FI123392B - Menetelmä kalsiumkarbonaatin saostamiseksi kuiturainaprosessin yhteydessä ja kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä - Google Patents

Description

Menetelmä kalsiumkarbonaatin saostamiseksi kuiturainaprosessin yhteydessä ja kui-turainakoneen lähestymisjärjestelmä (001) Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä kalsiumkarbonaatin valmista-5 miseksi kuiturainaprosessin yhteydessä ja kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä.

Erityisesti keksintö koskee menetelmää paperin ja kartongin valmistuksessa täyteaineena käytettävän PCC:n valmistamiseksi jatkuvasti paperikoneprosessin yhteydessä.

(002) Kalsiumkarbonaattia käytetään yleisesti paperinvalmistuksessa sekä täyteai-10 neena että päällysteaineena mm. karbonaatin korkean vaaleuden ja edullisen hinnan vuoksi. Kalsiumkarbonaattia on mahdollista valmistaa jauhamalla joko liidusta, marmorista tai kalkkikivestä, jolloin puhutaan jauhetusta kalsiumkarbonaatista, josta käytetään yleisesti lyhennettä GCC (Ground Calcium Carbonate). Toinen tapa valmistaa kalsiumkarbonaattia on kemiallinen menetelmä, jossa esimerkiksi kalsiumhydroksidin 15 toisena aineosana olevien kalsiumionien ja hiilidioksidin liuetessa veteen syntyvien karbonaatti-ionien annetaan reagoida, jolloin syntyvä kalsiumkarbonaatti saostuu liuoksesta kiteinä, joiden muoto riippuu mm. reaktio-olosuhteista. Tämän valmistustavan lopputuotteesta käytetään nimitystä PCC, joka on lyhenne sanoista Precipitated Calcium Carbonate eli saostettu kalsiumkarbonaatti. Tässä keksinnössä keskitytään PCC’n 20 käyttöön nimenomaan paperin täyteaineena.

(003) PCC’n valmistus on perinteisesti tapahtunut erillään varsinaisesta paperinvalmistuksesta. PCC’tä on tähän saakka valmistettu joko paperitehtaan läheisyydessä olevassa omassa laitoksessaan, josta PCC- liete johdetaan pumppaamalla putkilinjoja 25 pitkin paperinvalmistukseen, tai vastaavassa laitoksessa, josta PCC-liete kuljetetaan

o tankkiautoilla kauempana sijaitseville paperitehtaille. Tällä menetelmällä tuotettu PCC

c\j edellyttää retentioaineiden käyttöä paperinvalmistuksessa, jotta PCC saadaan tarttu-o ^ maan kuituihin, olivatpa ne sitten kemiallista tai mekaanista tietä valmistettuja selluloo-

C\J

sakuituja. Edellä lyhyesti kuvattu perinteinen tapa valmistaa PCC’tä tuo mukanaan on- £ 30 gelmia jo edellä mainitun retentioaineiden käyttöön liittyvän ongelman lisäksi. PCC’n c§ tankkikuljetus paperitehtaalle kemikaalitehtaalta aiheuttaa kuljetuskustannuksia ja

Jg edellyttää dispergointiaineiden ja biosidien käyttöä. Näiden lisäaineiden käyttö huo- o o nontaa PCC’n ominaisuuksia.

2 (004) Erillisen PCC-laitoksen rakentaminen tehtaan yhteyteen on kallis investointi ja edellyttää usean henkilön operointipanosta 24 tuntia päivässä. PCC -laitos lisää myös vedenkulusta.

5 (005) Niinpä viime aikoina on paperin tuotantokustannusten vähentämiseksi tehty monia erilaisia ehdotuksia PCC’n valmistamiseksi suoraan paperitehtaalla, jolloin PCC’n kuljetuskustannukset jäävät pois paperin kustannusrakenteesta. Lisäksi on huomattu, että PCC’n valmistus kuitususpension läsnä ollessa johtaa parempaan PCC-kiteiden tarttumiseen kuituihin, jolloin retentioaineiden tarve vähintäänkin piene-10 nee, joskus niiden käytöstä voidaan jopa luopua kokonaan. Seuraavassa käsitellään joukkoa patenttijulkaisuja, joissa puhutaan PCC’n valmistuksesta paperinvalmistuksen yhteydessä.

(006) WO-A1 -0107365 käsittelee perinteistä PCC’n valmistusmenetelmää. Menetel-15 mässä lähdetään yleisesti ottaen siitä, että muodostetaan kalsiumioneja käsittävä suspensio, jossa kalsiumia on sekä liuenneessa ionimuodossa että liukenemattomana kiintoaineena. Tämä suspensio viedään ylipaineiseen reaktoriin, johon tuodaan kaasumaista hiilidioksidia ja jonka sisältöä sekoitetaan jatkuvasti. Tällöin hiilidioksidin ja veden reagoidessa syntyy karbonaatti-ioneja, joiden reagoidessa edelleen kalsiumio-20 nien kanssa syntyy kalsiumkarbonaattia. Prosessia ajetaan panostyyppisesti pH lukua seuraamalla. Alkuvaiheessa eli ennen hiilidioksidin syöttöä reaktorissa olevan suspension pH on luokkaa yli 12. Hiilidioksidin syöttöä reaktoriin jatketaan siihen saakka, että pH laskee alueelle 6,5 - 7,5, jonka jälkeen PCC- suspensio voidaan pumpata lajittelun kautta paperinvalmistusprosessin varastosäiliöön.

25 C\l o (007) Kalsiumionien lähteenä edellä yleisesti kuvatussa prosessissa voi olla joko kal-

CM

ο, siumoksidi tai kalsiumhydroksidi. Julkaisussa kerrotaan, kuinka poltettu kalkki (CaO) o ^ tuodaan PCC-laitokselle junalla, rekalla tai pneumaattisella putkikuljettimella jostakin

CM

paikallisesta siilosta. Poltettu kalkki sammutetaan kalsiumhydroksidiksi tehdasvedellä * 30 sammuttimessa. Tarvittaessa voidaan lisätä höyryä sopivan reaktiolämpötilan varmis- c§ tamiseksi. Sammuttimesta saatava kalkkimaito pumpataan lajittelun, jossa suurikokoi-

Jg set partikkelit poistetaan, kautta edellä mainittuun reaktoriin. Reaktoriin syötettävän o ^ hiilidioksidin lähteenä voi puolestaan olla paitsi puhdas nestemäisenä prosessiin tuotu C02, myös jokin tarkoitukseen sopiva savukaasu, jota on tarkoitukseen sopivalla taval-35 la puhdistettu.

3 (008) WO-A1-9935333, WO-A1-9945202 ja WO-A1-0047817 käsittelevät joko jauhetun kalsiumkarbonaatin tai PCC’n suojaamista hapanta paperinvalmistusta ajatellen. Lähtökohtana julkaisuille on se tosiasia, että kalsiumkarbonaatti on suhteellisen stabiilia emäksisissä olosuhteissa, mutta alhainen pH (luokkaa 8 ja alle) pyrkii hajottamaan 5 kalsiumkarbonaattia kalsiumioneiksi ja karbonaatti-ioneiksi, jolloin suspensiosta vapautuu hiilidioksidia, jonka syntyminen on havaittavissa paperimassan vaahtoamisena. Julkaisujen mukaan on huomattu, että hiilidioksidia, olipa se sitten kaasumaista tai veteen liuotettua, käyttämällä on mahdollista stabiloida kalsiumkarbonaatti niin, että paperinvalmistuksen pH voidaan laskea alueelle 6,5 - 7,5 ilman pelkoa kalsiumkar-10 bonaatin hajoamisesta.

(009) US-A-5,223,090 esittää paperitehtaalla tapahtuvaa PCC’n saostamista kuituihin siten, että käytetään hyväksi tuoremassan fibrillien hydrofiilisiä ominaisuuksia sekoittamalla tuoremassa ensin kalkkimaidon kanssa ja johtamalla kyseinen suspensio, 15 joka on vesipitoisuudessa 40 - 95 % kosketuksiin kaasumaisen tai nestemäisen rea-gentin (hiilidioksidi) kanssa voimakkaan sekoituksen alaisena paineistetussa säiliössä täyteainepartikkelien saostamiseksi kuituihin ja erityisesti niiden lumeniin. Eräänä se-koitinvaihtoehtona esitetään paineistettu paperimassan jauhin.

20 (0010) US-A-5,262,006 käsittelee paperinvalmistusprosessia, jossa kierrätyskuitua tai hylkyä sisältävässä kuitususpensiossa on kalsiumsulfaattia eli kipsiä, jota on käytetty raaka-aineena olevan paperin pinnoituksessa. Tässä julkaisussa on pyrkimyksenä muuntaa ainakin osa kierrätettynä saatavasta kipsistä kalsiumkarbonaatiksi. Tämä suoritetaan viemällä suspensioon alkalimetalli- tai ammoniumkarbonaattia. Lisäksi ky-25 seisen massan joukkoon viedään PCC’n muodostamiseksi karbonaatti- tai vetykarbo-o naatti-ioneja, jotka aiheuttavat kalsiumkarbonaatin saostumisen kuituihin. Karbonaattien ionit puolestaan voidaan valmistaa tunnetulla tavalla kalkkimaidosta ja hiilidioksidista cp ^ viemällä suspension joukkoon ensin kalkkimaita ja sen jälkeen hiilidioksidi. Kyseinen

CVJ

kuitususpensio käytetään joko sellaisenaan tai sekoitettuna muihin selluloosakom- cc 30 ponentteihin paperin valmistukseen, co

CO

§ (0011) US-A-5,558,782, US-A-5,733,461, US-A-5,830,364 ja EP-A1-0658606 kuvaa- o ^ vat prosessia, jossa paperinvalmistuksen suodokseen saostetaan maa- alkalimetallikarbonaattia, jolloin siis karbonaatti tarttuu suodoksen hienoainekseen, 35 joka voidaan näin helpommin ottaa uudelleen käyttöön. Käytännössä julkaisu opastaa syöttämään suodokseen ensin kalkkimaitoa ja sen jälkeen hiilidioksidia, joista syntyvä 4 PCC saostuu suodoksen hienoaineeseen. PCC’n saostuksen jälkeen suodoksesta joko erotetaan PCC’tä sisältävä hienoaines sakeana jakeena, joka viedään lisättäväksi valmistettavaan paperiin muun täyteaineen ohella, tai PCCIIä saostettu suodos viedään sellaisenaan paperinvalmistukseen käytettäväksi täyteaineena tai päällystepig-5 menttinä.

(0012) US-A-5,665,205 käsittelee paperinvalmistuksessa käytettävän kierrätyskuidun vaaleuden ja puhtauden parantamiseen tähtääviä menetelmiä. Lähtökohtana on kalsiumkarbonaatin (kalsiumoksidina tai kalsiumhydroksidina) ja hiilidioksidin lisääminen 10 sakeudessa 0,1-5 % olevaan kierrätyskuituun sekoitusreaktorissa lämpötilassa 15 -80 °C hiilidioksidin ja kalkkimaidon moolisuhteen vaihdellessa välillä 0,1 -10. Muuttelemalla reaktio-olosuhteita voidaan kalsiumkarbonaattikiteiden kokoa ja muotoa säädellä. Samoin muuttelemalla kemikaalien syöttöjärjestystä voidaan reaktion pH- lukua säätää.

15 (0013) US-A-5,679,220 käsittelee jo edellä (US-A-5,665,205) kuvattua prosessia hieman eri lähtökohdista. Tässä julkaisussa paperinvalmistuksen kuitukomponentista muodostetaan suspensio, jonka sakeus on, kuten edelläkin alle 5 %. Kalsiumhydroksi-dista tai vastaavasta muodostetaan omassa astiassaan kalkkimaito. Kuitususpensio ja 20 kalkkimaito sekoitetaan voimakkaiden leikkausvoimien, joiden aiheuttajaksi katsotaan staattisen sekoittimen riittävän, joskin myös pumput ja muut sekoittimet voivat tulla kysymykseen, alaisuudessa virtausreaktorissa kaasumaisen reagentin kanssa, jolloin kalsiumkarbonaatti saostuu kuituihin. Kaasumaisena reagenttina käytetään joko puhdasta hiilidioksidia tai savukaasuista tai muista vastaavista lähteistä saatavaa hiilidiok- 25 sidia. Julkaisussa ehdotetaan, että kalkkimaito ja hiilidioksidi voidaan tuoda putkireak- S toriin eri järjestyksissä riippuen siitä millaisissa reaktio-olosuhteissa, lähinnä pH, halu-

CNJ

^ taan toimia. Hiilidioksidi on esimerkiksi mahdollista annostella useammassa eri vai- o ^ heessa reaktoriin.

C\J

X

^ 30 (0014) US-A-5,731,080 ja US-A-5,824,364 käsittelevät erityisesti sellaisen kuitusus- pension, jonka kuiduissa on runsaasti mikrofibrillejä, saostamista kalsiumkarbonaatilla.

g Kyseisten mikrofibrillien kerrotaan voivan olla kuiduissa joko luonnostaan tai jauhatuk- o o sen tuloksena. Kuitususpensio viedään sakeudessa 0,1 - 30 % julkaisun kuvaamassa prosessissa panostyyppiseen sekoitusreaktoriin, johon tuodaan myös kalkkimaito.

35 Edullisesti reaktorissa olevan suspension sakeus on luokkaa 2,5 %. Reaktorin lämpötilan tasaannuttua käynnistetään voimakas sekoitus, jonka aikana reaktoriin syötetään 5 hiilidioksidia, jolloin syntyvät PCC kiteet saostuvat kuitujen pinnoille. PCC’llä ladattua kuitususpensiota voidaan käyttää tavanomaiseen kuitususpensioon lisättynä paperinvalmistuksessa.

5 (0015) US-A1-20050045288 käsittelee valkaistua mekaanista massaa ja sen valmis tusta niin, että mekaaniselle massalle ominainen kellastuminen ei haittaa lopputuotteessa. Pyrkimyksenä on pinnoittaa mekaanisen massan kuidut mahdollisimman hyvin PCC’llä. Olennaista julkaisussa kuvatulle massalle on, että se on jauhettu niin, että kuidun pinta on fibrilloitunut hyvin. Julkaisun menetelmässä kuitususpension joukkoon 10 lisätään kevyesti mekaanisesti sekoittaen kalkkimaitoa, minkä jälkeen seoksen sakeu-deksi säädetään alle 10 % edullisesti noin 2,5 %. Seuraavaksi laimeaan suspensioon lisätään kaasumaista hiilidioksidia pitäen yllä aiempaa voimakkaampaa mekaanista sekoitusta, kunnes kaikki kalkkimaito on muuttunut kalsiumkarbonaatiksi, joka kiteytyy kuituihin. Edellä kuvattu sekoitustapa liittyy lähinnä erityisessä astiassa panostyyppi-15 sesti suoritettuun sekoitukseen. Julkaisun mukaan sekoitus voidaan suorittaa myös jatkuvana prosessina, jolloin kyseessä on putkireaktori, jossa on tarpeellinen määrä staattisia sekoittimia. Sekoitus voidaan esimerkiksi hoitaa niin, että putkessa viilaavan kuitususpension joukkoon syötetään kalkkimaitoa, joka sekoitetaan staattisella sekoit-timella massan joukkoon. Sen jälkeen hiilidioksidia syötetään yhdestä tai useammasta 20 peräkkäisestä kohdasta virtaukseen, jolloin jokaista lisäyskohtaa seuraa staattinen sekoitus. Edellä kuvatulla tavalla valmistettua massaa käytetään yhtenä paperinvalmistuksen komponenttina.

