7.
9A und 9B sind Ansichten des Schaufelförderers für den Reaktor von 7.
10 ist eine Querschnittsansicht des Reaktors von 8 entlang der Linie 10--10.
11 und 12 sind perspektivische und Seitenansichten einer typischen Schaufel zur Verwendung in dem Förderer von 9A und 9B.
13 ist eine graphische Darstellung der Lithium-Konzentration des den Reaktor verlassenden Zellstoffs gegen die Zeit, nach der Zugabe des mit Lithium behandelten Zellstoffs am Reaktoreingang, für den Schaufelförderer von Beispiel 5.
14 bis 16 sind Photographien mit einer Blickrichtung entlang einer Parallele zur Welle in den Reaktor, welche die Dispersion des Zellstoffs als Funktion von verschiedenen Wellengeschwindigkeiten zeigen.
17 bis 20 sind Ansichten von verschiedenen Förderelementen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der Reaktor der Erfindung verwendet ein gasförmiges Bleichmittel, beispielsweise Ozon, wodurch der Celluloseteil des Holzes minimal angegriffen wird und sich ein Produkt ergibt, das zur Herstellung von Papieren und verschiedenen Papierprodukten akzeptable Festigkeitseigenschaften hat.
Bevor die Reaktorvorrichtung im Detail beschrieben wird, ist es vorteilhaft, den zugrundeliegenden Delignifizierungs- und Bleichprozeß zu verstehen, für den die Vorrichtung eingesetzt wird.
Das Ozongas, das in dem Bleichverfahren verwendet wird, kann in Form eines Gemisches von Ozon mit Sauerstoff und/oder einem Inertgas oder in Form eines Gemisches aus Ozon mit Luft eingesetzt werden. Die Menge an Ozon, die zufriedenstellend in die Behandlungsgase eingeführt werden kann, wird durch die Stabilität des Ozons in dem Gasgemisch limitiert. Zur Verwendung in der Erfindung eignen sich Ozongasgemische, die typischerweise, aber nicht notwendigerweise, etwa 1 bis 8 Gew.-% Ozon/Sauerstoffgemisch oder 1 bis 4 Gew.-% Ozon/Luftgemisch enthalten. Ein bevorzugtes Gemisch ist 6% Ozon, wobei der Rest hauptsächlich Sauerstoff ist. Durch die höhere Konzentration an Ozon in dem Ozon/Sauerstoffgemisch ist die Verwendung von verhältnismäßig kleinen Reaktoren möglich, und die Reaktionszeit zur Behandlung äquivalenter Mengen an Zellstoff ist kürzer, wodurch die für die Ausrüstung erforderlichen Kosten sinken.
Ein weiterer Kontrollfaktor beim Bleichen von Zellstoff ist das relative Gewicht des zum Bleichen eines vorgegebenen Gewichtes an Zellstoff verwendeten Ozons. Diese Menge wird zumindest zum Teil durch die Menge an Lignin bestimmt, die während des Ozonbleichprozesses entfernt werden soll und wird gegen den relativen Abbau an Cellulose, der während des Ozonbleichens toleriert werden kann, abgewogen. Vorzugsweise wird eine Ozonmenge verwendet, die mit etwa 50% bis 70% des in dem Zellstoff vorhandenen Lignins reagiert.
Es gibt viele Verfahren zur Bestimmung des Delignifizierungsgrades, wobei jedoch die meisten nur Varianten des Permanganat-Testes sind. Der normale Permanganat-Test ergibt eine Permanganat-Zahl oder "K-Nr.", bei der es sich um die Anzahl an Kubikzentimetern einer 1/10 N Kaliumpermanganat-Lösung handelt, die von 1 g ofengetrockneten Zellstoffs unter bestimmten Bedingungen verbraucht wird. Sie wird nach dem TAPPT-Standardtest T-214 bestimmt.
Die Gesamtmenge an Lignin, die sich durch die endgültige K-Nr. ergibt, sollte derart sein, daß das Ozon nicht übermäßig mit der Cellulose reagiert und den Polymerisationsgrad der Cellulose wesentlich vermindert. Vorzugsweise beträgt die zugegebene Menge an Ozon, bezogen auf das Ofentrockengewicht des Zellstoffs, typischerweise etwa 0,2% bis etwa 2%, damit sich die gewünschten Lignin-Konzentrationen ergeben. Wenn in dem System signifikante Mengen an gelösten Feststoffen vorhanden sind, können höhere Mengen erforderlich sein. Da Ozon verhältnismäßig teuer ist, ist die Verwendung der zum Erhalt der gewünschten Gleichung geringsten erforderlichen Menge vorteilhaft und kostengünstig.
Die in dem Ozonbleichschritt erforderliche Reaktionszeit wird durch den erwünschten Vollständigkeitsgrad der Ozonbleichreaktion bestimmt, was sich durch den vollständigen oder praktisch vollständigen Verbrauch des verwendeten Ozons ergibt. Diese Zeit variiert in Abhängigkeit von der Konzentration des Ozons in dem Ozongasgemisch, wobei verhältnismäßig konzentrierte Ozongemische rascher reagieren, und der relativen Ligninmenge, die entfernt werden soll. Die bevorzugten Verweilzeiten von Zellstoff und Gas werden nachstehend detaillierter beschrieben.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist, daß der Zellstoff gleichmäßig gebleicht wird. Diese Merkmal ergibt sich zum Teil dadurch, daß der Zellstoff vor der Behandlung mit dem Ozon zu diskreten Zellstoffteilchen einer ausreichenden Größe und einer ausreichenden geringen Schüttdichte zerkleinert wird, so daß das Ozongasgemisch vollständig in die meisten Faserflöckchen eindringt.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, daß während des Ozonbleichprozesses die zu bleichenden Teilchen durch Vermischen der Einwirkung des Ozonbleichgemisches ausgesetzt werden sollten, so daß das Ozongasgemisch zu sämtlichen Flöckchen etwa gleichen Zugang hat. Das Vermischen des Zellstoffes mit dem Ozongasgemisch liefert überlegene Ergebnisse hinsichtlich der Gleichmäßigkeit im Vergleich mit den in einem statischen oder bewegten Zellstoffbett erhaltenen Ergebnisse, in dem ein Teil des Zellstoffs im Verhältnis zum restlichen Zellstoff von dem Ozongas isoliert ist, da sich die Betthöhe und die Schüttdichte an verschiedenen Stellen in dem Bett unterscheiden. Dadurch tritt das ozonhaltige Gas ungleichmäßig durch das Faserbett, was wiederum einen ungleichmäßigen Gas-Zellstoffkontakt und ein ungleichmäßiges Bleichen zur Folge hat. Mit der Vorrichtung der Erfindung kann der Druckabfall besser minimiert werden und sie ist auch flexibler, da sie ohne weiteres mit Ozongas nach dem Gleichstromprinzip oder nach dem Gegenstromprinzip in bezug auf den Zellstoff betrieben werden kann, nämlich im Vergleich mit einem Bettreaktor, der nur nach dem Gleichstromprinzip arbeitet.
Um die einzigartigen Merkmale des Reaktors der Erfindung verstehen zu können, muß man mit den Begriffen und Prinzipien vertraut sein, die beim Fördern von Feststoffen unter Verwendung von Schneckenförderern Anwendung finden. Das Konzept der Schraubensteigung derartiger Förderer ist dem Fachmann gut bekannt (vgl. z. B. Colijin, H., "Mechanical Conveyors for Bulk Solids", Elsevier, New York, 1985).
Bei einem geschlossenen Schneckengangförderer ist beispielsweise die Schraubensteigung der Abstand, der von einem beliebigen Punkt auf dem Schneckengang zu einem entsprechenden Punkt auf dem benachbarten Schneckengang parallel zu Wellenachse gemessen wird (der entsprechende Punkt läßt sich finden, indem man der Kante des Ganges über einen Winkel von 360° um die Welle herum folgt). Bei einer Vollschraubensteigungschnecke entspricht der zwischen diesen Punkten bestimmte Abstand dem Durchmesser des Schneckenganges.
Bei einer Variante des geschlossenen Schneckengangförderers werden diskrete Schaufeln verwendet, die im Abstand zueinander entlang der helikalen Linie angeordnet sind, welcher der geschlossene Schneckengangförderer folgen würde. Somit ersetzen in dem Schaufelförderer die Schaufeln die Schneckengänge, und die Schraubensteigung ist der Abstand von einem beliebigen Punkt auf einer Schaufel zu einem entsprechenden Punkt auf einer benachbarten Schaufel, parallel zur Wellenachse bestimmt. Bei bestimmten Schaufelanordnungen sind jedoch einige der Schaufeln entfernt, so daß in diesem Fall der entsprechende Punkt der Punkt ist, an dem sich die Schaufel nach einer Drehung um 360° befinden würde, wenn sie einem Weg entlang und zwischen den Kanten der Schaufeln folgt.
Die Terminologie zur Bezeichnung von Schaufelabständen umfaßt eine Winkelbeziehung und einen Abstand, die durch die Schraubensteigung bestimmt werden. Beispielsweise sind bei einer 60°-Vollschraubensteigung-Schaufelanordnung für einen Förderer mit einem Durchmesser von ca. 458 mm (18'') die ersten sechs Schaufeln ca. 76 mm (3'') entlang der Achse der Welle beabstandet, wobei jede folgende Schaufel in einem Winkel von 60° um den Umfang der Welle von der vorhergehenden Schaufel angeordnet ist. Dieses Schaufelmuster wiederholt sich dann über die nächsten ca. 458 mm (18 Zoll). Bei einer 120°-Vollschraubensteigung-Schaufelanordnung für den gleichen Förderer mit einem Durchmesser von ca. 458 mm (18'') sind die ersten drei Schaufeln entlang der Wellenachse in einem Abstand von ca. 152 mm (6 Zoll) angeordnet, wobei jede folgende Schaufel in einem Winkel von 120° um den Umfang der Welle herum angeordnet ist. Das Schaufelmuster wiederholt sich dann über die nächsten ca. 458 mm (18 Zoll). Bei einer 120°-Halbschraubensteigung-Paddelanordnung für den gleichen Förderer mit einem Durchmesser von 18'' wären die Schaufeln entlang der Wellenachse in einem Abstand von ca. 76 mm (3 Zoll) angeordnet, wobei jede weitere Schaufel in einem Winkel von 120° um den Umfang der Welle herum angeordnet ist. Auch hier wiederholt sich das Schaufelmuster des ersten Teils mit einer Achsenlänge von ca. 458 mm (18'').
Die 240°-Schaufelanordnung erfordert eine weitere Erörterung. Beispielsweise weist eine 240°-Viertelschraubensteigung-Schaufelanordnung für einen Förderer mit ca. 458 mm (18'') ebenfalls sechs Schaufeln auf, die entlang der Wellenachse in einem Abstand von ca. 76 mm (3 Zoll) angeordnet sind, wobei aber in diesem Fall jede folgende Schaufel in einem Winkel von 240° um den Umfang der Welle herum angeordnet ist. Dieses Muster würde sich für einen folgenden Abschnitt der Welle mit einer Länge von ca. 458 mm (18'') wiederholen. Das Zeichnen eines helixförmigen Weges entlang der Kanten der Schaufeln würde vier sich wiederholende Helices ergeben, die entlang der Welle durch die sechs Schaufeln alle ca. 458 mm (18 Zoll) gebildet wurden: somit bestätigt sich zwar die Viertel-Schraubensteigunganordnung, jedoch sind lediglich die erste, vierte und siebte Schaufel entlang der Wellenlänge von ca. 458 mm (18'') in der 12-Uhr-(oder 0 Grad)-Stellung.
Es gibt zahlreiche andere Variablen, die in Schaufelförderern kontrolliert werden können. Der Schaufelwinkel ist die Orientierung einer einzelnen Schaufel, die durch eine Linie bestimmt wird, die sich von der Vorderseite der Schaufel nach unten zur Welle erstreckt, und zwar im Hinblick auf eine parallel zur Achse der Welle liegende Linie. Dem Fachmann im Förderwesen ist bekannt, daß ein Schaufelwinkel von 45° die größten Axialkräfte (d. h. in Richtung auf die Wellenachse) auf das zu fördernde Material ausübt. Wenn dieser Winkel in Richtung 0 verringert oder in Richtung 90° erhöht wird, nehmen die axialen Kräfte ab. Bei 0° und 90° ergeben sich überhaupt keine Axialkräfte.
