用于将至少一种化学物质送入至主工艺流中的方法和装置

摘要

本发明涉及一种用于将至少一种化学物质送入到主工艺流中的方法和装置。本发明的方法包括如下步骤：提供所述化学物质的浓缩流、使所述浓缩流与稀释剂流混合以提供所述化学物质的稀释流、将所述化学物质的所述稀释流注入所述主工艺流中，其中，通过将所述浓缩流和所述稀释剂流中的任一者的射流注入相应的另一流中来实现所述浓缩流与所述稀释剂流的所述混合。本发明的装置包括第一管段(21)、第二管段(24)和第一连接装置(27)，第一管段(21)具有用于第一流体的第一入口(22)和用于混合流体的第一出口(23)，第二管段(24)具有用于第二流体的第二入口(25)和在所述第一入口(23)和所述第一出口(24)之间连接到并且通入至所述第一管段(21)中的第二出口(26)，第一连接装置(27)用于将所述第一管段(21)的所述第一出口(23)连接至所述主工艺流的主管道(14)，其中，所述第二管段(24)包括至少一个喷嘴(28)，该喷嘴(28)用于产生设置在所述第二出口(26)上游的所述第二流体的射流(29)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将至少一种化学物质送入到主工艺流中的方法和装置、特别地涉及一种用于将至少一种化学物质送入到特定主工艺流中的方法和装置，在该特定主工艺流中，主工艺流的质量流量远大于化学物质流的质量流量。

背景技术

混合两种或多种流体流在许多工业工艺中是典型的步骤。因此，本发明可用于多种应用。作为本发明的方法和装置的示例和优选实施例，将更详细地描述将助留化学制品和/或其它添加剂送入到浆料悬浮液中，该浆料悬浮液在造纸或造纸板工艺中被送入到造纸机中。可添加到浆料悬浮液中的通常的添加剂的示例是用于改善/改变纸的性能的常用造纸添加剂(例如填充剂、施胶剂、湿的和干的强度增强剂、防粘连剂、阻燃剂、抗静电剂、疏水剂、染料和光学增白剂)和工艺化学制品(例如上述助留化学制品、絮凝和助滤剂、固定剂、粘液控制剂、湿润剂、消泡剂、杀菌剂等)。根据特性和数量，工艺化学制品和填充剂以众所周知的方式取决于造纸机和期望的纸张品种的要求。

使用未经利用的纸料和/或再生的纸浆(即通过回收废纸得到的纸料)或使用机械纸浆来生产纸和纸板。在纸或单一浆种纸板(solid board)的生产中遇到的典型问题是纸浆成分的往往不符合要求的助流性能，特别是当使用高比例的回收纸和/或机械或热机械纸浆时。通常，纸浆成分的助滤性能也是不符合要求的。因此，通常向浆料悬浮液添加助留化学制品。助留化学制品是化学剂，该化学剂用于使由浆料悬浮液承载的各种物质相互结合或特别地结合至浆料悬浮液的纤维上，以便当纸幅在造纸机的流浆箱中的导线截面处脱水时改善其在纸幅上的保留，由此减少固体物质在造纸工艺中的损失。助留化学制品在经济上的另一重要影响涉及减少用于预定和非预定熬煮的停机时间。助留化学制品还有助于使诸如树脂和施胶剂的易沉积材料结合至纤维，减少其以沉积结束的可能性或减少产品上的斑点。另外，助留化学制品可以降低纸幅破裂的频率，因为纸悬浮液中高负荷的精细材料倾向于使得体系不稳定。工艺化学过程的任何小的变化很可能导致在纸幅纸张上保留或多或少的细小颗粒，改变产品的成分。精细等级的突然增加通常意味着纸张即刻变得太湿，并且其在开式牵引中将很可能破裂。

通常，助留化学制品总体带有正电荷，以使通常带有负电荷的纸浆纤维和其它添加剂或填充剂相互结合，由此增加在浆料悬浮液中形成絮凝物的能力。然而，也使用带有负电荷的助留化学制品。助留化学制品的示例是硫酸铝和聚合氯化铝、阳离子型或阴离子型丙烯酰胺共聚物或两种不同的聚合物或共聚物的组合，该聚合物或共聚物有时甚至带有不同的电荷。助留化学制品的其它示例包括聚乙烯和聚胺。有用的助留化学制品还包括高分子量聚丙烯酰胺和膨润土或硅胶的微粒体系。有用的助留剂还包括高分子量聚丙烯酰胺和膨润土或硅胶的微粒体系与阴离子型有机聚合物、更特别地是阴离子型的可选地交联的聚丙烯酰胺的组合。这种基于微粒体系的助留剂例如从EP 462365、WO 02/33171、WO 01/34908或WO 01/34910中是已知的。有用的助留剂还包括部分水解的N-乙烯基甲酰胺的均聚物和部分水解的N-乙烯基甲酰胺与二烯丙基二甲基氯化铵、N,N-二甲氨基乙基丙烯酰胺、N,N-二甲氨基丙基丙烯酰胺的共聚物。有用的助留剂还包括例如从US 2003/0192664 A1中已知的高分子量聚乙烯胺和阴离子型、阳离子型或两性交联聚丙烯酰胺的微粒体系。

