FI111963B - Menetelmä ja laite heikosti lämpöä johtavan materiaalin käsittelemiseksi - Google Patents

Description

111963

Menetelmä ja laite heikosti lämpöä johtavan materiaalin käsittelemiseksi

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä ja laite heikosti lämpöä johtavan materiaalin käsittelemiseksi. Erityisen hyvin keksinnön mukainen menetelmä ja laite soveltuvat 5 puunjalostusteollisuuden keskisakeiden kuitususpensioiden eli yleisemmin sanottuna massan käsittelemiseksi. Erityisesti keksinnön mukainen menetelmä ja laite kohdistuvat sa-keudeltaan 5 - 20 %, edullisesti 6 -16 % olevan massan lämmittämiseen tai lämmön talteenottoon massasta. Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu esimerkiksi massan käsittelemiseksi korotetussa lämpötilassa suoritettavaa valkaisuprosessia varten. Tällaisia korkeita 10 lämpötiloja käyttäviä valkaisuprosesseja ovat mm. happi-ja peroksidivalkaisu. Luonnollisesti keksinnön mukainen menetelmä ja laite soveltuvat myös lämmön talteenottamiseen massasta, tai massan jäähdyttämiseen.

Ennalta on tunnettua, että edellä mainittuihin tarkoituksiin eli massan lämmittämiseen 15 vaikkapa esimerkiksi valkaisua varten käytetään höyryä, jolla massa lämmitetään suoraan. Tällainen prosessi toimii siten, että massa syötetään pumpulla höyrynsyöttölaitteeseen, jossa höyryä suoraan massan joukkoon syöttämällä saadaan massan lämpötila kohotettua halutuksi. Höyryn sekoituksen jälkeen massa johdetaan sekoittimeen, jonka avulla, paitsi tasoitetaan mahdollisesti höyryn sekoituksessa syntyneet lämpötilaerot, myös sekoitetaan 2 0 haluttu/halutut valkaisukemikaali/t massan joukkoon. Sekoittimesta massa johdetaan edel-: " leen reaktiotorniin, jossa itse valkaisureaktion annetaan tapahtua. Esimerkiksi peroksidi- valkaisussa lämpötila tornissa pidetään noin 100 asteessa ja paine tornin alaosassa noin 10 '. *: - 8 bar ja tornin yläosassa noin 5-3 bar. Massa poistetaan tornista poistolaitteen avulla •... · puskusäiliöön, jossa massasta erottuu siinä vielä oleva höyry puskusäiliön yläosaan ja josta * · •,:: 2 5 massa poistetaan pumpun avulla. Puskusäiliön yläosaan erottunut höyry johdetaan lauhdut- < t · · timeen, jossa höyrystä otetaan talteen siinä vielä oleva lämpö, jolloin syntyy lauhdevettä.

i ’ ·': Kuvatussa prosessissa on kuitenkin muutamia haittapuolia.

• I

: * ‘ ; - Ensinnäkin, massan joukkoon kondensoituu suuri osa höyrystä, jolloin massan sakeus ei *. 3 0 enää olekaan sitä, mitä se oli pumpulta lähtiessään. Esimerkiksi 20 asteen lämpötilan korot- ';;; taminen suoralla höyryllä laskee sakeutta noin 0.5 %, joka joissakin tapauksissa aiheuttaa •; ’ ’ selviä ongelmia prosessiin.

• » » 2 111963 - Toiseksi, paine höyrynsyöttimessä on rajoitettava noin 9-10 barin, koska käytettävissä ei aina ole (tehdasolosuhteista riippuen) tai ainakaan helposti valkaisimolle johdettavissa korkeammassa paineessa olevaa höyryä. Siten myös prosessipaine reaktiotornissa on rajoittunut edellä mainittuun arvoon.

5 - Kolmanneksi, lämmön talteenottamiseksi ja massan johtamiseksi seuraavaan prosessivaiheeseen tarvitaan suuri puskusäiliö-pumppu-lauhdutin - kombinaatio.

- Neljänneksi, lauhduttimen suurin lämpötila on 100 astetta, koska paine alennetaan ulkoilmanpaineeseen.

- Viidenneksi, lauhduttimesta saatava lauhdevesi on likaista, koska sen mukana saadaan 10 sekä jäämiä valkaisukemikaaleista että valkaisun reaktiotuotteista.

- Kuudenneksi, korkeapainehöyry on selkeä kustannus selluloosatehtaalle. Mikäli kor-keapainehöyryä tarvittaisiin vähemmän voitaisiin vastaava määrä energiaa vaikkapa myydä voimayhtiöille.

15 Kaikkien edellä mainittujen ongelmien uskottiin ratkeavan, jos pystyttäisiin kehittämään epäsuora lämmönvaihdin, joka soveltuisi käytettäväksi sakean massan kanssa. Toisin sanoen laite, joka pystyy tehokkaasti sekä lämmittämään että jäähdyttämään sakeaa massaa, joka pyrkii virtaamaan yhtenäisenä katuverkostona, ns. tulppana. Tällaisia ns. MC-lämmönvaihtimia on käsitelty ainakin Fl patenttihakemuksessa 781789, 943001, 945783, 2 0 953064, 954185, 955007 ja kansainvälisessä patenttihakemuksessa PCT/FI96/00330 ja Fl- ‘ · · patenteissa 67584 ja 78131.

