Come la dispersione a ultrasuoni migliora le prestazioni della parte umida e riduce i costi

I produttori di carta sanno che la parte umida è il luogo in cui le buone intenzioni si scontrano con la fisica.
Potete acquistare i migliori coadiuvanti di ritenzione, fissativi, agenti di collatura, coloranti, cariche e resine per aumentare la resistenza disponibili sul mercato – ma se non si disperdono rapidamente e uniformemente nell’impasto, ne pagate le conseguenze a valle con una formazione del foglio scadente, un maggiore fabbisogno di prodotti chimici, problemi di resine e contaminanti adesivi, drenaggio instabile e rotture evitabili.
Ora un numero crescente di cartiere sta valutando un miglioramento che sembra quasi troppo semplice: la dispersione a ultrasuoni dei prodotti chimici della parte umida. Anziché affidarsi esclusivamente al taglio meccanico o a tempi di miscelazione prolungati, gli ultrasuoni ad alta potenza creano un’intensa micromiscelazione che disgrega gli agglomerati e distribuisce i principi attivi in modo più uniforme – consumando meno energia rispetto ai miscelatori convenzionali.
Scoprite perché funziona e perché è particolarmente interessante per le moderne macchine continue per carta.

Che cos’è la dispersione a ultrasuoni dei prodotti chimici della parte umida?

La dispersione a ultrasuoni utilizza vibrazioni meccaniche ad alta frequenza (ultrasuoni) trasmesse a un liquido tramite un sonotrodo (sonda). Nei sistemi industriali, il meccanismo principale è la cavitazione acustica – la rapida formazione e il collasso di bolle microscopiche. Questo collasso genera forze di taglio localizzate e microgetti che possono:

• Deagglomerare polveri e sospensioni minerali
• Omogeneizzare emulsioni e soluzioni polimeriche
• Migliorare la bagnatura e ridurre gli «occhi di pesce» nei prodotti chimici difficili da miscelare
• Distribuire gli additivi in modo più uniforme a elevati tenori di solidi

Nella parte umida, questo significa che gli additivi possono svolgere la funzione per cui li pagate – senza rimanere intrappolati in grumi, essere scarsamente bagnati o distribuiti in modo disomogeneo.

I dispersori industriali a ultrasuoni come Hielscher UIP6000hdT garantiscono una dispersione uniforme dei prodotti chimici della parte umida nella produzione della carta, migliorando l’efficienza del processo e riducendo il consumo di prodotti chimici, acqua ed energia.

Perché la parte umida beneficia della sonicazione

Se c’è una zona in cui la qualità della dispersione si traduce direttamente in un vantaggio economico, è la parte umida. La produzione della carta è una corsa tra chimica e idrodinamica:

• Le reazioni di ritenzione e drenaggio avvengono rapidamente
• Le condizioni di taglio variano notevolmente in base al punto di aggiunta
• Gli additivi possono interagire o neutralizzarsi a vicenda se il dosaggio non è controllato
• Piccoli problemi di miscelazione diventano grandi problemi per la macchina

Gli ultrasuoni possono essere impiegati come fase controllata di dispersione in linea – trattando un flusso di additivo, un flusso di diluizione o un circuito di ricircolo prima del punto di aggiunta. L’obiettivo non è «miscelare di più ovunque», ma miscelare meglio esattamente dove conta.

 
 
I vantaggi pratici che interessano alle cartiere:

1. Una dispersione migliore significa una maggiore efficienza dei prodotti chimici
   Quando polimeri, sospensioni minerali o emulsioni sono dispersi meglio, si osservano spesso:
   • Un consumo inferiore di prodotti chimici per ottenere le stesse prestazioni
   • Un comportamento più stabile della ritenzione e del drenaggio
   • Una migliore formazione del foglio e una minore variabilità
   • Meno depositi legati a contaminanti adesivi o lattice scarsamente dispersi, oppure ai programmi di controllo delle resine

   In molti casi, le cartiere non stanno sottodosando i prodotti chimici – li stanno sovradosando per compensare una dispersione incostante.

2. Bagnatura più rapida, meno «sorprese durante la miscelazione»
   Alcuni additivi della parte umida sono noti per la formazione di sfere di gel, occhi di pesce o microgrumi (soprattutto a concentrazioni più elevate). Il microtaglio generato dalla cavitazione ultrasonica può ridurre drasticamente il tempo necessario per raggiungere uno stato stabile e uniforme – utile per:
   • La preparazione di soluzioni polimeriche
   • La dispersione di cariche e pigmenti
   • La stabilizzazione di emulsioni e sistemi a base di cere/ASA (a seconda del processo)
   • Il miglioramento dell’uniformità nella distribuzione di coloranti e additivi ottici
3. Riduzione delle cause dei fermi macchina (depositi, rotture, variabilità)
   Una dispersione uniforme aiuta a ridurre il sovradosaggio localizzato e i «punti ad alta concentrazione» che contribuiscono alla formazione di depositi, all’intasamento dei feltri e alle oscillazioni della qualità. Anche miglioramenti modesti della stabilità possono tradursi in meno rotture e meno produzione fuori specifica.