(0016) WO-A1-9942657 puhuu paperikoneen suodoksen käsittelemisestä siten, että 25 suodos jaetaan kahteen fraktioon. Fraktioinnin jälkeen kirkkaaseen suodokseen sekoi-δ tetaan kalkkimaito, ja hienoaineita ja kuituja sisältävään jakeeseen hiilidioksidi. Nämä

CNJ

o, molemmat fraktiot syötetään kiteytysreaktoriin, johon tuodaan myös jokin paperinval- o ^ mistuksen kuitukomponenteista ja jonka toiminta voi olla joko jatkuvaa tai panostyyp-

CVJ

pistä. Julkaisun esittämässä ratkaisussa paperikoneen suodoksen hienoaineita ja kui-

CC

30 tuja sisältävään jakeeseen joutunut kalsiumkarbonaatti muuttuu hiilidioksidilla käsitel- co täessä kalsiumbikarbonaatiksi, joka liukenee suodokseen, minkä jälkeen kiintoaines g on mahdollista erottaa suodoksesta, jos niin halutaan. Kalsiumbikarbonaatti on myös o ° haluttaessa saostettavissa takaisin kalsiumkarbonaatiksi (PCC).

35 (0017) WO-A1-0112899 käsittelee mineraalipohjaisen täyteaineen kiinnittämistä sellu- loosakuitususpensioon. Julkaisun esittämässä menetelmässä paperinvalmistuksessa 6 käytetään selluloosakuitususpensiota, joka sisältää alkali- ja/tai maa-alkalimetallien karbonaatteja, bikarbonaatteja tai silikaatteja. Menetelmässä lisätään kuitususpensi-oon kyseisen mineraalin hydroksidia, jotta kyseisen mineraalitäyteaineen karbonaatti voitaisiin saostaa kuituihin. Karbonaatin saostuksessa lähtökohtana on natriumionin 5 hyväksikäyttö. Natriumionin lähteinä mainitaan julkaisussa kierrätyskuituprosessista saatava suspensio, jossa natrium esiintyy bikarbonaattina, tai luontaisesti paperimassassa oleva natrium, tai pohjavedestä saatava natrium. Kaikissa tapauksissa natriu-mionia kiertää paperikoneen vesikierrossa. Kun natriumioni- ja bikarbonaatti-ionipitoiseen kuitususpensioon syötetään esimerkiksi kalsiumhydroksidia, syntyy kal-10 siumkarbonaattia ja natriumkarbonaattia. Natriumkarbonaatti puolestaan voi reagoida edelleen kalsiumhydroksidin kanssa, jolloin muodostuu kalsiumkarbonaattia ja natri-umhydroksidia. Syntyvä kalsiumkarbonaatti saostuu tunnetulla tavalla kuitususpension kuituihin. Saostusreaktion päätyttyä paperimassa johdetaan paperikoneelle, jolta saatavaan suodokseen syötetään hiilidioksidia pH-luvun säätämiseksi, jolloin saostusreak-15 tiossa sivutuotteena syntynyt natriumhydroksidi muuttuu ensin natriumkarbonaatiksi ja sen jälkeen edelleen hiilidioksidin ja veden kanssa reagoidessaan natriumbikarbonaatiksi, jonka jälkeen suodos on valmis takaisinkierrätettäväksi paperinvalmistukseen.

(0018) WO-A1-02066735 käsittelee paperin valmistusta paperikuiduista ja kalsium-20 karbonaatista. Julkaisun kuvaamassa ratkaisussa kalsiumbikarbonaatin ja/tai hiilidioksidin ja kalsiumhydroksidin vesiliuosta sekoitetaan kalsiumkarbonaatin saostamiseksi vateriittikiteiksi, minkä jälkeen välittömästi lisätään paperikuidut, joissa vateriittikiteet muuntuvat kalsiittikiteiksi tarttuessaan kuituihin. Näin muodostettu paperimassa voidaan viedä paperikoneelle valmistettavaksi paperiksi.

25

C\J

δ (0019) WO-A1-03033815 viittaa edellä kuvattuun julkaisuun ja käsittelee selluloosa-

CNJ

cf) tuotteita, jotka koostuvat selluloosakuiduista ja PCC’stä, joka on valmistettu paperin- o ^ valmistusprosessin yhteydessä. Julkaisun mukaan siinä kuvatulla prosessilla on mah-

CVJ

dollista saattaa PCC’tä kaikille mahdollisille kuidun pinnoille niin kuidun sisä- kuin ul- ^ 30 kopuolelle. Julkaisussa kuvataan muutamia erilaisia PCC’n saostusvaihtoehtoja.

CD

CD

g (0020) Ensimmäisessä mainituista vaihtoehdoista kuitususpension, jonka sakeus pro- o ° sessiin tullessaan on 3 - 6 %, joukkoon sekoitetaan ensimmäisessä sekoittimessa kalsiumkarbonaattia ja hiilidioksidia niin, että hiilidioksidi liukenee kokonaan suspensi-35 oon. Seuraavaksi suspensioon sekoitetaan kalsiumhydroksidia ja suspensiota sekoitetaan toisessa sekoittimessa, jolloin syntyvä kalsiumkarbonaatti saostuu kuituihin. Toi- 7 sessa vaihtoehdossa kalsiumkarbonaatista ja hiilidioksidista muodostuvaa seosta sekoitetaan ensimmäisessä sekoittimessa, jolloin hiilidioksidi liukenee kokonaan ja ainakin osa kalsiumkarbonaatista muuttuu kalsiumbikarbonaatiksi. Lopuksi seos syötetään ensimmäisestä sekoittimesta toiseen sekoittimeen, johon tuodaan lisäksi kuitususpen-5 siota ja kalsiumhydroksidia, jolloin syntyvä kalsiumkarbonaatti saostuu kuituihin. Kolmannessa vaihtoehdossa kalsiumkarbonaatti ja hiilidioksidi sekoitetaan keskenään ennen niiden syöttämistä kuitususpension kanssa ensimmäiseen sekoittimeen. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kuitususpension joukkoon sekoitetaan kalsiumbikarbo-naattiliuos. Ensimmäisen sekoittimen jälkeen kuitususpension joukkoon sekoitetaan 10 kalsiumhydroksidia ja suspensio viedään toiseen sekoittimeen, jossa muodostuu kal-siumkarbonaattia, joka saostuu kuituihin. Neljännessä vaihtoehdossa PCC saostetaan lyhytkuituiseen jakeeseen ja viedään sekoitussäiliöön, jossa lyhytkuituinen jae sekoitetaan pitkäkuituiseen jakeeseen. Ja viidennessä vaihtoehdossa lyhytkuituisen massan joukkoon saostetaan PCC’tä, minkä jälkeen lyhytkuituinen jae viedään paperikoneen 15 monikerrosperälaatikkoon, jolla voidaan esimerkiksi valmistaa tuote, jossa keskimmäinen kerros on pitkäkuituista jaetta ja pintakerrokset lyhytkuituista ja täyteainepitoista jaetta.

(0021) WO-A1 -0200999 käsittelee paperinvalmistusprosessia, jossa ainakin yhteen 20 lyhytkuituista massaa ja/ tai täyteainetta sisältävään virtaan lisätään tuoremassaa. Tämä seos sakeutetaan ja viedään erityiseen reaktoriin, jossa seokseen lisätään kalsium- ja karbonaatti-ioneja, jotka ovat peräisin esimerkiksi kalkkimaidosta ja hiilidioksidista. Kyseinen lyhytkuituista materiaalia ja/tai täyteainetta sisältävä virta voi olla esimerkiksi paperikoneen viiraosan suodosta. Muina lyhyen kuidun lähteinä mainitaan 25 erilaiset lehti- ja havupuun kemialliset ja mekaaniset tuoremassatyypit sekä ennen että δ jälkeen jauhatuksen, synteettiset massat sekä myös kierrätyskuitu ja hylky. Erään jul-

CNJ

o, kaisussa kuvatun suoritusmuodon mukaan PCC’n saostus kuituihin tapahtuu putkivir- o ^ taukseen sijoitetussa staattisessa sekoittimessa, johon johdetaan edellä kuvattua ly-

CVJ

hytkuituisen/täyteainepitoisen massan ja tuoremassan seosta, laimennusvettä ja kalk-

CC

30 kimaitoa niin, että suspension sakeus on luokkaa 1 - 3,5 %. Ensimmäisen staattisen co sekoittimen jälkeen kyseiseen virtaan syötetään hiilidioksidia, joka sekoitetaan sus- g pensioon toisessa staattisessa sekoittimessa. Linjasta saatava PCC-ladattu suspensio o ° varastoidaan välisäiliöön, josta se viedään edelleen laimennettuna paperikoneelle.

35 (0022) EP-B1-835343 ja WO-A1-03035979 käsittelevät täyteainepitoisen kemiallisen massan valmistamista. Lähtökohtana on, että haluttu kemiallinen massa valmistetaan 8 sekoittamalla kemiallisen massan joukkoon täyteainetta, johon PCC’tä on seostettu. Kyseinen täyteaine on saatu aikaan jauhamalla kemiallista tai mekaanista massaa niin, että saadaan ns. hienoainefibrillejä, joiden Bauer-McNett luku on luokkaa P100. Tähän hienoainefibrillejä sisältävään massaan saostetaan kalsiumkarbonaatti, jonka 5 jälkeen massa sekoitetaan kemialliseen massaan, ja seos kuivataan toimitettavaksi paperitehtaalle.

(0023) WO-A1-02097189 käsittelee paperikoneen kalsiumionipitoista suodosta niin, että kalsiumionit eivät pääse kerääntymään paperinvalmistuksen vesikiertoihin. Kysei-10 nen tavoite toteutetaan siten, että kohotetaan kyseisen suodoksen pH vähintään arvoon 9 käyttämättä kalsiumoksidia tai -hydroksidia. Sen jälkeen kyseiseen prosessiveteen sekoitetaan hiilidioksidia, joka saostaa olennaisen osan kalsiumioneista kalsium-karbonaatiksi, joka on poistettavissa prosessista.

15 (0024) WO-A1-2005005726 käsittelee paperin valmistusta paperimassasta, johon on erityisessä sekoituslaitteessa saostettu kalkkimaitoa ja hiilidioksidia hyväksikäyttäen PCC’tä.

(0025) WO-A1-2005033403 käsittelee täyteainekoostumusta, joka muodostuu sub-20 straatista ja siihen seostetusta maa-alkalimetallikarbonaatista. Kyseinen substraatti voi olla esimerkiksi kuitua ja/tai hienoainesta sisältävää paperikoneen suodosta tai jopa pitkäkuituista tuoremassaa. Täyteaineen valmistusmenetelmässä poistetaan ensiksi kalkkimaidosta kiintoaines, minkä jälkeen kalkkimaita yhdistetään mainitun substraatin kanssa ja seoksesta saostetaan PCC’tä hiilidioksidin avulla.

25

C\J

δ (0026) WO-A1-2005044728 kuvaa pelkän PCC’n valmistusta joko ilman sen saosta-

CNJ

e), mistä kuituihin tai saostamalla se paperikoneelle menevään kuituvirtaan. Julkaisussa o ^ kuvataan, kuinka kalkkimaita valmistetaan ja seulotaan puhtaaksi kiintoaineesta, ja

C\J

kuinka savukaasuja käsitellään skrubbereilla ja jäähdyttimillä ennen kuin molemmat * 30 viedään noin 1-7 barin paineeseen karbonointivaiheeseen, jossa valmistuu PCC’tä.

Haluttaessa karbonointivaiheeseen voidaan viedä myös paperimassaa, johon PCC

g saostuu, minkä jälkeen PCC’llä ladattu massa voidaan viedä paperikoneelle.

o o

C\J

(0027) WO-A1-2005061386 käsittelee PCC’n valmistusta niin, että kiteiden kokoa voi-35 daan säädellä. Lähtökohtana on kalkkimaidon ja jonkin suspension seos, jota karbo-noidaan hiilidioksidilla useammissa peräkkäisissä sekoitusreaktoreissa. Suspensiona 9 voi olla paperikoneelta saatava suodos tai jokin muu tarkoituksenmukainen kiintoainetta tai tuoreita tai keräyskuitua sisältävä suspensio. Prosessista saatava lopputuote voidaan käyttää mm. muiden täyte- ja lisäaineiden kanssa kuten myös erilaisten kui-tususpensioiden kanssa paperin valmistuksessa.

5 (0028) Toisin sanoen tekniikan tasosta tunnetaan paperikoneen suodoksen käsittely siten, että siinä olevaan kiintoaineeseen, olipa se sitten kuitupohjaista tai muuta partik-kelimateriaalia, kuten esimerkiksi täyteainetta, seostetaan PCC’tä joko siksi, että kyseinen kiintoaine olisi helpompi erottaa suodoksesta tai siksi, että kyseinen kiintoaine 10 voitaisiin käyttää hyväksi paperinvalmistusprosessissa esimerkiksi täyteaineena.

(0029) Tunnetaan myös julkaisuja, joissa PCC’tä seostetaan johonkin paperinvalmistuksen jakeeseen, joka sitten viedään joko sellaisenaan paperikoneelle tai sekoitussäi-liöön sekoitettavaksi muiden jakeiden kanssa ennen viemistään paperikoneelle.

15 (0030) PCC’n saostus kuitua sisältävään suspensioon on tekniikan tason julkaisujen mukaan suoritettu useimmiten siten, että suspensioon järjestetään kalsiumioneja esimerkiksi kalkkimaidon avulla, minkä jälkeen suspensiota käsitellään karbonaatti-ioneja luovuttavalla tai muodostavalla kemikaalilla, useimmiten hiilidioksidilla. Tällöin syntyy 20 kalsiumkarbonaattikiteitä, jotka tarttuvat kuituihin, tarkemmin sanoen niiden pinnan epätasaisuuksiin ja fibrilleihin. Tyypillisesti tätä menetelmää on sovellettu siten, että kuitupitoiseen suspensioon sekoitetaan kalkkimaitoa ja vasta sen jälkeen hiilidioksidia.

