Cas d'application d'un équipement de mélange, de dispersion et d'émulsification à cisaillement élevé
Dans la production de matériaux complexes à phases multiples (comprenant de la poudre solide, une phase huileuse, une phase aqueuse et des agents auxiliaires), l'intégration des processus de mélange, de dispersion et d'émulsification est la clé pour garantir l'uniformité, la finesse et la stabilité à long terme du produit. Une installation de production engagée dans la fabrication de produits semi-solides et liquides a été confrontée à de graves goulets d'étranglement dans le traitement combiné des matériaux. Le mode de traitement fractionné traditionnel à l'aide de plusieurs équipements a entraîné une faible efficacité de production, une qualité de produit instable et des coûts d'exploitation élevés. Après l'introduction d'un équipement de mélange, de dispersion et d'émulsification à cisaillement élevé, l'installation a fondamentalement résolu ces problèmes et a réalisé des améliorations significatives en termes de performances de production, de cohérence des produits et de contrôle des coûts.
Contexte et défis avant la mise à niveau
L'installation produit principalement des produits multi-composants avec une exigence de production quotidienne de 200 à 300 tonnes, couvrant des applications qui nécessitent un contrôle strict de la distribution granulométrique et de la stabilité de l'émulsion. Avant la mise à niveau de l'équipement, l'installation a adopté un mode de traitement fractionné : en utilisant un mélangeur commun pour le mélange préliminaire, un disperseur pour la dispersion de la poudre solide et un émulsifiant à fonction unique pour l'émulsification des phases huile-eau. Ce processus fractionné en trois étapes a non seulement prolongé le cycle de production, mais a également entraîné une série de problèmes importants :
- Mauvaise intégration des effets de mélange, de dispersion et d'émulsification: En raison du manque de coordination synergique entre les différents équipements, le matériau n'a pas pu atteindre un état uniforme dans chaque étape de traitement. Après le mélange préliminaire, les agglomérats de poudre solide (taille initiale des particules 40-80 μm) n'étaient pas complètement brisés ; pendant la dispersion, les particules étaient inégalement réparties dans la phase liquide ; et le processus d'émulsification ultérieur n'a pas réussi à fusionner complètement les phases huile-eau avec les particules solides dispersées. Le produit final avait une taille moyenne de particules de 5 à 10 μm, et le taux de séparation huile-eau atteignait 10 à 13 % après 30 jours de stockage, ce qui affectait gravement l'utilisabilité du produit.
- Long cycle de production et faible efficacité: Le processus fractionné nécessitait des transferts répétés de matériaux entre différents équipements, et chaque processus de transfert prenait 15 à 20 minutes. Le temps de traitement total pour un seul lot (5 tonnes) était de 60 à 70 minutes, et le taux d'utilisation de l'équipement n'était que de 75 % en raison du temps d'attente entre les processus. De plus, le processus de transfert entraînait des pertes de matériaux (taux de perte de 2 à 3 %), ce qui augmentait la consommation de matières premières.
- Forte fluctuation de la qualité d'un lot à l'autre: Le mode de traitement fractionné reposait sur une opération manuelle pour ajuster les paramètres des différents équipements, et l'adaptation des paramètres entre les étapes de mélange, de dispersion et d'émulsification était difficile à normaliser. Le coefficient de variation (CV) des principaux indicateurs de qualité (distribution granulométrique, viscosité, stabilité) entre les lots atteignait 16 à 22 %, ce qui entraînait un taux de qualification des produits finis de seulement 83 à 86 %. Un grand nombre de produits non qualifiés devaient être retravaillés ou mis au rebut, ce qui augmentait les coûts de production.
- Consommation d'énergie et coûts de maintenance élevés: Trois ensembles d'équipements fonctionnaient simultanément, avec une consommation électrique quotidienne moyenne de 380 kWh. Chaque équipement avait des pièces vulnérables indépendantes (telles que les lames du mélangeur, les disques du disperseur, le stator-rotor de l'émulsifiant), qui nécessitaient des remplacements fréquents. Le coût de maintenance mensuel était d'environ 9 000 yuans, et les temps d'arrêt de l'équipement dus à la maintenance atteignaient 8 à 10 heures par mois.
