Miten ultraäänidispergointi parantaa märkäosan suorituskykyä ja alentaa kustannuksia

Paperinvalmistajat tietävät, että märkäosassa hyvät aikomukset joutuvat kamppailemaan fysiikan kanssa.
Voit ostaa parhaat rahalla saatavat retentioaineet, kiinnitysaineet, liimausaineet, väriaineet, täyteaineet ja lujuushartsit – mutta jos ne eivät dispergoidu massaan nopeasti ja tasaisesti, maksat siitä prosessin myöhemmissä vaiheissa heikkona formaationa, suurempana kemikaalitarpeena, pihkan ja tahmoaineiden aiheuttamina ongelmina, epävakaana vedenpoistona ja tarpeettomina ratakatkoina.
Yhä useammat paperitehtaat harkitsevat nyt parannusta, joka kuulostaa lähes liian yksinkertaiselta: märkäosan kemikaalien ultraäänidispergointia. Sen sijaan, että luotettaisiin pelkästään mekaaniseen leikkaukseen tai pidempään sekoitusaikaan, suuritehoinen ultraääni tuottaa voimakasta mikrosekoitusta, joka hajottaa agglomeraatteja ja jakaa vaikuttavat aineet tasaisemmin – käyttäen vähemmän energiaa kuin tavanomaiset sekoittimet.
Tutustu siihen, miksi menetelmä toimii ja miksi se on erityisen houkutteleva nykyaikaisille paperikoneille.

Mitä märkäosan kemikaalien ultraäänidispergointi on?

Ultraäänidispergoinnissa käytetään suurtaajuista mekaanista värähtelyä (ultraääntä), joka siirretään nesteeseen sonotrodin (anturin) kautta. Teollisissa järjestelmissä keskeinen mekanismi on akustinen kavitaatio – mikroskooppisten kuplien nopea muodostuminen ja luhistuminen. Luhistuminen synnyttää paikallisia leikkausvoimia ja mikrosuihkuja, jotka voivat:

• Hajottaa jauheiden ja mineraalilietteiden agglomeraatteja
• Homogenisoida emulsioita ja polymeeriliuoksia
• Parantaa kostumista ja vähentää ”kalansilmiä” vaikeasti sekoitettavissa kemikaaleissa
• Jakaa lisäaineet tasaisemmin suurilla kiintoainepitoisuuksilla

Märkäosassa tämä tarkoittaa, että lisäaineet voivat tehdä sen työn, josta maksat – jäämättä paakkuihin, kostumatta puutteellisesti tai jakautumatta epätasaisesti.

Teolliset ultraäänidispergointilaitteet, kuten Hielscher UIP6000hdT, varmistavat märkäosan kemikaalien tasaisen dispergoitumisen paperinvalmistuksessa, mikä parantaa prosessin tehokkuutta ja vähentää kemikaalien, veden ja energian kulutusta.

Miksi märkäosa hyötyy ultraäänikäsittelystä

Jos jossakin prosessin osassa dispergoinnin laatu näkyy suoraan rahassa, se on märkäosa. Paperinvalmistus on kemian ja hydrodynamiikan välinen kilpajuoksu:

• Retentioon ja vedenpoistoon liittyvät reaktiot tapahtuvat nopeasti
• Leikkausolosuhteet vaihtelevat voimakkaasti lisäyskohdan mukaan
• Lisäaineet voivat vuorovaikuttaa keskenään tai neutraloida toisensa, jos annostelua ei hallita
• Pienistä sekoitusongelmista tulee suuria koneongelmia

Ultraääntä voidaan käyttää hallittuna dispergointivaiheena suoraan prosessivirrassa – käsittelemällä lisäainevirtaa, laimennusvirtaa tai kiertopiiriä ennen lisäyskohtaa. Tavoitteena ei ole ”enemmän sekoitusta kaikkialla”, vaan parempi sekoitus juuri siellä, missä sillä on merkitystä.