(0031) Toinen tapa, jota joissakin julkaisuissa ehdotetaan, on ns. bikarbonaattimene-25 telmä. Kyseisessä menetelmässä hiilidioksidi sekoitetaan kalsium- tai jotakin muuta δ sopivaa karbonaattia sisältävään nesteeseen/suodokseen/suspensioon, jolloin kysei-

CNJ

nen karbonaatti muuttuu bikarbonaatiksi. Kun kyseiseen liuokseen/suspensioon lisä-o ^ tään kalsium- tai jotakin tarkoitukseen sopivaa hydroksidia, kuten esimerkiksi kalkki en maitoa, syntyy hydroksidin ja bikarbonaatin reaktiosta karbonaattia.

£ 30 cg (0032) Nyt kuitenkin sekä perinteisessä että bikarbonaattimenetelmässä on omat g heikkoutensa. Bikarbonaattimenetelmä edellyttää ainakin jossakin muodossaan natri- o o umin käyttöä, jota paperimassassa ei suinkaan aina ilman erillistä lisäystä ole olemas sa. Käytännössä käsityksemme mukaan bikarbonaattimenetelmää koskevat samat 35 ongelmat kuin seuraavassa käsiteltyä perinteistäkin menetelmää. Perinteisessä menetelmässä, jossa kalkkimaito sekoitetaan ensin tarkoitukseen sopivaan nesteeseen tai 10 suspensioon ja vasta sen jälkeen hiilidioksidi, ei käsityksemme mukaan ole pystytty hallitsemaan karbonaattikiteiden muodostumista niin hyvin kuin olisi mahdollista ja tarpeen vaativampien tuotteiden valmistuksessa. Lisäksi saostustapahtuman nopeus ei ole välttämättä ollut riittävä, mikäli pyritään suorittamaan PCC:n saostus suoraan pa-5 penkoneen lyhyessä kierrossa ilman erillistä ajallisesti pitkäkestoisempaa sivukiertoa.

(0033) Käsityksemme mukaan nykyisten prosessien saostusreaktioiden hitaus johtuu kemikaalien sekoitustavasta. Tekniikan tason ratkaisuissa, joissa pyritään suorittamaan PCC:n saostus putkessa viilaavaan väliaineeseen, esitetään sekä pelkän putkilo virtauksen että joko putkeen järjestettyjen staattisten sekoittimien tai dynaamisten mikserien riittävän aiheuttamaan tarpeeksi hyvä sekoitus. Lopputulos ei kuitenkaan ole ollut sellainen, että PCC:n valmistusta näillä menetelmillä olisi lähdetty suuremmin markkinoimaan tai ottamaan käyttöön tehtailla.

15 (0034) Esimerkiksi tekniikan tason julkaisussa US-A-5,679,220 kerrotaan, että hiilidi oksidin annetaan purkautua putkisekoittimeen niin, että putkessa virtaava kuitusus-pensio pyyhkii putkeen tulevan hiilidioksidin mennessään ja että putkivirtaus itsessään sekoittaa hiilidioksidin massan joukkoon pieninä kaasukuplina. US-julkaisun testilait-teissa, joissa virtausputken halkaisija on puolesta tuumasta kuuteen tuumaan, tarvi-20 taan yhden - kahden minuutin luokkaa oleva sekoitus-/reaktioaika, mikä on aivan liian pitkä ajatellen paperikoneen lyhyttä kiertoa, jossa paperimassan virtausnopeus putkessa on luokkaa 3 - 6 m/s. US- julkaisun mukaisessa sekoitustavassa tapahtuu käytännössä seuraavasti, kun hiilidioksidi saatetaan virtauksen joukkoon. Hiilidioksidin lisäämiskohdan jälkeen syntyy ensin yhtenäinen kaasuvana, joka hiljalleen purkautuu 25 kaasukupliksi, jotka edelleen hajoavat vähitellen pienemmiksi kupliksi. Pitkän aikaa δ hiilidioksidin syöttämisestä vallitsee kuitenkin tilanne, jossa vain pieni osa suspension

CNJ

o, nesteestä pääsee välittömästi tekemisiin hiilidioksidikuplien kanssa. Kyseinen osa nes- o ^ teestä kyllästyy hiilidioksidilla hyvin nopeasti ja seurauksena on, että hiilidioksidin liu-

CVJ

keneminen on hidasta, koska kuplien täytyy kulkeutua suspensiossa edelleen löytääk-

CC

30 seen nestettä, joka ei ole vielä kyllästynyt hiilidioksidilla.

co co g (0035) Edellä kuvattu hidas sekoittaminen johtaa, kuten jo edellä lyhyesti mainittiin, o ° epätasaiseen PCC-kiteiden kokojakaumaan, koska koko sekoittumisen ajan aina sii hen saakka, kun ainakin toinen kemikaaleista on kulunut loppuun, tapahtuu sekä jo 35 olemassa olevien PCC-kiteiden kasvua että uusien kiteiden syntyä. Ongelma on käytännössä ratkaistavissa siten, että pyritään järjestämään kemikaalien sekoitusaika riit- 11 tävän nopeaksi. Käytännössä tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että haluttaessa mahdollisimman tasajakoista PCC’tä, liuotetaan hiilidioksidi neste- tai suspensiovirtauk-seen ja vasta hiilidioksidin lähes täydelliseen liukenemiseen tarvittavan ajan kuluttua sekoitetaan virtaukseen kalkkimaito. Kalkkimaidon sekoitushetkestä alkaa PCC’n sa-5 ostusreaktioon käytettävissä oleva tai tarvittava aika, joka on sitä lyhyempi, mitä nopeammin ja tehokkaammin kalkkimaito saadaan sekoitettua kauttaaltaan virtaukseen. Nopealla ja tehokkaalla sekoituksella tässä vaiheessa pyritään siihen, että konsentraa-tioerot virtauksessa ovat mahdollisimman pienet, mikä estää ylisuurten PCC- kiteiden, aglomeraattien ja saostumien muodostumisen. Suoritetuissa kokeissa on havaittu, että 10 sopiva sekoitusaika kokojakaumaltaan tavanomaisen paperinvalmistuksessa käytettävän PCC’n valmistamiseksi on luokkaa 1 - 3 sekuntia.

(0036) Käyttökelpoisia sekoitusmenetelmiä ovat, eräin edellytyksin, staattiset sekoitti-met, dynaamiset (pyörivät) sekoittimet ja injektiosekoittimet. Staattiset sekoittimet so- 15 veltuvat tilanteisiin, joissa kaikki olosuhteet ovat optimaaliset. Toisin sanoen sekoitettavat nestevirrat ovat herkkäliikkeisiä ja niiden virtausmäärien erot eivät ole kohtuuttoman kaukana toisistaan. Lisäksi sekoitin on nimenomaan suunniteltava nopeata sekoitusta silmälläpitäen. Ongelmaksi voivat osoittautua ennen kaikkea suurikokoisilla se-koittimilla niiden aiheuttama virtausvastus, sekoittimen valmistuksen kalleus tai sekoit-20 timien soveltuvuus hyvin harvoihin kohteisiin suhteessa kehityskustannuksiin.

(0037) Dynaamiset sekoittimet ovat myös mahdollisia etenkin silloin, kun kyse on suhteellisen pienten virtausten sekoittamisesta keskenään. Keskinäiset erot sekoitettavien nesteiden virtausmäärissä voivat olla suuret, kunhan sekoitustilavuus saadaan suh- 25 teellisen pieneksi. Suurikokoisissa laitteissa, joista esimerkiksi paperikoneen perälaati-δ kon putkistoissa useasti on kyse, pyörivän sekoittimen investointikustannukset ja

CM

o, energiankulutus muodostaa käyttöä rajoittavan tekijän, o i C\l (0038) Edullisimmaksi sekoitusmenetelmäksi keksinnön koskettelemaan käyttökoh-

CC

30 teeseen on suoritettujen kokeiden perusteella osoittautunut injektiosekoitin.

CO

co ^ (0039) Siten esillä olevan keksinnön eräänä tavoitteena on tuoda kemikaalien sekoi- o ° tusaika niin lyhyeksi, että syntyvien PCC-kiteiden kokojakauma on halutun tasalaatui nen ilman ylisuurten kiteiden, aglomeraattien ja saostumien muodostumista.

35 12 (0040) Esillä olevan keksinnön eräänä yksityiskohtaisempana tavoitteena on injektoida kalkkimaito ja/tai hiilidioksidi neste- tai suspensiovirtauksen joukkoon niin, että sekoittuminen virtaukseen tapahtuu nopeasti ja tasaisesti käytännössä riippumatta virtauksen omasta turbulenssista.

5 (0041) Injektoitaessa hiilidioksidia ja/tai kalkkimaitoa virtaukseen käytetään edullisesti Wetend Technologies Oy:n kehittämää TrumpJet™ syöttölaitetta, joita voidaan sijoittaa haluttu määrä virtausputken kehälle. Kuvioissa 19, 20 ja 21 esitetään tutkimustuloksia kokeista, joissa vertailtiin tekniikan tason mukaisen syöttölaitteen ja TrumpJet™ syöt- 10 tölaitteen toimintaa. Kuvioista käy ilmi, että TrumpJet™ syöttölaite pystyy edellä keksinnön erääksi edellytykseksi asetettuun nopeaan sekoitukseen. TrumpJet™ syöttölaitetta käyttäen injektointi voidaan suorittaa noin 1 - 3, edullisesti noin 1,7-2 sekunnin (metreissä laskettuna alle kymmenen metrin) etäisyydellä seuraavasta prosessivaiheesta tai -laitteesta, kun tekniikan tason mukaista laitetta käyttäen lisäaineen syöttö 15 on tehtävä useita kymmeniä metrejä ennen perälaatikkoa.

(0042) Esillä olevan keksinnön eräänä tavoitteena on myös injektoida mainitut kemikaalit virtaukseen niin, että PCC:n saostuminen virtauksen kiintoaineeseen tapahtuu hallitusti, jolloin sekä karbonaattikiteiden kokoa että jakautumista suspensioon voidaan 20 hallita.

(0043) Esillä olevan keksinnön eräänä tavoitteena on saostaa PCC- kiteitä virtauksessa olevien kuitujen pinnoille.

25 (0044) Esillä olevan keksinnön eräänä erityistavoitteena on saostaa PCC- kiteitä virta- o uksessa olevien kuitujen onttoon ytimeen ns. lumeniin.

c\j σ> o ^ (0045) Ainakin jonkin edellä mainitun tavoitteen toteuttamiseksi ja PCC:n saostusreak-

C\J

tion nopeuttamiseksi tämänkertaisessa keksinnössä esitetään ainakin toisen kemikaa-

CC

30 leista: kalkkimaito ja hiilidioksidi lisäämistä putkessa viilaavaan väliaineeseen niin, että c§ käytännössä samanaikaisesti kemikaalin lisäämisen kanssa kemikaali tulee olennai-

Jg sen tasaisesti sekoitetuksi koko virtauksen poikkipinta-alalle.

o o

CM

(0046) Erityisen tärkeää tällainen sekoittuminen on käsityksemme mukaan hiilidioksi-35 dille, jota ei tekniikan tason mukaisissa menetelmissä ole pystytty sekoittamaan nesteeseen tai kuitususpensioon niin hyvin, että hiilidioksidi olisi liuennut veteen nopeasti, 13 käytännössä välittömästi, mikä on edellytys paperitehdasmittakaavassa tehtävän inline PCC- tuotannon onnistumiselle. Kun hiilidioksidi jaetaan jo lisäysvaiheessaan koko virtauksen poikkipinta-alalle, mihinkään kohtaan virtausta ei pääse muodostumaan hiilidioksiditihentymää, jossa kuplaa ympäröivä neste olisi kyllästynyt hiilidioksidilla ja 5 estäisi hiilidioksidin liukenemisen, vaan hiilidioksidi pääsee liukenemaan välittömästi injektoinnin jälkeen.

(0047) Kun esillä olevan keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti myös kalkkimaito syötetään ja sekoitetaan kautta koko putkivirtauksen poikkipinta-alan, pää- 10 dytään tilanteeseen, jossa kalkkimaitoa eli käytännössä kalsiumioneja on tasaisesti kautta koko nesteen/suspension. Tällöin niiden reaktio hiilidioksidin kanssa pääsee käytännössä alkamaan samanaikaisesti kautta koko nestetilavuuden, jossa alun perin olevan kiintoaineen voi olettaa olevan tasaisesti jakautuneena. Toisin sanoen kuituvir-rasta tulee tasalaatuista ja tasaisesti käsiteltyä. Seurauksena on, että kalsiumkar-15 bonaatin kidekoko ja kidejakauma pysyy tasaisena ja myös kiteiden sijoittuminen suspension kiintoaineeseen on tasaista. Jos sekoittuminen ei ole tasaista ja nopea kalkkimaito reagoi voimakkaasti paikallisesti, syntyy hallitsematonta PCC-kiteen kasvua, mikä voi mm. johtaa ylisuuriin kiteisiin ja PCC- aglomeraatteihin, jotka aiheuttavat vakavia laatu- ja prosessin ajettavuushäiriöitä. PCC voi myös silloin kiteytyä hallitsemat-20 tomasti prosessilaitteiden ja putkiston seinämiin johtaen jopa ylivoimaisiin puhdistus- ja prosessin ajettavuusongelmiin. Samoin prosessin ohjattavuus ja säätö vaikeutuu sekä tuotetun PCC:n laadun ennustettavuus vaikeutuu.

(0048) Ainakin osa edellä kuvattujen tekniikan tason mukaisten PCC:n valmistuspro-25 sessien heikkouksista voidaan korjata ja ainakin osa edellä mainituista tavoitteista voi- S daan saavuttaa keksinnön mukaisella menetelmällä kalsiumkarbonaatin saostamiseksi

CvJ

^ kuiturainakoneen lyhyessä kierrossa kiteiksi virtaavan kiintoaineksen joukkoon ja/tai o ^ pinnoille syöttämällä lyhyen kierron nestevirtaukseen hiilidioksidia ja kalkkimaitoa ja

C\J

antamalla näiden reagoida keskenään, siten, että syötetään hiilidioksidia joko nestee- ^ 30 seen/suspensioon liuotettuna tai kaasumaisena injektoimalla sitä injektointinesteen c§ avulla mainittuun virtaukseen yhdestä tai useammasta suuttimesta olennaisen poikit- g tain mainitun nestevirtauksen virtaussuuntaan nähden niin, että hiilidioksidi levittyy o o olennaisen tasaisesti mainittuun nestevirtaukseen riippumatta mainitun nestevirtauk sen virtausolosuhteista.

