Étude de cas : Émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé dans l'optimisation du processus d'émulsification industrielle
Dans la production industrielle impliquant le traitement de matériaux multiphasiques, l'émulsification est une procédure clé qui affecte directement les performances du produit, la stabilité du stockage et le coût de traitement. Pour les fabricants engagés dans la production de revêtements à base d'eau, d'adhésifs et d'émulsions de polymères, obtenir une dispersion complète des phases huile et eau immiscibles, éviter la sédimentation des matériaux dans les cuves de grand volume et assurer la cohérence des produits d'un lot à l'autre ont longtemps été des défis majeurs limitant le développement de la production. Cette étude de cas explique comment un fabricant a réussi à résoudre ces goulets d'étranglement du processus en introduisant un émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé, et présente les effets d'application spécifiques et les améliorations de processus de manière factuelle.
1. Contexte de production et défis existants
Le fabricant est engagé dans la production d'émulsions fonctionnelles à base d'eau, qui sont largement utilisées dans les revêtements architecturaux, les adhésifs pour le bois et d'autres domaines. Avant d'adopter l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé, l'entreprise utilisait des agitateurs à palettes traditionnels montés en haut pour les opérations d'émulsification. Avec l'expansion de l'échelle de production, les cuves de réaction de grand volume de 5000 L et 8000 L sont progressivement devenues le principal équipement de production, et les limites des agitateurs traditionnels sont devenues de plus en plus évidentes, ce qui a entraîné une série de problèmes dans le processus de production.
Les principaux défis du processus de production sont les suivants :
- Effet d'émulsification insuffisant et faible stabilité du produit: La force de cisaillement générée par l'agitateur à palettes traditionnel monté en haut est relativement faible, et il ne peut que réaliser un simple mélange des matériaux, mais ne peut pas briser efficacement les gouttelettes d'huile et les particules solides dans le système d'émulsion. L'émulsion préparée a une taille moyenne de particules importante (environ 45-60 µm), et la distribution de la taille des particules est inégale. Pendant le processus de stockage, une séparation de phase et une stratification se produisent souvent, ce qui affecte la qualité du produit et l'expérience utilisateur. Le taux de qualification du produit est maintenu à environ 87 % pendant une longue période.
- Sédimentation importante des matériaux et zones mortes d'agitation: En raison du grand volume de la cuve de production et de la plage d'agitation limitée de l'agitateur monté en haut, l'effet d'agitation est difficile à couvrir les zones inférieures et de bord de la cuve. Une grande quantité d'additifs en poudre solide et de matériaux à haute viscosité sont faciles à déposer au fond de la cuve, formant des zones mortes d'agitation. Ces matériaux sédimentés ne peuvent pas être complètement mélangés au système principal, ce qui non seulement entraîne un gaspillage de matières premières, mais conduit également à un contenu de composants incohérent du produit final, entraînant de grandes différences de performances entre les lots.
- Cycle de production long et faible efficacité de production: Pour améliorer au maximum l'effet d'émulsification, le fabricant a dû prolonger le temps d'agitation à 9-11 heures par lot. Dans ces conditions, seuls 2 lots de produits peuvent être produits chaque jour, ce qui ne peut pas répondre à la demande croissante du marché. En même temps, l'opération d'agitation de longue durée augmente également le coût de la main-d'œuvre et les frais de gestion de l'entreprise.
- Consommation d'énergie et coûts de maintenance élevés: L'agitateur traditionnel monté en haut doit maintenir une puissance de sortie élevée pendant une longue période pour assurer l'effet de mélange, ce qui entraîne une consommation d'énergie élevée. La consommation d'énergie par lot atteint 380 kWh, ce qui exerce une forte pression sur le contrôle des coûts de l'entreprise. De plus, l'arbre et les lames de l'agitateur sont faciles à coller aux matériaux, et le travail de nettoyage après chaque lot prend 2,5 à 3 heures. L'usure des roulements et des joints est importante pendant le fonctionnement, nécessitant une maintenance tous les 1,5 à 2 mois, ce qui augmente encore le coût de production.
