(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５〜２５％の乾燥物質量を有するセルロース含有繊維材料のパルプ懸濁液に流体を混入する方法であって、
パルプ懸濁液はパルプ入口（１７）を通って注入され、
回転に供され、
固定子殻（１）と、前記固定子殻と同軸上にある回転子（７）と、少なくとも１つの流体入口（２３）と、を備え、前記固定子殻と前記回転子との間に環状の間隙型通路が形成された、反応領域を通る間に所望の圧力で前記流体と混合され、
その後、パルプ混合物はパルプ出口（２０）を通って反応部から出ていく前記方法において、
前記パルプ懸濁液は前記回転子によって回転し、
前記固定子殻の内部に設けられた渦室は、前記回転子の回転に伴って回転して前記固定子殻内部のパルプ懸濁液に渦を発生させ、
流体は、外側に向かうに従って放射状に増加している遠心力のために、パルプ懸濁液の周辺の反応圧よりもパルプ懸濁液の局所圧が低くなっている回転中のパルプ懸濁液の回転中心付近であって、渦室内で発生するパルプ懸濁液の渦中心に、前記流体入口（２３）を介して、供給され、
その後、流体／パルプ混合物は環状の間隙型通路を通過し、この通路において強い混合が発生することを特徴とする方法。
【請求項２】
流体密度は実質的に前記パルプ懸濁液中のパルプ密度よりも低いことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
流体は前記渦中心で軸に沿って供給されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
流体は前記渦中心で放射状に供給されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
固定子殻は、パルプ入口に接続され、その内部に渦室が設けられるとともに当該渦室の入口に向かって広がる有底の円錐形部分を有し、
パルプ懸濁液は固定子殻（１）の円錐形部分（３）内に法線方向に送り込まれ、渦室（９）の外側の羽根（２８）により流動化状態まで加速され、
前記パルプ懸濁液は、円錐形部分（３）の最大直径部分（１１）に向かって送り出され、その最大直径部分では前記懸濁液が渦室（９）内に向かって反転され、そこで渦が形成され、その渦の中心に流体が供給され、その後、流体／パルプ混合物が渦室（９）内の少なくとも１つの開口（３３）を通って流出し更に回転子（７）と固定子殻（１）の間で混合されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
固定子殻は、パルプ入口に接続され、送出方向に広がり渦室に接続する円錐形部分が形成された注入室を備え、
パルプ懸濁液は注入室（５４）内に法線方向に送り込まれ、回転させられ、渦室（９）の外側の羽根（２８）により流動化状態まで加速され、その後、前記懸濁液は渦室（９）に送り込まれ、そこで渦が形成され、その中心に流体が供給され、その後、流体／パルプ混合物が回転子（７）の中空軸（５２）を通って羽根車（５８）を含む混合室（５７）まで運搬されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
流体はオゾン含有ガスを含み、ガス／パルプ混合物は、パルプ出口（２０）にて、ガスセパレータ（４０）を通り、そのガスセパレータでは未消費オゾンと不活性キャリヤーガスがプロセスで再循環するために、取り出されるパルプストリームから分離されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
回転するパルプ懸濁液に対して中央ガス入口（９）を有する混合装置が法線方向ガス入口（２３ｂ）を有する混合装置に直列に接続され、後者の装置から分離されたガスは前者の装置の中央ガス入口に送り戻されることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
５〜２５％の乾燥物質量を有するセルロース含有繊維材料のパルプ懸濁液に流体を混入するための装置であって、前記パルプ懸濁液のためのパルプ入口（１７）と、十分処理されたパルプ混合物のためのパルプ出口（２０）と、その間に反応領域と、を備え、固定子殻（１）とこの固定子殻と同軸上にある回転する回転子（７）との間に形成された環状の間隙型通路と、少なくとも１つの流体入口（２３）と、を備える前記装置において、
前記回転子は、パルプ懸濁液中に回転を生じさせるべく構成された羽根、溝、および／または棒の形状の乱流形成要素（９；３７）を含み、
前記固定子殻は、その内部に、前記回転子の回転に伴って回転して固定子殻内部のパルプ懸濁液に渦を発生させる渦室（９）を有し、