35 14 (0049) Aivan samoin ainakin osa edellä kuvattujen tekniikan tason mukaisten PCC:n valmistusprosessien heikkouksista voidaan korjata ja ainakin osa edellä mainituista tavoitteista voidaan saavuttaa keksinnön mukaisella kuiturainakoneen lähestymisjär-jestelmällä, johon kuuluu ainakin laitteet suodoksen vastaanottamiseksi kuiturainako- 5 neelta, laitteet kuitumassan valmistamiseksi ainakin kuiturainakoneelta saatavasta suodoksesta ja erilaisista kuitu- ja täyteainekomponenteista sekä virtausputkisto pumppauslaitteistoineen kuitumassan johtamiseksi sen valmistuksesta kuiturainakoneen perälaatikolle, ja joka lähestymisjärjestelmä on varustettu yhdellä tai useammalla hiilidioksidin injektointilaitteella, joka/jotka on asetettu olennaisen poikittain virtausput-10 kiston akselin suhteen hiilidioksidin injektoimiseksi kuitumassaan ja että mainitussa injektointilaitteessa on tuloyhteet joko kaasumaiselle tai nesteeseen/suspensioon liuotetulle hiilidioksidille ja injektointinesteelle sekä suutinaukko, josta hiilidioksidi tai sen liuos injektoidaan yhdessä injektointinesteen kanssa ja sen avulla kuitumassan joukkoon.

15 (0050) Muut keksinnön mukaiselle menetelmälle ja kuiturainakoneen lähestymisjärjes-telmälle tunnusmerkilliset piirteet käyvät ilmi oheisista patenttivaatimuksista.

(0051) Keksinnön mukaisella menetelmällä ja kuiturainakoneen lähestyinisjärjestel-20 mällä saavutettavia etuja tekniikan tason menetelmiin verrattuna ovat mm. seuraavat: PCC:n saostaminen suoraan kuiturainakoneen lyhyessä kierrossa vir-taavaan suspensioon

Nopea hiilidioksidin liuotus, mistä seuraa, että PCC:n valmistusprosessi voidaan kytkeä suoraan paperikoneen lyhyeen kiertoon 25 Nopea hiilidioksidin ja kalkkimaidon reaktio δ Tasainen kemikaalien sekoittuminen kautta koko virtauksen, josta seu- c\j cf> raa tasainen ja hallittu karbonaattikiteiden muodostuminen sekä kitei- o ^ den tasainen kiinnittyminen kuituihin ja kiintoaineeseen

CM

Yksinkertaistettu lyhyen kierron prosessi - ei tarvita sakean massan

CC

30 sekoitussäiliötä ollenkaan tai tullaan toimeen pienempikokoisella säiliöl- g lä ^ Paperinvalmistuksessa tarvitaan vähemmän tai ei ollenkaan reten- o ° tiokemikaaleja

Hydrofobiliiman käyttötarve pienenee 35 15 (0052) Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheisiin kuvioihin, joista kuvio 1 esittää kaavamaisesti erästä paperikoneen lyhyen kierron prosessijärjestelmää, 5 kuvio 2 esittää kaavamaisesti erästä tekniikan tason mukaista PCC:n valmistustapaa paperikoneen lyhyessä kierrossa, kuvio 3 esittää kaavamaisesti erästä toista tekniikan tason mukaista PCC:n valmistustapaa paperikoneen lyhyessä kierrossa, kuvio 4 esittää kaavamaisesti keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista 10 lyhyen kierron prosessijärjestelmää, kuvio 5 esittää vielä yleisemmin kuvion 4 esittämää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, kuvio 6 esittää kaavamaisesti keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, 15 kuvio 7 esittää kaavamaisesti keksinnön erään kolmannen edullisen suoritusmuodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, kuvio 8 esittää kaavamaisesti keksinnön erään neljännen edullisen suoritusmuodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, kuvio 9 esittää kaavamaisesti keksinnön erään viidennen edullisen suoritusmuodon 20 mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, kuvio 10 esittää kaavamaisesti keksinnön erään kuudennen edullisen suoritusmuodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, kuvio 11 esittää kaavamaisesti keksinnön erään seitsemännen edullisen suoritusmuodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, 25 kuvio 12 esittää kaavamaisesti keksinnön erään kahdeksannen edullisen suoritus-

C\J

δ muodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää,

CNJ

o, kuvio 13 esittää kaavamaisesti keksinnön erään yhdeksännen edullisen suoritusmuo- o ^ don mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää,

CVJ

kuvio 14 esittää kaavamaisesti keksinnön erään kymmenennen edullisen suoritus-

CC

30 muodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, co kuvio 15 esittää kaavamaisesti keksinnön erään yhdennentoista edullisen suoritus- g muodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, o ° kuvio 16 esittää kaavamaisesti keksinnön erään kahdennentoista edullisen suoritus muodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, 35 kuvio 17 esittää kaavamaisesti keksinnön erään kolmannentoista edullisen suoritusmuodon mukaista lyhyen kierron prosessijärjestelmää, 16 kuvio 18 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisissa prosessijärjestelmissä edullisesti käytettävän injektointilaitteen erästä rakennevaihtoehtoa, kuviot 19a - 19d esittävät kuvion 18 mukaista injektoi nti laitetta käyttäen syntyvää se-koitusprofiilia ajan funktiona, 5 kuvio 20 esittää tekniikan tason mukaisen kemikaalin syöttölaitteen toimintaa, kuvio 21 esittää keksinnön mukaisissa prosessijärjestelmissä edullisesti käytettävän injektointilaitteen toimintaa, kuviot 22 ja 23 esittää keksinnön mukaista prosessijärjestelmää käyttäen kuidun pinnoille saostuneita PCC-kiteitä.

10 (0053) Sekä edellä olevasta keksintöön liittyvästä osuudesta että etenkin seuraavasta keksinnön yksityiskohtaisemmasta selityksestä on huomattava, että siellä on käytetty yksinkertaisuuden vuoksi suhteellisen yleisiä termejä, joille selitykset annetaan seu-raavassa.

15 · Paperikoneella ymmärretään laajemmin kuiturainakonetta, eli kaikkia niitä rai- nanvalmistuskoneita, joilla kuitupitoisesta suspensiosta valmistetaan raina-maista tuotetta. Mukaan luetaan siis sekä erilaiset lopputuotteet että kaikki mahdolliset välituotteet.

• Paperimassalla ymmärretään mitä tahansa kuiturainakoneen perälaatikkoa 20 kohti virtaavaa suspensiota, josta raina aikanaan kuiturainakoneella muodoste taan. Paperimassaksi luetaan kaikki edellä mainitun tyyppiset suspensiot, jotka sisältävät vähäisessäkin määrin kuitua.

• Nestevirtauksella ymmärretään kaikkia niitä virtauksia, sakeudesta riippumatta, joita kyseisen kuiturainakoneen lyhyessä kierrossa virtaa, siten nestevirtaus voi 25 sisältää enemmän tai vähemmän kuitua ja/tai erilaisia paperinvalmistuksen li- δ sä- tai täyteaineita. Nestevirtaus pitää sisällään myös ns. superkirkkaat ja kirk-

CNJ

o, kaat suodokset sekä sakeat kuitukomponentit että pigmenttipitoiset saosteet.

o ^ · Kuiturainan valmistukseen käytettävällä kuitususpensiolla ymmärretään mitä

CVJ

tahansa vähänkään kuitua sisältävää suspensiota. Siten kaikki erilaiset sus-

CC

30 pensiot kuiturainakoneen viiraosalta saatavan suodoksen ja valmiin perälaatik- co koon syötettävän kuitumassan välillä nämä mukaan lukien ovat kuiturainan ^ valmistukseen käytettäviä suspensioita, o ° · Käsitellyn suodoksen komponentilla tarkoitetaan mitä tahansa käsittelytulosta mukaan lukien saoste, kirkas suodos, samea suodos, pääosin kiintoainetta si-35 sältävä laimea suodos, tai kiintoainetta sisältävä saostettu suodos.

17 • Kuitukomponentilla ymmärretään mitä tahansa kuiturainan valmistukseen käytettävää kuitupitoista komponenttia missä tahansa sakeudessa. Siten kuitu-komponentti voi olla mekaanista massaa, kemiallista massaa, kemimekaanista massaa, uusiomassaa, erilaisista suodoksista saatua kuitupitoista saostetta, 5 yms.

• Injektoinnilla ymmärretään viilaavan väliaineen syöttämistä nestevirtauksen joukkoon injektionestettä käyttäen siten, että injektoitavalla väliaineella on olennaisesti suurempi nopeus kuin nestevirtauksella, jolloin väliainetta injektoitaessa väliaine tunkeutuu syvälle nestevirtaukseen ja levittyy siihen olennaisen 10 tasaisesti (ns. peak-to-peak hajonta alle 15 % - peak-to-peak hajonta lasketaan poikkeamien ääriarvojen erotuksen suhteena näiden keskiarvoon). Edullisesti syöttönopeus injektoinnissa on luokkaa 3-15, edullisesti 5-10 kertaa neste-virtauksen nopeus.

15 (0054) Kuvion 1 kaavamaisesti käsittelemässä perinteisen tekniikan mukaisen paperi koneen lyhyen kierron prosessijärjestelmässä viitenumerolla 2 esitetään paperikonetta, josta saadaan suodosta ns. viiravettä F, joka johdetaan suoraan tai välisäiliön/-säiliöiden/-käsittelyn kautta sekoitussäiliöön, suodossäiliöön tai viirakaivoon 4, johon tuodaan erilaisia massanvalmistuksessa tarvittavia kuitukomponentteja ja muita pape-20 rinvalmistuksessa tarvittavia aineita. Yhteistä 6-12 tuodaan sekoitussäiliöön tai vastaavaan järjestelyyn ainakin yhtä seuraavista: kemiallinen tuoremassa, mekaaninen tuoremassa, pitkä-ja/tai lyhytkuituinen massa, kierrätyskuitu ja päällystetty hylky, päällystämätön hylky, kuidun talteenottosuotimelta saatava kuitujae sekä täyte- ja/tai lisäaineet, jotka voidaan jo tässä vaiheessa sekoittaa paperimassan joukkoon. Kuitukom-25 ponenttien sakeus on käyttökohteesta riippuen jossakin kolmen - viiden prosentin tie-δ noilla. Sekoitussäiliössä 4 paperimassa sekoitetaan em. komponenteistaan haluttuun

CNJ

o, koostumukseen ja lähtevän massan sakeus säädetään joko yksin sekoitussäiliössä tai o ^ siihen kytketyssä viirakaivossa tai vastaavassa paperin tai laajemmin sanoen kuiturai-

CVJ

nan valmistukseen sopivaksi, luokkaa 0,3 - 1,5 %. Sekoitussäiliön 4 tai yleisemmin

CC

30 ottaen loppulaimennuksen jälkeisellä pumpulla ns. sekoituspumpulla 14 massa vie- co dään pyörrepuhdistukseen pyörrepuhdistuslaitokselle 16, jossa paperimassasta erote- g taan raskaammat partikkelit. Pyörrepuhdistuslaitoksen 16 aksepti jatkaa matkaansa o ° kaasunerotussäiliöön 18, jossa paperimassasta poistetaan alipaineella ilmaa tai mah dollisesti muuta kaasua, jotta se ei haittaa paperinvalmistusta. Kaasunerotussäiliöstä 35 18 paperimassa virtaa perälaatikon syöttöpumpulle 20, joka pumppaa massan ns. pe- rälaatikkosihdille 22, jossa massasta erotetaan paperinvalmistukseen sopimattoman 18 suurikokoiset partikkelit ja jonka akseptijae viedään paperikoneelle 2 sen perälaatikon kautta. Joillakin vähemmän vaativaa lopputuotetta valmistavilla kuiturainakoneilla lyhyestä kierrosta voi puuttua pyörrepuhdistuslaitos, kaasunerotus ja/tai perälaatikkosih-ti.

5 (0055) Kuviossa 2 esitetään kaavamaisesti eräs tekniikan tason mukainen ja mm. patenttijulkaisussa US-B1-6,387,212 kuvattu prosessi PCC:n valmistamiseksi paperikoneen lyhyen kierron yhteydessä. Kyseisessä prosessissa paperikoneelta saatava suo-dos F jaetaan suodattamalla 26 kahteen fraktioon, joista kirkkaan suodoksen sekaan 10 sekoitetaan kalkkimaitoa (Ca(OH)2, Milk of Lime, jatkossa MoL) ja kiintoainepitoisen suodoksen joukkoon hiilidioksidia (C02). Koska kiintoainepitoinen suodos sisältää kal-siumkarbonaattia, syntyy siihen hiilidioksidia syötettäessä kalsiumbikarbonaattia. Lopuksi sekä edellä mainitut fraktiot että kuitususpensio syötetään reaktoriin 28, jossa kalsiumbikarbonaatti reagoi kalsiumhydroksidin kanssa kalsiumkarbonaatin muodos-15 tamiseksi. Reaktion kerrotaan tapahtuvan 1-15, edullisesti 5-10 prosentin sakeu-dessa.

(0056) Kuviossa 3 esitetään kaavamaisesti eräs toinen tekniikan tason mukainen ehdotus PCC:n valmistamiseksi paperikoneen lähestymisjärjestelmässä. Kyseisessä 20 prosessissa, jota on käsitelty muun muassa patenttijulkaisussa US-A-5,679,220 lähtökohtana on jokin paperinvalmistuksen massakomponentti tai niiden yhdistelmä, jonka joukkoon sekoitetaan kalkkimaitoa ja hiilidioksidia. Kyseinen sekoitus voidaan tehdä joko erityisesti tarkoitusta varten suunnitellussa reaktorissa tai putkivirtauksessa. Julkaisussa kerrotaan, kuinka hiilidioksidin syöttökohtaa suhteessa kalkkimaidon syöttöön 25 voidaan vaihdella, jolloin on esimerkiksi mahdollista, että hiilidioksidia syötetään ennen δ kalkkimaidon syöttöä ja myös sen jälkeen. Vaikka kalsiumhydroksidin (kalkkimaidon)

CNJ

o, konversioreaktion kalsiumkarbonaatiksi kerrotaankin olevan nopea, on julkaisussa kui- o ^ tenkin katsottu tarpeelliseksi järjestää sekoitusten jälkeen erityinen reaktiovyöhyke,

CVJ

jolla voidaan varmistaa alkalisen hydroksidin täydellinen konversio karbonaatiksi. Tä-

CC

30 mä on hyvin tärkeää, koska liian korkea pH aiheuttaa erityisesti mekaanisen massan co tummenemista. Kyseisen reaktiovyöhykkeen ajalliseksi kestoksi on annettu yhdestä ^ kahteen minuuttia. Kyseinen reaktioaika on kuitenkin käytännön paperikoneprosessis- o ° sa ongelmallisen pitkä, jos esimerkiksi ajatellaan massavirtauksen nopeudeksi paperi koneen lähestymisputkistossa noin 5 m/s. Käytännössä paperikoneen lyhyessä kier-35 rossa sekoittamiseen käytettävissä olevaa putkivirtausta on parhaimmillaankin vain 19 muutama kymmenen metriä eli kymmenesosa tai vähemmän US julkaisun ehdotuksesta.

