การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของส่วนเปียกและลดต้นทุนได้อย่างไร

ผู้ผลิตกระดาษทราบดีว่าส่วนเปียกคือจุดที่ความตั้งใจดีต้องเผชิญกับกฎฟิสิกส์
คุณอาจซื้อสารช่วยกักเก็บ สารตรึง สารเพิ่มความต้านทานการซึมของน้ำ สีย้อม สารเติมเต็ม และเรซินเพิ่มความแข็งแรงที่ดีที่สุดเท่าที่เงินจะซื้อได้ – แต่หากสารเหล่านี้ไม่กระจายตัวอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอในน้ำเยื่อ คุณจะต้องรับภาระในขั้นตอนถัดไปจากการก่อตัวของแผ่นกระดาษที่ไม่ดี ความต้องการสารเคมีที่สูงขึ้น ปัญหาคราบยางไม้และสิ่งปนเปื้อนเหนียว การระบายน้ำที่ไม่เสถียร และการขาดของแผ่นกระดาษที่ไม่จำเป็น
ปัจจุบัน โรงงานกระดาษจำนวนมากขึ้นกำลังพิจารณาการปรับปรุงที่ฟังดูเรียบง่ายจนแทบไม่น่าเชื่อ นั่นคือการกระจายตัวของสารเคมีในส่วนเปียกด้วยอัลตราซาวนด์ แทนที่จะอาศัยเพียงแรงเฉือนเชิงกลหรือการเพิ่มเวลาผสม อัลตราซาวนด์กำลังสูงสร้างการผสมระดับจุลภาคอย่างเข้มข้น ซึ่งทำให้กลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกันแตกออกและกระจายส่วนประกอบออกฤทธิ์ได้สม่ำเสมอขึ้น – โดยใช้พลังงานน้อยกว่าเครื่องผสมแบบทั่วไป
มาสำรวจว่าเหตุใดวิธีนี้จึงได้ผล และเหตุใดจึงน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับเครื่องผลิตกระดาษสมัยใหม่

การกระจายตัวของสารเคมีในส่วนเปียกด้วยอัลตราซาวนด์คืออะไร?

การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ใช้การสั่นสะเทือนเชิงกลความถี่สูง (อัลตราซาวนด์) ซึ่งส่งเข้าสู่ของเหลวผ่านโซโนโทรด (หัวโพรบ) ในระบบอุตสาหกรรม กลไกสำคัญคือคาวิเทชันจากคลื่นเสียง – การเกิดและการยุบตัวอย่างรวดเร็วของฟองขนาดจุลภาค การยุบตัวนี้สร้างแรงเฉือนเฉพาะบริเวณและลำพุ่งของของเหลวระดับจุลภาคที่สามารถ:

• สลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกันในผงและสารแขวนลอยแร่
• ทำให้อิมัลชันและสารละลายพอลิเมอร์เป็นเนื้อเดียวกัน
• ปรับปรุงการเปียกและลด “เม็ดตาปลา” ในสารเคมีที่ผสมได้ยาก
• กระจายสารเติมแต่งได้สม่ำเสมอขึ้นเมื่อมีปริมาณของแข็งสูง

สำหรับส่วนเปียก นั่นหมายความว่าสารเติมแต่งสามารถทำหน้าที่ได้ตามที่คุณจ่ายเงินให้สารเหล่านั้นทำ – โดยไม่ติดอยู่ในก้อน ไม่เกิดการเปียกที่ไม่ทั่วถึง หรือไม่กระจายตัวอย่างไม่สม่ำเสมอ

เครื่องกระจายสารด้วยอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรม เช่น Hielscher UIP6000hdT ทำให้สารเคมีในส่วนเปียกของการผลิตกระดาษกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้ประสิทธิภาพของกระบวนการดีขึ้นและลดการใช้สารเคมี น้ำ และพลังงาน

เหตุใดส่วนเปียกจึงได้รับประโยชน์จากการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์

หากมีบริเวณหนึ่งที่คุณภาพการกระจายตัวส่งผลโดยตรงต่อเงินที่ได้รับหรือสูญเสีย บริเวณนั้นก็คือส่วนเปียก การผลิตกระดาษเป็นการแข่งขันระหว่างเคมีและอุทกพลศาสตร์:

• ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการกักเก็บและการระบายน้ำเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว
• สภาวะแรงเฉือนแตกต่างกันอย่างมากตามจุดเติมสาร
• สารเติมแต่งอาจทำปฏิกิริยากันหรือหักล้างฤทธิ์กัน หากไม่ได้ควบคุมการจ่ายสาร
• ปัญหาการผสมเล็กน้อยกลายเป็นปัญหาใหญ่ของเครื่องจักร

สามารถใช้อัลตราซาวนด์เป็นขั้นตอนการกระจายตัวแบบอินไลน์ที่ควบคุมได้ – โดยจัดการกับกระแสสารเติมแต่ง กระแสสารสำหรับเจือจาง หรือวงจรหมุนเวียนกลับก่อนถึงจุดเติมสาร เป้าหมายไม่ใช่ “เพิ่มการผสมในทุกจุด” แต่เป็นการผสมให้ดีขึ้นตรงจุดที่มีความสำคัญ

 
 
ข้อดีในทางปฏิบัติที่โรงงานให้ความสำคัญ:

1. การกระจายตัวที่ดีขึ้นหมายถึงประสิทธิภาพทางเคมีที่ดีขึ้น
   เมื่อพอลิเมอร์ สารแขวนลอยแร่ หรืออิมัลชันกระจายตัวดีขึ้น คุณมักจะพบว่า:
   • ใช้สารเคมีน้อยลงเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเท่าเดิม
   • พฤติกรรมการกักเก็บ/การระบายน้ำมีเสถียรภาพมากขึ้น
   • การก่อตัวของแผ่นกระดาษดีขึ้นและความแปรปรวนลดลง
   • คราบสะสมที่เกี่ยวข้องกับสิ่งปนเปื้อนเหนียวที่กระจายตัวไม่ดี ลาเท็กซ์ หรือโปรแกรมควบคุมคราบยางไม้ลดลง

   ในหลายกรณี โรงงานไม่ได้จ่ายสารเคมีน้อยเกินไป – แต่จ่ายมากเกินไปเพื่อชดเชยการกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมอ

2. เปียกเร็วขึ้นและเกิด “ปัญหาการผสมที่ไม่คาดคิด” น้อยลง
   สารเติมแต่งในส่วนเปียกบางชนิดขึ้นชื่อเรื่องการเกิดก้อนเจล เม็ดตาปลา หรือก้อนขนาดจุลภาค (โดยเฉพาะที่ความเข้มข้นสูงขึ้น) แรงเฉือนระดับจุลภาคที่เกิดจากคาวิเทชันของอัลตราซาวนด์สามารถลดเวลาที่ต้องใช้เพื่อให้ได้สภาวะที่เสถียรและสม่ำเสมออย่างมาก – ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับ:
   • การเตรียมสารละลายพอลิเมอร์
   • การกระจายตัวของสารเติมเต็มและสารสี
   • การทำให้อิมัลชันและระบบที่เกี่ยวข้องกับแวกซ์/ASA มีเสถียรภาพ (ขึ้นอยู่กับกระบวนการ)
   • การปรับปรุงความสม่ำเสมอของการกระจายสีย้อมและสารเติมแต่งด้านสมบัติทางแสง
3. ลดปัจจัยที่ทำให้ต้องหยุดเดินเครื่อง (คราบสะสม การขาดของแผ่นกระดาษ ความแปรปรวน)
   การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอช่วยลดการจ่ายสารมากเกินไปเฉพาะบริเวณและ “บริเวณที่มีความเข้มข้นสูง” ซึ่งส่งผลให้เกิดคราบสะสม การอุดตันของผ้าสักหลาด และความผันผวนของคุณภาพ แม้การปรับปรุงเสถียรภาพเพียงเล็กน้อยก็อาจส่งผลให้แผ่นกระดาษขาดน้อยลงและลดการผลิตที่ไม่เป็นไปตามข้อกำหนด

การขยายขนาดแบบเชิงเส้น: เหตุใดอัลตราซาวนด์จึงไม่ได้มีไว้สำหรับห้องปฏิบัติการเท่านั้น

