Jak dyspersja ultradźwiękowa poprawia wydajność na mokrym końcu i obniża koszty

Producenci papieru wiedzą, że mokry koniec to miejsce, w którym dobre intencje idą w parze z fizyką.
Możesz kupić najlepsze środki retencyjne, utrwalacze, środki zaklejające, barwniki, wypełniacze i żywice wzmacniające, jakie można kupić za pieniądze – Ale jeśli nie rozpraszają się szybko i równomiernie w magazynie, płacisz za to słabym formowaniem, wyższym zapotrzebowaniem na chemikalia, bólami głowy związanymi ze smołą i lepkością, niestabilnym drenażem i niepotrzebnymi przerwami.
Obecnie coraz więcej zakładów papierniczych rozważa ulepszenie, które brzmi niemal zbyt prosto: ultradźwiękową dyspersję mokrych chemikaliów końcowych. Zamiast polegać wyłącznie na mechanicznym ścinaniu lub wydłużonym czasie mieszania, ultradźwięki o dużej mocy powodują intensywne mikromieszanie, które rozbija aglomeraty i bardziej równomiernie rozprowadza aktywne składniki – przy mniejszym zużyciu energii niż konwencjonalne miksery.
Dowiedz się, dlaczego to działa i dlaczego jest szczególnie atrakcyjne dla nowoczesnych maszyn papierniczych.

Co to jest dyspersja ultradźwiękowa mokrych substancji chemicznych?

Dyspersja ultradźwiękowa wykorzystuje drgania mechaniczne o wysokiej częstotliwości (ultradźwięki) przenoszone do cieczy za pośrednictwem sonotrody (sondy). W systemach przemysłowych kluczowym mechanizmem jest kawitacja akustyczna – szybkie powstawanie i zapadanie się mikroskopijnych pęcherzyków. To zapadanie się generuje lokalne siły ścinające i mikrostrumienie, które mogą:

• Usuwanie aglomeratów z proszków i zawiesin mineralnych
• Homogenizacja emulsji i roztworów polimerów
• Poprawiają zwilżanie i zmniejszają “Rybie oczy” w trudnych do zmieszania chemikaliach
• Bardziej równomierne rozprowadzanie dodatków przy wysokiej zawartości substancji stałych

Oznacza to, że dodatki mogą wykonywać pracę, za którą im płacisz - bez uwięzienia w grudkach, słabego zwilżenia lub nierównomiernego rozprowadzenia.

Przemysłowe dyspergatory ultradźwiękowe, takie jak Hielscher UIP6000hdT, zapewniają jednolitą dyspersję chemiczną na mokro w produkcji papieru, co skutkuje poprawą wydajności procesu i zmniejszeniem zużycia chemikaliów, wody i energii.

Dlaczego sonikacja jest korzystna dla części mokrej?

Jeśli istnieje jedna strefa, w której jakość dyspersji bezpośrednio przekłada się na pieniądze, to jest to obszar mokry. Produkcja papieru to wyścig między chemią a hydrodynamiką:

• Reakcje retencji i drenażu zachodzą szybko
• Warunki ścinania różnią się znacznie w zależności od punktu dodania
• Dodatki mogą wzajemnie na siebie oddziaływać lub neutralizować się, jeśli dozowanie nie jest kontrolowane.
• Małe problemy z mieszaniem stają się dużymi problemami z maszynami

Ultradźwięki mogą być stosowane jako kontrolowany, liniowy etap dyspersji - obróbka strumienia dodatku, strumienia rozcieńczenia lub pętli recyrkulacji przed punktem dodawania. Celem nie jest “więcej mieszania wszędzie,” ale lepsze mieszanie dokładnie tam, gdzie ma to znaczenie.

 
 
Praktyczne korzyści, o które dbają młyny:

1. Lepsza dyspersja oznacza lepszą wydajność chemiczną
   Gdy polimery, zawiesiny mineralne lub emulsje są lepiej rozproszone, często można zaobserwować:
   • Niższe zużycie środków chemicznych w celu osiągnięcia takiej samej wydajności
   • Bardziej stabilne zachowanie retencji/odpływu
   • Ulepszona formacja i zmniejszona zmienność
   • Mniej osadów związanych ze słabo rozproszonymi lepikami, lateksem lub programami kontroli smoły.

   W wielu przypadkach młyny nie dozują zbyt mało chemikaliów - dozują zbyt dużo, aby zrekompensować niespójną dyspersję.

2. Szybsze zwilżanie, mniej “miksowanie niespodzianek”
   Niektóre mokre dodatki końcowe są znane z tworzenia kulek żelowych, fisheyes lub mikro grudek (szczególnie przy wyższych stężeniach). Mikro-ścinanie napędzane kawitacją ultradźwiękową może znacznie skrócić czas potrzebny do osiągnięcia stabilnego, jednolitego stanu - przydatnego do:
   • Sporządzanie roztworów polimerowych
   • Dyspergujące wypełniacze i pigmenty
   • Stabilizacja emulsji i systemów związanych z woskiem/ASA (zależne od procesu)
   • Poprawa spójności dystrybucji barwników i dodatków optycznych
3. Redukcja czynników powodujących przestoje (depozyty, przerwy, zmienność)
   Jednolite rozproszenie pomaga zmniejszyć miejscowe przedawkowanie i “gorące punkty” które przyczyniają się do powstawania osadów, obciążenia filcu i wahań jakości. Nawet niewielka poprawa stabilności może przełożyć się na mniejszą liczbę pęknięć i mniejszą produkcję poza specyfikacją.

