Étude de cas: Amélioration de l'efficacité et de la qualité de la production d'émulsions industrielles grâce à des équipements d'émulsification avancés
Dans le paysage industriel de la fabrication, les produits à émulsion servent de matériaux de base dans divers secteurs, notamment les revêtements architecturaux, les adhésifs industriels, les auxiliaires textiles,et de la transformation alimentaireLa qualité des émulsions industrielles, caractérisée par la répartition des gouttelettes, la stabilité de phase et l'uniformité des composants, détermine directement les performances des produits finis. This case study focuses on the application of advanced industrial emulsification equipment in resolving long-standing process challenges in the production of high-performance water-based architectural coating emulsions, détaillant la sélection des équipements, l'optimisation des processus et les résultats tangibles obtenus sans compromettre la conformité opérationnelle et l'évolutivité.
1. Contextes et enjeux de base du processus
Le procédé de production de l'émulsion cible de revêtement architectural à base d'eau comportait deux phases immiscibles: une phase huileuse composée de monomères acryliques, d'agents de coalescence,et modificateurs hydrophobes, et une phase aqueuse contenant de l'eau désionisée, des émulsifiants, des initiateurs et des régulateurs de pH.le procédé de fabrication reposant sur des réservoirs de remuage traditionnels de type ancrage, qui a conduit à quatre défis critiques qui ont limité la capacité de production et la compétitivité des produits:
Les monomères acryliques de la phase huileuse présentent une viscosité élevée et une mauvaise hydratation.les monomères avaient tendance à former de grandes gouttelettes ou des agglomérats qui ne pouvaient pas être complètement décomposésCes particules non dispersées sont restées dans l'émulsion finale, ce qui a entraîné des "yeux de poisson" (particules solides visibles) dans le film de revêtement, ce qui a gravement affecté la douceur et la durabilité du film.
Deuxièmement, la répartition de la taille des gouttelettes est incohérente: la faible force de cisaillement générée par les agitateurs de type ancre n'a pas permis d'obtenir une dispersion uniforme des deux phases.Les données des essais de qualité ont montré que la taille des gouttelettes D90 (la taille à laquelle 90% des gouttelettes sont plus petites) de l'émulsion fluctue entre 15 μm et 30 μm.Cette incohérence a entraîné des variations significatives de la viscosité et de la stabilité de l'émulsion,avec certains lots présentant une séparation de l'huile dans les 7 jours de stockage et d'autres présentant une viscosité excessive qui empêchait l'application.
Troisièmement, une faible efficacité de production et une consommation d'énergie élevée.le procédé traditionnel nécessitait des temps de remuage prolongés, chaque lot de 5 tonnes a pris environ 6 heures pour terminer l'émulsificationL'exploitation prolongée a non seulement réduit le débit de production, mais a également augmenté la consommation d'énergie, le système de remuage consommant en moyenne 120 kWh par lot.la faible stabilité des produits intermédiaires a conduit à un taux de qualification de seulement 82%, ce qui entraîne un gaspillage important de matières premières et de coûts de main-d'œuvre.
Quatrièmement, la difficulté d'accroître la production: le procédé traditionnel de remuage par lots reposait largement sur un fonctionnement manuel pour contrôler la vitesse d'alimentation et l'intensité de remuage.Lors de la mise à l'échelle de la production à l'échelle de laboratoire (50 L) à l'échelle industrielle (5 tonnes), les paramètres du procédé étaient difficiles à reproduire avec précision, ce qui a entraîné des différences de qualité importantes entre les lots pilotes et les lots produits en série.Ce problème d'évolutivité a limité l'expansion de la capacité de production pour répondre à la demande croissante du marché.
En outre, le processus de production devait être conforme aux normes de sécurité industrielle et environnementales, qui exigent que les équipements soient construits avec des matériaux résistants à la corrosion,équipés de systèmes d'étanchéité efficaces pour empêcher la volatilité du monomère, et compatibles avec les systèmes de nettoyage en place (CIP) pour assurer l'hygiène opérationnelle.
