Wie Ultraschall-Dispergierung die Leistung der Nasspartie verbessert und die Kosten senkt

Die Papiermacher wissen, dass die guten Absichten im Kampf gegen die Physik im Nassbereich liegen.
Sie können die besten Retentionsmittel, Fixiermittel, Schlichtemittel, Farbstoffe, Füllstoffe und Festigkeitsharze kaufen, die man für Geld kaufen kann. – Aber wenn sie sich im Lager nicht schnell und gleichmäßig verteilen, zahlen Sie dafür mit schlechter Formation, höherem Chemikalienbedarf, Pech- und Klebeproblemen, instabiler Entwässerung und unnötigen Pausen.
Eine wachsende Zahl von Papierfabriken befasst sich nun mit einer Verbesserung, die fast zu einfach klingt: Ultraschalldispergierung von Nassendchemikalien. Anstatt sich ausschließlich auf mechanische Scherung oder längere Mischzeiten zu verlassen, erzeugt Hochleistungsultraschall eine intensive Mikrovermischung, die Agglomerate aufbricht und Wirkstoffe gleichmäßiger verteilt – mit weniger Energie als herkömmliche Mischer.
Erfahren Sie, warum es funktioniert und warum es für moderne Papiermaschinen besonders attraktiv ist.

Was ist die Ultraschall-Dispergierung von Wet-End-Chemikalien?

Bei der Ultraschalldispersion werden hochfrequente mechanische Schwingungen (Ultraschall) über eine Sonotrode (Sonde) in eine Flüssigkeit übertragen. In industriellen Systemen ist der wichtigste Mechanismus die akustische Kavitation – die schnelle Bildung und das Kollabieren von mikroskopisch kleinen Blasen. Dieses Kollabieren erzeugt lokale Scherkräfte und Mikrostrahlen, die sich auswirken können:

• De-Agglomerieren von Pulvern und Mineralschlämmen
• Homogenisieren von Emulsionen und Polymerlösungen
• Verbesserung der Benetzung und Reduzierung „Fischaugen“ bei schwierig zu mischenden Chemikalien
• Gleichmäßigere Verteilung von Zusatzstoffen bei hohem Feststoffgehalt

In Bezug auf das nasse Ende bedeutet dies, dass die Zusatzstoffe die Aufgabe erfüllen können, für die Sie sie bezahlen, ohne dass sie in Klumpen eingeschlossen, schlecht benetzt oder ungleichmäßig verteilt werden.

Industrielle Ultraschall-Dispergierer wie der Hielscher UIP6000hdT sorgen für eine gleichmäßige Dispergierung der Chemikalien im Nassbereich bei der Papierherstellung, was zu einer verbesserten Prozesseffizienz und einem geringeren Chemikalien-, Wasser- und Energieverbrauch führt.

Warum profitiert die Nasspartie von der Sonikation?

Wenn es einen Bereich gibt, in dem sich die Qualität der Dispersion direkt in Geld niederschlägt, dann ist es die Nasspartie. Die Papierherstellung ist ein Wettlauf zwischen Chemie und Hydrodynamik:

• Retentions- und Entwässerungsreaktionen erfolgen schnell
• Die Scherungsbedingungen variieren je nach Stelle der Zugabe stark
• Zusatzstoffe können interagieren oder sich gegenseitig neutralisieren, wenn die Dosierung nicht kontrolliert wird.
• Kleine Mischprobleme werden zu großen Maschinenproblemen

Ultraschall kann als kontrollierter Inline-Dispergierschritt eingesetzt werden, der einen Additivstrom, einen Verdünnungsstrom oder eine Rezirkulationsschleife vor dem Additionspunkt behandelt. Das Ziel ist nicht „mehr Durchmischung überall,“ aber besser mischen, genau dort, wo es darauf ankommt.