Die Verwendung der Schaufelanordnung hat im Gegensatz zu anderen alternativen Anordnungen, beispielsweise beim Bandmischer und der kontinuierlichen Schnecke mit den Biegeöffnungen auf den Gängen, den klaren Vorteil, daß es mit den Schaufeln möglich ist, eine eindeutige und definierte Orientierung der Schaufel in bezug auf die Rotationsachse einzustellen. Damit ist gemeint, daß die Schaufeln, an der Welle entlang der Rotationsachse an bestimmten Punkten befestigt werden können. Ferner kann der oben definierte Schaufelwinkel so angeordnet werden, daß die Schaufeln speziell orientiert werden können und entweder eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung des durch den Reaktor zu führenden Materials ergeben. Dies hat den Vorteil, daß bei der Verwendung dieser Vorrichtung die Schaufeln so orientiert werden können, wie es erforderlich ist, um in einem vorgegebenen Teil des Reaktors einen vorgegebenen Umsetzungsgrad zu erzielen, oder das bearbeitete Material entweder zurückzuhalten oder zu befördern. Ein weiterer Vorteil von Schaufeln ist, daß die einzelnen Schaufeln leicht eingestellt werden können, so daß hinsichtlich der Betriebsbedingungen für unterschiedliche Holzarten oder unterschiedliche Verarbeitungsbedingungen Änderungen möglich sind, wohingegen bei der kontinuierlichen Schnecke und dgl. der Austausch der gesamten Einheit erforderlich sein könnte.
Die Schaufelgröße und -form sind weitere Variablen. Die physikalischen Abmessungen von bestimmten flachen Schaufeln zur Verwendung in Schaufelförderern mit verschiedenen Durchmesser sind von der Conveyor Equipment Manufacturer's Association ("CFMA") in ihrem Mitteilungsblatt ANSI/CEMA 300-1981 mit dem Titel "Screw Conveyor Dimensional Standards" standardisiert worden. Auf dieses Mitteilungsblatt kann hinsichtlich spezieller Details der Abmessungen und alternativer Anordnungen des Förderelements Bezug genommen werden. Ferner können auch andere Formen in Abhängigkeit von den gewünschten Bleichergebnissen verwendet werden, beispielsweise schalenförmige, gekrümmte oder gewinkelte Schaufelkonstruktionen.
Schließlich haben Schaufelförderer eine bestimmte "Händigkeit", durch die in Verbindung mit der Rotationsrichtung der Welle die axiale Fließrichtung des zu fördernden Materials bestimmt wird. Eine "linkshändige Anordnung an einer Welle, die in der Uhrzeigerrichtung rotiert, fördert bei der Betrachtung vom Ende der Welle das Material vom Betrachter weg, während bei einer "rechtshändigen Anordnung" und Rotation im Uhrzeigersinn das Material zum Betrachter gefördert wird. Bei der Rotation im Gegenuhr zeigersinn wird das Material entgegengesetzt gefördert: die Fließrichtung dreht sich um, indem die Rotationsrichtung umgedreht wird.
Bei der bevorzugten Betriebsart der Vorrichtung der Erfindung wird ein Gefäßfüllungsgrad von etwa 10 bis 50, vorzugsweise etwa 15 bis 40%, verwendet, wobei aber Techniken zur Bildanalyse gezeigt haben, daß die meisten der in dem Reaktor der Erfindung befindlichen Zellstoffasern in der Gasphase suspendiert sind. Dies steht im Gegensatz zu dem, was man normalerweise erwarten würde, wenn ein kontinuierlich arbeitender, geschlossener Schneckengangförderer verwendet wird, nämlich daß sich die Fasern entlang des Bodens der Förderröhre bewegen.
Der "Füllungsgrad" bezieht sich hier auf die Zellstoffmenge in den offenen Räumen des Reaktors, und zwar bezogen auf das Volumen. Beispielsweise bedeutet ein Füllungsgrad von 25%, daß 25% der offenen Räume in dem Reaktor mit Zellstoff gefüllt sind, und zwar bezogen auf die Schüttdichte des Zellstoffs, wenn dieser sich in Ruhe befindet, die Zellstoffmenge in dem Reaktor und das Reaktorvolumen. Für jede bestimmte Fördererkonstruktion, Einsatzzellstoff und Wellendrehzahl ergibt sich ein bestimmter Füllungsgrad. Durch Veränderung der Drehzahl bei konstanter Zellstoffzuführgeschwindigkeit kann der Füllungsgrad verändert werden. Wenn die Drehzahlen ansteigen, verringert sich der Füllungsgrad entsprechend. Bei der Erfindung muß der Füllungsgrad ausreichen, damit ein signifikanter Anteil an Zellstoff dispergiert wird. Dafür ist im allgemeinen ein Füllungsgrad oberhalb 10% erforderlich. Aus den gleichen Gründen, ist der Füllungsgrad vorzugsweise kleiner als etwa 50%, so daß genügend offener Raum vorhanden ist, in den der Zellstoff dispergiert werden kann. Günstige Füllungs grade liegen im Bereich von etwa 15 bis 40%. Es können Füllungsgrade bis zu etwa 75% verwendet werden, wobei jedoch der Kontaktwirkungsgrad Gas/Zellstoff verringert ist.
Der Reaktor der Erfindung ist auf eine solche Weise konstruiert, daß die axiale Dispersion der Fasern während deren Vorwärtsbeförderung minimal ist. Die herkömmliche Technik führt von der Verwendung eines Schaufelförderers mit Schaufeln, die kleiner sind als der CEMA-Standard und in einer nicht überlappenden Schaufelanordnung montiert sind, weg. Der Stand der Technik würde dafür große unbestrichene Bereiche oder Totzonen in dem Reaktor vorhersagen, durch die sich im Ergebnis eine breite Verteilung für die Verweilzeit des Zellstoffes mit ungleichmäßig gebleichtem Zellstoff als Folge ergibt. Die herkömmliche Technik würde ferner lehren, daß durch das Suspendieren der Fasern ein Teil der Fasern über die Welle im Zentrum des Förderers fällt, so daß in diesem Falle die Fasern nicht so wirksam nach vorne befördert würden, wodurch sich wieder eine breite axiale Dispersion der Fasern ergibt. Die bevorzugte Schaufelkonstruktion der Erfindung ergibt unerwarteterweise eine schmale axiale Dispersion der Fasern. Die bevorzugte Schaufelkonstruktion suspendiert die Fasern, indem sie ihnen einen zur Vorwärtsbeförderung ausreichenden Impuls verleiht und zur Suspension der Fasern in der Gasphase eine radiale Bewegung hervorruft. Durch dieses Phänomen werden auch die Fasern in den Totzonen vorwärts bewegt, so daß sich als Endergebnis nur eine geringe axial Dispersion der Fasern im Laufe ihrer Vorwärtsbewegung ergibt. Der kleine Dispersionsgrad entspricht einer schmalen Verteilung der Faserverweilzeit, wodurch sich ein gleichmäßiges Bleichen ergibt. Durch diese Merkmale können die Zellstoffteilchen praktisch gleichmäßig delignifiziert und gebleicht werden, so daß sich der gewünschte Ligningehalt, die gewünschte Viskosität und der gewünschte Weißgrad ergeben.
Bei einem bevorzugten Förderer sind die Schaufeln in 240°-Abständen in Längsrichtung der Welle in einem helikalen Viertelschraubensteigungsmuster angeordnet, wobei jede Schaufel in einem Winkel von etwa 45° zur Achse der Welle angeordnet ist. In einem Reaktor mit einem Förderer mit ca. 482 mm (19'') und mit dem eintretenden Zellstoff hoher Konsistenz wie oben beschrieben, hat der Förderer eine solche Länge, daß die Verweilzeit des Zellstoffs für Wellengeschwindigkeiten von etwa 75 min^–1 etwa 60 s und die Verweilzeit des Gases etwa 50 s beträgt.
Für Förderer mit Schaufeln, geschnittenen und gefalteten Gängen und andere Förderertypen kann eine Vielzahl von Schraubensteigungen verwendet werden. Für den Reaktor der Erfindung ist eine Viertelschraubensteigung bevorzugt, wobei es aber möglich ist, für bestimmte Anwendungen auch andere Schraubensteigungen zu verwenden.
Der CEMA-Standard gibt bestimmte Größen für die Schaufelklingen für vorgegebene Durchmesser an. In der Erfindung werden diese Größen als "Standard"-Größen bezeichnet. Zur Erzielung eines starken Zellstoff/Gaskontaktes können große Schaufeln mit einer zweimal so großen Fläche wie die der Standardgröße verwendet werden. Derartig große Schaufeln erhöhen jedoch auch die Fördergeschwindigkeit signifikant. Zur Erhöhung der Durchmischungswirkung können kleine Schaufeln verwendet werden, die eine etwa halb so große Fläche wie eine Standardschaufel haben.
Ferner kann der Schaufelwinkel so verändert werden, wie es erwünscht ist. Für eine maximale Axialbewegung ist ein Winkel von 45° bevorzugt, wobei aber auch andere Winkel verwendet werden können, um die Verweilzeit des Zellstoffs in dem Reaktor zu erhöhen.
Der Abstand der Schaufeln ist wichtig, um die Brückenbildung des Zellstoffes bei dessen Weg durch den Reaktor zu vermeiden, da sich durch die Brückenbildung keine gleichmäßige Gleichung des Zellstoffs ergibt. Die Brückenbildung (d. h. die Vorwärtsbewegung von Zellstoff in großen Klumpen oder Massen, die sich brückenförmig zwischen benachbarten Schaufeln befinden) wird durch auf den Zellstoff ausgeübte Verdichtungs- und Verfestigungskräfte verursacht, wodurch die Dichte des Zellstoffs und die Fähigkeit des Zellstoffs aneinanderzuhaften steigt.
Für jede beliebige bestimmte Fördererkonstruktion kann der Fachmann die Verfestigungskräfte oder -drücke auf den Zellstoff aus den Betriebseigenschaften des Förderers vorausberechnen, und zwar unter Verwendung der Trägheitskraft durch die Zentrifugalbewegung der Schaufeln und des statischen Druckgefälles durch das Gewicht des Zellstoffs darin. Die Verfestigungsdrücke für Standardschaufelförderer mit verschiedenen Durchmessern, die mit einem Füllungsgrad von etwa 25% und bei verschiedenen Drehzahlen betrieben werden, sind in 1 veranschaulicht. Beispielsweise würde ein mit 60 min^–1 betriebener Schaufelreaktor mit einem Durchmesser von ca. 608 mm (2') einen abgeschätzten Verfestigungsdruck von etwa 2,41 × 10⁵ Pa (35 psi) erzeugen.
Für den zu bleichenden konkreten Zellstoff kann die Stärke des Zellstoffs als Funktion des Verfestigungsdruckes bestimmt und dann abgeschätzt werden, wieweit die Schaufeln voneinander beabstandet sein müssen, damit die Brückenbildung verhindert wird (d. h. die Länge, bei deren über schreiten der Zellstoff sein Gewicht nicht halten kann und in kleinere Segmente zerbricht). 2 zeigt für einen Zellstoff aus südlichem Weichholz mit einer Konsistenz von 42% eine graphische Darstellung des berechneten kritischen (minimalen) Schaufelabstandes als Funktion des Verfestigungsdrucks. Für das konkrete Beispiel ergibt ein Verfestigungsdruck von ca. 2,41 × 10⁵ Pa (35 psi) einen minimalen Schaufelabstand von ca. 152 mm (6 Zoll).
Der Schaufelabstand wird bestimmt, indem ein geradliniger Abstand zwischen den zwei nächsten Punkten auf benachbarten Schaufelkanten ausgemessen wird. Für einen 240°-Viertelschraubensteigung-Schaufelförderer handelt es sich bei den zwei nächsten Punkten um die Hinterkante der ersten Schaufel und die Vorderkante der vierten Schaufel. Bei anderen Anordnungen, beispielsweise bei der 60°-Vollschraubensteigung, wären die zwei nächsten Punkte die Hinterkante der ersten Schaufel und die Vorderkante der zweiten Schaufel. Für jede beliebige Schaufelanordnung muß dieser Abstand größer sein als die kritische Wölbungsgröße des Zellstoffs, damit die Brückenbildung vermieden wird.
Das Ozongas kann an einer beliebigen Stelle durch die Gehäuseaußenwand des Reaktors eingeführt werden. Die Schaufeln können ferner das Strömen des Ozongases in radialer Richtung bewirken und so den Stofftransport verbessern.
Bei niedrigen Drehzahlen bewegen die Schaufeln den Zellstoff auf eine solche Weise, daß er durch den Reaktor "gewälzt" oder durch "hochheben und fallenlassen" bewegt zu werden scheint. Bei höheren Drehzahlen ist der Zellstoff in der Gasphase im Reaktor dispergiert, wobei die Zellstoffteilchen überall in dem Gas gleichförmig getrennt und verteilt sind, wodurch sich eine gleichmäßige Bleichung des Zellstoffs ergibt. Deshalb werden mit dem derzeit bevorzugten Schaufelförderer die Ziele des Bleichprozesses erreicht, nämlich:

(1) Es können hohe Tonnagen Zellstoff durch den Reaktor befördert werden, ohne daß es zu einer wesentlichen Verdichtung, Brückenbildung oder Pfropfenbildung des Zellstoffs kommt, während der Zellstoff nahezu durch Pfropfenströmung befördert wird, und zwar mit so ausreichend hohen Füllungsgraden, daß sich ein akzeptabler Zellstoff-Gaskontakt ergibt.
(2) Praktisch sämtliche Zellstoffteilchen sind zum Zeitpunkt ihres Austritts aus dem Reaktor gleichmäßig gebleicht.
(3) Beim Austritt aus dem Reaktor ist eine hohe Menge (mehr als 75, vorzugsweise mehr als 90%) des Ozons verbraucht

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Konstruktion eines Ozonbleichreaktors ist die Erzielung einer gleichmäßigen Gleichung der Zellstoffteilchen mit dem gasförmigen Bleichmittel durch die Kontrolle der Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffs in dem Reaktor. Die Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffs in dem Reaktor sollte so schmal wie möglich sein, d. h. der Zellstoff sollte idealerweise durch Pfropfenströmung durch den Reaktor wandern. Wenn einige Zellstoffteilchen zu schnell durch den Reaktor wandern, werden sie nicht ausreichend gebleicht, während die zu langsam durchwandernden zu stark gebleicht werden.
Wie bereits oben erwähnt, gestattet der Schaufelförderer, daß der Zellstoff wirksam mit dem Gas in Kontakt gebracht und vermischt wird. Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch Erhöhung der Drehzahl dieser verhältnismäßig uneffektiven Förderer der dispergierte Zellstoff durch Pfropfenströmung durch den Reaktor wandern kann. Durch diese disperse Bewegung durch Pfropfenströmung wird für den Zellstoff in dem Reaktor die erwünschte schmale Verteilung der Verweilzeit erreicht.
Zur Bestimmung der Verweilzeit des Zellstoffes in einem bestimmten Förderer wurde eine Indikatortechnik unter Verwendung von Lithiumsalzen entwickelt. Da Lithium im allgemeinen in zum Teil delignifiziertem Zellstoff, der mit Ozon in dem Reaktor der Erfindung gebleicht werden soll, nicht vorhanden ist, umfaßt diese Technik die Zugabe eines Lithiumsalzes, beispielsweise Lithiumsulfat oder Lithiumchlorid, als Markierung zu dem zu einem bestimmtem Zeitpunkt in den Reaktor eintretenden Zellstoff, das Sammeln von aus dem Reaktor austretenden Zellstoff in vorbestimmten Zeitintervallen nach der Zugabe des Lithiumsalzes, die Bestimmung der Lithiummenge in jeder Probe und die graphische Darstellung der Lithium-Konzentration als Funktion der Zeit.
3 veranschaulicht die Verteilung der Verweilzeit von fünf verschiedenen Schaufelförderern in einem Reaktorgehäuse mit einem Innendurchmesser von 19,5'', wenn eine kleine Menge mit Lithium behandelter Zellstoff am Eingang des Reaktors für den Zellstoff zugegeben und in regelmäßigen Zeitabständen danach Proben am Ausgang des Reaktors für den Zellstoff entnommen werden. Der Reaktor wurde mit einem Füllungsgrad von 20% für jede Fördereranordnung und mit einer Zuführgeschwindigkeit für den Zellstoff von 20 t/Tag betrieben. Die Kurven zeigen, daß die Förderer, bei denen es sich um weniger leistungsfähige Förderer handelt, die mit einer höheren Drehzahl zur Beibehaltung eines gewünschten Füllungsgrades betrieben werden müssen, eine schmalere Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffes ergeben, die näher zur tatsächlichen Pfropfenströmung liegt. Diese Kontrollmöglichkeit der Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffes trägt dazu bei, daß der Zellstoff gleichmäßig gebleicht wird.
Zur Bezeichnung der verschiedenen Schaufelanordnungen werden Abkürzungen verwendet: die erste Zahl ist der Winkelabstand der Schaufeln, dieser Zahl schließt sich der Buchstabe F, H oder Q an, der für Vollschraubensteigung, Halbschraubensteigung bzw. Viertelschraubensteigung hinsichtlich der Schaufelanordnungen steht. Als nächstes bezeichnen zwei Buchstaben die Schaufelgröße: SD-Standardgröße (d. h. CEMA-Standard für Vollschraubensteigung-Förderer), LG-große Größe (2 × Standard), SM-geringe Größe (1/2 Standard). Die letzte Zahl ist die Drehzahl der Welle, wobei jeder Schaufelwinkel hinsichtlich der Welle 45° beträgt, sofern nichts anderes angegeben ist. Somit werden mit 240 Q-SM-90 RPM beispielsweise 240°-Viertelschraubensteigung-Schaufeln mit geringer Größe an einer mit 90 min^–1 rotierenden Welle bezeichnet. 240 Q-SM-90 RPM 25° betrifft die gleiche Konstruktion mit dem Unterschied, daß der Schaufelwinkel 25° statt 45° beträgt.
In einem idealen Pfropfenströmungsreaktor hat sämtliches durch den Reaktor strömendes Material die gleiche Verweilzeit, d. h. es verbringt die gleiche Zeit in dem Reaktor, bevor es am anderen Ende austritt. In Wirklichkeit läßt sich dieses Ergebnis nicht exakt erzielen. Stattdessen wird etwas Material mehr Zeit in dem Reaktor verbringen als anderes Material, wodurch es im Verhältnis zum Durchschnittswert stärker gebleicht wird, während anderer Zell stoff mit einer kürzeren Verweilzeit im Verhältnis zum Durchschnitt zu schwach gebleicht wird.
Die Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffes ("RTD") kann unter Anwendung der oben beschriebenen Lithium-Indikatortechnik bestimmt werden, bei der eine geringe Menge an Zellstoff mit einem Lithiumsalz zur Markierung behandelt wird. Der Zellstoff wird dann auf einmal zum Zeitpunkt Null (t = 0) durch den Reaktoreingang eingeführt. Anschließend wird die Lithiumkonzentration in dem Zellstoff am Reaktorausgang überwacht, indem einzelne Zellstoffproben entnommen und die Lithium-Konzentration bestimmt wird. Wenn die Lithium-Konzentration kontinuierlich überwacht wird, kann eine kontinuierliche RTD erhalten werden.
Die folgenden Definitionen sind dem Werk von Levenspiel, o., The Chemical Reactor Omnibook, OSU Book Stores, Inc., Januar 1989 (ISBN: 0-88246-164-8) entnommen. Die durchschnittliche Verweilzeit des Zellstoffs ist:
wenn die Marker-Konzentration, C_T, auf kontinuierliche Weise erhalten wird, wohingegen, wenn C_T in diskreter Form vorliegt, t_avg angenähert werden kann durch:
wobei n Proben für die Verteilung der Verweilzeit genommen wurden. Die Varianz, σ², der Verteilung der Verweilzeit ist ein Maß für deren Breite. Diese beträgt:
und kann für diskrete Verteilungen angenähert werden durch:
Für ein Gefäß mit einer perfekten Pfropfenströmung wäre die Varianz Null. Je größer die Varianz ist, desto breiter ist die Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffs und desto größer ist die axiale Durchmischung. Darüber hinaus hat eine breitere Verteilung der Verweilzeit eine weniger gleichmäßige Bleichung zur Folge, so daß einige Fasern zu stark gebleicht und einige zu schwach gebleicht werden. Dadurch kann die Qualität des gebleichten Zellstoffes aufs Spiel gesetzt und übermäßig viel Bleichchemikalie ver braucht werden. Somit kann die Varianz als Maß für die Gleichmäßigkeit der Gleichung verwendet werden, wobei ein kleiner Wert bevorzugt ist.
Um die Gleichmäßigkeit der Gleichung bei verschiedenen Experimenten mit verschiedenen durchschnittlichen Verweilzeiten vergleichen zu können, ist es erforderlich, die Varianz zu normalisieren. Der Dispersionsindex ("DI") ist für kontinuierlich bestimmte Verteilungen der Verweilzeit wie folgt definiert:
die für diskrete Verteilungen folgendermaßen angenähert werden kann:
Der Dispersionsindex ist der Varianz proportional. Diese normalisierte Varianz, welche die Abweichung von der Pfropfenströmung mißt und somit ein Maß für die axiale Dispersion ist, wird als Indikator für die Gleichmäßigkeit der Gleichung verwendet. Ein Wert von Null würde perfekte Pfropfenströmung anzeigen. Große Werte zeigen an, daß die Gleichmäßigkeit der Gleichung schlecht ist.
Zur Veranschaulichung dieses Konzepts wird auf 4 Bezug genommen, in der die experimentell bestimmte Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffs für zwei verschiedene Schaufelkonstruktionen graphisch dargestellt ist: 60°-Vollschraubensteigung mit überlappenden Schaufeln und 240°-Viertelschraubensteigung mit nicht überlappenden Schaufeln. In jedem Fall betrug die Produktionsgeschwindigkeit des Zellstoffs etwa 20 tpd. Die Rotationsgeschwindigkeiten der Schaufelwelle betrugen 25 min^–1 bzw. 90 min^–1. Es wird insbesondere darauf hingewiesen, daß die durchschnittlichen Verweilzeiten zwar etwa gleich waren (49 bzw. 45 s), die Breite der Verteilungen aber sehr unterschiedlich.
Im ersten Fall (60°-Anordnung) hatten etwa 10% des Zellstoffs eine Verweilzeit von weniger als 32 s, während weitere 10% eine Verweilzeit von mehr als 71 s hatten. Im zweiten Fall (240-Grad-Anordnung) betrug der entsprechende Bereich 36 s und 55 s. Der breitere Bereich wird durch einen höheren Dispersionsindex angezeigt, nämlich 8,2 vs. 2,6. Der Zellstoff mit der kürzesten Verweilzeit wird zu schwach gebleicht und der mit der höchsten zu stark gebleicht, nämlich im Vergleich zur durchschnittlichen Bleichung. Dieser Effekt wird im Falle des höheren Dispersionsindexes stärker.
