[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension
enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat durch eine chemische Reaktion.
[0002] Faserstoffsuspensionen der eingangs genannten Art dienen insbesondere der Papier-
und/oder Kartonherstellung. Der insbesondere auch aus ökonomischen und ökologischen
Gründen erforderliche schonende Umgang mit Rohstoffresourcen äußert sich bei der Papierherstellung
in zunehmend niedrigeren Flächengewichten der Papierbahn sowie im teilweisen Ersatz
des Faserstoffes durch Füllstoffe. Werden kostengünstigere Rohstoffe eingesetzt, so
soll die Papierqualität zumindest beibehalten werden. Hierbei spielen unter anderem
die Festigkeit, die optischen Eigenschaften sowie die Verarbeitbarkeit des Endproduktes
eine entscheidende Rolle.
[0003] Ziel der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art insbesondere
im Hinblick auf eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit und eine möglichst hohe Qualität
der Faserstoffsuspension weiter zu optimieren.
[0004] Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, der Faserstoffsuspension ein
Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Medium zugesetzt wird, daß die so
behandelte Faserstoffsuspension insbesondere in wenigstens einem Reaktor mit einem
weiteren, reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird
und daß im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige
Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid
in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt wird, indem der pH-Wert
der Faserstoffsuspension entsprechend geregelt wird. Dabei kann die Messung des pH-Wertes
an einer oder mehreren Stellen im Prozeßablauf erfolgen. Die Faserstoffsuspension
(Pulp) weist dabei eine Stoffdichte (Konsistenz) von größer 5%, vorzugsweise zwischen
15% bis etwa 40%, auf, die zudem in diesem Bereich noch regelbar ist.
[0005] Bei Zusetzung eines Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltenen Mediums an die
Faserstoffsuspension läuft eine chemische Reaktion mit exothermer Eigenschaft ab,
wobei das Calciumhydroxid vorzugsweise in flüssiger Form (Kalkmilch) zugesetzt wird.
Dies bedeutet, daß nicht unbedingt das möglicherweise in bzw. an den Faserstoffen
der Faserstoffsuspension ein- bzw. angelagerte Wasser zum Start und Ablauf der chemischen
Reaktion notwendig ist.
[0006] Aufgrund dieser Ausbildung wird eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit sowie eine
höhere Qualität der Faserstoffsuspension erreicht.
[0007] Bei dem Beladen der Fasern wird Calciumcarbonat an die benetzten Faseroberflächen
eingelagert, indem dem feuchten Fasermaterial Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid
zugesetzt wird, wobei zumindest ein Teil davon sich mit dem Wasser der Faserstoffmenge
assoziieren kann. Das so behandelte Fasermaterial wird dann mit dem reinen Kohlendioxid
oder mit dem Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt. Überdies kann das entstandene
CaCO
3 um die Fasern eine Suspension bilden.
[0008] Dabei kann der Begriff "benetzte Faseroberflächen" alle benetzten Oberflächen der
einzelnen Fasern umfassen. Damit ist insbesondere auch der Fall mit erfaßt, bei dem
die Fasern sowohl an ihrer Außenfläche als auch in ihrem Innern (Lumen) mit Calciumcarbonat
beladen werden.
[0009] Demnach werden die Fasern mit dem Füllstoff Calciumcarbonat beladen, wobei die Anlagerung
an die benetzten Faseroberflächen durch einen sog. "Fiber Loading ™" -Prozeß erfolgt,
wie er als solcher in der US-A-5,223,090 beschrieben ist. In diesem "Fiber Loading™"-Prozeß
reagiert das CO
2 mit dem Calciumhydroxid zu Wasser und Calciumcarbonat.
[0010] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der jeweilige
pH-Istwert mit einem entsprechend vorgebbaren Sollwert verglichen und die Regelabweichung
über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt:
- Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Reaktor;
- Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension;
- Druck des Kohlendioxids;
- Temperatur der Faserstoffsuspension und/oder des Calciumhydroxids;
- Druck im Reaktor;
- Temperatur des CO2;
- Druck des CO2;
- Konzentration des CO2 im Medium;
- Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern;
- spezifische Faseroberfläche.
