Cách phân tán bằng siêu âm cải thiện hiệu quả vận hành phần ướt và cắt giảm chi phí

Người làm giấy biết rằng phần ướt là nơi những ý định tốt phải đối đầu với các quy luật vật lý.
Bạn có thể mua những chất trợ bảo lưu, chất cố định, chất gia keo, thuốc nhuộm, chất độn và nhựa tăng độ bền tốt nhất mà tiền có thể mua được – nhưng nếu chúng không phân tán nhanh và đồng đều trong huyền phù bột giấy, bạn sẽ phải trả giá ở các công đoạn sau bằng độ đồng đều tạo hình tờ giấy kém, nhu cầu hóa chất cao hơn, những rắc rối do nhựa và tạp chất dính, khả năng thoát nước không ổn định và những lần đứt giấy không cần thiết.
Hiện nay, ngày càng nhiều nhà máy giấy đang xem xét một giải pháp nâng cấp nghe có vẻ gần như quá đơn giản: phân tán hóa chất phần ướt bằng siêu âm. Thay vì chỉ dựa vào tác động cắt cơ học hoặc kéo dài thời gian trộn, siêu âm công suất cao tạo ra sự trộn vi mô mạnh mẽ, phá vỡ các khối kết tụ và phân bố hoạt chất đồng đều hơn – với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn các máy trộn thông thường.
Hãy tìm hiểu vì sao phương pháp này hiệu quả và vì sao nó đặc biệt hấp dẫn đối với các máy xeo giấy hiện đại.

Phân tán hóa chất phần ướt bằng siêu âm là gì?

Phân tán bằng siêu âm sử dụng các dao động cơ học tần số cao (siêu âm) được truyền vào chất lỏng qua đầu phát siêu âm (đầu dò). Trong các hệ thống công nghiệp, cơ chế chủ chốt là hiện tượng xâm thực âm – sự hình thành và sụp đổ nhanh chóng của các bọt khí cực nhỏ. Sự sụp đổ này tạo ra các lực cắt cục bộ và các tia chất lỏng vi mô có thể:

• Phá vỡ các khối kết tụ trong bột và huyền phù khoáng
• Đồng nhất hóa nhũ tương và dung dịch polyme
• Cải thiện khả năng thấm ướt và giảm các cục vón dạng “mắt cá” trong những hóa chất khó trộn
• Phân bố phụ gia đồng đều hơn ở hàm lượng chất rắn cao

Đối với phần ướt, điều đó có nghĩa là phụ gia có thể thực hiện đúng chức năng mà bạn trả tiền để có được – mà không bị mắc kẹt trong các cục vón, thấm ướt kém hoặc phân bố không đồng đều.

Các máy phân tán siêu âm công nghiệp như Hielscher UIP6000hdT bảo đảm hóa chất phần ướt được phân tán đồng đều trong sản xuất giấy, qua đó nâng cao hiệu quả quy trình và giảm tiêu thụ hóa chất, nước và năng lượng.

Vì sao phần ướt được hưởng lợi từ xử lý siêu âm

Nếu có một khu vực mà chất lượng phân tán trực tiếp chuyển thành tiền, thì đó chính là phần ướt. Sản xuất giấy là cuộc đua giữa hóa học và thủy động lực học:

• Các phản ứng bảo lưu và thoát nước diễn ra nhanh
• Điều kiện cắt thay đổi rất mạnh tùy theo vị trí bổ sung
• Các phụ gia có thể tương tác hoặc trung hòa lẫn nhau nếu việc định lượng không được kiểm soát
• Những vấn đề nhỏ trong khâu trộn trở thành những vấn đề lớn của máy xeo

Siêu âm có thể được triển khai như một bước phân tán có kiểm soát trực tiếp trên đường ống – xử lý dòng phụ gia, dòng pha loãng hoặc vòng tuần hoàn trước điểm bổ sung. Mục tiêu không phải là “trộn nhiều hơn ở mọi nơi”, mà là trộn tốt hơn ngay tại nơi cần thiết.