Der Vergleich kann auch mit geschlossenen Schneckengangförderern durchgeführt werden. Geschlossene Schneckengänge ergeben zwar nahezu eine Pfropfenströmung mit niedrigen DI-Werten, dispergieren den Zellstoff aber nicht in das Gas. Es ist nicht ausreichend, daß sich eine Pfropfenströmung ergibt, so lange der Zellstoff nicht auch dispergiert ist, da die Pfropfenströmung von nicht dispergiertem Zellstoff ebenfalls eine nicht gleichmäßige Bleichung ergibt. Wie bereits oben angegeben wird der Zellstoff in dem Schaufelförderer in dem Reaktor hochgehoben und hin- und herbewegt, um die Geschwindigkeit und Wirksamkeit des Bleichprozesses zu maximieren, weil ein höherer Teil der Oberfläche der Zellstoffasern der Einwirkung des Ozons ausgesetzt ist.
Es wurde ferner gefunden, daß durch die Verwendung einer geschnittenen und gefalteten Schneckenganganordnung Ergebnisse erhalten werden, die den unter Verwendung eines Schaufelförderers erhaltenen in gewisser Weise ähneln. Eine typische geschnittene und gefaltete Schneckenganganordnung ist in 17 mit 52 bezeichnet. Die offenen Teile 54 des Ganges 56 gestatten die Hindurchführung des Gases, während die gefalteten Teile 58 die radiale Verteilung des Gases bewirken und daß der Zellstoff in dem Gas geeignet hochgehoben, hin- und herbewegt, befördert und dispergiert wird, wenn der Zellstoff befördert wird, so daß sich die gewünschte gleichmäßige Gleichung ergibt. Somit ergibt sich durch richtige Auslegung der Reaktorlänge, der Schraubensteigung der Schnecke, der Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke und ihrer Anordnung eine verhältnismäßig kurze Verweilzeit von Gas und Zellstoff, während der der Zellstoff gleichmäßig der Einwirkung des Gases ausgesetzt ist und sich als Ergebnis ein sehr gleichmäßig gebleichter Zellstoff ergibt.
Der Gesamtwirkungsgrad dieser Bleichvorrichtung wird im wesentlichen durch die Entwicklung einer inneren Schaufelanordnung bestimmt, die dem Gegenteil dessen entspricht, was in der herkömmlichen Fördertechnik verwendet wird. Wie oben angegeben, ist die herkömmliche Schaufelkonstruktion zum Fördern speziell zur Erhöhung des Förderwirkungsgrades entwickelt worden, wohingegen bei der Erfindung die Konstruktion den Förderwirkungsgrad beträchtlich ernied rigen soll. Durch eine derartige Erniedrigung des Förderwirkungsgrades ist jedoch eine bessere Kontrolle der Verweilzeit des Zellstoffs, der für den Kontakt verfügbaren Zellstoffmenge und des erforderlichen Energieverbrauchs zur Erzielung einer geeigneten Durchmischung von Gas und Zellstoff möglich. Durch den niedrigeren Förderwirkungsgrad können die Schaufeln eine verhältnismäßig hohe Rotationsgeschwindigkeit haben, wodurch die Dispersion und Suspension des Zellstoffes in der Gasphase unter Aufrechterhaltung einer verhältnismäßig langen Verweilzeit des Zellstoffs in dem Reaktor zum Kontakt mit dem Ozon erhöht wird.
Zur Veranschaulichung welche Wirkungen variierende Schaufelkonstruktionen auf den Füllungsgrad und die Verweilzeit des Zellstoffes haben, wird auf die 5 und 6 verwiesen. Bei diesen Förderern betrug die Einführung an Zellstoff 20 ofentrockene Tonnen pro Tag (ODTPD), der Schaufelwinkel zur Welle betrug 45°, sofern nichts anderes angegeben ist, und es wurde wieder ein 6%iges Ozon/Sauerstoffgemisch bei 35 SCFM verwendet. Die Verweilzeit des Gases betrug etwa 60 s. Der Zellstoff hatte eine Konsistenz von etwa 42%, so daß die Ozon-Anwendung 1% auf O. D.-Zellstoff betrug. Die Daten zeigen, daß Füllungsgrade zwischen etwa 20 und 40% bei Wellengeschwindigkeiten von 40 bis 90 min^–1 und eine Verweilzeit des Zellstoffs von etwa 40 bis 90 s zu bevorzugen sind, wenn die Ozon-Anwendung etwa 1% bei ofentrockenem Zellstoff beträgt. Darüber hinaus zeigen diese graphischen Darstellungen, wie eine Veränderung der Wellendrehzahl den Füllungsgrad, die Verweilzeit des Zellstoffs und die Ozonumwandlung beeinflussen kann. Bei der Erfindung ist eine Verweilzeit des Gases von mindestens etwa 50% oder mehr der Verweilzeit des Zellstoffs günstig, wobei mindestens etwa 67% bevorzugt sind.
In den 5 und 6 ist die Ozonumwandlung in Prozent angegeben, und zwar durch die Zahlenwerte in Verbindung mit bestimmten Datenpunkten der graphischen Darstellungen. Diese numerischen Werte sind auch in Tabelle IX von Beispiel 10 zusammen mit der entsprechenden Schaufelkonstruktion und den Reaktorbetriebsbedingungen angegeben. Diese Daten zeigen, daß höhere Füllgrade erzielt werden können, wenn die Schraubensteigung des Förderers verringert, kleinere Schaufeln verwendet oder ein flacherer Schaufelwinkel verwendet wird. Insbesondere ergeben sich drastische Verringerungen der Förderwirkungsgrade, wenn lediglich der Schaufelwinkel von 45° auf 25° verändert wird. Um dies zu kompensieren sind sehr viel höhere Wellendrehzahlen erforderlich, um die Füllgrade beizubehalten.
Die Förderer mit geringerer Schraubensteigung und kleineren Schaufeln werden bei höheren Wellendrehzahlen unter Aufrechterhaltung der gewünschten Füllgrade von 20 bis 40% betrieben, ohne daß der Zellstoff Brücken oder Pfropfen bildet. Ferner werden Ozongasumwandlungen im Bereich von 90 bis 99% erzielt, so daß das Ozon wirksam verbraucht und die Kosten zu seiner Herstellung verringert werden.
Aus diesen Daten kann der Fachmann sowohl die optimale Schaufelkonstruktion zur Erzielung der gewünschten Verweilzeiten und Füllgrade auswählen als auch feststellen, wie die Drehzahl für eine beliebige Zuführgeschwindigkeit des Zellstoffs zur Regelung des Füllungsgrades einzustellen ist. Beispielsweise werden durch Erniedrigen der Wellendrehzahl bei konstanter Zuführung die Verweilzeit und der Füllungsgrad erhöht. Diese Konstruktion gestattet dem Betreiber auch die Einstellung der Förderleistung, wenn sich die Einführung des Zellstoffs, die Produktionsgeschwindigkeit oder andere Betriebsbedingungen ändern.
Der Reaktor der Erfindung kann zwar zum Bleichen einer großen Vielzahl von verschiedenen Zellstoffen verwendet werden, jedoch hat der gewünschte Bereich für die Anfangseigenschaften des in den Reaktor eintretenden Zellstoffs für Zellstoff aus Weichholz oder Hartholz eine K-Nr. 10 oder weniger, eine Viskosität von mehr als etwa 13 cP und eine Konsistenz oberhalb 25% aber weniger als 60%. Vor dem Eintritt in den Reaktor können die Zellstoffteilchen durch Ansäuerung und/oder durch Zugabe von Metallchelatbildnern konditioniert werden, um die Wirksamkeit des Ozonverbrauchs durch den Zellstoff zu erhöhen. Nachdem der Zellstoff wie hier beschrieben gebleicht worden ist, hat der den Ozonreaktor verlassende Zellstoff einen GE-Weißgrad von mindestens etwa 45% und im allgemeinen etwa 45 bis 70%, wobei Weichhölzer gewöhnlich oberhalb 45 und Harthölzer gewöhnlich oberhalb 55% liegen. Der Zellstoff (für Harthölzer oder Weichhölzer) hat ferner eine Viskosität von mehr als etwa 10 und eine K-Nr. von 5 oder weniger, im allgemeinen zwischen etwa 3 und 4.
In 7 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Vor dem Eintreten in die Vorrichtung wird der Zellstoff in einen Mischkübel gegeben, indem er durch Behandlung mit Säure und einem Chelatbildner konditioniert wird. Der angesäuerte und mit dem Chelatbildner behandelte Zellstoff niedriger Konsistenz wird dann in eine Verdickungseinheit zur Entfernung überschüssiger Flüssigkeit aus dem Zellstoff eingeführt, beispielsweise in eine Doppelwalzenpresse, wodurch die Konsistenz des Zellstoffs auf den gewünschten Wert erhöht wird. Zumindest ein Teil dieser überschüssigen Flüssigkeit kann in den Mischkübel rezirkuliert werden.
Der sich ergebende Zellstoff mit hoher Konsistenz wird dann durch einen Schneckendosierer geführt, der die Wirkung einer Gasdichtung für das Ozongas an einem Ende des Reaktors hat, und danach durch eine Verkleinerungseinheit, beispielsweise einen "Fluffer", in dem der Zellstoff zu Zellstoffaserflöckchen ausreichender Größe, die vorzugsweise etwa 10 mm groß sind oder kleiner, zerkleinert wird. Die zerkleinerten Teilchen werden dann in eine dynamische Ozonreaktionskammer eingeführt, die einen Förderer aufweist und speziell zum Mischen und Transportieren der Zellstoffteilchen konstruiert ist, so da die gesamte Oberfläche der Teilchen der Einwirkung des Ozongasgemisches während der Bewegung des Zellstoffes ausgesetzt wird. Nach der Ozonbleichbehandlung werden die Zellstoffaserflöckchen aus dem Reaktor in einen Verdünnungstank fallen gelassen.
Wie in 7 dargestellt, wird der Zellstoff mit hoher Konsistenz 10 in eine Zerkleinerungsvorrichtung, beispielsweise einen "Fluffer" 12, eingeführt, der an einem Ende des Ozonreaktors 14 montiert ist. Der "Fluffer" 12 zerkleinert den eintretenden Zellstoff mit hoher Konsistenz zu Zellstoffaserteilchen 16, die dann in die Reaktorkammer fallen. Das Ozongas 18 wird auf eine solche Weise in den Reaktor 14 eingeführt, daß seine Strömungsrichtung der des Zellstoffes entgegengesetzt ist. Die Zellstoffaserteilchen 16 werden durch das Ozon im Reaktor 14 gebleicht, um einen wesentlichen Teil, jedoch nicht sämtliches Lignin daraus zu entfernen. Die Zellstoffaserteilchen 16 werden mit dem Ozon unter Verwendung des Schaufelförderers 20, der in einer bevorzugten Ausführungsform eine Vielzahl von Schaufeln 22 an einer Welle 24, die durch den Rotor 26 gedreht wird, montiert aufweist, in innigen Kontakt gebracht und vermischt.