助留化学制品的受控的剂量在造纸工艺中和对于最终产品的质量而言是关键的。虽然需要助留化学制品的特定最小添加量来实现上述目的，但是过量剂量的助留化学制品导致在最终产品中形成絮凝物，而絮凝物被视作产品的品质不均匀并且因此必须避免。

助留化学制品遇到的常见问题是水解，其中，所讨论的化学制品与水起反应，并且趋向于失去其效力。因此，如果可以优化送入到纸浆中的助留化学制品以使得所讨论的化学制品以尽可能短的时间与水接触，则仅是在化学制品成本方面就可以得到很大的节省。另外，水解导致电荷适时地改变，这可以导致已经形成的絮凝物溶解，由此减弱化学制品的效力。对絮凝物稳定性的附加的影响还有剪切力。在通向流浆箱的路径中，絮凝的浆料悬浮液经受剪切力，该剪切力导致絮凝物随时间破坏。因此，应当优化送入到纸浆中的助留化学制品，以使得化学制品可被引入到尽可能靠近造纸机的流浆箱的位置中。

然而，至今不存在适当的技术方案以允许将助留化学制品均匀且快速地混合到浆料悬浮液中。

为了实现均匀混合，助留化学制品通常在流浆箱的供应管道中的上游路径中(例如在筛浆机中或紧接着筛浆机之后的供料泵中)与纸浆混合，以保证在到达流浆箱之前有足够长的混合时间。然而，这存在助留化学制品例如由于上述原因而已损失其一部分效力的缺点。由于效力的损失必须通过过量的剂量来补偿，因此最终产品的品质可能受到损害。

已知多种不同的现有技术的用于向浆料悬浮液送入助留化学制品和其它添加剂的方法和装置。例如，在传统的纸料制造方法中，制造工艺中所需要的各种纸浆纤维组分和添加剂、填充剂、粘合剂等在所谓的短循环中被送入到混合箱中。通过流浆箱供料泵将纸浆从混合箱(在多数情况下经由涡流清洗、气体分离和流浆箱筛或所谓的筛浆机)泵送到流浆箱中。供料泵和流浆箱筛进一步混合纸浆，即，它们保持纸浆尽可能地均匀。在多数情况下，助留化学制品(或助留化学制品的主要部分，如果一部分助留化学制品已经被引入混合箱中)在流浆箱筛之后被送入到纸浆中，以保证浆料悬浮液的添加剂、填充剂或粘合剂保留在造纸机的导线截面中。

将助留化学制品或其它添加剂送入到主浆料悬浮液流中遇到的另一问题基于如下这点，即这种添加剂的剂量通常被确定成与主质量流量相比非常小的体积。将小体积均匀地供应到大体积中要求在供应位置处的有效混合。如果混合不足，则化学制品仅与浆料悬浮液的小部分接触，这导致最终产品的性能的变化。

另外，由于上述原因，助留化学制品不能储存为立即准备使用的稀释溶液。相反地，通常制备助留化学制品的浓缩流，该浓缩流可储存至少几个小时。根据一现有技术方法，提供了助留化学制品的浓缩流。紧接在与浆料悬浮液混合之前，稀释剂被送入浓缩流中。随后，稀释的助留化学制品流被注入主工艺流中，即浆料悬浮液中。为了保证均匀混合，助留化学制品的稀释流通常在供料泵或机械混合器的上游被注入流浆箱的主工艺流供应中。然而，为了保证有效且均匀的混合，机械混合器或供料泵通常产生强大的剪切力，该剪切力可能破坏不稳固的化学制品，例如一些助留化学制品的聚合物链。另外，机械混合器昂贵并且需要高的运行成本。

