DE19960218A1 - Verfahren zum Fraktionieren einer Papierfasersuspension - Google Patents

Abstract

Das Verfahren dient zum Fraktionieren einer Papierfasersuspension (S) und ist sowohl auf Altpapier- als auch auf Frischzellstoffsuspensionen anwendbar. Es umfasst mindestens einen Faserlängentrennschritt (1) sowie mindestens einen weiteren Trennschritt (2, 3). Dabei ist der weitere Trennschritt (2, 3) so ausgelegt, dass die Papierfasern gezielt bezüglich ihrer Flexibilität in eine Hartfraktion (R2, R3) und eine Weichfraktion (A2, A3) aufgeteilt werden. Vorteile hat das Verfahren z. B. bei der Trennung von Gemischen aus chemischem Zellstoff und mechanischem Holzstoff oder bei der Trennung von Gemischen aus Früh- und Spätholz.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Üblicherweise wird ein Verfahren der genannten Art benutzt, um mindestens eine Langfaserfraktion und mindestens eine Kurzfaserfraktion zu bilden, indem eine Aufkonzentration von Langfasern einerseits und eine Aufkonzentration von Kurzfasern andererseits erfolgt. Auf diese Weise können Stoffsorten gebildet werden, die speziellen Anforderungen besser genügen als das Ausgangsgemisch. Es kann auch eine getrennte Bearbeitung der Fraktionen Ziel dieses Verfahrens sein. In vielen Fällen ist diese Aufteilung auch ausreichend, um die Eigenschaften der verwendeten Rohstoffe zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es gelingt, einen Faserstoff so weit zu fraktionieren, dass bestimmte Eigenschaften seiner Bestandteile bei der sich anschließenden Papiererzeugung noch besser ausgenutzt werden können. Insbesondere soll die Trennung in holzstoffreichere und holzstoffärmere Sorten verbessert werden können. Eine andere Anwendung ist die Trennung in Frühholz- und Spätholz-Anteile von Zellstoffen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Bei den Herstellungsverfahren von Papierfasern unterscheidet man bekanntlich zwischen dem chemischen Aufschluss, der Zellstofffasern liefert, die weitestgehend von Lignin befreit (ligninarm) sind, und dem mechanischen Aufschluss, mit dessen Hilfe man den sogenannten Holzstoff erhält, das sind Fasern mit signifikantem Ligninanteil (ligninreich). Der mechanische Aufschluss kann auch unter erhöhter Temperatur (TMP) durchgeführt und eventuell mit Chemikalien unterstützt werden (CTMP). Papierfaser-Rohstoffe bestehen oft aus einer Mischung solcher unterschiedlich aufgeschlossenen Ausgangsstoffe. Dann handelt es sich also um Gemische aus Fasern, welche sich nicht nur bezüglich ihrer geometrischen Form, z. B. Länge und Dicke, unterscheiden, sondern auch bezüglich Flexibilität, Fibrillierungsgrad, Oberflächenbeschaffenheit usw. Das trifft bei aus Altpapier hergestellten Rohstoffen zu, aber auch bei nativem Zellstoff.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, durch Kombination von Fraktionierschritten, die unterschiedliche Wirkung haben, die Auswahl bestimmter Eigenschaften weiter zu verfeinern. Das Verfahren ermöglicht nämlich durch die angegebene Kombination von mindestens zwei Trennschritten eine besonders wirksame Faserstoff-Trennung, da diese nacheinander mit speziell eingestellter unterschiedlicher Trennwirkung ausgeführt werden. Bei dem beispielsweise zuerst ausgeführten Faserlängen-Trennschritt werden die Langfasern von den Kurzfasern zumindest bis zu einem gewissen Grad getrennt. Hierzu gibt es bekannte Vorrichtungen, wie z. B. Siebfraktionatoren. Um die Trennung in Kurz- und Langfasern zu begünstigen, können solche Maschinen mit tendenziell hoher Strömungsgeschwindigkeit parallel zur Siebfläche betrieben werden. Bei Schlitzsieben bringen sehr feine Schlitze (z. B. 0,1 mm) oft eine besonders ausgeprägte Längenfraktionierung. Da in vielen Fällen die ligninarmen Zellstofffasern länger sind als die Holzstofffasern, kann die Langfaserfraktion ligninärmer sein als die Kurzfaserfraktion. Dieser Nebeneffekt der Längenfraktionierung ist nicht immer erwünscht.

