EP1799903B1 - Verfahren zum fraktionieren einer wässrigen papierfasersuspension sowie hydrozyklon zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum fraktionieren einer wässrigen papierfasersuspension sowie hydrozyklon zur durchführung des verfahrens Download PDF

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EP1799903B1
EP1799903B1 EP05790369A EP05790369A EP1799903B1 EP 1799903 B1 EP1799903 B1 EP 1799903B1 EP 05790369 A EP05790369 A EP 05790369A EP 05790369 A EP05790369 A EP 05790369A EP 1799903 B1 EP1799903 B1 EP 1799903B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrocyclone
annular chamber
fibres
constriction
inlet
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP05790369A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1799903A1 (de
Inventor
Martin Kemper
Bo Norman
Jan Christer Sandberg
Jonas BERGSTRÖM
Ko Jordan
Hannes Vomhoff
Wolfgang Mannes
Torsten Paul
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C3/06—Construction of inlets or outlets to the vortex chamber
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D5/00—Purification of the pulp suspension by mechanical means; Apparatus therefor
    • D21D5/18—Purification of the pulp suspension by mechanical means; Apparatus therefor with the aid of centrifugal force
    • D21D5/24—Purification of the pulp suspension by mechanical means; Apparatus therefor with the aid of centrifugal force in cyclones

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a hydrocyclone for carrying out the method according to the preamble of claim 21.
  • Processes of this type are capable of forming, with the aid of centrifugal forces, at least one heavy fraction and at least one light fraction, and to discharge them through suitable discharge openings from the hydrocyclone used.
  • a vortex separator for the separation of impurities from pulp suspensions is known, which is designed so that form centrifugal forces in its operation, leading to the division into a heavy fraction and a light fraction.
  • the tapered suspension is guided in the head part of this vortex gauge in an annular space, which widens in the direction of flow seen.
  • the central dip tube for the light fraction has a doppelkegelige outer contour whose outer diameter initially increased in the flow direction and then reduced again.
  • centrifugal separation device is from the FR 2 703 602 known.
  • This apparatus serves to remove from a suspension both the heavy and the light parts in a single operation.
  • the axially flowing suspension is guided as a helical flow in a constant flow cross-section annular chamber, wherein a fractionation into heavy and light parts takes place.
  • the lightweight parts are removed in the center and the heavy parts from the edge area of the outflowing flow.
  • US 6,284,069 B1 deals with a specific embodiment of hydrocyclones, namely the flow cross-section of this apparatus in the immediate vicinity of the outlet for the heavy fraction (reject) and thus at a great distance to the inlet region of the suspension to be fractionated first reduced and then expanded again, at which point a supply of dilution water takes place.
  • the centrifugal forces in a hydrocyclone cause the heavy fraction to accumulate radially further outwards and the light fraction in the central region of the hydrocyclone.
  • Methods of this kind are described e.g. used to divide the paper fibers according to the criteria: coarse / fine, thick-walled / thin-walled, stiff / flexible, earlywood fiber / latewood fiber, higher freeness / lower freeness.
  • the heavy fraction is also referred to as coarse fraction and the light fraction as fine fraction.
  • Such fractionation tasks arise in particular in pulp and wood pulp production, increasingly also in waste paper processing.
  • the aim is to optimize the fiber properties or to remove splinters or fine contaminants.
  • the requirements for such methods are particularly high since, unlike e.g. For metal parts - there are only slight differences in the density of the fractions to be separated.
  • the invention is based on the object to improve the known methods so that with them an even higher separation effect is achieved.
  • the operation should also provide good results for such processes of relatively high consistency.
  • the effect of the method according to the invention is based essentially on the fact that the added paper fiber suspension must flow through an increasingly narrowing chamber in its flow path through the hydrocyclone after a few revolutions in the inlet region. It can be assumed that this loosens the cohesion of the fiber suspension, so that adjacent fibers can more easily separate from each other, which increases their mobility relative to each other. This enhances the effect of the attacking centrifugal forces, favoring fractionation.
  • the paper fiber suspension can be diluted in the region of the bottleneck by the addition of, for example, backwater, which increases the separating effect of the hydrocyclone for the reasons already explained.
  • the dilution liquid is advantageously so supplied that flow rate and direction at the mixing point as possible correspond to the paper fiber suspension.
  • the fractionation not only leads to the already described division of the fibers, but also to the fact that in the heavy fraction a higher consistency than in the light fraction. Therefore, in specific embodiments, it is advantageous to dimension the addition of dilution water so that the thickening of the heavy fraction is approximately balanced.
