כיצד פיזור אולטרסוני משפר את ביצועי החלק הרטוב ומפחית עלויות

יצרני נייר יודעים שהחלק הרטוב הוא המקום שבו כוונות טובות יוצאות למאבק בחוקי הפיזיקה.
אפשר לקנות את מסייעי השימור, חומרי הקיבוע, חומרי הסייזינג, הצבענים, חומרי המילוי ושרפי החיזוק הטובים ביותר שכסף יכול לקנות – אבל אם הם אינם מתפזרים במהירות ובאחידות בתרחיף הסיבים, משלמים על כך בהמשך התהליך באחידות ירודה של מבנה היריעה, בצריכה מוגברת של כימיקלים, בבעיות של משקעי שרף ומזהמים דביקים, בניקוז לא יציב ובקריעות מיותרות של יריעת הנייר.
כעת מספר הולך וגדל של מפעלי נייר בוחן שדרוג שנשמע כמעט פשוט מדי: פיזור אולטרסוני של כימיקלים לחלק הרטוב. במקום להסתמך אך ורק על גזירה מכנית או על זמן ערבוב ממושך, אולטרסאונד בהספק גבוה יוצר ערבוב עז בקנה מידה מיקרוסקופי, שמפרק אגלומרטים ומפזר את החומרים הפעילים באופן אחיד יותר – תוך צריכת אנרגיה נמוכה מזו של מערבלים קונבנציונליים.
גלו מדוע זה עובד ומדוע הדבר אטרקטיבי במיוחד למכונות נייר מודרניות.

מהו פיזור אולטרסוני של כימיקלים לחלק הרטוב?

פיזור אולטרסוני משתמש בתנודות מכניות בתדר גבוה (אולטרסאונד), המועברות לנוזל באמצעות סונוטרודה (גשוש). במערכות תעשייתיות, המנגנון המרכזי הוא קוויטציה אקוסטית – היווצרות וקריסה מהירות של בועות מיקרוסקופיות. קריסה זו יוצרת כוחות גזירה מקומיים וסילונים זעירים שיכולים:

• לפרק אגלומרטים באבקות ובתרחיפים מינרליים
• לבצע הומוגניזציה של תחליבים ותמיסות פולימריות
• לשפר את ההרטבה ולהפחית גושים מסוג "עיני דג" בכימיקלים שקשה לערבב
• לפזר תוספים באופן אחיד יותר בתכולת מוצקים גבוהה

במונחים של החלק הרטוב, פירוש הדבר הוא שהתוספים יכולים לבצע את התפקיד שעבורו משלמים עליהם – בלי להילכד בגושים, בלי שהרטבתם תהיה לקויה ובלי להתפזר באופן לא אחיד.

מכשירי פיזור אולטרסוניים תעשייתיים כמו Hielscher UIP6000hdT מבטיחים פיזור אחיד של כימיקלים בחלק הרטוב של ייצור הנייר, וכך משפרים את יעילות התהליך ומפחיתים את צריכת הכימיקלים, המים והאנרגיה.

מדוע החלק הרטוב מפיק תועלת מסוניקציה

אם יש אזור אחד שבו איכות הפיזור מתורגמת ישירות לכסף, זהו החלק הרטוב. ייצור נייר הוא מרוץ בין כימיה להידרודינמיקה:

• תגובות השימור והניקוז מתרחשות במהירות
• תנאי הגזירה משתנים במידה ניכרת בהתאם לנקודת ההוספה
• תוספים עלולים להגיב זה עם זה או לנטרל זה את זה אם המינון אינו מבוקר
• בעיות ערבוב קטנות הופכות לבעיות גדולות במכונה

אפשר לשלב אולטרסאונד כשלב פיזור מבוקר בתוך קו התהליך – לטיפול בזרם תוסף, בזרם דילול או בלולאת סחרור לפני נקודת ההוספה. המטרה אינה "יותר ערבוב בכל מקום", אלא ערבוב טוב יותר בדיוק במקום שבו הוא חשוב.

