Brevet FR2732044A1 — publié le 19960927

PROCEDE D'ESSORAGE D'UNE FEUILLE DE MATIERE CELLULOSIQUE PAR AIR CHAUD TRAVERSANT SOUS HAUT VIDE L'invention se rapporte à l'essorage d'une feuille de matière cellulosique, en particulier dans le cadre de la fabrication d'ouate de cellulose, c'est à dire un papier absorbant de relativement faible grammage, généralement crêpé, pour un usage sanitaire ou domestique : papier toilette, serviette, essuie tout ménager, etc. Elle vise en particulier un procédé d'essorage de la feuille de papier, mis en oeuvre après l'étape de formation mais avant le séchage final. Dans les procédés usuels de fabrication de papier, après l'étape de formation de la feuille et un premier égouttage, on procède à un essorage par pressage mécanique avant que la feuille ne soit séchée. Dans le cas de la fabrication d'ouate de cellulose, un moyen connu consiste à appliquer et à coller avec un adhésif approprié la feuille encore humide sur un cylindre, désigné communément par yankee, équipé d'une hotte de séchage On connaît un procédé d'essorage et de séchage par soufflage d'air chaud au travers de la feuille supportée par une toile perméable elle-même entraînée sur un support perméable constitué par la paroi poreuse d'un tambour rotatif. Un flux d'air chaud à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique est guidé depuis l'intérieur du tambour vers la surface de la feuille qu'elle traverse.Une enceinte, ouverte du coté de la face opposée de la feuille et en légère dépression, recueille l'air saturé d'humidité qui est évacué par un ventilateur d'aspiration. Selon le brevet US 3303576, on amène ainsi une feuille initialement à 20 % de siccité et de grammage en fibres de 20 gIm2, Jusqu'à une siccité de 50 %, au moyen d'un flux d'air chaud à 250"C, un débit d'environ 2 à 3 Nm3/s.m2 (30-451bs/min.ft2) et une pression dans l'enceinte d'alimentation d'environ 5 à 15 cm de colonne d'eau au dessus de la pression ambiante. On élève la siccité à 80 % avec un deuxième sécheur à air traversant. Selon le brevet, avec ce dispositif on obtient un séchage uniforme sur toute la largeur de la feuille sans endommager les fibres. L'efficacité d'un tel système de séchage résulte en partie de l'évaporation due au contact entre les fibres humides entrant dans le sécheur et l'air de séchage, et aussi de l'effet d'entraînement de l'eau sous sa forme liquide produit par le flux d'air. Si le séchage par évaporation est fonction du volume de l'air et de ses températures séche et humide, l'entraînement des particules liquides résulte de sa vitesse. On a, dans le brevet US 3447247, proposé un dispositif de séchage dans lequel l'air de séchage est projeté à grande vitesse sur la feuille sous la forme d'une pluralité de jets à grande vitesse et faible diamètre. Ainsi, cet air, au lieu de traverser la matière fibreuse en empruntant uniquement les zones de plus faible résistance - c'est ce qui se produirait si la différence de pression était faible - est forcé au travers de la feuille sur toute sa surface. n en résulte un séchage plus uniforme. En outre, la vitesse élevée des jets limite les fuites latérales et rend les joints d'étanchéité moins nécessaires.En raison de l'efficacité d'un tel système, on peut éliminer les autres sécheurs et/ou presses utilisés en association avec les sécheurs à air chaud. Selon la technique exposée dans ce brevet, on produit des jets d'air à une vitesse de 40 m/s. Cette vitesse est largement supérieure à celle engendrée dans les sécheurs par air traversant conventionnels. Toutefois, on observe que la dépression au niveau de la caisse d'aspiration est maintenue à une faible valeur, 30 cm de colonne d'eau ou moins. Bien que ce type de séchage ait été proposé il y a de nombreuses années, il n'a apparemment pas connu de débouché industriel, sans doute en raison de la difficulté à maitriser les jets d'air à haute énergie, perturbant la structure de la feuille de papier, et l'étanchéité du système. L'invention propose un essorage à la fois par entraînement de l'eau à l'état liquide et par évaporation résultant du passage d'un flux d'air chaud très important au travers de la feuille humide convoyée par une toile perméable. Le procédé est caractérisé en ce que le flux d'air traversant