2Sélection des équipements et optimisation des processus
Après une évaluation exhaustive des exigences du procédé, des spécifications du produit et des besoins en matière d'évolutivité, un système d'émulsification industrielle en plusieurs étapes a été sélectionné,composé d'un mélangeur de pré-dispersion et d'un émulsifiant à cisaillement élevé de type pipelineLa sélection des équipements a été guidée par les principes d'amélioration de l'efficacité du cisaillement, d'assurance de la contrôlabilité du processus et de facilitation d'une mise à l'échelle transparente.avec des caractéristiques techniques clés adaptées aux caractéristiques des émulsions acryliques à base d'eau:
1. mélangeur de pré-dispersion: équipé d'une roue tournante à grande vitesse et d'un déflecteur générateur de turbulences,ce mélangeur a été conçu pour décomposer les grands agglomérats dans la phase huileuse avant l'émulsification primaireConstruit en acier inoxydable 316L, il possède une paroi intérieure lisse avec une rugosité de surface Ra ≤ 0,4 μm pour empêcher l'adhérence du matériau.L'entraînement à fréquence variable (VFD) du mélangeur permettait de régler la vitesse de rotation entre 500 et 3000 tr/min., permettant un contrôle précis de l'intensité de dispersion en fonction de la viscosité de la phase huileuse.
2Émulsifiant à cisaillement élevé de type pipeline: comme équipement de base, il adopte une structure rotor-stator en trois étages avec un écart minimum de 0,05 mm entre le rotor et le stator.Cette conception a généré des forces de cisaillement intenses (jusqu'à 10^6 s^-1)Le débit de l'émulsifiant peut atteindre 8 m3/h, ce qui permet une émulsification et une circulation en continu en ligne.Il a également été intégré à un système de surveillance en temps réel pour suivre les paramètres clés tels que la vitesse de rotationLa conception de l'étanchéité de l'équipement (étanchéité mécanique avec système de refroidissement) empêchait la volatilité du monomère.répondre aux exigences environnementales et de sécurité.
Sur la base du nouvel équipement, le processus de production a été optimisé en quatre étapes clés pour assurer la cohérence et l'efficacité:
1- étape de pré-dispersion: les matières de phase huileuse (monomères acryliques, agents de coalescence, modificateurs hydrophobes) ont été ajoutées au mélangeur de pré-dispersion,et la roue a été activée à 2500 tr/min pour créer un champ de débit à haute turbulenceCe procédé décompose les agglomérats initiaux et forme une phase huileuse uniforme de faible viscosité en 30 minutes, éliminant ainsi la formation d'un "œil de poisson" à la source.
2. étape d'alimentation contrôlée: la phase huileuse pré-dispersée et la phase aqueuse (eau désionisée, émulsifiants, initiateurs) ont été pompées dans l'émulsifiant de type pipeline à un rapport de volume fixe (1:3) par pompes de mesureLa vitesse d'alimentation a été contrôlée avec précision par le système VFD pour assurer un rapport stable, en évitant l'inversion de phase causée par des changements soudains de la composition du matériau.
3. étape d'émulsification à cycles multiples: le mélange initialement émulsifié a été fait circuler à travers l'émulsifiant de type pipeline pendant 2-3 cycles, chaque cycle durant environ 45 minutes.La structure rotor-stator en trois étapes assurait que la taille des gouttelettes était progressivement affinée lors de chaque circulation, et le système de surveillance en temps réel a ajusté la vitesse de rotation (2000-4000 tr/min) en fonction de la rétroaction de pression pour maintenir une intensité de cisaillement optimale.
4Étape de stabilisation post-émulsification: après avoir terminé l'émulsification à cycles multiples, l'émulsion est transférée dans un réservoir de stockage pour un traitement ultérieur (ajustement du pH, dégraissage de la mousse).Le réservoir de stockage était équipé d'un mélangeur à basse vitesse pour maintenir l'homogénéité sans endommager les gouttelettes raffinéesL'ensemble du processus était semi-automatisé, avec une intervention manuelle minimale nécessaire pour la confirmation des paramètres.