Der Förderer 20 befördert die Zellstoffaserteilchen 16 während sie in radialer Richtung hin- und herbewegt und verschoben werden. Ferner wird das Ozongas durch die Schaufeln 22 zum Strömen gebracht und umgibt die Zellstoffaserteilchen so, daß sämtliche Oberflächen der Teilchen der Einwirkung des Ozons ausgesetzt sind, so daß dieser praktisch vollständig eindringen kann. Der Schaufelförderer befördert die Zellstoffaserteilchen mit kontrollierter Verweilzeit des Zellstoffs in Form einer Pfropfenströmung. Die Verweilzeit des Ozongases wird ebenfalls kontrolliert. Durch diese Merkmale werden die Zellstoffaserteilchen durch das Ozon praktisch gleichmäßig delignifiziert und gebleicht.
Beim Gegenstromverfahren ist außerdem die Konstruktion des Zellstoffasereinlaß/Gasauslaßabschnittes besonders wichtig, damit die Gas- und Faserströme wirksam getrennt werden. Insbesondere werden die Gasgeschwindigkeiten in der Gas-Zellstofftrennzone unterhalb der kritischen Geschwindigkeit erhalten, welche den Zellstoff in dem austretenden Gasstrom mit sich ziehen würde.
8 ist eine vergrößerte Außenansicht des Reaktors 14 von 7. Die 9A und 9B zeigen die Förderabschnitte des Schaufelförderers 20, der in dem Reaktor angeordnet ist. Der Zellstoff aus dem "Fluffer" tritt durch den Zellstoffeinlaß 34 in den Reaktor 14 ein und fällt auf den Schaufelförderer-Abschnitt 20A im oberen Gehäuse 38. Der Förderabschnitt 20A weist eine rechtshändige Schaufelkonstruktion auf, wie sich nachstehend beschrieben wird. Der Zellstoffeinlaß 34 weist einen Auslaß für das gasför mige Bleichmittel 82 auf, durch den das Ozon/Sauerstoffgemisch nach dem Kontakt mit dem Zellstoff austreten kann. Der Zellstoff bewegt sich in Richtung des Pfeils A bis er das Ende des oberen Gehäuses 38 erreicht und zu diesem Zeitpunkt durch eine Leitung in Form einer Rinne 40 auf den Förderabschnitt 20B im unteren Gehäuse 44 tropft. Der Förderabschnitt 20B hat eine linkshändige Schaufelkonstruktion, so daß der Zellstoff in Richtung des Pfeiles B wandert. Am Ende des unteren Gehäuses 44 tropft der Zellstoff durch den Auslaß 46 in den Zellstoffverdünnungstank, wie in 7 dargestellt. Im oberen Teil des Tanks 30 ergibt sich Zellstoff mit hoher Konsistenz, der noch Restmengen an Ozon enthält. Das restliche Ozon kann weiterhin mit dem Zellstoff reagieren, bis dieser einen unteren Teil des Tanks erreicht, wo Verdünnungswasser 32, das als Ozongasdichtung am anderen Ende des Reaktors dient, zur Verringerung der Konsistenz des Zellstoffes auf einen niedrigen Grad zugesetzt wird, um die Bewegung des gebleichten Zellstoffs 34 durch die sich anschließenden Verfahrensschritte zu erleichtern. Die Abschnitte 20A und 20B des Schaufelförderers werden durch den Motor 48 angetrieben, der die Welle des Förderabschnitts 20B dreht, die dann Drehkraft auf die Welle des Förderabschnitts 20A mit Hilfe der Antriebskupplung 50 überträgt. Alternativ können für jede Welle getrennte Antriebsmotoren verwendet werden.
Die Welle für den Fördererabschnitt 20A des oberen Gehäuses 38 (in 9A dargestellt) weist drei unterschiedliche Zonen auf: eine erste Zuführzone für den Zellstoff (A), die unter dem Zellstoffeinlaß 34 angeordnet ist, eine zweite Zone (B), die als Reaktionszone für das gasförmige Bleichmittel dient, und eine dritte Zone (C), in der die Zellstoffteilchen austreten, bei der es sich nur um eine bloße Welle ohne Schaufeln handelt, die über der Rinne 40 ange ordnet ist. Bei einigen Anwendungen kann die Zone A die gleichen Schaufelanordnungen wie Zone B haben.
Wenn der Zellstoff in das obere Gehäuse 38 eintritt, hat er seine niedrigste Schüttdichte nach dem Durchgang durch den "Fluffer" 12. Wenn dieser Zellstoff mit niedriger Dichte in der Einführzone mit den Schaufeln 22A in Kontakt kommt, tritt am Anfang eine Verdichtung ein. Die erste Zone der Welle hat somit eine Schaufelanordnung mit einer höheren Fördergeschwindigkeit als die zweite Zone, damit sich der gewünschte Zellstoffüllungsgrad ergibt. Die Bewegung des Zellstoffes ist etwa zweimal so schnell wie die in der Reaktionszone für das gasförmige Bleichmittel (B) auftretende. Zu diesem Zweck werden in der Zone (A) 120°-Halbschraubensteigung-Schaufeln in Standardgröße 22A verwendet, die in einem Winkel von 45° zur Welle orientiert sind, während in Zone (B) 240°-Viertelschraubensteigung Schaufeln mit kleiner (d. h. halber) Größe 22B verwendet werden, die ebenfalls in einem Winkel von 45° zur Welle orientiert sind. Die Schaufeln sind in den Abschnitten A und B in einer "rechtshändigen" Konfiguration befestigt, so daß der Zellstoff durch Drehung der Welle im Uhrzeigersinn (wenn man von der linken Seite von 8 schaut) in Richtung auf die Austrittszone für die Zellstoffteilchen C befördert wird.
Nach dem Fall in das untere Gehäuse 44 wird über die Rinne 40 der Zellstoff auf den Fördererabschnitt 20B transportiert, und zwar in einer Richtung, die der entgegengesetzt ist, welche sich durch die Drehung des Fördererabschnittes 20A ergibt. Diese Bewegung ergibt sich deshalb, weil die Schaufeln 22C am Fördererabschnitt 20B "linkshändig" angeordnet sind, und nicht "rechtshändig" wie die Schaufeln 22A und 22B im Fördererabschnitt 20A. Die Schaufeln 22C des Fördererabschnitts 20B werden ebenfalls in der Uhrzeigerrichtung gedreht (wenn man von der linken Seite schaut), nämlich ähnlich wie die Schaufeln im oberen Gehäuse 38. Im Fördererabschnitt 20B tritt der Zellstoff zuerst in die Reaktionszone D des gasförmigen Bleichmittels ein, wo er mit den Schaufeln 22C in Kontakt kommt. Die Schaufeln 22C sind 240°-Viertelschraubensteigung-Schaufeln mit kleiner (d. h. halber) Größe, die in einem Winkel von 45° zur Welle orientiert sind. Wie oben angegeben, erleichtert diese Anordnung die Reaktion zwischen dem Zellstoff und dem ozonhaltigen Bleichmittel. Die Zone E des Förderabschnittes 20B, die direkt oberhalb des Auslasses 46 liegt, weist über eine spezifizierte Länge keine Schaufeln auf, damit der Zellstoff aus dem Reaktor, durch den Auslaß 46 und in den direkt darunter angeordneten Verdünnungstank fallen kann.
Wie bereits oben angegeben, wird jede Welle gleichzeitig durch einen Motor 48 und eine Kupplung 50 synchron angetrieben.
10 veranschaulicht die Schaufelanordnung in den Reaktionszonen für das gasförmige Bleichmittel (d. h. die Zonen B und D) des oberen Gehäuses 38 bzw. des unteren Gehäuses 44. Wie oben beschrieben haben die Schaufeln 22B und 22C eine 240°-Viertelschraubensteigung und sind in einem Winkel von 45° zur Welle orientiert.
Die 11 und 12 zeigen die Verbindung sämtlicher Schaufeln 22 mit der Welle 24. Die Schaufelklinge 22 ist an die Mutter 23 angeschweißt oder auf andere Weise geeignet befestigt. Diese Kombination wird mit Hilfe eines Gewindestabes 25, der durch die Muttern 23a tritt, in Verbindung mit der Mutter 23 an der Welle 24 befestigt, damit die Schaufelklinge 22 auf der Welle 24 in der gewünschten Orientierung sicher gehalten wird. Hinsichtlich der in den 11–12 dargestellten Schaufeln sind die Schaufelklingen 22 in dem am meisten bevorzugten Winkel von 45° zur longitudinalen Achse der Welle 24 angeordnet. Die Klingen 22 können in einem beliebigen Winkel angeordnet werden, indem die Muttern 23a gelöst, die Schaufel 22 gedreht und die Muttern 23a wieder angezogen werden, wodurch die Fördererschaufeln für bestimmte Anwendungen modifiziert werden können. Anstelle dieser Anordnung mit Bolzen können die Schaufeln auch direkt an die Welle angeschweißt werden, so daß sich dauerhaftere Förderkonstruktionen ergeben.
Die Klingen weisen eine Oberfläche mit einer Breite und Länge auf, die zum Aufnehmen, Hochheben und Dispergieren des Zellstoffs über den gesamten Radius des Reaktors hinweg ausreicht. Die Oberfläche ist ferner so konfiguriert und angeordnet, daß die Zellstoffteilchen axial befördert werden.
Obwohl ein Schaufelförderer bevorzugt ist, können auch anderer Fördererkonfigurationen verwendet werden. Ein nützlicher Reaktor kann unter Verwendung eines Schneckengangförderers mit sogenannten "geschnittenen und gefalteten" Gängen, nämlich wie oben in 17 diskutiert, hergestellt werden. Eine Reihe von keilförmigen Gängen 60 (in 20 im Querschnitt dargestellt) oder ellenbogenförmigen Heberelementen 62 (in 19 sowohl in der Seitenansicht als auch im Querschnitt dargestellt) eignen sich ebenfalls zum Suspendieren des Zellstoffes in dem gasförmigen Bleichmittel. Es können auch Sandmischer 64 verwendet werden (18). In einem geneigten Reaktor, in dem ein völlig flacher Bandgang, d. h. einer mit stufenloser Schraubensteigung, mit Winkeln statt flacher Klingen verwendet wird, werden die Faserteilchen durch eine ähnlich Anheb- und Fallenlaß-Wirkung zur Bewirkung des gewünschten Gas-Zellstoffkontaktes und -reaktion befördert. Durch die stufenlose Bandanordnung ergibt sich eine Beförderung des dispergierten Zellstoffs durch Pfropfenströmung mit geringer Rückdurchmischdung, wobei diese Anordnung jedoch nicht so leicht angepaßt werden kann wie der Schaufelförderer. Gemäß den obigen Ausführungen kann auch eine Kombination aus Schaufeln und geschnittenen und gefalteten Gängen verwendet werden, wenn dies gewünscht ist. Typischerweise sind unmodifizierte Vollschneckengangförderer nicht akzeptabel, weil sie im allgemeinen den Zellstoff "durchdrücken" statt ihn hin- und herzubewegen und zu verschieben, wie es der Schaufelförderer macht. Somit werden bei der Verwendung von herkömmlichen Schneckengängen der Zellstoff und das Ozon nicht ausreichend durchmischt und in Kontakt gebracht, so daß sich eine gleichmäßige Gleichung des Zellstoffs ergibt, es sei denn, sie werden mit extrem geringen Füllgraden (< 10%) und verhältnismäßig langer zellstoffverweilzeit betrieben.