Mit Vorteil führt man wenigstens eine der so gewonnenen Fraktionen einem zweiten Trennschritt zu, welcher so ausgelegt ist, dass flexiblere Fasern von den steiferen Fasern getrennt werden, auch wenn sie etwa die gleiche Faserlänge haben. Hierzu können Siebfraktionatoren eingesetzt werden, die z. B. mit weniger feinen Schlitzöffnungen ausgerüstet sind und mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit durch die Schlitzöffnungen hindurch betrieben werden. Das vorherrschende Trenncharakteristikum dieses weiteren Trennschrittes ist also nicht die Länge, sondern die Flexibilität der Fasern. Eine solche Fraktionierung ist bei einem engen Faserlängenspektrum - als Folge eines vorangegangenen Faserlängentrennschrittes - besonders effektiv durchführbar.

Mit den erwähnten Siebfraktionatoren sind in den meisten Fällen die Trennschritte vorteilhaft und zweckmäßig durchführbar. Es sind aber auch andere geeignete Trennvorrichtungen bekannt. Dabei ist z. B. an Hydrozyklone, sogenannte Cleaner, zu denken. Cleaner werden in der Papierindustrie zur Hauptsache dazu eingesetzt, um aus der Suspension Schwerteile, wie z. B. Sand, auszuscheiden. Sie können aber auch der Anreicherung von ligninhaltigen, steifen Holzstofffasern in der Schwerfraktion dienen, was wiederum besonders effektiv bei vorheriger Längenfraktionierung möglich ist.

Es sind auch sogenannte Grenzschicht-Fraktionatoren bekannt, in denen Lang- und Kurzfasern getrennt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht an die Reihenfolge: zuerst Faserlängenfraktionierung und dann Trennung nach Flexibilität der Fasern gebunden. Die optimale Reihenfolge hängt von den Faserstoffen, insbesondere ihrer Zusammensetzung, von den Trennapparaten und von den Anforderungen an den fertigen Papierfaserstoff ab.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schema, welches das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich darstellt;

Fig. 2 ein vereinfachtes Anlagenschema;

Fig. 3 + 4 je ein weiteres vereinfachtes Anlagenschema;

Fig. 5 Diagramm zur zweistufigen Fraktionierung;

Fig. 6 ein Diagramm zur Fahrweise eines Fraktionators.

Bei Durchführung des Verfahrens wird gemäß Fig. 1 die Papierfasersuspension S einem Faserlängen-Trennschritt 1 zugeführt, in dem die Suspension in eine mit Kurzfasern angereicherte Kurzfaserfraktion A1 und eine mit Langfasern angereicherte Langfaserfraktion A2 aufgeteilt wird. Bei dem hier dargestellten Beispiel werden beide Fraktionen - also sowohl die Kurzfaserfraktion A1, als auch die Langfaserfraktion A2 - jeweils einem weiteren Trennschritt 2 bzw. 3 zugeleitet. Dabei sind diese weiteren Trennschritte 2 und 3 dazu bestimmt, die zugeführte Suspension erneut zu fraktionieren, und zwar in der Weise, dass eine Fraktion mit flexibleren und eine mit steiferen Fasern entsteht. Hier wurde für die flexible Sorte der Begriff Weichfraktion A2, A3 und für die andere der Begriff Hartfraktion R2, R3 gewählt. Wie bereits ausgeführt wurde, sind die durch chemischen Aufschluss gewonnenen Zellstofffasern flexibel und ligninarm (d. h. sie enthalten nur sehr geringe Reste von aus dem Holz stammenden Lignin) und die mechanisch erzeugten Holzstofffasern steif und ligninreich. Unterschiedliche Flexibilität kann auch durch die Eigenschaften von Frühholz- und Spätholz-Zellstoff bedingt sein. Welche Trennverfahren für die einzelnen Trennschritte gewählt werden, ist in diesem allgemeinen Schema offen gelassen.

