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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Störstoffen
aus einer wässrigen Faserstoffsuspension gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Verfahren
der genannten Art werden verwendet, um aus einer Papierfasersuspension
zumindest einen Teil der darin suspendierten unerwünschten
Feststoffteilchen, sogenannte Störstoffe, auszuscheiden.
Bekanntlich wird bei einer Flotation ein mit auszuscheidenden Stoffen
enthaltender Schaum oder Schwimmschlamm gebildet. Ein typischer
Anwendungsfall eines derartigen Verfahrens ist die Aufbereitung
von einer aus bedrucktem Altpapier gewonnenen wässrigen
Fasersuspension, in der die Druckfarbenpartikel bereits von Fasern
abgelöst sind, so dass sie sich ausflotieren lassen. Der
hier beschriebene Flotationsvorgang nutzt die Unterschiede zwischen
Papierfaserstoff und unerwünschten Feststoffteilchen in
der Art, dass der Faserstoff auf Grund seines eher hydrophilen Charakters
in der Fasersuspension verbleibt, während die angesprochenen
Feststoffteilchen hydrophob sind und deshalb zusammen mit den Luftblasen
in den Schaum gelangen. Neben den Druckfarbenpartikeln gibt es auch
eine Vielzahl weiterer Stoffe, die hydrophob sind und sich daher
durch Flotation von dem Faserstoff trennen lassen. Solche Stoffe
sind insbesondere Kleber, feine Kunststoffpartikel und eventuell
auch Harze. Da durch das hier angesprochene Flotationsverfahren
Fasern von Verunreinigungen (beides sind Feststoffe) getrennt werden,
spricht man von „Flotationsdeinking". Dieser Begriff wird
in der Regel nicht nur für die Entfernung von Druckfarbenpartikeln
(ink = Druckfarbe), sondern auch allgemeiner für die Flotation
von Verunreinigungen aus Faserstoffsuspensionen verwendet.
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Weit
verbreitet sind Verfahren mit zwei aufeinander folgenden Flotationsschritten,
zwischen denen eine mechanische Behandlung durchgeführt wird.
So ist aus dem Fachaufsatz Herbert Britz „Flotationsdeinking – Grundlagen
und Systemeinbindung", Wochenblatt für Papierfabrikation
10, 1993, Seiten 394–401, bekannt, zunächst
eine „Flotation I", dann eine Hochkonsistenz-Dispergierung
für deren Gutstoff und dann eine „Flotation II"
zur Entfernung der beim Dispergieren von der Faser abgelösten Druckfarben
zu verwenden.
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Solche
Verfahren sind sehr wirksam, aber relativ aufwändig, da
jeder Teilschritt eine vollständige selektive Flotation
für den gesamten Papierfaserstoff enthält.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Aufbereitungsverfahren
zu schaffen, mit dem eine möglichst effektive Ausscheidung
der Störstoffpartikel erzielbar ist, so dass die behandelte
Fasersuspension auch für höherwertige Papiere,
Hygienepapiere (Tissue), Deckschichten für Faltschachtelkarton oder
weiß gedeckten Testliner geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
in vollem Umfang gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Möglichkeiten,
die sich daraus ergeben, dass zunächst nur ein Teil der
Faserstoffsuspension dispergiert wird, und zwar der, der auf Grund
seiner Beschaffenheit höhere Anforderungen an die Flotation stellt.
Nach der Dispergierung ist er mit weniger Aufwand durch Flotation
zu reinigen, so dass er sich diesbezüglich ähnlich
verhält wie der andere Teil der Faserstoffsuspension. Besonders
vorteilhaft ist die anschließende Fraktionierung oder Wäsche,
weil dann erneut eine selektive Dispergierung erfolgen kann.