  • the process can thereby be substantially simplified.
  • this hydrocyclone has an annular dilution chamber 12, which opens in the region of the constriction 8 in the interior of the hydrocyclone with an annular gap.
  • a dilution water feed 11 is connected to this dilution chamber 12.
  • a rotational flow can be generated in the dilution chamber 12, which has the same direction of rotation as the rotational flow of the paper fiber suspension, resulting in a gentle admixture.
  • the formed light fraction L is discharged at the outlet end 3 of the hydrocyclone by a light material discharge 6, which is designed here as centrally projecting into the hydrocyclone tube.
  • the heavy fraction H which accumulates on the inner wall 14 of the hydrocyclone, can be led out of the hydrocyclone by the heavy material discharge 7.
  • Such Schwerteilaustrag 7 may be arranged radially, tangentially or axially.
  • a displacement body 1 which is externally provided with surfaces which serve as boundaries for the first annular space 4 and the second annular space 5.
  • a constriction first annulus 4
  • an extension second annulus 5
  • the displacement body 1 initially (upstream) a in the flow direction expanding and downstream in Flow direction constricting conical surface.
  • the conical surface of the displacement body can be varied according to requirements, including the Fig. 2 shows an example of a displacement body which is provided upstream with a conical surface 18 and downstream with a convex surface 19.
  • the displacement body according to Fig. 3 has in its downstream region a concave surface 20, while in Fig. 4 is in turn provided with two conical surfaces 18, 18 ', wherein at the transition of these two surfaces, a shoulder 17 is located, which causes the diameter of the displacement body seen in the flow direction decreases abruptly at this transition point. This can form a particularly advantageous flow when used in the hydrocyclone in the constriction.
  • FIGS. 2 to 4 also show that the displacer may have a pointed downstream end, which also serves to improve the flow conditions at that location
  • Fig. 5 shows the hydrocyclone from above, so with a view of the inlet end 2.
  • the dilution chamber 12 enclosing part is only partially drawn to make the underlying heavy substance discharge 7 visible.
  • a first inventive hydrocyclone is connected to a second hydrocyclone according to the invention by using the heavy fraction H of the first hydrocyclone as feed for the second hydrocyclone.
  • the light fractions L produced in both stages can be brought together if they have a comparable quality.
  • the heavy fraction H 'obtained in the second stage then contains, to an even greater extent, the proportions desired therein.
  • such fractionation processes tend to mean that the heavy fraction H has a higher consistency than the inlet.
  • the circuit shown can be very easily compensated by a correspondingly matched amount of dilution liquid W is supplied, so that the second hydrocyclone can be operated with optimal inlet consistency.
  • Fig. 8 illustrated variant of the hydrocyclone according to the invention differs from the in Fig. 1 This is limited to the outside by a conical wall, which is known to lead in hydrocyclones to increase the rotational speed and increase in centrifugal forces.
  • the adjoining cylindrical part has a correspondingly smaller diameter 13.
  • the conical part may also be guided to the outlet end 3:
  • Fig. 9 it is also possible, downstream of the second annulus 5 to make a new reduction of the flow cross-section, what then a third annulus 4 'is used.
  • a constriction 8 ' is followed by a fourth annular space 5' widening in the axial direction.
  • a dilution chamber 12 'with dilution water connection 11' can also be present at the second constriction 8 '.
  • the dimensioning can be made similar to the (first) constriction 8.
  • This embodiment possibly with other bottlenecks not shown here, is able to further enhance the effect of the invention, since the loosening and fluidization of the pulp suspension is carried out according to more frequent.
  • Fig. 10 shows, it is also possible to put thechtstoffaustrag 6 'at the inlet end 2, that in the center of the hydrocyclone in the implementation of the method accumulated light fraction L can flow up completely and the heavy fraction H down from the hydrocyclone. "up” and “down” applies when installed vertically.
  • the in Fig. 10 shown design an inner wall 14 ', which is initially cylindrical and then tapered, with the cross section to the outlet end 3 down greatly reduced.
  • further variations of the invention can be used individually or in combination also in the devices already shown.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Paper (AREA)
  • Separation Of Solids By Using Liquids Or Pneumatic Power (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Hydrozyklon zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21.
  • Verfahren dieser Art sind in der Lage, mit Hilfe von Zentrifugalkräften mindestens eine Schwerfraktion und mindestens eine Leichtfraktion zu bilden und durch entsprechende Austragsöffnungen aus dem verwendeten Hydrozyklon herauszuleiten.
