WO2020038979A1 - Vorrichtung und verfahren zum fraktionieren von längliche partikel enthaltenden suspensionen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum fraktionieren von längliche partikel enthaltenden suspensionen Download PDF

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WO2020038979A1
WO2020038979A1 PCT/EP2019/072336 EP2019072336W WO2020038979A1 WO 2020038979 A1 WO2020038979 A1 WO 2020038979A1 EP 2019072336 W EP2019072336 W EP 2019072336W WO 2020038979 A1 WO2020038979 A1 WO 2020038979A1
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WO
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fractionation
suspension
annular channel
opening
distributor
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/072336
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schmid
Stefan RADL
Jakob Dominik REDLINGER-POHN
Original Assignee
Papierholz Austria Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D5/00—Purification of the pulp suspension by mechanical means; Apparatus therefor
    • D21D5/02—Straining or screening the pulp

Definitions

  • the present invention relates to a device for fractionating an elongate particle-containing suspension comprising a plurality of essentially tubular fractionation devices and at least one distributor which can be connected to an inlet opening of each fractionation device, each of the essentially tubular fractionation devices having a tubular at least via one Part of its length has a flow area surrounded by an annular channel and a method for fractionating suspensions containing elongate particles, in which the suspension is introduced into a substantially tubular fractionation device by means of a distributor, the flow through the flow area of the essentially tubular fractionation device a network of the particles contained in the suspension, which are formed by an essentially annular region of the Suspensi are surrounded with a reduced particle concentration, at least part of the suspension, preferably the part with reduced particle concentration, is at least partially discharged into an annular channel.
  • Fractionation processes as well as devices therefor are of great importance for various industrial productions, e.g. for the production of building materials or in the pulp and paper industry.
  • more and more used paper has recently been recycled in order not to waste valuable raw materials or to fractionate native fiber materials in order to change their properties.
  • waste paper is of very different origins and depending on what the paper was originally used for, the fiber fraction used in the paper used also differs. It is therefore necessary to fractionate fibers of different lengths, which are contained in paper or native fiber materials, in order to be able to bring them to the desired recycling.
  • Fractionation of the input material which contains particles, in particular cellulose fibers of different lengths, is also of essential importance in the production of packaging materials, since packaging materials usually consist of several layers of kraft paper and waste paper, printing paper or writing paper.
  • packaging materials usually consist of several layers of kraft paper and waste paper, printing paper or writing paper.
  • the separation of fine materials or fractions with fibers with lengths that are shorter than 200 pm is also of increasing importance, since in particular these fine materials can have a negative impact on the production of paper, as they make the drainage rate in the paper production more difficult or slow it down.
  • Hydrocyclones are currently used in the pulp and paper industry in addition to their function as cleaning devices and also as fractionation devices, a separation being achieved in the cyclone due to the differences in the settling speed of the particles.
  • pulp fibers in hydrocyclones are separated based on their cell wall thickness, i.e. Hydrocyclones are used to separate early wood from late wood, for example.
  • the fractionation efficiency is very dependent on the consistency of the feed, a low consistency of the feed resulting in a higher fractionation efficiency.
  • hydrodynamic fractionation a fiber network is formed in the interior of a flow channel, in which a wall layer of the flow channel remains essentially free of elongated fibers or particles. This zone contains at most very short particles or fine substances.
  • the present invention now aims to improve the hydrodynamic fractionation process and a device suitable therefor to the extent that it can be used industrially on the one hand and is also suitable for streams with Reynolds numbers above 10,000 and moreover suspensions can be used which have a high Have content of particles of different lengths.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that an end of the flow area facing away from an inlet opening has an essentially conical connecting piece, which conical connecting piece has a tapered part towards its inlet end, possibly in has a tube with an enlarged cross section opening and an outlet articulated to the connector opening in the annular channel, which has a fractionation slot opening in the direction of flow at a substantially acute angle between the flow area and the annular channel, the annular channel opening into a collecting chamber, that a fractionation device or a further distributor is articulated to an outlet opening of each distributor and that at least one further fractionation device is optionally connected to the outlet opening of each fractionation device, optionally with the interposition of an intermediate piece provided with a flushing opening.
  • a fractionation device By designing the device in such a way that an end of the flow area facing away from an inlet opening has a substantially conical connecting piece, a fractionation device is created which, in comparison to conventional fractionation devices, has no sharp corners or edges, so that it remains stuck or Accumulation of elongated particles or fibers, for example cellulose fibers, cannot be carried out at the edges or only with great difficulty and thus the entrance area can be kept in the annular channel.
  • the conical connecting piece furthermore has an outlet opening which is tapered towards its inlet end, possibly opening with a tube with an enlarged cross-section, the fiber network contained in the suspension can be broken open for a short time, possibly including in the fiber network Fine substances and short fibers reach the edge area of the conical connecting piece through a mixing process.
  • elongated particles mean any solid particle that has a greater longitudinal than transverse extension, such as cellulose fibers, plastic fibers or the like.
  • the outlet opening of each fractionation device is connected to at least one further fractionation device, optionally with the interposition of an intermediate piece provided with a flushing opening.
  • the rinsing opening is of particular importance in so far that, despite the special geometry of the device for fractionation, lumps of elongated particles or stuck elongated particles that are formed can be quickly flushed out of the device by diluting the suspension and can be fed to a further fractionation.
  • the particle concentration can be adjusted through the rinsing opening, so that optimal conditions can be guaranteed in all the fractionation devices, which are also arranged in series.
  • such a fractionation device can be operated both stationary and non-stationary, which means that an inlet flow rate and an inlet fiber concentration can be variable over time, ie the speed of the flow can change as well as the fiber concentration in the suspension containing elongated particles.
  • at least one distributor is arranged in front of each fractionation device, which, as corresponds to a development of the invention, as an essentially at least two-pronged fork-shaped Power distributor is formed.
  • the feed stream can be divided equally into two fractionation devices without an undesirable accumulation of elongated particles in the distributor, in particular at the fork point of the distributor.
  • a so-called "strand flake” is formed in the annular channel .
  • a strand flake arises only in an annular channel, the ratio of the channel diameter to the average fiber length being less than 5;
  • the formation of the strand flake depends on the inlet geometry in the annular channel, the acceleration at the entrance to the annular channel and the fiber characteristics. It may be necessary to disperse the fiber before entering the annular channel; the fibers can be dispersed, for example, by introducing the suspension containing elongated particles into the sorting stage.
  • a strand flake which is not or poorly formed and thus a poorly formed network can in particular result in the fiber flakes which are firmly connected to one another being separated and pulled as a whole into the annular opening. If such pulling of firmly connected fiber flakes occurs in the opening, selective fractionation of the suspension containing long fibers cannot be guaranteed, just as the blockage-free operation of the device cannot be guaranteed in the case of an undesirably composed suspension.
  • the device according to the invention is further developed in such a way that a bottom region of the distributor which is essentially opposite an inlet pipe of the power distributor and is arranged between the outlet pipes is rounded, an accumulation of elongated particles becomes due to the geometry of the distributor, especially in the fork area, with certainty that losses or undesired relocation of the device are also avoided.
  • a distributor it is also possible to break up particle agglomerates contained in the suspension and thus to distribute a uniform distribution of the particles contained in the suspension evenly in both outlet pipes of the distributor.
  • the particle agglomerates are broken up essentially by introducing swirls, which swirls can be formed with the aid of a diffuser or also moving internals or various other geometries which are not explained in more detail here.
  • a cascade of power distributors can be arranged one behind the other, as corresponds to a development of the invention. With such a configuration, it is of course possible that the cross section of each individual distributor differs from the cross section of the previous distributor in that the cross section of the inlet pipe of the first distributor is larger or with a larger diameter than that of the respective subsequent distributor.
  • Such a cascade of power distributors makes it possible to form several 100 or 1,000 de outlet openings, each of which is connected to a fractionation device. It is of course possible to combine the cascade of power distributors provided according to the invention with any distributors known from the prior art.
  • An example of such a known distributor is a central distributor or also a cross-flow distributor, of which, for example, the central distributor can be used as a pre-distributor, in particular due to its very good damping effect, and the cross-flow distributor, in particular due to its advantageous geometry.
  • the invention is further developed in such a way that a ratio of an inner diameter of the flow area to a characteristic length of the elongated particles is chosen between 1 and 5, preferably between 2 and 3 , By choosing the ratio between the inside diameter of the flow area to the average fiber length of the elongated particles, it is ensured that a characteristic pressure loss characteristic is achieved which is essentially congruent with that of water.