(0057) Kun lähdetään tarkastelemaan syitä, miksi konversioreaktio, jonka teoriassa 5 pitäisi olla suhteellisen nopea, on noin hidas, ensimmäinen epäilys kohdistuu kemikaalien sekoitustapaan. Käsityksemme mukaan selkeästi suurin asiaan vaikuttava tekijä on julkaisussa kuvattu hiilidioksidin ja kalkkimaidon syöttö- ja sekoitustapa. Julkaisussa nimittäin mainitaan, että hiilidioksidin annetaan purkautua putkisekoittimeen niin, että putkessa virtaava kuitususpensio pyyhkii putkeen tulevan hiilidioksidin mennes-10 sään ja että putkivirtaus itsessään sekoittaa hiilidioksidin massan joukkoon pieninä kaasukuplina. Kun US-julkaisun testilaitteessa, jossa virtausputken halkaisija on puolesta tuumasta kuuteen tuumaan, tarvitaan yhden - kahden minuutin luokkaa oleva sekoitus-/reaktioaika, voidaan vain arvata, kuinka pitkä aika tarvitaan, jos virtausputken halkaisija on vieläkin suurempi, jolloin virtaus on suhteessa laminaarisempaa. Kä-15 sityksemme mukaan tekniikan tason sekoitustavoissa hiilidioksidi saatetaan virtauksen joukkoon siten, että hiilidioksidin lisäämiskohdan jälkeen syntyy ensin yhtenäinen kaa-suvana, joka hiljalleen purkautuu kaasukupliksi, jotka edelleen hajoavat pienemmiksi kupliksi. Lopputuloksena on kuitenkin tilanne, jossa vain pieni osa suspension nesteestä pääsee välittömästi tekemisiin hiilidioksidikuplien kanssa kyllästyen hiilidioksidil-20 la hyvin nopeasti. Seurauksena on, että hiilidioksidin liukeneminen on hidasta, koska kuplien täytyy kulkeutua suspensiossa edelleen löytääkseen nestettä, joka ei ole vielä kyllästynyt hiilidioksidilla. Toinen sekoittumiseen vaikuttava tekijä on kuitususpension sakeus, koska on selvää, että mitä korkeampi suspension sakeus on, sitä hidasliikkei-semmin se pyörteilee turbulenssissa. Jo itse em. US- julkaisussa todetaan yli viiden 25 prosentin sakeuden hidastavan kaasu-nestereaktiota. Julkaisun esimerkeissä käytetty δ sakeus oli 1,5 %. Tällaisesta hallitsemattomasta ja heikosta sekoittumisesta johtuvat

CNJ

o, kalkkimaidon ja hiilidioksidin reaktiot voivat johtaa esimerkiksi ylisuuriin PCC-kiteisiin, o ^ PCC-aglomeraatteihin ja PCC-saostumiin, jotka kiinnittyvät virtauskanavan tai muun

CVJ

seinämiin aiheuttaen kerrostumia ja jatkossa likaongelmia. Ongelmaksi voi osoittautua

CC

30 myös se, että suuren kalkkimaitopisaran reagoidessa hiilidioksidin kanssa syntyy pin- co naltaan PCC’tä oleva kappale, jonka sisällä on vielä reagoimatonta kalkkimaitoa. Jos- ^ sakin vaiheessa kalkkimaito pääsee pursumaan ulos kappaleesta, jolloin suspension o ° pH kohoaa. Kun näin pääsee tapahtumaan riittävän monen PCC-partikkelin rikkoutu essa pH:n kohoaminen sekoittaa järjestelmän.

35 20 (0058) Kuvio 4 esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista PCC:n valmistusprosessia yhdistettynä kuvion 1 tavoin kaavamaisesti esitettyyn paperikoneen lyhyeen kiertoon. Kuvion 4 mukaisessa menetelmässä PCC:n valmistus tapahtuu paperikoneen lyhyessä kierrossa ennen pyörrepuhdistuslaitosta 16. Käytännössä 5 hiilidioksidi injektoidaan pumpun 14 painepuolelle ja kalsiumhydroksidi (Ca(OH)2; kalk-kimaito) hiilidioksidin liuettua muutama metri edellisestä samaan putkeen eli pyörre-puhdistuslaitoksen 16 ensimmäisen vaiheen syöttöputkeen. Tässä sovellutuksessa etuna on se, että pyörrepuhdistus 16 ja myöhemmin lyhyessä kierrossa oleva konesih-ti 22 poistaa mahdolliset ylisuuret partikkelit, kun taas mahdollinen kaasumainen C02 -10 ylijäämä poistuu kaasunerottimessa 18. Mahdollinen jälkihapotus, mikäli pH-luvun säätöä tarvitaan, on mahdollista tehdä esimerkiksi perälaatikon syöttöpumpun 20 imupuo-lelle. Toisin sanoen kemikaalit injektoidaan sellaiseen paperikoneelle menevään mas-savirtaan, johon jo kaikki kuitukomponentit on lisätty ja jonka sakeus vastaa olennaisesti perälaatikkosakeutta.

15 (0059) Kuvio 5 esittää periaatteessa edellisen kaltaista PCC:n valmistusprosessia, mutta hieman aiempaa kaavamaisemmin. Toisin sanoen kuviosta 5 alkaen käytetään esitysmuotoa, joka ei enää kiinnitä huomiota siihen, mitä laitteita paperikoneen lyhyessä kierrossa on, vaan keskittyy ainoastaan siihen, missä järjestyksessä, mihin nestee- 20 seen/suspensioon ja millä tavalla kemikaalit sekoitetaan. Suoritetuissa kokeissa on nimittäin huomattu, että sillä, missä kohtaa lyhyttä kiertoa PCC saostetaan kuituun, ei ole niin suurta merkitystä, kuin sillä, miten saostus tapahtuu ja etenkin sillä, miten kemikaalit sekoitetaan suspensioon. Toisin sanoen kuvio 5 esittää ainoastaan sen, että paperikoneelta saatavaan suodokseen sekoitetaan ns. sakea massa, joka koostuu eri-25 laisista massajakeista eli massakomponenteista, jonka jälkeen kuitususpensioon se- o koitetaan hiilidioksidi ja sen jälkeen kalkkimaito. Tässä vaiheessa kannattaa kuitenkin c\i en huomata, että keksintömme useimmille suoritusmuodoille on olennaista, että hiilidiok- o ^ sidi on käsityksemme mukaan liuotettava käytettävissä olevaan nesteeseen ennen

CM

kalkkimaidon injektointia. Tälle on löydettävissä ainakin kaksi syytä. Ensiksikin, mikäli ^ 30 sakea massa sisältää mekaanista massaa tai uusiomassaa, jossa osana on mekaa-

co nista massaa, kalkkimaidon injektointi ennen hiilidioksidia voi johtaa suspension pH

g luvun kohoamiseen niin korkealle, että mekaaninen massa lähtee tummenemaan, o

o Tämän estämiseksi on turvallista injektoida hiilidioksidi ensin, jolloin suspension pH

laskee ja tummumista ei pääse tapahtumaan. Toiseksi, saostusreaktio tapahtuu nope-35 asti, jos hiilidioksidi on jo valmiiksi liuennut nesteeseen. Lisäetuna saavutetaan se, että liuettuaan hiilidioksidia on tasaisesti kaikkialla nesteessä. Tällöin, kun kalkkimaito in- 21 jektoidaan edullisesti niin, että se leviää sekoituksessa nopeasti ja tasaisesti kautta koko suspension, syntyy tasajakoista kalsiumkarbonaattia, PCC:tä kaikkialle suspensioon ja suspensiossa olevien kuitujen ja kiintoaineiden pinnoille.

5 (0060) Kuvio 6 esittää kaavamaisesti keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuo don mukaista tapaa valmistaa PCC:tä paperikoneen lyhyessä kierrossa. Itse asiassa ainoa edellisestä suoritusmuodosta poikkeava piirre on hiilidioksidin ja kalkkimaidon injektointijärjestys. Tällainen injektointijärjestys, jossa kalkkimaito injektoidaan ensin ja hiilidioksidi vasta myöhemmin, voi tulla kyseeseen käsityksemme mukaan muutamin 10 edellytyksin. Ensinnäkin joko silloin, kun kuitususpensiossa ei ole merkittävässä määrin mekaanista massaa joko tuoremassana tai uusiomassana mukana, tai silloin, kun syötettävän kalkkimaidon määrä on niin pieni, että se ei nosta pH-lukua massan tummumisen kannalta vaarallisen korkealle. Toiseksi, käsityksemme mukaan hiilidioksidin injektoinnin tai pikemminkin sen sekoituksen massan joukkoon tulee olla tässä suori-15 tusmuodossa erityisen tehokas, jolloin liukeneminen tapahtuu nopeasti ja hiilidioksidi saadaan jaettua tasaisesti kautta koko suspension, jotta reagointi kalkkimaidon kanssa johtaa tasajakoisen PCC:n muodostumiseen. Käytännön tosiasia kuitenkin on, että reaktio etenee ainoastaan ionien kautta ja siten PCC:tä pääsee syntymään vain sitä mukaa, kun hiilidioksidia on liuennut.

20 (0061) Kuviossa 7 esitetään keksinnön erään kolmannen edullisen suoritusmuodon mukainen tapa valmistaa PCC:tä paperikoneen lyhyessä kierrossa. Kuvion mukaisesti erilaisista kuitukomponenteista muodostettu sakeamassa laimennetaan paperikoneelta saatavalla suodoksella sopivaan sakeuteen, jonka jälkeen kalkkimaito ja hiilidioksidi 25 injektoidaan kuitususpension joukkoon olennaisen samanaikaisesti. Injektoinnissa δ kalkkimaidon injektionesteenä voidaan käyttää veteen liuotettua hiilidioksidia tai esi-

CNJ

o, merkiksi molemmat kemikaalit voidaan injektoida vaikkapa paperimassalla ottamalla o ^ sivuvirtaus päämassaputkesta.

CVJ

X

cc 30 (0062) Kuviossa 8 esitetään keksinnön erään neljännen edullisen suoritusmuodon co mukainen tapa valmistaa PCC:tä paperikoneen lyhyessä kierrossa. Kuvion mukaisesti ^ erilaisista kuitukomponenteista muodostettu sakeamassa laimennetaan paperikoneel- o ° ta saatavalla suodoksella sopivaan sakeuteen, jonka jälkeen paperimassan joukkoon sekoitetaan ensin hiilidioksidi ja sen jälkeen kalkkimaito. Itse asiassa prosessi on tä-35 hän saakka sama kuin jo kuvioissa 4 ja 5 esitetty menetelmä. Nyt kuitenkin kyseistä menetelmää on lähdetty tarkentamaan sillä, että joko hiilidioksidi tai kalkkimaito tai 22 edullisesti molemmat (tämä vaihtoehto esitetty kuviossa) injektoidaan paperimassan joukkoon yhdellä tai useammalla erityisellä injektointinestettä käyttävällä sekoittimella. Kyseisen tyyppinen sekoitin on kuvattu mm. Wetend Technologies Oy:n patenteissa US-B1-6,659,636 ja US-B1-7,234,857. Olennaista keksinnön eri suoritusmuodoissa 5 sovelletuille injektoinneille, tehtiinpä ne sitten mainitulla TrumpJet™ laitteella tai jotakin muuta injektointilaitetta käyttäen on, että hiilidioksidi tai/ja kalkkimaito injektoidaan massan joukkoon olennaisesti poikittaiseen suuntaan massan virtaussuuntaan nähden injektio- eli syöttönestettä käyttäen niin suurella nopeudella, että yhden tai useamman suuttimen injektioneste-kemikaalisuihku kattaa olennaiselta osaltaan massavirtauksen 10 poikkipinta-alan, jolloin kyseinen hiilidioksidi tai/ja kalkkimaito jakautuu käytännöllisesti katsoen tasaisesti kautta koko suspension riippumatta suspensiossa mahdollisesti vaikuttavasta turbulenssista tai sen puutteesta. Edellä mainitulla termillä ’olennaisesti poikittainen suunta’ ymmärretään suuntaa, joka poikkeaa enemmän kuin 30 astetta vertailusuunnasta, esimerkiksi virtaussuunnasta, virtausputken tai -putkiston akselin 15 suunnasta. Injektointinesteenä käytetään kuvion 8 menetelmässä paperimassaa. Toisin sanoen paperikoneelle menevästä massaputkesta otetaan pieni sivuvirtaus, joka pumpataan injektorille, johon injektoidaan joko kalkkimaitoa tai hiilidioksidia niin, että hiilidioksidi tai kalkkimaito sekoittuu injektointinesteeseen olennaisen samaan aikaan, kun injektointinesteen ja hiilidioksidin tai kalkkimaidon näin syntynyt seos tunkeutuu 20 perälaatikkoa kohti virtaavan paperimassan joukkoon. Injektointinesteen syöttönopeus on 3 - 15, edullisesti 5 - 10-kertainen verrattuna massaputkessa virtaavan massan nopeuteen. Viive hiilidioksidin tai kalkkimaidon ja injektointinesteen sekoittumisesta näiden seoksen syöttämiseen paperimassan joukkoon on edullisesti luokkaa 0,001 -0,5 sekuntia.

