VOITH PAPER PATENT GmbH

Verfahren zur Entgasung und Zuführung einer Faserstoffsuspension zu einem Stoffauflauf oder einer Filtervorrichtung sowie Entqasungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuführung einer Faserstoffsuspension gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , 3 oder 14 sowie eine Entgasungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 26.

Derartige Verfahren werden z.B. zur Versorgung von Papier- oder Kartonmaschinen mit Faserstoffsuspension verwendet. Der Stoffauflauf bringt eine Faserstoffschicht auf ein vorbeilaufendes Sieb, das u.a. auch die Funktion des Eindickens ausübt. Die dazu benötigten Stoffzuführsysteme sind grundsätzlich bekannt. Die zuzuführende Faserstoffsuspension erhält den größten Teil der Fasern aus einer in der Stoffaufbereitungsanlage bereitgestellten Dickstoffsuspension. Letztere weist z.B. eine typische Konsistenz zwischen 2,5 und 5 % auf. Durch Zumischen von Verdünnungsflüssigkeit, z.B. Siebwasser der Papiermaschine wird die Konsistenz auf einen Wert abgesenkt, der für den Betrieb des Stoffauflaufes der Papiermaschine g ünstig ist. Zwar ist das Siebwasser optimal für diese Verdünnungsaufgabe geeignet, Probleme gibt es aber wegen des hohen Gasgehaltes, wobei der überwiegende Teil Luft ist. Der größte Anteil dieser Gase entweicht sehr schnell, dagegen müssen die Restgase oft aufwändig entfernt werden. Andernfalls würde die Qualität des hergestellten Papiers unzulässig herabgesetzt. Bekannte Lösungen sind große Entgasungsbehälter, in denen durch Evakuieren ein ständiger Unterdruck gehalten wird, der dem Dampfdruck der zu entgasenden Suspension entspricht. Das ist wirksam aber teuer.

Aus der US 6,723,205 B1 ist eine Entgasungspumpe für die Papiererzeugung bekannt, die mit einem einen zylindrischen Innenraum bildenden Rotor versehen ist, in dem die zugeführte Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft entgast werden kann. Das mit hoher Geschwindigkeit aus der Papiermaschine zugeführte Siebwasser liefert über eine in die Entgasungspumpe integrierte Turbine die Antriebsleistung für den Rotor. Nach dem Austritt aus der Entgasungspumpe wird die Flüssigkeit direkt in Mischstationen geführt, in denen der Faserrohstoff (Dickstoff) zugemischt wird.

Eine andere Anwendung von Verfahren dieser Art findet in der Aufbereitungsanlage ("Stoffaufbereitung") für die zur Verarbeitung auf der Papier- oder Kartonmaschine bestimmte Faserstoffsuspension statt. Bei Suspensionen mit relativ geringer Konsistenz, z.B. zwischen 0,5 % und 1 ,5 %, werden Filtervorrichtu ngen, insbesondere Scheibenfilter, zur Konsistenzerhöhung eingesetzt. Dabei kann die einzudickende Faserstoffsuspension einen Luftgehalt von mehreren Prozent haben, z.B. wenn sie vorher flotiert worden ist, um Störstoffe mit dem Flotationsschaum auszuscheiden. Der Betrieb von Scheibenfiltern und Pumpen wird durch höheren Luftgehalt nachteilig beeinflusst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem ein Stoffstrom zum Stoff auflauf oder zu einer Filtervorrichtung geführt wird, der ausreichend entgast ist. Es soll mit relativ geringem Aufwand auskommen und betriebssicher sein.

Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Stoffzuführsystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass für die Entgasung des Siebwassers oder der Faserstoffsuspension eine Entgasungsvorrichtung verwendet wird, die kompakt aufgebaut ist und dennoch eine gute Entgasung ermöglicht. Insbesondere ist es im Allgemeinen nicht erforderlich, große aufwändige Behälter zu verwenden, die im Betrieb wegen ihres großen Gewichtes das Gebäude stark belasten. Solche Behälter werden mit dem Dampfdruck der zu entgasenden Suspension betrieben, stehen also unter extremem Unterdruck mit den daraus resultierenden Festigkeitsanforderungen. Auch Vakuumsysteme mit großem Energieverbrauch werden für das erfindungsgemäße Verfahren nicht benötigt.

Besonders günstig ist das Verfahren bei Papiermaschinen anzuwenden, deren Siebgeschwindigkeit zwischen 800 und 1600 m/min liegt. Die Menge der im Siebwasser enthaltenen Luft hängt stark von der Siebgeschwindigkeit ab.

Das Verfahren kann auch angewendet werden, wenn eine Faserstoffsuspension - wie an sich bekannt - über ein Scheibenfilter geführt wird, um diese einzudicken. Ein solches Scheibenfilter lässt

einen bedeutend höheren Durchsatz zu, wenn der Luftge halt der zulaufenden Flüssigkeit abgesenkt wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die an der Entgasungsvorrichtung angeschlossene Stoffpumpe nicht nur der Weitertransport der aus dem Entgasungsbehälter austretenden entlüfteten Fasersuspension gesichert ist, sondern dass sich in der Entgasungsvorrichtung ein die Entgasung fördernder geringerer Druck einstellen lässt, da die Pumpe einen Sog ausübt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Rotor der Entgasungsvorrichtung durch einen Motor, z.B. Elektromotor, angetrieben. Dadurch lässt sich die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors einfach auf den anforderungsgerechten Wert einstellen.

Die Erfindung wird erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Verfahrensschema;

Fig. 2 eine Variante;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtun g;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtun g mit Sortierfunktion;

Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Verfahrens;

Fig. 6 eine Anwendung des Verfahrens in der Stoffaufbereitung.

Das Schema der Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Faserstoffsuspension S wird in der übl ichen Weise durch Vermischung einer Dickstoffsuspension 4 mit einer Verdünnungsflüssigkeit 5 erzeugt und hat danach im Wesentlichen die für den Betrieb des Stoffauflaufes 1 der Papier- oder Kartonmaschine 2 an dieser Stelle gewünschte Konsistenz. Bekanntlich liegen Stoffauflauf- Konsistenzen im Bereich zwischen 0,5 und 2 %, in der Regel um 1 %. Die Verdünnungsflüssigkeit 5, die an einer Mischstelle 8 zugeführt wird, stammt bei dem hier gezeigten Beispiel aus dem ersten Siebwasser 12, also dem im Formierbereich der Papier- oder Kartonmaschine 2 angefallenen Wasser. Es wird oft als Siebwasser I (SW I) bezeichnet im Unterschied zum später auf der Papiermaschine anfallenden zweiten Siebwasser 12' (SW II), das sehr viel weniger Feinstoffe enthält.