 
 
Tehtaille tärkeät käytännön edut:

1. Parempi dispergointi tarkoittaa kemikaalien tehokkaampaa toimintaa
   Kun polymeerit, mineraalilietteet tai emulsiot dispergoituvat paremmin, usein havaitaan:
   • Pienempi kemikaalien kulutus saman suorituskyvyn saavuttamiseksi
   • Vakaampi retentio ja vedenpoisto
   • Parempi formaatio ja vähäisempi vaihtelu
   • Vähemmän saostumia, jotka liittyvät huonosti dispergoituneisiin tahmoaineisiin, lateksiin tai pihkanhallintaohjelmiin

   Monissa tapauksissa tehtaat eivät aliannostele kemikaaleja – ne yliannostelevat niitä kompensoidakseen epätasaista dispergoitumista.

2. Nopeampi kostuminen, vähemmän ”sekoitusyllätyksiä”
   Jotkin märkäosan lisäaineet ovat tunnettuja geelipallojen, kalansilmien tai mikropaakkujen muodostumisesta (erityisesti suuremmilla pitoisuuksilla). Ultraäänen kavitaation synnyttämä mikroleikkaus voi lyhentää huomattavasti vakaan, tasaisen tilan saavuttamiseen tarvittavaa aikaa – tästä on hyötyä seuraavissa käyttökohteissa:
   • Polymeeriliuosten valmistus
   • Täyteaineiden ja pigmenttien dispergointi
   • Emulsioiden ja vahaan/ASA:han liittyvien järjestelmien stabilointi (prosessista riippuen)
   • Väriaineiden ja optisten lisäaineiden jakautumisen tasaisuuden parantaminen
3. Vähemmän seisokkeja aiheuttavia tekijöitä (saostumat, ratakatkot, vaihtelu)
   Tasainen dispergoituminen auttaa vähentämään paikallista yliannostelua ja korkean pitoisuuden alueita, jotka edistävät saostumien muodostumista, huopien tukkeutumista ja laadun vaihtelua. Pienetkin vakauden parannukset voivat vähentää ratakatkoja ja laatuvaatimukset alittavaa tuotantoa.

Lineaarinen skaalautuvuus: miksi ultraääni ei kuulu vain laboratorioon

Uusiin sekoitusteknologioihin liittyy usein huoli mittakaavan suurentamisesta: ”Se toimii dekantterilasissa… mutta voiko se toimia paperikoneella?”
Teolliset ultraäänijärjestelmät voidaan suunnitella lineaarisesti skaalautuviksi, koska kapasiteettia kasvatetaan lisäämällä tehoa ja läpivirtausreaktorin tilavuutta modulaarisesti. Käytännössä tämä tarkoittaa seuraavaa:
Voit aloittaa yhdellä prosessivirtaan asennetulla ultraääniyksiköllä yhdessä lisäainevirrassa
Kasvattaa kapasiteettia lisäämällä sonotrodeja/virtauskennoja ja generaattoritehoa
Säilyttää vertailukelpoisen prosessi-intensiteetin suunnittelemalla järjestelmän siten, että energiansyöttö tilavuusyksikköä kohti ja viipymäaika pysyvät johdonmukaisina
Tämä on erityisen houkuttelevaa tehtaille, jotka haluavat edetä vähäisellä riskillä: pilotoida yhdessä kemikaalikiertopiirissä, varmentaa keskeiset suorituskykymittarit ja laajentaa sitten järjestelmää.

Energiatehokkuus ja voimakkaat vaikutukset

Ultraäänidispergointi on usein energiatehokkaampaa kuin oletetaan, koska tarkoituksena ei ole sekoittaa koko massasäiliön sisältöä voimakkaammin – energia kohdistetaan tarkasti sinne, missä dispergoituminen tapahtuu.
Sen sijaan, että sekoittimen kuormitusta lisättäisiin suuressa säiliössä (ja toivottaisiin leikkauksen ulottuvan jokaiseen mikropaakkuun), ultraääni tuottaa voimakasta mikroleikkausta sonotrodin kohdalla ja kavitaatiovyöhykkeellä, tavallisesti kompaktissa, suoraan prosessivirrassa tapahtuvassa käsittelyvaiheessa.
Energiankulutukseen huomiota kiinnittäville tehtaille toimintaperiaate on selkeä:

• Kohdista dispergointiongelman ratkaisu lisäainevirtaan
• Vähennä kierrätystä, sekoitusaikaa ja uudelleenkäsittelyä
• Paranna kemikaalien tehoa (mikä voi vähentää kemikaaleihin sitoutuneen energian kokonaismäärää ja kustannuksia)

