Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Mischkneter zur Verarbeitung eines Transfergemisches zu einer Formlösung nach dem Direktlöseverfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 , 2 und 11 .

Stand der Technik Das Verfahren zur Herstellung einer Formlösung aus Zellstoff nach dem Direktlöseverfahren im industriellen Massstab durch Verdampfung von Wasser aus einem Zellulose-Wasser-Funktionsflüssigkeits-Gemisch (im Folgenden auch als Produkt bezeichnet und Zellulose, Funktionsflüssigkeit und Wasser als Produktkomponenten) ist beispielsweise in der WO 1994/006530 A1 beschrieben, wobei N-Methylmorpholin-N-Oxid (im Folgenden als NMMO oder auch Aminoxid bezeichnet) als Funktionsflüssigkeit verwendet wird und das Verfahren bei der Verwendung von NMMO als Funktionsflüssigkeit auch als Aminoxidverfahren bekannt ist. Unter Zellulose-Wasser-Funktionsflüssigkeits- Gemisch bzw. Produkt sind alle Wassergehalte bzw. Stoffgemischzustände zu verstehen, also von einem grossen Wasseranteil, bei welchem eine Suspension vorliegt bis zu einem so geringen Wasseranteil, dass eine Formlösung vorliegt, und schliesst somit das Ausgangsmaterial und das Transfergemisch mit ein, wie weiter unten genauer beschrieben. Eine Formlösung ist bespielsweise in der DE 10 2012 103 296 A1 näher beschrieben.

Für die Herstellung einer Formlösung aus Zellstoff nach dem Direktlöseverfahren werden in der Industrie vielfältige Zellstoffe eingesetzt. Diese unterscheiden sich zum Beispiel in ihrem Ursprung und der Art ihrer Vorbehandlung. Die Vorbehandlung der Zellulose schliesst im Folgenden alle Prozessschritte vor der Zuführung in den Direktlöseprozess mit ein, welcher mit der Verdampfung des flüchtigen Gemischbestandteils (hier Wasser) beginnt. Diese Schritte dienen üblicherweise der Einstellung der Lösungseigenschaften oder der Verkürzung der Lösezeit in den nachfolgenden Prozesschritten. Die Vorbehandlung umfasst dem Fachmann bekannte Prozessschritte wie beispielsweise eine enzymatische Vorbehandlung, eine Mahlung der Zellulose oder einen Quellprozess.

Die WO 1994/006530 A1 beschreibt die heute für das Formlösungsverfahren nach dem Direktlöseverfahren weit verbreitete Verwendung von Dünnschichtverdampfern zur Verdampfung von Wasser aus einem Zellulose- NMMO-Wasser-Gemisch, die mittlerweile in vielfältiger Form und Ausgestaltung bekannt und gebräuchlich sind, und die sich alle dadurch auszeichnen, dass eine Verdampferwelle im Gehäuse des Dünnschichtverdampfers das Produkt an als Heizfläche dienenden inneren Gehäuseflächen verteilt, sodass eine dünne Schicht entsteht, die gegebenfalls mit zunehmender Drehgeschwindigkeit und sinkender Viskosität zusätzlich noch turbulent sein kann, sodass das Produkt schnell erwärmt und ein Teil des Wassers verdampft. Mit Heizfläche ist sowohl oben wie auch im Folgenden jegliche beheizte Fläche zu verstehen, welche dazu dienen soll, Energie thermisch über eine Temperaturdifferenz zwischen Heizfläche und Produkt auszutauschen.

Während Dünnschichtverdampfer meistens mit einer vertikalen Orientierung der Verdampferwelle ausgeführt sind wie beispielsweise in der WO 1994/006530 A1 beschrieben, können sie auch mit einer horizontalen Orientierung der Verdampferwelle ausgeführt sein, wie beispielsweise in der W02020249705A1 beschrieben.

Dem Fachmann ist zusätzlich das Verfahren zur Herstellung einer Formlösung aus Zellstoff nach dem Direktlöseverfahren bekannt, bei welchem eine ionische Flüssigkeit (im Folgenden als IL bezeichnet) anstelle von NMMO als Funktionsflüssigkeit verwendet wird, aber ansonsten ebenfalls eine Formlösung durch ein Direktlöseverfahren hergestellt wird, indem Wasser aus einem Zellulose-IL-Wasser-Gemisch verdampft wird.

IL bzw. Ionische Flüssigkeiten bezieht sich hierbei auf eine Gruppe organischer Verbindungen, die trotz ihres ionischen Aufbaus einen niedrigen Schmelzpunkt (<100°C) aufweisen und daher auch als geschmolzene Salze bezeichnet werden. Die Verwendung von IL als Funktionsflüssigkeit bedeutet also immer eine für das Direktlöseverfahren geeignete Ausführungsform innerhalb der Gruppe der ionischen Flüssigkeiten.

Dem Fachmann ist bekannt, dass einige IL bei erhöhten Temperaturen zu einer thermischen Zersetzung neigen, sodass Prozesse mit einem erhitzten IL die Temperatur des ILs unterhalb dessen Zersetzungstemperatur gehalten werden muss. Beispielhaft kann hier die Zersetzung des IL [DBNH][OAc] oberhalb von Temperaturen von ca. 100 °C angeführt werden. Dem Fachmann ist auch bekannt, dass mit der Reduktion des Wassergehalts eines NMMO-Wasser- Gemischs bei erhöhten Temperaturen eine Zersetzung des NMMO beginnt. Bei Temperaturen von typischerweise oberhalb 140°C besteht mit Reduktion des Wassergehalts zunehmend Explosionsgefahr zum Beispiel durch eine explosionsartige autokatalytische Zersetzung, aus der eine weitere Temperaturerhöhung und somit akute Explosionsgefahr folgt. Je nach Zusammensetzung des Gemischs ist eine Zersetzung auch bereits ab Temperaturen oberhalb von 125°C zu beobachten, da sich die Zersetzungstemperatur durch zum Beispiel Vorhandensein von Reduktionsmittel (wie z.B. Zellulose) und Schwermetallionen (wie z.B. Eisenionen) reduzieren kann. Im Fall des beschriebenen Direktlöseprozesses ist durch das prozessgemässe Vorhandensein von Zellulose und die Verwendung von Eisenwerkstoffen für die Maschinenkonstruktion trotz üblicherweise zugesetzter Stabilisatoren eine Reduktion der Zersetzungstemperatur zu erwarten.

Dem Fachmann ist ferner im Rahmen der Erfindung als Problem der wesentlichen Überhitzung bezeichnete Umstand bekannt, dass zwecks Vermeidung von Zersetzung der Funktionsflüssigkeit, der Führung der Temperatur des Produkts (im Folgenden mit auch Produkttemperatur bezeichnet) grosse Beachtung gewidmet werden muss. Er wählt deshalb einen Prozess, bei welchem sich die angestrebte Temperatur des Produkts sowie dessen Gleichgewichtstemperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur befindet.

Bei einem Mehrkomponentengemisch, wie es im Falles des Zellulose- Funktionsflüssigkeit-Wasser-Gemisches vorliegt, ist jeder Zusammensetzung des Gemisches bei herrschenden Prozessbedingungen (Druck) eine Gleichgewichtstemperatur zugeordnet, bei der das Gemisch zu sieden beginnt. Erfolgt eine Energiezufuhr in das System, so verdampft ein Teil der flüchtigen Komponenten (hier Wasser). Gleichzeitig verändert sich die Zusammensetzung des Gemisches, wodurch sich in der Folge auch die Gleichgewichtstemperatur ändert. So erwärmt sich das Gemisch bei Energiezufuhr, während sich seine Zusammensetzung durch Verdampfung flüchtiger Komponenten verändert entlang seiner Gleichgewichtskurve. Mit abnehmendem Wassergehalt steigt die Viskosität durch zunehmende Zellulosekonzentration und die zunehmende Lösekraft der Funktionsflüssigkeit bzw. des Funktionsflüssigkeit-Wasser- Gemischs. Mit steigender Viskosität entwickelt sich für das verdampfende Wasser im Produkt zunehmend die Gefahr einer Transportlimitierung, sodass Verdampfungskühlung nicht mehr in ausreichendem Masse erfolgen kann und sich folglich die Temperatur des Wasser-Funktionsflüssigkeits-Gemisches und des Produkts auf Werte oberhalb der Gleichgewichtstemperatur erhöht. Die Gleichgewichtstemperatur des Gemisches ändert sich mit dessen Zusammensetzung sowie mit dem Prozessdruck. Somit steigt die Temperatur des Gemisches auch ohne Transportlimitierungseffekte über den Verlauf des Prozesses, sodass es bei entsprechender Wahl der Prozessparameter auch bei Gleichgewichtstemperatur Zersetzung auftreten kann. Der Fachmann wählt daher Prozessparameter, bei denen die auftretenden Gleichgewichtstemperaturen stets unterhalb der Zersetzungstemperaturen liegen. Für NMMO als Funktionsflüssigkeit ergeben sich als Beispiel üblicherweise Gleichgewichtstemperaturen im Bereich von 50°C bis 110°C über den Verlauf des Prozesses.