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

1. Phân tán tốt hơn đồng nghĩa với hiệu quả sử dụng hóa chất cao hơn
   Khi polyme, huyền phù khoáng hoặc nhũ tương được phân tán tốt hơn, bạn thường nhận thấy:
   • Mức tiêu thụ hóa chất thấp hơn để đạt cùng hiệu quả
   • Đặc tính bảo lưu/thoát nước ổn định hơn
   • Độ đồng đều tạo hình tờ giấy được cải thiện và mức biến động giảm
   • Ít cặn lắng hơn liên quan đến tạp chất dính phân tán kém, latex hoặc các chương trình kiểm soát nhựa

   Trong nhiều trường hợp, các nhà máy không dùng thiếu hóa chất – họ đang dùng quá liều để bù đắp cho sự phân tán không ổn định.

2. Thấm ướt nhanh hơn, ít “sự cố trộn bất ngờ” hơn
   Một số phụ gia phần ướt nổi tiếng là dễ tạo thành viên gel, cục vón dạng mắt cá hoặc các cục vón vi mô (đặc biệt ở nồng độ cao hơn). Tác động cắt vi mô do hiện tượng xâm thực của siêu âm tạo ra có thể rút ngắn đáng kể thời gian cần thiết để đạt trạng thái ổn định, đồng đều – hữu ích cho:
   • Pha chế dung dịch polyme
   • Phân tán chất độn và bột màu
   • Ổn định nhũ tương và các hệ liên quan đến sáp/ASA (tùy thuộc vào quy trình)
   • Cải thiện tính đồng đều trong phân bố thuốc nhuộm và phụ gia quang học
3. Giảm các nguyên nhân gây dừng máy (cặn lắng, đứt giấy, biến động)
   Phân tán đồng đều giúp giảm tình trạng quá liều cục bộ và các “điểm nóng” góp phần gây lắng cặn, tích tụ chất bẩn trên chăn xeo và biến động chất lượng. Ngay cả những cải thiện nhỏ về độ ổn định cũng có thể giúp giảm số lần đứt giấy và giảm lượng sản phẩm không đạt quy cách.

Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính: Vì sao công nghệ siêu âm không chỉ dành cho phòng thí nghiệm

Một mối lo ngại thường gặp với các công nghệ trộn mới là khả năng mở rộng quy mô: “Công nghệ này hoạt động trong cốc thí nghiệm… nhưng liệu có thể hoạt động trên máy xeo giấy không?”
Công nghệ siêu âm công nghiệp có thể được thiết kế để mở rộng quy mô tuyến tính vì năng lực xử lý được mở rộng bằng cách bổ sung công suất và thể tích thiết bị phản ứng dòng chảy theo mô-đun. Trong thực tế, điều này có nghĩa là:
Bạn có thể bắt đầu với một thiết bị siêu âm trên đường ống duy nhất cho một dòng phụ gia
Mở rộng năng lực xử lý bằng cách bổ sung đầu siêu âm/buồng dòng chảy và công suất bộ phát
Duy trì cường độ xử lý tương đương bằng cách thiết kế để bảo đảm năng lượng đầu vào trên một đơn vị thể tích và thời gian lưu nhất quán
Điều này đặc biệt hấp dẫn đối với các nhà máy muốn có một lộ trình ít rủi ro: thử nghiệm ở quy mô pilot trên một vòng tuần hoàn hóa chất, xác nhận các chỉ số hiệu suất chính (KPI), sau đó mở rộng bằng cách bổ sung thiết bị.

Hiệu quả năng lượng và tác động mạnh mẽ

Phân tán bằng siêu âm thường tiết kiệm năng lượng hơn mọi người nghĩ, vì bạn không cố khuấy mạnh hơn toàn bộ bột trong bể chứa – bạn đưa năng lượng chính xác vào nơi diễn ra quá trình phân tán.
Thay vì tăng tải cho thiết bị khuấy trong một bể lớn (và hy vọng lực cắt tác động đến mọi cụm kết tụ cực nhỏ), siêu âm tạo ra lực cắt vi mô cường độ cao tại đầu siêu âm và trong vùng xâm thực, thường trong một công đoạn xử lý nhỏ gọn trên đường ống.
Đối với các nhà máy chú trọng tiết kiệm năng lượng, cách tiếp cận này rất rõ ràng:

• Xử lý vấn đề phân tán ngay tại dòng phụ gia
• Giảm tuần hoàn, thời gian trộn và việc xử lý lại
• Nâng cao hiệu quả của hóa chất (qua đó có thể giảm tổng năng lượng hàm chứa trong hóa chất và chi phí)