» t : *.: Fl patenttihakemuksessa 781789 esitetään suuri joukko sakean massan fluidisointia : ” *: hyväksikäyttäviä ja soveltavia laiteratkaisuja. Kuitenkin julkaisu perustuu vasta äskettäin : Y: 25 kehitettyyn fluidisointiteoriaan, jonka myöhemmin seuranneen parin vuosikymmenen aikana js. on todettu olevan hyvä pohja jatkokehittelylle, mutta, joka ei silloin, 70-luvun lopulla, vielä johtanut muihin käytännön sovellutuksiin kuin ns. MC pumppuun. Toisin sanoen esitetyt : ·. , erilaiset sovellutuskohteet olivat raa'an idean asteella, mikä on kunkin laitteen kohdalla I l , · · · t vaatinut suuren määrän lisätutkimusta, joka on tapauksesta riippuen joko johtanut laitteen • · " ‘ 3 0 kehittymiseen kaupalliseksi tuotteeksi tai sitten johtanut idean hylkäämiseen toteutta- ...: miskelvottomana. Ao. patenttihakemuksessa kuvatun epäsuoran lämmönvaihtimen on •,,. · ajateltu toimivan siten, että putkimaisen laitteen vaippa on ympäröity lämmönsiirtokanavilla ja » t • · 111963 3 laitteen vaippa muodostaa lämmönsiirtopinnan. Putken sisällä lämmönsiirtopintojen kohdalla on roottori, jolla putkessa virtaava kuitususpensio fluidisoidaan. Ajatuksena on ollut, että voimakas turbulenssi pystyy kierrättämään jokaisen massapartikkelin niin läheltä lämmönsiirto-pintaa, että sen lämpötila voisi muuttua riippuen luonnollisesti siitä, halutaanko massasta 5 ottaa lämpöä talteen vai halutaanko massaa lämmittää. Tiedossamme ei ole, onko tällaista laitetta koskaan kokeiltu. Nykytietämyksen valossa on selvää, että laite kyllä toimii, jos virtausnopeus putkessa on riittävän hidas. Kuitenkin ajatuksessa on kaksi heikkoutta. Ensinnäkin massan pitkäaikainen käsittely fluidisaattorilla ei voi olla vaikuttamatta massan paperiteknisiin ominaisuuksiin, kuten esimerkiksi kuitujen lujuuteen tai keskimääräiseen 10 kuitujen pituuteen. Toiseksi, fluidisointi kuluttaa niin suuret määrät energiaa, että mekaanisen fluidisaattorin pohjalta toimivasta lämmönvaihtimesta ei voi koskaan tulla selluloosatehtaiden hyväksymää tuotetta.

Fl-patentissa 78131 on kyseessä lämmönvaihdin, joka on suhteellisen pienikokoinen ja joka 15 on tarkoitettu sijoitettavaksi esimerkiksi ennen valkaisutornia tai sen jälkeen, joko lämmittämään massaa tai ottamaan siitä talteen lämpöä. Olennaista patentissa kuvatulle laitteelle on se, että lämmönsiirtopintojen tulopuolelle on järjestetty fluidisoiva laite, jonka avulla massa saadaan virtaamaan kompaktin lämmönvaihtimen suhteellisen kapeiden solien kautta. Kyseisen lämmönvaihtimen ongelmana on mm. sen toiminnan perusedellytyksenä oleva flui- 2 0 disaattori, joka on suuret määrät energiaa kuluttava laite. Kyseinen rakenne ei myöskään • · • ' ‘ sovellu käytettäväksi esimerkiksi suurikokoisessa valkaisutornissa, jonka halkaisija on luok- ’ kaa 5-10 metriä. Ei voida ajatellakaan, että sen kokoisessa säiliössä yritettäisiin fluidisoida massa koko sen poikkileikkauspinta-alalta Fl patentissa kuvatulla tavalla. Energiankulutus • · · · olisi valtava ja toisaalta jouduttaisiin käyttämään monia fluidisaattoreita, jolloin rakenteiden • · 11' (· 2 5 kanssa tulisi auttamatta ongelmia. Selvänä ongelmana on myöskin se, että koska ao. jul-

• t I

: : : kaisussa ei ole annettu mitään tarkempia mitoitusohjeita lämmönvaihtimelle, lämmönsiirto- kanavissa oleva massa muodostaa kuituverkoston, eikä massa pääse purkautumaan lait-: * ·'; teestä ulos, tai että massa ei kuitenkaan lämpene esitetyssä laitteessa toivotulla tavalla.

3 0 Kummankin edelläkuvatun laitteen pahimpana haittapuolena on niiden energiankulutus, joka ‘; johtuu laitteissa jatkuvasti käytettäväksi tarkoitetusta fluidisaattorista. Mainitun ongelman • « » 4 111963 poistamiseksi laitteen tulisi siten toiminnassaan ainakin pääasiallisesti perustua massan tulp-pavirtaukseen.

Fl patentissa 67584 kuvataan edellä mainittua tulppavirtausta soveltavaa järjestelyä, jossa 5 valkaisutornin seinämän yhteyteen on järjestetty lämmönsiirtopintoja. Toisin sanoen julkaisu kertoo sen ajatuksen, että massaa voitaisiin lämmittää, tai jäähdyttää, valkaisutornissa. Kuitenkin julkaisussa kuvattu toteutus on käytäntöön sovellettavaksi kelpaamaton, koska se ei yksinkertaisesti voi toimia. Ei voida ajatella, että, kun sakea massa kohoaa, tai laskeutuu, halkaisijaltaan useiden metrien suuruisessa valkaisutornissa tasaisena patsaana, pintaker-10 roksen lämmittäminen lämmittäisi koko massan. Ratkaisulla saadaan aikaan ainoastaan valtavia lämpötilaeroja, jos massan lämpötila koko tornissa yritettäisiin saada kohoamaan pelkästään pintalämpötilaa kohottamalla.