Bei NMMO als Funktionsflüssigkeit führen bei bestehender Transportlimitierung exotherme Zersetzungsprozesse zudem zu lokalen Materialüberhitzungen (Hotspots), aus denen die Reaktionswärme nicht in ausreichendem Masse abgeführt werden kann. Dies löst in der Folge weitere exotherme Zersetzungsprozesse aus.

Eine wesentliche Überhitzung führt dazu, dass sich die Funktionsflüssigkeit, die Zellulose oder das Zellulose-Funktionsflüssigkeits-Wasser-Gemisch auf so hohe Temperaturen erhitzt, bei denen deren Zersetzung stattfindet. Eine Überhitzung, welche zu Temperaturen des Produkts oder einer Produktkomponente oberhalb der produkt- respektive produktkomponentenspezifischen Zersetzungstemperaturen führt, sei im Folgenden als mit wesentlicher Überhitzung bezeichnet. Dabei ist unerheblich, ob die Überhitzung aus einer mangelnden Verdampfungskühlung durch Transportlimitierung resultiert oder durch eine Übertrocknung des Produktes am Gleichgewicht verursacht wird.

Die Zersetzung der Funktionsflüssigkeit ist oben beschrieben. Sie verursacht einerseits die Notwendigkeit, die verlorene - üblicherweise sehr teure - Funktionsflüssigkeit ersetzen zu müssen und erhöht andererseits bei NMMO als Funktionsflüssigkeit akut die Explosionsgefahr.

Eine wesentliche Überhitzung kann aber auch eine Zersetzung der Zellulose oder des Zellulose-Funktionsflüssigkeits-Wassergemischs (bzw. definitionsgemäss des Produkts) betreffen, indem sie bei zu hohen Temperaturen, gegebenenfalls in Verbindung mit - bei erhöhten Viskositäten typischerweise vorherrschenden - erhöhter Scherung, zu einer Reduktion des Polymerisierungsgrades (dem Fachmann als DP bekannt) der Zellulose führt. Eine wesentliche Überhitzung des Produkts kann sich also durch Zersetzung von Teilen des Produkts oder des Produkts selbst produkteschädigend oder sicherheitsgefährdend auswirken.

Natürlich kann auch eine Prozessführung bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur durch nicht thermisch induzierte Zersetzungsprozesse (z.B. Radikalreaktionen) produkteschädigend oder sicherheitsgefährdend wirken. Dem wird in der Praxis jedoch mit gängigen Stabilisatoren entgegengewirkt.

Weiterhin würde eine Temperaturführung, welche Gleichgewichtstemperaturen oberhalb der Zersetzungstemperaturen anstrebt, ebenfalls zu Produktschädigung und Sicherheitsgefährdung führen. Der Fachmann strebt eine entsprechende Fahrweise in der Praxis nicht an.

Dennoch gilt aus diesem Grund beim Einsatz eines Dünnschichtverdampfers zur Durchführung des Direktlöseprozesses der Temperaturführung aufgrund dessen apparatespezifischen Eigenschaften ein besonderes Augenmerk. Ein charakteristischer hoher Wärmeeintrag bei geringer vorhandener Produktmenge im Apparat führt einerseits zu einer effizienten Verdampfung von flüchtigen Komponenten. Anderseits können auftretende Prozessschwankungen (beispielsweise zugeführter Gemischmengenstrom, Energieeintrag oder Produktviskosität) aufgrund der geringen Menge an Produkt im Apparat nur bedingt aufgefangen werden. So kann eine geringe Absenkung des zugeführten Gemischmenstroms bereits zu einer signifikanten Erhöhung der Produkttemperatur führen. Dies birgt die Gefahr der Temperaturerhöhung in Bereiche oberhalb der Zersetzungstemperatur hinein.

Dem Fachmann ist bekannt, dass Löseprozesse nicht instantan sondern innerhalb eines Zeitraums mit einer Lösegeschwindigkeit ablaufen und eine minmale Lösezeit benötigen. Dem Fachmann ist zudem bekannt, dass Lösegeschwindigkeiten durch verschiedene Faktoren wie beispielsweise die Temperatur beinflusst sind, und im Fall des beschriebenen Direktlöseverfahrens, dass neben der Temperatur auch die Konzentration der Funktionsflüssigkeit sowie die mechanische Behandlung des Gemisches einen Einfluss auf die Lösegeschwindigkeit ausüben. So können bei gleicher Zusammensetzung und gleicher Temperatur durch unterschiedliche mechanische Behandlung des Materials bei gleicher Behandlungsdauer verschiedene Lösezustände eintreten.

So ist deshalb zusätzlich zur Wasserverdampfung für die Herstellung einer Formlösung auch mechanische Einwirkung auf das Produkt notwendig, welche durch die gezielt gewählte Geometrie eines Mischorgans erzielt wird, und welche über eine gewisse Zeit lang erfolgen muss.

Bei der Verwendung eines Dünnschichtverdampfers kann ein ausserplanmässiger Stop der Austragspumpe, sei es infolge einer Unterbrechung der gesamten, unter anderem das Verfahren enthaltende Produktionsanlage durch eine technische Störung einer der zahlreichen dem Verfahren folgenden Prozessorgane oder sei es infolge einer Störung der im Verfahren verwendeten Komponenten selbst, die vor der Pumpe stauende Formlösung wegen ihrer hohen Viskosität durch mechanischen Energieeintrag der Verdampferwelle schnell überhitzen, was ein akutes Produkteschädigungsund bei NMMO insbesondere ein Explosionsrisiko darstellt. Stoppt man die Rotation der Verdampferwelle, kann sich das als dünne Schicht im engen Kontakt mit den beheizten inneren Gehäuseoberflächen verteilte Produkt schnell überhitzen, was ebenfalls ein akutes Produkteschädigungs- und insbesondere Explosionsrisiko darstellt. Die beheizten Gehäuseoberflächen werden im Rahmen der Erfindung als Heizflächen bezeichnet.

Dem Fachmann ist ferner auch nachteilig bekannt, dass, um eine wesentliche Überhitzung des Produkts bzw. der Funktionsflüssigkeit zu vermeiden, im austragsseitigen Bereich des Dünnschichtverdampfers die Temperatur der Heizfläche (auch Heiztemperatur oder Heizflächentemperatur genannt) stark abgesenkt wird. Durch die dort vorliegenden höheren Produktviskositäten ergibt sich im Vergleich zum oberen Bereich des Dünnschichtverdampfers auch ein höherer Energieeintrag durch Dissipation. Zudem wird die Transportgeschwindigkeit des Produkts durch die Stauwirkung vor dem Austrag reduziert, was die für die Produkterwärmung zur Verfügung stehende Zeit erhöht, was nicht nur den Energieeintrag durch Dissipation sondern auch den thermischen Energieeintrag erhöht.

