超音波分散によるウェットエンドの性能向上とコスト削減の方法

製紙業者は、ウェットエンドは善意が物理学と戦うために行くところだと知っている。
最高の保持補助剤、固定剤、サイズ剤、染料、充填剤、強度樹脂をお金で買うことができる。 – しかし、ストックで素早く均一に分散しなければ、形成不良、ケミカル需要の増加、ピッチや粘着性の頭痛の種、不安定な排水、不必要な休憩など、下流でその代償を払うことになる。
現在、多くの製紙工場が、ウェット・エンド・ケミカルの超音波分散という、単純すぎるように聞こえるアップグレードに注目している。機械的なせん断や混合時間の延長だけに頼るのではなく、高出力の超音波によって強力なマイクロミキシングを行うことで、凝集物を分解し、有効成分をより均一に分散させることができる。 – 従来のミキサーよりも少ないエネルギーで
なぜそれが有効なのか、そしてなぜそれが最新の抄紙機にとって特に魅力的なのかを探る。

ウェット・エンド・ケミカルの超音波分散とは？

超音波分散は、ソノトロード（プローブ）を介して液体中に伝達される高周波機械振動（超音波）を使用します。工業システムでは、重要なメカニズムは音響キャビテーションである。 – 微細な気泡の急速な形成と崩壊。この崩壊は、局所的なせん断力とマイクロジェットを発生させる：

• 粉体および鉱物スラリーの凝集除去
• エマルションとポリマー溶液のホモジナイズ
• 濡れ性を改善し、湿度を下げる “フィッシュアイ” 混合が困難な化学物質
• 高固形分で添加剤をより均一に分散させる

ウェットエンドの用語では、添加剤は、塊に閉じ込められたり、濡れ性が悪かったり、不均一に分配されたりすることなく、あなたが支払うべき仕事をすることができることを意味する。

Hielscher UIP6000hdTのような工業用超音波分散機は、製紙工程におけるウェットエンドの薬液分散を均一にし、工程効率の向上と薬液、水、エネルギー消費量の削減を実現します。

ウェット・エンドがソニケーションの恩恵を受ける理由

分散品質がお金に直結するゾーンといえば、それはウェットエンドです。製紙は化学と流体力学の戦いである：

• 保持と排水の反応が速い
• 剪断条件は添加箇所によって大きく異なる
• 添加物は、投与量をコントロールしなければ、相互に作用したり中和したりする可能性がある。
• 小さなミキシングの問題が大きなマシンの問題に

超音波は、制御されたインライン分散ステップとして導入することができ、添加剤ストリーム、希釈ストリーム、または添加ポイント前の再循環ループを処理する。目的は “どこでももっと混ぜる” しかし、重要なところではより良いミキシングを行う。

 
 
工場が気にする実用的な利点：

1. 分散性の向上は、化学的効率の向上を意味する
   ポリマー、ミネラルスラリー、エマルションの分散が良くなると、よく見られるようになる：
   • 同じパフォーマンスを達成するために化学薬品の消費量を削減
   • より安定した保持／排水挙動
   • フォーメーションの改善とばらつきの低減
   • 分散不良の粘着剤、ラテックス、ピッチ・コントロール・プログラムに起因する預託金の減少

   多くの場合、工場は化学薬品の投与量が不足しているのではなく、分散が安定しないのを補うために過剰に投与しているのだ。

2. より速い濡れ、より少ない “ミキシング・サプライズ”
   ウェットエンド添加剤の中には、ゲルボールやフィッシュアイ、マイクロクランプを形成するものがあります（特に高濃度の場合）。超音波のキャビテーションによるマイクロせん断は、安定した均一な状態に到達するのに必要な時間を劇的に短縮することができます：
   • ポリマー溶液のメイクダウン
   • フィラーと顔料の分散
   • エマルションおよびワックス/ASA関連システムの安定化（プロセス依存性）
   • 染料と光学添加剤の分配における一貫性の向上
3. ダウンタイムドライバーの削減（預託金、休憩、ばらつき）
   均一に分散させることで、局所的な過剰投与を減らし “ホットスポット” 析出物、フェルトの負荷、品質のばらつきの原因となる。安定性のわずかな改善でも、故障の減少や規格外の生産量の減少につながります。

