Kako ultrazvočno dispergiranje izboljša delovanje mokrega dela in zniža stroške

Proizvajalci papirja vedo, da je mokri del kraj, kjer se dobri nameni spopadejo s fiziko.
Kupite lahko najboljša sredstva za retencijo, fiksirna sredstva, klejiva, barvila, polnila in smole za povečanje trdnosti, ki jih je mogoče dobiti za denar – toda če se v papirni masi ne dispergirajo hitro in enakomerno, se to v nadaljnjem procesu pokaže kot slabo oblikovanje lista, večja potreba po kemikalijah, težave s smolnimi oblogami in lepljivimi nečistočami, nestabilno odvodnjavanje in nepotrebni pretrgi papirnega traku.
Vse več papirnic zdaj razmišlja o nadgradnji, ki zveni skoraj preveč preprosto: ultrazvočnem dispergiranju kemikalij za mokri del. Namesto da bi se zanašali izključno na mehanski strig ali podaljšan čas mešanja, ultrazvok velike moči ustvarja intenzivno mikromešanje, ki razbije aglomerate in enakomerneje porazdeli aktivne sestavine – z manj energije kot običajna mešala.
Spoznajte, zakaj deluje in zakaj je še posebej privlačno za sodobne papirne stroje.

Kaj je ultrazvočno dispergiranje kemikalij za mokri del?

Ultrazvočno dispergiranje uporablja visokofrekvenčne mehanske vibracije (ultrazvok), ki se prek sonotrode (sonde) prenašajo v tekočino. V industrijskih sistemih je ključni mehanizem akustična kavitacija – hitro nastajanje in implozija mikroskopskih mehurčkov. Ta implozija ustvarja lokalizirane strižne sile in mikrocurke, ki lahko:

• Deaglomerirajo praške in mineralne suspenzije
• Homogenizirajo emulzije in polimerne raztopine
• Izboljšajo omočenje in zmanjšajo nastajanje »ribjih oči« v kemikalijah, ki jih je težko mešati
• Enakomerneje porazdelijo dodatke pri visoki vsebnosti trdnih snovi

Za mokri del to pomeni, da lahko dodatki opravijo nalogo, za katero jih plačujete – ne da bi bili ujeti v grudicah, slabo omočeni ali neenakomerno porazdeljeni.

Industrijski ultrazvočni dispergatorji, kot je Hielscher UIP6000hdT, zagotavljajo enakomerno dispergiranje kemikalij za mokri del pri proizvodnji papirja, kar izboljša učinkovitost procesa ter zmanjša porabo kemikalij, vode in energije.

Zakaj sonikacija koristi mokremu delu

Če obstaja območje, kjer se kakovost dispergiranja neposredno odraža v denarju, je to mokri del. Proizvodnja papirja je tekma med kemijo in hidrodinamiko:

• Reakcije, povezane z retencijo in odvodnjavanjem, potekajo hitro
• Strižne razmere se močno razlikujejo glede na mesto dodajanja
• Dodatki lahko medsebojno delujejo ali se medsebojno nevtralizirajo, če doziranje ni nadzorovano
• Majhne težave pri mešanju postanejo velike težave na stroju

Ultrazvok je mogoče uporabiti kot nadzorovan korak dispergiranja neposredno v procesnem toku – za obdelavo toka dodatka, toka za redčenje ali recirkulacijske zanke pred mestom dodajanja. Cilj ni »več mešanja povsod«, temveč boljše mešanje natančno tam, kjer je pomembno.

 
 
Praktične prednosti, ki so pomembne za papirnice:

1. Boljše dispergiranje pomeni učinkovitejše delovanje kemikalij
   Ko so polimeri, mineralne suspenzije ali emulzije bolje dispergirani, pogosto opazimo:
   • Manjšo porabo kemikalij za doseganje enakega učinka
   • Stabilnejše obnašanje pri retenciji in odvodnjavanju
   • Boljše oblikovanje lista in manjšo variabilnost
   • Manj oblog, povezanih s slabo dispergiranimi lepljivimi nečistočami, lateksom ali programi za obvladovanje smolnih oblog

   Papirnice v številnih primerih ne dozirajo premalo kemikalij – dozirajo jih preveč, da bi nadomestile neenakomerno dispergiranje.

2. Hitrejše omočenje, manj »presenečenj pri mešanju«
   Nekateri dodatki za mokri del so znani po nastajanju gelnih kroglic, ribjih oči ali mikrogrudic (zlasti pri višjih koncentracijah). Mikrostrig, ki ga pri ultrazvočni obdelavi povzroča kavitacija, lahko močno skrajša čas, potreben za doseganje stabilnega, enakomernega stanja – kar je uporabno pri:
   • Pripravi polimernih raztopin
   • Dispergiranju polnil in pigmentov
   • Stabilizaciji emulzij in sistemov, povezanih z voskom/ASA (odvisno od procesa)
   • Izboljšanju enakomernosti porazdelitve barvil in optičnih dodatkov
3. Manj dejavnikov, ki povzročajo zastoje (obloge, pretrgi, variabilnost)
   Enakomerno dispergiranje pomaga zmanjšati lokalno predoziranje in »žarišča« visoke koncentracije, ki prispevajo k nastajanju oblog, mašenju filcev in nihanju kakovosti. Tudi zmerno izboljšanje stabilnosti lahko pomeni manj pretrgov papirnega traku in manj proizvodnje, ki ne ustreza specifikacijam.

