IT9022012A1 - PROCEDURE AND CORRESPONDING PLANT FOR OBTAINING A POSITION FOR THE PAPER INDUSTRY BASED ON CALCIUM SULPHATE OF HYDRATE AND ALUMINUM SULPHATE - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente Invenzione rientra nel campo tecnico dell’ottenimento di cariche per l'Industria cartaria e, concretamente, si riferisce ad un procedimento e al suo impianto corrispondente per l’ottenimento di una carica a base di solfato di calcio di idrato e solfato di alluminio, con caratteristiche di cristallizzazione e omogeneità di dimensioni e forma dei cristalli particolarmente idonee per la sua applicazione in tale industria cartaria. The present invention falls within the technical field of obtaining fillers for the paper industry and, concretely, refers to a process and its corresponding plant for obtaining a filler based on calcium sulphate of hydrate and aluminum sulphate , with characteristics of crystallization and homogeneity of size and shape of the crystals particularly suitable for its application in this paper industry.
I brevetti spagnoli 8700072 e 8700084 della medesima richiedente descrivono, rispettivamente, un procedimento ed un impianto per l’ottenimento di una carica minerale di solfato di calcio anidro metastabile micronizzato il quale, come risulterà evidente dal resto della descrizione, è un prodotto simile al prodotto utilizzato come materiale di partenza per lo svolgimento del procedimento della presente invenzione. The Spanish patents 8700072 and 8700084 of the same applicant describe, respectively, a process and a plant for obtaining a mineral filler of micronized metastable anhydrous calcium sulphate which, as will be evident from the rest of the description, is a product similar to the product used as a starting material for carrying out the process of the present invention.
II brevetto francese 1005978 descrive un procedimento per la preparazione di una carica a base di solfato di calcio di idrato consistente nell'idratare in condizioni speciali un gesso di buona qualità, cotta in forma regolare, con una gran quantità d'acqua. In tal modo, si ottengono cristalli di solfato di calcio con una lunghezza di dieci volte la lunghezza normale dei cristalli di solfato di calcio i quali, posti in sospensione di acqua, si comportano da colloide, vale a dire possono permanere per varie settimane In sospensione senza decantare. French patent 1005978 describes a process for the preparation of a filler based on calcium sulphate hydrate consisting in hydrating under special conditions a good quality gypsum, cooked in a regular form, with a large quantity of water. In this way, calcium sulphate crystals are obtained with a length of ten times the normal length of calcium sulphate crystals which, when suspended in water, act as colloids, i.e. they can remain in suspension for several weeks. without decanting.
Nell*ottenimento della carica del menzionato brevetto francese non viene impiegato solfato di alluminio. No aluminum sulfate is used in obtaining the filler of the aforementioned French patent.
D'altro canto, non viene nemmeno attuato alcuno stadio di riscaldamento durante la fase di idratazione, entrambi i quali aspetti, come risulta chiaro in seguito, portano ad un prodotto di caratteristiche migliorate secondo il procedimento della presente invenzione. On the other hand, no heating step is also carried out during the hydration step, both of which aspects, as will become clear below, lead to a product with improved characteristics according to the process of the present invention.
11 brevetto statunitense 2304361 descrive un procedimento per la preparazione di.una carica, checpresuppone idratazione con..agitazione, includendo allume, di un cemento-gesso senza:uno stadio-di-riscaldamento. U.S. Pat. No. 2304361 discloses a process for preparing a batch, which requires agitating hydration, including alum, of a gypsum-cement without a heating step.
Il brevetto europeo 0056200 descrive pure un procedimento per l’ottenimento di una carica di solfato di calcio di idrato, tuttavia il procedimento descritto nel medesimo presenta nette differenze rispetto alla presente domanda come si vedrà in seguito. Fra dette:differenze si deve sottolineare il fatto che 1 prodotti di partenza impiegati in entrambi i procedimenti sono diversi poiché il brevetto europeo.impiega solfato di calcio :semiidrato mentre nel presente procedimento-viene impiegato un solfato di calcio anidro metastabile, Inoltre, il procedimento di tale brevetto europeo viene attuato in assenza specificata di solfato di alluminio e nemmeno prevede lo stadio di riscaldamento durante la fase di idratazione. The European patent 0056200 also describes a process for obtaining a calcium sulphate hydrate filler, however the process described in the same presents clear differences with respect to the present application as will be seen below. Among these differences it must be emphasized that the starting products used in both processes are different since the European patent uses calcium sulphate: semihydrate while in the present process an anhydrous metastable calcium sulphate is used. of this European patent is implemented in the specified absence of aluminum sulphate and does not even provide for the heating step during the hydration step.