リニアな拡張性：超音波が研究室だけのものではない理由

新しい混合技術に共通する懸念は、スケールアップである： “ビーカーではうまくいくが、抄紙機ではどうだろうか？”
工業用超音波は、モジュール方式でパワーとフロースルー反応器容積を追加することで容量を拡張できるため、直線的なスケーラビリティを実現するように設計することができる。実際には、これは次のことを意味する：
1つの添加物の流れに対して1つのインライン超音波ユニットから始めることができます。
ソノトロード／フローセルとジェネレーターの増設による生産能力の拡大
容積と滞留時間あたりのエネルギー投入量を一定に設計することで、同等のプロセス強度を維持する。
これは、1つの化学ループで試験的に実施し、KPIを検証し、その後スケールアウトするという、リスクの少ない方法を望む工場にとって、特に魅力的な方法である。

エネルギー効率と強い効果

超音波分散は、胸全体を激しく動かそうとしないので、多くの場合、人々が思っているよりもエネルギー効率が良い。 – 分散が起こる場所に正確にエネルギーを加えることになる。
大きなタンクで攪拌機の負荷を大きくする代わりに（そして、せん断がすべての微小塊に届くことを期待する）、超音波は、ソノトロードとキャビテーションゾーンで高強度の微小せん断を、通常、コンパクトなインライン工程で行います。
エネルギーを重視する工場にとって、その理屈は簡単だ：

• 添加物の流れにおける分散問題をターゲットにする
• 再循環、ミキシング時間、リワークの削減
• 化学物質の有効性を向上させる（化学物質の総体的エネルギーとコストを削減できる）

Hielscher Ultrasonicsの工業用グレードのオプション

製紙環境にとって、機器選定とは、以下のようなものではない。 “分散させることができる、” しかし “は、工業的なデューティ・サイクル、インライン、プロセス・プラントで確実に運転できる。”
Hielscher Ultrasonics社は、連続運転とスケールアップ用に設計された工業用ソニケータープラットフォームを提供しています：

• フィージビリティ・テストおよびパラメータ開発のためのベンチおよびパイロット・システム
• 生産流量でのインライン分散に適した工業用プロセッサー
• ウェットエンドの薬液調製および投与スキッドに統合するためのフロースルー反応器構成
• プロセスを刷新することなく容量を拡大するモジュール式パワースケーリング

言い換えれば、小規模で超音波分散を評価した後、工場環境向けの工業用ハードウェアを使用してフル生産にスケールアップすることができます。 – 実験器具を再利用したものではない。

一般的に製紙工場が超音波分散を適用する場所

すべての粉砕機のウェットエンドはユニークですが、超音波分散は一般的に評価されます：

• 充填剤と顔料の分散（例えば、脱凝集と分布の改善）
• ポリマー溶液のメーキャップダウンと活性化（ゲルの低減、一貫性の向上）
• コーティングまたは表面化学の準備ループ（分散液の品質が性能を制限する場合）
• 従来のミキシングでは困難なエマルションや高固形分スラリー

最良の候補は、通常、分散品質が性能を制限しており、全体のウェットエンド・バランスを乱すことなくインライン・ユニットを設置できるストリームである。

超音波分散によるより良い結果と大幅な節約

Hielscher社の超音波ソニケーターは、製紙工場の大幅なコスト削減を可能にします。 – あるいは – は、ウェットエンド添加剤の後希釈に真水や清澄な濾液を必要としないため、工場全体の消費量の約10～18％の節水を実現します。非常に効率的で均一な分散を実現することで、これらの工業用超音波システムは、薬品や添加剤をより効果的に使用し、よりクリーンなウェットエンドプロセス、紙品質の向上、薬品需要の大幅な削減につながります。 – 通常、20～60％以上削減される。
製紙業界では、分散液の品質が少し変わるだけで、操業性、薬品効率、品質安定性が大幅に改善されます。ウエットエンド薬品の超音波分散が注目されているのは、そのためである：

• リニアなモジュール方式で拡張可能
• エネルギー・スマートで、実際に分散が起こるマイクロシアーを狙う
• 連続処理用に設計されたソニケーターシステムを備えた工業用レディ

安定しない混合をより多くの化学薬品で補うことにうんざりしている工場にとって、超音波は異なる哲学を提供する。