从文献US 4 289 732 A、EP 1 254 699 A1和US 2004/131538 A1中已知使用射流喷嘴以在混合室连接至用于混合流体流的管道处混合两种流体。这些文献不涉及送入到第三流(即主工艺流)中的两种流体的混合或预混合。在文献US 2 645 463 A中描述了一种用于三种流体的连续流动混合的装置。该文献没有针对该目的公开或建议对射流喷嘴的使用。文献US2001/028999 A1描述了三种流体在共同的混合室中的混合。这些文献都没有涉及纸浆加工。

德国实用新型DE 92 05 111 U1描述了混合装置，该混合装置用于以恒定的流率混合两种液体，以供给造纸机的流浆箱。

US 2008/0011788 A1描述了一种用于将一种或多种化学制品送入造纸过程中的方法，更特别地，一种用于将化学品(例如一种或多种诸如助留剂和供给液的化学制品)送入造纸过程的厚坯中的方法。US 2008/0011788A1没有为此使用射流喷嘴或喷射喷嘴。相反地，化学制品和供给液在混合室中混合，混合室包括中心供料尖刺物，供料尖刺物具有径向的开口，以将一种液体送入围绕供料尖刺物的另一液体中。

US 5 549 792 A描述了一种造纸机的流浆箱，流浆箱包括纸浆分配器，该纸浆分配器包括紊流插入件。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于将至少一种化学物质送入到主工艺流中的方法和装置，这克服了上述现有技术的问题。具体地，本发明的方法将允许使化学物质均匀且快速地混合到主工艺流中，而不需要主工艺流中的附加的机械混合器。本发明将允许具有明显不同的质量流量的两种流有效地混合。具体地，在将助留化学制品或其它添加剂添加到浆料悬浮液流中的背景下，本发明的方法和装置将避免与在流浆箱的远端上游处添加这种物质相关的问题，例如不同化学制品的水解、助留化学制品的电性能的改变、由剪切力引起的已经形成的絮凝物的降解等。另外，本发明的方法和装置将避免与附加的机械混合器相关的高投资和运行成本。本发明的方法和装置还可以适应于已有工业设备。

使用如在所附权利要求书中限定的方法和装置解决了该技术问题。本发明的优选实施例隶属于从属权利要求。

因此，本发明涉及一种用于将至少一种化学物质送入到主工艺流中的方法，该方法包括如下步骤：提供所述化学物质的浓缩流、使所述浓缩流与稀释剂流混合以提供所述化学物质的稀释流、将所述化学物质的所述稀释流注入所述主工艺流中，其中，通过将所述浓缩流和所述稀释剂流中的任一者的射流注入相应的另一流中——即或是浓缩流作为射流被注入稀释剂流中或是稀释剂流作为射流被注入浓缩流中——实现所述浓缩流与所述稀释剂流的所述混合。

已经出乎意料地发现，使用射流来预稀释浓缩流产生非常有效地混合的稀释流，该稀释流最终被注入主工艺流中。改善的均匀混合的稀释流导致稀释流与主工艺流更加均匀且快速的混合，从而可以避免在现有技术中所需要的位于注射位置下游的机械混合器或产生剪切力的供料泵。

从最广泛的意义上说，一种流的射流是指延伸至另一流中而没有立即被另一流承载的射流。在周围的几何结构对射流没有影响的情况下，这种射流被意在指喷射。在工业厂房中用于承载流体流的管道系统中，这种射流通常受周围的几何结构限制和影响。如果射流具有用于扩张的空间并且不撞击孔口周围的壁部，则射流不会立即被另一流承载。这可借助于使用载有足够动量以允许在孔口的边缘处的全流量分离的平均出口速度通过依靠通常被称作横向射流的设计规则来实现。

在注射部位处，浓缩流的流向的纵轴线与稀释剂流的流向的纵轴线之间的角度限定了注射角。在例如圆锥形流的情况下，纵轴线是圆锥的中轴线。射流的注射角并非特殊限制的。然而，优选地，所述射流以一注射角注射，使得浓缩流的流向和稀释剂流的流向形成15°至90°范围内的角度。约45°的角度是特别优选的。在这种构型中，浓缩液和稀释剂管道中的背压将不会增加，从而该方法可容易地用于已有工业设备中，而不需要在新泵等上投资。