前記流体入口（２３）は回転子（７）と固定子殻（１）の共通の中心軸に非常に接近して配置されるとともに、パルプ懸濁液中に渦を形成させるように設計された渦室の中央で開口しており、
パルプと流体の混合物が、回転するパルプ懸濁液の周辺に位置し、強い混合の発生する環状の間隙型通路を通過する前に、流体が回転しているパルプ懸濁液の回転中心付近に供給されるようにしてあることを特徴とする装置。
【請求項１０】
渦室（９）はパルプ懸濁液中の渦の形成を増幅するために円錐形としてあることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
渦室（９）は回転子（７）に固定されていることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１２】
渦室（９）の外側にはパルプ入口（１７）を通って送り込まれるパルプ懸濁液を流動化させるための羽根（２８）が備えられることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
渦室（９）は固定されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
回転子（７）の外側にはパルプ入口（１７）を通って送り込まれるパルプ懸濁液を流動化させるための羽根（２８）が備えられることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
流体はオゾン含有ガスを含むことを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１６】
ガスセパレータ（４０）はパルプ出口（２０）と接続して配置され、未消費オゾン及び不活性キャリヤーガスを外に出ていくパルプストリームから分離し運搬することを特徴とする請求項１５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
この発明は流体をセルロース含有繊維材料のパルプ懸濁液、例えば、いわゆる５−２５％の乾燥物質量を有するＭＣパルプ、に混入するための方法及び装置に関する。流体は、例えば、オゾン含有ガスを含むことができる。混合は、キャリヤーガスと共に供給され、オゾンを含む１以上の漂白剤を用いてパルプ懸濁液を漂白するために行われる。
技術背景及び課題
オゾン漂白中に、例えば、オゾン含有ガスをパルプ懸濁液に混入する工程は、反応領域の圧力が増加するにつれかなり漂白反応が改善されると期待されるために、通常、比較的高圧下で行われる。そのため、オゾン漂白を効果的に実行することができるように、パルプ懸濁液及びオゾン含有ガスの両方を加圧しなければならない。
オゾンを加圧するために必要とされる装置では、投資コストのほとんど大部分を、パルプ懸濁液のオゾン脱リグニンに関連する部分で占める。このような装置のコストは加圧の増加に関連して累進的に増加する。ガスを発生させる時に、大量のエネルギーがオゾンジェネレータ中のオゾンキャリヤーガス、例えば純粋酸素、に供給され、それにも関わらず、これに関連して、キャリヤーガスは制限された量のオゾンしか含むことができないため比較的少量のオゾンしか形成されない。この結果、全体として非常に大量のガス流がその後、高価で流れに対する妨害を受けやすいいわゆる液体リングコンプレッサ内で圧縮される。
このような状況のなかでは、現在知られているオゾンを用いてパルプ懸濁液を漂白するための装置においては、可能な反応圧がコンプレッサの容量により制限されることが課題となっている。現在存在している装置の１つの例では、コンプレッサは１０ｂａｒの過剰圧で作動する。そのため、ミキサ内の圧力は、流れに対する妨害の程度が少ないコンプレッサを用い、この滞溜を避けたとしても、実際には、７−８ｂａｒの過剰圧を超えることはできない。
今日では、混合は通常、パルプ懸濁液を同軸の固定子（ステーター：stator）が取り囲む回転子（ローター：rotor）を用いて回転させ、コンプレッサに対する逆圧が最も大きくなる回転しているパルプ懸濁液の周囲にガスを供給することにより行われる。
発明の目的
この発明の目的は流体、例えばオゾン含有ガスの形態の流体、を装置の反応圧より低い圧力で供給することを可能とする方法及び装置を開発することにより、上記課題を解決することである。
技術的な課題
上記目的は、後述の請求の範囲１及び１１による、オゾン含有ガスをセルロース含有繊維材料のパルプ懸濁液に混入する方法及び装置を使用できるようにする本発明により達成される。