Fl patenttihakemuksessa 943001 esitetään erilaisia vaihtoehtoja epäsuoran läm- 15 mönvaihtimen järjestämiseksi reaktoritornin sisälle. Edellä mainitusta Fl patentista 67584 poiketen lämmönvaihdin koostuu reaktoritornin sisälle järjestetyistä samankeskisistä rengasmaisista lämmönsiirtoelementeistä, joihin lämmönsiirtoväliaine, edullisesti höyry, johdetaan. Kukin lämmönsiirtoelementti koostuu edullisesti kahdesta samankeskisestä sylinterimäisestä vaipasta, jotka on päädyistään liitetty toisiinsa päätypinnoilla. Näin muo- 2 0 dostuneen suljetun rengasmaisen tilan kautta lämmönsiirtoväliaine virtaa syötöstä poistoon : ’ · · lämmittäen samalla sekä vaippapinnat että sen ulkopintaa pitkin liukuvan massan. Lämmön- * ‘; ’' ·’ siirtoelementit on kytketty toisiinsa edullisesti yläreunojensa läheisyydestä edullisesti : ·.: radiaalisilla kanavilla, joiden kautta lämmönsiirtoväliaine johdetaan kaikkiin rengasmaisiin : ’ 1 ’: elementteihin. Samalla mainitut kanavat toimivat myös lämmönsiirtoelementtien kannattimi- ;V; 2 5 na. Edullisesti tornin vastakkaisella puolella lämmönsiirtoelementtien alareunat on kytketty :' |; toisiinsa kanavilla, joiden kautta lauhtunut höyry ja lauhdevesi johdetaan pois elementeistä ja pois tornista.

I t « • | . 1 ·, Eräänä suoritusmuotona edellä mainitussa Fl hakemuksessa on näytetty, kuinka • · ’ · 1 3 0 elementtien pinnan ei tarvitse suinkaan olla sileä, vaan se voi yhtä hyvin olla poimutettu.

• · · • ·.: Tarkoituksena on parantaa massan lämpenemistä elementtien välisissä rengasmaisissa » »« •... ’ virtauskanavissa aiheuttamalla massaan turbulenssia, joka sekoittaa elementtien pintaa * 1 ·

♦ I

• · 5 111963 pitkin liikkuvat massapartikkelit kauempana kanavissa liikkuvien partikkelien kanssa. Edelleen eräässä toisessa suoritusmuodossa on esitetty, kuinka lämmönsiirtoelementit, joista uloin on sijoitettu reaktoritornin seinämän yhteyteen on varustettu massaa vasten olevalta ulkopinnaltaan joko kehän suuntaisilla rengasmaisilla rivoilla tai spiraalimaisilla rivoilla.

5 Ripojen tarkoitus on aiheuttaa virtaavaan massaan jonkin verran turbulenssia niin, että elementtien pinnalla lämmennyt massa sekoittuisi kauempana elementtien pinnasta virtaavaan massaan, jolloin massa lämpenisi tasaisemmin.

Edellämainitussa Fl hakemuksessa 943001 on lisäksi todettu, että mainituilla 10 lämmönsiirtopintoihin järjestetyillä rivoilla aikaansaadulla turbulenssilla tai vastaavalla ei saada lämpöä johdettua kovinkaan kauaksi lämmönsiirtopinnoista, vaan käytännön ulottuvuudeksi jää turbulenssin voimakkuudesta, massan liikenopeudesta ja sakeudesta riippuen 50 - 200 mm. Tästä, mainitun hakemuksen mukaan seuraa, että lämmönsiirtopinnat eli elementit tulisi järjestää keskimäärin noin 200 - 250 mm:n etäisyydelle toisistaan. Tämä ei 15 kuitenkaan käytännössä useinkaan onnistu, koska lämmönsiirtopintojen kehittämä virtausvastus olisi liian suuri. Toisena ratkaisuna reaktoritorniin on järjestetty useampia läm-mönvaihtimia virtaussuunnassa peräkkäin. Lämmönvaihtimet on järjestetty esimerkiksi niin, että toisen lämmönvaihtimen lämmönsiirtoelementtien halkaisijat muodostavat sarjan 650 mm, 1150 mm, 1650 mm, 2150 mm jne. Toisen lämmönvaihtimen halkaisijasarja on vastaa-2 0 vasti 400 mm, 900 mm, 1400 mm, 1900 mm, 2400 mm jne. Toisin sanoen toiselta lämmön-: ’·· vaihtimelta purkautuu keskustaa lukuun ottamatta paksuudeltaan 500 mm olevia ‘; 1' ’ massarenkaita, jotka jaetaan kahtia toisilla lämmönsiirtoelementeillä niin, että uuden * · • t ’· j jakopinnan etäisyys lämmitetystä massakerroksesta, tai paremminkin sen toisia lämmön- : ’: siirtoelementtejä vasten olleesta pinnasta on noin 250 mm. Toisin sanoen massa jaetaan : V: 2 5 siivuihin, jotka lämmitetään kukin vuorollaan.

Tarkemmin tutkittuna ei myöskään edellä mainitussa Fl patenttihakemuksessa 943001 : 1. ·. esitetty tornin sisälle sijoitettu epäsuora lämmönvaihdin ole osoittautunut luotettavaksi. On , 1 · ·, mm. todettu, että, mikäli tornin sisälle sijoitetaan suuri joukko erillisiä rengasmaisia lämmön- • · • 3 0 vaihdinelementtejä, on suuri vaara, että massan virtaus pyrkii kanavoitumaan joistakin koh- • · » * · ·: dista tornia lämmönvaihdinelementtien väleistä niin, että suurin osa lämmönsiirtopinnoista jäisi hyödyntämättä. Toisin sanoen ainakin tämänhetkisen tutkimuksen valossa näyttää siltä, * · · » # 1 » 1 · 6 111963 että massan lämmittäminen useammalla sisäkkäisellä lämmönvaihdinrenkaalla ei olisi mahdollista, vaan massan lämmittäminen olisi suoritettava erillisessä pienempikokoisessa laitteessa.