[0011] Vorteilhafterweise ist der pH-Wert der Faserstoffsuspension in einem Bereich von
etwa 5,5 bis etwa 10,5 regelbar.
[0012] Von Vorteil ist auch, wenn der Aschegehalt der Faserstoffsuspension in einem Bereich
von etwa 1 % bis etwa 70 % regelbar ist.
[0013] Das Kohlendioxid wird vorzugsweise gasförmig zugeführt.
[0014] Die Temperatur des zugeführten Kohlendioxids kann in einem Bereich von etwa - 10°
bis etwa 250°C einstellbar oder regelbar sein.
[0015] In bestimmten Fällen ist es von Vorteil, wenn zusätzlich optische Eigenschaften,
beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit, Opazität, Farbort, Lichtstreuungskoeffizient,
als Indikator für den Ablauf der chemischen Reaktion herangezogen werden.
[0016] Der pH-Meßort wird vorzugsweise wenigstens einer der folgenden Schritte gewählt wird:
- mindestens vor/nach Reaktion;
- auch während der Reaktion;
- ggf. mehrere Messungen.
[0017] Der pH-Wert wird dabei vorzugsweise am Ende der chemischen Reaktion oder nach der
Vergrößerung der spezifischen Oberfläche mittels mindestens eines Fluffers gemessen.
[0018] Erfindungsgemäß ist eine Druckregelung im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 20 bar vorgesehen.
[0019] Weiters wird die Faserstoffsuspension Scherkräften, vorzugsweise in mindestens einem
Fluffer, ausgesetzt, um dadurch u.a. deren spezifische Oberfläche zu vergrößern.
[0020] Im übrigen kann bei dem Beladen der Fasern mit Calciumcarbonat insbesondere so vorgegangen
werden, wie dies in der US-A-5,223,090 beschrieben ist. Der Inhalt dieser Druckschrift
wird hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
[0021] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen, bei der auf die Zeichnung Bezug genommen wird; in dieser
zeigen:
- Figur 1:
- in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Beladen
von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat;
- Figuren 1a - 1c:
- verschiedene pH-Wert-Verläufe über der Reaktionszeit; und
- Figur 2:
- eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform zum Beladen von Fasern.
[0022] Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine rein beispielhafte Ausführungsform
einer Vorrichtung 10 zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern
mit Calciumcarbonat (CaCO
3). Entsprechend dient diese Vorrichtung 10 der Einlagerung von Calciumcarbonat an
die benetzten Faseroberflächen des Fasermaterials. Dabei kann dieses Beladen der Fasern
dem Prinzip nach insbesondere entsprechend dem zuvor genannten "Fiber Loading™"-Prozeß
erfolgen.
[0023] Die Vorrichtung 10 kann einen oder mehrere Reaktoren R
i umfassen, in der die mit Calciumoxid (CaO) und/oder Calciumhydroxid (Ca(OH)
2) versetzte Faserstoffsuspension mit reinem Kohlendioxid (CO
2) oder mit einem Kohlendioxid (CO
2) enthaltenden Medium beaufschlagbar ist.
[0024] pH-Meßort:
- mindestens vor/nach Reaktion;
- auch während der Reaktion;
- ggf. mehrere Messungen.
[0025] Vor und/oder nach und/oder in dem bzw. den Reaktoren R
i kann jeweils ein Fluffer 14 vorgesehen sein, in dem das Fasermaterial der Fasersuspension
mit dem Ziel gespalten wird, die spezifische Oberfläche des Fasermaterials derart
zu vergrößern, daß die Zugänglichkeit für die Edukte an die Fasermaterialoberfläche
optimiert wird. Dadurch ergibt sich eine weitergehende Verbesserung der Homogenisierung
und der "Fiber Loading ™"-Prozeß wird entsprechend optimiert.