Es ist bekannt, dass solches Siebwasser u.a. mit einem beträchtlichen Anteil von Luft und eventuell sonstigen Gasen vermischt ist. Das Siebwasser wird unterhalb des Papiermaschinen-Siebes aufgefangen und seitlich abgeleitet. In den dazu benutzten offenen Rinnen kann bereits ein großer Teil der enthaltenen Luft austreten. Dennoch ist es oft sinnvoll, einen weiteren Gasanteil T in einem speziellen Behälter 11 auszuscheiden, wie er z.B. aus der DE 199 38 799 bekannt ist. Zur Unterstützung kann der Behälter 11 unter einem mäßigen Unterdruck stehen. Nach dem Vermischen von Dickstoffsuspension 4 und Verdünnungsflüssigkeit 5 wird eine Entgasungsvorrichtung 6 verwendet. Diese ist als zylindrischer oder konischer Behälter aufgebaut und erfindungsgemäß mit einem Rotor 13 versehen. Zum Antrieb des Rotors 13 dient ein Motor 34, der nicht aus der hydraulischen Energie der entgasten Suspensionsströmung gespeist wird, z.B. ein Elektromotor. Die Faserstoffsuspension S gelangt in den im Wesentlichen zylindrischen Innenraum 14 des Rotors 13 und wird in schnelle Rotation versetzt. Dieses Prinzip entspricht dem einer Vollmantelzentrifuge. Die enthaltenen Gase 7 wandern in Folge der Fliehkräfte nach innen und werden durch eine - nur grob angedeutete - Vakuumeinrichtung 1 0 aus dem Zentrum abgesaugt. Dabei bildet sich im Behälter eine Phasengrenze flüssig/gasförmig aus. Die Fliehkräfte können mindestens 5 Mal, vorzugsweise 10 Mal so groß wie die Erdbeschleunigung sein. Die Vakuumeinrichtung 10 benötigt keinen Unterdruck, der dem Dampfdruck der Suspension entspricht oder in dessen Nähe liegt. Übliche Werte für den Unterdruck einer hier verwendeten Vakuumeinrichtung 10 liegen bei 0,8 bis 0,9 bar.

Nach Verlassen der Entgasungsvorrichtung 6 wird die Suspension über eine Stoffpumpe 9 hier in einem geschlossenen System (also ohne offene Behälter oder Bütten) bis zum Stoffauflauf 1 geführt. Dabei wird hier in der üblichen Weise der Rest an noch vorhandenen Störstoffen durch eine Cleaneranlage 17 und eine Sortieranlage 18 ausgeschieden. Um den Druck in der Cleaneranlage 17 nicht zu hoch werden zu lassen, kann zwischen Akzept der Cleaneranlage 17 und Zulauf zur Sortieranlage 18 zur Druckerhöhung eine Pumpe 22 ("Booster-Pumpe") installiert sein. Alternativ kann man für die Stoffführung nach der Stoffpumpe 9 auch eine offene Zwischenbütte 20 vorsehen, z.B. um Pulsationen abzubauen. Das ist in Fig. 2 gezeigt, kann aber auch in einer Anlage gemäß Fig. 1 realisiert werden. Selbstverständlich wird der Aufwand, der für diese Hydrozyklone und Sortierer betrieben werden muss, von den Rohstoffen sowie den Anforderungen an die Qualität des erzeugten Papieres abhängen. Wenn z.B. die Dickstoffsuspension 4 aus Altpapier gebildet wurde, können noch Sand und kleine Plastikteile vorhanden sein.

Die Erfindung kann auch so ausgeführt sein, dass - wie Fig. 2 zeigt - das Siebwasser 12 der Papier-

oder Kartonmaschine 2 in einer Entgasungsvorrichtu ng 6 ^' entgast wird, deren Funktion der der bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen entspricht. Das entgaste Siebwasser wird durch den Auslass 15 direkt in eine Verdünnungswasserpumpe 19 geführt. Wegen des weit geringeren Feststoffanteiles des Siebwassers 12 im Vergleich zur Faserstoffsuspension S lässt sich die Entgasung leichter durchführen. Das setzt allerdings einen höchstens nur geringen Gasgehalt in der an der Mischstelle 8 zugegebenen Dickstoffsuspensϊon 4 voraus, um Qualitätseinbußen zu vermeiden.