Wie bereits in der Beschreibung diskutiert, handelt es sich bei dem gasförmigen Bleichmittel um Ozon. Das Prinzip dieses Reaktors kann jedoch auch zum Bleichen von Zellstoff mit anderen gasförmigen Bleichmitteln, beispielsweise Chlor, Chlordioxid usw., angewendet werden. Chlorhaltige Bleichmittel sind zwar nicht bevorzugt, weil Abströme gebildet werden, die verhältnismäßig große Mengen an Chloriden enthalten, und weil chlorierte organische Verbindungen in derartigen Abströmen möglicherweise die Umwelt schädigen, können aber trotzdem erfolgreich als Bleichmittel in dem Reaktor der Erfindung verwendet werden. Wegen der Bedenken hinsichtlich des Umweltschutzes und der Verschmutzung ist Ozon das bevorzugteste gasförmige Bleichmittel.
Der Ozonreaktor ist in 7 in Form eines horizontalen, langen Gehäuses dargestellt. Falle erwünscht, kann das Gehäuse jedoch in einem leichten Winkel in bezug auf die Horizontale angeordnet werden, so daß die Gravitationskraft die Beförderung der Zellstoffteilchen unterstützt. Ein typischer "Beförderungswinkel" beträgt bis zu 25°.
Der Reaktor von 7 zeigt, daß der Zellstoff nach dem Gegenstromprinzip mit dem Ozongasgemisch mit Ozon behandelt wird. Der in den Reaktor eintretende Zellstoff hat den höchsten Ligningehalt und tritt zuerst mit dem austretenden, nahezu erschöpften Ozongemisch in Kontakt, wodurch optimale Chancen bestehen, daß praktisch sämtliches Ozon verbraucht wird. Dies ist ein wirksames Verfahren zum Abstreifen von Ozon aus dem Ozon/Sauerstoff- oder Ozon/Luftgemisch. Alternativ kann jedoch der Teil des Zellstoffes, der im geringsten Ausmaß gebleicht wurde, zuerst mit dem neu eingeführten Ozongemisch, das die maximale Menge an Ozon enthält, in Kontakt gebracht werden, indem das ozonhaltige Gas in der gleichen Strömungsrichtung wie der Zellstoffstrom geführt wird.
Wenn das Ozon 18 nach dem Gegenstromprinzip mit dem Zellstoff in Kontakt gebracht wird, kann das übrigbleibende Ozongas 28, wie in 7 gezeigt, rückgewonnen werden. Das restliche Ozongas 28 aus dem Auslaß 82 (8) wird einer Trägergasvorbehandlungsstufe 36 zugeführt, in der ein Trägergas 37 aus Sauerstoff (oder Luft) zugegeben wird. Dieses Gemisch 40 wird dem Ozongenerator 42 zugeführt, wo die geeignete Ozonmenge zum Erhalt der gewünschten Konzentration erzeugt wird. Das richtige Ozon/Gasgemisch 18, das wie oben angegeben, vorzugsweise etwa 6 Gew.-% Ozon enthält, wird dann dem Ozonreaktor 14 zur Delignifizierung und Gleichung des Zellstoff zugeführt.
Der nach der Ozonisierung gebleichte Zellstoff enthält eine geringere Ligninmenge und hat daher eine niedrigere K-Nr. und eine akzeptable Viskosität. Die genauen Werte für die erhaltene K-Nr. und die Viskosität sind von der konkreten Verarbeitung abhängig, welcher der Zellstoff unterzogen wird. Der sich ergebende Zellstoff ist ferner beträchtlich weißer als der Ausgangszellstoff. Beispielsweise ergibt sich für sündliches Weichholz ein GE-Weißgrad von etwa 45 bis 70%.
Beispiele
Der Rahmen der Erfindung wird ferner in Verbindung mit den folgenden Beispielen beschrieben, die nur zum Zwecke der Veranschaulichung dienen sollen und nicht als Beschränkung des Rahmens der Erfindung auf irgendeine Weise zu verstehen sind. Sofern nichts anderes angegeben ist, sind sämtliche chemischen Prozentsätze auf der Grundlage des Gewichtes von ofengetrockneten (OD) Fasern berechnet. Dem Fachmann ist ferner klar, daß die Zielwerte für den Weißgrad nicht präzise erreicht werden müssen, da GEB-Werte von plus oder minus 2% Abweichung vom Ziel akzeptabel sind. Der Einsatzzellstoff in diesen Beispielen ist mit dem "Fluffer" bearbeiteter, sauerstoffgebleichter Zellstoff mit einer K-Nr. von etwa 10 oder weniger, einer Viskosität von mehr als etwa 13 cP, einer Konsistenz von etwa 42% und einem Weißgrad beim Eintritt, der allgemein im Bereich von 38 bis 42% GEB liegt. Dieser Zellstoff wird vor der Einführung in den Reaktor der Erfindung auf einen pH-Wert von etwa 2 angesäuert.
In den folgenden Beispielen 1 bis 10 und 13 hatte der Reaktor ein ca. 6,08 m (20 Fuß) langes Gehäuse mit einem inneren Durchmesser von ca. 495 mm (19,5'') mit den definierten Förderintervallen darin. Die Vollschraubensteigung dieses Reaktors beträgt ca. 483 mm (19''). Die Einführgeschwindigkeit betrug im allgemeinen etwa 20 t/Tag des oben beschriebenen, zum Teil gebleichten Weichholzzellstoffs mit einer Konsistenz von 42%, sofern nichts anderes angegeben ist. Hinsichtlich des Ozongasstroms wurde nach dem Gegenstromprinzip gearbeitet, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Daten der Beispiele 11 und 12 wurden mit einem 17''-Förderer erhalten.
Beispiel 1
Ein Reaktor mit einem Förderer mit geschnittenem und gefaltetem Gang und eine Ausführungsform eines Reaktors mit Förderer vom Schaufeltyp der Erfindung wurden unter Verwendung ähnlicher Einführgeschwindigkeiten für den Zellstoff, Drehgeschwindigkeit und Gasverweilzeit verglichen. Aus den in Tabelle I veranschaulichten Ergebnissen ergibt sich, daß durch die Verwendung der Schaufelanordnung eine etwa 18% höhere Ozonumwandlung erhalten wird als bei dem herkömmlichen Reaktor mit Förderer mit geschnittetenem und gefaltetem Gang. Der Schaufelreaktor ergab ferner einen verbesserten (d. h. niedrigeren) Dispersionsindex, was zeigt, daß die Bewegung des Zellstoffs näher an die Pfropfenströmung herankommt.
Beispiel 2
Zum Vergleich eines herkömmlichen Reaktors mit Förderer vom Schneckentyp mit einem Reaktor mit Schaufelförderer wurde die Konfiguration des Förderers vom Schaufeltyp speziell so ausgestaltet, daß sich eine niedrigere Fördergeschwindigkeit als bei der Schnecke ergab. Dadurch konnte der Schaufelförderer mit signifikant höherer Drehgeschwindigkeit betrieben werden, während der Füllungsgrad dem der Schnecke äquivalent bleibt. Tabelle II veranschaulicht, daß die signifikant höhere Drehgeschwindigkeit des Schaufelförderers einen Anstieg der Ozonumwandlung in dem Schaufelförderer von 24% zur Folge hatte. Tabelle II zeigt ferner wie die Schaufelanordnung speziell konstruiert werden kann, so daß sich ein ausgezeichneter Gas-Faser-Kontakt im Gegensatz zu einer herkömmlichen Förderanordnung ergibt.
Beispiel 3
Die Konstruktion der Schaufeln an dem Schaufelförderer wurde verändert, um einen Betrieb mit höherer Drehzahl unter Aufrechterhaltung eines konstanten Füllungsgrades von 20% bei einer Einführgeschwindigkeit von etwa 18 bis 20 ofentrockenen Tonnen pro Tag bei konstanter Verweilzeit des Zellstoffes zu gestatten. Die veränderte Konstruktion ergab einen signifikanten Anstieg der Ozonumwandlung, nämlich wie in Tabelle III angegeben. Dieses Beispiel zeigt, daß durch die Veränderung der herkömmlichen Vollschraubensteigung-Schaufelanordnung nach der Erfindung drastisch der Gas-Faser-Kontakt verbessert wird, indem bei höheren Drehzahlen der Betrieb mit beträchtlichem Füllungsgrad möglich ist.
Beispiel 4
Die Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffes wird als Hauptindikator für die Gleichmäßigkeit der Bleichung angesehen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wurde die Schaufelkonstruktion so eingestellt, dass sich in dem Reaktor eine bessere, d. h. engere Verteilung der Verweilzeit des Zellstoffs ergab. Die in Tabelle IV angegebenen Ergebnisse zeigen, daß die Verwendung einer veränderten Schaufelkonstruktion die bessere Durchmischung bei höherer Drehzahl bei konstantem Füllungsgrad gestattet und eine signifikante Verbesserung des Dispersionsindex (DI) ergibt. Ein DI von 0 bedeutet eine perfekte Pfropfenströmung ohne Dispersion, wohingegen höhere Indexwerte anzeigen, daß der Zellstoff auf eine Weise strömt, die weniger der Pfropfenströmung entspricht.
Beispiel 5
Bei einer bevorzugten Schaufelanordnung handelt es sich um eine 240°-Viertelschraubensteigung-Konstruktion mit mit Schaufeln, welche die Hälfte der Abmessungen des CEMA-Standards haben, die in einem Förderwinkel von 45° montiert sind. Unter Verwendung dieser Anordnung ergibt sich ein hoher Ozonumwandlungswirkungsgrad wie für den Schaufelförderer von Beispiel 2 veranschaulicht. Überraschenderweise ergibt sich unter Verwendung dieser Anordnung der zusätzliche Vorteil, daß eine konstante Verteilung der Verweilzeit über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen und Faserverweilzeiten beibehalten wird, wodurch die gleichförmige Bleichung sichergestellt ist. Dies wird durch die in 13 angegebenen Lithium-Indikatordaten veranschaulicht.
Beispiel 6