In der in Fig. 2 gezeigten Anlage wird ein Faserlängen-Trennschritt 1 sowie ein weiterer Trennschritt 2 mit Hilfe von jeweils einem nur angedeuteten Siebfraktionator durchgeführt. Dazu wird die Papierfasersuspension S aus einer Bütte 5 über eine Pumpe 6 durch die Fraktionatoren hindurchgepumpt. Zunächst wird im Faserlängen-Trennschritt 1 ein Durchlauf erzeugt, der die Kurzfaserfraktion A1 bildet, sowie ein Überlauf, nämlich die Langfaserfraktion A2. Die Kurzfaserfraktion A1 wird dann einem weiteren Trennschritt 2 unterzogen, wodurch die Weichfraktion A2 als Durchlauf und die Hartfraktion R2 als Überlauf anfällt. Als Ergebnis dieses Verfahrens sammelt sich in der Bütte 7 ein Langfaserstoff, in der Bütte 8 ein Stoff mit starren, z. B. ligninreichen Kurzfasern und in der Bütte 9 ein Stoff mit flexiblen, z. B. ligninarmen Kurzfasern an.

In der Fig. 3 ist der in Fig. 2 für den zweiten Trennschritt 2 verwendete Siebfraktionator durch eine Batterie von hochwirksamen Hydrozyklonen 18, sogenannten Cleanern, ersetzt. Diese können den hier als Kurzfaserfraktion eingetragenen Stoff so fraktionieren, dass ein flexibler ligninarmer bzw. starrer ligninreicher Faserstoff anfällt. Ligninreiche Fasern sind spezifisch schwerer als ligninarme. Auch die Flexibilität allein kann wegen des Strömungsverhaltens im Cleaner zu einem Trenneffekt führen.

Die Fig. 4 zeigt eine Anlage mit einem Faserlängen-Trennschritt 1 (Siebiraktionator), einem zweiten Trennschritt 2 (Gleanerbatterie) für die Kurzfaserfraktion A1 sowie einen dritten Trennschritt 3 (Siebfraktionator) für die Langfaserfraktion A2. Mit dieser Verfahrensvariante werden also Kurzfasern mit Cleanern und Langfasern mit Nasssieben entsprechend ihrer Flexibilität fraktioniert und in den Bütten 7 bis 10 gesammelt. Somit wird bei Kurzfasern das spezifische Gewicht und bei Langfasern die Flexibilität zur Trennwirkung herangezogen. Diese Kombination ist besonders effektiv. Mit der gestrichelten Linie 4 ist eine Möglichkeit angedeutet, die Weichfraktion A2, in der also die flexiblen Langfasern des zweiten Trennschritts 2 angereichert werden, mit der Weichfraktion A3 aus dem dritten Trennschritt 3 zu einer gemeinsamen Sorte in der Bütte 10 zusammenzufassen. Diese enthält dann einen flexiblen Faserstoff mit einem breiten Längenspektrum, z. B. mit überwiegend chemisch aufgeschlossenem Zellstoff.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Anreicherung von Spätholz-Zellstofffasern unter Nutzung ihrer geringeren Flexiblität. Man erkennt deutlich, dass durch den zuerst durchgeführten Faserlängentrennschritt 1 ein geringer Anstieg des Spätholzanteils 11 in der Hartfraktion R1 erzielt wird. Bei erneuter Fraktionierung in einem weiteren Trennschritt 2 lässt sich das Ergebnis signifikant verbessern.