2. Sélection de l'équipement et caractéristiques techniques
Après avoir mené des recherches approfondies sur le processus de production, analysé les propriétés des matériaux et les exigences du processus, et effectué de multiples tests sur site et démonstrations techniques, le fabricant a finalement décidé d'adopter l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé pour remplacer l'agitateur à palettes traditionnel monté en haut. L'équipement est spécialement conçu pour les cuves de réaction de grand volume, avec la tête de travail installée au fond de la cuve, qui peut agir directement sur les matériaux au fond de la cuve, résolvant fondamentalement les problèmes de sédimentation des matériaux et de zones mortes d'agitation. Les principales caractéristiques techniques de l'équipement sont les suivantes :
- Configuration de l'alimentation: Équipé d'un moteur à fréquence variable haute efficacité de 45 kW, qui peut réaliser une régulation de vitesse en continu dans la plage de 500 à 3000 tr/min, adapté au traitement d'émulsification de matériaux en lots de 4000 à 10000 L, correspondant parfaitement aux cuves de production de 5000 L et 8000 L du fabricant.
- Structure rotor-stator: Adoption d'un ensemble rotor-stator à trois couches avec un jeu d'ajustement de précision de 0,15 à 0,4 mm. La conception spéciale de la forme des dents peut générer une forte force de cisaillement et un flux turbulent lorsque le rotor tourne à grande vitesse, brisant efficacement les gouttelettes d'huile et les particules solides dans le système de matériaux en petites particules.
- Sélection des matériaux: Toutes les pièces en contact avec les matériaux sont en acier inoxydable 316L, qui présente une excellente résistance à la corrosion et à l'usure. La surface des pièces est polie à Ra ≤ 0,3 µm, ce qui répond aux exigences de la production industrielle en matière de propreté des matériaux et évite la contamination des matériaux.
- Système d'étanchéité: Adoption d'une structure de joint mécanique à double extrémité avec fonctions de refroidissement et de rinçage, qui peut efficacement empêcher les fuites de matériaux et assurer le fonctionnement stable de l'équipement en rotation à grande vitesse et dans des conditions de travail à haute température. La durée de vie du joint est considérablement plus longue que celle des joints traditionnels.
- Système de contrôle: Équipé d'un système de contrôle PLC intelligent, qui peut réaliser le contrôle automatique du processus d'émulsification. Il peut définir et ajuster des paramètres tels que la vitesse de rotation, le temps de travail et la température des matériaux en fonction des différentes formules de matériaux, et dispose des fonctions d'alarme de défaut et d'enregistrement des données, ce qui est pratique pour la gestion de la production et le traçage de la qualité.
Le principe de fonctionnement de l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé est le suivant : lorsque l'équipement est en marche, le rotor tourne à grande vitesse, formant une forte pression négative dans l'espace entre le rotor et le stator, qui aspire les matériaux au fond et dans la partie supérieure de la cuve dans la zone de cisaillement. Dans la zone de cisaillement, les matériaux sont soumis à des effets globaux tels qu'un cisaillement important, une extrusion centrifuge, une friction et un impact de la couche liquide, de sorte que les grosses gouttelettes d'huile et les particules solides sont rapidement brisées et affinées. En même temps, le flux à grande vitesse des matériaux entraîne la circulation globale des matériaux dans la cuve, de sorte que tous les matériaux peuvent être complètement mélangés et émulsionnés, et qu'un système d'émulsion uniforme et stable est finalement formé.
3. Effets d'application et analyse des données
Après la mise en production officielle de l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé, le fabricant a effectué un test comparatif de deux mois entre le nouvel équipement et l'agitateur traditionnel. Pendant la période de test, la formule des matériaux et les paramètres du processus de production ont été maintenus constants, et la qualité du produit, l'efficacité de la production, la consommation d'énergie et d'autres indicateurs ont été globalement détectés et analysés. L'effet d'application a été nettement meilleur que prévu, et les principaux indicateurs ont été considérablement améliorés.
3.1 La qualité du produit est considérablement améliorée
La taille des particules de l'émulsion produite par le nouvel équipement a été détectée par un analyseur de taille de particules laser. Les résultats ont montré que la taille moyenne des particules de l'émulsion était réduite de 52 µm (agitateur traditionnel) à 1,8-4,5 µm, et que la plage de distribution de la taille des particules était réduite de 75 %. Le test de stabilité de l'émulsion a montré qu'après 8 mois de stockage statique à température ambiante, il n'y avait pas de séparation de phase, de stratification ou de précipitation, et que la stabilité du produit était considérablement améliorée. Le taux de qualification du produit est passé de 87 % à 98,8 %, et le nombre de produits défectueux causés par des problèmes d'émulsification a diminué de 95 %.