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Typischerweise
wird das Verfahren an Altpapiersuspensionen angewandt. Ein solches
Ausgangsmaterial enthält ein Gemisch von verschiedenen
Fasern und Verunreinigungen. Von diesem Gemisch wird durch die Fraktionierung
nur ein geringer Anteil an Farb- und/oder Füllstoffen in
die Grobfraktion überführt, während die
Feinfraktion größere Mengen der flotierbaren Störstoffe
enthält und mit Faserfeinstoff und eventuell Kurzfasern
angereichert ist. In einer so gebildeten Feinfraktion sind die Flotationsbedingungen
signifikant günstiger als in der Faserstoffsuspension vor
der Fraktionierung. Das gilt auch dann noch, wenn die dispergierte
Grobfraktion zugemischt wurde. Die Flotation der dispergierten Grobfraktion
zusammen mit der Feinfraktion kann auch z. B. mit höherer
Konsistenz zu einem guten Ergebnis gebracht werden. Bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ohne weiteres
bei ca. 1,5% oder mehr flotiert werden, während z. B. die übliche Vollstromflotation
bei einer Konsistenz von ca. 1,0–1,3% durchgeführt
wird. Andere Einflussmöglichkeiten auf die Flotation bieten
z. B. Variationen der Chemikaliendosierung, Luftblasenmenge oder
Anlagengröße.
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Die
Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1:
Ein exemplarisches Schema des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
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2:
Schematisch: Eine erfindungsgemäße Anlage für
das in 1 gezeigte Verfahren.
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1 zeigt
ein einfaches Schema, bei dem aus Altpapier in einem Stofflöser 13 eine
Faserstoffsuspension gebildet wird. Es folgt eine mechanische Reinigungsanlage 14 zur
Ausscheidung von Verunreinigungen, die in der Regel Siebmaschinen und/oder
Zentrifugalabscheider, z. B. Hydrozyklone, aber noch keine Flotationsanlage
zum Deinken umfasst. Die so erzeugte vorgereinigte wässrige
Faserstoffsuspension S wird als nächstes einer ersten Fraktionierung 2 zugeführt.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Fasern,
die signifikant länger, eventuell auch steifer als die übrigen
Fasern sind, sowie große Störstoffpartikel in
die Grobfraktion G geführt, während die Kurzfasern,
Feinstoffe, Füllstoffe und feine Störstoffpartikel
in die Feinfraktion F gelangen. Diese Betrachtung erfasst nur die
Feststoffe; die Flüssigkeit, also überwiegend Wasser,
fließt mit beiden Fraktionen ab. Dabei können
sich Verschiebungen der Konsistenz ergeben, und zwar normalerweise
so, dass die Feinfraktion F eine geringere Konsistenz hat als die
Grobfraktion G. Wie die 1 zeigt, wird die Feinfraktion
F in eine Flotation 1 geführt und dort in der
an sich bekannten Weise von Störstoffen, wie z. B. Druckfarbenpartikeln,
gereinigt. Diese Flotation 1 kann bezüglich ihrer Betriebsparameter
auf eine mit Kurzfasern und/oder Feinstoffen besonders angereicherte
Suspension abgestimmt werden. Die Vorgänge bei der Flotation 1 sind
bekannt; es wird ein Flotationsschaum R1 gebildet, der einen großen
Teil der Störstoffe enthält, sowie ein gereinigter
Gutstoff A1 mit dem überwiegenden Teil der Fasern.
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Die
Grobfraktion G der Fraktionierung 2 wird durch eine Eindickung 4 auf
höhere Konsistenz gebracht, vorzugsweise zwischen 15% und
25%, eventuell auch erhitzt, erfährt dann eine Dispergierung 5 und
anschließend eine Verdünnung 6 mit Wasser
W, z. B. auf etwa 1 bis 1,5% Konsistenz. Dabei ist der Hauptzweck
einer Dispergierung 5 in einer solchen Anwendung die Ablösung
von an den Fasern haftenden Störstoffen sowie die Zerkleinerung
von größeren freien Störstoffen, insbesondere
großen Druckfarbenpartikeln. Eventuell können
auch weitere mit Dispergern erzielbare Effekte, wie z. B. Auflösung
der Reststippen, damit verbunden sein. Oft ist auch eine oxidierende
Bleiche an dieser Stelle zweckmäßig, hier angedeutet
durch die Zugabe von Bleich-Chemikalien CH1. Nach der Verdünnung 6 gelangt
der Stoff ebenfalls in die Flotation 1.