Um eine wesentliche Überhitzung des Produktes zu vermeiden, ist deshalb die Absenkung der Heiztemperatur gegenüber dem oberen Bereich notwendig. Die Temperatur der Heizfläche wird typischerweise soweit abgesenkt, dass sie ungefähr der Temperatur der Formlösung (im Folgenden auch Formlösungstemperatur genannt) beim Austritt aus dem Dünnschichtverdampfer entspricht, also bei NMMO als Funktionsflüssigkeit bei typischerweise 100 bis 105 °C, um das Produkt lediglich zu temperieren. Je nach Wassergehalt im Ausgangsmaterial betrifft die Zone im austragsseitigen Bereich mit reduzierter Heiztemperatur typischerweise 20% bis 50% der Heizfläche des Dünnschichtverdampfers. Im Umkehrschluss würde eine Vermeidung dieser Absenkung der Heiztemperatur eine Steigerung der für thermischen Energieeintrag genutzten Flächen des Dünnschichtverdampfers um 25% bis 100%, letzteres also eine Verdoppelung bedeuten.

Die Reduktion der Heizflächentemperatur hat den Zweck, insbesondere diesen mechanischen Energieeintrag zu kompensieren, um eine wesentliche Überhitzung des Produkts bzw. der Produktkomponenten und die damit verbundenen Produkteschädigungs- und Zersetzungsrisiken zu vermeiden.

Die Reduktion der Temperatur der Heizfläche zur Vermeidung einer wesentlichen Überhitzung hat für alle Funktionsflüssigkeiten, NMMO oder ein IL, den Nachteil, dass nicht die gesamte, zur Verfügung stehende Heizfläche für einen thermischen Energieeintrag genutzt werden kann, was angesichts limitierter Baugrössen von Dünnschichtverdampfern bedeutet, dass diese Heiztemperaturreduktion, die maximale Produktionskapazität einer Produktionsline reduziert, was in einer kostensensitiven und unter anderem über Skaleneffekte im Wettbewerb stehende Industrie von wettbewerbsentscheidender Bedeutung ist.

Einen weiteren Nachteil bedeuten steigende Energiekosten durch die oben erwähnte Drosselung des thermischen Energieeintrags zugunsten des mechanischen Energieeintrags, da anstatt typischerweise kostengünstigem thermischen Energieeintrag über die Heizfläche ein typischerweise teurer elektromechanischer Energieeintrag über Energiedissipation der rotierenden Verdampferwelle des Dünnschichtverdampfers erfolgt.

Die Reduktion der Heiztemperatur kann sogar auch dazu führen, dass sich im austragsseitigen Bereich des Dünnschichtverdampfers eine Abfuhr von Wärme aus dem Produkt ergibt, was einen Wärmeverlust bedeutet und die Energiekosten weiter erhöht.

Im Fall von NMMO als Funktionsflüssigkeit ist allen oben erwähnten Verfahren zur Herstellung einer Formlösung durch Verdampfen von Wasser aus einem Zellulose-NMMO-Wasser-Gemisch die Explosionsgefahr gemeinsam. Dem Fachmann zeigt sich deshalb die Verwendung eines Dünnschichtverdampfers für die Herstellung einer Formlösung auch als inhärent nachteilig, weil insbesondere dessen Verdampferwelle für zwei Prozessaufgaben verwendet wird: Einerseits soll sie in der oberen Zone eine niederviskose dünne Schicht für Verdampfung schnell fördern und andererseits soll die gleiche Verdampferwelle, also mit der gleichen Drehzahl, in der austragsseitigen Zone eine gestaute hochviskose temperaturempfindliche Masse zwecks Lösen zu einer Formlösung mischen. Muss die Rotationsgeschwindigkeit der Verdampferwelle zur optimalen Verdampfung eingestellt und geregelt werden, verändert dies gleichzeitig auch die Prozessbedingungen zum Lösen in der austragsseitigen Zone. Die beiden Prozessaufgaben können in diesem Fall folglich nicht unabhängig voneinander optimiert werden, was sich nachteilig auf die Gesamteffizienz, Prozessflexibilität und Produktqualität auswirken kann.

Dieses Problem möchte nun die WO 2013/156489 A1 lösen, welche zwei aufeinander folgende Vorrichtungen zum Verdampfen von Wasser offenbart, wobei die erste ein Dünnschichtverdampfer und die zweite ein Dickschichtverdampfer, vorzugsweise ein Knetreaktor wie in DE 199 40 521 A1 beschrieben, wobei im Folgenden der Knetreaktor als Mischkneter bezeichnet sei. Der Mischkneter kann Dank guter Hochviskosmischeigenschaften und effektivem mechanischen Energieeintrag über dessen Welle (im Folgenden als Kneterwelle bezeichnet), deren Drehzahl schnell eingestellt und auch schnell wieder zurückgenommen werden kann, mit grosser Genauigkeit und sicher die Temperatur regeln und im Regelfall Kühlung des Produktes bzw. Wärmeabfuhr vermeiden. Dünnschichtverdampfer und Mischkneter sind direkt mit einer Verbindung miteinander verbunden, über die explizite Ausführungsform der Verbindung die WO 2013/156489 A1 aber schweigt.

Der Wasseranteil im NMMO der konzentrierten Zellstoffsuspension werde beim Löseprozess in drei Abschnitten unterteilt. Nach dem ersten Abschnitt werde die Zellstoffsuspension aus dem Dünnschichtverdampfer aus und in den Mischkneter eingetragen. Der erste Abschnitt zeige keinen Viskositätsanstieg und ende mit dem Beginn des Lösefensters, was einem 2.5 Hydrat entspreche, was einer NMMO-Wasser-Konzentration (NMMO bezogen auf NMMO und Wasser in Massenanteilen) von ca. 72.2 wt% entspricht und wo - wie bei der WO 06/33302 A - durch den vorhandenen hohen Wasseranteil eine geringe Explosionsneigung zu erwarten ist. Der zweite Abschnitt bestehe aus dem Hauptlösungsprozess, sodass dort die Viskosität stark zu steigen beginne, und der damit verbundenen notwendigen Verdampfung von Wasser bis ca. ein 1.5 Hydrat entstehe, was einer NMMO-Wasser-Konzentration von ca. 81.3 wt% entspricht. Im dritten Abschnitt findet die Homogenisierung statt und Wasser verdampfe bis ein 0.8 bis 1.0 Hydrat (Monohydrat) entstehe was einer NMMO- Wasser-Konzentration von respektive ca. 89.1 wt% bis 86.7 wt% entspricht.

Zwar kommt dem Dünnschichtverdampfer in diesem Verfahren lediglich die Prozessaufgabe der Verdampfung zu, der Nachteil dieses Verfahrens liegt aber im immer noch hohen Wasseranteil, welcher nicht durch einen Dünnschichtverdampfer verdampft wird. Dies entspricht einem ungenutzten verfahrenseffizienzsteigernden Potenzial des Dünnschichtverdampfers. Zudem muss bei einem Zellulose-Wasser-NMMO-Gemisch, bei welchem der NMMO- Wasser-Anteil noch als 2.5 Hydrat vorliegt, ein - wie in WO 2013/156489 A1 beschrieben - nachfolgender Mischkneter in der Eingangszone noch immer eine grosse Menge Wasser verdampfen. Folglich fallen nun die beiden Prozessaufgaben Verdampfen und Lösen dem Mischkneter zu. Da auch im Falle des Mischkneters jede Kneterwelle nur eine Drehgeschwindigkeit aufweisen kann, kann dies wie im Falle des Dünnschichtverdampfers zu den bereits erwähnten Nachteilen führen. So kann eine, in Folge der zu erbringenden Verdampfungsaufgabe, hoch zu wählende Drehzahl, in der Löseaufgabe zu Produktdegradation durch erhöhte Scherung oder Temperaturschädigung führen.