Scalabilità lineare: perché gli ultrasuoni non sono solo per il laboratorio

Una preoccupazione comune riguardo alle nuove tecnologie di miscelazione è il passaggio di scala: «Funziona in un becher… ma può funzionare su una macchina continua per carta?»
I sistemi industriali a ultrasuoni possono essere progettati per una scalabilità lineare, perché la capacità viene ampliata aggiungendo potenza e volume del reattore a flusso continuo in modo modulare. In pratica, questo significa:
Potete iniziare con una singola unità a ultrasuoni in linea su un flusso di additivo
Ampliare la capacità aggiungendo ulteriori sonotrodi/celle di flusso e potenza del generatore
Mantenere un’intensità di processo comparabile progettando il sistema per un apporto energetico per unità di volume e un tempo di permanenza costanti
Questo è particolarmente interessante per le cartiere che desiderano un percorso a basso rischio: effettuare prove pilota su un circuito di prodotti chimici, convalidare gli indicatori chiave di prestazione (KPI), quindi ampliare il sistema.

Efficienza energetica ed effetti intensi

La dispersione a ultrasuoni è spesso più efficiente dal punto di vista energetico di quanto si pensi, perché non si cerca di agitare più intensamente l’intero contenuto della tina – si applica l’energia esattamente dove avviene la dispersione.
Anziché aumentare il carico dell’agitatore in un grande serbatoio (sperando che il taglio raggiunga ogni microgrumo), gli ultrasuoni generano un microtaglio ad alta intensità in corrispondenza del sonotrodo e nella zona di cavitazione, tipicamente in una fase di processo compatta in linea.
Per le cartiere attente ai consumi energetici, la logica è semplice:

• Affrontare il problema della dispersione nel flusso di additivo
• Ridurre il ricircolo, il tempo di miscelazione e le rilavorazioni
• Migliorare l’efficacia dei prodotti chimici (il che può ridurre l’energia incorporata totale e il costo dei prodotti chimici)

Soluzioni industriali di Hielscher Ultrasonics

Negli ambienti di produzione della carta, la scelta delle apparecchiature non si basa sulla domanda «può disperdere?», ma su «può funzionare in modo affidabile con cicli di lavoro industriali, in linea e in un impianto di processo?».
Hielscher Ultrasonics offre piattaforme di sonicatori industriali progettate per il funzionamento continuo e il passaggio di scala, tra cui:

• Sistemi da banco e pilota per prove di fattibilità e sviluppo dei parametri
• Processori industriali adatti alla dispersione in linea alle portate di produzione
• Configurazioni di reattori a flusso continuo da integrare negli skid di preparazione e dosaggio dei prodotti chimici della parte umida
• Incremento modulare della potenza per ampliare la capacità senza reinventare il processo

In altre parole: potete valutare la dispersione a ultrasuoni su piccola scala, quindi passare alla piena produzione utilizzando apparecchiature industriali progettate per le condizioni dell’impianto – anziché strumenti di laboratorio adattati.

Dove le cartiere applicano tipicamente la dispersione a ultrasuoni

La parte umida di ogni cartiera è unica, ma la dispersione a ultrasuoni viene comunemente valutata per:

• Dispersioni di cariche e pigmenti (ad esempio, per migliorare la deagglomerazione e la distribuzione)
• Preparazione e attivazione di soluzioni polimeriche (riducendo i gel e migliorando l’uniformità)
• Circuiti di preparazione delle patine o dei prodotti chimici per il trattamento superficiale (quando la qualità della dispersione limita le prestazioni)
• Emulsioni difficili o sospensioni ad alto tenore di solidi per le quali la miscelazione convenzionale risulta problematica

I candidati migliori sono solitamente i flussi in cui la qualità della dispersione limita le prestazioni e in cui è possibile installare un’unità in linea senza alterare l’equilibrio complessivo della parte umida.

Risultati migliori e risparmi significativi con la dispersione a ultrasuoni

I sonicatori a ultrasuoni Hielscher consentono alle cartiere di ridurre significativamente – o persino eliminare – la necessità di acqua fresca o filtrato limpido nella post-diluizione degli additivi della parte umida, permettendo risparmi idrici pari a circa il 10–18% del consumo totale della cartiera. Ottenendo una dispersione altamente efficiente e uniforme, questi sistemi a ultrasuoni di livello industriale garantiscono un utilizzo molto più efficace dei prodotti chimici e degli additivi, con un processo nella parte umida più pulito, una migliore qualità della carta e un fabbisogno di prodotti chimici sensibilmente inferiore – tipicamente ridotto del 20–60% o più.
Nella produzione della carta, piccole variazioni nella qualità della dispersione possono generare miglioramenti molto rilevanti nella marciabilità della macchina, nell’efficienza dei prodotti chimici e nella stabilità della qualità. La dispersione a ultrasuoni dei prodotti chimici della parte umida sta suscitando interesse perché è:

• Scalabile in modo lineare e modulare
• Efficiente dal punto di vista energetico, concentrando il microtaglio dove avviene effettivamente la dispersione
• Pronta per l’impiego industriale, con sistemi di sonicatori progettati per il trattamento continuo

Per le cartiere stanche di compensare una miscelazione incostante con più prodotti chimici, gli ultrasuoni offrono una filosofia diversa: far funzionare meglio i prodotti chimici prima ancora che raggiungano l’impasto.