3. Résultats de mise en œuvre et vérification des performances
Suite au déploiement du système d'émulsification avancé et au processus optimisé,les données de production continue (récoltées sur 6 mois) et les tests de qualité effectués par des tiers ont confirmé des améliorations significatives de la qualité des produitsLes principaux résultats sont les suivants:
Amélioration de la qualité du produit: la distribution de la taille des gouttelettes de l'émulsion a été significativement affinée et stabilisée.Les résultats des essais ont montré que la D90 de l'émulsion était systématiquement contrôlée entre 6 μm et 9 μmLe taux de défaut "oeil de poisson" dans le film de revêtement final est passé de 15% à moins de 1%.Les essais de stabilité ont montré que l'émulsion ne présentait aucune séparation d'huile., la sédimentation ou la variation de viscosité après 30 jours de stockage à 50°C (test de vieillissement accéléré) et la durée de conservation a été prolongée de 6 mois à 12 mois.l'uniformité de la distribution des composants a été améliorée, l'écart type relatif (EDR) de la teneur en monomère acrylique dans différents échantillons étant passé de 4,1% à 0,9%.
Efficacité de la production et réduction des coûts: le temps total de traitement par lot de 5 tonnes a été réduit de 6 heures à 2 heures, ce qui représente une augmentation de 66,7% de l'efficacité de la production.La capacité de production a été portée de 20 tonnes/jour à 50 tonnes/jourLa consommation d'énergie par lot est passée de 120 kWh à 55 kWh, ce qui représente une réduction des coûts énergétiques de 54,2%.minimiser les déchets de matières premières et réduire les coûts de production d'environ 28%.
Évolutivité et conformité des procédés: le système de contrôle semi-automatisé assurait que les paramètres du procédé (ratio d'alimentation, vitesse de rotation,La capacité de production de l'appareil à haute température (TEMPORATURE) pourrait être reproduite avec précision à différentes échelles de production (de 50L à 5 tonnes de lots industriels)La construction en acier inoxydable 316L et la compatibilité CIP de l'équipement simplifient les procédures de nettoyage.réduire de 40% le temps de nettoyage et assurer le respect des normes d'hygiène industrielleL'étanchéité mécanique et le système de traitement des gaz d'échappement ont empêché la volatilité du monomère, répondant ainsi aux exigences en matière d'émissions environnementales.
Fiabilité de l'équipement: pendant 6 mois de fonctionnement continu, le système d'émulsification a maintenu des performances stables sans temps d'arrêt imprévu.Le cycle de maintenance a été prolongé d'une fois tous les 1 mois (équipement traditionnel) à une fois tous les 6 moisLa conception modulaire de l'équipement a également facilité le remplacement facile des pièces d'usure (par exemple, rotor, stator), réduisant le temps de maintenance et les perturbations opérationnelles.
4Les principales idées et conclusions
Cette étude de cas démontre que l'équipement d'émulsification industriel avancé, associé à une conception de processus optimisée,peut relever efficacement les principaux défis de la production traditionnelle d'émulsionsLe succès de cette mise en œuvre repose sur trois points clés:
Premièrement, la pré-dispersion est un précurseur essentiel à une émulsification de haute qualité.réduire la charge sur les étapes d'émulsification ultérieures et améliorer l'efficacité globale du processusDeuxièmement, l'émulsification à cisaillement élevé en plusieurs étapes avec surveillance en temps réel assure un contrôle précis de la répartition de la taille des gouttelettes.qui est la clé pour améliorer la stabilité de l'émulsion et les performances du produit finalTroisièmement, la conception d'équipements semi-automatisés et évolutifs est essentielle pour la production industrielle, permettant une réplication cohérente des paramètres à toutes les échelles et réduisant la dépendance à l'opération manuelle.
Pour conclure, the adoption of the multi-stage industrial emulsification system has not only resolved the specific process challenges faced in water-based architectural coating emulsion production but also established a stableCette mise en œuvre constitue une référence précieuse pour les fabricants industriels qui cherchent à moderniser leurs lignes de production d'émulsions,soulignant le rôle des équipements de pointe dans l'amélioration de la qualité de conduite, amélioration de l'efficacité et réduction des coûts dans la fabrication d'émulsions industrielles.
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