Um wirtschaftliche Baugrössen des Mischkneters zu erreichen, hat dies zudem zur Folge, dass zusätzlich zum mechanischen Energieeintrag durch Knetwirkung ein nicht zu vernachlässigender Anteil der einzubringenden Energie durch Kontaktwärme erfolgen muss. Folglich ist es notwendig, die Heizfläche zumindest in der Eingangszone zu maximieren, was bedeutet, dass auch die an der Kneterwelle angebrachten Scheiben, wie weiter unten näher beschrieben, an welchen die Mischbarren angebracht sind, so ausgestaltet sein müssen, dass sie beheizt werden können. Diese Beheizung erhöht zum einen die Kosten in Konstruktion und Herstellung sowie die Herstellzeit der Mischkneter und führt zum anderen zu höheren Baugewichten der Kneterwelle. Das integrierte Heizsystem senkt zudem die mechanische Stabilität der Konstruktion und verursacht folglich eine Reduktion der maximalen Baugrössen der Mischkneter. Die Notwendigkeit dieser Bauweise wird noch durch die niedrige Viskosität der konzentrierten Zellstoffsuspension bei einem Eintrag in den Mischkneter mit einer NMMO-Wasser-Konzentration von ca. 72.2 wt% verstärkt, da dies zur Folge hat, dass in der Eingangszone des nachfolgenden Mischkneters Drehmoment und Drehzahl nicht ausreichen, um durch die entstehende Reibung und daraus resultierende Erhitzung der Zellstoffsuspension bereits für eine genügende Wasserverdampfung zu sorgen. Um ausreichende Prozessflexibilität und Prozesssteurung zu gewährleisten, müssen zudem verschiedene voneinander getrennte Heizzonen vorgesehen werden, die, um auf etwaige Prozessveränderungen zu reagieren, mit verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden können. Mit der Anzahl der Zonen steigt die Flexibilität des Systems und folglich die Möglichkeit zur Prozesssteuerung. Allerdings geht damit auch eine Steigerung des Konstruktions- und Herstellungsaufwandes einher, was letztlich zu einer Kostenzunahme führt.

Zusätzlich nachteilig bedeutet der hohe zu verdampfende Wasseranteil der in der WO 2013/156489 A1 offenbarten Erfindung einen so hohen Bedarf an Heizflächen im Mischkneter, dass die Mischkneter im Wesentlichen nach dem Heizflächenbedarf auszulegen sind (im Fachjargon ein «Oberflächen-Scale- Up»). Dabei wird die Grösse des Mischkneters im Wesentlichen dadurch bestimmt, dass er über die geforderte Heizfläche zur Wasserverdampfung verfügt. Der hohe Wassergehalt am Eingang des Mischkneters bedeutet nicht nur eine grosse zu verdampfende Wassermenge sondern auch eine niedrige Viskosität, welche viel thermischen Energieeintrag über beheizte Oberflächen bedeutet, weil die für mechanischen Energieeintrag nötige Viskosität im stark wasserhaltigen Gemisch zu gering ist. Das ist insbesondere bei einer industriellen Umsetzung sehr bedeutend. Denn die im Apparatebau typischen mit zunehmenden Grössen abnehmenden Oberfläche-Volumen-Verhältnissen führen mit grossen Kapazitäten zu verhältnismässig zunehmend grossen und folgedessen zunehmend teureren Baugrössen. Ein Ausgleich der abnehmenden Oberfläche-Volumen-Verhältnisse bei grossen Baugrössen ist zwar durch Installation zusätzlicher thermischer Austauschflächen, z.B. durch Anbringung zusätzlicher beheizter Scheiben an der Kneterwelle, möglich, resultiert aber in höheren Kosten für Konstruktion und Fertigung und senkt somit ebenfalls die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Zusammenfassend gesagt, bedeutet also der hohe Wasseranteil einerseits eine hohe Verdampfungslast für den Mischkneter und andererseits infolge niedriger Viskosität einen geringen Anteil mechanischen Energieeintrags mit erheblichen wirtschaftlichen Nachteilen bei der industriellen Umsetzung.

Mischkneter sind dem Fachmann bekannt. Sie verfügen vorzugsweise über genau eine oder genau zwei Kneterwellen, welche der Durchführung von hochviskosen und krustenbildenden Prozessen dienen, die unter Vakuum, atmosphärisch oder bei Überdruck betrieben werden können und über thermische Austauschflächen beheizt oder gekühlt werden können. Zudem kann die Kneterwelle und deren Wellenaufbauten bei typischerweise vorliegenden Produktviskositäten durch Rotation und daraus resultierender Energiedissipation sehr effektiv das Produkt erwärmen.

Ist genau eine Kneterwelle vorhanden, so liegt ein einwelliger Mischkneter vor, welcher beispielsweise in der CH 674 472 A5 beschrieben ist. Hierbei kämmen Wellenaufbauten der Kneterwelle vorzugsweise im Betrieb mit statischen Aufbauten des Gehäuses, beispielsweise sogenannte Gegenhaken. Sind genau zwei Kneterwellen vorhanden, so liegt ein zweiwelliger Mischkneter vor, der beispielsweise in der DE 41 18 884 A1 beschrieben ist. Die Wellenaufbauten der Kneterwellen kämmen sich im Betrieb vorzugsweise gegenseitig. Die zumindest eine Kneterwelle umfasst Wellenaufbauten in Form von Scheiben und daran befestigten Barren, wobei die Wellenaufbauten der zumindest einen Kneterwelle eingerichtet sind, um sich im Betrieb mit den Wellenaufbauten einer zweiten Kneterwelle oder mit im Mischkneter vorhandenen stationären Gegenelementen zu kämmen. Mischkneter mit derart kämmenden Elementen sind bekannt und werden als «selbstreinigend« bezeichnet, weil das beschriebene Kämmen etwaige Anhaftungen von den sich kämmenden Elementen ablöst.

Die vorbeschriebenen Kneterwellen mit Scheiben und Barren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 41 18 884 A1. Für die vorliegende Erfindung ist es unerheblich, auf welche Weise die Barren an den Scheiben und diese wiederum an den Kneterwellen befestigt sind. Barren und Scheiben (auch «Supporte« genannt) können beispielsweise auch einstückig gefertigt sein, der Begriff „befestigt“ ist somit weit auszulegen. Während die vorgenannte DE 41 18 884 A1 einen zweiwelligen Mischkneter zeigt, ist der CH 674 472 A5 ein einwelliger Mischkneter mit hakenartigen statischen Knetgegenelementen (sogenannten «Knetgegenhaken«) an der Innenwand des Gehäuses zu entnehmen. Gehäuse, Kneterwelle(n), Wellenaufbauten und statische Knetgegenelemente können ausgebildet sein wie in den vorgenannten Druckschriften beschrieben.

Als thermische Austauschflächen können nicht abschliessend die Innenseiten des Mischknetergehäuses, die Kneterwelle(n) und die Scheiben ausgestaltet sein. Beim Mischknetergehäuse sind thermische Austauschflächen typischerweise als aufgeschweisste Halbrohre oder vorzugsweise als Doppelwände ausgestaltet. Bei den Kneterwellen bedeuten thermische Austauschflächen, dass die Kneterwelle als Hohlwelle ausgestaltet ist und vorzugsweise über einen Zufluss und einen Rückfluss des Wärmeträgermediums bzw. Kühlmediums verfügt, bspw. mit einem Innenrohr.

Scheiben mit thermischen Austauschflächen verfügen über Hohlräume oder Bohrungen für elektrische Heizelemente oder ein Wärmeträgermedium oder Kühlmedium, wobei letztere über einen Zufluss, der vom Zufluss in der Kneterwelle gespiesen wird, und einen Abfluss, der zum Rückfluss in der Kneterwelle zurückfliesst, verfügen. Die Hohlräume können typischerweise als Doppelwände oder Bohrungen ausgeführt sein und benötigen hierzu grössere Wandstärken und grössere Abmasse der Wellenaufbauten und wandstärkere Kneterwelle und verursachen hierbei einen deutlich grösseren Herstellungsaufwand im Vergleich zu hohlraumfreien (im Folgenden auch mit heizholraumfrei bezeichnet) Scheiben, die typischerweise wegen dem Wegfall von thermischen Austauschflächen kleiner und einfacher gebaut werden können.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden.

Insbesondere soll ein Mischkneter zur Verarbeitung eines Transfergemischs beschrieben werden, welche in erster Linie ermöglicht, die Baugrössen des Mischkneters zu reduzieren und dabei die Produktqualität und Prozesssteuerung zu verbessern.