25

CM

δ (0063) Kuviossa 9 esitetään keksinnön erään viidennen edullisen suoritusmuodon

CM

en mukainen tapa valmistaa PCC:tä paperikoneen lyhyessä kierrossa. Kuvion mukaisesti o ^ erilaisista kuitukomponenteista muodostettu sakeamassa laimennetaan paperikoneel-

CM

ta saatavalla suodoksella sopivaan sakeuteen, jonka jälkeen laimennetun kuitusus-

CC

30 pension sekaan injektoidaan ensin hiilidioksidi ja sen jälkeen kalkkimaito. Tämän suo- co ritusmuodon mukainen menetelmä poikkeaa edellisestä siinä suhteessa, että nyt aina-

Jg kin toinen kemikaaleista injektoidaan massavirtaan käyttäen injektionesteenä jotakin o ° muuta nestettä tai suspensiota kuin perälaatikkosakeuteen laimennettua paperimas saa. Ensimmäisenä injektointinestevaihtoehtona käsitellään massakomponenttia. Tä-35 mä antaa luonnollisesti useita jatkovaihtoehtoja. Jos molempien kemikaalien injektointinesteenä käytetään massakomponenttia, kyseessä voi olla joko samasta massa- 23 komponentista otettu sivuvirtaus molemmille kemikaaleille tai omasta komponentistaan otettu sivuvirtaus erikseen kummallekin kemikaalille tai kyseisen massakom-ponentin käyttö kokonaisuudessaan injektointinesteenä, kuten kuviossa 9 on esitetty hiilidioksidin syöttämiseksi. Lisäksi on mahdollista, että injektointinesteenä käytetty 5 komponentti on useamman massakomponentin sekoitus. Ja edelleen on mahdollista, että kyseinen massakomponentti, kyseiset massakomponentit tai niiden seokset ovat alkuperäisessä sakeudessaan, jossa ne normaalisti syötetään sekoitussäiliöön, tai se/ne on voitu laimentaa perälaatikkosakeuteen tai johonkin muuhun tarkoituksenmukaiseen sakeuteen. Edellä esitetystä riippuu, millaiseen sakeuteen kuitususpensio tar-10 vitsee alunperin sekoitussäiliössä laimentaa ellei haluta käyttää vielä jotakin sakeuden säätöä kemikaalin/kemikaalien sekoituksen jälkeen. Toisin sanoen, jos injektointines-teet ovat laimentamattomia sakeamassakomponentteja, joiden sakeus on jossakin 3 -5 %:n paikkeilla, on sakea massa ylilaimennettava sekoitussäiliössä, jotta lopullinen kuitususpension sakeus olisi haluttu perälaatikkosakeus. Jos taas puolestaan injek-15 tointinesteenä käytettävä/käytettävät komponentti/komponentit laimennetaan erikseen perälaatikkosakeuteen esimerkiksi paperikoneen viiravedellä, ei lopullisen kemikaa-lisekoituksen jälkeisen massan sakeudesta tarvitse huolehtia. Luonnollisesti on selvää, että sakeustarkastelussa on otettava huomioon myös kalkkimaidon mukana paperimassaan menevä vesi.

20 (0064) Muina injektointinestevaihtoehtoina voidaan käyttää myös erilaisia suotimien jakeita, kuten esimerkiksi nollavesisuotimen täyteainejaetta, kuiduntalteenottosuotimen hienojaetta, nollavettä tai jotakin muuta suodosta tai tarkoitukseen muutoin sopivaa nestettä. Se, mitä edellä puhuttiin injektointinesteen sakeuden vaikutuksesta, pätee 25 luonnollisesti myös näille vaihtoehdoille. Toisin sanoen on otettava huomioon sekä in- o jektointinesteen sakeus suhteessa perälaatikkosakeuteen että kalkkimaidon mukana cf> paperimassaan kulkeutuva neste, jolla silläkin on oma vaikutuksensa paperimassan o ^ lopulliseen sakeuteen. Tässä kuvion 9 esittämässä suoritusmuodossa käytetään myös

C\J

edullisesti Wetend Technologies Oy:n patenteissa US-B1-6,659,636 ja US-B1-

CC

30 7,234,857 kuvattua sekoitusmenetelmää ja laitteistoa, jolloin viive kemikaalin ja injek- co tointinesteen sekoittumisesta näiden seoksen syöttämiseen paperimassan joukkoon S on luokkaa 0,0005......0,5 s. On kuitenkin otettava huomioon, että, mitä enemmän in- o ^ jektionesteessä on erilaisia lisäaineita tai vastaavia eli mitä epäpuhtaampaa injek tioneste on, sitä isompi riski on, että kyseiset epäpuhtaudet reagoivat kalkkimaidon tai 35 hiilidioksidin kanssa haitallisesti.

24 (0065) Kuviossa 10 esitetään keksinnön erään kuudennen edullisen suoritusmuodon mukainen tapa valmistaa PCC:tä paperikoneen lyhyessä kierrossa. Kuvion mukaisesti erilaisista kuitukomponenteista muodostettu sakeamassa laimennetaan paperikoneelta saatavalla suodoksella sopivaan sakeuteen, jonka jälkeen paperimassan joukkoon 5 injektoidaan hiilidioksidia ja kalkkimaitoa, kuten itse asiassa kuvion 8 yhteydessä on jo esitetty. Tämän kuvion mukaisessa suoritusmuodossa PCC:n saostuksen jälkeen kui-tususpension joukkoon injektoidaan yhtä tai useampaa kuitukomponenttia tai niiden sekoitusta. Kuvion suoritusmuodossa kyseisessä injektoinnissa käytetään injektoin-tinesteenä paperikoneen perälaatikkoa kohti virtaavasta kuitususpensiosta otettua si-10 vuvirtaa, joskin myös jonkin muun nesteen tai suspension käyttö on mahdollista. Lisäksi kuviossa 10 esitetään eräänä lisämahdollisuutena tilaisuus injektoida jotakin lisäainetta, kuten esimerkiksi tärkkelystä, liima-ainetta, jne. syntyvän paperimassan joukkoon samalla sekoittimella. Lisäaineiden syöttö ei välttämättä vaadi injektionesteen käyttöä.

15 (0066) Kuviossa 11 esitetään keksinnön erään seitsemännen edullisen suoritusmuodon mukainen tapa valmistaa PCC:tä paperikoneen lyhyessä kierrossa. Kuvion mukaisesti erilaisista kuitukomponenteista muodostettu sakeamassa laimennetaan paperikoneelta saatavalla suodoksella sopivaan sakeuteen, jota ennen paperikoneelta saa- 20 tavan ja laimennukseen käytettävän suodoksen joukkoon sekoitetaan ensin hiilidioksidia ja sitten kalkkimaitoa. Lisäksi on otettava huomioon, että hiilidioksidin liuottamiseksi suodokseen on suodoksen määrän, lämpötilan ja paineen oltava edullisesti suhteutettu haluttuun hiilidioksidin liuotusmäärään.

25 ^ (0067) Kuviossa 12 esitetään keksinnön erään kahdeksannen edullisen suoritusmuo- o ^ don mukainen tapa valmistaa PCC:tä paperikoneen lyhyessä kierrossa. Kuvion mu- cn 9 kaisesti erilaisista kuitukomponenteista muodostettu sakeamassa laimennetaan pape in rikoneelta saatavalla suodoksella sopivaan sakeuteen, jota ennen paperikoneelta saa-| 30 tavan ja laimennukseen käytettävän suodoksen joukkoon sekoitetaan ensin hiilidioksi- cd dia ja sitten kalkkimaitoa. Erona kuvion 11 suoritusmuodossa esitettyyn menetelmään

CO

on tässä suoritusmuodossa se, että kuitukomponentit lisätään kukin omana jakeenaan

CO

§ nestevirtaan, johon hiilidioksidi ja kalkkimaito on jo sekoitettu. PCC’n saostamisen

CVJ

kannalta kuvion prosessi toimii aivan samoin kuin kuvion 11 prosessi. Myös tässä suo-35 ritusmuodossa hiilidioksidin liuottamiseksi suodokseen on suodoksen määrän, lämpötilan ja paineen oltava suhteutettu haluttuun hiilidioksidin liuotusmäärään.

25 (0068) Kuviossa 13 esitetään keksinnön erään yhdeksännen edullisen suoritusmuodon mukainen tapa valmistaa PCC:tä paperikoneen lyhyessä kierrossa. Kuvion mukaisesti paperimassan valmistukseen käytettävät erilaiset kuitu- tai lisäainekomponen-5 tit sekoitetaan omina virtoinaan paperikoneelta saatavaan suodokseen. Kuviossa esitetään esimerkinomaisesti tilanne, jossa paperikoneelta saatavaan suodokseen lisätään ensin yksi massa- tai lisäainekomponentti, sen jälkeen toinen massa- tai lisäaine-komponentti yhdessä hiilidioksidin kanssa, sen jälkeen kolmas massa- tai lisäaine-komponentti yhdessä kalkkimaidon kanssa ja lopuksi neljäs massa- tai lisäainekom-10 ponentti yksinään. Luonnollisesti on selvää, että, mikäli massa- tai lisäainekomponent-teja on vähemmän kuin neljä, jokin edellä esitetyistä komponenteista jää pois ja, mikäli massa- tai lisäainekomponentteja on enemmän kuin neljä, niiden syöttökohtia tarvitaan myös useampia. Tosin on myös mahdollista, että kahta tai useampaa massa- tai lisäainekomponenttia lisätään samanaikaisesti, mikä myös kuuluu tämän suoritus-15 muodon käyttöalueeseen. Eräänä edullisena vaihtoehtona esitetään ratkaisu, jossa joko kalkkimaito tai hiilidioksidi tai molemmat sekoitetaan ensin jonkin massakom-ponentin kanssa. Tällöin kyseinen kemikaali tulee täsmäannostelluksi kyseisen mas-sakomponentin joukkoon, mikä auttaa sekä PCC:n saostuksessa kuidun ulkopinnalle (ns. surface-loading) että kuidun ytimeen (ns. lumen-loading). Samalla on oletettavaa, 20 että varsinaisen PCC:n saostuksen tapahtuessa PCC saostuu valtaosiltaan kyseisen massakomponentin pinnoille. Edelleen on mahdollista, että jossakin syöttökohteessa injektointinesteenä käytetään paperikoneelta saatavaa suodosta tai vastaavaa laimeaa kuitususpensiota, jolla voidaan paitsi injektoida haluttu kemikaali, lisäaine, massakom-ponentti tai vastaava, myös säätää syntyvän paperimassa sakeutta. Toisin sanoen, on 25 esimerkiksi mahdollista käyttää hiilidioksidin injektointinesteenä paperikoneelta saata-δ vaa suodosta eli viiravettä. Kalkkimaito puolestaan on mahdollista injektoida jonkin

CNJ

o, paperinvalmistuksen kuitukomponentin kanssa, kunhan pidetään huolta siitä, että kui- o ^ tukomponentti joko ei sisällä mekaanista alkuperää olevaa massaa tai että kalkkimai-

CVJ

toa injektoidaan niin pieni määrä, että kuitukomponentin ja kalkkimaidon seoksen pH

CC

30 ei pääse kohoamaan liian korkeaksi. Syötettäessä kalkkimaito samanaikaisesti kysei- co sen kuitukomponentin kanssa, joka voi edullisesti, mutta ei välttämättä, olla mekaanis- ^ ta jauhettua massa, tulevat syntyvät kalsiumionit sekoitetuksi yhteen kuitukomponentin o ° kanssa, jolloin karbonoi nti reaktio tapahtuu aivan kuitujen pinnalla. Tällöin karbonaatti- kiteet jakautuvat tasaisesti kuidun pinnalle ja kiinnittyvät lähinnä kuidun pintaan eikä 35 niinkään toisiinsa. Edullisesti kyseiset massa- tai lisäainekomponenttien lisäämiset ja/tai hiilidioksidin ja kalkkimaidon lisäämiset tehdään injektoimalla, erityisen edullisesti 26 käyttämällä jo edellä esitettyä Wetend Technologies Oy:n patenteissa US-B1-6,659,636 ja US-B 1-7,234,857 kuvattua TrumpJet™ sekoituslaitetta.

(0069) Kuviossa 14 esitetään keksinnön erään kymmenennen edullisen suoritusmuo-5 don mukainen menetelmä PCC:n valmistamiseksi paperikoneen lyhyessä kierrossa.

Kuvion suoritusmuodossa paperikoneelle menevästä paperimassavirrasta, johon siis eri kuitukomponentit on jo sekoitettu, otetaan sivuvirtaus, johon injektoidaan ensin hiilidioksidi ja sen jälkeen kalkkimaito. Edelleen näiden syöttämisessä on edullista käyttää syöttölaitteena Wetend Oy:n TrumpJet™ syöttölaitetta.

10 (0070) Edellä esitetty esimerkinomainen suoritusmuoto, jossa hiilidioksidi ja kalkkimaito tuodaan pienempään nestetilavuuteen kuin useimmissa aiemmissa suoritusmuodoissa, jossa kemikaalien injektointi tapahtuu koko paperikoneelle menevään massa-virtaan, antaa aiheen selittää suoritusmuotoa hieman yksityiskohtaisemmin. Koska 15 nestemäärä, johon etenkin hiilidioksidi injektoidaan, on pienempi ja etenkin, jos syötettävä hiilidioksidimäärä on suhteellisen suuri, on otettava huomioon se, että hiilidioksidia saadaan liukenemaan vain tietty määrä atmosfäärisissä tai lähes atmosfäärisissä oloissa. Tällöin haluttaessa liuottaa suurempi määrä hiilidioksidia kuvion 14 kuvaaman suoritusmuodon sivuvirtaan on injektointi suoritettava lyhyen kierron paineeseen näh-20 den korotetussa paineessa. Toisin sanoen sivuvirrassa on vallittava hiilidioksidin liuo-tusmäärään suhteutettu paine. Sama painevaatimus pätee myös, jos hiilidioksidi halutaan injektoida jonkin sakeamassakomponentin, nollakuidun, suodoksen tai jonkin lisä-täyteainevirtauksen joukkoon. Sivuvirran paineistaminen edellyttää esimerkiksi kuris-tusventtiilin 30 ja pumpun 32 järjestämistä sivulinjaan 34 kuvion 14 esittämällä tavalla. 25 Sivuvirran paineistaminen voidaan suorittaa esimerkiksi niin, että sivuvirran paine on δ niin suuri, että se suoraan varmistaa, että riittävän suuri määrä hiilidioksidia saadaan c\j o, liukenemaan virtaukseen. Toinen vaihtoehto on ottaa huomioon, että hiilidioksidin rea- o ^ goidessa kalkkimaidon kanssa, nesteen liuotuskapasiteettia tavallaan vapautuu koko

CVJ

ajan lisää, jolloin siis kuplina olevaa hiilidioksidia liukenee koko ajan nesteeseen. Toi-

CC

30 sin sanoen käytännössä sivuvirran painetta ei tarvitse korottaa niin korkeaksi kuin en- co simmäisessä vaihtoehdossa.

δ

CO

o ° (0071) Kuvion 15 esittämässä keksinnön eräässä yhdennessätoista edullisessa suori tusmuodossa PCC saostetaan yhteen paperinvalmistuksen kuitukomponenttiin ennen 35 kyseisen komponentin sekoittamista muiden paperimassan komponenttien kanssa.

