Как ультразвуковое диспергирование повышает эффективность мокрой части и снижает затраты

Бумажники знают: мокрая часть – это место, где благие намерения вступают в борьбу с физикой.
Вы можете купить лучшие средства для удержания, фиксаторы, проклеивающие вещества, красители, наполнители и смолы для повышения прочности, какие только можно приобрести за деньги, – но если они не диспергируются быстро и равномерно в бумажной массе, на последующих этапах вы расплачиваетесь плохим формованием, повышенной потребностью в химикатах, проблемами со смоляными и липкими загрязнениями, нестабильным обезвоживанием и ненужными обрывами полотна.
Теперь всё больше бумажных фабрик рассматривают усовершенствование, которое кажется почти слишком простым: ультразвуковое диспергирование химикатов для мокрой части. Вместо того чтобы полагаться исключительно на механический сдвиг или длительное перемешивание, мощный ультразвук создаёт интенсивное микроперемешивание, которое разрушает агломераты и более равномерно распределяет активные компоненты – с меньшими затратами энергии, чем обычные смесители.
Узнайте, почему это работает и почему этот подход особенно привлекателен для современных бумагоделательных машин.

Что такое ультразвуковое диспергирование химикатов для мокрой части?

При ультразвуковом диспергировании высокочастотные механические колебания (ультразвук) передаются в жидкость через сонотрод (зонд). В промышленных системах ключевой механизм – акустическая кавитация: быстрое образование и схлопывание микроскопических пузырьков. При их схлопывании возникают локальные силы сдвига и микроструи, которые могут:

• Обеспечивать деагломерацию порошков и минеральных суспензий
• Гомогенизировать эмульсии и растворы полимеров
• Улучшать смачивание и уменьшать образование «рыбьих глаз» в трудно перемешиваемых химикатах
• Более равномерно распределять добавки при высоком содержании твёрдых веществ

Применительно к мокрой части это означает, что добавки могут выполнять ту работу, за которую вы платите, – без образования комков, плохого смачивания или неравномерного распределения.

Промышленные ультразвуковые диспергаторы, такие как Hielscher UIP6000hdT, обеспечивают равномерное диспергирование химикатов в мокрой части при производстве бумаги, повышая эффективность процесса и снижая потребление химикатов, воды и энергии.

Почему обработка ультразвуком полезна для мокрой части

Если и есть участок, где качество диспергирования напрямую влияет на финансовый результат, то это мокрая часть. Производство бумаги – это гонка между химией и гидродинамикой:

• Реакции, обеспечивающие удержание и обезвоживание, протекают быстро
• Условия сдвига сильно различаются в зависимости от точки введения
• Добавки могут взаимодействовать или нейтрализовать друг друга, если дозирование не контролируется
• Небольшие проблемы с перемешиванием превращаются в серьёзные проблемы с работой машины

Ультразвук можно использовать как контролируемый этап диспергирования в потоке – для обработки потока добавки, потока разбавления или рециркуляционного контура перед точкой введения. Цель – не «больше перемешивания повсюду», а более качественное перемешивание именно там, где оно важно.

 
 
Практические преимущества, важные для фабрик:

1. Более качественное диспергирование означает более эффективное действие химикатов
   Когда полимеры, минеральные суспензии или эмульсии лучше диспергированы, часто наблюдаются:
   • Меньший расход химикатов для достижения тех же показателей
   • Более стабильное удержание и обезвоживание
   • Улучшение формования и снижение изменчивости
   • Меньше отложений, связанных с плохо диспергированными липкими загрязнениями, латексом или программами борьбы со смоляными загрязнениями

   Во многих случаях фабрики не недодозируют химикаты – они вводят их в избытке, чтобы компенсировать нестабильное диспергирование.

2. Более быстрое смачивание, меньше «сюрпризов при перемешивании»
   Некоторые добавки для мокрой части известны склонностью образовывать гелевые шарики, «рыбьи глаза» или микрокомки (особенно при повышенных концентрациях). Микросдвиг, создаваемый ультразвуковой кавитацией, может существенно сократить время, необходимое для достижения стабильного однородного состояния, что полезно для:
   • Приготовления растворов полимеров
   • Диспергирования наполнителей и пигментов
   • Стабилизации эмульсий и систем на основе воска/ASA (в зависимости от процесса)
   • Повышения стабильности распределения красителей и оптических добавок
3. Снижение факторов, вызывающих простои (отложения, обрывы, изменчивость)
   Равномерное диспергирование помогает уменьшить локальное передозирование и участки повышенной концентрации, способствующие образованию отложений, засорению сукна и колебаниям качества. Даже умеренное повышение стабильности может привести к уменьшению числа обрывов полотна и объёма продукции, не соответствующей требованиям.