est engendré par un haut vide, compris entre 100 et 500 millibars, créé sous la toile en défilement au travers d'une surface fixe en même temps que l'air chaud est amené sur la surface libre de la feuille. L'utilisation d'un vide relativement élevé a pour objet de créer un flux d'air au travers de la structure poreuse de la feuille à une vitesse suffisante pour entraîner par viscosité l'eau libre à la surface des fibres et l'extraire de la feuille sous forme d'aérosols. Ainsi l'utilisation de l'air chaud pour alimenter le flux d'air traversant a un double objet: - Réchauffer par échange thermique l'eau libre à la surface des fibres, dans le but de réduire sa viscosité et, par conséquent, les forces de liaison tensioactive avec les fibres. B s'ensuit une augmentation considérable du débit d'eau extrait mécaniquement hors de la feuille par rapport à un moyen d'extraction sans chauffage de l'air. -Provoquer une évaporation d'eau par échange thermique avec les fibres humides. Par rapport à la solution de l'art antérieur qui consiste à projeter des jets d'air chaud à la surface de la feuille, on peut réaliser une installation de mise en oeuvre du procédé beaucoup plus simple et économique. Les moyens d'étanchéité par exemple, sont réduits à des joints périphériques, et il n'est pas nécessaire d'en prévoir au niveau de la feuille de papier ce qui impliquerait de disposer cette dernière entre deux toiles pour la protéger. Les moyens de guidage de l'air ménagés dans le caisson d'alimentation répartissent le flux le plus uniformément possible à la surface de la feuille contrairement à l'art antérieur où il s'agit de concentrer des jets d'air sur de petites surfaces.Certes, dans ce cas, l'efficacité de ces jets n'est pas influencée par l'éventuelle hétérogénéité de la répartition des fibres dans la feuille mais leur action n'est pas uniforme sur toute la surface. Enfin le vide permet d'augmenter le potentiel d'essorage pour une masse d'air à la même enthalpie. Le procédé de l'invention permet d'élever le taux de siccité de la feuille humide quittant la section de formation à partir de valeurs de l'ordre de 8 à 25 % jusqu'à des valeurs comprises entre 35 % et 75 %. Dans la présente description, la siccité correspond au poids des fibres absolument sèches rapporté à celui des fibres humides. Le taux final de siccité dépend du temps de séjour de la feuille dans le flux d'air chaud traversant, ce temps de séjour pouvant varier de 3/100 de seconde à 3/10 de seconde pour une valeur donnée d'intensité du flux d'air traversant et de sa température. La valeur finale de la siccité dépend également pour un temps de séjour fixé dans les limites ci-dessus de la géométrie de la surface traversée par l'air et la vitesse de la machine, du débit de l'air traversant qui peut être compris entre 5 et 50 Nm3/sm2 selon la porosité de la feuille et le niveau de vide, et également de sa température qui peut varier entre 1000C et 400"C. Conformément à une autre caractéristique du procédé l'air circule dans un circuit fermé, et, après avoir traversé la dite feuille, il est successivement: - conduit vers un séparateur air/eau pour que soit éliminée l'eau en suspension, - comprimé à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, - réchauffé à une température comprise entre 100"C et 500"C, - amené à traverser de nouveau la feuille. Conformément à une autre caractéristique du procédé, une partie de l'air recomprimé est évacuée, et une quantité correspondante est introduite dans le circuit, afin de maintenir l'air d'essorage à une température humide comprise entre 50 et 80"C. Conformément à une autre caractéristique, le procédé de l'invention permet la réalisation d'une installation à énergie totale. Ainsi, dans ce cas, le dispositif pour la mise du procédé comprend un compresseur entraîné par un groupe à turbine à gaz dont les gaz d'échappement sont acheminés vers un échangeur de chaleur destiné à réchauffer le flux d'air issu dudit compresseur et destiné à l'essorage. Conformément à un autre caractéristique de l'invention, dans un procédé de fabrication d'une feuille de papier, on augmente la siccité de la feuille après égouttage jusqu'à 35 à 48 % par le moyen d'essorage sous haut vide puis on sèche la feuille au moyen d'un cylindre de type yankee. Selon ce procédé, on remplace le pressage mécanique par l'essorage tout en paramétrant celui-ci de façon à obtenir le même degré de siccité. Grâce à cette caractéristique du procédé, on obtient une feuille de papier présentant un bouffant plus élevé que dans le cas d'une machine conventionnelle limitée à une toile de convoyage simple et homogène, tout en conservant intactes les performances de vitesse et, donc de capacité de la machine puisque le niveau de siccité de la feuille au yankee est inchangé. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, dans une installation de fabrication de papier, on procède, après égouttage, à l'essorage sous haut vide jusqu'à une siccité comprise entre 45 et 75%, la toile de convoyage étant alors une toile du type "marqueuse". La feuille est ensuite séchée sur un cylindre de type Yankee. Par toile "marqueuse", on comprend une toile comportant une structure de tissage avec des zones de forte porosité et de faible porosité disposées suivant une définition géométrique déterminée de telle sorte qu'elle induise dans la feuille une structure hétérogène comportant des zones de compactage différent par l'effet même de l'essorage par air traversant. La siccité de la feuille après essorage de l'ordre est choisie entre 45 et 75 %. selon les qualités désirées pour le bouffant mais aussi pour la résistance de la feuille. On constate, de façon surprenante, que dans le cas de la fabrication de papier haut bouffit avec toile marqueuse, où la feuille est imprimée sur la toile, on obtient un effet de marquage important qui augmente le volume de la feuille dans les zones les plus poreuses, en raison sans doute du haut vide régnant sous la toile. Il est également constaté de façon surprenante que le vide n'a pas de conséquence néfaste sur l'aspect et la formation de la nappe qui est conservée intacte alors que le risque d'éclatement est a priori élevé. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, dans une installation de fabrication de papier, on procède, après égouttage, à l'essorage sous haut vide jusqu a une siccité comprise entre 20 et 35%, la toile de convoyage étant alors une toile du type "marqueuse". On sèche la feuille ensuite sur cette même toile au moyen d'un sécheur à air traversant conventionnel jusqu'à une siccité comprise entre 60 et 80 % et enfin au moyen d'un cylindre Yankee avec un racle crêpeur jusqu'à une siccité de l'ordre de 95 %. D'autres caractéristiques et avantages du procédé apparaîtront à la lecture de la description de modes de réalisation non limitatifs de l'invention, avec en annexe les dessins sur lesquels, la figure 1 représente une installation conforme à l'invention selon un premier mode réalisation avec un cylindre rotatif aspirant, la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation avec un caisson fixe aspirant, la figure 3 représente un troisième mode de réalisation de l'invention, à énergie totale, la figure 4 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention, combiné essorage sous haut vide et séchage traversant conventionnel. la figure 5 représente un graphique résumant des essais réalisés sur une machine pilote. L'installation correspondant au premier mode de réalisation pour la fabrication de papier absorbant de grammage compris entre 12 et 80 g/m2, comporte en sa partie humide une section de formation de la feuille qui peut être de tout type connu de l'homme du métier. Dans l'exemple représenté, elle comprend une double toile 11 et 12 entre rintervalle convergent desquelles un jet de pâte est injecté depuis une caisse de tête 13. Après égouttage amenant la feuille à un taux de siccité de 8 à 25 %, cette dernière est entraînée vers un moyen 15 qui assure son transfert sur une toile 17 perméable. cette toile peut être simple ou du type "marqueuse" selon le procédé de fabrication que l'on met en oeuvre. La feuille humide est convoyée vers le dispositif d'essorage 16 dont elle ressort débarrassée en majeur partie de son eau.Le taux de siccité de la feuille est alors compris entre 25 et 75 %. La toile l'entraîne ensuite vers un cylindre de séchage 18 pourvu de hottes de séchage de type connu sous le nom de Yankee sur lequel elle est appliquée au moyen d'un adhésif approprié. Dans