Il procedimento della presente invenzione si caratterizza per il fatto che comprende: The process of the present invention is characterized by the fact that it comprises:
(a) sottoporre ad una reazione di idratazione un solfato di calcio anidro metastabile che può aver incluso circa 0,5Z di solfato di alluminio, quantità di solfato d'alluminio che viene aggiunta alla miscela di reazione nel caso in cui quest'ultimo non sia incluso nel solfato di calcio di partenza attuando detta reazione di idratazione in condizioni di elevato taglio e diluizione di 2/10 (polvere/acqua) adeguate ad ottenere cristalli individuali con diametro da 0,3 a 0,5 micron con lunghezza da 10 a 15 micron} (a) subjecting to a hydration reaction a metastable anhydrous calcium sulfate which may have included about 0.5Z of aluminum sulfate, an amount of aluminum sulfate that is added to the reaction mixture if the latter is not included in the starting calcium sulphate by carrying out said hydration reaction in conditions of high shear and dilution of 2/10 (powder / water) suitable to obtain individual crystals with a diameter from 0.3 to 0.5 microns with a length from 10 to 15 micron}
(b) effettuare un apporto di energia alla miscela dì reazione (a) in forma di vapor saturo sino ad ottenere una temperatura media della massa di reazione di circa 42°C per completare la reazione. (b) carrying out an energy supply to the reaction mixture (a) in the form of saturated vapor until an average temperature of the reaction mass of about 42 ° C is obtained to complete the reaction.
Sia il solfato di calcio anidro metastabile da solo come pure quello che contiene il solfato di alluminio sono prodotti che per la loro reattivltà, bianchezza e dimensioni particellari consentono di ottenere una carica cartaria di alto rendimento. Both the anhydrous metastable calcium sulphate alone as well as the one containing the aluminum sulphate are products which, due to their reactivity, whiteness and particle size, allow to obtain a high performance paper charge.
Il solfato di calcio anidro metastabile di partenza possiede un peso molecolare di 136,14 grammi/mole e una densità di 2,58 g/cm J cristallizza nel sistema esagonale con indici di rifrazione di 1,50; 1,50; 1,54 e spazi cristallini 0,699; 0,699 e 0,634 Amstrong. The starting anhydrous metastable calcium sulphate has a molecular weight of 136.14 grams / mole and a density of 2.58 g / cm J crystallizes in the hexagonal system with refractive indices of 1.50; 1.50; 1.54 and 0.699 crystalline spaces; 0.699 and 0.634 Amstrong.
Quando questo prodotto viene trattato con acqua, nella fase (a) del procedimento, esso sì scioglie e idrata dando luogo ai cristalli di solfato calcico di idrato a forma aciculare. La reazione che ha luogo è la seguente: When this product is treated with water, in step (a) of the process, it dissolves and hydrates giving rise to the acicular-shaped crystals of calcium sulphate hydrate. The reaction that takes place is the following:
Se questa reazione viene condotta in condizioni di alto taglio e diluizione di 2/10 (polvere/acqua) adeguate, allora sono ottenuti cristalli individuali del diametro da 0,3 a 0,5 micron e della lunghezza da 10 a 15 micron. If this reaction is carried out under suitable conditions of high shear and dilution of 2/10 (powder / water), then individual crystals with a diameter of 0.3 to 0.5 microns and a length of 10 to 15 microns are obtained.
La presenze di solfato dì alluminio durante questa reazione fornisce al procedimento i vantaggi seguenti: The presence of aluminum sulphate during this reaction gives the process the following advantages:
- tampona il mezzo di reazione e riduce il contenuto di carbonati che può essere incluso nel prodotto di partenza iniziale. - buffers the reaction medium and reduces the carbonate content that can be included in the initial starting product.
- cationizza il mezzo condizionando la ricristallizzazione. - cationizes the medium conditioning the recrystallization.