Lösung der Aufgabe

Zur Lösung der Aufgabe führen die Merkmale nach den Ansprüchen 1 , 2 und 11.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Mischkneter zur Verarbeitung eines Transfergemisches als letzte Prozessstufe eines mindestens zweistufigen Prozesses nach dem Direktlöseverfahren in einem Mischkneter, welche allen im Rahmen der Aufgabenstellung genannten Sachverhalten Rechnung trägt. Als letzte Prozesstufe wird dadurch definiert, dass in dieser letzten Prozesstufe aus dem Transfergemisch eine Formlösung hergestellt wird. Davon unabhängig und nicht als Prozesstufe im Rahmen der Erfindung zu benennen sind beispielsweise nachfolgend ein Austragsorgan und dann noch weitere zwischengeschaltete Pumpen und Pufferbehälter oder dergleichen, die bis zur Verspinnung / Formgebung noch notwendig sind. Die Verarbeitung des Transfergemischs zu einer Formlösung besteht dabei einerseits aus einem Löseprozess. Dieser benötigt für eine gewisse Misch- und Knet-Intensität (insbesondere bestimmt durch die spezifische Ausführungsform des Mischkneters und die Rotationsgeschwindigkeit der Kneterwelle) für ein bestimmtes Produkt (insbesondere bestimmt durch Art und Anteil von Zellulose und Funktionsflüssigkeit) eine bestimmte Zeitdauer. Letztendlich resultiert dieser Prozessteil in einem - nachfolgend einer Verformung zuführbaren - Formlösungstrom. Da die Auslegung zeitbestimmt ist, ist das Prozessvolumen des Mischkneters im Wesentlichen direkt proportional zur Kapazität des Formlösungstroms (auch Formlösungstromkapazität genannt). Dies steht im Gegenteil zu dem, dem Fachmann bekannten, Oberflächen-Scale-Up.

Zudem besteht die Verarbeitung des Transfergemischs zu einer Formlösung andererseits auch aus der Verdampfung des im Transfergemisch verbleibenden Wassers auf den für den Löseprozess und die Formlösung erforderlichen Anteil. Diese Verdampfungsaufgabe ist der Löseaufgabe des Mischkneters jedoch untergeordnet und entscheidet nicht über dessen Baugrösse. Für diese Verdampfung erfordert der Mischkneter neben dem durch Viskosität in Kombination mit einem Prozessvolumen und mit mindestens einer rotierenden Kneterwelle sich ergebenenden mechanischen Energieeintrag noch Heizflächen für einen thermischen Energieeintrag, die im Mischkneter angeordnet sind.

So bedeutet die Kapazität des Mischkneters einerseits eine Verdampfungskapazität und andererseits eine Formlösungsstromkapazität.

Der erfindungsgemässe Mischkneter nutzt die bisher nicht bekannte Erkenntnis, dass Mischkneter ab einem gewissen Wasseranteil im Transfergemisch nicht mehr mit einem kleineren Prozessvolumen ausgeführt werden können, weil von diesem Wasseranteil an, das für die Lösezeit notwendige Prozessvolumen zwingend aufgebracht werden muss - die Formlösungsstromkapazität also auslegungsbestimmend ist. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der Mischkneter mit zunehmendem Wassergehalt im Transfergemisch ab einem gewissen Wasseranteil grösser gebaut werden muss, als für die Formlösungsstromkapazität erforderlich wäre, weil die Verdampfungskapazität eine grössere Bauweise erfordert, um entsprechende Heizflächen im Mischkneter anzuordnen.

Der erfindungsgemässe Mischkneter besteht deshalb aus einem Mischkneter, dessen Grösse ausschliesslich die Anforderungen einer Formlösungsstromkapazität erfüllt.

Die Verdampfungskapazität des vorgehenden Prozessorgans zur Herstellung des Transfergemischs durch Verdampfung von im Wesentlichen Wasser (im Folgenden Hauptverdampfung genannt) ist entsprechend angepasst und ergibt sich aus den Heizflächen und dem viskositätsabhängigen mechanischen Energieeintragsvermögen des Mischkneters. Es ist im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, dass das Transfergemisch in mehreren vorgehenden Prozessorganen aus einem Ausgangsmaterial hergestellt wird. Diese vorgehenden Prozessorgane können dabei in Reihe oder parallel geschalten sein.

Der erfindungsgemässe Mischkneter zur Verarbeitung des Transfergemisches zu einer Formlösung nach dem Direktlöseverfahren ist ein Mischkneter mit einer Einspeisung, einem Gehäuse, mindestens einer im Gehäuse rotierenden Kneterwelle und einem Austrag, wobei die Einspeisung ein Produkt in Form des Transfergemischs im Wesentlichen aus Zellulose, Wasser und einer Funktionsflüssigkeit in das Gehäuse einbringt, wobei das Transfergemisch so lange rührend verarbeitet wird bis ein Teil des Wassers verdampft ist, sodass die Formlösung entsteht, wobei die Formlösung den Austrag mit einem Anspeisestrom anströmt, und dann den nachfolgenden Prozessorgan, wie beispielsweise der Austragsschnecke, der Transferpumpe, dem Pufferbehälter, der Spinnpumpe und der Spinndüse zugeführt wird.

Hierbei soll in dem Mischkneter das Produkt in der Form eines Transfergemischs und nicht einer Suspension zugeführt werden.

Die Praxis mit bisher für das erfindungsgemässe Formlösungsverfahren nach dem Direktlöseverfahren von den Erfindern verwendeten Mischknetertypen hat gezeigt, dass die Verweilzeit im Mischkneter auf einen Bereich zwischen 2 und 15 Minuten reduziert werden kann, wobei die Verweilzeit massgeblich durch die Lösezeit der Cellulose bedingt wird und die genaue Lösezeit zum Beispiel von der Zellulosekonzentration, dem Zellulosetyp, deren Vorbehandlung, der Hauptverdampfung und dem Typ der Funktionsflüssigkeit abhängt und auch über diese Bereiche hinausgehen kann. Das entspricht einer deutlichen Senkung der Verweilzeit des Produkts im Mischkneter gegenüber dem Stand der Technik, was bedeutet, dass der Mischkneter dementsprechend auch wesentlich kleiner gebaut werden kann, wie das folgende Beispiel veranschaulicht: Bereits bei einer vergleichsweise geringen industriellen Produktionskapazität von beispielsweise 6.4 kta Zellulose hat die Zuführung des Gemisches mit einer Konzentration entsprechend einem 2.5-Hydrat, wie sie in der WO 2013/156489 A1 offenbart wird, eine Baugrösse des Mischkneters von 14 000 L zur Folge. Dies kommt einer Verweilzeit des Produktes im Mischkneter von ca. einer Stunde gleich. Die gleiche Produktionskapazität kann mit einem Mischknetervolumen von 2 500 L bei gleichem Prozessdruck erreicht werden, wobei auf eine Beheizung der Scheiben der Kneterwelle und eine Unterteilung in mehrere Temperaturzonen verzichtet werden kann, sofern das Produkt mit einer Konzentration entsprechend einem 1.3-Hydrat in den Mischkneter eingebracht wird. Das entspricht einer Reduktion des Prozessvolumens von mehr als 80% und einer Reduktion der Verweilzeit auf ca. 12 Minuten.

Das Transfergemisch zeichnet sich dabei durch einen Wasseranteil aus, bei welchem die Temperatur der Heizfläche des Dünnschichtverdampfers - insbesondere gegen den Austrag hin - nicht wesentlich gegenüber dem Eintrag abgesenkt ist, ohne dass eine wesentliche Überhitzung des Produkts erfolgt. Das Transfergemisch unterscheidet sich von der Formlösung dadurch, dass es dem Produkt in einem Zustand entspricht, bevor es zu einer formbaren bzw. spinnbaren Lösung (also eine Formlösung) überführt wird. Eine formbare bzw. spinnbare Lösung liegt dann vor, wenn sich alle wesentlichen zellulosischen Bestandteile des Ausgangsmaterial gelöst haben. Wesentlich bedeutet in diesem Zusammenhang einen so geringen Anteil an nicht gelösten Bestandteilen, dass die sogenannten Filterstandzeiten ein wirtschaftlich akzeptables Mass erreichen.