sa rotation, la feuille passe sous les hottes de séchage puis est décollée au moyen d'un racle de façon à la crêper, comme cela est bien connu. Le dispositif d'essorage est constitué par un cylindre rotatif 19 monté sur un axe horizontal. La surface du cylindre est poreuse avec un taux d'ouverture élevé. Un espace volumique intérieur 20, délimité par un cache fixe 21 recouvrant un secteur du cylindre et le secteur complémentaire à celui-ci, est en communication par l'intermédiaire d'un conduit 22 avec une source de vide. Il est également en communication, par le secteur de sa surface non obturé par le cache 21, avec un ou plusieurs caissons 24 d'amenée d'air chaud qui sont disposés à l'extérieur du cylindre et comportent des ouvertures en forme de secteurs de cercle parallèles à sa paroi. Ces ouvertures sont pourvues de moyens d'égalisation du flux d'air, tels que des ailettes ou autres moyens équivalents, de façon que celui aborde la feuille avec une vitesse uniforme sur toute la surface.Les caissons sont alimentés en air chaud par un compresseur 26 entraîné par un moteur 27, par exemple électrique. Le compresseur peut être de tout type approprié, axial ou centrifuge. L'air venant du compresseur est chauffé à la température désirée par un moyen de chauffage qui dans l'exemple représenté est un brûleur 28. Le conduit 30 reliant le compresseur au brûleur 28 comprend une dérivation 34 pourvue d'une vanne 31 commandant l'extraction d'air du circuit. Par ailleurs, une ouverture 33 avec un moyen de ventilation à régime variable 32 permet d'alimenter le brûleur en air neuf Les quantités d'air neuf et d'air extrait peuvent être commandées par un organe de contrôle approprié en fonction du taux d'humidité de l'air régnant à l'intérieur des caissons 24.De même une boucle de régulation commande le débit du combustible au brûleur 28 en fonction de la température de l'air au niveau des caissons 24. Le conduit 22 est raccordé à un appareil séparateur 23 du type cyclone ou autre de façon que les gouttes d'eau en suspension dans l'air puissent être évacuées du circuit. Ce séparateur peut être externe au dispositif d'essorage ainsi que cela est représenté. Toutefois, il entre également dans le cadre de l'invention de réaliser la séparation eau/air au niveau de la sortie de l'air, immédiatement en aval de la feuille humide de papier, par exemple au moyen de chicanes pourvues de gouttières disposées en travers du flux dans la zone d'entrée de l'enceinte 20. Ce mode de réalisation n'est pas représenté. L'eau recueillie dans le séparateur est pompée jusqu'à la pression atmosphérique.L'air déshumidifié sortant du séparateur est conduit à l'entrée du compresseur 26 pour être comprimé de nouveau à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique et utilisé pour l'essorage. Le dispositif d'essorage fonctionne de la façon suivante: la feuille humide sur la toile 17 est entamée autour du cylindre 19 et passe entre sous les buses de sortie d'air chaud des caissons 24. La forte dépression régnant dans l'enceinte, générée par l'aspiration du compresseur 26 et réglée à une valeur comprise entre 100 et 500 millibars, accélère le flux d'air issu des caissons. Celui-ci traverse ainsi la feuille à une vitesse élevée. Cette vitesse est de préférence comprise entre 5 et 50 m/s. L'eau est extraite de la feuille en partie par évaporation, en partie sous forme d'aérosols. On a disposé le séparateur à une distance du caisson 20 choisie de façon que l'eau en suspension dans l'air sous forme liquide se dépose à son niveau avant qu'elle ne s'évapore dans le flux d'air.L'air saturé extrait sous vide du séparateur est comprimé par le compresseur à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. On règle la température de l'air en sortie du réchauffeur entre 100"C et 5000C, et on maintient sa température humide entre 50"C et 80"C en réglant de façon appropriée la quantité d'air extraite du circuit en 34 et celle d'air neuf apporté en 33 La disposition illustrée par le schéma de la figure 1 n'est pas la seule possible. En particulier la partie aspirante du cylindre et le caisson d'amenée d'air chaud peuvent être placés en partie haute du cylindre. Dans ce cas, la toile d'essorage perméable qui est unique entre la