- riduce lo spostamento della reazione verso destra, la qual cosa fa aumentare la velocità di reazione. - reduces the shift of the reaction to the right, which increases the reaction rate.
iCiò nonostante, tale reaziona non risulta completa, poiché parte del solfato anidro metastabile non:reagisce sia a causa della basae temperature. a cui viene effettuata la.reazione (il.che influenza la solubilità del solfato calcico) sia per le .differenze nel tempo dì presa del prodotto iniziale. Nevertheless, this reaction is not complete, since part of the anhydrous metastable sulfate does not react both due to the low and temperature. to which the reaction is carried out (which influences the solubility of the calcium sulphate) and for the differences in the setting time of the initial product.
A tal fine,,se il prodotto di tale-reazione dovrà essere - utilizzato tale e quale, senza condurre la fase (b) del procedimento con residui di prodotto, senza cristallizzazione, allora saranno prodotti agglomerati e imbrattamenti lungo il circuito della macchina per la produzione della carta, il che influenzerà negativamente la lavorabilità e la qualità della carta. To this end, if the product of this reaction is to be - used as it is, without conducting step (b) of the process with product residues, without crystallization, then agglomerates and dirt will be produced along the circuit of the machine for the paper production, which will adversely affect the processability and quality of the paper.
La temperatura di 42°C raggiunta nella faae (b) corrisponde al punto dì solubilità massima del solfato calcico di idrato e ad una riduzione del 50Z della solubilità del semiidrato. Ciò consente di accelerare in grado massimale la ricristallizzazione di idrato oltre ad una omogeneizzazione delle dimensioni di forma dei cristalli. The temperature of 42 ° C reached in step (b) corresponds to the maximum solubility point of the calcium sulphate of hydrate and to a 50Z reduction in the solubility of the semihydrate. This allows the recrystallization of hydrate to be accelerated to a maximum degree, as well as a homogenization of the shape dimensions of the crystals.
L'acqua necessaria per la preparazione deve essere limpida (non usata ben chiarificata). L’utilizzazione di acqua bianca mal chiarificata nel procedimento dell’Invenzione, ha come conseguenza 11 fatto che possono formarsi agglomerati di cristalli e forme cristalline diverse da quelle desiderate, poiché le impurità apportate dalla medesima possono agire come altri nuclei di cristallizzazione. Ciò può ripercuotersi in modo sfavorevole sulle caratteristiche della carta ottenuta con la carica corrispondente. The water needed for the preparation must be clear (not used well clarified). The use of poorly clarified white water in the process of the invention results in the fact that clusters of crystals and crystalline forms other than those desired can be formed, since the impurities brought by it can act like other crystallization nuclei. This can adversely affect the characteristics of the paper obtained with the corresponding filler.
D’altro canto, a parte 11 solfato di alluminio (che è essenziale per il procedimento dell'invenzione) non devono essere utilizzati altri additivi come amido, CMC, poliacrilati o altri agenti disperdenti, come pure citrati o sali potassici, fosfati e inoltre agenti antlincrostanti. Tutti questi determinano una modificazione delle condizioni di cristallizzazioni sia a causa della variazione del tipo di cristallo sia a causa di un cambiamento della velocità di reazione, che può determinare problemi al momento del dosaggio della carica nella macchina formatrice di carta. On the other hand, apart from aluminum sulfate (which is essential for the process of the invention) other additives such as starch, CMC, polyacrylates or other dispersing agents, as well as citrates or potassium salts, phosphates and further agents must not be used. antiscalants. All these determine a modification of the crystallization conditions both due to the variation of the crystal type and to a change in the reaction rate, which can cause problems at the moment of dosage of the charge in the paper forming machine.
Per attuare il procedimento secondo l'Invenzione viene impiegato l'impianto illustrato nella figura acclusa. To carry out the method according to the invention, the system illustrated in the accompanying figure is used.
Tale impianto è costituito da un silo (2) per 1*immagazzinamento del prodotto di partenza, fatto convenientemente di fibra di vetro o acciaio a carbonio, con il corrispondente rivestimento e verniciatura scivolosa antiaderente. This plant consists of a silo (2) for storing the starting product, conveniently made of glass fiber or carbon steel, with the corresponding non-stick coating and slippery paint.