5 Lisäksi suoritetuissa kokeissa on todettu, että mainitussa julkaisussa esitetty noin 250 mm:n massakerros on aivan liian paksu lämmitettäväksi epäsuorasti. Ratkaisua on sen jälkeen haettu paljon ohuempien massakerrosten käsittelyn kautta.

Seuraavassa tekniikan tason julkaisussa eli kansainvälisessä patenttihakemuksessa 10 PCT/FI96/00330 keksintö perustuu muutamien keskisakean massan ennalta tarkkaan tunte mattomien ominaisuuksien määrittämiseen sellaisella tarkkuudella, että näitä ominaisuuksia soveltavien laitteiden toimintaa on voitu optimoitua niin, että laitteista on tullut teollisesti käyttökelpoisia. Kun aiemmassa hakemuksessamme 943001 uskottiin lämmittämisen onnistuvan noin 250 mm:n paksuisessa massakerroksessa, tutkimuksessa todettiin, että 15 lämpöä siirtyy käytännöllisesti katsoen vain noin 10-30 mm:n etäisyydelle lämmönvaihtimen pinnasta. Edelleen tutkimuksessa todettiin, että massan virtausnopeuden tulee olla alueella 0.01 - 5 m/s, edullisesti välillä 0.1 -1 m/s ja edullisimmillaan välillä 0.1 - 0.5 m/s. Seuraavaksi havaittiin, että lämmönsiirtopinnan pituuden massan virtaussuunnassa tulisi olla luokkaa 10 -70 cm, jotta edellä mainittu massakerros saataisiin lämmitettyä mahdollisimman tehokkaasti.

,. 2 0 Niinpä mainitun patenttihakemuksen mukainen lämmönvaihdin koostuu olennaisesti ' [ sylinterimäisestä virtauskanavasta eli putkesta, johon voi olla järjestetty, ainakin osalle sen ► · s « « ] ’ kehää, edullisesti koko putkea ympäröiden, lämmönsiirtokanava/-kanavia. Putken sisälle on * järjestetty joukko edullisesti putken halkaisijalle sijoittuvia lämmönsiirtoelementtejä, jotka '... * sijoittuvat peräkkäin putken sisälle. Elementit on sijoitettu putkeen edullisesti niin, että ne ', V 2 5 jakavat putkessa kulkevan massatulpan kahtia niin, että koko elementtisarjan pituudella v · massatulppa tulee jaetuksi tasaisiin sektoreihin, esimerkiksi 60 asteen sektoreihin niin, että ne muodostavat akselin suunnasta katsottuna tähtimäisen kuvion. Edullisesti elementit : ’ · *: sijoittuvat tiiviisti peräkkäin niin, että virtauspoikkipinta-alassa ei tapahdu olennaisia : ‘ ‘: muutoksia siirryttäessä yhden elementin alueelta toisen elementin kohdalle. Lämmönsiir- \ 3 0 toelementit muodostuvat edullisesti kahdesta vastakkaisesta levystä, jotka jättävät väliinsä '! I kanavan lämmönsiirtoväliaineelle.

7 111963

Suoritetuissa kokeissa lämmönvaihtimen havaittiin toimivan odotetulla tavalla, mutta pahimmaksi käytännön ongelmaksi osoittautui lämmönvaihtimen monimutkainen rakenne, joka tekee lämmönvaihtimesta kohtuuttoman kalliin laitteen.

5 Mm. mainitun ongelman poistamiseksi lähdettiin kehittämään uutta rakenteeltaan yksinkertaisempaa lämmönvaihdinta. Samassa yhteydessä haluttiin kokeilla myös jonkin verran aiemmista epäsuorista lämmönvaihtimista poikkeavaa laitteen toimintaperiaatetta. Aiempia lämmönvaihdinversioita kokeiltaessa oli opittu niin paljon uutta keskisakean massan käyttäytymisestä täydellisessä tulppavirtauksessa ja sen läheisyydessä, että haluttiin kokeilla 10 toimintaa osittaisen tulppavirtauksen alueella.

Eräs toinen suoritetuissa kokeiluissa havaittu ongelma oli se, että putken ulkopinta lämmittää aina samaa massaa. Tarvitaan siis yksinkertainen tapa vaihtaa putken seinämää pitkin virtaavaa massaa. Tämä on yllättävän helppoa tehdä järjestämällä kuristuskohtia 15 virtaukseen. Kuristuskohdan jälkeen massa hakeutuu uudelleen ulos putken sisäpinnalle ja todennäköisesti joku muu osa massasta on kosketuksissa putken sisäpinnan kanssa kuin sitä vasten aiemmin, ennen kuristuskohtaa, olleet massapartikkelit. Keksintömme mukaisessa menetelmässä ja laitteessa tarvittava kuristuskohta sulkee yli 30%, edullisesti yli 50 % virtauskanavasta, edullisimmillaan yli 70% virtauskanavasta. Näin menetellen massan 2 0 virtausnopeus kuristuskohdassa on 1.5.-2 kertainen, edullisesti yli kolminkertainen : 1· normaaliin putkivirtaukseen nähden.

* 1 ' ► ·

Kuristuskohta on edullisesti rakomainen, mutta myös monet muut muodot käyvät, kuten : > : ympyrä, puoliympyrä, ellipsi, suorakulmio, kolmio jne. Oleellista on, että kuristuskohta ; V: 2 5 muuttaa massan virtausta niin, että uusi kerros massaa tulee putken pintaa vastaan.

Massan virtausnopeus kuristuskohtien välisessä virtauskanavassa on 0.01 - 5 m/s, : ’. 1. edullisesti 0.1 -1.0 m/s ja edullisemmin 0.1 - 0.5 m/s. Kuristuskohdissa nopeus on yli , · · ·. puolitoistakertainen, edullisesti yli kolminkertainen.