 
 
Die praktischen Vorteile, die Mühlen interessieren:

1. Bessere Dispersion bedeutet bessere chemische Effizienz
   Wenn Polymere, mineralische Aufschlämmungen oder Emulsionen besser dispergiert sind, sieht man das oft:
   • Geringerer Chemikalienverbrauch bei gleicher Leistung
   • Stabileres Rückhalte-/Entwässerungsverhalten
   • Verbesserte Bildung und geringere Variabilität
   • Weniger Ablagerungen, die an schlecht verteilte Stickies, Latex oder Pechkontrollprogramme gebunden sind

   In vielen Fällen dosieren die Fabriken die Chemikalien nicht zu niedrig, sondern überdosieren sie, um eine uneinheitliche Verteilung auszugleichen.

2. Schnellere Benetzung, weniger „Überraschungen mischen“
   Einige Wet-End-Additive sind berüchtigt für die Bildung von Gelkugeln, Fischaugen oder Mikroklumpen (insbesondere bei höheren Konzentrationen). Die durch Kavitation hervorgerufene Mikroscherung des Ultraschalls kann die Zeit, die benötigt wird, um einen stabilen, einheitlichen Zustand zu erreichen, drastisch verkürzen - nützlich für:
   • Abfüllung von Polymerlösungen
   • Dispergierende Füllstoffe und Pigmente
   • Stabilisierung von Emulsionen und Wachs/ASA-bezogenen Systemen (prozessabhängig)
   • Verbesserung der Konsistenz bei der Verteilung von Farbstoffen und optischen Additiven
3. Geringere Ausfallzeiten (Ablagerungen, Pausen, Variabilität)
   Die gleichmäßige Verteilung trägt dazu bei, lokale Überdosierungen und „Brennpunkte“ die zu Ablagerungen, Filzbelastung und Qualitätsschwankungen beitragen. Selbst bescheidene Verbesserungen der Stabilität können zu weniger Abrissen und einer geringeren Produktion außerhalb der Spezifikation führen.

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

Ein häufiges Problem bei neuartigen Mischtechnologien ist das Scale-up: „Es funktioniert in einem Becherglas... aber kann es auch auf einer Papiermaschine funktionieren?“
Industrielle Ultraschallgeräte können für eine lineare Skalierbarkeit ausgelegt werden, da die Kapazität durch Hinzufügen von Leistung und Durchflussreaktorvolumen auf modulare Weise erweitert wird. In der Praxis bedeutet dies:
Sie können mit einer einzigen Inline-Ultraschalleinheit für einen Zusatzstoffstrom beginnen
Erweiterung der Kapazität durch Hinzufügen zusätzlicher Sonotroden/Durchflusszellen und Generatorleistung
Beibehaltung einer vergleichbaren Prozessintensität durch Auslegung auf einen konstanten Energieeinsatz pro Volumen und Verweilzeit
Dies ist besonders attraktiv für Fabriken, die einen risikoarmen Weg einschlagen wollen: ein Pilotprojekt mit einem chemischen Kreislauf, Validierung der KPIs und anschließende Ausweitung.

Energieeffizienz und starke Effekte

Die Ultraschalldispersion ist oft energieeffizienter als angenommen, weil man nicht versucht, die gesamte Brust härter zu bewegen – Sie setzen die Energie genau dort ein, wo die Dispersion stattfindet.
Anstatt die Rührwerkslast in einem großen Tank zu erhöhen (und zu hoffen, dass die Scherung jeden Mikroklumpen erreicht), liefert Ultraschall hochintensive Mikroscherung an der Sonotrode und in der Kavitationszone, typischerweise in einem kompakten Inline-Prozessschritt.
Für energiebewusste Fabriken ist die Logik einfach:

• Das Dispersionsproblem auf den Additivstrom ausrichten
• Verringerung von Rezirkulation, Mischzeit und Nacharbeit
• Verbesserung der chemischen Wirksamkeit (was die Gesamtenergie und -kosten der Chemikalien senken kann)