  • Aus der DE 32 48 039 A1 ist ein Wirbelsichter zum Abscheiden von Verunreinigungen aus Stoffsuspensionen bekannt, der so gestaltet ist, dass sich bei seinem Betrieb Zentrifugalkräfte ausbilden, die zur Aufteilung in eine Schwerfraktion und eine Leichtfraktion führen. Die zulaufende Suspension wird im Kopfteil dieses Wirbelsichters in einen Ringraum geführt, der sich in Strömungsrichtung gesehen erweitert. Dabei hat das zentrale Tauchrohr für die Leichtfraktion eine doppelkegelige Außenkontur, deren Außendurchmesser sich in Strömungsrichtung zunächst vergrößert und dann wieder verkleinert.
  • Eine weitere mit Zentrifugalkräften arbeitende Trennvorrichtung ist aus der FR 2 703 602 bekannt. Dieser Apparat dient dazu, aus einer Suspension sowohl die Schwer- als auch die Leichtteile in einem einzigen Arbeitsgang zu entfernen. Die axial zuströmende Suspension wird als schraubenförmige Strömung in eine einen konstanten Strömungsquerschnitt aufweisende Ringkammer geführt, wobei eine Fraktionierung in schwere und leichte Teile erfolgt. Die Leichtteile werden im Zentrum und die Schwerteile aus dem Randbereich der ausfließenden Strömung abgeführt.
  • Auch die US 6,284,069 B1 befasst sich mit einer speziellen Ausführungsform von Hydrozyklonen, und zwar wird der Strömungsquerschnitt dieses Apparates in unmittelbarer Nähe des Auslasses für die Schwerfraktion (Rejekt) und damit in großer Entfernung zum Zulaufbereich der die zu fraktionierenden Suspension zunächst reduziert und dann wieder erweitert, wobei an dieser Stelle eine Zuführung von Verdünnungswasser erfolgt.
  • Aus der US 4,696,737 A kennt man einen Hydrozyklon, der mit zwei untereinander liegenden tangential an den Hydrozyklon angeschlossenen Zulaufrohren versehen ist. Dabei dient der untere Zulauf zur Zugabe einer Hilfsflüssigkeit mit der im Zusammenwirken mit einer in diesem Bereich installierten zylindrischen Trennwand ein zusätzlicher Wirbel mit relativ geringer Konsistenz gebildet werden soll.
  • Wie die US 5,769,243 zeigt, ist es auch schon versucht worden, eine Verbesserung der Hydrozyklonwirkung dadurch zu erzielen, dass der Auslauf für die Leichtfraktion nicht wie üblich am Zulaufende angebracht ist, sondern am Auslaufende, d.h. in der Nähe des Abzuges für die Schwerfraktion.
  • Bekanntlich führen die Zentrifugalkräfte in einem Hydrozyklon dazu, dass sich die Schwerfraktion radial weiter außen und die Leichtfraktion im zentralen Bereich des Hydrozyklons anreichern. Verfahren dieser Art werden z.B. angewendet, um die Papierfasern aufzuteilen nach den Kriterien: grob/fein, dickwandig/dünnwandig, steif/biegsam, Frühholzfaser/Spätholzfaser, höherer Mahlgrad/geringerer Mahlgrad. Oft wird dann die Schwerfraktion auch als Grobfraktion und die Leichtfraktion als Feinfraktion bezeichnet. Solche Fraktionieraufgaben stellen sich insbesondere bei der Zellstoff- und Holzstofferzeugung, in zunehmendem Maße auch bei der Altpapierverarbeitung. Dabei sollen die Fasereigenschaften optimiert oder auch Splitter oder feine Störstoffe entfernt werden. Die Anforderungen an solche Verfahren sind besonders hoch, da - anders als z.B. bei Metallteilen - nur geringe Dichteunterschiede der zu trennenden Fraktionen vorliegen.
  • Bei der Durchführung dieses Verfahrens werden daher vorzugsweise solche Hydrozyklone verwendet, die auf Grund ihrer geometrischen Gestaltung hohe Zentrifugalkräfte erzeugen können, insbesondere im Bereich von über 400-facher Erdbeschleunigung ("400 g"). Hochwirksame Cleaner bringen es auf bis zu 1000 g.