- Risque de contamination des matériaux pendant le transfert: Le processus de transfert des matériaux nécessitait un contact avec les canalisations, les vannes et les conteneurs de transfert, et les angles morts de ces composants étaient difficiles à nettoyer en profondeur. Des matériaux résiduels des lots précédents étaient susceptibles de contaminer les matériaux suivants, en particulier pour les produits ayant des exigences d'hygiène élevées, ce qui augmentait le risque de produits non qualifiés en raison de la contamination.
Sélection de l'équipement et configuration de base
Pour résoudre les problèmes ci-dessus, l'installation a abandonné le mode de traitement fractionné traditionnel et a sélectionné un équipement de mélange, de dispersion et d'émulsification à cisaillement élevé avec des fonctions intégrées. L'équipement intègre le mélange, la dispersion et l'émulsification en une seule unité, réalisant un traitement unique des matériaux sans transfert. Sa configuration de base et ses caractéristiques techniques sont conçues pour répondre aux points sensibles du traitement fractionné, et les configurations clés sont les suivantes :
1. Tête de travail multifonctionnelle intégrée
L'équipement adopte une structure de tête de travail combinée, intégrant trois modules fonctionnels : disque de dispersion à grande vitesse, stator-rotor de cisaillement multi-étages et palette de mélange tridimensionnelle. Le disque de dispersion (diamètre 220 mm) tourne à une vitesse de 800 à 3500 tr/min, ce qui peut rapidement décomposer les gros agglomérats de poudre solide ; le stator-rotor de cisaillement multi-étages (3 étages, espace de cisaillement 0,06-0,2 mm) a une plage de vitesse de 3000 à 12000 tr/min, générant un taux de cisaillement allant jusqu'à 80 000 s⁻¹, ce qui permet une fusion complète des phases huile-eau et un affinement supplémentaire des particules ; la palette de mélange tridimensionnelle (vitesse 50-200 tr/min) assure l'uniformité globale des matériaux dans la cuve et évite un traitement local insuffisant. Tous les modules fonctionnels sont fabriqués en acier inoxydable 316L avec un traitement de polissage miroir (rugosité de surface Ra ≤ 0,8 μm), qui est résistant à la corrosion et facile à nettoyer.
2. Système de contrôle précis des paramètres
L'équipement est équipé d'un système de contrôle intelligent PLC avec une interface d'opération à écran tactile, qui peut réaliser un contrôle indépendant et lié de la vitesse de mélange, de la vitesse de dispersion, de la vitesse d'émulsification, du temps de traitement et de la température du matériau. La précision du contrôle de la vitesse est de ±10 tr/min, la précision du contrôle du temps est de ±1 seconde, et la plage de contrôle de la température est de 0 à 100℃ (précision de fluctuation ±1,5℃). Le système prend en charge le stockage de 80 ensembles de paramètres de processus, ce qui peut normaliser les réglages des paramètres des différents produits et lots, évitant ainsi les fluctuations de qualité causées par l'opération manuelle. De plus, le système peut enregistrer automatiquement la courbe des paramètres pendant le processus de traitement, fournissant un support de données fiable pour l'optimisation des processus et la traçabilité de la qualité.
3. Structure de cuve fermée sans transfert de matériau
L'équipement adopte une structure de cuve verticale fermée d'un volume de 5000 L (volume de travail 4000 L), qui peut effectuer tous les processus de mélange, de dispersion et d'émulsification dans la même cuve sans transfert de matériau. Le corps de la cuve est équipé d'un dispositif de contrôle de la température à chemise, qui peut réaliser le chauffage ou le refroidissement des matériaux en fonction des exigences du processus, évitant ainsi la détérioration des matériaux causée par l'élévation de la température pendant le cisaillement et la dispersion à grande vitesse. Le couvercle de la cuve est soulevé par pression hydraulique, ce qui est pratique pour l'alimentation, le nettoyage et la maintenance, et les performances d'étanchéité du corps de la cuve répondent aux exigences des normes GMP et de sécurité alimentaire.
4. Conception économe en énergie et résistante à l'usure
L'équipement adopte un moteur économe en énergie à fréquence variable, qui peut ajuster la puissance de sortie en fonction de l'étape de traitement (faible puissance pour le mélange, forte puissance pour la dispersion et l'émulsification), réduisant ainsi la consommation d'énergie au ralenti. La tête de travail adopte un revêtement résistant à l'usure (revêtement en carbure de tungstène), ce qui prolonge la durée de vie des pièces vulnérables. Le système de lubrification utilise de l'huile lubrifiante de qualité H1, qui est non toxique et compatible avec les exigences de production, et l'intervalle de changement d'huile lubrifiante est prolongé à 8000 heures de fonctionnement.