Nella parte superiore di tale silo à previsto un filtro (1) per l’uscita dei gas, con sistema di pulitura automatico e convenientemente ermetico a causa della igroscopicità del prodotto di partenza. In the upper part of this silo there is a filter (1) for the gas outlet, with an automatic and conveniently hermetic cleaning system due to the hygroscopicity of the starting product.
Nel fondo del silo è previsto un sistema di fluidificazione adeguato (3). E’ consigliabile l'utilizzazione di piatti vibranti. Come proseguimento di detto sistema di fluidificazione à previsto 11 dispositivo dosatore (4) vero e proprio. Quest'ultimo è costituito da una valvola alveolare azionata tramite un motore a velocità variabile. La variazione di velocità dovrà essere proporzionale alla portata d’acqua in una relazione fissa predeterminata al fine di ottenere una regolarità nella concentrazione finale della carica. E’ conveniente disporre all’uscita della valvola alveolare un rivelatore di caduta di polvere come elemento di sicurezza e allarme. In the bottom of the silo there is a suitable fluidization system (3). The use of vibrating plates is recommended. As a continuation of said fluidization system, the actual metering device (4) is provided. The latter consists of a honeycomb valve operated by a variable speed motor. The speed variation must be proportional to the water flow rate in a predetermined fixed relationship in order to obtain a regularity in the final concentration of the charge. It is convenient to have a dust fall detector at the outlet of the alveolar valve as a safety and alarm element.
In corrispondenza dell'uscita della valvola alveolare viene installato un sistema di trasporto (5) fino al dispositivo di diluizione. Questo può essere costituito da una vite senza fine ad anello chiuso a velocità fissa e con capacità di'trasporto superiore alla capacità massima della valvola alveolare. E* purfr possibile utilizzare-nastri trasportatori vibranti e cosi via. At the outlet of the alveolar valve, a transport system (5) is installed up to the dilution device. This can be constituted by a closed loop worm screw with fixed speed and with a transport capacity greater than the maximum capacity of the alveolar valve. It is also possible to use vibrating conveyor belts and so on.
Detto sistema di trasporto comunica con un dispositivo dispersore ad elevato taglio (6) costituito da un serbatoio d’acciaio inossidabile avente un’uscita per tracimatura all’esterno per mantenere costante il livello del serbatoio· un agitatore a palette "Cowles" azionato tramite un motore con il suo corrispondente giunto, cuscinetto, albero ecc. Said transport system communicates with a high shear dispersing device (6) consisting of a stainless steel tank having an overflow outlet on the outside to keep the tank level constant. motor with its corresponding coupling, bearing, shaft etc.
All’uscita del dispositivo di tracimatura & previsto un sistema di filtraggio grossolano (7) per evitare il passaggio di granelli, impurità, ecc. ai serbatoi di immagazzinamento. Per altro tale apparecchiatura & preliminare e non esclude la filtrazione finale del prodotto, sia con apparecchiature a pressione o con filtri fibranti tipo "Calco”. A coarse filtering system (7) is provided at the outlet of the overflow device to prevent the passage of grains, impurities, etc. to storage tanks. On the other hand, this equipment is preliminary and does not exclude the final filtration of the product, either with pressure equipment or with "Calco" type fiber filters.
In detto dispositivo dispersore (6) si innesta un sistema di dosaggio d'acqua e un sistema di dosaggio di solfato di alluminio nel caso in cui il materiale di partenza non ha incluso tale prodotto. A water metering system and an aluminum sulphate metering system are inserted into said dispersing device (6) if the starting material did not include this product.
Il sistema di dosaggio d’acqua è costituito da un misuratore di portata (9) di tipo magnetico e da una valvola automatica di regolazione di portata (8). La portata dell’acqua deve essere proporzionale alla portata di polvere fornita dalla valvola alveolare. Il complesso del sistema (valvola alveolare/valvola di regolazione di portata) è comandato dagli elementi di controllo di livello dei serbatoi di stoccaggio e dosaggio (12). The water dosing system consists of a magnetic flow meter (9) and an automatic flow control valve (8). The water flow rate must be proportional to the powder flow provided by the alveolar valve. The whole system (alveolar valve / flow control valve) is controlled by the level control elements of the storage and dosing tanks (12).