  • the characteristic length of the elongated particles is understood to mean the length-weighted average length, without taking into account the fraction of fine material possibly contained in the suspension, which is typically determined by a particle length of less than 200 ⁇ m.
  • the collection chamber has a multiple of the volume of the annular channel.
  • the device is designed in such a way that the collecting chamber is articulated, for example, as an annular collecting chamber on the annular channel.
  • the Collection chamber on a cross-sectional area enlarged in relation to an overall cross-section of the flow area. It goes without saying that, according to the present invention, a plurality of parallel fractionation geometries can also be connected in one step directly to a single, correspondingly large-sized collection chamber.
  • the fractionation slot is designed as an uninterrupted annular gap in order in turn to reliably prevent long particles sticking to parts protruding into the interior of the fractionation device.
  • the fractionation slot is preferably dimensioned in such a way that its opening is between 0.05 times and 1.5 times the average particle length of the particles flowing through the annular channel. With such a dimensioning of the fractionation slot, it can be ensured that the full extent of the flow area can be used for fractionation and that it is not narrowed in a disadvantageous manner.
  • small slot widths which correspond to 0.05 times the average particle length of the particles flowing through the annular channel or larger in terms of the separation behavior have proven to be particularly preferred, since it is possible to use elongated particles, for example fibers made of softwood pulp, for example an average particle length of 2 to 3 mm, in particular 2.2 mm, without cutting off any blockage or laying of the ring-shaped channel from the suspension.
  • the device is designed such that a ratio of the inside diameter of the flow area to a characteristic length of the elongated particles is between 1 and 5, preferably 3.
  • this corresponds to an inside diameter of a flow area of the essentially tubular fractionation device between 3 mm and 12 mm, preferably between 4 mm and 10 mm and in particular between 6 mm and 8 mm.
  • Such an inside diameter is chosen in accordance with the liquid flow, a pressure drop of the suspension containing elongate particles being produced in agreement with a pressure drop of water with the same process bonds.
  • the essentially conical connecting piece has a conical jacket with a radius. Since the essentially conical connecting piece has a curvature or a radius, in particular a curvature of the cone shell inwards, an embodiment is created which has no sharp corners or edges, so that elongated particles, for example cellulose fibers, become trapped and in particular get caught. inside the device becomes almost impossible and thus stable and energy-saving operation of the device can be achieved.
  • a reliable sliding of entrained elongated particles from the walls of the device is achieved according to a further development of the invention in that the connections of the essentially conical connecting piece with the adjacent elements of the fractionation device, in particular the flow area, the annular channel and the intermediate piece, are rounded off are.
  • the rounded design of all the connecting parts and also the acute angle of the articulation of the annular channel to the conical connecting piece ensures that the elongated particles slide on the individual parts of the device and makes it almost impossible for the device to be trapped by particles which have got caught ,
  • a deposition of other particles possibly contained in the suspension containing the elongated particles is also reliably prevented.
  • the invention further aims to provide a method with which it is possible to process suspensions in such a way that the elongated particles contained can also be separated from streams with a Reynolds number greater than 10,000.
  • the Reynolds numbers given in the present context relate to the viscosity of water at 25 ° C ⁇ 2 ° C.
  • a method for fractionating a suspension containing elongated particles is essentially characterized in that the essentially tubular fractionation device is operated with a Reynolds number of more than 10,000 and in that a flow of the suspension enriched with elongated particles is either discharged through an outlet opening is or optionally introduced into at least one further fractionation device, optionally with the interposition of an intermediate piece provided with a flushing opening.
  • the tendency to block inside the device can be reduced as much as possible so that a high concentration of the elongated particles is only achieved inside a flow area, which further reduces a tendency to block the device.
  • a ring current is generated inside the flow area.
  • fine material is drawn out of the network of long particles that is located inside the annular channel, whereby the desired fractionation can be further improved.
  • the essentially conical connecting piece has only a low reduction rate, ie a low towards the cone, the tendency to relocate it is further reduced.
  • the formation of the thin liquid film close to the wall also ensures that the wall friction in the annular channel is kept low and blocking of the channel is thus essentially prevented.
  • a liquid film is formed along the wall of the ring-shaped channel, which contains almost no elongated particles, and by forming this liquid film close to the wall, the wall friction in the channel is kept low and thus counteracts blocking of the channel.
  • the Reynolds number of the suspension in the fractionation device is selected between greater than 10,000 and 100,000, preferably greater than 15,000 inside the device, as this corresponds to a development of the invention, it is not only possible to fractionate suspensions with a higher particle concentration in the process according to the invention but in particular to increase the throughput through the device to such an extent that the device and the method can be used on an industrial scale.
  • this is selected such that the suspension containing elongated particles with a crowding number of the elongated particles in the liquid between 60 and 360, in particular about 200, is introduced into the flow area.
  • the diameter in particular the diameter here becomes the inner diameter understood
  • the flow range is selected as described above, it is possible to drastically reduce the area of the open surface compared to conventional devices, in particular, for example, by a factor of about 300.
  • such a procedure on an industrial scale can be significant fewer number of fractionation devices are used than has been described in the prior art.
  • the crowding number is that of R.J. Kerekes and C.U. Schell, Characterization of Fiber Flocculation by a Crowding Factor. J. Pulp Paper Sc. 18, 1 (1992), 32-38 understood which crowding number represents a factor which is the mean number of fibers which are in a spherical control volume, the sphere diameter of which corresponds to the mean fiber length in the suspension , Are defined.
  • the method is designed such that the suspension is introduced through a plurality, in particular a cascade, of distributors into a plurality of fractionation devices corresponding to a number of the discharge openings of the distributors.
  • FIG. 1 shows a section through a schematic representation of an essentially tubular fractionation device according to the invention
  • FIG. 2 shows a section through a multi-channel module with distributors around four essentially tubular fractionation devices according to the invention.
  • a diameter or inner diameter of the flow area 4 of the essentially tubular fractionation device 1 preferably has a ratio of the inner diameter of the flow area to the average particle length between 1 and 5, preferably 3. In a conventional pulp suspension, such a ratio corresponds to an inside diameter of the flow area 4 between 3 mm and 12 mm, preferably between 4 mm and 10 mm and in particular between 6 mm and 8 mm.
  • An essentially conical connecting piece 5 is articulated at the outlet end of the flow area 4, from which an annular channel 6 branches off from the conical connecting piece 5.
  • the annular channel 6 here forms an acute angle with the flow area 4, the conical connecting piece 5 being designed in such a way that the inner walls thereof are slightly curved in order to prevent the elongated particles contained in the suspension from getting caught.
  • a fractionation slot 7 is formed, the slot width of which is selected so that it is essentially not blocked by the elongated particles contained in the suspension, but is so small as to reliably prevent excessive entrainment of elongated particles ,
  • a slot width between 0.05 times and greater than the average particle length of the particles flowing through the annular channel is preferably selected, slot widths of approximately 0.25 times the average particle length being preferred.
  • a discharge opening 8 of the flow area 4 opens into a collecting chamber 9, which collecting chamber 9 can be designed, for example, as a trough. Instead of a collecting chamber 9, however, the device can also be designed such that the collecting chamber 9 is designed as an intermediate piece, to which intermediate piece a further flow area 4 is articulated.
  • a rinsing opening or a rinsing valve 10 can be provided, as shown in FIG. 1, to ensure that essentially elongated particles do not get caught or to dilute the suspension to the concentration that is optimal for them.
  • the annular channel 6, by means of which the ring flow formed in the flow area 4 is derived from liquid which does not contain any of the particles belonging to the long fiber fraction defined in advance, in turn opens into a collecting chamber 11, which collecting chamber 11 has a cross section which is one with respect to an overall cross section of the flow area 4 is enlarged, thereby ensuring a laminar or stress-free inflow of the drawn-off liquid into the collecting chamber 11 and a uniform removal of the liquid can be ensured over the entire circumference of the annular channel 6.
  • the collecting chamber 11 has a volume which exceeds that of the annular channel 6 by a multiple.
  • a suspension at 2 is now introduced into the flow area 4.
  • a ring stream is now formed in the interior thereof, the liquid flowing on the tube wall of the flow area 4 contains almost no fibers or elongated particles or at most fine substances with an extremely short length and in the center essentially a stream enriched with particles is formed, the Concentration of the particles inside or in the middle area of the flow area 4 is significantly higher than in the area of its tube wall.
  • a liquid film is formed along the wall of the annular channel, which contains almost no elongated particles, and by forming this liquid film close to the wall, the wall friction in the channel is kept low and blockage of the channel is thus avoided.
  • each fractionation device 1 is connected to an essentially at least two-pronged fork-shaped distributor 12, in particular current distributor 12, as shown in FIG. 2.