Liniowa skalowalność: Dlaczego ultradźwięki to nie tylko laboratorium

Powszechnym problemem związanym z nowymi technologiami mieszania jest zwiększanie skali: “Działa w zlewce... ale czy może działać na maszynie papierniczej?”
Ultradźwięki przemysłowe mogą być zaprojektowane pod kątem liniowej skalowalności, ponieważ pojemność jest zwiększana poprzez dodanie mocy i objętości reaktora przepływowego w sposób modułowy. W praktyce oznacza to:
Można zacząć od pojedynczej jednostki ultradźwiękowej in-line na jednym strumieniu dodatku
Zwiększenie wydajności poprzez dodanie dodatkowych sonotrod/komór przepływowych i mocy generatora
Utrzymanie porównywalnej intensywności procesu poprzez zaprojektowanie stałego nakładu energii na objętość i czas przebywania.
Jest to szczególnie atrakcyjne dla zakładów, które chcą wybrać ścieżkę niskiego ryzyka: pilotaż na jednej pętli chemicznej, walidacja wskaźników KPI, a następnie skalowanie.

Efektywność energetyczna i silne efekty

Dyspersja ultradźwiękowa jest często bardziej energooszczędna, niż ludzie zakładają, ponieważ nie próbujesz mocniej poruszać całą klatką piersiową – stosujesz energię dokładnie tam, gdzie występuje rozproszenie.
Zamiast zwiększać obciążenie mieszadła w dużym zbiorniku (i mieć nadzieję, że ścinanie dotrze do każdej mikro grudki), ultradźwięki zapewniają mikro-ścinanie o wysokiej intensywności na sonotrodzie i w strefie kawitacji, zwykle w kompaktowym etapie procesu w linii.
W przypadku zakładów dbających o energię logika jest prosta:

• Ukierunkowanie problemu dyspersji na strumień dodatków
• Redukcja recyrkulacji, czasu mieszania i przeróbek
• Poprawa skuteczności chemicznej (co może zmniejszyć całkowitą energię i koszty związane z chemikaliami)

Opcje klasy przemysłowej od Hielscher Ultrasonics

W przypadku środowisk papierniczych wybór sprzętu nie polega na “może się rozproszyć,” ale “może działać niezawodnie w przemysłowych cyklach pracy, w linii produkcyjnej i w zakładzie przetwórczym.”
Hielscher Ultrasonics oferuje platformy sonikatorów przemysłowych przeznaczone do pracy ciągłej i skalowania, w tym:

• Systemy laboratoryjne i pilotażowe do testowania wykonalności i opracowywania parametrów
• Procesory przemysłowe odpowiednie do dyspergowania w linii produkcyjnej przy natężeniu przepływu produkcyjnego
• Konfiguracje reaktorów przepływowych do integracji z zestawami do przygotowywania i dozowania chemikaliów na mokro
• Modułowe skalowanie mocy w celu zwiększenia wydajności bez ponownego wymyślania procesu

Innymi słowy: można ocenić dyspersję ultradźwiękową w małej skali, a następnie skalować do pełnej produkcji przy użyciu sprzętu przemysłowego przeznaczonego do warunków zakładowych – a nie narzędzia laboratoryjne.

Gdzie papiernie zazwyczaj stosują dyspersję ultradźwiękową

Każdy mokry koniec młyna jest wyjątkowy, ale dyspersja ultradźwiękowa jest powszechnie oceniana pod kątem:

• Dyspersje wypełniaczy i pigmentów (np. poprawa deaglomeracji i dystrybucji)
• Przygotowanie i aktywacja roztworu polimeru (redukcja żeli, poprawa konsystencji)
• Pętle przygotowania powłoki lub chemii powierzchni (gdy jakość dyspersji ogranicza wydajność)
• Trudne emulsje lub zawiesiny o wysokiej zawartości części stałych, w przypadku których konwencjonalne mieszanie nie jest możliwe

Najlepszymi kandydatami są zwykle strumienie, w których jakość dyspersji ogranicza wydajność i gdzie można zainstalować jednostkę in-line bez zakłócania ogólnej równowagi mokrego końca.

Lepsze wyniki i znaczne oszczędności dzięki dyspersji ultradźwiękowej

Ultradźwiękowe sonikatory firmy Hielscher umożliwiają papierniom znaczne zmniejszenie zużycia papieru. – lub nawet wyeliminować – eliminują potrzebę stosowania świeżej wody lub czystego filtratu w procesie rozcieńczania dodatków na mokro, zapewniając oszczędność wody na poziomie około 10-18% całkowitego zużycia w papierni. Osiągając wysoce wydajną i jednolitą dyspersję, te przemysłowe systemy ultradźwiękowe zapewniają, że chemikalia i dodatki są wykorzystywane znacznie bardziej efektywnie, co prowadzi do czystszego procesu mokrego końca, lepszej jakości papieru i znacznie niższego zapotrzebowania na chemikalia – zazwyczaj zmniejszona o 20-60% lub więcej.
W produkcji papieru niewielkie zmiany w jakości dyspersji mogą powodować znaczne ulepszenia w zakresie przerabialności, wydajności chemicznej i stabilności jakości. Ultradźwiękowa dyspersja mokrych chemikaliów końcowych zyskuje na uwadze, ponieważ jest:

• Skalowalność w liniowy, modułowy sposób
• Inteligentny energetycznie, ukierunkowany na mikro-ścinanie tam, gdzie faktycznie dochodzi do dyspersji
• Gotowe do zastosowań przemysłowych, z systemami sonikatorów zaprojektowanymi do przetwarzania ciągłego

Dla młynów, które są zmęczone kompensowaniem niespójnego mieszania większą ilością chemii, ultradźwięki oferują inną filozofię: spraw, aby chemia działała lepiej, zanim jeszcze trafi do magazynu.