Dies kann dadurch geschehen, daß die Fasderstoffsuspension Scerkräften ausgesetzt
wird., z.B. in einem Fluffer. Die pH-Wert-Messung erfolgt vorzugsweise am Ende der
Reaktion, nach der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Fluffer 14 zwischen einem Refiner
16 und dem bzw. den Reaktoren 12
i vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist es beispielsweise auch möglich, einen
solchen Fluffer 14 zwischen dem wenigstens einen Reaktor 12
i und einem Tank 18 vorzusehen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel folgt auf den
Tank 18 wieder ein Refiner 20, wonach es zur Papiermaschine PM geht.
[0026] Auch die weiteren in Figur 1 noch enthaltenen Angaben sind rein beispielhaft und
einzeln oder in beliebiger Kombination verwendbar.
[0027] Beispielsweise mittels dieser Vorrichtung 10 kann somit eine Anlagerung von Calciumcarbonat
an die benetzten Faseroberflächen des Fasermaterials erfolgen, wobei dieses Beladen
der Fasern vom Prinzip her insbesondere wieder entsprechend dem zuvor genannten "Fiber
Loading™"-Prozeß erfolgen kann.
[0028] Dabei kann dem Fasermaterial das Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid (gelöschter
Kalk) enthaltende Medium insbesondere so zugesetzt werden, daß zumindest ein Teil
davon sich mit dem im Fasermaterial, d.h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und
in deren Wänden, vorhandenen Wasser assoziieren kann, wobei sich die folgende chemische
Reaktion einstellt:
[0029] In einem jeweiligen Reaktor wird das Fasermaterial dann derart mit Kohlendioxid (CO
2) beaufschlagt, daß Calciumcarbonat (CaCO
3) an die benetzten Faseroberflächen weitestgehend angelagert wird. Dabei stellt sich
die folgende chemische Reaktion ein:
[0030] Beispielsweise mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung wird bei dem "Fiber Loading"-Prozeß
nun vorzugsweise so vorgegangen, daß der Faserstoffsuspension ein Calciumoxid und/oder
Calciumhydroxid enthaltendes Medium zugesetzt wird, daß die so behandelte Faserstoffsuspension
insbesondere in wenigstens einem Reaktor mit einem weiteren, reines Kohlendioxid oder
Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird und daß im Verlauf der chemischen
Reaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe
Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat
und Wasser gesorgt wird, indem der pH-Wert der Faserstoffsuspension entsprechend geregelt
wird.
[0031] Dabei ist es von Vorteil, wenn der jeweilige pH-Istwert mit einem entsprechend vorgebbaren
Sollwert verglichen und die Regelabweichung über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen
vermindert oder beseitigt wird:
- Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Reaktor;
- Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension;
- Druck des Kohlendioxids;
- Temperatur der Faserstoffsuspension und/oder des Calciumhydroxids;
- Druck im Reaktor;
- Temperatur des CO2;
- Druck des CO2;
- Konzentration des CO2 im Medium;
- Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern;
- spezifische Faseroberfläche.
[0032] In den Figuren 1a - c sind für verschiedene Ausführungsbeispiele jeweils der pH-Wert
über der jeweiligen Reaktionszeit dargestellt.
[0033] Eine solche pH-Regelung ist beispielsweise auch bei der in der Figur 2 dargestellten
Ausführungsform möglich.
[0034] Gemäß dieser Figur 2 wird das vorliegende Faserstoff-Ausgangsmaterial 22 in einem
Pulper 24 zu einem Fasermaterial 26 aufbereitet, in dem die Fasern dann zumindest
im wesentlichen bereits vereinzelt, d.h. voneinander getrennt sind. Das Fasermaterial
26 enthält zumindest teilweise Wasser. Dieses kann sowohl zwischen den Fasern als
auch in den Innenräumen (Lumen) und in den Wänden der Hohlfasern vorhanden sein. Das
Fasermaterial 26 kann beispielsweise in Form eines sogenannten "dewatered crump pulp"
(vgl. die US-A-5,223,090) vorgesehen sein.