  • a bottom region 15 of the distributor 12 which is opposite to an outlet pipe r 13 and is arranged between the outlet pipes 14, is rounded off.
  • Such a rounded design of the base region 15 of the distributor 12 also ensures in the distributor 12 that it is not displaced by elongated particles or particle clumps which have got stuck and in particular a uniform inflow and a uniform distribution of the suspension in both outlet pipes 14 is ensured.
  • a cascade of distributors 12 is arranged one behind the other for use on an industrial scale in order to achieve a multiplication of the number of fractionation devices 1 which are fed by one and the same feed.
  • the inflow is shown schematically at 16 in FIG. 2.
  • fractionation devices 1 are designed essentially as shown in FIG. 1, wherein a further discussion of these fractionation devices 1 does not appear to be necessary here.
  • the four fractionation devices 1 are connected to a common collecting basin 17, into which the suspension enriched with elongated particles is discharged. If a further equalization of the particle size of the particles contained in the suspension is desired, a further row of essentially tubular fractionation devices can be articulated on the first row of fractionation devices 1 and thus further batches of small particles or fine substances from the suspension be carried out.
  • such a device can have more than 1,000 individual fractionation devices 1 or can be enlarged as desired.
  • the fractionation achieved with the process control is not limited exclusively to the lower concentration range, but can also extend into the higher concentration range, with fractionation taking place regardless of the concentration.
  • the separation from a homogeneous batch with respect to the particle size of, for example, cellulose fibers from a suspension containing cellulose fibers of different lengths, for example from waste paper is industrial without the use of excessive energy, as is the case, for example, with pressure sorters possible with almost no loss of material.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung (1) zum Fraktionieren einer längliche Partikel enthaltenden Suspension umfassend eine Mehrzahl von im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtungen (1) sowie wenigstens einen mit einer Einlauföffnung (2) jeder Fraktionierungseinrichtung (1) verbindbaren Verteiler (12), wobei jede der im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtungen (1) einen rohrförmigen wenigstens über einen Teil seiner Länge von einem ringförmigen Kanal (6) umgebenen Durchflussbereich (4) aufweist, weist ein von einer Einlauföffnung abgewandtes Ende des Durchflussbereichs (4) ein im Wesentlichen konisches Verbindungsstück (5) auf, welches konische Verbindungsstück (5) eine gegenüber seinem Einlassende verjüngte, gegebenenfalls in ein Rohr mit vergrößertem Querschnitt mündende Austrittsöffnung (8) besitzt sowie einen am Verbindungsstück (5) angelenkten in dem ringförmigen Kanal (6) mündenden Austritt, welcher in Strömungsrichtung einen in einem im Wesentlichen spitzen Winkel zwischen dem Durchflussbereich (4) und dem ringförmigen Kanal (6) mündenden Fraktionierungsschlitz (7) aufweist, wobei der ringförmige Kanal (6) in einer Sammelkammer (11) mündet.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM FRAKTIONIEREN VON LÄNGLICHE PARTIKEL ENTHALTENDEN SUSPENSIONEN
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fraktionieren einer längliche Partikel enthaltenden Suspension umfassend eine Mehrzahl von im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtungen sowie wenigstens einen mit einer Einlauföff- nung jeder Fraktionierungseinrichtung verbindbaren Verteiler, wobei jede der im Wesentli- chen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtungen einen rohrförmigen wenigstens über einen Teil seiner Länge von einem ringförmigen Kanal umgebenen Durchflussbereich auf- weist sowie ein Verfahren zum Fraktionieren von längliche Partikel enthaltenden Suspensionen, bei welchem die Suspension mittels eines Verteilers in eine im Wesentlichen rohrförmige Fraktionierungseinrichtung eingebracht wird, wobei bei einem Durchströmen des Durchflussbereichs der im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtung ein Netzwerk der in der Suspension enthaltenen Partikel, die von einem im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bereich der Suspension mit verringerter Partikelkonzentration umgeben sind, ausgebildet wird, wobei zumindest ein Teil der Suspension, vorzugsweise der Teil mit verringerter Partikelkonzentration wenigstens teilweise in einen ringförmigen Kanal abgeleitet wird.
Fraktionierungsverfahren ebenso wie Vorrichtungen hierfür sind für verschiedene indu- strielle Produktionen von großer Bedeutung, z.B. für die Herstellung von Baumaterialien oder in der Zellstoff- und Papierindustrie. Insbesondere in der Papierindustrie wird in letzter Zeit immer mehr bereits gebrauchtes Papier rezykliert, um wertvolle Rohstoffe nicht zu verschwenden bzw. native Faserstoffe zu fraktionieren, um deren Eigenschaften zu verändern. Beispielsweise ist Altpapier jedoch von unterschiedlichster Herkunft und je nachdem, wofür das Papier ursprünglich verwendet wurde, ist auch die verwendete Faserfraktion im dem eingesetzten Papier unterschiedlich. Es ist daher erforderlich Fasern verschiedener Längen, die in Papier oder nativen Faserstoffen enthalten sind, entsprechend zu fraktionieren, um sie der jeweils gewünschten Verwertung zuführen zu können.
Auch bei der Herstellung von Verpackungsmaterialien ist eine Fraktionierung des Einsatzmaterials, welches Partikel, insbesondere Zellulosefasern unterschiedlicher Länge enthält, von wesentlicher Bedeutung, da Verpackungsmaterialien üblicherweise aus mehreren Schichten aus Kraftpapier und Alt-, Druckereipapier oder Schreibpapier bestehen. Auch das Abtrennen von Feinmaterialien bzw. von Fraktionen mit Fasern mit Längen, die kürzer als 200 pm sind, ist von steigender Bedeutung, da insbesondere diese Feinstoffe die Pa- pierherstellung negativ beeinflussen können, da sie die Entwässerungsrate in der Papier- herstellung erschweren bzw, verlangsamen.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Fraktio- nierung von Suspensionen die Partikel unterschiedlicher Längen enthalten, wobei diese Fraktionierungsverfahren mehrere Anforderungen erfüllen müssen. Einerseits sollten sie energieeffizient sein und andererseits geringe Investitions- und Betriebskosten aufweisen, umweltverträglich sein, technisch zuverlässig sein und eine hohe Flexibilität der Anpas- sung an verschiedene Betriebsbedingungen besitzen.
Gegenwärtig werden Hydrozyklone in der Zellstoff- und Papierindustrie neben ihrer Funktion als Reinigungseinrichtungen auch als Fraktionierungseinrichtungen verwendet, wobei in dem Zyklon eine Trennung aufgrund der Unterschiede in der Absetzgeschwindigkeit der Teilchen erreicht wird. Insbesondere werden Zellstofffasern in Hydrozyklonen aufgrund ihrer Zellwandstärke getrennt, d.h. Hydrozyklone werden verwendet, um beispielsweise Frühholz von Spätholz zu trennen. Allerdings ist bei derartigen Verfahren die Fraktionierungseffizienz sehr stark von der Stoffdichte des Eintrags abhängig, wobei eine niedrige Stoffdichte des Eintrags in einer höheren Fraktionierungseffizienz resultiert.
Eine andere gegenwärtig bekannte Methode ist die Verwendung von sogenannten Druck- sortierern, mit welchen das zu fraktionierende Material gesiebt wird, d.h. die Größe der Siebschlitze bzw. -löcher ist von größter Bedeutung. Weiterhin wird bei einem derartigen Verfahren bzw. einer derartigen Vorrichtung ein Druckimpuls, der ein Blockieren der Sieb- löcher verhindern soll, durch einen Rotor aufgebaut. Die Rotorgeschwindigkeit hat bei einem derartigen Verfahren vor allem einen Einfluss auf den Energieverbrauch. Effizient arbeitende Drucksortierer für Fraktionierungszwecke bringen daher bedeutend höhere Energiekosten mit sich als Drucksortierer die für Sortier- oder Reinigungszwecke eingesetzt werden.