Hielscher Ultrasonicsin teollisuuskäyttöön tarkoitetut vaihtoehdot

Paperinvalmistuksessa laitevalinnan keskeinen kysymys ei ole ”pystyykö se dispergoimaan”, vaan ”pystyykö se toimimaan luotettavasti teollisilla käyttöjaksoilla, suoraan prosessivirrassa ja prosessilaitoksessa”.
Hielscher Ultrasonics tarjoaa jatkuvaan käyttöön ja mittakaavan suurentamiseen suunniteltuja teollisia ultraäänilaitealustoja, joihin kuuluvat:

• Pöytä- ja pilottilaitteistot toteutettavuuden testaamiseen ja parametrien kehittämiseen
• Teolliset prosessointilaitteet, jotka soveltuvat dispergointiin suoraan prosessivirrassa tuotannon tilavuusvirroilla
• Läpivirtausreaktorikokoonpanot integroitaviksi märkäosan kemikaalien valmistus- ja annostelumoduuleihin
• Modulaarinen tehon skaalaus kapasiteetin kasvattamiseksi ilman prosessin suunnittelua uudelleen

Toisin sanoen: voit arvioida ultraäänidispergointia pienessä mittakaavassa ja laajentaa sen sitten täyteen tuotantoon tehdasolosuhteisiin tarkoitetuilla teollisilla laitteilla – et muuhun käyttöön sovitetuilla laboratoriovälineillä.

Missä paperitehtaat tavallisesti käyttävät ultraäänidispergointia

Jokaisen tehtaan märkäosa on ainutlaatuinen, mutta ultraäänidispergointia arvioidaan yleisesti seuraavissa käyttökohteissa:

• Täyteaine- ja pigmenttidispersiot (esim. agglomeraattien hajottamisen ja jakautumisen parantaminen)
• Polymeeriliuosten valmistus ja aktivointi (geelien vähentäminen, tasaisuuden parantaminen)
• Päällystys- tai pintakemikaalien valmistuspiirit (kun dispergoinnin laatu rajoittaa suorituskykyä)
• Vaikeasti käsiteltävät emulsiot tai suuren kiintoainepitoisuuden lietteet, joiden käsittely on hankalaa tavanomaisella sekoituksella

Parhaat käyttökohteet ovat yleensä virtoja, joissa dispergoinnin laatu rajoittaa suorituskykyä ja joihin voidaan asentaa prosessivirrassa toimiva yksikkö häiritsemättä märkäosan kokonaistasapainoa.

Parempia tuloksia ja merkittäviä säästöjä ultraäänidispergoinnilla

Hielscherin ultraäänilaitteet mahdollistavat tuoreveden tai kirkassuodoksen tarpeen merkittävän vähentämisen – tai jopa poistamisen – märkäosan lisäaineiden jälkilaimennuksessa, mikä säästää vettä noin 10–18 % tehtaan kokonaiskulutuksesta. Saavuttamalla erittäin tehokkaan ja tasaisen dispergoitumisen nämä teollisuuskäyttöön tarkoitetut ultraäänijärjestelmät varmistavat, että kemikaaleja ja lisäaineita käytetään paljon tehokkaammin. Tämä johtaa puhtaampaan märkäosan prosessiin, parempaan paperin laatuun ja huomattavasti pienempään kemikaalitarpeeseen – tyypillisesti 20–60 %:n tai sitä suurempaan vähennykseen.
Paperinvalmistuksessa pienet muutokset dispergoinnin laadussa voivat saada aikaan suhteettoman suuria parannuksia ajettavuuteen, kemikaalien tehokkuuteen ja laadun vakauteen. Märkäosan kemikaalien ultraäänidispergointi herättää kasvavaa kiinnostusta, koska se on:

• Skaalattavissa lineaarisesti ja modulaarisesti
• Energiaa järkevästi käyttävä menetelmä, joka kohdistaa mikroleikkauksen sinne, missä dispergoituminen todella tapahtuu
• Valmis teollisuuskäyttöön, ja sen ultraäänilaitejärjestelmät on suunniteltu jatkuvaan käsittelyyn

Tehtaille, jotka ovat kyllästyneet kompensoimaan epätasaista sekoitusta kemikaalien määrää lisäämällä, ultraääni tarjoaa erilaisen toimintaperiaatteen: saa kemikaalit toimimaan paremmin jo ennen kuin ne päätyvät massaan.