*\ 30 * » 1 ’ : Kuristuskohdissa massa osittain sekoittuu, mutta silti on edullista, että viimeisen * 1 1 * » ' ·.. · kuristuskohdan jälkeen on sekoitin, joka tasoittaa lämpötilaerot massassa. Kyseinen sekoitin ä I i 1 » i 8 111963 voi olla joko virtauksessa itsestään pyörivä tai erillisellä käyttölaitteella varustettu. Kyseistä sekoitinta voidaan luonnollisesti käyttää myös kemikaalien sekoittamiseen massan joukkoon. Lämmönsiirtopinta kuristusten välillä on edullisesti noin 10 - 70 cm pituinen.

5 Edellä mainittujen tekniikan tason mukaisten laitteiden haittapuolet poistavalle ja edellä esitetyt keksinnön tarkoitukset täyttävälle laitteelle tunnusmerkilliset seikat käyvät ilmi oheisista patenttivaatimuksista.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen eräälle edulliselle suoritusmuodolle massan 10 lämmittämiseksi tai jäähdyttämiseksi epäsuorien lämmönsiirtopintojen avulla on ominaista, että massan annetaan virrata suljetussa virtauskanavassa sakeuden ollessa 5-20 %, edullisesti 8-15 %, jossa virtauskanavassa on ainakin kaksi kuristuskohtaa, joissa massan virtausnopeus kohoaa ainakin 50 %, edullisesti 100 %, ja vielä edullisemmin 150 % ja jossa kuristuskohtien välillä ja ennen ensimmäistä kuristuskohtaa virtauskanavan pinnassa on 15 lämmönsiirtopinta, jonka pituus on yli 10 cm, mutta alle 500 cm, edullisesti alle 100 cm, edullisemmin alle 70 cm, ja viimeisen kuristuskohdan jälkeen on lämmönsiirtopinta, jota seuraa sekoitin, edullisesti fluidisoiva sekoitin massan lämpötilaerojen tasaamiseksi.

Esillä oleva keksintö on tulosta pitkäaikaisesta keskisakean massan käyttäytymistä 2 0 tutkivasta koesarjasta, joka on syventänyt alan tietämystä siinä määrin, että on pystytty ” kehittämään laitteita, joiden toimintaan kukaan ei muutama vuosi sitten olisi uskonut.

' ' Esimerkkinä tutkimustyön tuloksista voidaan mainita lämmönvaihdin, jossa keskisakeaa •. ’ · · massaa voidaan lämmittää tai jäähdyttää haluttaessa kokonaan ilman fluidisoivaa laitetta.

:Merkittäväksi keksinnön tekee erityisesti se, että laite on teolliseen käyttöön sovellettavissa v.: 2 5 lähestulkoon lukemattomissa eri kohteissa selluloosatehtaalla.

« · · • » »

Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen eduista, joista osa toki oli teoreettisessa ’ · *: mielessä saavutettavissa jo mm. em. Fl patenttihakemuksen 943001 mukaisella laitteella, • » ; ’ ‘ *. kannattaa mm. mainita, että *, 3 0 - massan sakeus ei muutu lämmitettäessä massaa, ’;;; - lauhdevesi pysyy puhtaana, se voidaan kierrättää uudelleen, 9 111963 - sen enempää reaktorin painetta kuin lauhduttimen lämpötilaakaan ei tarvitse rajoittaa höyryn vaatimusten mukaan, - ei tarvita suurta puskusäiliö-pumppu-lauhdutin -kombinaatiota, - massan painetta reaktoritornissa voidaan käyttää syöttämään massa seuraavaan 5 prosessivaiheeseen, esimerkiksi pesuriin, - massan lämmittämiseen voidaan käyttää matalapainehöyryä, joka on selluloosatehtaalla luokiteltava jätteeksi, jonka poistaminen eli lauhduttaminenkin on jotenkin järjestettävä. Käyttämällä matalapainehöyryssä oleva lämpömäärä hyödyksi keksintömme mukaisella epäsuoralla lämmönvaihtimella voidaan suurempi osa tehtaan tuottamasta energiasta 10 myydä ulos, - laitteen avara ja yksinkertainen rakenne, - laaja putken sisäpinta toimii lämmönsiirtoelimenä, ja - massan virtaus laitteessa ei voi kanalisoitua, koska on vain yksi virtauskanava, jolloin massa etenee yhtenäisenä virtauksena läpi laitteen.

15

Laitteen eduista mainittakoon vielä, että pääasiallisena lämmönsiirtopintana toimii virtauskanavan sisäpinta, joka aina on suhteellisen suuri. Milloin kanava on pyöreä saadaan esimerkiksi yhden metrin putkihalkaisijalla seuraavat pinta-alat olettaen, että kuristusten väli on 0.5 metriä. Yhdellä kuristuksella kuristuskohtaa edeltävä putken lämmönsiirtopinta-ala on 20 fl1D1L = U11 10.5 = 1.5 m2 ja kuristuskohtaa seuraava lämmönsiirtopinta-ala saman verran, · · siis yhteensä 3 m2. Vastaavasti kahdella kuristuskohdalla lämmönsiirtopinta-alaa on 3 + 1.5 •' 1· = 4.5 m ja kolmella kuristuksella 4.5 + 1.5 = 6 m . Siten esimerkiksi viidellä kuristuksella • 1 · j päästään jo 9 neliömetrin lämmönsiirtopinta-alaan. Tällaiset pinta-alat ovat jo riittäviä : : massan lämpötilan nostamiseksi yli 5°C, edullisesti yli 10°C. Tyypillistä keksinnön mukaiselle : V: 2 5 menetelmälle on, että lämpötilan muutos on alle 50°C, edullisesti alle 20°C.

