Wie Ultraschalldispergierung die Leistung der Nasspartie verbessert und Kosten senkt

Papierhersteller wissen: In der Nasspartie treten gute Absichten gegen die Physik an.
Sie können die besten Retentionsmittel, Fixiermittel, Leimungsmittel, Farbstoffe, Füllstoffe und Festigkeitsharze kaufen, die für Geld zu haben sind – doch wenn sie sich nicht schnell und gleichmäßig im Papierstoff dispergieren, zahlen Sie dafür in den nachfolgenden Prozessschritten: mit schlechter Blattformation, höherem Chemikalienbedarf, Problemen durch Harz und klebrige Verunreinigungen, instabiler Entwässerung und unnötigen Bahnabrissen.
Immer mehr Papierfabriken interessieren sich deshalb für eine Verbesserung, die fast zu einfach klingt: die Ultraschalldispergierung von Nasspartiechemikalien. Statt sich allein auf mechanische Scherung oder längere Mischzeiten zu verlassen, erzeugt Hochleistungsultraschall eine intensive Durchmischung auf Mikroebene, die Agglomerate aufbricht und Wirkstoffe gleichmäßiger verteilt – mit weniger Energie als herkömmliche Mischer.
Erfahren Sie, warum das funktioniert und warum es für moderne Papiermaschinen besonders attraktiv ist.

Was ist die Ultraschalldispergierung von Nasspartiechemikalien?

Bei der Ultraschalldispergierung werden hochfrequente mechanische Schwingungen (Ultraschall) über eine Sonotrode (Ultraschallsonde) in eine Flüssigkeit übertragen. In industriellen Systemen ist die akustische Kavitation der entscheidende Mechanismus – die schnelle Bildung und der Kollaps mikroskopisch kleiner Blasen. Dieser Kollaps erzeugt lokal begrenzte Scherkräfte und Mikrostrahlen, die Folgendes bewirken können:

• Pulver und mineralische Suspensionen deagglomerieren
• Emulsionen und Polymerlösungen homogenisieren
• Die Benetzung verbessern und „Fischaugen“ in schwer mischbaren Chemikalien reduzieren
• Additive bei hohen Feststoffgehalten gleichmäßiger verteilen

Für die Nasspartie bedeutet das: Additive können die Aufgabe erfüllen, für die Sie bezahlen – ohne in Klumpen eingeschlossen, schlecht benetzt oder ungleichmäßig verteilt zu sein.

Industrielle Ultraschalldispergierer wie der Hielscher UIP6000hdT sorgen bei der Papierherstellung für eine gleichmäßige Dispergierung von Nasspartiechemikalien. Das verbessert die Prozesseffizienz und reduziert den Verbrauch von Chemikalien, Wasser und Energie.

Warum profitiert die Nasspartie von der Ultraschallbehandlung?

Wenn es einen Bereich gibt, in dem sich die Dispergierqualität unmittelbar finanziell auswirkt, dann ist es die Nasspartie. Papierherstellung ist ein Wettlauf zwischen Chemie und Hydrodynamik:

• Retentions- und Entwässerungsreaktionen laufen schnell ab
• Die Scherbedingungen unterscheiden sich je nach Zugabestelle stark
• Additive können miteinander wechselwirken oder sich gegenseitig neutralisieren, wenn die Dosierung nicht kontrolliert wird
• Aus kleinen Mischproblemen werden große Maschinenprobleme

Ultraschall lässt sich als kontrollierter Inline-Dispergierschritt einsetzen – zur Behandlung eines Additivstroms, eines Verdünnungsstroms oder eines Rezirkulationskreislaufs vor der Zugabestelle. Das Ziel ist nicht „überall mehr Durchmischung“, sondern eine bessere Durchmischung genau dort, wo sie entscheidend ist.