  • Ein Betriebs-Parameter, der für die Wirksamkeit dieses Trennverfahrens eine bedeutende Rolle spielt, ist der Faserstoffgehalt (Konsistenz) der Papierfasersuspension. Bekanntlich wird die Zähigkeit einer solchen Suspension in dem hier betrachteten Bereich mit zunehmendem Faserstoffgehalt größer, was im Allgemeinen den Trenneffekt verschlechtert. Aus diesem Grunde werden Verfahren der hier betrachteten Art typischerweise bisher bei einem Faserstoffgehalt von nicht über 0,5 % durchgeführt, wenn eine hohe Trennschärfe benötigt wird. Bei der industriellen Nutzung des Verfahrens, insbesondere wenn die enthaltenen Papierfasern zur Papiererzeugung verwendet werden sollen, führt das wegen der großen Flüssigkeitsmengen zu einem relativ großen apparativen und energetischen Aufwand. Es besteht daher das Bestreben, die Konsistenz ohne Nachteile anheben zu können, wobei z.B. eine Steigerung von 0,5 auf 1 % zu einer Halbierung des benötigten Mengenstromes führen würde. Es hat sich aber gezeigt, dass die Beeinträchtigung der Trennwirkung bei bisher bekannten Verfahren zu durchaus feststellbaren Nachteilen führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bekannten Verfahren so zu verbessern, dass mit ihnen eine noch höhere Trennwirkung erzielt wird. Der Betrieb soll auch bei für solche Verfahren relativ hoher Konsistenz gute Ergebnisse liefern.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und Anspruch 21 genannten Merkmale gelöst.
  • Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht im Wesentlichen darauf, dass die zugegebene Papierfasersuspension bei ihrem Strömungsweg durch den Hydrozyklon nach einigen Umdrehungen im Einlaufbereich eine immer enger werdende Kammer durchströmen muss. Es ist anzunehmen, dass dadurch der Zusammenhalt der Fasersuspension gelockert wird, dass sich also benachbarte Fasern leichter voneinander lösen können, was ihre Beweglichkeit relativ zueinander erhöht. Dadurch wird die Auswirkung der angreifenden Zentrifugalkräfte verstärkt, also die Fraktionierung begünstigt.
  • Der Eintritt der Fasersuspension in den zweiten Ringraum erfolgt über eine Engstelle, deren kleinste Radiale Spannweite höchstens 20 mm beträgt. Dadurch haben dort alle Teile der Suspension etwa den gleichen radialen Abstand zu den Wänden des Hydrozyklons. Das heißt die radiale Ausgangsposition zur Fraktionierung ist für alle Teile der Suspension praktisch gleich.
  • In vorteilhaften Ausführungsformen kann die Papierfasersuspension im Bereich der Engstelle durch Zugabe z.B. von Rückwasser verdünnt werden, was aus den bereits erklärten Gründen die Trennwirkung des Hydrozyklons erhöht. Dabei wird die Verdünnungsflüssigkeit mit Vorteil so zugeführt, dass Strömungsgeschwindigkeit und -richtung an der Mischstelle möglichst der der Papierfasersuspension entsprechen.
  • Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass mit Hilfe des Verfahrens eine gute Faserfraktionierung im Bereich von 0,5 % bis 1,5 % Faser-Konsistenz nach Zugabe des Verdünnungswassers möglich ist. Dabei liegt die Konsistenz am Zulauf in den Hydrozyklon ca. ein Drittel höher.
  • Bekanntlich führt die Fraktionierung nicht nur zur bereits beschriebenen Aufteilung der Fasern, sondern auch dazu, dass in der Schwerfraktion eine höhere Konsistenz vorliegt als in der Leichtfraktion. Daher ist es in speziellen Ausführungsformen von Vorteil, die Zugabe von Verdünnungswasser so zu bemessen, dass die Eindickung der Schwerfraktion in etwa ausgeglichen wird. Insbesondere dann, wenn eine mehrstufige Fahrweise gewünscht wird, bei der also die Schwerfraktion erneut einem Hydrozyklon zugeführt werden soll, kann das Verfahren dadurch wesentlich vereinfacht werden.
  • Grundsätzlich kann aber auch bei weniger anspruchsvollen Trennaufgaben die erfindungsgemäße Verbesserung der Trennwirkung durchaus solche Vorteile haben, dass der apparative Aufwand gerechtfertigt ist. Das sind z.B. Verfahren, bei denen faserfremde Verunreinigungen, wie z.B. Sand, Metallteilchen oder Kunststoffteilchen ausgeschieden werden, deren Dichte sich jeweils von der des sie umgebenden Mediums unterscheidet. Auch dann ist die Möglichkeit, eine höhere Konsistenz als für solche Aufgaben bisher möglich einstellen zu können, ein echter Vorteil.
  • Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    einen Hydrozyklon zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Seitenansicht, geschnitten;
    Fig. 2-4
    verschiedene Verdrängungskörper zum Einsatz in den Hydrozyklon;
    Fig. 5
    den Hydrozyklon der Fig. 1 in Ansicht von oben;
    Fig. 6
    ein Anlagenbeispiel in stark vereinfachter Form;
    Fig. 7
    eine Variante mit waagerecht angeordnetem Hydrozyklon;
    Fig. 8 - 10
    je einen weiteren Hydrozyklon zur Durchführung des Verfahrens.
    In Fig. 1 ist in schematischer Form ein zur Durchführung des Verfahrens geeigneter Hydrozyklon dargestellt. Dieser besteht hier im Wesentlichen aus einem zylindrischen Abscheideraum mit einer Innenwand 14 und weist ein Einlaufende 2 und ein Auslaufende 3 auf. Durch einen am Einlaufende 2 angeordneten Einlauf 10 wird die Papierfasersuspension S eingeleitet und in Rotation versetzt (Tangentialeinlauf). Die rotierende Suspensionsströmung gelangt in einen ersten Ringraum 4, der sich in axialer Richtung stetig verengt, wodurch sich am Ende dieses ersten Ringraumes 4 eine Engstelle 8 bildet. Seine axiale Länge 15 ist hier etwa halb so groß wie der größte Durchmesser 13 der Innenwand 14. Stromabwärts dieser Engstelle 8 liegt ein zweiter sich in axialer Richtung wieder erweiternder Ringraum 5 mit einer axialen Länge 16 fast so groß wie der Durchmesser 13 der Innenwand 14. Dabei ist hier eine stetige Erweiterung vorgesehen, um störende Wirbel oder Ablösungen zu vermeiden. In anderen Fällen kann diese Erweiterung auch sprunghaft sein. Im zweiten Ringraum 5 und dem sich stromabwärts anschließenden Teil des Hydrozyklons erfolgt die Fraktionierung. Die Innenwand 14 kann - wie hier - zylindrisch sein, was apparativ einfach ist und bereits zu guten Trennergebnissen führt. In anderen Fällen (s. Fig. 10) kann sie auch konisch sein ("Kegelschleuder"). Durch Wahl des Innendurchmessers 13 der Innenwand 14 und durch Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit der Suspension wird die Zentrifugalkraft wesentlich bestimmt. Günstig sind Werte über dem Vierhundertfachen der Erdbeschleunigung.
  • Weiterhin weist dieser Hydrozyklon eine ringförmige Verdünnungskammer 12 auf, die im Bereich der Engstelle 8 in das Innere des Hydrozyklons mit einem Ringspalt mündet. Zur Zugabe einer Verdünnungsflüssigkeit W ist an diese Verdünnungskammer 12 eine Verdünnungswasserzuführung 11 angeschlossen. Dabei kann in der Verdünnungskammer 12 eine Rotationsströmung erzeugt werden, die denselben Drehsinn hat wie die Rotationsströmung der Papierfasersuspension, was zu einer schonenden Zumischung führt. Die gebildete Leichtfraktion L wird am Auslaufende 3 des Hydrozyklons durch einen Leichtstoffaustrag 6 ausgeleitet, der hier als zentral in den Hydrozyklon hineinragendes Rohr ausgebildet ist. Die Schwerfraktion H, die sich an der Innenwand 14 des Hydrozyklons anreichert, kann durch den Schwerstoffaustrag 7 aus dem Hydrozyklon herausgeleitet werden. Ein solcher Schwerteilaustrag 7 kann radial, tangential oder auch axial angeordnet sein. Im Zentrum des Hydrozyklons befindet sich ein Verdrängungskörper 1, der außen mit Flächen versehen ist, die als Grenzen für den ersten Ringraum 4 und den zweiten Ringraum 5 dienen. Auf diese Weise lässt sich mit einfachsten Mitteln zunächst eine Verengung (erster Ringraum 4) und dann eine Erweiterung (zweiter Ringraum 5) realisieren. Bei diesem Beispiel weist der Verdrängungskörper 1 zunächst (stromaufwärts) eine sich in Strömungsrichtung erweiternde und stromabwärts eine sich in Strömungsrichtung verengende Konusfläche auf.
  • Die Konusfläche des Verdrängungskörpers kann je nach Anforderungen variiert werden, wozu die Fig. 2 ein Beispiel eines Verdrängungskörpers zeigt, der stromaufwärts mit einer Kegelfläche 18 und stromabwärts mit einer konvexen Fläche 19 versehen ist. Der Verdrängungskörper gemäß Fig. 3 weist in seinem stromabwärtigen Bereich eine konkave Fläche 20 auf, während der in Fig. 4 wiederum mit zwei konischen Flächen 18, 18' versehen ist, wobei sich am Übergang dieser beiden Flächen ein Absatz 17 befindet, der dazu führt, dass an dieser Übergangsstelle der Durchmesser des Verdrängungskörpers in Strömungsrichtung gesehen sprunghaft abnimmt. Dadurch kann sich beim Einsatz im Hydrozyklon im Bereich der Engstelle eine besonderes vorteilhafte Strömung ausbilden.