section de formation et l'application sur le yankee décrira une autre trajectoire que celle illustrée mais qui ne change rien au principe de ce mode de réalisation. Dans le deuxième mode de réalisation illustré sur le schéma de la figure 2 (les éléments qui n'ont pas été modifiés par rapport à la figure 1 portent la même référence), la toile d'essorage 17 qui peut être marqueuse convoie la feuille humide au travers d'un ensemble de deux caissons fixes 120 et 124 : un caisson aspirant 120 côté toile d'essorage qui détermine la surface d'aspiration au travers de laquelle la feuille est essorée, et un caisson 124 d'amenée d'air chaud placé côté feuille humide. Les deux caissons sont disposés à faible distance l'un de l'autre. La toile 17 est guidée dans l'intervalle ainsi formé entre les deux caissons de telle sorte la feuille humide soit du coté du caisson par lequel l'air chaud est amené. La toile est elle-même supportée par des rouleaux 121 ou tout autre moyen équivalent. Comme dans l'exemple de la figure 1, I'air est accéléré jusqu'à une vitesse de 5 à 50 m/s et traverse successivement la feuille humide et la toile poreuse dont elle extrait la quantité souhaitée d'humidité. Là encore, la disposition illustrée sur le schéma de la figure 2 n'est pas la seule possible. Ainsi les deux caissons peuvent être inversés, avec le caisson aspirant disposé au-dessous de la toile d'essorage qui décrira alors une autre trajectoire que celle illustrée mais sans rien changer au principe de ce mode de réalisation. On note que la toile d'essorage reste unique entre la partie humide de formation de la feuille et la partie de séchage sur le cylindre sécheur On a représenté sur la figure 3 un mode de réalisation à énergie totale. Comme précédemment, les éléments de l'installation commun aux divers modes de réalisation portent les mêmes références. Dans cette installation, l'entraînement du compresseur 26 est assuré par un groupe à turbine à gaz 126.Celui-ci comprend, de façon connue en soi, un compresseur 126 C dont l'arbre du rotor est entraîné par une turbine 126 T mise en mouvement par les gaz issus d'une chambre de combustion alimentée elle même en air de combustion par le compresseur. La turbine entraîne également un arbre relié par un accouplement à celui du compresseur 26. Les gaz issus de la turbine sont à une température suffisante, de l'ordre de 500 C, pour servir de source de chaleur dans le présent dispositif d'essorage. Dans ce but, le moyen de réchauffage de l'air provenant du compresseur 26 est constitué par un échangeur de chaleur 128. ll est relié, d'un coté, par un conduit 127 aux gaz chauds venant de la turbine 126, et, de l'autre, par un conduit 130 à la sortie d'air du compresseur 26. On prévoit une conduite 129 de dérivation de l'échangeur pour l'air.Deux registres 132 et 133, commandés par une boucle de régulation de la température de l'air à l'intérieur du caisson 124 d'amenée d'air, contrôlent le débit de l'air traversant effectivement l'échangeur. Un brûleur d'appoint non représenté peut être disposé dans la conduite d'admission du caisson 124 en aval de l'échangeur 128. L'alimentation de ce brûleur est commandée en cascade avec les registres 132, 133 par le même régulateur de température. On a représenté sur la figure 4 un quatrième mode de réalisation de l'invention où l'on a disposé dans le trajet de la feuille humide, entre le dispositif 16 d'essorage par haut vide et le cylindre sécheur Yankee, au moins un séchoir à air traversant conventionnel 140 comprenant un cylindre 142 monté à rotation autour d'un axe horizontal. Sa paroi est poreuse et supporte la toile 17. De l'air chauffé par un brûleur 146 est entraîné au travers de la feuille humide appliquée sur la toile 17, au moyen d'un ventilateur de circulation 144. Dans le circuit d'amenée d'air au séchoir, on a prévu un brûleur ainsi que cela est connu. La feuille de papier humide est transférée depuis la toile de formation sur la toile 17, son taux de siccité est alors compris entre 8 et 20 %. Elle subit un essorage sous haut vide au travers du dispositif 16 de l'invention dont elle ressort avec un taux de siccité compris entre 20 et 35 %. Elle passe ensuite dans le séchoir 140 où elle subit un séchage augmentant sa siccité jusqu'à