Линейная масштабируемость: почему ультразвук предназначен не только для лаборатории

Распространённое опасение в отношении новых технологий перемешивания связано с масштабированием: «В стакане это работает… но будет ли работать на бумагоделательной машине?»
Промышленные ультразвуковые системы можно спроектировать для линейного масштабирования, поскольку производительность увеличивается за счёт модульного наращивания мощности и объёма проточного реактора. На практике это означает:
Можно начать с одной ультразвуковой установки в потоке одной добавки
Увеличивать производительность, добавляя сонотроды/проточные ячейки и наращивая мощность генераторов
Поддерживать сопоставимую интенсивность процесса, предусматривая при проектировании постоянные затраты энергии на единицу объёма и время пребывания
Это особенно привлекательно для фабрик, которым нужен путь с низким риском: провести пилотные испытания на одном контуре подачи химиката, подтвердить ключевые показатели эффективности, затем расширить систему.

Энергоэффективность и выраженное воздействие

Ультразвуковое диспергирование часто более энергоэффективно, чем принято считать, поскольку вы не пытаетесь интенсивнее перемешивать всё содержимое массного бассейна – вы подводите энергию точно туда, где происходит диспергирование.
Вместо увеличения нагрузки на мешалку в большом резервуаре (в надежде, что сдвиговое воздействие достигнет каждого микрокомка) ультразвук создаёт высокоинтенсивный микросдвиг у сонотрода и в зоне кавитации, обычно на компактном этапе обработки в потоке.
Для фабрик, заботящихся об энергопотреблении, логика проста:

• Решать проблему диспергирования непосредственно в потоке добавки
• Сокращать рециркуляцию, время перемешивания и повторную обработку
• Повышать эффективность химикатов (что может снизить совокупные затраты энергии на их производство и стоимость)

Промышленные решения от Hielscher Ultrasonics

В условиях производства бумаги при выборе оборудования важен не вопрос «может ли оно диспергировать», а вопрос «может ли оно надёжно работать при промышленных режимах нагрузки, в потоке и на производственном предприятии».
Hielscher Ultrasonics предлагает платформы промышленных ультразвуковых аппаратов, рассчитанные на непрерывную работу и масштабирование, в том числе:

• Настольные и пилотные системы для проверки применимости и разработки параметров
• Промышленные процессоры, подходящие для диспергирования в потоке при производственных расходах
• Конфигурации проточных реакторов для интеграции в модульные блоки приготовления и дозирования химикатов для мокрой части
• Модульное наращивание мощности для увеличения производительности без разработки процесса заново

Иными словами: вы можете оценить ультразвуковое диспергирование в малом масштабе, затем масштабировать его до полноценного производства, используя промышленное оборудование, предназначенное для производственных условий, – а не лабораторные приборы, приспособленные для другой задачи.

Где бумажные фабрики обычно применяют ультразвуковое диспергирование

Мокрая часть каждой фабрики уникальна, однако ультразвуковое диспергирование обычно оценивают для следующих задач:

• Дисперсии наполнителей и пигментов (например, улучшение деагломерации и распределения)
• Приготовление и активация растворов полимеров (уменьшение образования гелей, повышение стабильности)
• Контуры приготовления составов для нанесения покрытий или обработки поверхности (когда качество диспергирования ограничивает эффективность)
• Сложные эмульсии или суспензии с высоким содержанием твёрдых веществ, с которыми обычное перемешивание справляется с трудом

Лучшими кандидатами обычно являются потоки, в которых качество диспергирования ограничивает эффективность и где установку для обработки в потоке можно разместить без нарушения общего баланса мокрой части.

Лучшие результаты и значительная экономия благодаря ультразвуковому диспергированию

Ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют бумажным фабрикам значительно сократить – или даже полностью устранить – потребность в свежей воде или осветлённом фильтрате при последующем разбавлении добавок для мокрой части, обеспечивая экономию воды примерно на уровне 10–18% от общего потребления фабрики. Благодаря высокоэффективному и равномерному диспергированию эти промышленные ультразвуковые системы обеспечивают гораздо более эффективное использование химикатов и добавок, что делает процесс в мокрой части чище, улучшает качество бумаги и существенно снижает потребность в химикатах – обычно на 20–60% или более.
В производстве бумаги небольшие изменения качества диспергирования могут дать непропорционально большие улучшения эксплуатационной стабильности, эффективности химикатов и стабильности качества. Ультразвуковое диспергирование химикатов для мокрой части привлекает внимание, поскольку оно:

• Масштабируется линейно и по модульному принципу
• Рационально использует энергию, направляя микросдвиг туда, где действительно происходит диспергирование
• Готово к промышленному применению благодаря ультразвуковым системам, рассчитанным на непрерывную обработку

Для фабрик, уставших компенсировать нестабильное перемешивание увеличением расхода химикатов, ультразвук предлагает другой подход: повысить эффективность действия химикатов ещё до их попадания в бумажную массу.