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Der
schon zu einem großen Teil von flotierbaren Störstoffen
befreite Gutstoff A1 der Flotation 1 wird in eine weitere
Fraktionierung 3 geführt, die als Siebfraktionator
oder auch als Wäsche ausgelegt sein kann. Der in der Fraktionierung 3 eingedickte Stoff,
also die Grobfraktion G3, wird einer weiteren Dispergierung 8 zugeführt,
in der Regel nach vorheriger weiterer Eindickung 7. Auch
hier ist je nach Anforderungen und Betriebsbedingungen eine Erwärmung
des Stoffes angebracht. Außerdem kann durch Zugabe von
oxidierenden Bleich-Chemikalien CH2 gebleicht werden, z. B. als
Alternative zur bei der ersten Dispergierung 5 vorgenommenen
Bleiche. Nach dieser Dispergierung 8 wird erneut in einer
Verdünnung 9 mit Wasser W eine Konsistenz eingestellt,
die für eine weitere selektive Flotation 10 günstig
ist. Deren Rejekt R10 führt weitere Störstoffe
ab. Die Feinfraktion F3 der Fraktionierung 3 enthält
feine Störstoffe, zumeist auch mineralische Füllstoffe
und eventuell Faserbruchstücke. Es besteht nun die Möglichkeit, die
in dieser Feinfraktion F3 vorhandenen Feststoffpartikel aus dem
System zu entfernen, z. B. über eine Entstoffung 12 und
dann zu verwerfen oder woanders einzusetzen. Je nach Anforderung
kann es aber auch gewünscht sein, diese Partikel weiter
im Stoffkreislauf zu belassen, indem sie zumindest teilweise in
die weitere Flotation 10 geführt werden. In vielen Fällen
wird es sinnvoll sein, den Gutstoff A10 der Flotation 10 in
einer vorzugsweise reduzierend arbeitenden Bleichstufe 11 zu
behandeln, wozu die Bleich-Chemikalien CH3 zugegeben werden. Es
ist unter Umständen auch von Vorteil, die im Filtrat F3 enthaltenen
Feststoffe an der Flotation 10 vorbei in die Bleichstufe 11 zu
führen (gestrichelt gezeichnete Linie 26).
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Die
Abfolge der Bleichstufen: Zuerst oxidierend in einer feinstoffarmen
Grobfraktion und später reduzierend im Vollstrom zu bleichen,
ist oft die günstigste Methode. In anderen Fällen
kann zuerst reduktiv und dann oxidierend gebleicht werden.
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Die 2 zeigt
etwas detailliertere Darstellungen einer für das Verfahren
benutzbaren Vorrichtungen, ohne dass hier konstruktive maschinelle Ausgestaltungen
entnehmbar wären. Dabei wird eine Faserstoffsuspension
in einem Stofflöser 13 gebildet, über
Hydrozyklon 15 sowie Sortierer 16 mechanisch gereinigt
und dann einer ersten Fraktionierung 2 zugeführt.
Für die erste Fraktionierung 2 wird eine Nasssiebmaschine
von der Art eines Drucksortierers verwendet, der entsprechend den
Anforderungen einer Fraktionierung ausgestattet und betrieben wird. Er
soll also nicht zur Abtrennung von Schmutzstoffen dienen, bei der
möglichst alle Fasern in den Durchlauf gelangen. Anders
als bei der Schmutzstoffentfernung („Sortierung") besteht
also bei der Fraktionierung auch der Überlauf zu einem
großen Teil aus Fasern. Die Faserstoffsuspension S wird
in das Innere des Gehäuses eines solchen Drucksortierers
eingepumpt und mit Hilfe eines Siebkorbes 17 fraktioniert. Die
zur Fraktionierung im Drucksortierer erforderlichen Parameter sind
an sich bekannt; die wichtigsten sind Form und Größe
der Sieböffnungen, Konsistenz der Suspension, Überlaufrate
und Art der Siebräumung. Typische Sieböffnungen
sind Rundlöcher im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 mm oder
Schlitze zwischen 0,1 und 0,3 mm.