Hinsichtlich der Strömungsrichtung des Gases ergab ein Vergleich der Gegenstromrichtung mit der Gleichstromrichtung für beide Richtungen vorteilhafte Ergebnisse. Durch die Verwendung von in Gegenrichtung strömenden Gases ergab sich jedoch ein höherer Wirkungsgrad, nämlich wie in Tabelle V dargestellt. Tabelle V

Gasströmung	Einführgeschwindigkeit (ODTPD)	Schaufeldrehgeschwindigkeit (min^–1)	Gasströmungsgeschwindigkeit (SCFM)	Ozonanwendung auf den Zellstoff (%)	Ozonumwandlung (%)	Änderung des GEB-Weißgrades (%)
Gegenstrom	20	50	35	0,9	92	15
Gleichstrom	20	50	35	0,9	87	14

Beispiel 7
Die Verweilzeit des Gases in dem Reaktor wurde so einge stellt, daß sie der Verweilzeit des Zellstoffes ähnelte. Die in der nachfolgenden Tabelle VI dargestellten Ergebnisse demonstrieren die nahezu vollständige Ozonumwandlung und den Erhalt eines ausgezeichnet verbesserten Weißgrades.
Beispiel 8

Durch Veränderung der Drehgeschwindigkeit einer beliebigen bestimmten Anordnung der Schaufeln kann die Verweilzeit des Zellstoffs so kontrolliert werden, daß sich die gewünschte Ozonumwandlung ergibt, nämlich wie in der nachstehenden Tabelle VII veranschaulicht. Die hier angegebenen Daten beziehen sich auf einen 240°-Q-STD-45°-Förderer. Tabelle VII

Einführgeschwindigkeit (ODTPD)	Schaufeldrehgeschwindigkeit (min^–1)	Gasströmungsgeschwindigkeit (SCFM)	Füllungsgrad (%)	Verweilzeit des Zellstoffs (s)	Ozonumwandlung (%)	Änderung des GEB-Weißgrades (%)
20	90	36	14	32	86	11
19	60	34	18	43	93	11

Beispiel 9
Die folgenden Versuche wurden durchgeführt, um die Wirkungen einer Veränderung der Schaufelkonstruktion bei konstanter Einführung und gleicher Wellendrehzahl zu demonstrieren.
Diese Daten zeigen, daß eine Änderung in Richtung auf kleinere Schaufeln beträchtlich den Förderwirkungsgrad verringert, während der Füllungsgrad und die Verweilzeit des Zellstoffs in dem Reaktor zunehmen. Diese Änderungen ergaben eine durch die Ozonumwandlung und die Änderung des Weißgrades bestimmte bessere Bleichleistung.
In Beispiel 10 wurden weitere Änderungen vorgenommen. Anhand dieser Information kann der Fachmann am besten bestimmen, wie ein bestimmter Reaktor mit Schaufelförderer zum Erhalt des gewünschten Bleichgrades für einen bestimmten Zellstoff zu konstruieren und zu betreiben ist.
Beispiel 10
Die folgende Tabelle IX faßt die spezielle Schaufelkonstruktion und die Betriebsbedingungen, die zum Erhalt der 5 und 6 verwendet wurden, zusammen. Es wurde eine Zellstoffeinführgeschwindigkeit von 20 TpD und ein Reaktor mit einer Gehäusegröße von ca. 495 mm (19,5'') I.D. mit einem Zielfüllungsgrad von etwa 20% für die ersten fünf Zeilen von Tabelle IX verwendet. Wieder wurde ein Bleichmittel mit 6 Gew.-% Ozon mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 35 SCFM zur Anwendung von etwa 1% Ozon auf OD-Zellstoff verwendet.
Die Daten in Tabelle IX zeigen zusammen mit ihrer graphischen Darstellung in den 5 und 6 die möglichen Bleichergebnisse für verschiedene Betriebsbereiche, so daß der optimale Gas-Zellstoff-Kontakt und die optimalen Ozonumwandlungsgrade bestimmt werden können. Die Daten zeigen ferner wie die Wellendrehzahl zur Kontrolle des Füllungsgrades und der Verweilzeit des Zellstoffs zu ändern ist.
Beispiel 11
Zur Verifizierung, daß die in den 1 und 2 dargestellten theoretischen Berechnungen stellvertretend für den tatsächlichen Betrieb des Schaufelförderers sind, wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, um die Brückenbildung des Zellstoffs in verschiedenen Schaufelförderern, die mit verschiedenen Parametern betrieben wurden, durchgeführt. Zur Durchführung dieser Versuche wurde ein Förderer mit ca. 432 mm (17'') mit einer Schaufelwelle mit fünf verschiedenen Schaufelabständen – ca. 89 mm, ca. 119 mm, ca. 150 mm, ca. 183 mm und ca. 229 mm (3,5'', 4,7'', 5,9'', 7,2'' und 9'') – versehen und dann wie unten in Tabelle X dargestellt betrieben. Die tatsächlichen Zellstoffverfestigungskräfte (PCF) in Pfund pro Quadratfuß wurden berechnet, und der minimale Schaufelabstand aus den theoretischen Daten bestimmt und mit den tatsächlichen Ergebnissen verglichen.
Diese Daten zeigen, daß die theoretischen Berechnungen mit den tatsächlichen Feststellungen innerhalb ± 2,5 cm (1 Zoll) übereinstimmen und daß diese theoretischen Berechnungen zur Bestimmung des minimalen Schaufelabstands geeignet sind.
Beispiel 12
Zur Bestimmung des relativen Dispersionsgrades des Zellstoffs in die offenen Räume des Reaktors bei verschiedenen Betriebsbedingungen wurden die folgenden Versuche durchgeführt. Ein 240°-Viertelschraubensteigung-Schaufelförderer mit Standardgröße und einer Länge von ca. 432 mm (17'') und 45° wurde mit verschiedenen Drehzahlen im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Der Reaktor hatte bei jedem Test den gleichen Füllungsgrad – etwa 25%. An einem Ende der Welle wurde eine Kamera montiert, mit der Stop-Aktion-Photographien aufgenommen wurden, während die Welle mit verschiedenen Drehzahlen betrieben wurde, wenn sich eine der Klingen in einer 12-Uhr-Position befand. Von einem kontrollierten Bereich im unteren linken Teil des Reaktors wurde eine Bildanalyse durchgeführt und Berechnungen zur Bestimmung durchgeführt, wieviel Zellstoff diese Fläche besetzt, da dies repräsentativ für die relativen Zellstoffdispergiereigenschaften des Förderers ist, wenn dieser mit einer bestimmten Wellengeschwindigkeit betrieben wird. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle XI und in den 14 bis 16 dargestellt. Tabelle XI

Drehgeschwindigkeit (min^–1) Prozentsatz des Rechtecks, das Zellstoff zeigt

20 22%

40 47%

60 58%
Dies zeigt, daß der Schaufelförderer den Zellstoff besser dispergieren kann, wenn er mit höherer Drehzahl betrieben wird. Wie oben erklärt, verringert sich der Füllungsgrad des Reaktors, wenn eine höhere Wellendrehzahl verwendet wird, aber diese Daten veranschaulichen, welche Vorteile sich hinsichtlich der Zellstoffdispersion bei höherer Drehzahl für den gleichen Füllungsgrad erzielen lassen.
Beispiel 13
Der Schaufelförderer ergibt ausgezeichnete Ergebnisse für einen breiten Bereich von Zellstoffzuführgeschwindigkeiten. Beispielsweise beträgt die Ozonumwandlung mindestens 90%. Es lassen sich ähnliche Anstiege des Weißgrades sowohl bei einer Zuführgeschwindigkeit von 18 ODTPD als auch mit 11 ODTPD erzielen, wobei bei 11 ODTPD die Drehgeschwindigkeit der Schaufel vermindert wurde, um in dem Reaktor einen etwa konstanten Füllungsgrad aufrechtzuerhalten, nämlich wie in der folgenden Tabelle XII dargestellt. Tabelle XII

Einführgeschwindigkeit (ODTPD) Schaufeldrehgeschwindigkeit (min^–1) Füllungsgrad (%) Ozonumwandlung (%) Änderung des GEB-Weißgrades (%)

19 60 36 93 13

12 30 40 90 12
Es ist zwar klar, daß die hier offenbarte Erfindung auf so guten Berechnungen basiert, daß die oben angegebenen Aufgaben gelöst werden, es ist aber auch klar, daß der Fachmann zahlreiche Modifizierungen vornehmen und Ausführungsformen auffinden kann.
Beispielhaft sind andere Förderelemente wie geschnittene und gefaltete Schneckengänge, Bandmischer, Hebelemente mit Ellenbogenform und Gangelemente mit Keilform in den 17–20 dargestellt.