[0035] Das Fasermaterial 26 wird anschließend einem Sammelbehälter 28 oder dergleichen zugeführt,
in dem ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) enthaltendes Mittel
30 so zugesetzt wird, daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial,
d.h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und in deren Wänden, vorhandenen Wasser
assoziiert. Dabei stellt sich wieder die folgende, oben bereits erwähnte chemische
Reaktion ein:
[0036] Im Anschluß daran kann der Trockengehalt des Fasermaterials erhöht werden, beispielsweise
durch Zuführung zu einer Presse 32, deren Preßwasser 34 wieder in den Kreislauf zurückgeführt
wird. In diesem beispielsweise durch zwei Fluffer 14 abgeschlossenen Reaktor 36 wird
das Fasermaterial 26 mit dem reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium
beaufschlagt, was in der Figur 2 durch den in den Reaktor 36 weisenden Pfeil angedeutet
ist.
[0037] Durch die Beaufschlagung des in der beschriebenen Weise bereits vorbehandelten Fasermaterials
mit dem reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium stellt sich die
folgende, zuvor ebenfalls bereits erwähnte chemische Reaktion ein:
[0038] Unabhängig von der jeweiligen Art der verwendeten Vorrichtung sind hinsichtlich einer
weiteren Optimierung des "Fiber Loading™"-Prozesses einzeln oder in beliebiger Kombination
auch die folgenden Maßnahmen oder Merkmale von Vorteil:
[0039] Zur Überwachung und/oder Regelung der chemischen Reaktion kann der pH-Wert der Faserstoffsuspension
gemessen werden. Dabei ist der pH-Wert vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5,5
bis etwa 10,5 einstellbar.
Der Aschegehalt der Faserstoffsuspension ist beispielsweise in einem Bereich von etwa
1% bis etwa 70% regelbar.
[0040] Das Kohlendioxid kann insbesondere gasförmig zugeführt werden. Die Temperatur des
zugeführten Kohlendioxids ist zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa -10° bis
etwa 250°C einstellbar.
[0041] Als Indikatoren für die Regelung der chemischen Reaktion können beispielsweise optische
Eigenschaften, beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit, Opazität, Farbort,
Lichtstreuungskoeffizient, herangezogen werden.
[0042] Grundsätzlich ist es auch möglich, bei der Regelung der chemischen Reaktion als Regelgröße
den pH-Wert, den Ascheanteil und/oder den Anteil an Calciumcarbonat (CaCO
3) heranzuziehen.
[0043] In den in der Figur 1 mit "VD" bezeichneten Bereichen ist auch eine Verdünnung (H
2O) möglich.
[0044] Auch die im folgenden genannten Maßnahmen oder Merkmale können, einzeln oder in beliebiger
Kombination, einer weiteren Optimierung des Faserladeprozesses dienen:
Zufuhr von Pulp:
- Volumen und Massenstrom regelbar;
- Temperatur regelbar in einem Bereich von etwa 5°C bis etwa 95°C;
- Stoffdichte regelbar in einem Bereich von etwa 15% bis etwa 40%; vorzugsweise von
etwa 20 % bis etwa 25 %;
- pH-Wert regelbar von etwa 10 bis etwa 13.
Calciumcarbonat (CaCO) im Reaktor:
- Kristalltypen: rhomboedrisch, skalenoedrisch, rosettenartig, sphärisch, nadelförmig,
prismenförmig, aragonitisch, plättförmig, GCC und ähnliche;
- Reaktion unter etwa 0,1 bis etwa 20 bar;
- Temperatur von etwa -10° bis etwa 200°C;
- Verweilzeit von etwa 1 Minute bis etwa 1 Stunde.
Fluffing:
- dient der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche;
- einsetzbar vor und/oder nach und/oder in einem jeweiligen Reaktor bzw. den Reaktoren;
- Spaltweite von etwa 0,1 bis etwa 100 mm, vorzugsweise einstellbar;
- Energieeintrag in einen Bereich von etwa 5 kWh/t bis etwa 200 kWh/t.
