Jak dyspergowanie ultradźwiękowe poprawia wydajność części mokrej i obniża koszty

Papiernicy wiedzą, że część mokra to miejsce, w którym dobre intencje muszą zmierzyć się z fizyką.
Można kupić najlepsze dostępne środki retencyjne, środki utrwalające, środki zaklejające, barwniki, wypełniacze i żywice zwiększające wytrzymałość – ale jeśli nie zostaną szybko i równomiernie zdyspergowane w masie papierniczej, na dalszych etapach procesu przyjdzie za to zapłacić słabą formacją papieru, większym zapotrzebowaniem na chemikalia, problemami z substancjami żywicznymi i zanieczyszczeniami kleistymi, niestabilnym odwadnianiem i niepotrzebnymi zerwaniami wstęgi.
Coraz więcej papierni rozważa obecnie usprawnienie, które wydaje się niemal zbyt proste: ultradźwiękowe dyspergowanie chemikaliów stosowanych w części mokrej. Zamiast polegać wyłącznie na mechanicznym ścinaniu lub wydłużonym czasie mieszania, ultradźwięki o dużej mocy wywołują intensywne mieszanie w mikroskali, które rozbija aglomeraty i bardziej równomiernie rozprowadza składniki aktywne – przy mniejszym zużyciu energii niż w przypadku konwencjonalnych mieszalników.
Dowiedz się, dlaczego to działa i dlaczego jest szczególnie atrakcyjne dla nowoczesnych maszyn papierniczych.

Na czym polega ultradźwiękowe dyspergowanie chemikaliów stosowanych w części mokrej?

Dyspergowanie ultradźwiękowe wykorzystuje drgania mechaniczne o wysokiej częstotliwości (ultradźwięki), przekazywane do cieczy przez sonotrodę (sondę). W systemach przemysłowych kluczowym mechanizmem jest kawitacja akustyczna – szybkie powstawanie i zapadanie się mikroskopijnych pęcherzyków. Ich zapadanie się generuje lokalne siły ścinające i mikrostrumienie, które mogą:

• Powodować deaglomerację proszków i zawiesin mineralnych
• Homogenizować emulsje i roztwory polimerów
• Poprawiać zwilżanie i ograniczać powstawanie grudek typu „rybie oczy” w chemikaliach trudnych do wymieszania
• Bardziej równomiernie rozprowadzać dodatki przy wysokiej zawartości substancji stałych

W odniesieniu do części mokrej oznacza to, że dodatki mogą spełniać funkcję, za którą się płaci – bez uwięzienia w grudkach, niedostatecznego zwilżenia czy nierównomiernego rozprowadzenia.

Przemysłowe dyspergatory ultradźwiękowe, takie jak Hielscher UIP6000hdT, zapewniają równomierne dyspergowanie chemikaliów stosowanych w części mokrej podczas produkcji papieru, co poprawia wydajność procesu i zmniejsza zużycie chemikaliów, wody oraz energii.

Dlaczego sonikacja przynosi korzyści części mokrej

Jeśli istnieje obszar, w którym jakość dyspergowania bezpośrednio przekłada się na pieniądze, jest nim część mokra. Produkcja papieru to wyścig między chemią a hydrodynamiką:

• Reakcje związane z retencją i odwadnianiem zachodzą szybko
• Warunki ścinania różnią się bardzo znacznie w zależności od punktu dodawania
• Dodatki mogą oddziaływać na siebie lub wzajemnie się neutralizować, jeśli dozowanie nie jest kontrolowane
• Drobne problemy z mieszaniem stają się poważnymi problemami maszyny

Ultradźwięki można zastosować jako kontrolowany etap dyspergowania przepływowego – do obróbki strumienia dodatku, strumienia rozcieńczającego lub medium w obiegu recyrkulacyjnym przed punktem dodawania. Celem nie jest „więcej mieszania wszędzie”, lecz lepsze mieszanie dokładnie tam, gdzie ma ono znaczenie.