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Durch
Wahl der Vorrichtungen und Betriebsbedingungen zur Realisierung
der Fraktionierung 2 lässt sich die Aufteilung
des Faserstoffes in Grob- und Feinfraktion einstellen. Dabei kann
es von besonderem Vorteil sein, die Fraktionierung 2 so
vorzunehmen, dass möglichst viele Fasern, seien sie nun kurz
oder lang, in die Grobfraktion G gelangen und die Feinfraktion F
im Wesentlichen die auszusortierenden Schmutzstoffe, anorganische
Feinstoffe (Füllstoffe) und organische Feinstoffe (Faserfeinstoff)
enthält. Eine solche spezielle Fraktionierung wird bei
einem gemäß 3 verwendeten
Drucksortierer durch relativ geringe Konsistenz begünstigt,
wobei für die Sieböffnungen eher relativ kleine
Werte, also z. B. ca. 0,2 mm Loch oder 0,1 mm Schlitz, zu wählen
sind. Die Überlaufrate wäre relativ hoch, z. B.
ca. 50%, wobei sich solche Werte auf den jeweiligen Feststoffgehalt
der Suspension beziehen.
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Der
Anteil der Fasern wird in der Regel als Rückstand des Siebes
R 100 nach Bauer-McNett ermittelt (Labor-Methode nach TAPPT Standard
T 233). Feinstoffe fallen in derselben Analyse als Durchlauf des
100 mesh-Siebes an.
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Die
Konsistenz der Grobfraktion G aus der Fraktionierung 2 wird
durch Eindickung 4 auf einen Wert zwischen 15 und 25% erhöht.
Dazu ist hier exemplarisch eine Schneckenpresse 19 angedeutet; bekanntlich
gibt es aber auch andere eventuell mehrstufig arbeitende Eindickungsapparaturen.
Das Filtrat 14 aus dieser Eindickung 4 kann z.
B. zur Bildung der Faserstoffsuspension S im Stofflöser 13 verwendet
werden. Der eingedickte Stoff gelangt dann über ein nicht
gezeigtes Transportschneckensystem in einen Scheibendisperger 18,
bei dem bekanntlich mit Zähnen versehene Dispergierwerkzeuge
in einem kurzen Abstand relativ zueinander bewegt werden, die durch
hohe Scherkräfte eine Dispergierung des hochkonsistenten
Stoffes bewirken. Alternativ kann auch ein Kneter statt des Scheibendispergers 18 verwendet
werden. Normalerweise ist es zweckmäßig, den zur
Dispergierung vorgesehenen hochkonsistenten Stoff zu erwärmen,
z. B. auf eine Temperatur zwischen 80° und 95°C.
Dazu kann, wie hier angedeutet, eine direkte Einspeisung von Dampf
D in den Scheibendisperger 18 erfolgen. Die spezifische
Arbeit, die bei der Dispergierung 5 auf den Faserstoff übertragen
wird, wird üblicherweise auf einen Wert zwischen 30 und
120 kWh/t, vorzugsweise ca. 60 kWh/t, eingestellt.
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Die
Feinfraktion F der Fraktionierung 2 wird mit der dispergierten
und verdünnten Grobfraktion G vermischt und in die Flotationsanlage 20 geleitet. Diese
kann aus mehreren Stufen bestehen. In ihr werden mit Hilfe von Luft
L die flotierbaren Störstoffe R1 entfernt.