J.D. Redlinger-Pohn et al, Length-selective Separation of cellulose fibres by hydrodynamic fractionation, Chem. Eng. Res. Des. 126 (2017) 54-66 haben bereits das Prinzip der spontanen hydrodynamischen Fraktionierung beschrieben. Bei der hydrodynamischen Fraktionierung wird ein Fasernetzwerk im Inneren eines Stromkanals ausgebildet, bei wel- chem eine Wandschicht des Stromkanals im Wesentlichen frei von länglichen Fasern bzw. Partikeln bleibt. Enthalten in dieser Zone sind höchstens ganz kurze Partikel oder Feinstoffe. Indem nun ein Teil der Suspension, nämlich jener, der sich entlang der Wand- Schicht ausbildet, aus dem Flusskanal entfernt wird, beispielsweise durch Anordnen eines Seitenkanals bzw. Zweigkanals wird eine Fraktionierung in einen Teil der Suspension, welcher längere Partikel enthält und eine Phase die überwiegend Flüssigkeit und beispielsweise nur Feinstoffe oder ganz kurze Partikel enthält, erreicht. Dieses Prinzip ist ähnlich der hydrodynamischen Filtration, welche insbesondere in Mikrofluidvorrichtungen angewandt wird, um beispielsweise nicht kugelförmige Zellen von kugelförmigen Teilchen abzutrennen. Dieses an sich stabil arbeitende Verfahren hat jedoch einige Nachteile. Das Abziehen des Flüssigkeitsstroms, der sich im Wandbereich des Stromkanals ausbildet, geschieht durch einen rückwärts gerichteten Kanal, bei nicht optimaler Wahl der Geome- trie, welche zwischen dem Hauptstromkanal und dem rückwärts gerichteten Kanal ausge- bildet ist, es zu einem Verlegen des rückwärts gerichteten Kanals kommt und eine intermittierende Spülung notwendig ist. Überdies wurde festgestellt, dass die Grenzfläche zwi- schen dem Inneren des Stromkanals gebildeten Netzwerks aus länglichen Partikeln und der Wandschicht sehr stark von der Reynolds-Zahl in dem Stromkanal abhängt. Bei nied- rigen Reynolds-Zahlen bis Reynolds 1.500 wird eine scharfe Grenzfläche erreicht. Wenn die Reynolds-Zahl ansteigt wird die Dicke des am Rand des Stroms aus der partikelhaltigen Suspension gebildeten Ringstroms kleiner. Aufgrund der limitierten Reynoldszahl kann das Verfahren nicht wirtschaftlich eingesetzt werden. Ein weiterer Nachteil des be- kannten Verfahrens ist, dass es im Wesentlichen für Mikrofluid-Anwendungen gedacht ist. Eine Vergrößerung einer derartigen Vorrichtung bis zu einem industriellen Maßstab, insbesondere eine Vervielfachung der Durchfluss- bzw. Stromkanäle ebenso wie eine Erhöhung des Gehalts an länglichen Partikeln in der Suspension wurde nicht für möglich gehalten, obwohl das Verfahren eine Mehrzahl von Vorteilen gegenüber anderen bekannten Verfahren, wie insbesondere einen extrem niedrigen Energieverbrauch aufweist, da kei- nerlei rotierende Teile zur Fraktionierung notwendig sind.
Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, das hydrodynamische Fraktionierungsverfahren sowie eine dafür geeignete Vorrichtung soweit zu verbessern, dass sie einerseits industriell anwendbar wird und auch für Ströme mit Reynolds-Zahlen über 10.000 geeig- net ist und überdies Suspensionen eingesetzt werden können, welche einen hohen Ge- halt an Partikeln unterschiedlicher Länge aufweisen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass ein von einer Einlauföffnung abgewandtes Ende des Durch- flussbereichs ein im Wesentlichen konisches Verbindungsstück aufweist, welches konische Verbindungsstück eine gegenüber seinem Einlassende verjüngte, gegebenenfalls in ein Rohr mit vergrößertem Querschnitt mündende Austrittsöffnung besitzt sowie einen am Verbindungsstück angelenkten in dem ringförmigen Kanal mündenden Austritt, welcher in Strömungsrichtung einen in einem im Wesentlichen spitzen Winkel zwischen dem Durchflussbereich und dem ringförmigen Kanal mündenden Fraktionierungsschlitz aufweist, wobei der ringförmige Kanal in einer Sammelkammer mündet, dass gegebenenfalls an einer Austrittsöffnung von jedem Verteiler eine Fraktionierungseinrichtung oder ein weiterer Verteiler angelenkt ist und dass gegebenenfalls an der Austrittsöffnung von jeder Fraktionierungseinrichtung wenigstens eine weitere Fraktionierungseinrichtung gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines mit einer Spülöffnung versehen Zwischenstücks angeschlossen ist. Indem die Vorrichtung so ausgebildet ist, dass ein von einer Einlauföffnung abgewandtes Ende des Durchflussbereichs ein im Wesentlichen konisches Verbindungs- stück aufweist, wird eine Fraktionierungsvorrichtung geschaffen, welche im Vergleich zu herkömmlichen Fraktionierungseinrichtungen keine scharfen Ecken bzw. Kanten aufweist, so dass ein Hängenbleiben bzw. Ansammeln von länglichen Partikeln bzw. Fasern, bei- spielsweise Zellulosefasern, an den Kanten nicht bzw. nur sehr schwer erfolgen kann und somit ein Verlegen des Eingangsbereichs in den ringförmigen Kanal hintangehalten werden kann. Indem, wie dies einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung entspricht, weiterhin das konische Verbindungsstück ein gegenüber seinem Einlassende verjüngte, gegebenenfalls mit einem Rohr mit vergrößertem Querschnitt mündende Austrittsöffnung aufweist, gelingt ein kurzzeitiges Aufbrechen des in der Suspension enthaltenen Faser- netzwerks, wodurch möglicherweise im Fasernetzwerk eingeschlossene Feinstoffe und Kurzfasern durch einen Durchmischungsprozess in den Randbereich des konischen Ver- bindungsstücks gelangen. Indem der Austrittsbereich so gestaltet ist, dass der ringförmige Kanal im Wesentlichen in einem spitzen Winkel zu dem Durchflussbereich der Fraktionierungseinrichtung angeordnet ist und durch die spezielle Konstruktion des Verbindungsstücks wird ein zuverlässiger Abtransport des Ringstroms, der nur eine geringe Menge an länglichen Partikeln bzw. keinerlei größeren Partikel darin aufweist, mit Sicherheit gewährleistet.
Indem weiterhin der ringförmige Kanal in einer Sammelkammer mündet, wird ein zuverlässiger Abtransport der Flüssigkeitscharge, welche lediglich Feinstoffe, d.h. längliche Partikel oder beliebig geformte Partikel mit einer Faserlänge von weniger als 200 pm und/oder der oben definierten Kurzfaserfraktion angehörige längliche Partikel, wie z.B. Partikel mit einer vorab definierten Faserlänge von z.B. weniger als 400 pm, 800 pm oder 1000 pm oder kürzer, welche auch als Feinstoffe bezeichnet werden, enthält, gewährleistet. Unter länglichen Partikeln wird im vorliegenden Fall jedes Feststoffteilchen gemeint, das eine größere Längs- als Quererstreckung aufweist, wie z.B. Zellulosefasern, Kunststoff- fasern oder dgl.
Für eine industrielle Anwendung einer derartigen Vorrichtung ist es erforderlich, dass eine Mehrzahl von derartigen Fraktionierungseinrichtungen hintereinander angeordnet ist, in welchem Fall die Austrittsöffnung von jeder Fraktionierungseinrichtung mit wenigstens einer weiteren Fraktionierungseinrichtung, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines mit einer Spülöffnung versehenen Zwischenstücks verbunden ist. Bei einer derartigen Ausbildung ist insbesondere die Spülöffnung dahingehend von Bedeutung, dass gegebenenfalls trotz der speziellen Geometrie der Vorrichtung zum Fraktionierung ausgebildete Klumpen aus länglichen Partikeln bzw. hängengebliebene längliche Partikel rasch durch Verdünnen der Suspension aus der Vorrichtung herausgespült werden und einer weiteren Fraktionierung zugeführt werden können. Zudem kann durch die Spülöffnung die Partikel- konzentration eingestellt werden, sodass optimale Bedingungen in allen auch hintereinander angeordneten Fraktioniereinrichtungen garantiert werden können.
