超音波分散がウェットエンドの性能を向上させ、コストを削減する仕組み

製紙に携わる人々は、ウェットエンドが、良い結果を目指す取り組みと物理法則とのせめぎ合いの場であることを知っています。
購入できる最高の歩留まり向上剤、定着剤、サイズ剤、染料、填料、紙力増強樹脂を揃えても、それらが紙料中で迅速かつ均一に分散しなければ、下流工程で地合いの悪化、薬品必要量の増加、ピッチやスティッキーによる厄介な問題、不安定な脱水、不要な断紙という代償を払うことになります。
現在、あまりにも簡単に思える改善策に注目する製紙工場が増えています。それが、ウェットエンド薬品の超音波分散です。機械的せん断や長時間の混合だけに頼る代わりに、高出力超音波が強力な微細混合を生み出し、凝集体をほぐして有効成分をより均一に分布させます。しかも、従来のミキサーより少ないエネルギーで実現できます。
なぜこの方法が有効なのか、そして現代の抄紙機にとって特に魅力的なのはなぜかを見ていきましょう。

ウェットエンド薬品の超音波分散とは？

超音波分散では、ソノトロード（プローブ）を介して液体に伝達される高周波の機械振動（超音波）を利用します。工業用システムでは、微小な気泡が急速に生成・崩壊する音響キャビテーションが主要な作用機構です。この崩壊によって局所的なせん断力とマイクロジェットが発生し、次のことが可能になります。

• 粉体や鉱物スラリーの解凝集
• エマルションやポリマー溶液の均質化
• 混合しにくい薬品の濡れ性の改善と「フィッシュアイ」の低減
• 高固形分濃度での添加剤のより均一な分布

ウェットエンドで言えば、添加剤が塊に閉じ込められたり、十分に濡れていなかったり、不均一に分布したりすることなく、費用に見合う本来の役割を果たせるということです。

Hielscher UIP6000hdTのような工業用超音波分散機は、製紙におけるウェットエンド薬品の均一な分散を確保し、プロセス効率の向上と薬品、水、エネルギーの消費量削減につながります。

ウェットエンドに超音波処理が有効な理由

分散品質が直接経済的な成果につながる領域があるとすれば、それはウェットエンドです。製紙は、化学反応と流体力学の競争です。

• 歩留まりと脱水に関わる反応は速く進む
• せん断条件は添加位置によって大きく異なる
• 添加量が管理されていなければ、添加剤同士が相互作用したり、互いを中和したりする可能性がある
• 小さな混合上の問題が、抄紙機の大きな問題になる

超音波は、制御されたインライン分散工程として導入でき、添加位置の手前で添加剤の流れ、希釈液の流れ、または再循環ループを処理できます。目標は「あらゆる場所で混合を増やすこと」ではなく、重要な場所で的確に混合を改善することです。

 
 
製紙工場が重視する実用上の利点は次のとおりです。

1. 分散の改善は薬品の作用効率の向上につながる
   ポリマー、鉱物スラリー、エマルションの分散が改善すると、次のような効果がよく見られます。
   • 同じ性能を達成するための薬品消費量の低減
   • 歩留まり・脱水挙動の安定化
   • 地合いの改善とばらつきの低減
   • 分散不良のスティッキー、ラテックス、またはピッチ管理プログラムに関連する付着物の低減

   多くの場合、工場では薬品の添加量が不足しているのではなく、分散の不均一さを補うために過剰に添加しています。

2. 濡れの迅速化と「混合時の想定外の問題」の低減
   一部のウェットエンド添加剤は、特に濃度が高い場合に、ゲル状の塊、フィッシュアイ、微小な塊を形成しやすいことで知られています。超音波のキャビテーションによる微細せん断は、安定した均一な状態に達するまでの時間を大幅に短縮でき、次の用途に役立ちます。
   • ポリマー溶液の調製
   • 填料や顔料の分散
   • エマルションおよびワックス・ASA関連系の安定化（プロセスによる）
   • 染料および光学特性を調整する添加剤の分布の均一性向上
3. 停止時間を引き起こす要因の低減（付着物、断紙、ばらつき）
   均一な分散は、付着物、フェルトの目詰まり、品質変動の原因となる局所的な過剰添加や「高濃度領域」の低減に役立ちます。安定性のわずかな改善でも、断紙の減少や規格外品の生産量低減につながる可能性があります。