Linearno povečevanje zmogljivosti: zakaj ultrazvočna tehnologija ni namenjena le laboratoriju

Pogost pomislek pri novih tehnologijah mešanja je prenos v večje merilo: »V čaši deluje … toda ali lahko deluje na papirnem stroju?«
Industrijske ultrazvočne sisteme je mogoče zasnovati za linearno povečevanje zmogljivosti, saj se zmogljivost povečuje z modularnim dodajanjem moči in prostornine pretočnega reaktorja. V praksi to pomeni:
Začnete lahko z eno ultrazvočno enoto neposredno v procesnem toku na enem toku dodatka
Zmogljivost povečate z dodajanjem sonotrod/pretočnih celic in moči generatorja
Primerljivo intenzivnost procesa ohranjate z zasnovo, ki zagotavlja enakomeren vnos energije na prostorninsko enoto in zadrževalni čas
To je še posebej privlačno za papirnice, ki želijo pot z majhnim tveganjem: pilotno preizkusite na eni zanki za kemikalije, preverite ključne kazalnike uspešnosti (KPI), nato razširite sistem.

Energijska učinkovitost in močni učinki

Ultrazvočno dispergiranje je pogosto energijsko učinkovitejše, kot ljudje domnevajo, saj ne poskušate intenzivneje premikati celotne vsebine kadi za papirno maso – energijo dovajate natančno tja, kjer poteka dispergiranje.
Namesto povečevanja obremenitve mešala v velikem rezervoarju (in upanja, da bo strig dosegel vsako mikrogrudico) ultrazvok ustvarja intenziven mikrostrig na sonotrodi in v območju kavitacije, običajno v kompaktnem procesnem koraku neposredno v procesnem toku.
Za papirnice, ki skrbijo za porabo energije, je logika preprosta:

• Težavo dispergiranja obravnavajte v toku dodatka
• Zmanjšajte recirkulacijo, čas mešanja in ponovno obdelavo
• Izboljšajte učinkovitost kemikalij (kar lahko zmanjša skupno energijo, vloženo v proizvodnjo kemikalij, in stroške)

Industrijske rešitve podjetja Hielscher Ultrasonics

Pri izbiri opreme za proizvodnjo papirja vprašanje ni »ali lahko dispergira«, temveč »ali lahko zanesljivo deluje pri industrijskih delovnih ciklih, neposredno v procesnem toku in v procesnem obratu«.
Hielscher Ultrasonics ponuja platforme industrijskih sonikatorjev, zasnovane za neprekinjeno delovanje in prenos v večje merilo, med drugim:

• Namizne in pilotne sisteme za preverjanje izvedljivosti in razvoj parametrov
• Industrijske procesorje, primerne za dispergiranje neposredno v procesnem toku pri proizvodnih pretokih
• Konfiguracije pretočnih reaktorjev za vključitev v sklope za pripravo in doziranje kemikalij za mokri del
• Modularno povečevanje moči za povečanje zmogljivosti brez ponovne zasnove procesa

Z drugimi besedami: ultrazvočno dispergiranje lahko ocenite v majhnem merilu, nato pa ga razširite na polno proizvodnjo z industrijsko opremo, namenjeno razmeram v obratu – ne s predelanimi laboratorijskimi napravami.

Kje papirnice običajno uporabljajo ultrazvočno dispergiranje

Mokri del vsake papirnice je edinstven, vendar se ultrazvočno dispergiranje pogosto ocenjuje za:

• Disperzije polnil in pigmentov (npr. za izboljšanje deaglomeracije in porazdelitve)
• Pripravo in aktivacijo polimernih raztopin (zmanjšanje nastajanja gelov, izboljšanje enakomernosti)
• Zanke za pripravo premazov ali kemikalij za površinsko obdelavo (kadar kakovost dispergiranja omejuje učinkovitost)
• Zahtevne emulzije ali suspenzije z visoko vsebnostjo trdnih snovi, pri katerih je običajno mešanje težavno

Najprimernejši so običajno tokovi, pri katerih kakovost dispergiranja omejuje učinkovitost in kjer je mogoče namestiti enoto neposredno v procesni tok, ne da bi porušili splošno ravnovesje mokrega dela.

Boljši rezultati in znatni prihranki z ultrazvočnim dispergiranjem

Ultrazvočni sonikatorji Hielscher papirnicam omogočajo, da znatno zmanjšajo – ali celo odpravijo – potrebo po sveži vodi ali bistrem filtratu pri naknadnem redčenju dodatkov za mokri del, s čimer prihranijo približno 10–18% celotne porabe vode v papirnici. Ti industrijski ultrazvočni sistemi z doseganjem zelo učinkovitega in enakomernega dispergiranja zagotavljajo bistveno učinkovitejšo uporabo kemikalij in dodatkov, kar vodi do čistejšega procesa v mokrem delu, boljše kakovosti papirja in znatno manjše potrebe po kemikalijah – običajno zmanjšane za 20–60% ali več.
Pri proizvodnji papirja lahko majhne spremembe kakovosti dispergiranja prinesejo nesorazmerno velike izboljšave obratovalne sposobnosti, učinkovitosti kemikalij in stabilnosti kakovosti. Ultrazvočno dispergiranje kemikalij za mokri del pridobiva pozornost, ker je:

• Mogoče linearno in modularno povečevati njegovo zmogljivost
• Energijsko učinkovito, saj usmerja mikrostrig tja, kjer dispergiranje dejansko poteka
• Pripravljeno za industrijsko uporabo, s sonikatorskimi sistemi, zasnovanimi za neprekinjeno obdelavo

Papirnicam, ki so naveličane nadomeščanja neenakomernega mešanja z večjo količino kemikalij, ultrazvok ponuja drugačen pristop: izboljšajte delovanje kemikalij, še preden pridejo v papirno maso.