Industrietaugliche Optionen von Hielscher Ultrasonics

Bei der Papierherstellung geht es bei der Auswahl der Ausrüstung nicht um „kann sie sich auflösen,“ sondern „kann es zuverlässig bei industriellen Arbeitszyklen, inline und in einer Prozessanlage laufen.“
Hielscher Ultrasonics bietet industrielle Beschallungsplattformen an, die für den Dauerbetrieb und das Scale-up ausgelegt sind, darunter:

• Prüfstands- und Pilotsysteme für Machbarkeitstests und Parameterentwicklung
• Industrielle Prozessoren, die für die Inline-Dispergierung bei Produktionsdurchsätzen geeignet sind
• Durchflussreaktorkonfigurationen für die Integration in Chemikalienaufbereitungs- und Dosiersysteme für den Nassbereich
• Modulare Leistungsskalierung zur Erweiterung der Kapazität, ohne den Prozess neu zu erfinden

Mit anderen Worten: Sie können die Ultraschalldispergierung in kleinem Maßstab testen und dann mit industrieller Hardware, die für Anlagenbedingungen vorgesehen ist, auf die volle Produktion umstellen. – keine wiederverwendeten Laborgeräte.

Wo Papierfabriken typischerweise Ultraschalldispergierung einsetzen

Das Nassende jeder Mühle ist einzigartig, aber die Ultraschall-Dispergierung wird in der Regel bewertet:

• Füllstoff- und Pigmentdispersionen (z. B. Verbesserung der Deagglomeration und Verteilung)
• Herstellen und Aktivieren von Polymerlösungen (Reduzierung von Gelen, Verbesserung der Konsistenz)
• Beschichtungs- oder Oberflächenchemie-Vorbereitungsschleifen (wenn die Dispersionsqualität die Leistung begrenzt)
• Schwierige Emulsionen oder Aufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt, bei denen herkömmliches Mischen Schwierigkeiten bereitet

Die besten Kandidaten sind in der Regel Ströme, bei denen die Dispersionsqualität die Leistung einschränkt und bei denen eine Inline-Einheit installiert werden kann, ohne das Gesamtgleichgewicht am Nassende zu stören.

Bessere Ergebnisse und signifikante Einsparungen mit Ultraschall-Dispergierung

Hielscher-Ultraschallsonicatoren ermöglichen Papierfabriken eine deutliche Reduzierung der – oder sogar beseitigen – den Bedarf an Frischwasser oder Klarfiltrat bei der Nachverdünnung von Additiven für die Nasspartie, was zu Wassereinsparungen von etwa 10-18 % des Gesamtverbrauchs der Papierfabrik führt. Durch die hocheffiziente und gleichmäßige Dispergierung stellen diese Ultraschallsysteme für den industriellen Einsatz sicher, dass Chemikalien und Additive weitaus effektiver eingesetzt werden, was zu einem saubereren Wet-End-Prozess, einer verbesserten Papierqualität und einem wesentlich geringeren Chemikalienbedarf führt. – in der Regel um 20-60 % oder mehr reduziert.
Bei der Papierherstellung können kleine Veränderungen in der Dispersionsqualität zu großen Verbesserungen in der Runnability, der chemischen Effizienz und der Qualitätsstabilität führen. Die Ultraschall-Dispergierung von Nasschemikalien gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit, weil sie:

• Lineare und modulare Skalierbarkeit
• Energieeffiziente, gezielte Mikroscherung dort, wo die Dispersion tatsächlich stattfindet
• Industrietauglich, mit Sonicator-Systemen, die für die kontinuierliche Verarbeitung entwickelt wurden

Für Fabriken, die es leid sind, inkonsistente Mischungen mit mehr Chemie zu kompensieren, bietet Ultraschall eine andere Philosophie: Die Chemie soll besser funktionieren, bevor sie überhaupt in den Stoff gelangt.