 
 
היתרונות המעשיים החשובים למפעלי נייר:

1. פיזור טוב יותר פירושו יעילות גבוהה יותר של הכימיקלים
   כאשר פולימרים, תרחיפים מינרליים או תחליבים מפוזרים טוב יותר, לעיתים קרובות ניכרים:
   • צריכת כימיקלים נמוכה יותר להשגת אותם ביצועים
   • התנהגות יציבה יותר של השימור והניקוז
   • אחידות משופרת של מבנה היריעה ושונות מופחתת
   • פחות משקעים הקשורים למזהמים דביקים שפיזורם לקוי, ללטקס או לתוכניות לבקרת משקעי שרף

   במקרים רבים, מפעלים אינם מוסיפים כימיקלים במינון חסר – הם מוסיפים אותם במינון יתר כדי לפצות על פיזור לא עקבי.

2. הרטבה מהירה יותר, פחות "הפתעות בערבוב"
   תוספים מסוימים לחלק הרטוב ידועים לשמצה בשל יצירת כדורי ג'ל, גושים מסוג "עיני דג" או גושים זעירים (במיוחד בריכוזים גבוהים יותר). גזירה בקנה מידה מיקרוסקופי, הנוצרת באולטרסאונד בהשפעת קוויטציה, יכולה לקצר במידה ניכרת את הזמן הדרוש להגעה למצב יציב ואחיד – תכונה שימושית לצורך:
   • הכנת תמיסות פולימריות
   • פיזור חומרי מילוי ופיגמנטים
   • ייצוב תחליבים ומערכות הקשורות לשעווה או ל-ASA (בהתאם לתהליך)
   • שיפור העקביות בפיזור צבענים ותוספים אופטיים
3. הפחתת הגורמים להשבתות (משקעים, קריעות, שונות)
   פיזור אחיד מסייע להפחית מינון יתר מקומי ו"מוקדים של ריכוז גבוה" שתורמים להיווצרות משקעים, לסתימת בדי הלבד ולתנודות באיכות. גם שיפורים מתונים ביציבות יכולים להתבטא בפחות קריעות ובפחות ייצור שאינו עומד במפרט.

הגדלת קנה מידה ליניארית: מדוע אולטרסאונד אינו מיועד רק למעבדה

חשש נפוץ בנוגע לטכנולוגיות ערבוב חדשות הוא הגדלת קנה המידה: "זה עובד בכוס מעבדה… אבל האם זה יכול לעבוד במכונת נייר?"
ניתן לתכנן מערכות אולטרסוניות תעשייתיות להגדלה ליניארית של קנה המידה, משום שכושר העיבוד מוגדל באמצעות הוספה מודולרית של הספק ושל נפח ריאקטור בזרימה רציפה. בפועל, המשמעות היא:
ניתן להתחיל ביחידה אולטרסונית אחת המותקנת בקו, בזרם אחד של תוסף
להרחיב את כושר העיבוד באמצעות הוספת סונוטרודות/תאי זרימה והספק גנרטור
לשמור על עוצמת תהליך דומה באמצעות תכנון המבטיח אספקת אנרגיה עקבית ליחידת נפח וזמן שהייה עקבי
אפשרות זו אטרקטיבית במיוחד למפעלים המעוניינים במסלול בסיכון נמוך: לערוך ניסוי פיילוט בלולאה אחת של כימיקלים, לאמת מדדי ביצוע מרכזיים, ולאחר מכן להרחיב את המערכת.

יעילות אנרגטית והשפעות חזקות

פיזור אולטרסוני חסכוני באנרגיה לעיתים קרובות יותר מכפי שמקובל להניח, משום שהמטרה אינה להניע ביתר עוצמה את כל תכולת מכל התרחיף – אלא להשקיע אנרגיה בדיוק במקום שבו מתרחש הפיזור.
במקום להגדיל את העומס על הבוחש במכל גדול (ולקוות שכוחות הגזירה יגיעו לכל גוש זעיר), האולטרסאונד יוצר גזירה בעוצמה גבוהה בקנה מידה מיקרוסקופי בסונוטרודה ובאזור הקוויטציה, בדרך כלל בשלב עיבוד קומפקטי המותקן בקו.
עבור מפעלים המייחסים חשיבות לצריכת האנרגיה, ההיגיון פשוט:

• לטפל בבעיית הפיזור בזרם התוסף
• להפחית סחרור חוזר, זמן ערבוב ועיבוד חוזר
• לשפר את יעילות הכימיקלים (דבר שיכול להפחית את סך האנרגיה הגלומה בכימיקלים ואת עלותם)