 
 
Praktyczne korzyści, na których zależy papierniom:

1. Lepsze dyspergowanie oznacza skuteczniejsze działanie chemikaliów
   Gdy polimery, zawiesiny mineralne lub emulsje są lepiej zdyspergowane, często obserwuje się:
   • Mniejsze zużycie chemikaliów przy osiąganiu tych samych wyników
   • Bardziej stabilny przebieg retencji i odwadniania
   • Lepszą formację papieru i mniejszą zmienność
   • Mniej osadów związanych ze słabo zdyspergowanymi zanieczyszczeniami kleistymi, lateksem lub programami kontroli substancji żywicznych

   W wielu przypadkach papiernie nie dozują zbyt mało chemikaliów – dozują ich zbyt dużo, aby zrekompensować nierównomierne dyspergowanie.

2. Szybsze zwilżanie, mniej „niespodzianek przy mieszaniu”
   Niektóre dodatki stosowane w części mokrej są znane z tworzenia kulek żelowych, grudek typu „rybie oczy” lub mikrogrudek (zwłaszcza przy wyższych stężeniach). Ścinanie w mikroskali wywoływane kawitacją ultradźwiękową może radykalnie skrócić czas potrzebny do uzyskania stabilnego, jednorodnego stanu – co jest przydatne przy:
   • Przygotowywaniu roztworów polimerów
   • Dyspergowaniu wypełniaczy i pigmentów
   • Stabilizowaniu emulsji oraz układów zawierających wosk lub ASA (zależnie od procesu)
   • Poprawianiu równomierności rozprowadzenia barwników i dodatków optycznych
3. Ograniczenie przyczyn przestojów (osadów, zerwań wstęgi, zmienności)
   Równomierne dyspergowanie pomaga ograniczyć miejscowe przedawkowanie i „strefy podwyższonego stężenia”, które przyczyniają się do powstawania osadów, zatykania filców i wahań jakości. Nawet niewielka poprawa stabilności może przełożyć się na mniejszą liczbę zerwań wstęgi i mniejszą ilość produkcji niespełniającej specyfikacji.

Liniowa skalowalność: dlaczego ultradźwięki nie są przeznaczone tylko do laboratorium

Częstą obawą związaną z nowymi technologiami mieszania jest zwiększanie skali: „To działa w zlewce… ale czy może działać na maszynie papierniczej?”
Przemysłowe systemy ultradźwiękowe można projektować z myślą o liniowej skalowalności, ponieważ wydajność zwiększa się modułowo poprzez zwiększanie mocy i objętości reaktora przepływowego. W praktyce oznacza to:
Można zacząć od pojedynczego przepływowego urządzenia ultradźwiękowego w jednym strumieniu dodatku
Zwiększać wydajność, dodając kolejne sonotrody i komory przepływowe oraz zwiększając moc generatora
Utrzymywać porównywalną intensywność procesu, projektując układ tak, aby zapewnić stały dopływ energii na jednostkę objętości i stały czas przebywania
Jest to szczególnie atrakcyjne dla papierni, które chcą ograniczyć ryzyko: przeprowadzić próbę pilotażową w jednym obiegu chemikaliów, zweryfikować kluczowe wskaźniki efektywności (KPI), a następnie rozszerzyć skalę wdrożenia.

Efektywność energetyczna i silne efekty

Dyspergowanie ultradźwiękowe jest często bardziej efektywne energetycznie, niż się przypuszcza, ponieważ nie chodzi o intensywniejsze wprawianie w ruch całej zawartości kadzi – energia jest dostarczana dokładnie tam, gdzie zachodzi dyspergowanie.
Zamiast zwiększać obciążenie mieszadła w dużym zbiorniku (i liczyć na to, że ścinanie dotrze do każdej mikrogrudki), ultradźwięki zapewniają intensywne ścinanie w mikroskali przy sonotrodzie i w strefie kawitacji, zazwyczaj w kompaktowym etapie procesu przepływowego.
Dla papierni dbających o zużycie energii zasada jest prosta:

• Rozwiązywać problem dyspergowania w strumieniu dodatku
• Ograniczać recyrkulację, czas mieszania i ponowną obróbkę
• Poprawiać skuteczność chemikaliów (co może zmniejszyć całkowitą energię wbudowaną w chemikalia oraz koszty)