Eine Filterstandzeit bezieht sich auf Filter, welche typischerweise nach der Prozessstufe zur Herstellung der Formlösung und vor der Prozesstufe zur Formgebung bzw. des Spinnens verwendet werden. Die Filterstandzeit entspricht der Zeitdauer bzw. der Nutzungsdauer bis ein Filter ausgewechselt werden muss, weil der Druckabfall über den Filter zu hoch wird, welcher durch die Ansammlung von für die weitere Verarbeitung unerwünschten Bestandteilen ansteigt. Diese Bestandteile können zum Beispiel sowohl nicht gelöste zellulosische Fasern als auch nicht-zellulosische Verunreinigungen darstellen. Die konkrete Wahl einer Filterstandzeit unterliegt deshalb gesamtwirtschaftlichen Kosten und qualität-optimierenden Aspekten.

Das Transfergemisch unterscheidet sich weiterhin vom Ausgangsmaterial dadurch, dass im Transfergemisch durch thermo-mechanische Behandlung im Dünnschichtverdampfer bereits ein Teil der im Ausgangsmaterial vorhandenen Zellulose in Lösung ist.

Der erfindungsgemässe Mischkneter zur Verarbeitung des Transfergemisches zu einer Formlösung in einem Mischkneter ist gekennzeichnet dadurch, dass das Produkt im Mischkneter über einen kleinstmöglichen Wasseranteil verfügt, der demjenigen Wasseranteil entspricht, welcher während der Lösezeit noch verdampft werden muss, was den Vorteil hat, dass der Mischkneter kleinstmöglich gebaut werden kann und idealerweise nicht alle Oberflächen beheizt werden müssen. Dies führt zu einer optimalen Verwendung des Mischkneters, da seine Stärke das Kneten ist. Dies ist insbesondere auch vorteilhaft, da gleichzeitig auch die Stärke des Dünnschichtverdampfers, nämlich das Verdampfen genutzt wird.

Im Umkehrschluss bedeutet das, dass die Eingangskonzentration an Wasser in den Mischkneter mit Hilfe der vorangeschalteten Verdampferstufe eingestellt wird, so dass sich ein minimales Apparatevolumen des Mischkneters ergibt. Erfindungsgemäss wird die Verdampferleistung des Dünnschichters z.B. mit Hilfe der Heiztemperatur des Dünnschichters so angepasst, dass sich gewünschte Zusammensetzung der Formlösung am Austrag des Mischkneters bei maximalen möglichen Durchsatz des Mischkneters und Einhaltung einer minimal notwendigen Lösezeit ergibt. Apparativ bedeutet dies eine Verringerung der Partikelmitrisse durch Verringerung der Gasgeschwindigkeiten beziehungsweise, dass die Querschnittsfläche der den Brüdenstrom abführenden Gehäuseöffnungen geringer ausgeführt werden können, idealerweise verbunden mit einer Reduktion der Anzahl Gehäuseöffnungen von zum Beipspiel zwei auf eins. Apparativ bedeutet dies auch, die Scheiben nur heizhohlraumfrei oder auch als reine Supporte mit minimierter Seitenfläche ausführen zu können, was die Kneterwelle entlastet und deren Herstellung vereinfacht. Zudem bedeutet dies eine gleichmässige Belastung der Keterwelle, was unter anderem generell zu einer längeren Lebensdauer des Mischkneters führt.

Als zusätzliche optimierte Prozessvariante wird erfindungsgemäss die Heizleistung des Dünnschichters so eingestellt, dass genaus soviel mechanische Leistung des Mischkneters in das Produkt eingetragen wird, dass Kontaktkühlung im Mischkneter für ein sicheres und energieeffizientes Verfahren nicht notwendig ist. Dies vereinfacht die Prozesssteuerung und erhöht, insbesondere bei Verwendung von NMMO als Funktionsflüssigkeit, die Prozesssicherheit des Verfahrens. Zusätzlich bringt die beschriebene Prozessvariante den Vorteil einer minimalen thermischen Belastung des Gemisches im Mischkneter mit sich, was der Produktqualität der Formlösung zuträglich ist. Apparativ bedeutet dies, dass die Kneterwelle nicht über mehrere Heiz/Kühl-Zonen verfügen muss. Bevorzugt erfolgt im Mischkneter keine Kontaktkühlung. Bei der vorliegenden Erfindung können die Wellenaufbauten vorzugsweise heizhohlraumfrei ausgeführt sein und der durch Kneten eingebrachte Energieeintrag reicht aus, um aus dem Transfergemisch eine Formlösung herzustellen. Dies ist auch deswegen möglich, weil das vorgehende Prozessorgan in Form des Dünnschichtverdampfers bei der Herstellung des Transfergemisches erfindungegemäss soviel Wasser entzieht, dass die Aufgabe des Mischkneters nicht mehr das bisher massgebliche Verdampfen von Wasser ist, sondern das Kneten des Transfergemisches zur Formlösung.

Die Verdampfungsleistung des vorgehenden Prozessorgans wird also so eingestellt, dass die benötigte Prozessenergie für Erwärmung und Verdampfung des Gemisches im Mischkneter bevorzugt nur aus der mechanischen Leistung des Mischkneters resultiert.

Somit steigern sich sowohl die maximale Formlösungsstromkapazität pro Mischkneter als letztes Prozessorgan in einem mehrstufigen Direktlöseverfahren und somit die maximale Produktionskapazität pro Produktionslinie.

Vorteilhaft ist hierbei auch, die erhöhte Energieeffizienz und Prozesssicherheit in Kombination mit einem geeigneten vorgehenden Prozessorgan wie vorzugsweise einem Dünnschichtverdampfer für die gesamte Überführung eines Ausgangsmaterial in eine Formlösung.

Als Funktionsflüssigkeit für das Ausgangsmaterial wird erfindungsgemäss eine IL oder NMMO beigegeben. Die Funktionsflüssigkeit dient dazu, die Zellulose bei entsprechenden Voraussetzungen zu lösen.

In der erwähnten Kombination mit einem vorgehenden Prozessorgan zur Herstellung eines Transfergemischs ist eine vorzugsweise Ausführungsform des Mischkneters gekennzeichnet dadurch, dass sie auf die Verarbeitung eines Transfergemisches ausgelegt ist, welches so gewählt wird, dass die Viskosität des Transfergemischs nicht nur niedrig genug ist, dass eine wesentliche Überhitzung im Dünnschichtverdampfer vermieden wird, sondern auch gross genug, dass der durch Reibung erfolgende mechanische Energieeintrag beim Mischkneter so hoch ist, dass der Bedarf an - den mechanischen Energiegeeintrag ergänzendem - thermischem Energieeintrag in den Mischkneter so gering ist, dass die Aufbauten der Kneterwelle nicht dem thermischen Wärmeaustausch dienen müssen, sondern heizhohlraumfrei gestaltet werden können. Dies ermöglicht eine deutlich einfachere, günstigere und schnellere Bauweise der Kneterwelle.

Das in dem erfindungsgemässen Mischkneter zu einer Formlösung verarbeitete Transfergemisch ist deshalb so gewählt, dass es für bestimmte Prozessbedingungen, im Wesentlichen Misch- und Knetintensität, Füllgrad, Gasdruck und Heiztemperatur, sowie für eine bestimmte Art von und eine bestimmten Anteil an Zellulose und Art deren Vorbehandlung und eine bestimmte Art und Anteil einer Funktionsflüssigkeit über eine Wasserkonzentration verfügt, dass mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist bzw. mindestens eine der folgenden erfindungsgemässen Ausführungsvarianten gegeben ist:

(1 ) Die Grösse des Mischkneters ist ausschliesslich auf die Anforderungen einer Formlösungsstromkapazität ausgelegt, und die sich dabei ergebende Wasserverdampfungskapazität des Mischkneters entspricht der Wasserverdampfungskapazität, die nötig ist, um den für die Herstellung einer Formlösung erforderlichen Wasseranteil des Transfergemischs verdampfen zu können.

Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der Mischkneter so ausgelegt ist, dass eine Reduktion des Wasseranteils im Transfergemisch oder eine Steigerung der Verdampfungskapazität des Mischkneters durch beispielsweise höhere Heiztemperaturen nicht dazu führt, dass die Formlösungsstromkapazität erhöht werden kann.

(2) Im Fall von NMMO als Funktionsflüssigkeit entspricht der Wasseranteil des Transfergemischs im allgemeinen den folgenden Bedingungen: maximal XH2O = -0,235 xceii + 0,235 minimal XH20 = -0,59 xceii + 0,2047

Noch bevorzugter ist das Ausbringen des Transfergemisches bei den bevorzugten Zusammensetzung von maximal XH20 = 0,2864 x ² ceii - 0,6786 xceii + 0,2288 minimal XH20 = 0,2864 x ² ceii - 0,6786 xceii + 0,2188.

Vorzugsweise ist das Transfergemisch so gewählt, dass - in Ergänzung zu (1 ) und (2) oben - es über eine Wasserkonzentration verfügt, dass zudem gilt:

(3) Der Mischkneter ist mit mindestens einer Kneterwelle ausgerüstet, deren Aufbauten nicht beheizbar ausgeführt sein müssen, und das Transfergemisch verfügt über genügend Viskosität, um mittels mechanischem Energieeintrag, in Ergänzung zum thermischen Energieeintrag über eine beheizbare Kneterwelle des Mischkneters und ein beheizbares Gehäuse des Mischkneters, die im Mischkneter erforderliche Verdampfungsleistung zur Herstellung einer Formlösung zu erreichen.

In einem vorangestellten Prozessschritt liegt das Ausgangsmaterial als Gemisch aus Zellulose, Wasser und Funktionsflüssigkeit vor, dessen Zusammensetzung stark variieren kann.

Das Ausgangsmaterial wird dabei im vorangestellten Prozessschritt zu einem Transfergemisch. Dieser Prozessschritt kann vorzugsweise in einem oder mehreren Dünnschichtverdampfern erfolgen. Dabei handelt es sich bei dem oder bei den Dünnsichtverdampfer/n um das vorgehende Prozessorgan.

Im erfindungsgemässen Transfergemisch liegt die Zellulose teilgelöst vor und im Fall von NMMO als Funktionsflüssigkeit kann der Wasseranteil im NMMO der mathematischen Formel entnommen werden.

Die Formeln zur Beschreibung des Transfergemisches beziehen sich auf die Herstellung eines Transfergemisches unter thermo-mechanischen Bedingungen, die einen risikoarmen Betrieb eines Dünnschichtverdampfers zulassen und haben sich in der Praxis bewährt. Aufgrund der erläuterten Einflüsse auf die Lösegeschwindigkeit der Zellulose ist es jedoch möglich, dass die Formel eine spinnbare Lösung voraussagt, während in der Praxis trotz geringer Wassergehalte noch ein erfindungsgemässes Transfergemisch mit ungelösten zellulosischen Bestandteilen vorliegt, da eine spezielle thermomechanische Behandlung gewählt wurde, wie beispielweise sehr kurze Zeiten des Produkts zwischen Einspeisung und Auslass. Solch thermo-mechanische Behandlungen gehen aufgrund des damit einhergehenden geringeren Wassergehaltes im Transfergemisch gleichzeitig aber mit einem erhöhten Prozessrisiko durch wesentliche Überhitzung und explosionsartige Zersetzung einher.

Das kann ausserdem erfindungsgemäss auch bedeuten, dass das Ausgangsmaterial auch bei Zusammensetzungen innerhalb des Konzentrationsbereich dem vorangestellten Prozessschritt zugeführt wird, welcher das allgemeine Transfergemisch beschreibt. Üblicherweise entsteht erst durch die prozessspezifische thermo-mechanische Behandlung des Ausgangsmaterials (erhöhte Temperatur und Schereinwirkung) ein Transfergemisch, das sich durch eine teilweise Lösung des Zellstoffes kennzeichnet.

Das Transfergemisch wird dann in einem Mischkneter zu einer Formlösung weiterverarbeitet , welcher zur sicheren Überführung des Transfergemischs in eine Formlösung besser geeignet ist als das vorangestellte Prozessorgan wie bspw. ein Dünnschichtverdampfer, da der Mischkneter, wie oben beschrieben, insbesondere Dank guter Hochviskosmischeigenschaften und effektivem mechanischem Energieeintrag über die Kneterwelle, deren Drehzahl schnell eingestellt und auch schnell wieder zurückgenommen werden kann, mit grosser Genauigkeit und sicher die Temperatur regeln kann und im Regelfall - Kühlung bzw. Wärmeabfuhr vermeidet.

In einem anderen Ausführungsbeispiel passiert das Transfergemisch zunächst ein dem Dünnschichtverdampfer oder den mehreren Dünnschichtverdampfern nachfolgendes Transferorgan oder Transferorgane, bevor es in den Mischkneter gegeben wird. Somit gilt die erhöhte Energieeffizienz und Prozesssicherheit nicht nur für den Prozessschritt der Herstellung der Formlösung aus dem Transfergemisch im Mischkneter sondern auch in Kombination mit einem geeigneten vorangestellten Prozessorgan für die gesamte Überführung eines Ausgangsmaterial in eine Formlösung.

Die Materialeigenschaften anhand oben aufgeführter Formeln zur Beschreibung des allgemeinen Transferbereiches ergeben sich aus den folgenden Untersuchungen. Der maximale Wasseranteil x _H20 beschreibt diejenige Zusammensetzung, die bei der Betrachtung von Wasser und NMMO dem Di-Hydrat entspricht. NMMO-Moleküle besitzen die Fähigkeit, zwei Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen. Die Wasserstoffbrückenbindungen führen zum einen zur Bildung von Strukturen mit darüber gebundenen Wassermolekülen und zum anderen zum Lösen von Zellulosemolekülen. Ab einem Verhältnis von weniger als zwei Wassermolekülen pro NMMO-Molekül besteht dadurch theoretisch eine Lösefähigkeit des NMMOs für Zellulosemoleküle. Dies grenzt das Transfergemisch als obere Wassergehaltsgrenze von der reinen Suspension ab. So ist beispielsweise auch in der Literatur beschrieben, dass sich bei entsprechender thermomechanischer Behandlung bereits bei NMMO-Wasser-Konzentrationen von ca. 75% ein Teil Zellulose in Lösung befinden.

Der minimale Wasseranteil x _H20 beschreibt für den Fachmann angelehnt an die US 4,196,282 A diejenige Zusammensetzung, bei der nach visueller Untersuchung das erste Mal eine vollständige Auflösung der Zellulose im Gemisch Zellulose-Wasser-NMMO beobachtet werden konnte. Sie grenzt das Transfergemisch somit von der vollständigen Formlösung ab. Die in der US 4,196,282 A in Bezug auf NMMO als Funktionsflüssigkeit getätigten Aussagen werden durch Ergebnisse und Beobachtungen aus industriellen Anwendungen und Versuchen der Erfinder im Technikumsmassstab bestätigt. Die beiden dargelegten Formeln umschliessen folglich den Bereich des allgemeinen T ransfergemisches. Zur Beschreibung der Materialeigenschaften des bevorzugten Transferbereiches ist bezüglich des minimalen Wassergehaltes auf die US 4,196,282 A zu verweisen. Die Kurve beschreibt daran angelehnt das 95%- Vertrauensintervall des minimalen Wasseranteils des allgemeinen Transferbereiches und grenzt sich somit weiter von dem sicheren Zustand einer vollständigen Formlösung ab. Die Formel zur Beschreibung des maximalen Wasseranteils x _H20 des bevorzugten Transferbereiches beruht auf Ergebnissen aus industriellen Anwendungen des Direktlöseverfahrens und Datenerhebungen aus Versuchsreihen der Erfinder im Technikumsmassstab. Sie markiert die obere Grenze des Transferbereiches, innerhalb dessen eine optimale Ausnutzung der spezifischen prozessrelevanten Mischkneter- Merkmale gewährleistet ist.