אפשרויות ברמה תעשייתית מבית Hielscher Ultrasonics

בסביבות ייצור נייר, בחירת הציוד אינה מסתכמת בשאלה "האם הוא מסוגל לפזר", אלא בשאלה "האם הוא מסוגל לפעול באופן אמין במחזורי עבודה תעשייתיים, בקו ובמפעל תהליכי".
Hielscher Ultrasonics מציעה פלטפורמות של מכשירי סוניקציה תעשייתיים המיועדות לפעולה רציפה ולהגדלת קנה המידה, ובהן:

• מערכות שולחניות ומערכות פיילוט לבדיקות היתכנות ולפיתוח פרמטרים
• מכשירי עיבוד תעשייתיים המתאימים לפיזור בקו בספיקות הזרימה של הייצור
• תצורות של ריאקטורים בזרימה רציפה לשילוב במערכי הכנה ומינון של כימיקלים לחלק הרטוב, המורכבים על מסגרות
• הגדלה מודולרית של ההספק להרחבת כושר העיבוד ללא צורך להמציא מחדש את התהליך

במילים אחרות: ניתן להעריך פיזור אולטרסוני בקנה מידה קטן, ולאחר מכן להגדיל אותו להיקף ייצור מלא באמצעות ציוד תעשייתי המיועד לתנאי מפעל – ולא באמצעות כלי מעבדה שהוסבו לשימוש זה.

היכן מפעלי נייר מיישמים בדרך כלל פיזור אולטרסוני

החלק הרטוב בכל מפעל הוא ייחודי, אך התאמתו של פיזור אולטרסוני נבחנת בדרך כלל עבור:

• דיספרסיות של חומרי מילוי ופיגמנטים (למשל, שיפור פירוק האגלומרטים והפיזור)
• הכנה ואקטיבציה של תמיסות פולימר (הפחתת ג'לים, שיפור האחידות)
• לולאות להכנת ציפויים או כימיקלים לטיפול בפני השטח (כאשר איכות הפיזור מגבילה את הביצועים)
• אמולסיות קשות לעיבוד או תרחיפים בעלי תכולת מוצקים גבוהה, שערבוב קונבנציונלי מתקשה להתמודד איתם

המועמדים הטובים ביותר הם בדרך כלל זרמים שבהם איכות הפיזור מגבילה את הביצועים ושבהם ניתן להתקין יחידה בקו בלי להפר את האיזון הכולל של החלק הרטוב.

תוצאות טובות יותר וחיסכון משמעותי באמצעות פיזור אולטרסוני

מכשירי הסוניקציה האולטרסוניים של Hielscher מאפשרים למפעלי נייר להפחית משמעותית – או אפילו לבטל – את הצורך במים טריים או בתסנין צלול בשלב הדילול המשני של תוספי החלק הרטוב, ולהשיג חיסכון במים של כ־10–18% מצריכת המים הכוללת של המפעל. באמצעות השגת פיזור יעיל ואחיד ביותר, מערכות אולטרסוניות אלה ברמה תעשייתית מבטיחות שימוש יעיל הרבה יותר בכימיקלים ובתוספים, המוביל לתהליך נקי יותר בחלק הרטוב, לאיכות נייר משופרת ולצורך נמוך משמעותית בכימיקלים – שבדרך כלל פוחת ב־20–60% או יותר.
בייצור נייר, שינויים קטנים באיכות הפיזור יכולים ליצור שיפורים גדולים בהרבה ברציפות פעולת המכונה, ביעילות הכימיקלים וביציבות האיכות. פיזור אולטרסוני של כימיקלים לחלק הרטוב זוכה לתשומת לב משום שהוא:

• ניתן להגדלה באופן ליניארי ומודולרי
• יעיל מבחינה אנרגטית, עם מיקוד של גזירה בקנה מידה מיקרוסקופי במקום שבו הפיזור מתרחש בפועל
• מותאם לתעשייה, עם מערכות סוניקציה שתוכננו לעיבוד רציף

למפעלים שנמאס להם לפצות על ערבוב לא אחיד באמצעות תוספת כימיקלים, אולטרסאונד מציע גישה אחרת: לשפר את פעולת הכימיקלים עוד לפני שהם מגיעים לתרחיף הסיבים.