Rozwiązania przemysłowe firmy Hielscher Ultrasonics

W warunkach produkcji papieru przy wyborze urządzeń nie chodzi o pytanie „czy mogą dyspergować”, lecz „czy mogą niezawodnie pracować w przemysłowych cyklach roboczych, w trybie przepływowym i w zakładzie produkcyjnym”.
Hielscher Ultrasonics oferuje przemysłowe platformy sonikatorów zaprojektowane do pracy ciągłej i zwiększania skali, w tym:

• Systemy stołowe i pilotażowe do badań wykonalności i opracowywania parametrów
• Procesory przemysłowe odpowiednie do dyspergowania przepływowego przy produkcyjnych natężeniach przepływu
• Konfiguracje reaktorów przepływowych przeznaczone do integracji z modułami przygotowywania i dozowania chemikaliów stosowanych w części mokrej
• Modułowe zwiększanie mocy w celu zwiększenia wydajności bez opracowywania procesu od nowa

Innymi słowy: można ocenić dyspergowanie ultradźwiękowe w małej skali, a następnie zwiększyć skalę do pełnej produkcji, używając urządzeń przemysłowych przeznaczonych do warunków zakładowych – a nie narzędzi laboratoryjnych zaadaptowanych do innego zastosowania.

Gdzie papiernie zazwyczaj stosują dyspergowanie ultradźwiękowe

Część mokra każdej papierni jest inna, ale dyspergowanie ultradźwiękowe jest powszechnie oceniane pod kątem następujących zastosowań:

• Dyspersje wypełniaczy i pigmentów (np. poprawa deaglomeracji i rozprowadzenia)
• Przygotowywanie i aktywacja roztworów polimerów (ograniczanie tworzenia żeli, poprawa jednorodności)
• Obiegi przygotowywania powłok lub środków do chemicznej obróbki powierzchni (gdy jakość dyspergowania ogranicza efektywność)
• Trudne w obróbce emulsje lub zawiesiny o wysokiej zawartości substancji stałych, z którymi konwencjonalne mieszanie sobie nie radzi

Najlepszymi kandydatami są zwykle strumienie, w których jakość dyspergowania ogranicza efektywność i w których można zainstalować urządzenie przepływowe bez zakłócania ogólnej równowagi części mokrej.

Lepsze wyniki i znaczne oszczędności dzięki dyspergowaniu ultradźwiękowemu

Sonikatory ultradźwiękowe Hielscher umożliwiają papierniom znaczne ograniczenie – a nawet wyeliminowanie – zapotrzebowania na świeżą wodę lub klarowny filtrat do późniejszego rozcieńczania dodatków stosowanych w części mokrej, zapewniając oszczędności wody wynoszące około 10–18% całkowitego zużycia w papierni. Dzięki uzyskiwaniu wysoce efektywnego i równomiernego dyspergowania te przemysłowe systemy ultradźwiękowe zapewniają znacznie skuteczniejsze wykorzystanie chemikaliów i dodatków, co prowadzi do czystszego procesu w części mokrej, poprawy jakości papieru i znacznie mniejszego zapotrzebowania na chemikalia – zazwyczaj obniżonego o 20–60% lub więcej.
W produkcji papieru niewielkie zmiany jakości dyspergowania mogą przynieść nieproporcjonalnie dużą poprawę sprawności pracy maszyny, skuteczności chemikaliów i stabilności jakości. Ultradźwiękowe dyspergowanie chemikaliów stosowanych w części mokrej zyskuje zainteresowanie, ponieważ:

• Można je skalować liniowo i modułowo
• Racjonalnie wykorzystuje energię, kierując ścinanie w mikroskali tam, gdzie rzeczywiście zachodzi dyspergowanie
• Jest gotowe do zastosowań przemysłowych dzięki systemom sonikatorów zaprojektowanym do przetwarzania ciągłego

Papierniom zmęczonym kompensowaniem nierównomiernego mieszania większą ilością chemikaliów ultradźwięki oferują inną filozofię: poprawić działanie chemikaliów, zanim jeszcze trafią do masy papierniczej.