このため、本発明により提示される解決手段は、簡単に説明すると、流体を回転しているパルプ懸濁液の中心付近に供給することを意味する。この領域では、遠心力が放射状に外に向かうに従って増加するという事実により、パルプ懸濁液中の局所圧がパルプ懸濁液の周辺の反応圧より低くなる。
この解決手段により、同じコンプレッサを用いても従来コンプレッサにより制限されていた反応圧を増加することができる。そのことは、また、装置内の反応圧は同じままで維持すれば、より小さな、おそらくより安いコンプレッサを使用できることを意味する。
そのため、この発明は従来の技術に比べて、多大な利点を提供する。
【図面の簡単な説明】
以下に、添付の図面を参照して、本発明について詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の縦断面図である。
図２は本発明の第２の実施形態の断面図である。
図３及び図４は固定子殻（シェル：shell）の内側の流れに影響を与える要素の例を示す図である。
図５は本発明の第３の実施形態を示す図である。
図６は本発明の第４の実施形態を示す図である。
図７は充填圧力ｐの関数としてのいわゆる気／液比率Ｖg／Ｖ1のグラフである。
図８は２つのオゾン混合装置を直列に結合させ、オゾンガスの再循環を可能とした、本発明の適用例を示す図である。
本発明の好ましい実施形態の説明
図１は本発明の第１の実施形態を示す図であり、この装置は本質的には、円筒形部分２と円錐形部分３に分けられる固定子殻１内に封入されている。固定子殻１はまた、それぞれ、２つの切妻壁から成るフランジ４及び５を有している。回転子７は固定子殻１の内側に配置され、その回転子は固定子殻１と同軸上にある。渦室９がその一端で、ナット１０により回転子７に固定され、他端は、つば軸受けされた軸１２に固定されている。渦室９及び前記つば軸受けされた軸１２は両方とも回転子７と同軸上にある。一方、回転子７は、中心軸が外部に突出した軸１３に固定されており、この軸１３は図に示されていない駆動ユニット、例えば電気モーター型式のユニットに接続されている。このような状況の中では、渦室９、回転子７及び２つの軸１２、１３はこの装置の回転部分を構成し、この部分はそれぞれ軸受けハウジング１４及び１５内に載置されている。パルプ入口１７は固定子殻１の円錐形部分３に法線方向に接続され、パルプ懸濁液が矢印１８の方向に送り込まれるようになっている。対応する様式で、パルプ出口２０が固定子殻１の円筒形部分２に法線方向に接続され、最終パルプ混合物が矢印２１の方向に送り出されるようになっている。つば軸受けされた軸１２は中空で、渦室９の中央に向かって開いた中央流体入口２３を含む。固定子殻１は、それぞれフランジ４及び５のパッキン箱２５、２６により軸１２及び１３に対し密閉されている。
渦室９の外側には、更に、パルプ入口１７を通って送り込まれてくるパルプ懸濁液を流動化させるための、突出したわずかにねじれた羽根２８が備えられている。このため、パルプ懸濁液はパルプ入口１７を通って固定子殻１の円錐形部分３に送り込まれ、渦室９の外側の羽根２８により流動状態になるまで加速され、最大直径１１の円錐形部分３に向かって送り出される。この直径部では、パルプ懸濁液は切妻壁３０で反転され、渦室９に入るようにされ、そこでは、パルプが円錐面３１を通って渦室９に入って行く時に渦が形成される。同時に、流体入口２３を通って渦の中心に流体が軸に沿って供給される。
しかしながら、図示していない別の実施形態では、流体はまた、流体入口の端にある放射状通路を通って渦の中央に放射状に供給することもできる。
渦及び流体は次に、渦室９内を図の右側に向かって移動し、渦室の周囲にある放射状の開口３３を通って渦室から流れ出る。開口３３は渦室９が回転子７にしっかりと固定されている点付近に配置される。それから、流体／パルプ混合物は固定子１の円筒形部分２内に通り抜けていく。円筒形部分２は渦室９上の切妻壁３４により円錐形部分３から分離されている。次に、環状の間隙型通路３５内で強い混合が起きる。この通路は回転子７と固定子殻１の円筒形部分との間で規定される。流動中の流体／パルプ混合部において、乱流効果を増幅し、綿状沈殿物を粉砕するために、固定子殻１あるいはその代わりに回転子３７に流れに影響を与える要素が備えられる。この要素は、その大きさが小さいので、図１では明らかになっていないが、図３及び４において、固定子殻１の内側の溝３７の構造として、拡大して図示されている。溝の大きさは３０×５×１ｍｍ（長さ×幅×深さ）である。その代わりに、溝３７を突起した棒とすることができる。その場合、棒の大きさは、約３０×５×５ｍｍ（長さ×幅×高さ）であることが好ましい。