Eine derartige Fraktionierungseinrichtung kann in der Praxis hierbei sowohl stationär als auch instationär betrieben werden, was bedeutet, dass eine Einlauf-Durchflussrate sowie eine Einlauf-Faserkonzentration über die Zeit variabel sein können, d.h. die Geschwindig- keit des Durchflusses kann sich verändern ebenso wie die Faserkonzentration in der läng- liche Partikel enthaltenden Suspension. Insbesondere um einen Eintrittsstrom in die Fraktionierungseinrichtung zu richten und insbesondere eine möglichst große Anzahl von Fraktionierungseinrichtungen parallel schal- ten zu können, ist vor jeder Fraktionierungseinrichtung wenigstens ein Verteiler angeordnet, der, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, als ein im Wesentlichen wenigstens zweizinkiger gabelförmiger Stromverteiler ausgebildet ist. Mit einem derarti- gen Stromverteiler gelingt es, den Zufuhrstrom in zwei Fraktionierungseinrichtungen gleichmäßig aufzuteilen, ohne dass eine unerwünschte Ansammlung von länglichen Parti- keln in dem Verteiler, insbesondere an dem Gabelungspunkt des Verteilers ausgebildet wird. Um ein reibungsfreies Funktionieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des entsprechenden Verfahrens zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass im ringförmigen Kanal eine sogenannte„Strangflocke“ ausgebildet wird. Gemäß einer Publikation von Duffy, G. G. & Abdullah, L. Fibre Suspension flow in small diameter pipes. Appita J. 56, 290-295 (2003), entsteht eine Strangflocke nur in einem ringförmigen Kanal, dessen Verhältnis aus Kanaldurchmesser und mittlerer Faserlänge kleiner als 5 ist; zudem ist die Ausbildung der Strangflocke abhängig von der Einlassgeometrie in den ringförmigen Kanal, der Beschleu- nigung am Eingang in den ringförmigen Kanal und der Fasercharakteristik. Dabei kann es notwendig sein, den Faserstoff vor Eintritt in den ringförmigen Kanal zu dispergieren; eine Dispergierung der Fasern kann beispielsweise durch Einbringung der längliche Partikel enthaltenden Suspension in der Sortierstufe erfolgen. Eine nicht bzw. schlecht ausgebil- dete Strangflocke und somit ein schlecht ausgebildetes Netzwerk kann insbesondere dazu führen, dass die miteinander fest verbundenen Faserfiocken abgetrennt werden und als Ganzes in die ringförmige Öffnung gezogen werden. Wenn ein derartiges in die Öffnung Ziehen von fest verbundenen Faserflocken eintritt, kann eine selektive Fraktionierung der lange Fasern enthaltenden Suspension nicht gewährleistet werden ebenso wie die bei einer nicht wünschenswert zusammengesetzten Suspension ein verstopfungsfreier Betrieb der Vorrichtung nicht gewährleistet werden kann.
Wenn, wie dies einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung entspricht, die erfindungs- gemäße Vorrichtung dahingehend weitergebildet ist, dass ein einem Zulaufrohr des Stromverteilers im Wesentlichen gegenüberliegender und zwischen den Auslaufrohren angeordneter Bodenbereich des Verteilers abgerundet ausgebildet ist, wird eine Anlagerung von länglichen Partikeln aufgrund der Geometrie des Verteilers, insbesondere im Gabelungsbereich mit Sicherheit hintangehalten, so dass Verluste bzw. ein unerwünschtes Verlegen der Vorrichtung ebenfalls vermieden werden. Weiterhin gelingt es mit einer derartigen Ausbildung eines Verteilers in der Suspension enthaltene Teilchenagglomerate aufzubrechen und somit eine gleichmäßige Verteilung der in der Suspension enthaltenen Partikel in beide Auslaufrohre des Verteilers gleichmäßig zu verteilen. Schließlich gelingt es durch Vorsehen einer Verengung im Bereich der Anlenkung der Auslaufrohre an dem Zulaufrohr eine Beschleunigung der Suspension in diesem Bereich und somit eine Dehn- strömung zu erreichen, mit welcher ein neuerliches Agglomerieren der in der Suspension enthaltenen länglichen Partikel mit Sicherheit hintangehalten werden kann. Das Aufbrechen der T eilchenagglomerate erfolgt hierbei im Wesentlichen durch ein Einbringen von Verwirbelungen, welche Verwirbelungen mit Hilfe eines Diffusors oder auch bewegten Einbauten oder verschiedenen anderen hier nicht näher zu erläuternden Geometrien ausgebildet werden können. Für eine industrielle Ausführung einer derartigen Vorrichtung kann, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, eine Kaskade von Stromverteilern hintereinander ange- ordnet sein. Bei einer derartigen Ausbildung ist es selbstverständlich möglich, dass der Querschnitt jedes einzelnen Verteilers sich von dem Querschnitt des vorhergehenden Verteilers dahingehend unterscheidet, dass der Querschnitt des Zulaufrohrs des ersten Verteilers größer bzw. mit größerem Durchmesser ausgebildet ist als jener des jeweils nachfolgenden Verteilers.
Durch eine derartige Kaskade von Stromverteilern ist es möglich, mehrere 100 bzw. 1.000de Auslauföffnungen auszubilden, welche jeweils mit einer Fraktionierungseinrichtung verbunden sind. Selbstverständlich ist es möglich, die erfindungsgemäß vorgesehene Kaskade von Stromverteilern mit beliebigen, aus dem Stand der Technik bekannten Verteilern zu kombinieren. Ein Beispiel eines derartigen bekannten Verteilers ist ein Zentralverteiler oder auch ein Querstromverteiler, von welchen beispielsweise der Zentralverteiler insbesondere aufgrund seiner sehr guten Dämpfungswirkung und der Querstromverteiler insbesondere aufgrund seiner vorteilhaften Geometrie gemäß der Erfindung als Vor- verteiler eingesetzt werden kann.
Um eine möglichst effiziente Abtrennung des im Inneren des Durchflussbereichs ausgebildeten, ringförmigen Flüssigkeitsstroms zu erreichen, ist die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass ein Verhältnis von einem Innendurchmesser des Durchflussbereichs zu einer charakteristischen Länge der länglichen Partikel zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 2 und 3 gewählt ist. Durch Wahl des Verhältnisses zwischen Innendurchmesser des Durchflussbereichs zur mittleren Faserläng der länglichen Partikel, wird sichergestellt, dass eine charakteristische Druckverlustkennlinie erreicht wird, die im Wesentlichen kongruent zu jener von Wasser ist.
Unter charakteristischer Länge der länglichen Partikel wird die längen-gewichtete mittlere Länge, ohne Berücksichtigung der möglicherweise in der Suspension enthaltenen Fein- stofffraktion, verstanden, welche typischerweise durch eine Partikellänge von weniger als 200 pm bestimmt ist.
So hat beispielsweise die Sammelkammer, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, ein Vielfaches des Volumens des ringförmigen Kanals. Insbesondere ist die Vorrichtung hierbei so ausgebildet, dass die Sammelkammer beispielsweise als ringförmi- ge Sammelkammer an dem ringförmigen Kanal angelenkt ist. Vorzugsweise weist die Sammelkammer eine in Bezug auf einen Gesamtquerschnitt des Durchflussbereichs ver- größerten Querschnittsbereich auf. Es erübrigt sich festzuhalten, dass gemäß der vorlie- genden Erfindung auch eine Mehrzahl von parallelen Fraktionierungsgeometrien in einer Stufe direkt mit einer einzigen entsprechend großvolumig ausgebildeten Sammelkammer verbunden werden kann.
Wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, ist der Fraktionierungsschlitz als nicht unterbrochener Ringspalt ausgebildet, um wiederum ein Hängenbleiben von längli chen Partikeln an in das Innere der Fraktioniervorrichtung vorragenden Teilen mit Sicher- heit hintanzuhalten. Vorzugsweise ist der Fraktionierungsschlitz hierbei so dimensioniert, dass seine Öffnung zwischen dem 0,05-fachen und dem 1 ,5-fachen der mittleren Partikellänge der durch den ringförmigen Kanal strömenden Partikel beträgt. Bei einer derartigen Dimensionierung des Fraktionierungsschlitzes kann sichergestellt werden dass der volle Umfang des Durchflussbereichs zu Fraktionierung genutzt werden kann und die- ser nicht in nachteiliger Weise verengt wird. Insbesondere haben sich kleine Schlitzweiten, die dem 0,05-fachen der mittleren Partikellänge der durch den ringförmigen Kanal strömenden Partikel entsprechen oder größer in Bezug auf das Trennungsverhalten als besonders bevorzugt erwiesen, da es damit gelingt, längliche Partikel, beispielsweise Fasern aus Weichholzzellstoff mit beispielsweise einer mittleren Partikellänge von 2 bis 3 mm, insbesondere 2,2 mm ohne irgendeine Verstopfung bzw. ein Verlegen des ringförmi- gen Kanals aus der Suspension abzutrennen.