Die Fig. 6 erläutert am Beispiel eines Siebfraktionators die Möglichkeit zur Festlegung der für das Verfahren wichtigen Trenncharakteristik. Aufgetragen ist der Holzstoffanteil 16 der Fraktionen über dem Überlaufanteil 17, der bei Betrieb des Fraktionators eingestellt wird. Wie solche Einstellungen vorgenommen werden, ist dem Fachmann bekannt.

Das Diagramm zeigt folgende Kurven:
Kurve 12 - Holzstoffanteil im Durchlauf bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/sec in der Sieböffnung;
Kurve 13 - Holzstoffanteil im Durchlauf bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/sec in der Sieböffnung;
Kurve 14 - Holzstoffanteil im Überlauf bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/sec in der Sieböffnung;
Kurve 15 - Holzstoffanteil im Überlauf bei einer mittleren Strömunsgeschwindigkeit von 2 m/sec in der Sieböffnung.

Am rechten Rand des Diagramms ist ein Siebsymbol dargestellt mit dem Zulauf in Form der Papierfasersuspension S, die aufgeteilt wird in die Durchlauffraktion D und die Überlauffraktion U. Zur leichteren Erkennung der Zusammenhänge sind Hinweislinien zu den Kurven 12, 13, 14 und 15 eingezeichnet. Das Diagramm verdeutlicht qualitativ, wie ein solcher Siebfraktionator bei einem angenommenen Arbeitspunkt 18 den Holzstoffanteil in den gebildeten Fraktionen verschiebt und wie man durch die eingestellten Parameter Einfluss nehmen kann auf diese Verschiebung. Dabei ist ohne weiteres hinzunehmen, dass bei dem hier untersuchten Faser-Rohstoff der erste Trennschritt sogar noch eine Anreicherung von steifen Fasern im Durchlauf brachte. Das hängt damit zusammen, dass die steifen Fasern bei vielen Rohstoffen im Durchschitt auch die kürzeren sind. Das ist nur ein Beispiel zur Auslegung eines auf Unterschiede in der Faserflexibilität gerichteten Fraktionierschrittes. Andere Möglichkeiten liegen in der Gestaltung der Fraktionieröffnungen von Nasssieben.

Claims (10)

1. Verfahren zum Fraktionieren einer Papierfasersuspension (S), bei dem diese mindestens einem Faserlängen-Trennschritt (1) unterzogen wird, welcher mindestens eine mit Kurzfasern angereicherte Kurzfaserfraktion (A1) und mindestens eine mit Langfasern angereicherte Langfaserfraktion (R1) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlängen-Trennschritt (1) mit mindestens einem weiteren Trennschritt (2, 3) kombiniert wird, durch den eine mit flexiblen Fasern angereicherte Weichfraktion (A2, A3) und eine mit steifen Fasern angereicherte Hartfraktion (R2, R3) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlängen-Trennschritt (1) zuerst durchgeführt wird und dass dessen Kurzfaserfraktion (A1) in einen weiteren Trennschritt (2) gelangt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlängen-Trennschritt (1) zuerst durchgeführt wird und dass dessen Langfaserfraktion (A2) in einen weiteren Trennschritt (3) gelangt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlängen-Trennschritt (1) als Nasssiebung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Trennschritt (2, 3) als Nasssiebung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Nasssiebung eingestellte Siebdurchtrittsgeschwindigkeit geringer ist als die in der zweiten Nasssiebung.

7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Nasssiebung mit einem Schlitzsieb durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Nasssiebung ein Schlitzsieb mit geringerer Schlitzweite als in der zweiten Nasssiebung verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzweite in der ersten Nasssiebung 0,1-0,2 mm und die in der zweiten Nasssiebung 0,3-0,6 mm beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Trennschritt (2, 3) im Hydrozyklon durchgeführt wird, wobei die Hartfraktion (R3) als Schwerstoff anfällt.