パルプ出口２０と接続させて、この実施形態においては、取り出されるパルプストリームと分離して未消費オゾンと不活性キャリヤーガスを送り出すために、ガスセパレータ４０が配置されている。ガスセパレータ４０は、法線方向パルプ出口２０と接続され、回転子７内に固定された放射状の脱ガス／流動化ブレード４１を備える。脱ガス／流動化ブレード４１を用いて、遠心力の助けを借りて、出ていくパルプにパルプ出口２０を通って出ていくよう付勢する。残存ガス、すなわち未消費オゾン及び不活性キャリヤーガスは、回転子７の軸１３に沿って固定子殻１の切妻壁５の近くに配置された脱ガス容器４３内で開いている排気通路４２を通って外に誘導される。脱ガス容器４３は、前記ガスを処理中に再循環させるために、送り出し用の法線方向導管４５を備える。
前述したように、渦の回転中心に、あるいはより一般的には回転しているパルプ懸濁液の中心に、流体を供給することにより、外に向かうに従って放射状に増加する遠心力のためにパルプ懸濁液中の局所静圧は、パルプ懸濁液の周辺部でよりも回転中心の近くにおいて低くなるという事実が利用されている。装置の反応圧、すなわち装置内で可能な最も効果的な混合が得られる最大圧、は環状間隙型通路３５において得られる。この環状間隙通路においては、上述したように最も強い混合が起こる。このような状況の中では、環状間隙型通路３５は、回転中心に対して回転するパルプ懸濁液の周辺部に位置していると考えられる。このため、この発明の基本概念は、流体、この場合はオゾン含有ガス、を装置の反応圧よりも低い圧力で供給することを可能にすることである。
本発明の第２の実施形態を図２に示す。この実施形態では、原則として、図１に示した第１の実施形態の部品の機能原理に対応した部品を多く有しており、このため、そのような部品はここでは第１の実施形態の説明と関連させてすでに使用しているものと同じ符号で示している。この場合、この装置は、主に、円筒形の固定子殻１内に封入されている。固定子殻１の切妻壁５１には回転子７が図示されていない軸により支持されている。固定子７は図示されていない外部駆動ユニット、例えば電気モーター、により駆動され、円筒形の中空軸５２と中空軸５２の外側に固定されている４つの羽根あるいは回転ブレード２８を備える。この装置の残りの部分は、以下のこの装置の機能の説明と関連させて、次に説明する。
パルプ懸濁液は、法線方向パルプ入口１７を通って注入室５４に供給され、回転させられ、回転子７の羽根２８の補助を受けて流動化状態にまで加速され、同時に、注入室５４内の円錐形部分５５を通って外に送り出される。この円錐形部分は、送出方向に広がっている。その後、流動化されたパルプ懸濁液は渦室９内に流れ込む。渦室は送出方向に円錐形状に収束しているため、サイクロン効果を導き出す。このようにして起きた渦は局所的に大きな静圧の降下を引き起こす。渦室９は円錐面の先端で閉鎖されており、このため、乱流のように移動しているパルプ懸濁液に力がかかり、方向転換し、回転子７の中空軸５２内に流れ込むようになる。同時に、中央流体入口２３を介して、流体が圧力の最も低い渦の中心に供給される。この場合、渦の回転速度は回転子速度、幾何学的形状及び流れている流量の関数となる。行った実験から、回転速度は１０、０００ｒｐｍの大きさのオーダーとすることができ、一般的な反応圧より５−６ｂａｒ低い圧力の局所的な降下が見られることが示されている。流体及びパルプ懸濁液はその後、回転子７の中空軸５２内の長方形の穴３３を通って混合室５７に出ていく。混合室には羽根車５８が備えてある。混合室５８の内循環は良好な混合効果を引き出し、同時に、高い反応圧が維持できる。反応時間中にプロセスに付加的な撹拌が必要とされるこれらの例では、説明した装置は、例えば、何らかの静的ミキサーに接続することができる。このミキサーにより、圧力降下を混合効果に寄与するものとして利用することができる。最終的に得られる流体／パルプ混合物は法線方向パルプ出口２０を通って最終的に送り出される。流体入口２３のオリフィスに配置された中央の拡散体２４により、軸に沿って流れ込む流体には更に放射状に移動する作用力成分が与えられ、好都合な混合が生じ流動化されたパルプ懸濁液の渦となる。拡散体２４はまた軸に沿って移動可能なように作製することもでき、これにより、渦室９に入り込む流体の流れを調製するために、拡散体２４の円錐面と流体入口２３の環状オリフィスとの間に形成される間隙領域を変化させることができる。