可以通过将足够大的质量流注射通过管道中的小孔口来建立射流。然而，更优选地，通过将所述浓缩流或所述稀释剂流通过喷嘴(例如射流喷嘴或喷射喷嘴)注入相应的另一流中来建立所述射流。术语“喷射喷嘴”必须被广泛地解释，并且意在指的是任何能够产生注入第二流体中的第一流体的受限定的射流的喷嘴。喷嘴不要求(虽然可能)使得第一流体雾化，即，使流体分裂成小液滴。优选地，喷嘴具有在10°至120°范围内的喷射角，更优选地约15°的喷射角。离开喷嘴孔口之后，形成第一流体的射流，该射流具有轮廓分明的外边界。在这方面，术语“喷射角”指的是由离开喷嘴孔口的第一流体例如圆锥形液体形成的角度。

喷射角优选地选择成使得注入的射流基本上覆盖相应的另一流的直径。因此，另一流必需穿过该射流，从而导致这两种流的充分混合。

尽管在原理上，任一流可以作为射流被注入另一流中，但是通常稀释剂流将具有比浓缩流低的粘度，因而优选地将稀释剂流注入所述化学物质的浓缩流中。

稀释剂流可以是任何适合于稀释化学物质的浓缩流的稀释剂。从最广泛的意义上说，稀释剂流、浓缩流和主工艺流可以被认为是任何适当的流体，从而本发明基本上涉及在将混合流引入第三主流之前第一流和第二流的有效预混合。然而，更特别地，预混合实际上是稀释步骤。在多种应用中，特别是在造纸工艺中，淡水或工艺用水可以被用作用于助留化学制品/添加剂的浓缩流的稀释剂。然而，作为本发明的一个特殊优点，由于由射流产生的高剪切力，甚至可以通过从所述主工艺流转移出一部分来产生稀释剂流，而不存在任何在预混合装置中分解的风险，即使主工艺流例如为浆料悬浮液。

优选地，也以射流的形式将稀释流注入主工艺流中。

通常，主工艺流的质量流量将相当大，例如比化学物质的浓缩流的质量流量大500至5000倍。在这种情况下，优选地将一种以上的稀释流注入所述主工艺流中。例如，可以采用主工艺管道中的两个在直径上相对的注射位置，在各注射位置将稀释流注入主工艺管道的总的横截面区域的一半中。

如果采用一种以上的稀释流的注射，则优选地，所述稀释流在相对彼此偏置的位置处被注入主工艺流中，以减少或避免这些注入的射流之间的干涉。已经发现，如果稀释流的注射部位圆周地分布在主工艺流的管道周围，但提供偏心的注射路径以使得注入的射流不直接朝向彼此定向，则实现了稀释流与主工艺流的特别快速且均匀的混合。替换地或附加地，注射部位也可以沿着主工艺流的流向相对彼此偏置。

注入的稀释流的平均速度优选地被调整成使得注入的射流在主工艺流中的中心迹线在注射位置下游的对应于主工艺流的总体横截面的直径的距离处达到待被供应各射流的主工艺流的相应横截面的区域的中心。例如，在圆形主工艺管道的情况下，在单个注入的射流的情况下待被供应各射流的主工艺流的相应的横截面的区域的中心将是管道的圆形横截面的中心。在两个在直径上相对的注入的射流的情况下，区域的中心将是横截面的各半圆的区域的中心。

本发明可用于化学工厂或其它工业工艺中的多种混合工艺。然而，更优选地，本发明用于纸和纸板制造工艺，其中，主工艺流包括浆料悬浮液，所述化学物质包括助留化学制品，特别是一种或多种上述助留化学制品。

本发明还涉及一种用于执行本发明的方法的装置。

因此，本发明的用于将至少一种化学物质送入到主工艺流中的装置包括第一管段、第二管段和第一连接装置，该第一管段具有用于第一流体的第一入口和用于混合流体的第一出口，该第二管段具有用于第二流体的第二入口和在所述第一入口和所述第一出口之间连接到并且通入至所述第一管段中的第二出口，该第一连接装置将所述第一管段的所述第一出口连接至所述主工艺流的主管道。根据本发明，第二管段包括至少一个喷嘴，该喷嘴用于产生设置在所述第二出口上游的所述第二流体的射流。

优选地，用于产生所述第二流体的射流的所述喷嘴是射流喷嘴或喷射喷嘴。喷嘴例如可以是扇形喷嘴、空心锥形喷嘴或密实锥形喷嘴。所述喷嘴的喷射角优选地在10°至120°范围内，更优选地，喷射角为约15°。