Um insbesondere den Energieaufwand für die Fraktionierung niedrig zu halten, ist die Vorrichtung so ausgebildet ist, dass ein Verhältnis des Innendurchmessers des Durchflussbereichs zu einer charakteristischen Länge der länglichen Partikel zwischen 1 und 5, vorzugsweise 3 beträgt. Dies entspricht bei einer herkömmlichen Zellstoffsuspension einem Innendurchmesser eines Durchflussbereichs der im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungsreinrichtung zwischen 3 mm und 12 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 10 mm und insbesondere zwischen 6 mm und 8 mm. Ein derartiger Innendurchmes- ser wird in Übereinstimmung mit dem Flüssigkeitsstrom gewählt, wobei sich ein Druckabfall der längliche Partikel enthaltenden Suspension mit einem Druckabfall von Wasser unter gleichen Prozessbindungen übereinstimmend einstellt.
Mit einer derartigen Geometrie der Vorrichtung ist es nun überraschenderweise gelungen, ein Verlegen eines im Wesentlichen konischen Verbindungsstücks zu vermeiden. Eine weitere Verringerung der Tendenz, das im Wesentlichen konische Verbindungsstück durch hängengebliebene längliche Partikel zu verlegen, könnte dadurch erzielt werden, dass die Vorrichtung dahingehend weitergebildet ist, dass das im Wesentlichen konische Verbindungsstück einen einen Radius aufweisenden Kegelmantel aufweist. Indem das im Wesentlichen konische Verbindungsstück eine Krümmung bzw. einen Radius aufweist, insbesondere eine Krümmung des Kegelmantels nach innen, wird eine Ausbildung geschaffen, welche keinerlei scharfe Ecken oder Kanten aufweist, so dass ein Verlegen und insbesondere ein Hängenbleiben von länglichen Partikeln, beispielsweise Zellulosefasern, im Inneren der Vorrichtung nahezu unmöglich wird und somit ein stabiler und energiespa- render Betrieb der Vorrichtung erreicht werden kann.
Ein sicheres Abgleiten von mitgerissenen länglichen Partikeln von den Wänden der Vorrichtung wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, dass die Verbindungen des im Wesentlichen konischen Verbindungsstücks mit den benachbarten Ele- menten der Fraktionierungseinrichtung, insbesondere dem Durchflussbereich, dem ringförmigen Kanal und dem Zwischenstück abgerundet ausgebildet sind. Durch die abgerun- dete Ausbildung von sämtlichen Verbindungsteilen bzw. auch des spitzen Winkels der Anlenkung des ringförmigen Kanals an das konische Verbindungsstück wird ein Gleiten der länglichen Partikel an den einzelnen Teilen der Vorrichtung gewährleistet und ein Verle- gen der Vorrichtung durch hängengebliebene Partikel nahezu unmöglich gemacht. Selbstverständlich wird aufgrund der gewählten geometrischen Ausgestaltung der Vorrichtung auch eine Ablagerung von anderen gegebenenfalls in der längliche Partikel enthaltenden Suspension enthaltenen Teilchen mit Sicherheit hintangehalten. Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass durch die Wahl der Prozessbedingungen, wie die hohe im Durchflussbereich vorliegende Reynoldszahl, d.h. der hohen im Durchflussbereich vorliegenden Strömungsgeschwindigkeit und insbesondere der Geometrie der Vorrichtung, wie die Anordnung des nach rückwärts gerichteten ringförmigen Kanals und der Geometrie des Fraktionierungsschlitzes ein Verlegen des konischen Ver- bindungsstücks aufgrund der Ausbildung eines sehr hohen Geschwindigkeitsgradienten an der Wand des Durchflussbereichs, durch welchen die länglichen Partikel sicher in Strömungsrichtung mitgerissen werden, mit Sicherheit hintangehalten werden kann.
Mit einer derartigen Fraktionierungseinrichtung gelingt es nun überraschenderweise, eine präzise Fraktionierung eines längliche Partikel enthaltenden Flüssigkeitsstroms zu errei- chen, mit welcher auch Suspensionen, die eine höhere Konzentration an länglichen Partikeln aufweisen, sicher getrennt werden können.
Darüber hinaus wird durch eine höhere Reynoldszahl eine höhere Flussgeschwindigkeit bewirkt, was es ermöglicht, den Durchsatz der eingebrachten länglichen Partikel enthal- tenden Suspension zu erhöhen, wodurch es gelingt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die bei kompakten Abmessungen extrem energieeffizient arbeiten. Die Erfindung zielt weiterhin darauf ab, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem es gelingt, Suspensionen derart zu verarbeiten, dass auch aus Strömen mit einer Reynoldszahl von größer 10.000 die enthaltenen länglichen Partikel abgetrennt werden können. Die im vorliegenden Zusammenhang angeführten Reynoldszahlen beziehen sich auf die Viskosität von Wasser bei 25 °C ± 2 °C.
Ein Verfahren zum Fraktionieren einer längliche Partikel enthaltenden Suspension ist hierbei im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtung mit einer Reynolds-Zahl von über 10.000 betrieben wird, und dass ein mit länglichen Partikeln angereicherter Strom der Suspension durch eine Aus- trittsöffnung entweder ausgetragen wird oder gegebenenfalls in wenigstens eine weitere Fraktionierungseinrichtung, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines mit einer Spülöffnung versehen Zwischenstücks, eingebracht wird.
Mit einer derartigen Verfahrensführung gelingt es, die Blockierungstendenz im Inneren der Vorrichtung so weit wie möglich abzusenken, dass nur im Inneren eines Durchflussbereichs eine hohe Konzentration der länglichen Partikel erreicht wird, was eine Tendenz zum Blockieren der Vorrichtung weiter herabsetzt. Gleichzeitig wird ein Ringstrom im In- neren des Durchflussbereichs generiert. Hierbei gelingt es selbst bei den hohen Reynoldszahlen von über 10.000, dass ein dünner wandnaher Flüssigkeitsfilm bzw. ein aus- gedünnter Randbereich erhalten bleibt, so dass eine sichere Abtrennung von feinem Material aus der Suspension ohne gleichzeitig eine übermäßige Abtrennung von länglichen Partikeln aus dem Durchflussbereich zu generieren, gewährleistet werden kann. Durch diese Verfahrensführung wird feines Material aus dem Netzwerk von langen Partikeln, das sich im Inneren des ringförmigen Kanals befindet, heraus gezogen, wodurch die ange- strebte Fraktionierung noch weiter verbessert werden kann. Wenn überdies das im Wesentlichen konische Verbindungsstück nur eine geringe Reduktionsrate, d.h. einen gerin- gen Konus aufweist, wird die Tendenz zum Verlegen desselben weiter herabgesetzt. Durch die Ausbildung des dünnen wandnahen Flüssigkeitsfilms wird weiterhin gewährlei- stet, dass die Wandreibung im ringförmigen Kanal gering gehalten wird und somit ein Blockieren des Kanals im Wesentlichen hintangehalten wird.
Es bildet sich somit entlang der Wand des ringförmigen Kanals ein Flüssigkeitsfilm aus, der nahezu keine längliche Partikel enthält und durch das Ausbilden dieses wandnahen Flüssigkeitsfilms wird die Wandreibung im Kanal gering gehalten und somit einem Blockieren des Kanals entgegengehalten.
Hierbei ist eine Verfahrensführung, bei welcher Strömungsverhältnisse in der Durchfluss- einrichtung ausgebildet werden, mit welcher innerhalb des Betriebs Reynoldszahlen von über 10.000 aufrechterhalten werden können, extrem überraschend, da der Stand der Technik mit ähnlich konzipierten Vorrichtungen lediglich Reynoldszahlen im Bereich von maximal 4.000 handhaben konnte. Bei höheren Reynolds-Zahlen wurde im Stand der Technik der ringförmige Strom derart zerstört, dass eine Abtrennung von Flüssigkeit mit darin enthaltenem feinem Material nicht mehr möglich war. Lediglich durch die Modifika- tion der Vorrichtung, in welcher lediglich abgerundete Verbindungen vorliegenden und durch gezielte Wahl des Durchmesser zur mittleren Partikellänge gelingt es überraschen- derweise, auch Suspensionen mit höheren Feststoffgehalten zu verarbeiten und somit im Inneren der Vorrichtung Strömungen mit Reynolds-Zahlen von über 10.000 sicher und zu- verlässig zu verarbeiten.