  • Die Figuren 2 bis 4 zeigen auch, dass der Verdrängungskörper ein spitzes stromabwärtiges Ende haben kann, was ebenfalls der Verbesserung der Strömungsverhältnisse an dieser Stelle dient
  • Fig. 5 zeigt den Hydrozyklon von oben, also mit Blick auf das Einlaufende 2. Das die Verdünnungskammer 12 umschließende Teil ist nur zum Teil gezeichnet, um den darunter liegenden Schwerstoffaustrag 7 sichtbar zu machen.
  • Es kann von Vorteil sein, das Verfahren in mehreren Stufen durchzuführen, wozu die Fig. 6 ein einfaches Beispiel zeigt. Dabei wird ein erster erfindungsgemäßer Hydrozyklon mit einem zweiten erfindungsgemäßen Hydrozyklon verbunden, indem die Schwerfraktion H des ersten Hydrozyklons als Zulauf für den zweiten Hydrozyklon verwendet wird. In vielen Fällen können die in beiden Stufen anfallenden Leichtfraktionen L zusammengeführt werden, wenn sie eine vergleichbare Qualität haben. Die in der zweiten Stufe anfallende Schwerfraktion H' enthält dann in noch höherem Maße die darin gewünschten Anteile. Wie bereits erwähnt, neigen derartige Fraktionierverfahren dazu, dass die Schwerfraktion H eine höhere Konsistenz aufweist als der Einlauf. Bei der in Fig. 6 gezeigten Schaltung lässt sich das sehr einfach wieder ausgleichen, indem eine entsprechend darauf abgestimmte Menge Verdünnungsflüssigkeit W zugeführt wird, so dass auch der zweite Hydrozyklon mit optimaler Einlaufkonsistenz betrieben werden kann.
  • In der Regel werden bei Durchführung des Verfahrens Zentrifugalkräfte erzeugt, die um ein Vielfaches größer sind als die Erdgravitation. Aus diesem Grunde kann in den meisten Fällen die Lage der Hydrozyklone frei gewählt werden. Auch wenn die senkrechte Anordnung üblich und auch zumeist platzsparend ist, wäre z.B. auch eine waagerechte Anordnung - wie die Fig. 7 zeigt - möglich.
  • Die in Fig. 8 dargestellte Variante des erfindungsgemäßen Hydrozyklons unterscheidet sich von der in Fig. 1 im Wesentlichen durch den anders gestalteten zweiten Ringraum 5. Dieser ist hier nach außen durch eine konische Wand begrenzt, was bekanntlich bei Hydrozyklonen zur Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit und Zunahme der Zentrifugalkräfte führen kann. Der sich anschließende zylindrische Teil hat einen entsprechend geringeren Durchmesser 13. Wie bereits erwähnt, hier aber nicht gezeichnet, kann der konische Teil auch bis zum Auslaufende 3 geführt sein:
  • Gemäß Fig. 9 besteht auch die Möglichkeit, stromabwärts vom zweiten Ringraum 5 eine erneute Reduzierung des Strömungsquerschnittes vorzunehmen, wozu dann ein dritter Ringraum 4' dient. An dessen stromabwärtigem Ende schließt sich nach einer Engstelle 8' ein sich in axialer Richtung erweiternder vierter Ringraum 5' an. Auch an der zweiten Engstelle 8' kann eine Verdünnungskammer 12' mit Verdünnungswasseranschluss 11' vorhanden sein. Die Dimensionierung kann ähnlich wie bei der (ersten) Engstelle 8 vorgenommen werden. Diese Ausführungsform, eventuell auch mit weiteren hier nicht gezeichneten Engstellen, ist in der Lage, die Wirkung der Erfindung weiter zu verstärken, da das Auflockern und Fluidisieren der Faserstoffsuspension entsprechend häufiger erfolgt. Vorteilhafterweise kann ein mehrmaliger Abzug der Leichtfraktion vorgesehen werden, wozu hier ein zusätzlicher zentral im Verdrängungskörper 1' geführter Leichtstoffaustrag 6' gestrichelt eingezeichnet ist. Dieser Leichtstoffaustrag 6' zieht einen Teil der Leichtfraktion F zwischen den Engstellen 8 und 8' ab.