Il sistema di dosaggio di solfato di alluminio comprende una pompa di dosaggio resistente agli acidi (del tipo a membrane con valvole di teflon) e tubi pure di plastica resistente agli acidi. Il complesso di arresto-marcia della citata pompa deve essere collegato al complesso di arresto-marcia della vite di dosaggio del solfato di calcio dal silo 2. The aluminum sulphate metering system comprises an acid resistant metering pump (of the membrane type with Teflon valves) and tubes also made of acid resistant plastic. The stop-start assembly of the aforementioned pump must be connected to the stop-start assembly of the metering screw of the calcium sulphate from silo 2.
L’impianto comprende da ultimo due serbatoi di stoccaggio "A" e "B" d’acciaio inossidabile, dotato di agitatori multipalette (10) con un sistema di agitazione intermedia. In tali serbatoi viene completata la reazione del processo di trasformazione della carica grazie al sistema di somministrazione di vapore. Questi serbatoi sono opportunamente di forma cilindrica. The plant finally includes two stainless steel storage tanks "A" and "B", equipped with multi-blade stirrers (10) with an intermediate stirring system. In these tanks the reaction of the charge transformation process is completed thanks to the steam administration system. These tanks are suitably cylindrical in shape.
Ciascun serbatolo di stoccaggio è dotato di un corrispondente LCT. La variazione di livello (debitamente attenuata) fornisce il segnale che aziona la valvola alveolare di dosaggio della polvere e la valvola automatica di dosaggio dell'acqua. La portata di entrambe è proporzionale alla variazione di livello. L'azionamento di tali elementi di controllo è "Incrociata" con i serbatoi. In altre parole, quando "B" è pieno e la pompa di dosaggio sta erogando al medesimo, il segnale di LGT di tale serbatoio fornisce la velocità di riempimento del serbatoio "A". Quando si inverte in ciclo, viene invertito il segnale di riferimento. In questo modo è ottenuto un tempo di ritenzione e preparazione costante e proporzionale al consumo. Il segnale di LCT in "pieno" arresta il dosaggio di polvere e acqua. Il segnale di entrambi in stato "vuoto" da luogo "allarme" . Each storage tank is equipped with a corresponding LCT. The level variation (duly attenuated) provides the signal that activates the alveolar powder dosing valve and the automatic water dosing valve. The flow rate of both is proportional to the level variation. The actuation of these control elements is "Crossed" with the tanks. In other words, when "B" is full and the metering pump is delivering to it, the LGT signal of this tank provides the filling speed of the tank "A". When it reverses in cycle, the reference signal is reversed. In this way a constant retention and preparation time is obtained and proportional to consumption. The LCT signal in "full" stops the dosing of powder and water. The signal of both in the "empty" state gives rise to an "alarm".
Hel momento in cui viene completato il riempimento di ciascun serbatoio di stoccaggio, viene prodotta l’apertura della valvola (13) del vapore finché la temperatura della massa contenuta nei serbatoi non raggiunge i 42°C. L'elemento di controllo di temperatura "TC" (14) chiude la valvola (13) e, trascorsi alcuni minuti, la dispersione à pronta per il suo impiego, essendo dosata attraverso la pompa corrispondente (11) di dosaggio della macchina per la preparazione della carta. Detta pompa (11) può essere del tipo "mono" o centrifuga, benché sia più opportuna quella a centrifuga grazie alla bassa viscosità della massa di carica ottenuta. When the filling of each storage tank is completed, the steam valve (13) opens until the temperature of the mass contained in the tanks reaches 42 ° C. The "TC" temperature control element (14) closes the valve (13) and, after a few minutes, the dispersion is ready for its use, being dosed through the corresponding dosing pump (11) of the preparation machine some paper. Said pump (11) can be of the "mono" or centrifugal type, although the centrifugal one is more suitable thanks to the low viscosity of the filler mass obtained.