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Das
neue Verfahren kann mit Vorteil so ausgestaltet sein, dass die nach
der Fraktionierung 3 vorgenommene selektive Flotation 1 die
erste in der Aufbereitung ist. Neben den dadurch möglichen
Einsparungen hat das den Vorteil, dass die Auflösung 13 schonender,
z. B. auch mit weniger Chemikalien vorgenommen werden kann. Die
Fraktionierung 3 führt die mit Druckfarben verbundenen
Fasern in die Grobfraktion G, die dispergiert wird, wodurch gezielt
eine Abtrennung erfolgt. Die dann folgende Wäsche oder Flotation
entfernt die abgelösten Druckfarben.
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Der
Gutstoff A1 aus der Flotationsanlage
20 wird fraktioniert.
Diese Fraktionierung
3 erfolgt hier in einer Waschvorrichtung
30.
Das Filtrat der Waschvorrichtung
30 ist dann die Feinfraktion
F3. Bekanntlich wird bei einer Wäsche ein bestimmter Anteil
von sehr feinen Feststoffen aus der zugeführten Suspension
entfernt, während möglichst alle Fasern zurückgehalten
und als Gutstoff weitergeleitet werden. Anders als bei einem Sortierer
verbleiben also bei einer Wäsche die unerwünschten
Stoffe in der Feinfraktion, weshalb diese auch als Rejekt bezeichnet
werden könnte. Solche Waschvorrichtungen für Faserstoffe
sind bekannt. Sie dienen dazu, nicht nur das Wasser vom Feststoff
zu trennen (Filter), sondern sollen auch den Feststoff selbst fraktionieren.
Eine besonders geeignete technische Ausführungsform und
die bevorzugten Parameter sind z. B. in der Patentschrift
DE 30 05 681 beschrieben.
Bei einer solchen Waschvorrichtung wird die auszuwaschende Suspension
zwischen einen undurchlässigen Zylinder
31 und
ein durchlässiges umlaufendes Siebband
32 mit geringer
Konsistenz turbulent eingespritzt. Der zwischen Siebband
32 und
Zylinder
31 entwässerte und gewaschene Faserstoff
wird anschließend als Gutstoff A3 zur Eindickung
7 und
weiteren Dispergierung
8 geführt. Es sind auch ähnlich
arbeitende Vorrichtungen mit zwei umlaufenden Siebbändern
bekannt. Ein Beispiel zeigt die
EP
0 341 913 .
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Auch
die in 2 vor der Dispergierung 4 angeordnete
Schneckenpresse 19 kann gleich oder in ähnlicher
Form als Vorrichtung für die an dieser Stelle durchgeführte
Fraktionierung 3 dienen. Da der eingedickte Stoff am Sieb
der Schneckenpresse ständig bewegt wird, ist bei geringer
Konsistenz auch hier eine Fraktionierung möglich, bei der
also ein Teil der Feinstoffe und Kurzfasern zu größerem
Anteil in die Feinfraktion F gelangt.
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Bekanntlich
kann man Fasern aber auch in Hydrozyklonen fraktionieren, wobei
eine Konsistenz zwischen 0,3% und 0,7% besonders günstig
ist.
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Die
Dispergierung 8 der Grobfraktion G3 aus der Fraktionierung 3 kann ähnlich
durchgeführt werden wie es anhand der ersten Dispergierung 5 bereits beschrieben
wurde. Es erfolgt also eine weitere Eindickung 7 und dann
eine Dispergierung 8, eventuell mit Erhitzung. Der dispergierte
Faserstoff wird in einer Verdünnung 9 mit Wasser
W vermischt und anschließend in einer weiteren Flotation 10 behandelt, wozu
hier die Flotationsanlage 21 benutzt wird, die prinzipiell ähnlich
wie die Flotationsanlage 20 für die Flotation 1 aufgebaut
sein kann. Möglicherweise kann die Flotationsanlage 21 für
die weitere Flotation 10 aber bedeutend kleiner ausgelegt
werden, was sowohl vom Betrieb, als auch von der Investition ein Vorteil
ist. Der Gutstoff A10 der Flotationsanlage 21 wird vorteilhafterweise
durch eine Bleiche 11 auf einen höheren Weißgrad
gebracht. Dabei ist eine reduzierende Fahrweise dieser Bleiche 11 an
dieser Stelle von Vorteil, insbesondere bei höherem Aschegehalt.