* I ·

Edelleen keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaiselle laitteelle on ominaista, että : ·, 1. virtauskanavan halkaisija on yli 0.5 m, edullisesti yli 1.0 m, mutta alle 3 m, edullisesti alle 1.5 30 |;: Seuraavassa keksinnön mukaista menetelmää ja laitetta selitetään yksityiskohtaisemmin ‘ ’ viittaamalla oheisiin kuvioihin, joista * » · • » · > »

• t I

10 111963 kuvio 1 esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista laitetta aksiaalileikkauksena, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaista laitetta leikkauksena A - A, kuvio 3 esittää keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon mukaista laitetta 5 aksiaalileikkauksena, ja kuvio 4 esittää kuvion 3 mukaista laitetta leikkauksena B - B.

Kuvioissa 1 ja 2 esitetty keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukainen laite 10 heikosti lämpöä johtavan materiaalin käsittelemiseksi, siis joko sen lämmittämiseksi tai 10 jäähdyttämiseksi, käsittää poikkileikkaukseltaan edullisesti pyöreän putken 12, joka on päistään varustettu laipoilla 14 laitteen 10 kiinnittämiseksi putkilinjaan tai vastaavaan. Mainitun putken 12 sisälle on kiinnitetty kaksi putken vastakkaisille puolille sijoittuvaa, putken poikkileikkauspinta-alaa yhdessä tasossa kuristavaa lämmönsiirtoelintä 16 ja 18. Mainitut lämmönsiirtoelimet 16 ja 18 ovat edullisesti identtiset. Lämmönsiirtoelimet 16 ja 18 15 muodostuvat edullisesti haluttuun muotoon taivutetusta levymateriaalista. Kuvioiden 1 ja 2 suoritusmuodossa mainitut lämmönsiirtoelimet 16 ja 18 on leikattu sellaiseen muotoon, että niiden pinnat 161,162,181 ja 182 jäävät tasoiksi silloin, kun lämmönsiirtoelimet on kiinnitetty putken 12 sisälle. Lämmönsiirtoelimen 16 ja putken 12 väliin jää höyrytila 163. Samoin lämmönsiirtoelimen 18 ja putken 12 väliin jää höyrytila 183. Lämmönsiirtoelimet 16 ja 18 on 2 0 mitoitettu niin, että ne jättävät putken keskiosassa väliinsä tasalevyisen aukon, jonka ‘. poikkileikkauspinta on muodoltaan olennaisesti suorakaiteen muotoinen ja jonka : · ·: poikkileikkauspinta-ala on 30 - 70 % koko putken poikkipinta-alasta.

• · * « · • aa » a

Kuvioiden 1 ja 2 suoritusmuodossa lämmönsiirtoelinpareja 16, 18 on järjestetty putken • · · .1. \ 2 5 sisälle kaksi peräkkäin niin, että lämmönsiirtoelinparien väliset aukot ovat kohtisuorassa » * , *: , toisiinsa nähden. Putken 12 ulkopuolelle välimatkan päähän putkesta 12 on järjestetty • » · edullisesti, joskaan ei välttämättä, lämpöeristetty vaippa 20 niin, että putken 12 ja vaipan 20 väliin jää höyrytila, jolloin koko putken pinta-alaa voidaan käyttää massan lämmittämiseen tai ’..! lämmön talteenottamiseksi massasta. Höyry lämmönsiirtoelinten 16 ja 18 sisätiloihin 163 ja » · '; ’ 3 0 183 johdetaan edullisesti putkea ympäröivästä höyrytilasta. Vastaavasti lauhteen talteenotto ! voidaan järjestää joko yhdessä putken höyrytilan lauhteenpoiston kanssa tai haluttaessa i * » myös omia yhteitään pitkin.

» t > I t t i * * · f t » * » 11 111963

Kuvioiden 1 ja 2 mukainen laite toimii siten, että käsiteltävää keskisakeata kuitususpensiota syötetään laitteeseen 10 vasemmalta (kuvio 1). Massan virtausnopeus laitteessa on alle 5 m/s, edullisesti alle 1 m/s, edullisimmin 0.1 -1.0 m/s. Massan edetessä tulppana putken 12 5 sisällä tulppa törmää pintoihin 162 ja 182. Johtuen laitteeseen tulevan massan paineesta tulppavirtaus murtuu mainittujen pintojen kohdalla, jolloin massa purkautuu pintojen välisestä aukosta turbulenttisessa tilassa. Tällöin pintoja 162 ja 182 pitkin liukunut ja pinnoilla lämmennyt massa pilkkoutuu pieniksi kappaleiksi, jotka sekoittuvat lämmönsiirtoelinten 16 ja 18 välisestä aukosta purkautuvaan massavirtaan. Vastaavaa sekoittumista tapahtuu myös 1 o päinvastaiseen suuntaan eli putken 12 keskiosassa virrannut massa pilkkoutuu myös lämmönsiirtoelinten 16 ja 18 välisessä aukossa pieniksi kappaleiksi ja sekoittuu massan joukkoon niin, että osa mainituista kappaleista ajautuu pintoja 161 ja 181 vasten, jolloin nekin pääsevät lämpenemään. Samalla massan edetessä putkessa 12 ja virtauspoikkipinta-alan siten kasvaessa pintojen 161 ja 181 kohdalla massa muodostaa uudelleen 15 tulppavirtauksen, jolloin seuraavan lämmönsiirtoelinparin 16 ja 18 kohdalla edellä kuvattu toiminto uusiutuu. Nyt kuitenkin, kun lämmönsiirtoelimet 16 ja 18 on asetettu, putken 12 päästä katsottuna (kuvio 2), kohtisuoraan asentoon edeltävään lämmönsiirtoelinpariin nähden, varmistetaan, että putkessa virtaava massa tulee sekoitetuksi mahdollisimman hyvin koko laitteen pituudella, jolloin siis suurin osa virtauksesta tulee jossakin vaiheessa 2 0 olemaan kosketuksissa lämmönsiirtopintojen kanssa.

