Cách phân tán siêu âm cải thiện hiệu suất phần ướt và giảm chi phí

Những người làm giấy đều biết rằng phần ướt là nơi những ý định tốt đẹp phải đối mặt với các quy luật vật lý.
Bạn có thể mua các loại chất giữ màu, chất cố định, chất làm cứng, thuốc nhuộm, chất độn và nhựa tăng cường chất lượng tốt nhất mà tiền có thể mua được. – Nhưng nếu chúng không phân tán nhanh chóng và đều đặn trong nguyên liệu, bạn sẽ phải chịu hậu quả ở giai đoạn sau với chất lượng sản phẩm kém, nhu cầu hóa chất cao hơn, các vấn đề về nhựa và chất dính, thoát nước không ổn định và các sự cố không cần thiết.
Hiện nay, ngày càng nhiều nhà máy giấy đang xem xét một giải pháp nâng cấp nghe có vẻ quá đơn giản: phân tán siêu âm các hóa chất ở giai đoạn ướt. Thay vì chỉ dựa vào lực cắt cơ học hoặc thời gian trộn kéo dài, siêu âm công suất cao tạo ra quá trình trộn vi mô mạnh mẽ, giúp phá vỡ các cụm kết tụ và phân phối các thành phần hoạt tính đều hơn. – với ít năng lượng hơn so với các máy trộn truyền thống.
Khám phá tại sao nó hoạt động và tại sao nó đặc biệt hấp dẫn đối với các máy sản xuất giấy hiện đại.

Ultrasonic Dispersion of Wet End Chemicals là gì?

Phân tán siêu âm sử dụng dao động cơ học tần số cao (siêu âm) được truyền vào chất lỏng thông qua một sonotrode (đầu dò). Trong các hệ thống công nghiệp, cơ chế chính là hiện tượng cavitation âm thanh. – Sự hình thành và sụp đổ nhanh chóng của các bong bóng vi mô. Sự sụp đổ này tạo ra các lực cắt cục bộ và các tia nước vi mô có thể:

• Tách các hạt bột và bùn khoáng
• Hòa trộn đồng nhất các hỗn hợp nhũ tương và dung dịch polymer.
• Cải thiện khả năng thấm ướt và giảm thiểu “Mắt cá” trong các hóa chất khó trộn
• Phân phối phụ gia đều hơn ở nồng độ cao.

Trong thuật ngữ về phần ướt, điều đó có nghĩa là các chất phụ gia có thể thực hiện công việc mà bạn đang trả tiền cho chúng – mà không bị vón cục, không được làm ướt đều hoặc phân bố không đều.

Các máy phân tán siêu âm công nghiệp như Hielscher UIP6000hdT đảm bảo sự phân tán đồng đều của hóa chất ở giai đoạn ướt trong quá trình sản xuất giấy, từ đó nâng cao hiệu suất quá trình và giảm tiêu thụ hóa chất, nước và năng lượng.

Tại sao phần ướt lại được hưởng lợi từ quá trình siêu âm?

Nếu có một khu vực mà chất lượng phân tán trực tiếp ảnh hưởng đến lợi nhuận, đó chính là khu vực ướt. Sản xuất giấy là cuộc đua giữa hóa học và thủy động lực học:

• Các phản ứng giữ nước và thoát nước diễn ra rất nhanh.
• Điều kiện cắt thay đổi đáng kể tùy theo vị trí thêm vào.
• Các chất phụ gia có thể tương tác hoặc trung hòa lẫn nhau nếu liều lượng không được kiểm soát.
• Những vấn đề nhỏ trong quá trình trộn có thể dẫn đến những vấn đề lớn trong máy móc.

Siêu âm có thể được sử dụng như một bước phân tán có kiểm soát, được thực hiện trực tiếp trong dòng chảy – xử lý dòng chất phụ gia, dòng pha loãng hoặc vòng tuần hoàn trước điểm thêm vào. Mục tiêu không phải là... “Trộn đều hơn ở mọi nơi,” Nhưng việc trộn đều hơn chính xác ở những nơi quan trọng.