un taux compris entre 60 et 80 %. La feuille est ensuite appliquée sur un cylindre sécheur Yankee 18 où elle est séchée jusqu'à une siccité de l'ordre de 95 %. La feuille séchée est décollée du cylindre au moyen d'un racle crêpeur comme cela est connu lorsqu'on fabrique un produit crêpé. On a réalisé des essais sur une machine pilote pour mettre en évidence l'influence des différents paramètres sur l'efficacité de l'essorage et du séchage. On a testé le procédé sur une feuille de papier essuie-tout du commerce, marque OXAY, (grammage, dimensions...) que l'on a humidifiée en pulvérisant des quantités mesurées d'eau. La machine pilote comprenait une source de vide réglée à 250 mbars. On a un essai avec la température de l'air d'essorage à la température ambiante et trois autres à 1500C. On a fait varier la vitesse de passage de l'échantillon sous la buse d'amenée d'air. On a reporté sur un graphique, figure 5, les différents résultats. Sur ce graphique, on placé en abscisses le taux de siccité initial de la feuille en e/o, et en ordonnées le taux final Ainsi 1) température d'air : ambiant temps de séchage : 9/100sec. 2) température d'air : 150"C temps de séchage : 9/100sec. 3) température d'air : 150"C temps de séchage : 6/100sec. 4) température d'air : 1SO"C temps de séchage : 4,5/100. On constate que si l'air est à la température ambiante, on ne peut atteindre un taux de séchage supérieur à 40 % dans les conditions de l'expérience. REVENDICATIONS 1) Procédé d'essorage d'une feuille de matière cellulosique, notamment une feuille de papier humide de grammage à l'état sec compris entre 10 et 80 g/m2 et présentant initialement un taux de siccité compris entre 8 et 25 % consistant à supporter la dite feuille sur une toile perméable et à la faire traverser par un flux d'air chaud à vitesse élevée, caractérisé en ce que le flux d'air est engendré par une dépression de 100 à 500 millibars créée sous la toile. 2) Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que Fair, après avoir traversé la dite feuille est, successivement: - conduit vers un séparateur air/eau pour que soit éliminée l'eau en suspension, - compnmé à une pression supéneure à la pression atmosphérique, - réchauffé à une température comprise entre 100"C et 500"C, - guidé, au travers d'un caisson, vers la surface de la toile perméable en mouvement supportant la feuille. 3) Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une partie de l'air recomprimé est évacuée et une quantité correspondante est introduite dans le circuit, afin de maintenir l'air entrant dans ledit caisson à une température humide comprise entre 50 et 80"C. 4) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur entraîné par un groupe à turbine à gaz dont les gaz d'échappement sont acheminés vers un échangeur de chaleur destiné à réchauffer le flux d'air issu dudit compresseur. 5) Procédé de fabrication d'une feuille de papier mettant en oeuvre un moyen d'essorage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on augmente la siccité de la feuille après égouttage jusqu'à une valeur comprise entre 35 et 48 % par le dit moyen d'essorage sous haut vide et en ce qu'on sèche ensuite la feuille au moyen d'un cylindre de type Yankee jusqu'à une siccité de l'ordre de 95 %. 6) Procédé de fabrication d'une feuille de papier mettant en oeuvre un moyen d'essorage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on augmente la siccité de la feuille après égouttage jusqu'à une valeur comprise entre 45 et 75 %, par le dit moyen d'essorage, la toile de convoyage étant alors une toile du type "marqueuse" et en ce que l'on sèche ensuite la feuille au moyen d'un cylindre de type Yankee. 7) Procédé de fabrication d'une feuille de papier mettant en oeuvre un moyen d'essorage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on augmente la siccité de la feuille après égouttage jusqu'à une valeur comprise entre 20 et 35 %, par ledit moyen d'essorage, la toile de convoyage étant alors une toile du type "marqueuse" et en ce que l'on sèche ensuite sur cette même toile par au moins un sécheur à air traversant conventionnel jusqu'à une siccité comprise entre 60 et 80 % et enfin au moyen d'un cylindre Yankee associée à un racle crêpeur jusqu'à une siccité de l'ordre de 95 %.