線形のスケーラビリティ：超音波技術がラボだけにとどまらない理由

新しい混合技術でよく懸念されるのがスケールアップです。「ビーカーではうまくいくが…抄紙機でも使えるのか？」
工業用超音波システムは、出力とフロー式反応器の容積をモジュール方式で追加して処理能力を拡大できるため、線形のスケーラビリティを持つように設計できます。具体的には、次のことが可能です。
単一の添加剤の流れに、単独のインライン超音波装置を導入するところから始める
ソノトロードやフローセルを追加し、発振器の出力を増やして処理能力を拡大する
単位体積当たりのエネルギー投入量と滞留時間が一定になるように設計し、同程度の処理強度を維持する
これは、リスクの低い導入方法を求める工場にとって特に魅力的です。単一の薬品ループでパイロット試験を行い、KPIを検証してから、設備を追加して規模を拡大できます。

エネルギー効率と強力な効果

超音波分散は、多くの人が想定するよりもエネルギー効率が高い場合が多くあります。これは、チェスト全体をより強く撹拌しようとするのではなく、分散が起こる場所に的確にエネルギーを投入するためです。
大型タンク全体で撹拌機の負荷を増やし、せん断がすべての微小な塊に届くことを期待する代わりに、超音波はソノトロードとキャビテーション領域で強力な微細せん断を生み出します。通常は、コンパクトなインライン工程で行われます。
エネルギー消費を重視する工場にとって、その考え方は明快です。

• 添加剤の流れで分散の問題に対処する
• 再循環、混合時間、再処理を減らす
• 薬品の有効性を向上させる（薬品に内包される総エネルギーとコストを削減できる可能性がある）

Hielscher Ultrasonicsの工業用製品ラインアップ

製紙現場での装置選定で重要なのは、「分散できるか」ではなく、「工業用の運転サイクルに対応し、インラインで、プロセスプラント内で確実に稼働できるか」です。
Hielscher Ultrasonicsは、連続運転とスケールアップを考慮して設計された工業用超音波処理プラットフォームを提供しています。次のような選択肢があります。

• 実現可能性の試験とパラメーターの設定に用いるベンチ規模およびパイロット規模のシステム
• 生産時の流量でのインライン分散に適した工業用プロセッサー
• ウェットエンド薬品の調製・添加用スキッドに組み込むためのフロー式反応器構成
• プロセスを一から再構築せずに処理能力を拡大するためのモジュール方式による出力拡張

つまり、小規模で超音波分散を評価した後、ラボ用装置を転用するのではなく、プラントの条件に対応するよう設計された工業用装置を使って、本格的な生産規模に拡大できます。

製紙工場で超音波分散が一般的に適用される場所

各工場のウェットエンドはそれぞれ異なりますが、超音波分散は一般に次の用途で評価されています。

• 填料および顔料の分散（解凝集や分布の改善など）
• ポリマー溶液の調製と活性化（ゲルの低減、均一性の向上）
• 塗工用薬品または表面処理用薬品の調製ループ（分散品質が性能を制限している場合）
• 従来の混合では対応が難しいエマルションや高固形分濃度のスラリー

通常、最適な候補は、分散品質が性能を制限しており、ウェットエンド全体のバランスを乱さずにインライン装置を設置できる流れです。

超音波分散による成果の向上と大幅な節減

Hielscherの超音波処理装置により、製紙工場ではウェットエンド添加剤の後希釈に必要な清水または清澄ろ液を大幅に削減し、場合によっては不要にすることもでき、工場全体の水消費量の約10–18%を節減できます。これらの工業用超音波システムは、極めて効率的で均一な分散を実現することで、薬品や添加剤をはるかに有効に利用できるようにし、より清浄なウェットエンドプロセス、紙品質の向上、薬品必要量の大幅な低減につながります。薬品必要量は通常20–60%、またはそれ以上削減されます。
製紙では、分散品質の小さな変化が、操業性、薬品の作用効率、品質の安定性に大きな改善をもたらす可能性があります。ウェットエンド薬品の超音波分散は、次の特徴によって注目されています。

• 線形かつモジュール方式で規模を拡大できる
• 分散が実際に起こる場所に微細せん断を集中させ、エネルギーを効率的に利用する
• 連続処理向けに設計された超音波処理システムにより、工業用途に対応する

混合の不均一さを薬品の増量で補うことに疲れた工場に、超音波は別の考え方を提示します。薬品が紙料に入る前に、その作用をより効果的にするのです。