 
 
Những lợi ích thực tiễn mà các nhà máy quan tâm:

1. Phân tán tốt hơn có nghĩa là hiệu suất hóa học cao hơn.
   Khi các polymer, bùn khoáng hoặc nhũ tương được phân tán tốt hơn, bạn thường thấy:
   • Giảm lượng hóa chất sử dụng để đạt được hiệu suất tương đương.
   • Hành vi giữ nước/thoát nước ổn định hơn
   • Cải thiện cấu trúc và giảm biến động
   • Số lượng mẫu vật ít hơn liên quan đến các chất dính phân bố không đều, cao su latex hoặc các chương trình kiểm soát độ dính.

   Trong nhiều trường hợp, các nhà máy không sử dụng lượng hóa chất quá ít – họ sử dụng lượng hóa chất quá nhiều để bù đắp cho sự phân tán không đều.

2. Thấm nước nhanh hơn, ít hơn “Kết hợp những điều bất ngờ”
   Một số chất phụ gia đầu ướt nổi tiếng vì tạo ra các hạt gel, vết mắt cá hoặc các cụm vi mô (đặc biệt ở nồng độ cao). Tác động vi cắt do hiện tượng cavitation của sóng siêu âm có thể rút ngắn đáng kể thời gian cần thiết để đạt được trạng thái ổn định và đồng nhất – hữu ích cho:
   • Phân tích thành phần của dung dịch polymer
   • Chất độn và chất tạo màu phân tán
   • Hệ thống nhũ tương ổn định và hệ thống sáp/ASA (phụ thuộc vào quy trình)
   • Cải thiện tính đồng nhất trong phân phối thuốc nhuộm và chất phụ gia quang học
3. Các yếu tố giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động (khoản đặt cọc, thời gian nghỉ, biến động)
   Phân tán đồng đều giúp giảm tình trạng quá liều cục bộ và “Điểm nóng” đóng góp vào việc tích tụ cặn, tải trọng và biến động chất lượng. Ngay cả những cải thiện nhỏ về độ ổn định cũng có thể dẫn đến ít sự cố hơn và giảm sản phẩm không đạt tiêu chuẩn.

Khả năng mở rộng tuyến tính: Tại sao siêu âm không chỉ dành cho phòng thí nghiệm

Một vấn đề thường gặp với các công nghệ trộn mới là việc mở rộng quy mô: “Nó hoạt động trong cốc thí nghiệm… nhưng liệu nó có thể hoạt động trên máy làm giấy không?”
Siêu âm công nghiệp có thể được thiết kế để có khả năng mở rộng tuyến tính vì công suất được tăng cường bằng cách thêm công suất và thể tích phản ứng chảy qua theo cách mô-đun. Trên thực tế, điều này có nghĩa là:
Bạn có thể bắt đầu với một đơn vị siêu âm trong dòng trên một dòng phụ gia.
Mở rộng công suất bằng cách thêm các sonotrode/buồng dòng chảy và công suất máy phát.
Bảo đảm cường độ quá trình tương đương bằng cách thiết kế để đảm bảo lượng năng lượng đầu vào ổn định trên đơn vị thể tích và thời gian lưu.
Điều này đặc biệt hấp dẫn đối với các nhà máy muốn theo đuổi con đường ít rủi ro: triển khai thử nghiệm trên một vòng lặp hóa chất, xác minh các chỉ số hiệu suất chính (KPIs), sau đó mở rộng quy mô.

Hiệu quả năng lượng và tác động mạnh mẽ

Phân tán siêu âm thường hiệu quả về năng lượng hơn so với những gì mọi người thường nghĩ, vì bạn không cần phải di chuyển toàn bộ khối lượng mạnh hơn. – Bạn đang tập trung năng lượng chính xác vào nơi xảy ra sự phân tán.
Thay vì tăng tải trọng của bộ khuấy trong một bể lớn (và hy vọng lực cắt sẽ tác động đến mọi cụm vi mô), siêu âm cung cấp lực cắt vi mô cường độ cao tại đầu dò siêu âm và trong vùng cavitation, thường trong một bước quy trình liên tục gọn nhẹ.
Đối với các nhà máy quan tâm đến tiết kiệm năng lượng, logic rất đơn giản:

• Xử lý vấn đề phân tán tại dòng chảy phụ gia
• Giảm thiểu quá trình tuần hoàn, thời gian trộn và công đoạn làm lại.
• Nâng cao hiệu quả hóa chất (có thể giảm tổng năng lượng hóa học và chi phí)