図５は本発明の第３の実施形態を示す図であり、この図においては、現存する混合装置が使用されており、流体は中空軸を通って供給され、この中空軸がこの装置において本発明のために改良されている。この場合、現存するミキサ６２は図の右側の軸方向パルプ入口１７と法線方向パルプ出口２０を有する。ミキサ６２には回転子７が備えられ、この回転子はここでは点線で図示されているように軸型のものであり、更にミキサには回転子７内に固定されている羽根車５８が備えられている。前述した実施形態と同様に、回転子７と羽根車５８は固定子殻１内に封入されている。現存するミキサ６２を改良することにより本発明が適用できるように、回転子７の軸はより厚くかつ中空に作製されており、そのため、通路６０が回転子７の中央を通って設けられている。そこでは、通路６０は回転子の直線部分を通り、パルプ懸濁液により流れを妨害されないように比較的大きな直径のくり抜き穴６１を介して開口している。この場合、パルプ懸濁液の回転によりパルプは穴６１のオリフィスからはねのけられるので、通路６０の穴６１で流れが妨害される危険はわずかである。図示した実施形態では、回転子７はＶ−ベルトギア６６を介して電気モーター６５により駆動される。このギアにより、図から明らかなように、流体入口２３を回転子７の軸の直接端に配置することができる。
図６は図５に示したものと同一の現存するミキサ６２を示す図であり、この図において、流体入口２３は機械的に密閉された充てん箱６８を介して法線方向で通路６０に接続されている。この実施形態は回転子７の軸を直接外部電気モータ（図示せず）により駆動する際に非常に適している。
実際に適用した例においては、図５あるいは図６による実施形態を使用すると、反応圧を約２ｂａｒ、すなわち約７−８ｂａｒから約９−１０ｂａｒに、増加させることができる。これは重要な利点ではないと思われるかもしれないが、その重要性は図７より明確である。図７は、４ｋｇのＯ3／ＡＤＭＴを異なるオゾン濃度（５−１０％）でオゾン充てんしたときの充てん圧力ｐの関数としてのいわゆる気／液比率Ｖg／Ｖ1（ｍ3ガス／ｍ3／液体）のグラフを示す。このグラフから、気／液比率Ｖg／Ｖ1はこの増加された圧力範囲（９−１０ｂａｒ）においては同レベルになり、この圧力範囲ではほとんど最適な混合効果が達成され、更に圧力を増加させても結果は顕著に改善されないであろうことが明らかである。
最後に、図８は本発明の特に好都合な適用例を示す。この図において、パルプ懸濁液は法線方向に、パルプ入口７０を介して、図１の第１の実施形態による渦室９を備える第１のミキサＡに送り込まれる。それから、パルプ懸濁液は法線方向パルプ出口２０を通って送り出され、その結果、第２のミキサＢへの法線方向入口１７ｂに送り込まれ、その後、パルプ懸濁液は第２のミキサの法線方向出口２０ｂを通って送り出される。この場合、ミキサＡ及びミキサＢの両方ともにそれぞれ、パルプ出口２０ａ及び２０ｂにそれぞれ接続されているガスセパレータ４０ａ、４０ｂが備えられている。装置のガスの流れは以下のように進む。高濃度オゾンガスが供給導管７０を介してミキサＢの法線方向ガス入口２３ｂに供給される。ミキサを通った後、パルプ懸濁液はガスセパレータ４０ｂにおいて脱ガスされる。分離されたガスは導管７１を通って送出され、バルブ７２及び７３を操作することにより、ミキサＡ中の中央ガス入口２３ａにつながる導管７４に、あるいは導管７５を介して更に外に向かって図示されていない外部ガス洗浄ユニットまで、導かれる。分離されたガスのこの好都合な送出は、本発明によるミキサＡの中央ガス入口２３ａでの低い中心圧力により可能となる。ガスセパレータ４０ａ中でミキサＡから分離されたガスは導管７８を通って前述したガス洗浄ユニットに導出される。高濃度オゾンガスをミキサＢに供給するための導管７０はまた、調整バルブ８０により開閉可能な分岐導管７９に接続される。バルブ７２が閉じられバルブ８０が開かれると、この配列を用いて、所望であれば、オゾンガスは直接導管７０から導管７９を介して、ミキサＡに送り込むことができる。更に、ミキサＢのガス入口２３ｂへのガスの供給は調整バルブ８１により開閉できる。
ミキサＡは本発明による中央ガス入口２３ａを有するという事実のため、ミキサＢからのガスを再循環させる機会が得られる。ミキサＢは法線方向ガス入口２３ｂを有する従来型のミキサであり、その中では系の圧力はガス入口においてでさえも最大反応圧と同じである。このように直列に連結することにより、新鮮なオゾンガスを用いて充てんし、不活性ガス及び残存オゾンガスを再循環させるのに大きな順応性が達成される。ガス／パルプ比はまたこの手段により調製することができる。
本発明は前述すると共に図面に示した実施形態に限定されるものではなく、後述する請求の範囲内において変化させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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