Refining:
- vor und/oder nach und/oder in einem jeweiligen Reaktor bzw. den Reaktoren bzw. dem
"Fiber Loading™"-Prozeß.
Druckbehälter oder Reaktor (*) / Verweilpulper nach Reaktor (**):
- (*) Kristalltypen: romboedrisch, skalenoedrisch, rosettenartig, sphärisch, nadelförmig,
prismenförmig, aragonitisch, plättförmig, GCC und ähnliche;
- (*) Reaktion unter etwa 0,1 bis etwa 20 bar;
- (**) Temperatur in einem Bereich von etwa -10° bis etwa 250°C;
- (*) pH-Wert von etwa 5,5 bis etwa 10,5 regelbar;
- (**) Stoffdichte etwa 0,1% bis etwa 15%;
- (**) CO2-Zugabe;
- (**) Verweilzeit.
CaCO3-Anteil am Pulp:
- Bei einem zugrundeliegenden Massenanteil von etwa 1 % bis etwa 70 % des Füllstoffs,
etwa 1 % bis etwa 60 % an den Fasern angelagerter Füllstoff, der Rest freies FLPCC™
(Fiber Loaded Precipiated Calcium Carbonate) in der Suspension.
Bezugszeichenliste
[0045]
- 10
- Vorrichtung zum Beladen von Fasern
- 12i
- Reaktor
- 14
- Fluffer
- 16
- Refiner
- 18
- Tank
- 20
- Refiner
- 22
- Ausgangsmaterial
- 24
- Pulper
- 26
- Fasermaterial
- 28
- Sammelbehälter
- 30
- Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Reaktionsmittel
- 32
- Presse
- 34
- Preßwasser
- 36
- Reaktor
- 38
- Ventil
- 40
- Papiermaschine
- VD
- Verdünnung (H2O)
1. Verfahren zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension (26) enthaltenen Fasern mit
Calciumcarbonat durch eine chemische Reaktion,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Faserstoffsuspension (26) ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes
Medium (30) zugesetzt wird, daß die so behandelte Faserstoffsuspension (26) insbesondere
in wenigstens einem Reaktor (12, 36) mit einem weiteren, reines Kohlendioxid oder
Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird und
daß im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige
Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid
in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt wird, indem der pH-Wert
der Faserstoffsuspension (26) entsprechend geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der jeweilige pH-Istwert mit einem entsprechend vorgebbaren Sollwert verglichen und
die Regelabweichung über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert
oder beseitigt wird:
- Verweilzeit der Faserstoffsuspension (26) im Reaktor (12, 36)
- Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension (26)
- Druck des Kohlendioxids
- Temperatur der Faserstoffsuspension (26) und/oder des Calciumhydroxids
- Druck im Reaktor
- Temperatur des CO2
- Druck des CO2
- Konzentration des CO2 im Medium
- Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern
- spezifische Faseroberfläche.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der pH-Wert der Faserstoffsuspension (26) in einem Bereich von etwa 5,5 bis etwa
10,5 regelbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aschegehalt der Faserstoffsuspension (26) in einem Bereich von etwa 1 % bis etwa
70 % regelbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kohlendioxid gasförmig zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur des zugeführten Kohlendioxids in einem Bereich von etwa -10° bis etwa
250° C einstellbar oder regelbar ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich optische Eigenschaften, beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit,
Opazität, Farbort, Lichtstreuungskoeffizient, als Indikatoren für den Ablauf der chemischen
Reaktion herangezogen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß bezüglich des pH-Meßortes wenigstens einer der folgenden Schritte gewählt wird:
- mindestens vor/nach Reaktion;
- auch während der Reaktion;
- ggf. mehrere Messungen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der pH-Wert vorzugsweise am Ende der chemischen Reaktion gemessen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der pH-Wert vorzugsweise nach der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche mittels
mindestens eines Fluffers gemessen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Druckregelung im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 20 bar vorgesehen ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Faserstoffsuspension (26) Scherkräften, vorzugsweise in mindestens einem Fluffer,
ausgesetzt wird.