Các giải pháp công nghiệp chất lượng cao từ Hielscher Ultrasonics

Trong môi trường sản xuất giấy, việc lựa chọn thiết bị không chỉ đơn thuần là... “Nó có thể phân tán không?” nhưng “Nó có thể hoạt động đáng tin cậy ở các chu kỳ làm việc công nghiệp, trong dây chuyền sản xuất và trong nhà máy sản xuất không?”
Hielscher Ultrasonics cung cấp các nền tảng siêu âm công nghiệp được thiết kế cho hoạt động liên tục và mở rộng quy mô, bao gồm:

• Hệ thống thử nghiệm và hệ thống thí điểm để đánh giá tính khả thi và phát triển thông số.
• Các bộ xử lý công nghiệp phù hợp cho quá trình phân tán liên tục trong dòng chảy sản xuất.
• Cấu hình phản ứng chảy qua để tích hợp vào hệ thống chuẩn bị và định lượng hóa chất ở phần ướt.
• Tăng cường công suất theo mô-đun để mở rộng khả năng mà không cần phải thay đổi quy trình.

Nói cách khác: bạn có thể đánh giá sự phân tán siêu âm ở quy mô nhỏ, sau đó mở rộng lên quy mô sản xuất đầy đủ bằng cách sử dụng thiết bị công nghiệp được thiết kế cho điều kiện nhà máy. – Không sử dụng lại các dụng cụ thí nghiệm.

Nơi các nhà máy giấy thường áp dụng công nghệ phân tán siêu âm

Mỗi nhà máy xay xát đều có phần ướt riêng biệt, nhưng công nghệ phân tán siêu âm thường được đánh giá cho:

• Chất độn và phân tán pigment (ví dụ: cải thiện quá trình tách cụm và phân bố)
• Pha chế và kích hoạt dung dịch polymer (giảm độ nhớt, cải thiện độ đồng nhất)
• Các vòng lặp chuẩn bị bề mặt hoặc hóa học bề mặt (khi chất lượng phân tán ảnh hưởng đến hiệu suất)
• Các hỗn hợp khó hoặc bùn có hàm lượng rắn cao mà quá trình trộn thông thường gặp khó khăn.

Các ứng viên tốt nhất thường là các dòng chảy nơi chất lượng phân tán là yếu tố hạn chế hiệu suất và nơi có thể lắp đặt một đơn vị trong dòng mà không làm ảnh hưởng đến cân bằng tổng thể của phần ướt.

Kết quả tốt hơn và tiết kiệm đáng kể với công nghệ phân tán siêu âm

Các máy siêu âm Hielscher cho phép các nhà máy giấy giảm đáng kể – hoặc thậm chí loại bỏ – Nhu cầu về nước sạch hoặc dung dịch lọc trong quá trình pha loãng sau của các chất phụ gia ở phần ướt, giúp tiết kiệm nước khoảng 10–18% so với tổng lượng tiêu thụ của nhà máy. Bằng cách đạt được sự phân tán hiệu quả và đồng đều cao, các hệ thống siêu âm công nghiệp này đảm bảo rằng hóa chất và chất phụ gia được sử dụng hiệu quả hơn nhiều, dẫn đến quá trình xử lý phần ướt sạch hơn, chất lượng giấy được cải thiện và nhu cầu hóa chất giảm đáng kể. – thường giảm từ 20–60% hoặc hơn.
Trong ngành sản xuất giấy, những thay đổi nhỏ về chất lượng phân tán có thể mang lại những cải thiện đáng kể về khả năng vận hành, hiệu suất hóa chất và sự ổn định chất lượng. Phân tán siêu âm các hóa chất ở đầu ướt đang thu hút sự chú ý vì nó:

• Có khả năng mở rộng theo cách tuyến tính và mô-đun.
• Tiết kiệm năng lượng, tập trung vào vùng cắt vi mô nơi quá trình phân tán thực sự diễn ra.
• Sẵn sàng cho sản xuất công nghiệp, với hệ thống siêu âm được thiết kế cho quá trình xử lý liên tục.

Đối với các nhà máy đã chán ngán việc phải bù đắp cho quá trình trộn không đồng đều bằng cách sử dụng thêm hóa chất, công nghệ siêu âm mang đến một phương pháp tiếp cận khác: làm cho hóa chất hoạt động hiệu quả hơn trước khi nó tiếp xúc với nguyên liệu.