Kuvion suoritusmuodossa hiilidioksidi injektoidaan ensin mainittuun komponenttiin joko 27 ilman injektointinestettä tai käyttäen injektointinesteenä esimerkiksi joko paperikoneelta saatavaa suodosta, samaa kuitukomponenttia, johon sekoitus suoritetaan, tai jotakin muuta kuitukomponenttia tai muuta tarkoitukseen sopivaa paperimassan komponenttia, minkä jälkeen kalkkimaito injektoidaan kuitukomponenttiin käyttämällä itse kui-5 tukomponentista otettua sivuvirtaa injektointinesteenä. Myös tähän suoritusmuotoon pätee se, että hiilidioksidin liuottamiseksi kuitukomponenttiin on kuitukomponentin määrän, lämpötilan ja paineen oltava suhteutettu haluttuun hiilidioksidin liuotusmää-rään.

10 (0072) Kuviossa 16 esitetään keksinnön erään kahdennentoista edullisen suoritus muodon mukainen menetelmä hiilidioksidin tai kalkkimaidon lisäämiseksi paperimassan joukkoon. Kuvion suoritusmuodossa kyseinen kemikaali (kuviossa hiilidioksidi) injektoidaan sakean massan joukkoon ennen kuin sakeamassa on laimennettu paperikoneen perälaatikkosakeuteen. Tässä suoritusmuodossa kemikaali syötetään hyvin 15 intiimiin kosketukseen kuitujen kanssa, jolloin saadaan aikaan hyvin tehokas PCC’n surface-loading. Tässä suoritusmuodossa ei ole myöskään vaaraa massan tummumisesta, koska hiilidioksidin liuotus laskee pH:ta niin, että myöhemmin sekoitettava kalkkimaito ei voi enää kohottaa pH:ta niin korkealle, että olisi vaaraa massan tummumisesta.

20 (0073) Kuviossa 17 esitetään keksinnön erään kolmannentoista edullisen suoritusmuodon mukainen menetelmä hiilidioksidin tai kalkkimaidon lisäämiseksi paperimassan joukkoon. Kuvion suoritusmuodossa kyseinen kemikaali (kuviossa kalkkimaito) injektoidaan sakean massan joukkoon ennen kuin sakeamassa on laimennettu paperi-25 koneen perälaatikkosakeuteen. Myös tässä suoritusmuodossa on otettava huomioon δ ne lainalaisuudet, jotka liittyvät kalkkimaidon syöttöön kuitumassaan. Toisin sanoen

CNJ

o, kalkkimaitoa ei saa injektoida niin suurta määrää, että massan joukossa oleva mekaa- o ^ ninen massa tai sitä sisältävä uusiomassa lähtisi tummumaan. Luonnollisesti, mikäli

CVJ

kuitumassa ei sisällä tummumistaipumuksen omaavaa massaa, ei kyseistä rajoitetta

CC

30 ole. Toinen vaihtoehto estää massan tummuminen on syöttää hiilidioksidi hyvin nope- co asti kalkkimaidon jälkeen, jolloin massan tummumista ei ehdi tapahtumaan.

δ

CO

o ° (0074) Edellä käsitellyissä kuvioissa kaavamaisesti esitetyt injektointilaitteet ovat edul lisesti Wetend Technologies Oy:n TrumpJet™ tuotenimellä markkinoimia ja mm. US-35 patenteilla 6,659,636, 7,234,857 suojattuja laitteita, joiden erästä rakennevaihtoehtoa on kaavamaisesti esitetty kuviossa 18. Kyseisten laitteiden toiminnalle on ominaista, 28 että niillä injektoidaan päävirtaan sekoitettava aine, kemikaali tai materiaali päävirtaan nähden poikittaisessa suunnassa olennaiselle osalle päävirtaa, jolloin kyseisen aineen, kemikaalin tai materiaalin sekoittuminen tasaisesti päävirtaan tapahtuu nopeammin kuin millään muulla tunnetulla laitteella. Riippuen päävirtaa kuljettavan virtaus-5 putken koosta ja poikkileikkauksen muodosta injektiolaitteita voi olla useampia, esimerkiksi neljä, järjestettynä tasaisin välimatkoin virtausputken ympärille. Toinen olennainen ominaisuus kyseisille injektiolaitteille on se, että niissä kyseisen aineen, yh-teestä 40 tulevan kemikaalin tai materiaalin injektointi tapahtuu yhteen 42 kautta syötettävän injektointinesteen avulla siten, että kyseinen injektointineste kantaa sekoitet-10 tavan aineen putkessa 44 virtaavan päävirran sekaan. Kyseisenä injektointinesteenä voidaan käyttää joko raakavettä, erilaisia suodoksia sekä eri sakeuksisia kuitususpen-sioita. Toisin sanoen edellä käsitellyissä kuvioissa kuvatuissa suoritusmuodoissa kalk-kimaitoa ja hiilidioksidia syöttävissä sekoittimissa voidaan edullisesti käyttää injektointinesteenä paperikoneen viiravettä, kuiduntalteenoton suodosta, paperikoneelle vietä-15 vää sekoitussäiliöstä tulevaa paperimassaa tai jopa jotakin paperinvalmistuksen kuitupitoista jaetta tai kuitukomponenttia joko laimennettuna perälaatikkosakeuteen tai sakeampana.

(0075) Kuvioissa 19a - 19d esitetään kuvion 18 mukaista laitetta käyttäen saatu se-20 koitusprofiili ajan funktiona. Koelaitteistona on virtausputki (paperikoneen perälaatikon halkaisijaltaan 800 mm oleva syöttöputki), jonka kehälle on järjestetty tasaisin (90 asteen) välein kuvion 18 mukaisia injektiolaitteita. Kuvio 19a esittää sekoitustilanteen metrin etäisyydellä kemikaalin injektiokohdasta. Voidaan huomata, että kemikaali peittää jo noin puolet putken poikkileikkauksesta, vaikkakaan kemikaali ei ole riittävän ta-25 saisesti jakautunut putken poikkileikkaukselle. Kuvio 19b esittää sekoitusprofiilia yhden o sekunnin kuluttua kemikaalin syötöstä. Havaitaan, että kemikaali on jo levittäytynyt lä- c\j o, hes koko putken poikkileikkaukselle, sekoituksen tasaisuudessa on vielä parannetta- o ^ vaa. Kuviossa 19c kuvataan sekoitusprofiilia kahden sekunnin kuluttua kemikaalin syö-

C\J

töstä. Kemikaali on sekoittunut niin hyvin, että seuraava prosessivaihe tai -laite voitai-

CC

30 siin sijoittaa jo tähän kohtaan. Kuviossa 19d kuvataan sekoitusprofiilia kolmen sekun- g nin kuluttua kemikaalin syötöstä. Sekoituksen taso paranee edelleen, esimerkiksi ^ poikkeamat liuoksen tai suspension väkevyydessä huippujen välillä ovat alle 10 % ja o ° keskimääräinen hajonta on alle 5 %.

35 29 (0076) Kuviossa 20 esitetään tekniikan tason mukaisen syöttölaitteen, jolla siis kemikaalin, täyteaineen tai vastaavan sallitaan virrata suhteellisen pienellä paine-erolla vir-tausputkeen, toimintaa. Kuvion 20 aikajanasta käy ilmi, että noin sekunnin kuluttua lisäaineen syötöstä se on levinnyt vain hyvin pienelle osalle virtausputken virtauspoikki-5 pinta-alaa ja noin kahden sekunnin kuluttua lisäaineen syötöstä se on levinnyt virtauksen luontaisen turbulenssin vaikutuksesta noin viidennekselle virtausputken poikkipinta-alasta. Aikajanan alapuolinen ruutu kuvaa lisäaineen sekoitusastetta aikajanan oikeassa päässä (6 ... 20 sekuntia syötöstä). Ruutu näyttää sekoitettavan lisäaineen (vaaleammat alueet) olevan vielä suhteellisen yhtenäisinä alueina päävirtauksen sisäl-10 lä. Mittausten mukaan ns. peak-to-peak hajonta on yli 50 %. Käytännön kokemusten perusteella tekniikan tason mukaista syöttölaitetta voidaan käyttää, jos syöttökohdasta paperikoneen perälaatikolle on noin 6 ... 20 sekunnin virtausaikaa vastaava matka eli metreissä noin 20 - 60 metriä.

15 (0077) Kuvio 21 näyttää vastaavanlainen esityksen TrumpJet™ syöttölaitetta käyttäen syntyvästä sekoituksesta. Kuvion tilanteessa virtausputken kehälle on järjestetty viisi TrumpJet™ syöttölaitetta tasaisin kehän suuntaisin välimatkoin. Kuvion aikajana esittää samoin, kuinka jo noin sekunnin kuluttua lisäaineen syötöstä se on levinnyt olennaiselle osalle (noin 90 %) virtausputken poikkipinta-alaa. Kahden sekunnin kuluttua 20 lisäaineen syötöstä lisäaine on levinnyt käytännössä tasaisesti virtaukseen ja kolmen sekunnin etäisyydellä kemikaali on sekoittunut niin hyvin, että TrumpJet™ syöttölaitteen etäisyyden perälaatikosta ei tarvitse olla kuin 5-10 metriä ottaen huomioon se, että sekoittumista tapahtuu myös itse perälaatikon putkistossa. Aikajanan alapuolinen ruutu näyttää lisäaineen sekoitusasteen kolmen sekunnin kuluttua lisäaineen syötöstä. 25 Peak-to-peak hajonta on mittausten mukaan alle 10 %:n luokkaa, ollen jo kahden se- δ kunnin kuluttua syötöstä alle 15 %.

c\j i O) o ^ (0078) Edellä esitellyt suoritusmuodot kuvaavat yksinomaan PCC:n saostusta paperi en massaan. Koska kuitenkin paperin valmistuksessa on tarpeen käyttää myös monia

CC

30 muita lisäaineita tai -kemikaaleja, seuraavassa käydään läpi muutamien sellaisten co edullisia syöttökohtia verrattuna PCC:n saostukseen. Keksinnön erään edullisen suori- g tusmuodon mukaan kaikki tai ainakin olennaisesti kaikki paperikoneen märkäosan tar- o ° vitsemat kemikaalit annostellaan PCC- saostuksen jälkeen. Lähinnä tällöin tulevat ky seeseen retentiokemikaalit, kuten esimerkiksi polymeeri, bentoniitti, ja silikaatti, erilai-35 set liimat, erikoispigmentti, optinen kirkaste ja vaahdonestoaine. Toisaalta joissakin olosuhteissa on myös perusteltua syöttää osa kemikaaleista ennen PCC- saostusta.

30 (0079) Edellä esitetyistä lukuisista suoritusmuodoista on ymmärrettävä, että kyseiset injektoinnit voidaan toteuttaa suihkuttamalla virtaukseen sekoitettavaksi aiottu neste tai kaasu virtaukseen erityisen syöttö- tai injektionesteen avulla. Edelleen on ymmärrettä- 5 vä, että mainittu injektio- tai syöttöneste voi olla käytännössä mitä tahansa nestettä lähtien puhtaasta vedestä, erilaisista kuiturainan valmistuksessa syntyvistä tai sen yhteydessä käsitellyistä kirkkaista ja sameista suodoksista aina erilaisia kuitukomponent-teja käsittäviin kuitususpensioihin tai niiden yhdistelmiin saakka. Edullisimmin injektionesteenä käytetään paperimassaa.

10 (0080) Edellä ei ole vielä käsitelty mainittujen kemikaalien ominaisuuksia tai lähdettä juuri ollenkaan. Kuitenkin kannattaa huomata, että keksinnössä voidaan käyttää joko puhdasta hiilidioksidia tai savukaasuista C02:n talteenottolaitokselta tai muista vastaavista lähteistä saatavaa ja/tai erotettavaa hiilidioksidia. Samoin kalkkimaito voidaan 15 valmistaa paikan päällä sammuttamattomasta kalkista tai sitä voidaan, jos mahdollista, tuoda jostakin läheisestä sellutehtaan kemikaalien talteenottolaitoksesta. Kokeissa on havaittu edulliseksi, että kalkkimaitoa käytetään prosessilämpötilassa (perälaatikko-lämpötila tai se lämpötila, joka kalkkimaidolla on esimerkiksi joko sammutuksen jälkeen tai talteenottolaitoksesta otettuna), tavallisimmin 40 - 80 °C. Lämmin kalkkimaito 20 estää tehokkaasti esimerkiksi saostumien ja mikrobikasvustojen syntyä. Lisäksi verrattuna tekniikan tason prosesseihin, joissa on käytetty runsaasti energiaa jäähdytykseen, on keksinnön mukainen in-line PCC’n valmistus huomattavasti tekniikan tason prosesseja energiataloudellisempi.

25 (0081) Edellä esitettyjen PCC:n valmistuksen eri suoritusmuotojen yhteydessä voi- S daan käyttää esimerkiksi seuraavassa kuvattuja säätöjärjestelmiä. Eräänä lähtÖkOhta-

CM

(j) na voidaan pitää täyteaineen määrää. Toisin sanoen, kun halutaan, että täyteainetta o ^ syntyy tietty määrä, määritetään joko hiilidioksidin tai kalkkimaidon annostelu lasken ee nallisesti siten, että päästään haluttuun PCC:n määrään. Tämän jälkeen järjestetään ^ 30 toisen kemikaalin syöttö suhteessa toisen laskennallisesti määritettyyn annostukseen.

cg Tämä suhteellisen yksinkertainen säätöjärjestelmä pätee silloin, kun PCC:n määrä on g pienehkö eli hiilidioksidia ei pyritä annostelemaan enempää kuin käytettävissä olevaan o ° nesteeseen on mahdollista liuottaa.

35 (0082) Silloin, kun pyritään kehittämään maksimaalinen määrä PCC:tä, on lähtökohta na jatkuvatoimisen PCC -valmistuksen säätöjärjestelmässä se, että prosessiin syötet- 31 tävän hiilidioksidin määrän ylärajaksi asetetaan sellainen laskennallinen arvo, että hiilidioksidi liukenee täydellisesti nesteeseen. Tosin voidaan myös ajatella, että etenkin tilanteessa, jossa hiilidioksidi ja kalkkimaito injektoidaan olennaisen samanaikaisesti niin, että ne pääsevät reagoimaan välittömästi, hiilidioksidin reagoiminen kalkkimaidon 5 kanssa vapauttaa hiilidioksidin liuotuskapasiteettia, jolloin voidaan ajatella esimerkiksi noin 10-20 %:n suuruista hiilidioksidin yliannostusta. Luonnollisesti otetaan huomioon, että hiilidioksidin liukoisuus on riippuvainen paineesta ja lämpötilasta sekä myös nesteen pH- luvusta. Koska kuitenkin käytännön tilanteissa liikutaan suhteellisen pienellä pH- alueella, ei pH:n vaikutusta ole otettu mukaan säätöjärjestelmään. Kalsium-10 hydroksidin (Ca(OH)2) määrän ylärajaksi asetetaan kalsiumkarbonaatin valmistuskaa-van mukainen kalkkimaidon ja hiilidioksidin stökiömetrisestä suhteesta laskettu arvo vähennettynä 5 %:lla, eli Ca(OH)2 :n määrä on mCa(0H)2/mC02 - 5% = 56/44 - 5 % = 1,2 x C02:n määrä. Mainittu viiden prosentin vähennys siksi, että halutaan aina turvata pieni hiilidioksidiylimäärä. Kun näin lähtöaineiden sallitut ylärajat on asetettu, voi-15 daan säätöjärjestelmälle kertoa PCC:n määrän asetusarvo, jonka pohjalta säätöjärjestelmä ohjaa sekä kalkkimaidon että hiilidioksidin syötön määrän. Laskennassa Ca(OH)2:n ja C02:n suhde on kaskadikytkennässä toisiinsa nähden. Tällä tarkoitetaan sitä, että, jos toinen tai molemmat syöttömäärät ovat liian suuret edellä säätöjärjestelmälle annettuihin ylärajoihin nähden, säätöpiiri estää liian suuren PCC:n asetusarvon 20 syötön. Tällöin säätöjärjestelmä voidaan ohjelmoida joko pyytämään uutta PCC:n ase-tusarvoa tai laskemaan maksimaalisen sallittavan PCC:n asetusarvon.