5. Système de nettoyage automatique CIP
L'équipement est équipé d'un système de nettoyage automatique CIP (Clean-In-Place), qui comprend des buses de nettoyage installées sur le couvercle de la cuve et à l'intérieur du corps de la cuve. Les buses de nettoyage peuvent pulvériser des agents de nettoyage à 360 degrés, couvrant toutes les surfaces intérieures du corps de la cuve et de la tête de travail. Le processus de nettoyage peut être effectué en 20 à 30 minutes, éliminant les angles morts et réduisant le risque de contamination croisée des matériaux. L'effet de nettoyage répond aux exigences d'hygiène des industries alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques.
Processus de mise en œuvre et optimisation des processus
Après la mise en service de l'équipement, l'installation a effectué une opération d'essai et une optimisation des processus sur 4 mois. Le processus fractionné en trois étapes d'origine a été ajusté en un processus de traitement intégré en une seule étape, et les principales étapes de mise en œuvre et les mesures d'optimisation sont les suivantes :
1. Intégration des processus et étalonnage des paramètres
L'installation a sélectionné 6 formules de produits typiques (y compris des produits à forte teneur en solides, à viscosité élevée et à caractéristiques à double phase huile-eau) pour l'étalonnage des paramètres. Pour chaque formule, la combinaison de paramètres optimale des étapes de mélange, de dispersion et d'émulsification a été déterminée par des tests répétés. Prenant comme exemple un produit contenant 30 % de poudre solide et 25 % de phase huileuse, les paramètres optimaux ont été déterminés comme suit : vitesse de mélange de 100 tr/min (durée 5 minutes) pour le mélange préliminaire de la phase aqueuse et des agents auxiliaires ; vitesse de dispersion de 2800 tr/min (durée 10 minutes) pour la décomposition des agglomérats de poudre solide ; vitesse d'émulsification de 9000 tr/min (durée 15 minutes) pour la fusion des phases huile-eau et l'affinement des particules ; et vitesse de mélange finale de 80 tr/min (durée 5 minutes) pour stabiliser le système du produit. Avec cette combinaison de paramètres, la taille moyenne des particules du produit a été réduite à 1,2-2,0 μm, et la stabilité de l'émulsion a été considérablement améliorée.
2. Vérification de la reproductibilité des lots
Après avoir déterminé les paramètres optimaux pour chaque produit, l'installation a effectué une vérification de la reproductibilité des lots. Pour chaque formule, 12 lots consécutifs d'échantillons ont été produits en utilisant les paramètres stockés. Les résultats des tests ont montré que le coefficient de variation (CV) des principaux indicateurs de qualité entre les lots a été réduit de 16 à 22 % à 2 à 4 %, et le taux de qualification des produits finis a été augmenté à plus de 99 %. Cela a vérifié que l'équipement intégré et les paramètres normalisés pouvaient résoudre efficacement le problème de la forte fluctuation de la qualité d'un lot à l'autre.
3. Rationalisation du processus de production
Le mode de traitement intégré a éliminé l'étape de transfert des matériaux entre les différents équipements. Le temps de traitement d'un seul lot a été réduit de 60 à 70 minutes à 35 à 40 minutes, et l'efficacité du traitement a été améliorée d'environ 40 %. Le taux de perte de matériau a été réduit de 2 à 3 % à moins de 0,5 % grâce à la structure de la cuve fermée, ce qui a considérablement réduit la consommation de matières premières. De plus, le nombre d'opérateurs requis pour une seule ligne de production a été réduit de 3 à 2, ce qui a permis de réduire les coûts de main-d'œuvre tout en améliorant l'efficacité de la production.
4. Optimisation du processus de nettoyage
Le système de nettoyage automatique CIP a remplacé le mode de nettoyage manuel d'origine. Le temps de nettoyage par lot a été réduit de 40 à 50 minutes à 20 à 30 minutes, et l'effet de nettoyage était plus stable. Le nombre de produits non qualifiés causés par la contamination des matériaux a été réduit de 2 à 3 fois par mois à 0 à 1 fois par trimestre, améliorant encore la stabilité de la qualité des produits.