In una realizzazione preferita dell’invenzione il procedimento e l’impianto sono applicati all’ottenimento di 1-6 Tm/ora di carica di solfato calcico di idrato. A tal fine, i vari dispositivi devono avere le capacità qui di seguito indicate: In a preferred embodiment of the invention, the process and the plant are applied to obtain 1-6 Tm / hour of calcium sulphate hydrate charge. To this end, the various devices must have the following capabilities:
- serbatoio di stoccaggio di solfato calcico in polvere: 350-400 Tm, il che equivale ad un volume totale di 500-580 m . Ciò rappresenta uno stock medio o riserva di tre giorni. - storage tank of calcium sulphate powder: 350-400 Tm, which is equivalent to a total volume of 500-580 m. This represents a three day average stock or reserve.
- Valvola alveolare: per una capacità massima di.dosaggio di 6000 kg/h. - Alveolar valve: for a maximum dosing capacity of 6000 kg / h.
le specifiche della Menzionata valvola sono le seguenti: the specifications of the Mentioned valve are as follows:
velocità massimai da 10 a 50 girl al minuto maximum speed from 10 to 50 girls per minute
coefficiente di riempimento :80Z filling coefficient: 80Z
densità apparente: 0,8 kg/1 bulk density: 0.8 kg / 1
volume utile della valvola: 9000 cc useful volume of the valve: 9000 cc
No. di alveoli: 8 No. of alveoli: 8
tempo di utilizzazione: 50Z. tra il 20 e il 60Z. usage time: 50Z. between 20 and 60Z.
- dlluitorl: per un impianto di tali capacità sono previsti due diluitorl aventi le caratteristiche seguenti: - dlluitorl: for a plant of such capacity, two diluterl are foreseen with the following characteristics:
capacità utile: 5 m useful capacity: 5 m
tempo di ritenzione: tra 10 e 20 minuti in funzione della portata. Portata massima raccomandata per ciascun diluitore: 20 m /ora. retention time: between 10 and 20 minutes depending on the flow rate. Maximum recommended flow rate for each diluter: 20 m / hour.
- Deposito di stoccaggio e dosaggio: tenuto conto della possibilità di qualche avaria nei diluitori o sistema di scarica della polvere, è consigliabile uno stock minimo di 4 ore di consumo, che corrisponderebbe ad un serbatoio di 100 m approssimativamente. - Storage and dosing deposit: taking into account the possibility of some damage in the diluters or powder discharge system, a minimum stock of 4 hours of consumption is recommended, which would correspond to a tank of approximately 100 m.
Per porre in funzione l’impianto si procederà nel modo seguente: 1) Si riempe con acqua il diluitore tramite la valvola dell’acqua, l’Impianto trovandosi nella posizione "manuale". To put the system into operation, proceed as follows: 1) The diluter is filled with water via the water valve, the system being in the "manual" position.
2} Si pone in funzione l’agitatore ad alta velocità. 2} The stirrer is started at high speed.
3) Si pone l’impianto nel modo "automatico" avendo cura che il rapporto acqua/polvere sia di 10/2. 3) The system is placed in the "automatic" mode, taking care that the water / dust ratio is 10/2.
4) Nel caso in cui il prodotto di partenza non includa solfato d'alluminio, quest’ultimo viene incluso separatamente nella miscela nel precedente punto (3) in una quantità di 0,5Z in peso di solfato d’alluminio rispetto a solfato di calcio metastabile. 4) In the event that the starting product does not include aluminum sulphate, the latter is included separately in the mixture in the previous point (3) in an amount of 0.5Z by weight of aluminum sulphate with respect to calcium sulphate metastable.
Quando 1*impianto funziona in modo automatico, tutto il sistema è comandato dal dispositivo di controllo di livello del serbatolo di stoccaggio. Mentre la dispersione sale, vengono mantenuti in funzione i seguenti elementi dell’impianto! fondo vibrante del silo, trasportatore, agitatore Cowles a velocità massima, agitatori dei depositi di stoccaggio, setaccia vibrante e il complesso alveolare di polvere/valvola di regolazione d'acqua in .-rapporto 2/10 e in modo proporzionale alla portata di uscita. When 1 * plant operates in automatic mode, the whole system is controlled by the storage tank level control device. While the dispersion rises, the following elements of the system are kept in operation! vibrating silo bottom, conveyor, cowles agitator at full speed, storage deposit agitators, vibrating sieve and the alveolar powder / water regulating valve complex in 2/10 ratio and proportional to the output flow rate.
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