• t • »· t « · < s · * * Kuvioissa 3 ja 4 on esitetty keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon mukainen laite.

Kyseinen laite on päärakenteeltaan aivan kuvioiden 1 ja 2 suoritusmuodon mukainen.

• I I

•,,,: Ainoana merkittävänä erona on, että lämmönsiirtoelinten 16 ja 18 pinnat ovat yhdessä 11t2 5 tasossa kaarevat. Toisin sanoen kuviossa 4 esitetty laitteen päätykuvanto on aivan : : ’: samanlainen kuin kuvion 2 suoritusmuodossa, siis lämmönsiirtoelinten väliin jäävä aukko on olennaisesti suorakaiteen muotoinen. Toisin sanoen, siis lämmönsiirtoelinten 16 ja 18 pinnan ' * ’; muodostavaa tasoa on taivutettu vain yhdessä tasossa. Lämmönsiirtoelimet 16 ja 18 < ‘ * ’. muodostuvat tässä suoritusmuodossa, katsottuna virtauksen tulosuunnasta, siis koverista , 3 0 pinnoista 164 ja 184, kuperista pinnoista 165 ja 185, joiden väliin syntyy virtausaukko, ja ·; · ; koverista pinnoista 163 ja 183. Syy pintojen taivuttamiseen on lähinnä lujuusopillinen eli 12 111963 taivutetut pinnan kestävät paremmin laitteen rasituksia eli painevaihteluita ja lämpötilan muutoksia.

Sen lisäksi, että edellä on esitetty valmistusteknisesti edullisimpia rakenneratkaisuja, joissa 5 lämmönsiirtoelinparit muodostuvat levystä, jota tarvitsee ainoastaan taivuttaa ja leikata oikeaan muotoon lämmönvaihdinta valmistettaessa, tulevat luonnollisesti muina rakennevaihtoehtoina kyseeseen myös ratkaisut, joissa levymateriaalista muokataan kolmiulotteinen kappale. Itse asiassa kuviossa 3 on jo esitetty suhteellisen hyvin se lämmönsiirtoelinten muoto, joka tulee kyseeseen myös kolmiulotteisen levyn tapauksessa. 10 Toisin sanoen levystä puristetaan hieman puolipalloa muistuttava kappale (vastaa lämmönsiirtoelinten levyjä 164 ja 184), jonka keskelle avataan halutun kokoinen aukko. Vastaavalla tavalla valmistetaan lämmönsiirtoelinten levyjä 163 ja 183 vastaava kolmiulotteinen levy, jonka keskelle myös avataan halutun kokoinen aukko. Näin valmistetut kappaleet kiinnitetään toisiinsa joko suoraan keskeisen aukkonsa reunasta tai välikappaleen 15 välityksellä. Keskeisen aukon muoto voi luonnollisesti vaihdella lähtökohtana olevasta pyöreästä aukosta, elliptiseen ja jopa monikulmiomaiseen aukkoon saakka.

Sen lisäksi, että edellä on kokonaisena laitteena esitetty putki, jossa on lämmitettävä vaippa ja jonka sisälle on järjestetty kaksi lämmönsiirtoelinparia peräkkäin ja 90 asteen kulmassa 2 0 toisiinsa nähden, ovat muunkinlaiset rakenteet mahdollisia. Yksinkertaisimmillaan laite : * · · muodostuu pelkästään päätylaipoilla varustetusta ulkoputkesta, jonka sisälle on järjestetty * ‘ * ‘' · yksi lämmönsiirtoelinpari. Kiinnittämällä tällaisia laitteita peräkkäin tarpeellinen määrä, **,'·· huomioiden lämmönsiirtoelinten välille peräkkäisissä laitteissa järjestettävä vaihesiirto eli : : muuttuva kulma-asema, voidaan massaa lämmittää halutulla astemäärällä. Luonnollisesti < I * : *: 25 seuraavaksi monimutkaisemmissa konstruktioissa voidaan ulkoputken päälle lisätä ; *"; lämmöneristys ja seuraavassa versiossa myös lämmitysmahdollisuus eli höyryvaippa putken ja lämmöneristeen väliin. Edelleen on myös mahdollista konstruoida laite, jossa on kolme : V. paria lämmönsiirtoelimiä. Tällöin on edullista järjestää peräkkäisten lämmönsiirtoelimien . · ·, väliseksi suunta-eroksi 60 astetta.

30 * - ·: Keksintömme mukaisessa laitteessa käytettävä kuristuskohta on edullisesti rakomainen, '... ’ mutta myös monet muut muodot käyvät, kuten ympyrä, puoliympyrä, ellipsi, suorakulmio, ' * · » * 13 111963 kolmio jne. Oleellista on, että kuristuskohta muuttaa massan virtausta niin, että uusi kerros massaa tulee putken pintaa vastaan. Tutkimuksissa sopivaksi virtausnopeudeksi kuristuskohtien välisessä virtauskanavassa on havaittu 0.01 - 5 m/s, edullisesti 0.1 -1.0 m/s ja edullisemmin 0.1 - 0.5 m/s. Kuristuskohdissa nopeus on yli puolitoistakertainen, edullisesti 5 yli kolminkertainen.

Vaikka massa kuristuskohdissa osittain sekoittuu, on silti edullista, että viimeisen kuristuskohdan jälkeen on sekoitin, joka tasoittaa lämpötilaerot massassa. Keksintömme mukaisessa menetelmässä käytettävä sekoitin voi olla joko virtauksessa itsestään pyörivä tai 10 erillisellä käyttölaitteella varustettu. Kyseistä sekoitinta voidaan luonnollisesti käyttää myös kemikaalien sekoittamiseen massan joukkoon.