Effets de l'application et analyse des données
Après 8 mois de fonctionnement formel, l'équipement de mélange, de dispersion et d'émulsification à cisaillement élevé a obtenu des résultats remarquables en améliorant la qualité des produits, en améliorant l'efficacité de la production, en réduisant la consommation d'énergie et les coûts de maintenance. La comparaison des données spécifiques avant et après la mise à niveau de l'équipement est la suivante :
1. Amélioration significative de la qualité des produits
La taille moyenne des particules du produit fini a été réduite de 5 à 10 μm à 1,0 à 2,5 μm, et l'indice de polydispersité (PDI) a été contrôlé en dessous de 0,18, ce qui a considérablement amélioré la finesse et l'uniformité du produit. Le taux de séparation huile-eau du produit pendant le stockage a été réduit de 10 à 13 % à moins de 1,5 % après 60 jours de stockage, et la stabilité du produit a été considérablement améliorée. Pour les produits ayant des exigences d'hygiène élevées, le nombre total de colonies a été contrôlé de manière stable en dessous de 10 UFC/g, répondant aux normes d'hygiène les plus strictes de l'industrie. Le taux de qualification des produits finis est passé de 83 à 86 % à 99,3 %, éliminant fondamentalement le coût des retouches et de l'élimination des déchets.
2. Amélioration remarquable de l'efficacité de la production
Le temps de traitement d'un seul lot a été réduit de 40 %, et la capacité de production quotidienne a été augmentée de 200 à 300 tonnes à 350 à 400 tonnes avec le même temps de fonctionnement (20 heures par jour). Le taux d'utilisation de l'équipement est passé de 75 % à 95 %, et le nombre d'arrêts imprévus causés par des problèmes de processus ou des défaillances d'équipement a été réduit de 3 à 4 fois par mois à 0 à 1 fois par mois. L'étape de transfert des matériaux a été éliminée, ce qui a permis d'économiser 2 à 3 heures de temps de transfert par jour et d'améliorer la continuité de la production.
3. Réduction efficace de la consommation d'énergie et des coûts
La conception économe en énergie à fréquence variable de l'équipement a réduit la consommation électrique quotidienne moyenne de 380 kWh à 240 kWh, soit une diminution de 36,8 %, ce qui a permis d'économiser 51 100 kWh d'électricité par an. La conception résistante à l'usure de la tête de travail et l'intervalle de changement d'huile lubrifiante prolongé ont réduit le coût de maintenance mensuel de 9 000 yuans à 3 200 yuans, et le coût de maintenance annuel a été économisé d'environ 69 600 yuans. Le taux de perte de matériau a été réduit de 1,5 à 2,5 points de pourcentage, ce qui a permis d'économiser environ 8 % des coûts des matières premières par an. Le coût global (énergie, maintenance, matières premières, main-d'œuvre) a été réduit d'environ 12 % par an.
4. Réduction du risque de contamination et amélioration de la sécurité opérationnelle
La structure de la cuve fermée et le système de nettoyage automatique CIP ont éliminé le risque de contamination causé par le transfert de matériaux et le nettoyage manuel. Le nombre d'incidents de contamination des produits a été réduit de plus de 90 %, et la sécurité et la fiabilité de la production ont été considérablement améliorées. L'équipement est équipé de multiples fonctions de protection de sécurité (protection contre les surcharges, les surchauffes, les surpressions), qui peuvent s'arrêter automatiquement en cas d'anomalies, évitant ainsi les dommages à l'équipement et les accidents de sécurité personnelle. Le couvercle de la cuve à levage hydraulique et le processus d'opération simplifié ont réduit l'intensité du travail des opérateurs et amélioré la sécurité de l'opération.
5. Amélioration de l'évolutivité des processus
Les fonctions de stockage et de rappel des paramètres de l'équipement ont facilité le passage d'une formule de produit à une autre. Pour le développement de nouveaux produits, les paramètres de processus optimaux peuvent être rapidement déterminés grâce à des tests à petite échelle sur le même équipement, et les paramètres peuvent être directement appliqués à la production de masse, réduisant ainsi le cycle de développement de nouveaux produits de 30 à 40 %. Les paramètres techniques de l'équipement sont compatibles avec la production à l'échelle pilote et à l'échelle industrielle, fournissant un support fiable pour l'expansion future de la production de l'installation.