  • Wie Fig. 10 zeigt, ist es auch möglich, den Leichtstoffaustrag 6' so an das Einlaufende 2 zu legen, dass die sich im Zentrum des Hydrozyklons bei der Durchführung des Verfahrens angesammelte Leichtfraktion L vollständig nach oben und die Schwerfraktion H nach unten aus dem Hydrozyklon abfließen können. "oben" und "unten" gilt bei senkrechter Aufstellung. Weiterhin weist die in Fig. 10 gezeigte Bauform eine Innenwand 14' auf, die zunächst zylindrisch und dann konisch verläuft, wobei sich der Querschnitt zum Auslaufende 3 hin stark verkleinert. Die in Fig. 10 gezeigten weiteren Variationen der Erfindung können einzeln oder in Kombination auch bei den bereits dargestellten Vorrichtungen angewendet werden.
  • Auch wenn der typische Anwendungsfall des Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Hydrozyklons die Fraktionierung bei relativ hohen Zentrifugalkräften darstellt, ist es ohne weiteres vorstellbar, die Merkmale der Erfindung auch auf solche Fälle auszudehnen, bei denen mittlere oder geringere Anforderungen an die Trennschärfe gestellt werden. Ein typischer Fall ist die Entfernung von Störstoffen (z:B. Sand) aus einer Altpapiersuspension mit Hilfe von Hydrozyklonen.

Claims (38)

  1. Verfahren zum Fraktionieren einer wässrigen Papierfasersuspension (S) unter Verwendung mindestens eines Hydrozyklons mit einem Einlaufende (2) und einem Auslaufende (3), in den die Papierfasersuspension (S) durch mindestens einen Tangential-Einlauf (10) eingeleitet und in Rotation versetzt wird,
    wodurch sich in Folge der Zentrifugalkräfte eine Schwerfraktion (H) an der Innenwand des Hydrozyklons anreichert und an dieser entlang zu einem am Auslaufende (3) liegenden Schwerstoffaustrag (7) geführt wird,
    wodurch sich eine Leichtfraktion (L) im zentralen Bereich des Hydrozyklons ansammelt und durch einen Leichtstoffaustrag (6) ausgeleitet wird und
    wobei die durch den Einlauf (10) eingeleitete rotierende Papierfasersuspension (S) zunächst in einen sich in axialer Richtung verengenden ersten Ringraum (4) und anschließend in einen sich in axialer Richtung wieder erweiternden zweiten Ringraum (5) geführt wird, und wobei die Suspension durch eine zwischen dem ernsten Ringraum (4) und dem zweiten Ringraum (5) liegende Engstelle (8) geführt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die kleinste radiale Spaltweite (9) der Engstelle (8) höchstens 20 mm beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die kleinste radiale Spaltweite (9) der Engstelle (8) höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Papierfasersuspension (S) am Einlauf (10) mit einer Konsistenz von über 0,5 %, vorzugsweise über 1 %, zugegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ausleitung der Leichtfraktion (L) am Auslaufende (3) des Hydrozyklons erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ausleitung der Leichtfraktion (L) am Einlaufende (2) des Hydrozyklons erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Papierfasersuspension (S) beim Übergang vom ersten Ringraum (4) in den zweiten Ringraum (5) durch Zugabe einer Verdünnungsflüssigkeit (W) verdünnt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verdünnung unmittelbar stromabwärts der Engstelle (8) vorgenommen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verdünnung so vorgenommen wird, dass die am Schwerstoffaustrag (7) anfallende Schwerfraktion (H) im Wesentlichen der Konsistenz der am Einlauf zugegebenen Papierfasersuspension (S) entspricht.
  9. Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Suspension stromabwärts des zweiten Ringraumes (5) einem dritten Ringraum (4') zugeführt wird, an dessen stromabwärtigem Ende sich eine weitere Engstelle (8') befindet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Suspension stromabwärts der zweiten Engstelle (8') in einen vierten Ringraum (5') geführt wird, dessen Querschnitt sich in axialer Richtung erweitert.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10"
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Suspension durch mindestens drei Engstellen geführt wird.
  12. Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche,
    dadurch gekenntzeichnet,
    dass der Volumenstrom der durch den Schwerstoffaustrag (7) abgeleiteten Schwerfraktion (H) auf 35 bis 65 %, vorzugsweise 40 bis 60 % des durch den Einlauf (10) einlaufenden Volumenstroms eingestellt wird.
  13. Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die in der Papierfasersuspension (S) enthaltenen Fasern Frischfasern sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Frischfasern Holzstofffasern sind.