 
 
Die praktischen Vorteile, auf die es Papierfabriken ankommt:

1. Bessere Dispergierung bedeutet eine effizientere Wirkung der Chemikalien
   Wenn Polymere, mineralische Suspensionen oder Emulsionen besser dispergiert werden, zeigt sich häufig Folgendes:
   • Geringerer Chemikalienverbrauch bei gleicher Leistung
   • Stabileres Retentions- und Entwässerungsverhalten
   • Verbesserte Blattformation und geringere Schwankungen
   • Weniger Ablagerungen im Zusammenhang mit schlecht dispergierten klebrigen Verunreinigungen, Latex oder Maßnahmen zur Harzkontrolle

   In vielen Fällen dosieren Papierfabriken Chemikalien nicht zu niedrig – sie dosieren zu hoch, um eine uneinheitliche Dispergierung auszugleichen.

2. Schnellere Benetzung, weniger „Überraschungen beim Mischen“
   Einige Nasspartieadditive sind dafür bekannt, Gelkugeln, Fischaugen oder Mikroklumpen zu bilden (insbesondere bei höheren Konzentrationen). Die durch Kavitation erzeugte Mikroscherung des Ultraschalls kann die Zeit bis zum Erreichen eines stabilen, gleichmäßigen Zustands erheblich verkürzen – hilfreich für:
   • Das Ansetzen von Polymerlösungen
   • Das Dispergieren von Füllstoffen und Pigmenten
   • Das Stabilisieren von Emulsionen und Systemen auf Basis von Wachs oder ASA (prozessabhängig)
   • Eine gleichmäßigere Verteilung von Farbstoffen und optischen Additiven
3. Weniger Ursachen für Stillstandszeiten (Ablagerungen, Bahnabrisse, Schwankungen)
   Eine gleichmäßige Dispergierung hilft, lokale Überdosierungen und Bereiche mit besonders hohen Konzentrationen zu reduzieren, die zu Ablagerungen, Filzverstopfung und Qualitätsschwankungen beitragen. Schon geringe Verbesserungen der Stabilität können zu weniger Bahnabrissen und weniger Produktion außerhalb der Spezifikation führen.

Lineare Skalierbarkeit: Warum Ultraschall nicht nur für das Labor geeignet ist

Ein häufiger Vorbehalt gegenüber neuartigen Mischtechnologien betrifft die Maßstabsvergrößerung: „Im Becherglas funktioniert es … aber funktioniert es auch an einer Papiermaschine?“
Industrielle Ultraschallsysteme lassen sich für eine lineare Skalierbarkeit auslegen, da ihre Kapazität durch die modulare Erweiterung der Leistung und des Durchflussreaktorvolumens erhöht wird. In der Praxis bedeutet das:
Sie können mit einem einzelnen Inline-Ultraschallgerät an einem Additivstrom beginnen.
Sie können die Kapazität durch zusätzliche Sonotroden/Durchflusszellen und mehr Generatorleistung erweitern.
Sie können eine vergleichbare Prozessintensität aufrechterhalten, indem Sie das System auf einen gleichbleibenden Energieeintrag pro Volumen und eine gleichbleibende Verweilzeit auslegen.
Das ist besonders attraktiv für Papierfabriken, die einen Weg mit geringem Risiko suchen: zunächst ein Pilotversuch an einem Chemikalienkreislauf, dann die Überprüfung der Leistungskennzahlen und anschließend die Erweiterung durch zusätzliche Einheiten.

Energieeffizienz und starke Wirkung

Ultraschalldispergierung ist oft energieeffizienter als angenommen, weil Sie nicht versuchen, den gesamten Inhalt der Stoffbütte stärker zu bewegen – Sie setzen die Energie genau dort ein, wo die Dispergierung stattfindet.
Statt die Rührwerksbelastung in einem großen Behälter zu erhöhen (und zu hoffen, dass die Scherung jeden Mikroklumpen erreicht), erzeugt Ultraschall eine hochintensive Mikroscherung an der Sonotrode und in der Kavitationszone, typischerweise in einem kompakten Inline-Prozessschritt.
Für energiebewusste Papierfabriken ist die Vorgehensweise klar:

• Das Dispergierproblem gezielt am Additivstrom angehen
• Rezirkulation, Mischzeit und Nacharbeit reduzieren
• Die Wirksamkeit der Chemikalien verbessern (was den gesamten Energieaufwand für die Herstellung der Chemikalien und die Kosten reduzieren kann)