Expériences clés et notes d'opération
Au cours du processus d'application, l'installation a résumé une série d'expériences clés et de notes d'opération pour assurer le fonctionnement stable de l'équipement de mélange, de dispersion et d'émulsification à cisaillement élevé et pour exploiter pleinement ses performances intégrées :
- L'adaptation des paramètres entre les différents modules fonctionnels est cruciale. Pour les matériaux à viscosité élevée, la vitesse de mélange doit d'abord être augmentée de manière appropriée pour assurer un flux de matériau uniforme, puis les vitesses de dispersion et d'émulsification doivent être progressivement augmentées pour éviter la surcharge de l'équipement et les éclaboussures de matériau.
- La séquence d'alimentation affecte considérablement l'effet de traitement. Pour les matériaux à phases multiples, il est recommandé d'ajouter d'abord la phase continue (telle que la phase aqueuse), puis d'ajouter la phase dispersée (telle que la phase huileuse) et la poudre solide tout en agitant, ce qui peut éviter l'agglomération locale et améliorer l'uniformité de la dispersion et de l'émulsification.
- L'inspection et la maintenance régulières de la tête de travail sont essentielles. L'état d'usure du disque de dispersion, du stator et du rotor doit être vérifié toutes les 400 heures de fonctionnement. Lorsque la quantité d'usure dépasse 0,5 mm ou que la surface est gravement rayée, les pièces vulnérables doivent être remplacées à temps pour assurer l'effet de traitement.
- Le système de nettoyage CIP doit être utilisé de manière normalisée. Après chaque lot de production, le processus de nettoyage doit être effectué en stricte conformité avec les procédures définies, et l'effet de nettoyage doit être inspecté régulièrement (par exemple, détection des matériaux résiduels) pour éviter la contamination croisée entre les lots.
- Pour les matériaux sensibles à la chaleur, la température pendant le traitement doit être strictement contrôlée. Le dispositif de contrôle de la température à chemise peut être utilisé pour refroidir les matériaux, et le temps de traitement et la vitesse doivent être ajustés de manière appropriée pour éviter la perte d'ingrédients actifs ou la détérioration des matériaux causée par une élévation excessive de la température.
- Les opérateurs doivent être formés professionnellement. Avant d'utiliser l'équipement, les opérateurs doivent connaître la structure, le principe de fonctionnement et les méthodes de réglage des paramètres de l'équipement, et suivre strictement les procédures d'opération pour éviter les erreurs opérationnelles.
Résumé
L'application d'un équipement de mélange, de dispersion et d'émulsification à cisaillement élevé a fondamentalement résolu les problèmes de mauvais effet de traitement, de faible efficacité de production, de forte fluctuation de la qualité et de coûts d'exploitation élevés causés par le mode de traitement fractionné traditionnel dans l'installation. En intégrant les fonctions de mélange, de dispersion et d'émulsification en une seule unité, l'équipement réalise un traitement unique des matériaux, élimine les étapes de transfert des matériaux et assure l'uniformité et la stabilité des produits.
Le système de contrôle précis des paramètres de l'équipement normalise le processus de production, réduit l'impact de l'opération manuelle sur la qualité des produits et améliore la reproductibilité des lots des produits. La conception économe en énergie et résistante à l'usure, ainsi que le système de nettoyage automatique CIP, réduisent non seulement le coût d'exploitation et la charge de maintenance de l'installation, mais améliorent également le niveau de sécurité et d'hygiène de la production.
Pour les scénarios de production impliquant des matériaux multi-composants et multi-phases qui nécessitent un traitement intégré de mélange, de dispersion et d'émulsification, l'équipement de mélange, de dispersion et d'émulsification à cisaillement élevé est un choix fiable. Il peut non seulement améliorer la qualité des produits et l'efficacité de la production, mais aussi réduire les coûts et les risques opérationnels, fournissant un support technique solide pour le développement durable de l'installation. Grâce à une opération normalisée, à une maintenance régulière et à une optimisation continue des processus, l'équipement peut jouer un rôle plus important dans la production et aider l'installation à s'adapter aux exigences de qualité du marché de plus en plus strictes.
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