Suoritetuissa tutkimuksissa on todettu, että lämmönsiirtopinnan kuristusten välillä tulee olla alle 500 cm, edullisesti alle 100 cm ja edullisemmin noin 10 - 70 cm pituinen. Vastaavasti 15 sopivaksi virtauskanavan halkaisijaksi on todettu keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaiselle laitteelle yli 0.5 m, edullisesti yli 1.0 m, mutta alle 3 m, edullisesti alle 1.5 m. Tällä mitoituksella kanavan ollessa pyöreä saadaan esimerkiksi yhden metrin putkihalkaisijalla seuraavat lämmönsiirtopinta-alat olettaen, että kuristusten väli on 0.5 metriä. Yhdellä kuristuksella kuristuskohtaa edeltävä putken lämmönsiirtopinta-ala on f * D * L = 11*1*0.5 = 2 0 1.5 m2ja kuristuskohtaa seuraava lämmönsiirtopinta-ala saman verran. Siis yhteensä 3 m2.

: ' * Vastaavasti kahdella kuristuskohdalla lämmönsiirtopinta-alaa on 3 + 1.5 = 4.5 m2 ja kolmella ‘ · kuristuksella 4.5 + 1.5 = 6 m2. Siten esimerkiksi viidellä kuristuksella päästään jo 9 ·,*·· neliömetrin lämmönsiirtopinta-alaan. Tällaiset pinta-alat ovat jo riittäviä massan lämpötilan • t · nostamiseksi yli 5°C, edullisesti yli 10°C. Tyypillistä keksinnön mukaiselle menetelmälle on, : : 2 5 että lämpötilan muutos on alle 50°C, edullisesti alle 20°C.

1 t t • ♦ » • ♦ · ♦

Kuten edellä esitetystä huomataan, on pystytty kehittämään rakenteeltaan hyvin ;'.'. yksinkertainen ja juuri siitä syystä hyvin toimintavarma ja edullinen epäsuora . · ·. lämmönvaihdin sakean massan lämmittämiseksi tai jäähdyttämiseksi. Edellä on esitetty 3 0 vain muutamia keksinnön edullisia suoritusmuotoja, joten on otettava huomioon, että I ·

* s I

I > 14 111963 monet laitteen yksityiskohdat voivat lopullisessa kaupallisessa tuotteessa poiketa huomattavastikin edellä esitetyistä enemmänkin kaaviomaisista rakenneratkaisuista.

* t * - » ·< t > * * » / » * » f t I > t »

! ) I

I |

Claims (17)

111963

1. Menetelmä sakeudeltaan 5 - 20 % olevan kuitususpension eli massan käsittelemiseksi, jossa menetelmässä kyseinen materiaali johdetaan lämmönsiirtopin- 5 noilla varustetun laitteen läpi materiaalin lämmittämiseksi tai jäähdyttämiseksi vähintään 5°C, tunnettu siitä, että a) johdetaan mainittu massa yhtenäisenä virtauksena olennaisesti tulppavirtauksena laitteen lämmönsiirtopinnoille olennaisesti alle 5 m/s nopeudella, b) kuristetaan mainitun massan virtausta niin, että virtauspoikkipinta-ala pienenee ainakin io 30%, jolloin massa purkautuu kuristuskohdasta turbulenttisena virtauksena, c) johdetaan mainittu massa mainitun turbulenssin johdosta sekoitetussa tilassa uudelleen lämmönsiirtopinnoille, ja d) annetaan virtauksen palautua takaisin tulppavirtaukseksi mainittuun olennaisesti alle 5 m/s nopeuteen, 15 e) toistetaan vaiheet a) - d).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että materiaalin virtausnopeus kohoaa ainakin 50 % kuristuskohdassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että materiaalin virtausnopeus laitteessa sen kuristamattomalla osalla on alle 1 m/s.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että : ’ ’ materiaalin virtausnopeus laitteessa sen kuristamattomalla osalla on 0.1 -1.0 m/s. ! 25

5. Laite sakeudeltaan 5 - 20 % olevan kuitususpension eli massan * · ·.' käsittelemiseksi, joka laite muodostuu lämmönsiirtopinnoilla varustetusta virtauskanavasta, tunnettu siitä, että lämmönsiirtokanavan halkaisija on välillä 0.5-3 m, .: : että mainittu lämmönsiirtokanava on varustettu virtauspoikkipinta-alaa kuristavalla 30 elimellä/kuristavilla elimillä, jolla/joilla virtauspoikkipinta-alaa kuristetaan ainakin 30 % ja : että mainittuja kuristavia elimiä on sijoitettu useampia peräkkäin niin, että niiden >. : välimatka laitteen akselin suunnassa on 10 - 500 cm.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut elimet : ‘ 35 muodostavat ainakin osan laitteen lämmönsiirtopinnoista. 16 111963

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut elimet jättävät väliinsä virtausaukon.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu virtausaukko on muodoltaan olennaisesti suorakaiteen muotoinen, pyöreä, puolipyöreä, elliptinen tai kolmiomainen.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitun io virtausaukon kaksi vastakkaista sivua ovat yhdensuuntaiset.

10. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut elimet muuttavat virtauskanavan poikkipinta-alaa yhdessä tasossa.

11. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut elimet ovat virtauskanavan vastakkaisille seinämille kiinnitettyjä levyjä.

12. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu elin on virtauskanavan seinämälle kiinnitetty kaarevapintainen levy. 20

13. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitun virtausaukon koko on alle 70 % koko virtauskanavan poikkipinta-alasta.

14. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitun 25 virtausaukon koko on edullisesti noin 50 % koko virtauskanavan poikkipinta-alasta.

15. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että virtauskanava \: on putki, jonka seinämän ulkopuolelle on jäljestetty höyrytila.

16. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että kuristavien elimien välimatka laitteen akselin suunnassa on alle 100 cm.

17 111963