(0083) Säätöjärjestelmään kuuluu lisäksi se, että PCC:n valmistusprosessiin on järjestetty sekä kalkkimaidon pH:n ja johtokyvyn mittaus ennen PCC:n valmistusta että syn-25 tyvän PCC:n pH:n ja johtokyvyn mittaus. PCC:n valmistuksen jälkeisille mittareille an-S netaan raja-arvot, jotka määrittävät PCC:n valmistuksen tapahtumaan normaalioloissa

CM

^ tietyn sovellutuskohtaisesti määräytyvän pH- ja johtokykykäytävän sisällä. Mainittujen o ^ raja-arvojen ylitys puoleen tai toiseen ohjaa säätöjärjestelmää kohti tasopainotilaa

CM

C02:n määrää säätämällä. Raja-arvojen ulkopuolelle sijoitettujen hälytysrajojen ylityk- * 30 set antavat hälytyksen ja siirtävät PCC:n valmistuksen ohjauksen käsiajolle. PCC:n saostuksen jälkeen mitataan vielä pH-luku. Jos pH poikkeaa ylöspäin 0,5 yksikköä g edellisestä pH -mittauksesta, tuote jälkihapotetaan joko pienellä määrällä hiilihappoa o <3 tai jollakin muulla heikolla hapolla.

35 (0084) Kuten edellä esitetystä käy ilmi, on kehitetty uusi ja tekniikan tason PCC- pro sesseista selkeästi erottuva prosessi. Edellä esitetyistä eri suoritusmuodoista on ym- 32 märrettävä, että niillä ei ole millään muotoa tarkoitus rajata keksintöä siitä, mikä on esitetty keksinnön suojapiiriksi oheisissa patenttivaatimuksissa. Samoin on ymmärrettävä, että yksityiskohtia keksinnön eri suoritusmuodoista voidaan soveltaa toisissa suoritusmuodoissa niin kauan kuin se on teknisesti mahdollista.

5

C\J

δ c\j O) o

CM

X

cc

CL

CO

CO

δ co o o

CM

Claims (42)

1. Menetelmä kalsiumkarbonaatin saostamiseksi kuiturainakoneen lyhyessä kierrossa kiteiksi viilaavan kiintoaineksen joukkoon ja/tai pinnoille syöttämällä lyhyen 5 kierron nestevirtaukseen hiilidioksidia ja kalkkimaitoa ja antamalla näiden reagoida keskenään, tunnettu siitä, että syötetään hiilidioksidia joko nesteeseen/suspensioon liuotettuna tai kaasumaisena injektoimalla sitä injektointinesteen avulla mainittuun virtaukseen yhdestä tai useammasta suuttimesta olennaisen poikittain mainitun nestevir-tauksen virtaussuuntaan nähden niin, että hiilidioksidi levittyy olennaisen tasaisesti 10 mainittuun nestevirtaukseen riippumatta mainitun nestevirtauksen virtausolosuhteista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalkkimaito syötetään mainittuun virtaukseen injektoimalla yhdestä tai useammasta suuttimesta poikittain mainitun nestevirtauksen virtaussuuntaan nähden niin, että se 15 levittyy olennaisen tasaisesti mainittuun nestevirtaukseen riippumatta mainitun nestevirtauksen virtausolosuhteista.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilidioksidi ja/tai kalkkimaito sekoitetaan nestevirtaukseen siten, että sen ja/tai niiden 20 hajonta kolmen sekunnin kuluttua syöttöhetkestä on alle 15 %.

4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että injektoinnissa käytettävä syöttönopeus on minimissään kolme maksimissaan viisitoista kertaa mainitun nestevirtauksen virtausnopeus, edullisesti vii- 25 den ja kymmenen välillä, δ c\j cf)

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, o ^ että mainittu injektointi suoritetaan erityistä syöttönestettä käyttämällä. CVJ X

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että injektointines- co teenä käytetään ainakin yhtä seuraavista: kuiturainakoneelta saatava suodos, ^ kuiturainakoneelta saadun ja käsitellyn suodoksen jokin komponentti, kuiturai- o ° nan valmistukseen käytettävä kuitususpensio, kuiturainan valmistuksessa käy tettävän kuitususpension jokin kuitu- tai muu komponentti. 35

7. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu nestevirtaus on kiintoainetta sisältävä suodosvirtaus.

8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että mainittu nestevirtaus on kuitususpensio.

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu nestevirtaus on kuitususpensio, johon ainakin yksi paperimassan kuitukomponentti on sekoitettu. 10

10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin joko hiilidioksidi tai kalkkimaito injektoidaan mainittuun nestevirta-ukseen ottamalla mainitusta nestevirtauksesta sivuvirtaus, johon hiilidioksidi tai kalkkimaito injektoidaan käyttämällä injektointinesteenä jotakin kuiturainan 15 valmistuksen kuitukomponenttia, minkä jälkeen mainittu sivuvirtaus syötetään mainittuun nestevirtaukseen.

11. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin joko hiilidioksidi tai kalkkimaito injektoidaan mainittuun nestevirta- 20 ukseen ottamalla mainitusta nestevirtauksesta sivuvirtaus, johon hiilidioksidi tai kalkkimaito injektoidaan käyttämällä injektointinesteenä jotakin kuiturainan valmistuksen ns. sakeamassakomponenttia, minkä jälkeen mainittu sivuvirtaus syötetään mainittuun nestevirtaukseen.

12. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, δ että ainakin joko hiilidioksidi tai kalkkimaito injektoidaan mainittuun nestevirta- CNJ o, ukseen ottamalla mainitusta nestevirtauksesta sivuvirtaus, johon hiilidioksidi tai o ^ kalkkimaito injektoidaan käyttämällä injektointinesteenä jotakin kuiturainan CVJ valmistuksen suodosta tai jotakin sen komponenttia, minkä jälkeen mainittu si- CC 30 vuvirtaus syötetään mainittuun nestevirtaukseen. CO co

13. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, o ° että ainakin joko hiilidioksidi tai kalkkimaito injektoidaan mainittuun nestevirta ukseen injektoimalla mainittu hiilidioksidi tai kalkkimaito yhteen kuiturainan 35 valmistuksessa käytettävään kuitukomponenttiin tai näiden seokseen, minkä jälkeen muodostunut suspensio syötetään mainittuun nestevirtaukseen.

14. Patenttivaatimuksen 10, 11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sivuvirtaus injektoidaan mainittuun nestevirtaukseen.

15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu suspensio injektoidaan mainittuun nestevirtaukseen.

16. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilidioksidin ja/tai kalkkimaidon kanssa injektoidaan nestevirtaukseen jota- 10 kin muuta paperinvalmistuksen lisäainetta.

17. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilidioksidi ja kalkkimaito injektoidaan paperinvalmistuksen suodoksen joukkoon, minkä jälkeen paperimassan eri kuitukomponentit injektoidaan suo- 15 doksenjoukkoon.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitut kui tukomponentit injektoidaan kukin omana virtauksenaan suodoksen joukkoon yhdestä tai useammasta suuttimesta olennaisen poikittain mainitun suodoksen 20 virtaussuuntaan nähden niin, että kyseinen virtaus levittyy olennaisen tasaisesti mainittuun suodokseen riippumatta mainitun suodoksen virtausolosuhteista.

19. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilidioksidi ja kalkkimaito injektoidaan mainittuun nestevirtaukseen olen- 25 naisen samanaikaisesti. C\J δ c\j ci)

20. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, o ^ että hiilidioksidi injektoidaan nestevirtaukseen siten, että se ehtii liueta ennen CvJ kalkkimaidon injektointia. £ 30

21. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, g että hiilidioksidi injektoidaan prosessipaineessa olevaan nestevirtaukseen. o o CVJ

22. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 35 että hiilidioksidi injektoidaan prosessipainetta korkeammassa paineessa ole vaan nestevirtaukseen.

23. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilidioksidin ja/tai kalkkimaidon syötön määrää säädetään halutun PCC:n määrän funktiona. 5

24. Patenttivaatimuksen 23 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään ensin halutun PCC- määrän pohjalta laskennallisesti ensimmäisen kemikaalin, hiilidioksidi tai kalkkimaito, määrä, jonka jälkeen ohjataan toisen kemikaalin, kalkkimaito tai hiilidioksidi, syöttöä suhteessa ensimmäisen kemikaalin syöt- 10 töön.

25. Patenttivaatimuksen 23 tai 24 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilidioksidin syöttöä ohjataan niin, että hiilidioksidia annostellaan yli sen stökiömetri-sen tarpeen. 15

26. Patenttivaatimuksen 23, 24 tai 25 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että PCC:n valmistusta valvotaan mittaamalla prosessin pH- lukua ennen ja jälkeen PCC:n saostuksen.

27. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalkkimaito syötetään nestevirtaukseen prosessilämpötilassa.

28. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalkkimaito syötetään nestevirtaukseen 40 - 80 °C lämpötilassa. 25 C\J δ

29. Kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, johon kuuluu ainakin laitteet suodok- CNJ o, sen vastaanottamiseksi kuiturainakoneelta, laitteet kuitumassan valmistami- o ^ seksi ainakin kuiturainakoneelta saatavasta suodoksesta ja erilaisista kuitu- ja CVJ täyteainekomponenteista sekä virtausputkisto pumppauslaitteistoineen kuitu- £ 30 massan johtamiseksi sen valmistuksesta kuiturainakoneen perälaatikolle, tun- c§ nettu siitä, että lähestymisjärjestelmä on varustettu yhdellä tai useammalla hii- g lidioksidin injektointilaitteella, joka/jotka on asetettu olennaisen poikittain vir- o ° tausputkiston akselin suhteen hiilidioksidin injektoimiseksi kuitumassaan ja että mainitussa injektointilaitteessa on tuloyhteet joko kaasumaiselle tai nestee- 35 seen/suspensioon liuotetulle hiilidioksidille ja injektointinesteelle sekä suu- tinaukko, josta hiilidioksidi tai sen liuos injektoidaan yhdessä injektointinesteen kanssa ja sen avulla kuitumassan joukkoon.

30. Patenttivaatimuksen 29 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, 5 tunnettu siitä, että lähestymisjärjestelmä on varustettu yhdellä tai useammalla kalkkimaidon injektointilaitteella, joka/jotka on asetettu poikittain virtausputkis-ton akselin suhteen kalkkimaidon injektoimiseksi kuitumassaan ja että mainitussa injektointilaitteessa on tuloyhteet kalkkimaidolle ja injektointinesteelle sekä suutinaukko, josta kalkkimaito injektoidaan yhdessä injektointinesteen kansio sa ja sen avulla kuitumassan joukkoon.

31. Patenttivaatimuksen 29 tai 30 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu injektointinesteen tuloyhde on liitetty virtaus-tiellä kuitumassan virtausputkistoon järjestettyyn yhteeseen injektointinesteen 15 ottamiseksi sivuvirtauksena virtausputkistosta.

32. Patenttivaatimuksen 29 tai 30 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu injektointinesteen tuloyhde on liitetty virtaus-tiellä mainittuihin suodoksen vastaanottolaitteisiin. 20

33. Patenttivaatimuksen 29 tai 30 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu injektointinesteen tuloyhde on liitetty virtaus-tiellä jonkin kuitumassan valmistuksessa käytettävän kuitukomponentin vir-tauskanavaan. 25 C\J δ

34. Patenttivaatimuksen 31, 32 tai 33 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjes- CNJ cf) telmä, tunnettu siitä, että mainittuun virtaustiehen on järjestetty pumppu injek- o ^ tointinestevirtauksen paineistamiseksi. CVJ X cc

35. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 29 - 34 mukainen kuiturainakoneen lä- c§ hestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainittuun lähestymisjärjestelmään g kuuluu perälaatikolle johtavasta kuitumassan virtausputkistosta eroava sivuvir- o ° tauskanava, jonka yhteyteen mainitut laitteet hiilidioksidin ja/tai kalkkimaidon injektoimiseksi on järjestetty. 35

36. Patenttivaatimuksen 35 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu sivuvirtauskanava on varustettu pumpulla ja kuris-tusventtiilillä sivuvirtauksen paineistamiseksi.

37. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 29 - 36 mukainen kuiturainakoneen lä hestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainitut hiilidioksidin tai kalkkimaidon injektointilaitteet on liitetty kuitumassan valmistuksesta kohti massan laimennusta johtavaan putkilinjaan.

38. Patenttivaatimuksen 37 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainitut kalkkimaidon tai hiilidioksidin injektointilaitteet on liitetty laimennettua kuitumassaa perälaatikolle vievään kuitumassan virtaus-putkistoon.

39. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 29 - 38 mukainen kuiturainakoneen lä hestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi laitteet kuitumassan lajittelemiseksi, jotka lajittelulaitteet koostuvat ainakin yhdestä painelajitti-mesta, mahdollisesti myös pyörrepuhdistimista.

40. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 29 - 39 mukainen kuiturainakoneen lä hestymisjärjestelmä, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi laitteet kaasun erottamiseksi kuitumassasta.

41. Patenttivaatimuksen 39 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, 25 tunnettu siitä, että mainitut injektointilaitteet sijoittuvat mainittujen lajittelulait- δ teiden ylävirran puolelle. CVJ i O) o

^ 42. Patenttivaatimuksen 40 mukainen kuiturainakoneen lähestymisjärjestelmä, CVJ tunnettu siitä, että mainitut injektointilaitteet sijoittuvat mainittujen kaasunero- CC 30 tuslaitteiden ylävirran puolelle. co co δ oo o o CVJ