De plus, la cohérence des performances des produits entre les lots a été considérablement améliorée. Les données de détection des principaux indicateurs de performance tels que la viscosité du produit, la teneur en solides et l'adhérence montrent que le coefficient de variation (CV) de chaque indicateur est réduit de 9,5 % à 1,2 %, ce qui garantit efficacement l'uniformité de la qualité du produit et répond aux exigences strictes des clients en aval en matière de performances du produit.
3.2 L'efficacité de la production est considérablement améliorée
En raison de la forte efficacité de cisaillement de l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé, le temps d'émulsification par lot est réduit de 9 à 11 heures à 3,5 à 4,5 heures, soit une réduction de 60 % en moyenne. La capacité de production quotidienne est augmentée de 2 lots à 5-6 lots, et la production mensuelle est augmentée de 160 % sans augmenter le site de production et le personnel d'exploitation. En même temps, le temps de nettoyage après chaque lot est réduit de 2,5 à 3 heures à 30 à 45 minutes, ce qui réduit considérablement le temps de non-production et améliore la capacité de production continue de l'équipement.
3.3 La consommation d'énergie et les coûts de maintenance sont réduits
Bien que la puissance de l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé soit de 45 kW, ce qui est supérieur à celle de l'agitateur traditionnel monté en haut (32 kW), la réduction significative du temps de travail réduit la consommation d'énergie par lot de 380 kWh à 171 kWh, soit une diminution de 55 %. Sur la base de la production annuelle de 300 lots, les coûts énergétiques annuels peuvent être économisés de plus de 200 000 yuans.
En termes de maintenance, la structure du joint mécanique à double extrémité et la sélection de matériaux de haute qualité réduisent l'usure des composants de l'équipement. Le cycle de maintenance est prolongé de 1,5 à 2 mois à 8 à 10 mois, et le coût de maintenance annuel est réduit de 70 %. Pendant la période de test de deux mois, l'équipement a fonctionné de manière stable sans aucun arrêt de panne, assurant la continuité et la stabilité du processus de production.
3.4 Le taux d'utilisation des matériaux est amélioré
La tête de travail montée en bas de l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé peut agiter complètement les matériaux au fond de la cuve, éliminant complètement la zone morte d'agitation. Le problème de la sédimentation des additifs en poudre solide et des matériaux à haute viscosité est résolu, et les matériaux peuvent être complètement mélangés et utilisés. Le taux d'utilisation des matières premières est passé de 91 % à 99,5 %, réduisant le gaspillage annuel de matières premières de plus de 10 tonnes, ce qui réduit encore le coût de production de l'entreprise.
4. Conclusion
L'application de l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé a résolu efficacement les problèmes de longue date du fabricant dans le processus de production d'émulsification, tels que l'émulsification inégale, la sédimentation des matériaux, le long cycle de production et la consommation d'énergie élevée. Tout en améliorant considérablement la qualité des produits et l'efficacité de la production, il a également considérablement réduit les coûts de production, renforçant ainsi la compétitivité de l'entreprise sur le marché.
Cette étude de cas montre clairement que pour les fabricants industriels ayant des besoins d'émulsification de matériaux multiphasiques, de grand volume et à haute viscosité, l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé présente des avantages évidents par rapport aux équipements de mélange traditionnels. Sa conception unique montée en bas, sa forte capacité de cisaillement et son système de contrôle intelligent peuvent optimiser efficacement le processus d'émulsification, améliorer l'efficacité de la production et la qualité des produits, et apporter des avantages économiques importants à l'entreprise.
À l'heure actuelle, le fabricant a généralisé l'émulsifiant à entrée par le bas à cisaillement élevé à toutes ses lignes de production et a obtenu de bons résultats d'application. Cette expérience d'application réussie peut fournir une référence précieuse pour d'autres fabricants similaires dans l'industrie afin d'optimiser le processus de production d'émulsification et de réaliser une mise à niveau industrielle.
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