Bekanntlich gibt es viele Papier- oder Kartonmaschinen, bei denen der Stoffauflauf nicht nur mit der bereits erwähnten Faserstoffsuspension S versorgt \/vird, sondern zusätzlich mit einer Verdünnungsflüssigkeit, die über die Breite des Stoff auflaufes 1 gesehen an verschiedenen Stellen zudosiert wird. Dadurch lässt sich z.B. das Querprofϊl der mit dem Stoffauflauf gebildeten Faserstoffschicht beeinflussen, insbesondere optimieren. Eine solche Möglichkeit zeigt die Fig. 2, bei der das Siebwasser nicht nur als Verdünnungsflüssigkeit 5 für die Dickstoffsuspension 4 verwendet wird. Ein Teil des in der Entgasungsvorrichtung 6 ^' entlüfteten Siebwassers wird mit der Verdünnungswasserpumpe 19 als Verdünnungsflüssigkeit 5 ^' in eine Dosiereinrichtung 3 des Stoffauflaufes 1 ' geleitet, in der sie aufgeteilt und de r Faserstoffsuspension S an verschiedenen Stellen zudosiert wird. Oft gibt es in einer Papierfabrik weitere Stellen, an denen weitere durch das Verfahren entlüftete Verdünnungsflüssigkeit 5" eingesetzt werden kann, was hier durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist.

In Fig. 3 ist ohne Darstellung konstruktiver Details eϊ ne für das Verfahren geeignete Entgasungsvorrichtung 6 im Schnitt dargestellt. In eϊ nem fest stehenden Gehäuse 23 ist ein Rotor 13 angeordnet, dessen Innenraum 14 durch den Einlau f 16 mit einer zu entgasenden Flüssigkeit versorgt wird. Der Einlauf 16 kann zentrisch oder wie hier exzentrisch angeordnet sein. Die durch ihn zugegebene Flüssigkeit wird zunächst in Umfangsriehtung stark beschleunigt, wozu z.B. Beschleunigungsrippen 24 dienen können. In Folge der Zentrifugalkräfte legt sich die Flüssigkeit an die Innenwand des Rotors 13 an, wobei das darin enthaltene Gas, insbesondere die Luft, zum Zentrum des Rotors 13 abwandert. In der Regel bildet sich eine Trennfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas 7. Durch ein zentrales Entgasungsrohr 25 kann das Gas 7 abgeführt bzw. abgesaugt werden. Bei kontinuierlichem Betrieb dieser Entgasungsvorrichtung können z.B. durch eine Eingangsdrossel 26 die Betriebsverhältnisse so geregelt werden, dass sich ein stetiger Flüssigkeitsstrom vom Einlauf 16 zum Auslauf 15 bi Idet. Dabei ist im Bereich des Auslaufs 15 die Wand des Rotors 13 flüssigkeitsdurchlässig ausgeführt, z.B. durch Anbringung von Öffnungen 27 in

diesem Bereich. Der Auslauf 15 ist mit Vorteil tangential angebracht in der Weise, dass die Rotationsströmung der entgasten Flüssigkeit zu einem Druckaufbau im Auslauf 15 führt. Die Öffnungen 27 in der Wand des Rotors 13 sind so groß, dass sie nicht zu einer Sortierung der entgasten Flüssigkeit führen.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform einer Entgasungsvorrichtung 6 ^' verbindet die Funktion des Entgasens mit der Funktion des Sortierens. Wie bereits erwähnt, wird bei Versorgung einer Papiermaschine oft eine letzte Sortierstufe vor den Stoffauflauf geschaltet, um zu verhindern, dass Störstoffe in diesen gelangen, die den Betrieb des Stoffauflaufes oder der Papiermaschine stören. Diese Sortierfunktion kann kombiniert mit der Entgasungsfunktion in derselben Vorrichtung durchgeführt werden. Dazu ist ein Siebkorb 28 so angeordnet, dass die vom Rotor 13 ^' radial nach außen fließende entgaste Flüssigkeit dem Siebkorb 28 zugeführt wird. In an sich bekannter Weise findet an den Sieböffnungen 32 des Siebkorbes 28 eine Trennung in Gutstoff 29 und Rejekt 30 statt. Letzterer kann durch einen Rejektauslauf 31 aus der Vorrichtung abgeleitet werden. Von den Sieböffnungen 32 im Siebkorb 28 sind nur einige exemplarisch und nicht maßstäblich gezeichnet. Die Kombination hat den Vorteil, dass der Rotor 13 ^' auch zur Freihaltung der Sieböffnungen 32 dienen kann. Dazu sind an seiner Außenseite Räumelemente 33 angebracht, die in der Lage sind, geeignete Saug- und Druckimpulse in der Fasersuspension zu erzeugen.