Các lựa chọn thiết bị cấp công nghiệp từ Hielscher Ultrasonics

Trong môi trường sản xuất giấy, việc lựa chọn thiết bị không chỉ xoay quanh câu hỏi “thiết bị có phân tán được không”, mà còn là “thiết bị có thể vận hành tin cậy theo các chu kỳ làm việc công nghiệp, trên đường ống và trong nhà máy sản xuất hay không.”
Hielscher Ultrasonics cung cấp các nền tảng thiết bị siêu âm công nghiệp được thiết kế để vận hành liên tục và mở rộng quy mô, bao gồm:

• Các hệ thống để bàn và pilot dùng để thử nghiệm tính khả thi và xây dựng thông số
• Các thiết bị xử lý công nghiệp phù hợp để phân tán trên đường ống ở lưu lượng sản xuất
• Các cấu hình thiết bị phản ứng dòng chảy để tích hợp vào các cụm thiết bị pha chế và định lượng hóa chất phần ướt lắp trên khung
• Mở rộng công suất theo mô-đun để tăng năng lực xử lý mà không phải thiết kế lại quy trình

Nói cách khác: bạn có thể đánh giá khả năng phân tán bằng siêu âm ở quy mô nhỏ, sau đó mở rộng lên quy mô sản xuất đầy đủ bằng thiết bị công nghiệp được thiết kế cho điều kiện nhà máy – không phải các dụng cụ phòng thí nghiệm được chuyển đổi mục đích sử dụng.

Những công đoạn các nhà máy giấy thường áp dụng phân tán bằng siêu âm

Phần ướt của mỗi nhà máy đều có đặc thù riêng, nhưng phân tán bằng siêu âm thường được đánh giá cho:

• Các hệ phân tán chất độn và bột màu (ví dụ: cải thiện khả năng phá kết tụ và phân bố)
• Pha chế và hoạt hóa dung dịch polyme (giảm gel, cải thiện tính đồng nhất)
• Các vòng tuần hoàn pha chế hóa chất tráng phủ hoặc xử lý bề mặt (khi chất lượng phân tán hạn chế hiệu quả)
• Các nhũ tương khó xử lý hoặc huyền phù có hàm lượng chất rắn cao mà phương pháp trộn thông thường gặp khó khăn

Các đối tượng phù hợp nhất thường là những dòng mà chất lượng phân tán đang hạn chế hiệu quả và có thể lắp đặt thiết bị trên đường ống mà không làm xáo trộn sự cân bằng tổng thể của phần ướt.

Kết quả tốt hơn và tiết kiệm đáng kể nhờ phân tán bằng siêu âm

Các thiết bị siêu âm Hielscher cho phép nhà máy giấy giảm đáng kể – hoặc thậm chí loại bỏ – nhu cầu sử dụng nước sạch hoặc dịch lọc trong ở bước pha loãng sau của phụ gia phần ướt, giúp tiết kiệm lượng nước tương đương khoảng 10–18% tổng lượng nước tiêu thụ của nhà máy. Nhờ đạt hiệu quả phân tán cao và đồng đều, các hệ thống siêu âm cấp công nghiệp này bảo đảm hóa chất và phụ gia được sử dụng hiệu quả hơn nhiều, giúp quy trình phần ướt sạch hơn, cải thiện chất lượng giấy và giảm đáng kể nhu cầu hóa chất – thường giảm 20–60% hoặc hơn.
Trong sản xuất giấy, những thay đổi nhỏ về chất lượng phân tán có thể tạo ra những cải thiện lớn vượt mức về khả năng vận hành máy, hiệu quả sử dụng hóa chất và độ ổn định chất lượng. Phân tán hóa chất phần ướt bằng siêu âm đang thu hút sự chú ý vì công nghệ này:

• Có thể mở rộng quy mô tuyến tính theo mô-đun
• Sử dụng năng lượng hiệu quả, tập trung lực cắt vi mô vào nơi quá trình phân tán thực sự diễn ra
• Sẵn sàng cho sản xuất công nghiệp, với các hệ thống siêu âm được thiết kế để xử lý liên tục

Đối với các nhà máy đã mệt mỏi với việc tăng lượng hóa chất để bù đắp cho quá trình trộn không đồng đều, siêu âm mang đến một triết lý khác: giúp hóa chất hoạt động hiệu quả hơn ngay trước khi được đưa vào huyền phù bột giấy.