Das Transfergemisch ist in seiner allgemeinen Zusammensetzung und auch in seiner bevorzugten Zusammensetzung (jeweils beschrieben durch die entsprechenden obengenannten Formeln) in einem Vor-Lösungs-Zustand. Somit ist auch erreicht worden, dass das Formlösungsverfahren unter optimalen Betriebsparametern des Dünnschichtverdampfers erfolgt ist und die vergleichsweise schwierigen Materialzustände der Formlösung vermieden werden, wenn es beispielsweise im Dünnschichtverdampfer zu Verkrustungen kommt oder eine Übertrocknung oder Zersetzung stattfindet. Diese schwierigen Materialzustände führen in dem nachfolgenden erfindungsgemässen Mischkneter nicht zu problematischen Prozesszuständen, weil dieser in der Regel beispielsweise für höhere Drehmomente sowie die Vermeidung von Krustenbildung ausgelegt ist.

Bei der Formel, welche die allgemeine Zusammensetzung beschreibt, ist ein Ausbringen des Transfergemisches bereits vorteilhaft, weil ausreichend Wasser verdampft ist, sodass ein Transfergemisch entsteht und eine Weiterverarbeitung zur Lösung in dem nachfolgenden Prozessorgan in einer relativ kurzen Prozesszeit erfolgen kann.

Bei der Formel, welche die bevorzugte Zusammensetzung des Transfergemisches beschreibt, liegt der maximale Anteil an Wasser, im Vergleich zur Definition des allgemeinen Transfergemisches, bereits näher an der vollständigen Lösung. Der minimale Anteil an Wasser hat andererseits aber einen grösseren Abstand zu dieser vollständigen Lösung.

So kann die Verarbeitung des Transfergemisches zu einer Formlösung im erfindungsgemässen Mischkneter in einer kurzen, maximal der Lösedauer entsprechenden, Prozesszeit realisiert werden und gleichzeitig das Risiko der Übertrocknung des Materials gesenkt werden. In beiden Fällen der Formel ist das Transfergemisch aber zwei bis mehrere Minuten dauernde Verarbeitungszeit, während welcher das Produkt im Mischkneter homogenisiert und gegebenenfalls restliches Wasser verdampft wird, von einer form- bzw. spinnbaren Lösung entfernt.

Das Produkt und somit auch das Ausgangsmaterial beinhalten im Wesentlichen Zellulose, Wasser und eine Funktionsflüssigkeit. Daneben beinhaltet das Produkt weitere Chemikalien wie Stabilisatoren etc., auf deren Aufzählung im Einzelnen im Rahmen der Erfindung verzichtet werden kann, da sie dem Fachmann bekannt sind und für jeden einzelnen Fall der Anwendung Anpassungen bedürfen.

Figurenbeschreibung

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

Figur 1 ein Schaubild über den allgemeinen und bevorzugten Materialeigenschaften eines Transfergemisches.

Ausführungsbeispiel

Beispiel 1

Gegenstand dieses Beispiels ist die Herstellung einer Formlösung mit einem Zellulosegehalt von 12 wt% mit Hilfe des Direktlöseverfahrens. Als Funktionsflüssigkeit dient in diesem Beispiel NMMO. Alle nachfolgenden Anteilsangaben beziehen sich auf die Gesamtmasse des Zellulose-NMMO- Wasser-Gemisches. Ein Ausgangsmaterial mit einem Zelluloseanteil von ca. 7.2 wt% wird aus Zellulose und wässriger NMMO-Lösung hergestellt, sodass sich ein NMMO-Anteil von ca. 46.1 wt% ergibt. Dieses Ausgangsmaterial wird mit einem Strom von ca. 417 kg/h in einen Dünnschichtverdampfer eingebracht und dort zu einem Transfergemisch aufkonzentriert. Der Dünnschichtverdampfer wird im Beispiel bei einem Prozessdruck von 70 mbara betrieben, sodass die Gleichgewichtstemperatur des Ausgangsmaterials bei ca. 43 °C liegt. Die Heiztemperatur des Dünnschichtverdampfers beträgt 130°C Im vorliegenden Beispiel erfolgt der Transfer des Gemisches innerhalb des bevorzugten Transferbereiches bei einem Zelluloseanteil von ca. 11.5 wt% und ein NMMO-Anteil von ca. 73.9 wt%. Bei den vorliegenden Prozessbedingungen entspricht dies einer Gleichgewichtstemperatur des Transfergemisches von ca. 100 °C. Das Verhältnis von Wasser und NMMO entspricht an diesem Punkt ungefähr dem eines 1 .3-Hydrates. Das durch den Dünnschichtverdampfer bereitgestellte Transfergemisch wird nachfolgend mit einem Strom von ca. 261 kg/h in den Mischkneter verbracht. Dort erfolgt das vollständige Lösen der Zellulose, eine Homogenisierung und eine abschliessende Aufkonzentrierung des Gemisches durch Verdampfen, sodass eine vollständige Formlösung entsteht. Die Verweilzeit des Gemisches im Mischkneter beträgt 8.5 Minuten. Das Prozessvolumen des Kneters beträgt folglich ca. 70 L. Die Formlösung verlässt den Mischkneter mit einem Strom von ca. 217 kg/h mit einem Zelluloseanteil von 12.0 wt%, einem NMMO-Anteil von ca. 77.0 wt% und einer Temperatur von ca. 107 °C.

Beispiel 2

Gegenstand dieses Beispiels ist die Herstellung einer Formlösung mit einem Zellulosegehalt von 12 wt% mit Hilfe des Direktlöseverfahrens. Als Funktionsflüssigkeit dient in diesem Beispiel eine ionische Flüssigkeit. Alle nachfolgenden Anteilsangaben beziehen sich auf die Gesamtmasse des Gemisches. Ein Ausgangsgemisch mit einem Zelluloseanteil von ca. 8.2 wt% wird aus Zellulose und wässriger IL-Lösung hergestellt, sodass sich ein IL- Anteil von ca. 58.6 wt% ergibt. Dieses Ausgangsmaterial wird mit einem Strom von ca. 475 kg/h in einen Dünnschichtverdampfer eingebracht und dort zu einem Transfergemisch aufkonzentriert. Im vorliegenden Beispiel erfolgt der Transfer des Gemisches bei einem Zelluloseanteil von ca. 11 .5 wt% und ein IL- Anteil von ca. 79.6 wt%. Das durch den Dünnschichtverdampfer bereitgestellte Transfergemisch wird nachfolgend mit einem Strom von ca. 347 kg/h in den Mischkneter verbracht. Dort erfolgt eine abschliessende Aufkonzentrierung des Gemisches durch Verdampfen und eine Homogenisierung, sodass eine vollständige Formlösung entsteht. Die Verweilzeit des Gemisches im Mischkneter beträgt 12 Minuten. Das Prozessvolumen des Kneters beträgt folglich ca. 115 L. Die Formlösung verlässt den Mischkneter mit einem Strom von ca. 333 kg/h mit einem Zelluloseanteil von 12.0 wt% und einem IL-Anteil von ca. 83.0 wt%.

In Figur 1 ist ein Schaubild gezeigt, welches die allgemeine und die bevorzugte Materialzusammensetzung des Transfergemisches zeigt. Dabei weist die allgemeine Zusammensetzung a folgende Parameter von maximal XH20 = -0,235 xceii + 0,235 minimal XH20 = -0,59 xceii + 0,2047 auf und zeigt damit einen grösseren Spielraum als die bevorzugte Zusammensetzung b, welche folgende Parameter von maximal XH20 = 0,2864 x ² ceii - 0,6786 xceii + 0,2288 minimal XH20 = 0,2864 x ² ceii - 0,6786 xceii + 0,2188 aufweist.

Bei abnehmendem Wassergehalt wird zunächst der Bereich der Lösung L erreicht und bei weiterer Abnahme des Wassergehalts erfolgt die Kristallisation K des NMMOs.

Bezugszeichenliste