Der Rejekt R10, also der Flotationsschaum der Flotationsanlage 21 wird
einer Rejektbearbeitung 25 zugeführt und kann
z. B. entsorgt werden.
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In
der Regel ist es nicht mehr erforderlich, eine weitere (also dritte)
selektive Flotation vorzusehen. Vielmehr bietet die Erfindung die
Möglichkeit, weitere Flotationen einzusparen, da zumeist
durch die beiden Flotationen 1 und 10 ein bereits
voll befriedigendes Flotationsergebnis erzielbar ist. Auch eine bisher
oft erforderliche Gesamtflotation vor der Fraktionierung kann entfallen,
was zu einer beträchtlichen Einsparung führt.
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Die
Feinfraktion F3 der Fraktionierung 3, in diesem Falle das
Filtrat aus der Waschvorrichtung 30, wird entweder zum
aus dem Disperger 8 kommenden Faserstoff zugeführt,
z. B. zur Verdünnung 9 oder es wird eine Entstoffung 12 in
einer Anlage zur Entspannungsflotation 22 durchgeführt.
Bekanntlich werden in einer Entspannungsflotation DAF durch sehr
feine Luftblasen praktisch alle Feststoffe in einem Flotationsschaum
gesammelt und entfernt. Zurück bleibt ein recht gut verwertbares
Rückwasser, das zu Verdünnungs- oder Spülzwecken
eingesetzt wird. Mit Hilfe eines Reglers 23, der z. B.
mit Signalen versorgt wird, die die Faserstoffqualität
angeben, kann eine Aufteilung der Feinfraktion F3 erfolgen. Auf diese
Weise kann ein Kompromiss zwischen gewünschter Faserstoffqualität
und Ausbeute des Verfahrens gefunden werden. Es versteht sich, dass
dieser Kompromiss je nach Rohstoffen, Verfahrensbedingungen und
Anforderungen an das erzeugte Papier verschieden aussehen kann.
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Es
ist in der Stoffaufbereitung für Papierstoffe bekannt und üblich,
dass die Verfahrensschritte, die zur Abtrennung von unerwünschten
Bestandteilen der Faserstoffsuspension durchgeführt werden, ein-
oder mehrstufig ausgestaltet sind. Dabei ist mit „mehrstufig"
gemeint, dass die Rejekte der ersten Stufe als Zulauf zur zweiten
Stufe dienen, deren Rejekt dann entweder verworfen oder in mindestens eine
weitere Stufe (z. B. dritte Stufe) geführt wird. Das hat
den Vorteil, dass die Gutstoffe der ersten Stufe sauber sind und
dass diese Sauberkeit nicht durch zu hohe Faserverluste erkauft
werden muss. Mit anderen Worten: Die weiteren Stufen dienen der Rückgewinnung
von verwertbaren Fasern, erhöhen also die Ausbeute des
gesamten Verfahrens. In den Figuren dargestellte Reinigungsschritte,
wie z. B. Reinigungsanlage 14, Hydrozyklon 15,
Sortierer 16, können also auch mehrstufig ausgeführt
sein. Der letzte Rejekt (Abfallsymbol) stammt dann jeweils aus der
letzten Stufe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3005681 [0022]
- - EP 0341913 [0022]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Herbert Britz „Flotationsdeinking – Grundlagen und
Systemeinbindung", Wochenblatt für Papierfabrikation 10,
1993, Seiten 394–401 [0003]