Wenn im Inneren der Vorrichtung die Reynoldszahl der Suspension in der Fraktionie- rungseinrichtung zwischen größer 10.000 und 100.000, vorzugswese größer 15.000 gewählt wird, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, gelingt es nicht nur, Suspensionen mit einer höheren Partikelkonzentration in dem erfindungsgemäßen Verfahren zu fraktionieren sondern insbesondere den Durchsatz durch die Vorrichtung so weit zu erhöhen, dass die Vorrichtung und das Verfahren im industriellen Maßstab einge- setzt werden können.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses hierbei so gewählt, dass die längliche Partikel enthaltende Suspension mit einer Crowding-Nummer der länglichen Partikel in der Flüssigkeit zwischen 60 und 360, insbesondere etwa 200 in den Durchflussbereich eingebracht wird. Mit einer derartigen Verfahrensführung, in welcher der Durchmesser, insbesondere wird unter Durchmesser hier der Innendurchmesser verstanden, des Durchflussbereichs, wie oben beschrieben, gewählt wird, gelingt es, den Bereich der offenen Oberfläche gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen drastisch zu re- duzieren, insbesondere beispielsweise von um einen Faktor von etwa 300. Gleichzeitig kann mit einer derartigen Verfahrensführung im industriellen Maßstab eine bedeutend ge- ringere Anzahl von Fraktionierungseinrichtungen eingesetzt werden als dies im Stand der Technik beschrieben wurde. Dies gelingt insbesondere durch die Wahl eines geeigneten Rohrdurchmessers in Relation zur Faserlänge sowie einer Erhöhung der Konzentration der mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung getrennten Suspension sogar auf Crowding-Nummern von mehr als 200 und durch Erhöhung der Reynolds-Zahl in der in der Vorrichtung aufrecht erhaltenen Strömung auf Werte von über 10.000, wenn nicht sogar auf über 100.000. Die Reynolds-Zahl wird mit der Formel Re = vL/u berechnet, wobei v die Strömungsgeschwindigkeit, L die charakteristische Länge des Systems, d.h. des Durchflussbereichs der rohrförmigen Fraktionierungseinrichtung ist, und u die kinematische Viskosität der strömenden Flüssigkeit bedeutet. Mit einer derartigen Verfahrensführung gelingt es, das Strömungsregime unabhängig von der Reynoldszahl stabil zu halten.
Unter Crowding-Nummer wird hierbei die von R.J. Kerekes und C.U. Schell, Characte- risation of Fiber Flocculation by a Crowding Faktor. J. Pulp Paper Sc.18, 1 (1992), 32-38 verstanden, welche Crowding-Nummer einen Faktor darstellt, welcher die mittlere Anzahl an Fasern, die sich in einem kugelförmigen Kontrollvolumen aufhalten, dessen Kugeldurchmesser der mittleren Faserlänge in der Suspension entspricht, definiert.
Weiterhin gelingt es mit einer derartigen Verfahrensführung, eine im Wesentlichen laminare Strömung der länglichen Partikel enthaltenden Suspension im Inneren des Systems aufrecht zu erhalten, wodurch die Tendenz eines Verlegens der Vorrichtung mit einer Ansammlung von länglichen Partikeln weiter herabgesetzt wird und insbesondere der Energiebedarf für das Durchleiten weiter verringert werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren so ausgebildet, dass die Suspension durch eine Mehrzahl, insbesondere eine Kaskade von Verteilern in eine einer Zahl der Austragsöffnungen der Verteiler entsprechende Mehrzahl von Fraktionierungseinrichtungen eingebracht wird. Mit einer derartigen Verfahrensführung gelingt die großtechnische Trennung von Suspensionen, die längliche Partikel enthalten, rasch und unkompliziert und insbesondere unter geringstmöglichem Energieaufwand. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungs- beispielen näher erläutert. In diesen zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch eine schematische Darstellung einer im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein Mehrkanalmodul mit Verteilern um vier im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtungen gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine im Wesentlichen rohrförmige Fraktionierungseinrichtung 1 von längliche Partikel enthaltenen Suspensionen dargestellt, in welcher eine Suspen- sion bei 2 mit der Strömungsrichtung entsprechend dem Pfeil 3 in einen Durchflussbe- reich 4 eingetragen wird. Ein Durchmesser bzw. Innendurchmesser des Durchflussbereichs 4 der im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtung 1 weist vorzugsweise ein Verhältnis des Innendurchmessers des Durchflussbereichs zu mittlerer Partikellänge zwischen 1 und 5, vorzugsweise 3 auf. Ein derartiges Verhältnis entspricht bei einer herkömmlichen Zellstoffsuspension einem Innendurchmesser des Durchflussbereichs 4 zwischen 3 mm und 12 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 10 mm und insbesondere zwischen 6 mm und 8 mm. Am Austrittsende des Durchflussbereichs 4 ist ein im Wesentlichen konisches Verbindungsstück 5 angelenkt, von welchem konischen Verbindungsstück 5 ein ringförmiger Kanal 6 abzweigt. Der ringförmige Kanal 6 schließt hierbei einen spitzen Winkel mit dem Durchflussbereich 4 ein, wobei das konische Verbindungsstück 5 so ausgebildet ist, dass die Innenwände desselben geringfügig gekrümmt ausgebildet sind, um ein Hängenbleiben von in der Suspension enthaltenen länglichen Partikeln jedenfalls hintanzuhalten.
An der Mündung des ringförmigen Kanals 6 wird ein Fraktionierungsschlitz 7 ausgebildet, dessen Schlitzweite so gewählt ist, dass sie durch die in der Suspension enthaltenen länglichen Partikel im Wesentlichen nicht verlegt wird, jedoch so gering ist, um ein übermäßiges Mitreißen von länglichen Partikeln mit Sicherheit hintanzuhalten. Vorzugsweise ist eine Schlitzweite zwischen dem 0,05-fachen und größer der mittleren Partikellänge der durch den ringförmigen Kanal strömenden Partikel gewählt, wobei Schlitzweiten von etwa dem 0,25-fachen der mittleren Partikellänge bevorzugt sind. Eine Austragsöffnung 8 des Durchflussbereichs 4 mündet in einer Sammelkammer 9, welche Sammelkammer 9 beispielsweise als Trog ausgebildet sein kann. Anstelle einer Sammelkammer 9 kann die Vorrichtung jedoch auch so ausgebildet sein, dass die Sammelkammer 9 als Zwischenstück ausgebildet ist, an welchem Zwischenstück ein weiterer Durchflussbereich 4 angelenkt ist. Um in diesem Durchflussbereich der im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionie- rungseinrichtung 1 ein Hängenbleiben von im Wesentlichen länglichen Partikeln mit Sicherheit hintanzuhalten oder die Suspension auf die für sie optimale Konzentration zur Fraktionierung zu verdünnen, kann, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, eine Spülöffnung bzw. ein Spülventil 10 vorgesehen sein.
Der ringförmige Kanal 6, mit welchem der in dem Durchflussbereich 4 ausgebildete Ringstrom aus im Wesentlichen keine der vorab definierten Langfaserfraktion zugehörigen Partikeln enthaltenden Flüssigkeit abgeleitet wird, mündet seinerseits in einer Sammelkammer 11 , welche Sammelkammer 11 einen Querschnitt aufweist, der einen in Bezug auf einen Gesamtquerschnitt des Durchflussbereichs 4 vergrößert ist, wodurch ein laminares bzw. spannungsfreies Einströmen der abgezogenen Flüssigkeit in die Sammelkam- mer 11 gewährleistet wird und über den gesamten Umfang des ringförmigen Kanals 6 ein gleichmäßiges Abziehen der Flüssigkeit sichergestellt werden kann.