所述第二管段优选地以在15°至90°范围内的角度、优选地以约45°的角度连接至所述第一管段。

喷嘴开口和另一流的中心之间的距离应当在喷嘴的直径的10至30倍范围内。

根据优选实施例，所述第一连接装置包括用于将所述混合流体的射流注入所述主工艺管道中的注射喷嘴。优选地，连接装置包括第一可更换的连接法兰，该连接法兰容纳注射喷嘴，从而本发明的装置可以容易地适合于已有管道并适合于不同的应用和运行条件。注射喷嘴可制造成插入件，从而相同的连接法兰可用于不同的喷嘴。

优选地，所述第二管段的所述第二入口包括第二连接装置，第二连接装置用于将所述第二管段连接至用于所述第二流体的送料管道。

所述第二连接装置优选地包括第二可更换的连接法兰，该连接法兰容纳用于产生所述第二流体的射流的所述喷嘴。

附图说明

下面将参考附图更详细地描述根据本发明的方法和装置的优选实施例。

在附图中

图1是通过主工艺管道供应浆料悬浮液的造纸机的高度示意图；

以及

图2描述了以垂直于主工艺管道的截面视图示出的一种根据本发明的优选实施例的用于向浆料悬浮液供应助留化学制品的装置。

具体实施方式

图1高度示意性地描述了造纸机10，造纸机10仅被体现为流浆箱11、轧辊12和纸幅13。流浆箱11经由主工艺管道14被供给浆料悬浮液。为了简单起见，没有描述在造纸工艺中使用的通常的水循环、悬浮液制备和混合箱、泵、过滤器、气体分离箱等。助留化学制品在浓缩箱15中被制备成浓缩溶液，并且经由浓缩液送料管道16被送入至主工艺管道14。在到达主工艺管道14之前，通过经由稀释剂管道18将稀释剂流注入浓缩流中，浓缩溶液在预混合位置17处被稀释。稀释剂管道18可连接至水源或可以从主工艺管道14中分流。稀释流经由管段19被送入至主工艺管道14。

在图2中，更详细地描述了根据本发明的优选实施例的用于向浆料悬浮液供应助留化学制品的装置。特别地，本发明的装置被安装在图1示出的预混合位置7处，以稀释助留化学制品的浓缩流。

本发明的装置总体上由附图标记20表示，并且包括第一管段21，第一管段21具有用于浓缩的助留化学制品流的第一入口22和用于稀释的助留化学制品的第一出口23，第一入口22连接至浓缩液送料管道16，第一出口23经由管道19连接至主工艺管道14，主工艺管道14以截面视图描绘。第二管段24以45°的注射角β固定不变地连接至第一管段21，并且具有用于稀释剂的第二入口25和第二出口26，第二入口25连接至稀释剂送料管道18，第二出口26在所述第一入口22和所述第一出口23之间通入至第一管段21中。第一连接装置27提供用于将第一管段21的第一出口23连接至主工艺流的主管道14。

第二管段24包括至少一个喷射喷嘴28，喷射喷嘴28用于产生注入助留化学制品的浓缩流中的稀释剂流的射流29。喷射喷嘴28被布置在第二出口26的上游。在该情况下，喷嘴是产生约15°的喷射角α的扇形喷嘴。

第一连接装置27包括可更换的连接法兰30，连接法兰30容纳用于将所述混合的稀释流体射流注入所述主工艺管道14中的注射喷嘴31。注射喷嘴可制造为插入件，使得相同的连接法兰可用于不同的喷嘴。

所述第二管段24的第二入口25包括第二连接装置32，第二连接装置32用于将所述第二管段连接至稀释剂送料管道18。第二连接装置包括第二可更换的连接法兰33，连接法兰33容纳用于产生稀释剂流的射流的喷射喷嘴28。

在图2的实施例中，使用两个相同的装置20、20’将助留化学制品的稀释流注入主工艺管道14中。如从图中所看到的，装置20、20’被偏心地布置，而不是都朝向主工艺管道14的中心34定向，以使得注入主工艺流中的稀释流体的射流不直接指向彼此。装置20’与装置20相同，因此将不在这里进行更详细地说明。

由于在稀释助留化学制品的浓缩流时的有效的预混合，因此可以使稀释剂流减少50％至70％，由此使得稀释水的成本最小化，并且减少相关的投资以及用于泵和管道结构的运行成本。尽管减少了稀释剂流，但是可以实现稀释的助留化学制品流与主工艺流的浆料悬浮液的有效混合，这允许将注射位置转移至更靠近流浆箱。由此防止助留化学制品效力的损失，并且可以减少助留化学制品的总量。另外，可以优化注射位置，以允许足够的时间来形成絮凝物，而防止絮凝物由于管道中的导向流浆箱的剪切力而降解。