Claims

Verfahren zum Bleichen von Zellstoff, bei dem: Zellstoff mit einer hohen Konsistenz von mehr als 20% in eine Reaktionszone eingeführt wird, ein ozonhaltiges, gasförmiges Bleichmittel in die Reaktionszone eingeführt wird; und der Zellstoff durch Pfropfenströmung so lange durch die Reaktionszone befördert wird, bis der Zellstoff gebleicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellstoff in Form von Teilchen vorliegt, die eine ausreichende Größe haben, dass die im Wesentlichen vollständige Durchdringung durch das ozonhaltige, gasförmige Bleichmittel erleichtert wird, wenn er dessen Einwirkung ausgesetzt wird, unter Verwendung eines Schaufelförderers, der Schaufeln umfasst, die kleiner sind als die CEMA-Standardschaufelgröße, die in Form einer nicht überlappenden Anordnung montiert sind, in einem Gehäuse die Zellstoffteilchen hochgehoben, verschoben und in einer radialen Richtung geworfen werden, während sie die Reaktionszone durchtreten, um die Zellstoffteilchen in dem ozonhaltigen Bleichmittel zu dispergieren und im Wesentlichen sämtliche Oberflächen eines Hauptteils der Zellstoffteilchen der Einwirkung des ozonhaltigen, gasförmigen Bleichmittels auszusetzen; während die dispergierten Zellstoffteilchen mit einem Dispersionsindex DI von weniger als 8 für eine vorher bestimmte Verweilzeit des Zellstoffs, die ausreicht, um einen Füllstand von mindestens 10 Prozent der dispergierten Teilchen im Gehäuse aufrecht zu erhalten, durch die Reaktionszone befördert werden, um einen im Wesentlichen gleichmäßig gebleichten Zellstoff mit einem höheren GE-Weißgrad zu bilden, wobei der Dispersionsindex DI 100 mal das Verhältnis einer Varianz σ² der Verteilung in der Verweilzeit zum Quadrat einer durchschnittlichen Verweilzeit t_avg, DI = 100·σ²/t_avg ² ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner die axiale Bewegung der Zellstoffteilchen verringert und die radiale Bewegung der Zellstoffteilchen maximiert wird, um die Zellstoffteilchen und das ozonhaltige, gasförmige Bleichmittel maximal zu durchmischen und in Kontakt zu bringen, während die Zellstoffteilchen hochgehoben, verschoben und geworfen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das ozonhaltige, gasförmige Bleichmittel zu der Bewegungsrichtung der Zellstoffteilchen gegenläufig eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner der Zellstoff mit hoher Konsistenz fein zerkleinert wird, um die Schüttdichte der Teilchen vor der Einführung der Teilchen in die Reaktionszone zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ferner die Zellstoffteilchen unmittelbar nach der Einführung der Teilchen mit einer ersten Geschwindigkeit durch die Reaktionszone befördert werden und anschließend die Zellstoffteilchen mit einer zweiten Geschwindigkeit in der Reaktionszone befördert werden, um einen vorbestimmten Zellstofffüllstand darin aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die erste Geschwindigkeit, mit der die Zellstoffteilchen befördert werden, höher ist als die zweite Geschwindigkeit und das gasförmige Bleichmittel zwischen etwa 1 und 8 Gewichtsprozent Ozon enthält.
Verwendung einer Reaktorvorrichtung (14), die: ein Gehäuse (14) mit einem Zellstoffeinlass (34) und einem Zellstoffauslass (46), Einrichtungen (12) zur Einführung von Zellstoff mit hoher Konsistenz (16) in das Gehäuse (14), Einrichtungen (18) zur Einführung eines Stroms eines ozonhaltigen, gasförmigen Bleichmittels in das Gehäuse (14), und Einrichtungen (22) zur Beförderung des Zellstoffs (16) durch das Gehäuse (14) durch Pfropfenströmung, aufweist wobei die Beförderungseinrichtungen (22) der Vorrichtung Dispergiereinrichtungen zum Hochheben, Verschieben und Werfen des Zellstoffs (16) in einer radialen Richtung während dessen Durchtritt durch das Gehäuse (14) aufweisen, um den Zellstoff so in dem ozonhaltigen, gasförmigen Bleichmittel zu dispergieren, dass im Wesentlichen sämtliche Oberflächen eines Hauptteils des Zellstoffs der Einwirkung des ozonhaltigen, gasförmigen Bleichmittels ausgesetzt werden, und um den dispergierten Zellstoff durch das Gehäuse durch Pfropfenströmung und mit einem Dispersionsindex von weniger als 8 für eine vorbestimmte Verweilzeit des Zellstoffs, die ausreicht, um einen Füllstand von 10 bis 50 Prozent der dispergierten Teilchen im Gehäuse aufrecht zu erhalten, zu befördern, um einen im Wesentlichen gleichmäßig gebleichten Zellstoff mit höherem GE-Weißgrad herzustellen, wobei der Dispersionsindex DI 100 mal das Verhältnis einer Varianz σ² der Verteilung in der Verweilzeit zum Quadrat einer durchschnittlichen Verweilzeit t_avg, DI = 100·σ²/t_avg ² ist; zum Ozonbleichen eines Zellstoffs mit hoher Konsistenz, der eine Konsistenz von mehr als 20% hat, mit einer Teilchengröße, die ausreicht, dass die im Wesentlichen vollständige Durchdringung durch das ozonhaltige, gasförmige Bleichmittel wenn sie dessen Einwirkung ausgesetzt werden, erleichtert wird, um einen im Wesentlichen gleichmäßig gebleichten Zellstoff mit höherem GE-Weißgrad herzustellen; wobei die Einrichtung zur Beförderung und Dispergierung einen Schaufelförderer mit Schaufeln umfasst, die kleiner sind als die CEMA-Standardschaufelgröße, die in Form einer nicht überlappenden Anordnung montiert sind.
Reaktorvorrichtung (14) zum Ozonbleichen von Zellstoffteilchen mit hoher Konsistenz, die eine Konsistenz von mehr als 20% aufweisen, einem ersten GE-Weißgrad und einer Teilchengröße, die ausreicht, dass die im Wesentlichen vollständige Durchdringung des Hauptteils der Zellstoffteilchen durch Ozon, wenn sie dessen Einwirkung ausgesetzt werden, erleichtert wird, auf einen zweiten, höheren GE-Weißgrad, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Gehäuse (14) mit einem Zellstoffeinlass (34) und einem Zellstoffauslass (46), Einrichtungen (12) zur Einführung von Zellstoff mit hoher Konsistenz (16) in das Gehäuse (14), Einrichtungen (18) zur Einführung eines Stroms eines ozonhaltigen, gasförmigen Bleichmittels in das Gehäuse (14), eine sich durch das Gehäuse (14) entlang einer longitudinalen Achse erstreckende Welle (20) mit einem zu dem Zellstoffeinlass (34) benachbarten ersten Ende und einem zu dem Zellstoffauslass (46) benachbarten zweiten Ende, Beförderungs- und Dispergiereinrichtungen (22) zur Beförderung des Zellstoffs (16) durch das Gehäuse (14) durch Pfropfenströmung, die der Welle zugeordnet sind, Einrichtungen (28) zur Rückgewinnung restlichen, gasförmigen Bleichmittels und Einrichtungen (30) zur Rückgewinnung des gebleichten Zellstoffs und dadurch gekennzeichnet, dass die Beförderungs- und Dispergiereinrichtung (22) ein Schaufelförderer ist, der eine Mehrzahl von Schaufeln (22A, 22B, 22C) aufweist, welche kleiner sind als die CEMA-Standardschaufelgröße, die in Form einer nicht überlappenden Anordnung montiert und in einem vorbestimmten Muster angeordnet und orientiert sind, durch das eine Schraubensteigung der Beförderungs- und Dispergiereinrichtung zum Hochheben, Verschieben und Werfen der Zellstoffteilchen (16) in einer radialen Richtung, während diese durch das Gehäuse (14) treten, definiert wird, um die Zellstoffteilchen (16) in dem ozonhaltigen, gasförmigen Bleichmittel zu dispergieren, um im Wesentlichen sämtliche Oberflächen eines Hauptteils des Zellstoffs der Einwirkung des ozonhaltigen, gasförmigen Bleichmittels auszusetzen, während der dispergierte Zellstoff mit einem Dispersionsindex DI von weniger als 8 für eine vorbestimmte Verweilzeit des Zellstoffs, die ausreicht, um einen Füllstand von 10 bis 50 Prozent der dispergierten Teilchen im Gehäuse aufrecht zu erhalten, durch das Gehäuse durch Pfropfenströmung befördert wird, um einen im Wesentlichen gleichmäßig gebleichten Zellstoff mit dem zweiten GE-Weißgrad herzustellen, wobei der Dispersionsindex DI 100 mal das Verhältnis einer Varianz σ² der Verteilung in der Verweilzeit zum Quadrat einer durchschnittlichen Verweilzeit t_avg, DI = 100·σ²/t_avg ² ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Schraubensteigung der Schaufeln am ersten Ende der Welle höher ist als die Schraubensteigung der Schaufeln am zweiten Ende der Welle, um an der Stelle, an der die Zellstoffteilchen eintreten, eine erhöhte Beförderungsgeschwindigkeit zu erzielen, wodurch Mittel zum Erhalt eines vorbestimmten Füllstandes an Zellstoffteilchen in dem Gehäuse bereitgestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Schaufeln axial entlang der Welle mit einem ausreichenden Abstand so angeordnet sind, dass Brückenbildung oder Pfropfenbildung der Zellstoffteilchen dazwischen minimiert oder vermieden wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zur Rückgewinnung gebleichten Zellstoffs ein Verdünnungstank ist und wobei Wasser in den Verdünnungstank gegeben wird, um die Konsistenz des gebleichten Zellstoffs zu erniedrigen und als Abdichtung gegen Ozongas zu dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die ferner Einrichtungen zum Feinzerkleinern der Zellstoffteilchen aufweist, die betriebsbereit mit den Einrichtungen zur Einführung der Zellstoffteilchen in das Gehäuse verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Einfuhreinrichtung für das gasförmige Bleichmittel Einrichtungen zum Einführen des gasförmigen Bleichmittels gegenläufig zur Bewegungsrichtung der Zellstoffteilchen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Schaufeln zumindest in einem Teil der Welle in Abständen von etwa 240° in einem Muster mit einer helikalen Viertelschraubensteigung (quarter-pitch) angeordnet sind.