ข้อกังวลที่พบบ่อยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการผสมแบบใหม่คือการขยายขนาด: “ใช้ได้ผลในบีกเกอร์… แต่จะใช้ได้ผลกับเครื่องผลิตกระดาษหรือไม่?”
ระบบอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมสามารถออกแบบให้ขยายขนาดแบบเชิงเส้นได้ เนื่องจากเพิ่มกำลังการประมวลผลโดยเพิ่มกำลังและปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านในลักษณะโมดูล ในทางปฏิบัติ นั่นหมายความว่า:
คุณสามารถเริ่มต้นด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์แบบอินไลน์เพียงเครื่องเดียวบนกระแสสารเติมแต่งหนึ่งกระแส
เพิ่มกำลังการประมวลผลโดยเพิ่มโซโนโทรด/เซลล์การไหลและกำลังของเครื่องกำเนิด
รักษาความเข้มของการบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์ให้อยู่ในระดับเทียบเคียงกัน โดยออกแบบให้พลังงานที่ป้อนต่อปริมาตรและเวลาพำนักมีความสม่ำเสมอ
แนวทางนี้น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับโรงงานที่ต้องการเส้นทางที่มีความเสี่ยงต่ำ: ทดลองระดับนำร่องในวงจรสารเคมีหนึ่งวงจร ตรวจสอบยืนยันตัวชี้วัดผลการดำเนินงานหลัก (KPIs) แล้วจึงขยายระบบ

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและผลลัพธ์ที่ทรงประสิทธิภาพ

การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์มักใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าที่ผู้คนคาดคิด เพราะคุณไม่ได้พยายามทำให้ของเหลวในถังพักเยื่อทั้งถังเคลื่อนที่แรงขึ้น – แต่กำลังป้อนพลังงานตรงบริเวณที่เกิดการกระจายตัวอย่างแม่นยำ
แทนที่จะเพิ่มภาระของเครื่องกวนทั่วทั้งถังขนาดใหญ่ (และหวังว่าแรงเฉือนจะไปถึงก้อนขนาดจุลภาคทุกก้อน) อัลตราซาวนด์สร้างแรงเฉือนระดับจุลภาคที่มีความเข้มสูงบริเวณโซโนโทรดและบริเวณคาวิเทชัน โดยทั่วไปอยู่ในขั้นตอนกระบวนการแบบอินไลน์ที่กะทัดรัด
สำหรับโรงงานที่ให้ความสำคัญกับการใช้พลังงาน หลักการนี้ตรงไปตรงมา:

• มุ่งแก้ปัญหาการกระจายตัวที่กระแสสารเติมแต่ง
• ลดการหมุนเวียนกลับ เวลาผสม และการทำงานซ้ำ
• เพิ่มประสิทธิผลของสารเคมี (ซึ่งสามารถลดพลังงานรวมที่ใช้ในการผลิตสารเคมีและต้นทุนได้)

ตัวเลือกระดับอุตสาหกรรมจาก Hielscher Ultrasonics

สำหรับสภาพแวดล้อมการผลิตกระดาษ การเลือกอุปกรณ์ไม่ได้พิจารณาเพียงว่า “กระจายสารได้หรือไม่” แต่พิจารณาว่า “ทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ภายใต้รอบการทำงานระดับอุตสาหกรรม แบบอินไลน์ และในโรงงานกระบวนการผลิตหรือไม่”
Hielscher Ultrasonics นำเสนอแพลตฟอร์มเครื่องอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมที่ออกแบบสำหรับการทำงานต่อเนื่องและการขยายขนาด ซึ่งรวมถึง:

• ระบบแบบตั้งโต๊ะและระดับนำร่องสำหรับการทดสอบความเป็นไปได้และการพัฒนาพารามิเตอร์
• เครื่องประมวลผลระดับอุตสาหกรรมที่เหมาะสำหรับการกระจายตัวแบบอินไลน์ที่อัตราการไหลระดับการผลิต
• รูปแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านสำหรับติดตั้งร่วมกับชุดเตรียมและจ่ายสารเคมีในส่วนเปียกบนฐานสกิด
• การเพิ่มกำลังแบบโมดูลเพื่อขยายกำลังการประมวลผลโดยไม่ต้องออกแบบกระบวนการใหม่

กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณสามารถประเมินการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ในระดับเล็ก แล้วขยายไปสู่การผลิตเต็มรูปแบบโดยใช้อุปกรณ์ระดับอุตสาหกรรมที่ออกแบบมาสำหรับสภาวะในโรงงาน – ไม่ใช่เครื่องมือห้องปฏิบัติการที่นำมาดัดแปลงใช้งาน

โรงงานกระดาษมักใช้การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ที่ใด

ส่วนเปียกของแต่ละโรงงานมีลักษณะเฉพาะ แต่โดยทั่วไปมีการประเมินการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์สำหรับ:

• ระบบกระจายตัวของสารเติมเต็มและสารสี (เช่น การปรับปรุงการสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกันและการกระจาย)
• การเตรียมสารละลายพอลิเมอร์และการกระตุ้นให้ทำงาน (ลดเจลและเพิ่มความสม่ำเสมอ)
• วงจรเตรียมสารเคมีสำหรับการเคลือบหรือการปรับสมบัติพื้นผิว (เมื่อคุณภาพการกระจายตัวเป็นข้อจำกัดของประสิทธิภาพ)
• อิมัลชันที่จัดการได้ยากหรือสารแขวนลอยที่มีปริมาณของแข็งสูงซึ่งการผสมแบบทั่วไปจัดการได้ลำบาก

กระแสที่เหมาะสมที่สุดมักเป็นกระแสที่คุณภาพการกระจายตัวเป็นข้อจำกัดของประสิทธิภาพ และสามารถติดตั้งเครื่องแบบอินไลน์ได้โดยไม่รบกวนสมดุลโดยรวมของส่วนเปียก

ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นและการประหยัดอย่างมีนัยสำคัญด้วยการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์

เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher ช่วยให้โรงงานกระดาษลดความจำเป็นในการใช้น้ำใหม่หรือน้ำกรองใสสำหรับการเจือจางสารเติมแต่งในส่วนเปียกภายหลังได้อย่างมาก – หรือแม้แต่ขจัดความจำเป็นดังกล่าว – ทำให้ประหยัดน้ำได้ประมาณ 10–18% ของการใช้น้ำทั้งหมดของโรงงาน ด้วยการทำให้เกิดการกระจายตัวที่มีประสิทธิภาพสูงและสม่ำเสมอ ระบบอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าสารเคมีและสารเติมแต่งจะถูกใช้อย่างมีประสิทธิผลมากขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้กระบวนการในส่วนเปียกสะอาดขึ้น คุณภาพกระดาษดีขึ้น และความต้องการสารเคมีลดลงอย่างมาก – โดยทั่วไปลดลง 20–60% หรือมากกว่า
ในการผลิตกระดาษ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของคุณภาพการกระจายตัวสามารถสร้างการปรับปรุงที่มากเกินสัดส่วนในด้านความสามารถในการเดินเครื่อง ประสิทธิภาพทางเคมี และเสถียรภาพของคุณภาพ การกระจายตัวของสารเคมีในส่วนเปียกด้วยอัลตราซาวนด์กำลังได้รับความสนใจ เนื่องจากมีคุณสมบัติดังนี้:

• ขยายขนาดได้แบบเชิงเส้นและแบบโมดูล
• ใช้พลังงานอย่างชาญฉลาด โดยมุ่งสร้างแรงเฉือนระดับจุลภาคตรงบริเวณที่เกิดการกระจายตัวจริง
• พร้อมใช้งานในอุตสาหกรรม ด้วยระบบเครื่องอัลตราซาวนด์ที่ออกแบบสำหรับการประมวลผลต่อเนื่อง

สำหรับโรงงานที่เบื่อหน่ายกับการชดเชยการผสมที่ไม่สม่ำเสมอด้วยการใช้สารเคมีมากขึ้น อัลตราซาวนด์เสนอแนวคิดที่แตกต่างออกไป: ทำให้สารเคมีทำงานได้ดีขึ้นก่อนที่จะเข้าสู่น้ำเยื่อ