  15. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Frischfasern Zellstofffasern sind.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bits 11.
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die in der Papierfasersuspension (S) enthaltenen Fasern Altpapierfasern sind.
  17. Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die gebildete Leichtfraktion (L) mit flexiblen und die Schwerfraktion (H) mit steifen Fasern angereichert werden.
  18. Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schwerfraktion (H) mit groben und die Leichtfraktion (L) mit feinen Fasern angereichert werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Leichtfraktion (L) mit Frühholzfasern und die Schwerfraktion (H) mit Spätholzfasern angereichert werden.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schwerfraktion (H) mit Störstoffen angereichert wird.
  21. Hydrozyklon zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voran stehenden Ansprüche
    mit einem eine konvexe Innenwand (14) aufweisenden Abscheideraum,
    mit einem Einlaufende (2) und einem Auslaufende (3),
    bei dem sich am Einlaufende (2) mindestens ein tangentialer Einlauf (10) für die Papierfasersuspension (S) befindet sowie
    am Auslaufende (3) mindestens ein Schwerstoffaustrag (7) sowie mindestens ein im zentralen Bereich des Hydrozyklons angeordneter Leichtstoffaustrag (6),
    wobei sich stromabwärts zum Einlauf (10) ein sich in axialer Richtung verengender erster Ringraum (4) und anschließend ein sich in axialer Richtung wieder erweiternder zweiter Ringraum (5) befindet und die Ringräume (4, 5) zwischen einem feststehenden zentralen Verdrängungskörper (1, 1') und der Innenwand des Hydrozyklons gebildet werden, und wobei sich zwischen dem ersten Ringraum (4) und dem zweiten Ringraum (5) eine Engstelle (8) befindet,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die kleinste radiale Spaltweite (9) der Engstelle (8) höchstens 20 mm beträgt.
  22. Hydrozyklon nach Anspruch 21,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die kleinste radiale Spaltweite (9) der Engstelle (8) höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm beträgt.
  23. Hydrozyklon nach Anspruch 21 oder 22,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich der Leichtstoffaustrag (6) am Auslaufende (3) befindet.
  24. Hydrozyklon nach Anspruch 21 oder 22,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich der Leichtstoffaustrag (6') am Einlaufende (2) befindet.
  25. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 24,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verdrängungskörper (1, 1') mindestens eine konische Fläche (18, 18') aufweist.
  26. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 25,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verdrängungskörper mindestens eine konvexe Fläche (19) aufweist.
  27. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 26,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verdrängungskörper mindestens eine konkave Fläche (20) aufweist.
  28. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 27,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verdrängungskörper im Bereich der Engstelle (8) einen umlaufenden Absatz (21) aufweist, wodurch der stromabwärtige Teil einen geringen Durchmesser erhält.
  29. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 28,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass er mindestens eine Verdünnungswasserzuführung (11) für Verdünnungsflüssigkeit (W) aufweist, die mit dem Übergang vom ersten Ringraum (4) zum zweiten Ringraum (5) hydraulisch verbunden ist.
  30. Hydrozyklon nach Anspruch 29,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verdünnungsflüssigkeit (W) in eine ringförmige Verdünnungskammer (12) zugeführt wird, die am Übergang vom ersten Ringraum (4) zum zweiten Ringraum (5) einen Ringspalt bildet.
  31. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 30,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Innenwand (14) des Hydrozyklons unterhalb des zweiten Ringraumes (5) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
  32. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 31,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Innenwand (14) des Hydrozyklons auf der ganzen axialen Länge zylindrisch ausgebildet ist.
  33. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 32,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der größte Durchmesser (13) der Innenwand (14) maximal 150 mm, vorzugsweise maximal 70 mm, groß ist.
  34. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 33,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die axiale Länge (15) des ersten Ringraumes (4) mindestens 40 %, vorzugsweise mindestens 50 %, des maximalen Durchmessers (13) der Innenwand (14) beträgt.
  35. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 34,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die axiale Länge (16) des zweiten Ringraumes (5) einen Wert zwischen 10 % und 200 %, vorzugsweise zwischen 50 und 100 %, des maximalen Durchmessers (13) der Innenwand (14) hat.
  36. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 35,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwerstoffaustrag (7) in radialer Richtung an den Hydrozyklon angeschlossen ist.
  37. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 35,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwerstoffaustrag (7) tangential an den Hydrozyklon angeschlossen ist.
  38. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 21 bis 37,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Leichtstoffaustrag (6) durch ein in den Hydrozyklon hineinragende Rohr gebildet wird.
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