Die Sammelkammer 11 weist ein Volumen auf, welches jenes des ringförmigen Kanals 6 um ein Vielfaches übersteigt.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun eine Suspension bei 2 in den Durchflussbereich 4 eingetragen. In dessen Inneren bildet sich nun ein Ringstrom aus, dessen an der Rohrwandung des Durchflussbereichs 4 fließende Flüssigkeit nahezu keine Fasern bzw. länglichen Partikel enthält oder höchstens Feinstoffe mit extrem kleiner Länge und in dessen Zentrum im Wesentlichen ein mit Partikeln angereicherter Strom ausgebildet wird, wobei die Konzentration der Partikel im Inneren bzw. Im Mittelbereich des Durchflussbereichs 4 bedeutend höher ist als im Bereich seiner Rohrwandung. Hierbei bildet sich entlang der Wand des ringförmigen Kanals ein Flüssigkeitsfilm aus, der nahezu keine längliche Partikel enthält und durch dieses Ausbilden dieses wandnahen Flüssigkeitsfilms wird die Wandreibung im Kanal gering gehalten und somit ein Blockieren des Kanals vermieden. Dieser gering konzentrierte Suspensionsstrom wird an dem Austragsende aus dem Durchflussbereich 4 in das konische Verbindungsstück 5 eingetragen, in welchem aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der einzelnen Kanäle und den in der Vorrichtungen herrschenden Druck- bzw. Sogverhältnissen der ringförmige Flüssigkeitsstrom nahezu quantitativ und ohne Rückvermischung in den ringförmigen Kanal 6 abgezogen bzw. austragen wird und in der Folge in die Sammelkammer 11 eingebracht wird. Gleichzeitig wird der Strom, welcher eine erhöhte Konzentration an längeren Teilchen aufweist, bei der Austrittsöffnung 8 entweder in einen Sammler 17 eingebracht oder aber einer weiteren Fraktionierungseinrichtung zugeführt. Um nunmehr diese kleinbauende Vorrichtung für industrielle Anwendungen geeignet zu machen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung jede Fraktionierungseinrichtung 1 mit einem im Wesentlichen wenigstens zweizinkigen gabelförmigen Verteiler 12, insbesonde- re Stromverteiler 12 verbunden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. In einem derartigen Stromverteiler 12 ist ein einem Zu laufroh r 13 gegenüberliegender, zwischen den Auslaufrohren 14 angeordneter Bodenbereich 15 des Verteilers 12 abgerundet ausgebildet. Durch eine derartige abgerundete Ausbildung des Bodenbereichs 15 des Verteilers 12 wird auch im Verteiler 12 sichergestellt, dass dieser sich nicht durch hängengebliebene längliche Parti- kel bzw. Partikelklumpen verlegt und insbesondere ein gleichmäßiger Zustrom und eine gleichmäßige Verteilung der Suspension in beide Auslaufrohre 14 gewährleistet wird. Wie dies weiterhin in Fig. 2 ersichtlich ist, ist für einen Einsatz im Industriemaßstab eine Kas- kade von Verteilern 12 hintereinander angeordnet, um eine Vervielfältigung der Anzahl der Fraktionierungseinrichtungen 1 , welche durch ein und denselben Zulauf gespeist wer- den, zu erreichen. Der Zulauf ist in Fig. 2 schematisch mit 16 dargestellt.
Bei der Darstellung von Fig. 2 sind Fraktionierungseinrichtungen 1 im Wesentlichen wie in Fig. 1 abgebildet, ausgebildet, wobei ein weiteres Eingehen auf diese Fraktionierungsein- richtungen 1 hier nicht erforderlich erscheint. Bei der Darstellung in Fig. 2 sind die vier Fraktionierungseinrichtungen 1 mit einem gemeinsamen Sammelbecken 17 verbunden, in welches die mit länglichen Partikeln angereicherte Suspension ausgetragen wird. Wenn eine weitere Vergleichmäßigung der Teilchengröße der in der Suspension enthaltenen Teilchen gewünscht wird, kann eine weitere Reihe von im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtungen an der ersten Reihe von Fraktionierungseinrichtungen 1 an- gelenkt sein und so weitere Chargen an kleinen Teilchen bzw. Feinstoffen aus der Sus- pension ausgetragen werden.
In dem industriellen Einsatz kann eine derartige Vorrichtung mehr als 1.000 einzelne Fraktionierungseinrichtungen 1 aufweisen bzw. beliebig vergrößert werden.
Die mit der Verfahrensführung erreichte Fraktionierung ist hierbei nicht ausschließlich auf den Bereich geringerer Konzentration beschränkt, sondern kann auch in den Bereich höherer Konzentration hereinragen, wobei unabhängig von der Konzentration eine Fraktionierung jedenfalls stattfindet. Mit einer derartigen Vorrichtung und einem derartigen Verfahren ist insbesondere die Ab trennung von einer in Bezug auf die Partikelgröße homogenen Charge von beispielsweise Zellulosefasern aus einer Zellulosefasern unterschiedlicher Länge enthaltenden Suspen- sion, beispielsweise aus Altpapier industriell ohne Einsatz von übermäßig viel Energie, wie beispielsweise bei Drucksortierern nahezu ohne Materialverlust möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Fraktionieren einer längliche Partikel enthaltenden Suspension umfassend eine Mehrzahl von im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtungen (1) sowie wenigstens einen mit einer Einlauföffnung (5) jeder Fraktionierungseinrichtung (1) verbindbaren Verteiler (12), wobei jede der im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionie- rungseinrichtungen (1) einen rohrförmigen wenigstens über einen Teil seiner Länge von einem ringförmigen Kanal (6) umgebenen Durchflussbereich (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einer Einlauföffnung abgewandtes Ende des Durchflussbereichs (4) ein im Wesentlichen konisches Verbindungsstück (5) aufweist, welches koni- sche Verbindungsstück (5) eine gegenüber seinem Einlassende verjüngte, gegebenenfalls in ein Rohr mit vergrößertem Querschnitt mündende Austrittsöffnung (8) besitzt sowie einen am Verbindungsstück (5) angelenkten in dem ringförmigen Kanal (6) mündenden Austritt, welcher in Strömungsrichtung einen in einem im Wesentlichen spitzen Winkel zwischen dem Durchflussbereich (4) und ringförmigen Kanal (6) mündenden Fraktionierungsschlitz (7) aufweist, wobei der ringförmige Kanal (6) in einer Sammelkammer (9) mündet, dass gegebenenfalls an einer Austrittsöffnung von jedem Verteiler (12) eine Fraktionierungseinrichtung (1) oder ein weiterer Verteiler (12) angelenkt ist und dass gegebenenfalls an der Austrittsöffnung von jeder Fraktionierungseinrichtung (1) wenigstens eine weitere Fraktionierungseinrichtung (1) gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines mit einer Spülöffnung (10) versehen Zwischenstücks angeschlossen ist
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (12) als ein im Wesentlichen wenigstens zweizinkiger gabelförmiger Stromverteiler (12) ausgebil- det ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein einem Zulaufrohr (13) des Stromverteilers (12) im Wesentlichen gegenüberliegender und zwischen den Auslaufrohren (14) angeordneter Bodenbereich (15) des Verteilers abgerundet ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verengung im Bereich einer Anlenkung der Auslaufrohre (14) an dem Zulaufrohr (13) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kaskade von Stromverteilern (12) hintereinander angeordnet ist.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von einem Innendurchmesser des Durchflussbereichs (4) zu einer charakteristischen Länge der länglichen Partikel zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 2 und 3 gewählt ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fraktionierungsschlitz (7) als nicht unterbrochener Ringspalt ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkammer (9) an dem ringförmigen Kanal (6) angelenkt ist und dass ein Volumen der Sammelkammer (9) ein Vielfaches eines Volumens des ringförmigen Kanals (6) beträgt.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen konische Verbindungsstück (5) einen einen Radius aufweisenden Kegel- mantel aufweist.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbe- reiche des im Wesentlichen konischen Verbindungsstücks (5) mit den benachbarten Ele- menten der Fraktionierungseinrichtung (1), insbesondere dem Durchflussbereich (4), dem ringförmigen Kanal (6) und dem Zwischenstück abgerundet ausgebildet sind.
11. Verfahren zum Fraktionieren von längliche Partikel enthaltenden Suspensionen, bei welchem die Suspension mittels eines Verteilers (12) in eine im Wesentlichen rohrförmige Fraktionierungseinrichtung (1) eingebracht wird, wobei bei einem Durchströmen des Durchflussbereichs (4) der im Wesentlichen rohrförmigen Fraktionierungseinrichtung (1) ein Netzwerk der in der Suspension enthaltenen Partikel, die von einem im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bereich der Suspension mit verringerter Partikelkonzentration umgeben sind, ausgebildet wird, wobei zumindest ein Teil der Suspension, vorzugsweise der Teil mit verringerter Partikelkonzentration wenigstens teilweise in einen ringförmigen Kanal (6) abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen rohrförmi- gen Fraktionierungseinrichtung (1) mit Reynolds-Zahl von über 10.000 betrieben wird, und dass ein mit länglichen Partikeln angereicherter Strom der Suspension durch eine Austrittsöffnung entweder ausgetragen wird oder gegebenenfalls in wenigstens eine weitere Fraktionierungseinrichtung (4) gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines mit einer Spülöffnung (10) versehen Zwischenstücks eingebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die längliche Partikel enthaltende Suspension mit einer Crowding-Nummer der länglichen Partikel in der Flüs- sigkeit zwischen 60 und 360, insbesondere etwa 200 eingebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reynolds- zahl der Suspension in der Fraktionierungseinrichtung (4) zwischen größer 10.000 und 100.000, vorzugsweise größer 15.000 gewählt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren von jeder
Fraktionierungseinrichtung (4) eine im Wesentlichen laminare Strömung ausgebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension durch eine Mehrzahl, insbesondere eine Kaskade von Verteilern in eine einer Zahl der Austragsöffnungen der Verteiler entsprechende Mehrzahl von Fraktionierungseinrichtungen (4) eingebracht wird.
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