Fig. 5 zeigt ein Verfahrensschema mit Verwendung einer gemäß Fig. 4 ausgeführten Entgasungsvorrichtung 6 ^' . Dann können die in Fig. 1 gezeigten Sortierer für die Faserstoffsuspension S entfallen. Eventuell wird weiterhin eine Cleaneranlage 17 zwischen der Entgasungsvorrichtung 6 ^' und dem Stoffauflauf 1 notwendig; das hängt aber von den in der Faserstoffsuspension S vorhandenen Störstoffen ab.

In Fig. 6 wird eine günstige Anwendung der Erfindung in der Stoffaufbereitung einer Papierfabrik dargestellt. Eine niedrigkonsistente Faserstoffsuspension S ^" wird in einem nur angedeuteten Scheibenfilter 35 eingedickt, also auf eine höhere Konsistenz gebracht. Der durch die Filterwirkung eingedickte Stoff S ^'" kann als Rohstoff für die Papiererzeugung weiter aufbereitet werden, während das Filtrat 36 z.B. zur Verdünnung dient. Der Grund für eine solche Maßnahme ist, dass die Verfahrensschritte in der Stoffaufbereituπg teils bei niedriger und teils bei höherer Konsistenz optimal ablaufen.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Anlage wird eine Flotationsaniage 37 betrieben, die eine mit Störstoffen,

z.B. Druckfarbenpartikeln vermischte Faserstoffsuspension S ^' bei niedriger Konsistenz , z.B. zwischen 0,5 und 2 %, reinigt. Von der Flotationsanlage 37 sind fünf nacheinander durchströmte Flotationszellen 38 schematisch dargestellt. Durch mehrere Pumpen 39 wird jeweils der Gutstoff einer stromaufwärtigen Flotationszelle über einen Belüftungsinjektor 40 in die nächste Flotationszelle gefördert. Der gebildete Rejekt R, also der Flotationsschaum, enthält die abgeschiedenen Störstoffe. Der Gutstoff der letzten Flotationszelle 38 ^' , der z.B. einen Luftgehalt zwischen 3 % und 6 % hat, wird hier durch eine der Entgasungsvorrichtung 6 nachgeschaltete Stoffpumpe 9 abgezogen. Dadurch wird der Druck der Entgasungsvorrichtung 6 gesenKt, was die Entgasungswirkung weiter begünstigt.

Die zwischen der Flotationsanlage 37 und Scheibenfilter 35 eingesetzte Entgasungsvorrichtung 6 entfernt einen großen Teil der z. B. in der Flotationsanlage 37 aufgenommenen Luft. Der Scheibenfilter 35 lässt z.B. bei einer Reduzierung des Luftgehaltes um einen Prozentpunkt bereits einen 10 % höheren Durchsatz zu. Wenn z.B. eine Reduzierung von 6 % auf 1 % erfolgt, ist der mögliche Durchsatz ca. 50 % höher. Auch andere mit dem relativ hohen Luftgehalt zusammenhängende Probleme, z.B. an der Stoffpumpe 9, werden wirksam und ökonomisch beseitigt. Die beschriebene Entgasungsvorrichtung 6 ist gerade für solche Aufgaben besonders wirtschaftlich, bei denen es in der entgasten Flüssigkeit nicht auf den letzten Prozentbruchteil des Luftgehaltes ankommt.

Oft wird nach der Flotation und vor der Eindickung eine Feinsortierung 41 vorgenommen, die bei geringer Konsistenz (z.B. 0,5 bis 2 %) besonders effektiv ist.