Lösungen für den industriellen Einsatz von Hielscher Ultrasonics

Bei der Geräteauswahl für die Papierherstellung geht es nicht um die Frage „Kann es dispergieren?“, sondern um „Kann es bei industriellen Betriebszyklen, inline und in einer Prozessanlage zuverlässig arbeiten?“
Hielscher Ultrasonics bietet industrielle Ultraschallgeräteplattformen, die für den Dauerbetrieb und die Maßstabsvergrößerung ausgelegt sind, darunter:

• Tisch- und Pilotsysteme für Machbarkeitsprüfungen und die Ermittlung von Prozessparametern
• Industrielle Prozessoren für die Inline-Dispergierung bei produktionsüblichen Volumenströmen
• Durchflussreaktorkonfigurationen zur Integration in modulare Anlagen für die Aufbereitung und Dosierung von Nasspartiechemikalien
• Modulare Leistungsskalierung zur Kapazitätserweiterung, ohne den Prozess neu konzipieren zu müssen

Mit anderen Worten: Sie können die Ultraschalldispergierung im kleinen Maßstab prüfen und anschließend auf die volle Produktion skalieren. Dafür verwenden Sie industrielle Geräte, die für die Bedingungen in Produktionsanlagen ausgelegt sind – keine zweckentfremdeten Laborgeräte.

Wo Papierfabriken Ultraschalldispergierung typischerweise einsetzen

Die Nasspartie jeder Papierfabrik ist einzigartig, doch Ultraschalldispergierung wird häufig für folgende Anwendungen geprüft:

• Füllstoff- und Pigmentdispersionen (z. B. zur Verbesserung der Deagglomeration und Verteilung)
• Ansetzen und Aktivieren von Polymerlösungen (weniger Gelbildung, höhere Gleichmäßigkeit)
• Aufbereitungskreisläufe für Streich- oder Oberflächenbehandlungschemikalien (wenn die Dispergierqualität die Leistung begrenzt)
• Schwierig zu verarbeitende Emulsionen oder Suspensionen mit hohem Feststoffgehalt, bei denen herkömmliches Mischen an Grenzen stößt

Am besten eignen sich gewöhnlich Stoffströme, bei denen die Dispergierqualität die Leistung begrenzt und bei denen sich ein Inline-Gerät installieren lässt, ohne das Gesamtgleichgewicht der Nasspartie zu stören.

Bessere Ergebnisse und erhebliche Einsparungen durch Ultraschalldispergierung

Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen es Papierfabriken, den Bedarf an Frischwasser oder Klarfiltrat für die Nachverdünnung von Nasspartieadditiven deutlich zu reduzieren – oder sogar vollständig zu beseitigen. Dadurch lassen sich Wassereinsparungen von etwa 10–18% des gesamten Wasserverbrauchs der Fabrik erzielen. Durch eine hocheffiziente und gleichmäßige Dispergierung sorgen diese industriellen Ultraschallsysteme dafür, dass Chemikalien und Additive wesentlich wirksamer eingesetzt werden. Das führt zu einem saubereren Nasspartieprozess, einer verbesserten Papierqualität und einem erheblich geringeren Chemikalienbedarf – typischerweise um 20–60% oder mehr reduziert.
Bei der Papierherstellung können kleine Veränderungen der Dispergierqualität überproportionale Verbesserungen der Lauffähigkeit, der Chemikalieneffizienz und der Qualitätsstabilität bewirken. Die Ultraschalldispergierung von Nasspartiechemikalien gewinnt an Aufmerksamkeit, weil sie folgende Eigenschaften bietet:

• Lineare, modulare Skalierbarkeit
• Energieeffizienter Einsatz durch gezielte Mikroscherung dort, wo die Dispergierung tatsächlich stattfindet
• Eignung für den industriellen Einsatz mit Ultraschallsystemen, die für die kontinuierliche Verarbeitung ausgelegt sind

Für Papierfabriken, die uneinheitliche Durchmischung nicht länger durch mehr Chemikalien ausgleichen möchten, bietet Ultraschall einen anderen Ansatz: die Wirksamkeit der Chemikalien verbessern, bevor sie überhaupt in den Papierstoff gelangen.