Anwendungsbeispiel für Hochscher-Misch-, Dispergier- und Emulgiergeräte
Bei der Herstellung komplexer Mehrphasenmaterialien (einschließlich Feststoffpulver, Ölphase, Wasserphase und Hilfsstoffe) ist die Integration von Misch-, Dispergier- und Emulgierprozessen der Schlüssel zur Gewährleistung der Produktgleichmäßigkeit, Feinheit und Langzeitstabilität. Eine Produktionsstätte, die sich mit der Herstellung von halbfesten und flüssigen Produkten befasst, stand einst vor erheblichen Engpässen bei der kombinierten Verarbeitung von Materialien. Der traditionelle Modus der Aufteilung der Verarbeitung auf mehrere Geräte führte zu geringer Produktionseffizienz, instabiler Produktqualität und hohen Betriebskosten. Nach der Einführung von Hochscher-Misch-, Dispergier- und Emulgiergeräten löste die Anlage diese Probleme grundlegend und erzielte erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Produktionsleistung, Produktkonsistenz und Kostenkontrolle.
Hintergrund und Herausforderungen vor der Aufrüstung
Die Anlage produziert hauptsächlich Mehrkomponentenprodukte mit einem täglichen Ausstoß von 200-300 Tonnen, was Anwendungen abdeckt, die eine strenge Kontrolle der Partikelgrößenverteilung und der Emulsionsstabilität erfordern. Vor der Aufrüstung der Geräte verwendete die Anlage ein geteiltes Verarbeitungsverfahren: einen herkömmlichen Mischer zum Vormischen, einen Dispergierer zur Feststoffpulverdispergierung und einen Einzelfunktions-Emulgator zur Öl-Wasser-Phasen-Emulgierung. Dieser dreistufige, geteilte Prozess verlängerte nicht nur den Produktionszyklus, sondern brachte auch eine Reihe von gravierenden Problemen mit sich:
- Schlechte Integration von Misch-, Dispergier- und Emulgierwirkungen: Aufgrund des Mangels an synergistischer Koordination zwischen verschiedenen Geräten konnte das Material in jedem Verarbeitungsschritt keinen gleichmäßigen Zustand erreichen. Nach dem Vormischen wurden Feststoffpulveragglomerate (Ausgangspartikelgröße 40-80 μm) nicht vollständig aufgebrochen; während der Dispergierung waren die Partikel ungleichmäßig in der flüssigen Phase verteilt; und der anschließende Emulgierungsprozess konnte die Öl-Wasser-Phase nicht vollständig mit den dispergierten Feststoffpartikeln verschmelzen. Das Endprodukt hatte eine durchschnittliche Partikelgröße von 5-10 μm, und die Öl-Wasser-Trennrate erreichte nach 30 Tagen Lagerung 10-13 %, was die Verwendbarkeit des Produkts ernsthaft beeinträchtigte.
- Langer Produktionszyklus und geringe Effizienz: Der geteilte Prozess erforderte wiederholtes Umfüllen von Materialien zwischen verschiedenen Geräten, und jeder Umfüllvorgang dauerte 15-20 Minuten. Die Gesamtverarbeitungszeit für eine einzelne Charge (5 Tonnen) betrug 60-70 Minuten, und die Geräteauslastung lag aufgrund der Wartezeit zwischen den Prozessen nur bei 75 %. Darüber hinaus verursachte der Umfüllvorgang Materialverluste (Verlustrate 2-3 %), was den Rohstoffverbrauch erhöhte.
- Große Schwankungen der Qualität von Charge zu Charge: Der geteilte Verarbeitungsprozess basierte auf manueller Bedienung zur Anpassung der Parameter verschiedener Geräte, und die Parameteranpassung zwischen Misch-, Dispergier- und Emulgierabschnitten war schwer zu standardisieren. Der Variationskoeffizient (CV) der wichtigsten Qualitätsindikatoren (Partikelgrößenverteilung, Viskosität, Stabilität) zwischen den Chargen erreichte 16-22 %, was zu einer Fertigproduktqualifizierungsrate von nur 83-86 % führte. Eine große Anzahl von nicht qualifizierten Produkten musste nachgearbeitet oder verworfen werden, was die Produktionskosten erhöhte.
- Hoher Energieverbrauch und Wartungskosten: Drei Gerätegruppen arbeiteten gleichzeitig, mit einem durchschnittlichen täglichen Stromverbrauch von 380 kWh. Jedes Gerät hatte unabhängige Verschleißteile (wie Mischflügel, Dispergiererscheiben, Emulgator-Stator-Rotor), die häufig ausgetauscht werden mussten. Die monatlichen Wartungskosten betrugen etwa 9.000 Yuan, und die Geräteausfallzeiten aufgrund von Wartungsarbeiten erreichten 8-10 Stunden pro Monat.
- Risiko der Materialkontamination während des Umfüllens: Der Materialumfüllprozess erforderte den Kontakt mit Rohrleitungen, Ventilen und Umfüllbehältern, und die Toträume in diesen Komponenten waren schwer gründlich zu reinigen. Restmaterialien aus früheren Chargen konnten nachfolgende Materialien kontaminieren, insbesondere bei Produkten mit hohen Hygieneanforderungen, was das Risiko von nicht qualifizierten Produkten aufgrund von Kontamination erhöhte.
Geräteauswahl und Kernkonfiguration
Um die oben genannten Probleme zu lösen, verzichtete die Anlage auf das traditionelle geteilte Verarbeitungsverfahren und wählte ein Hochscher-Misch-, Dispergier- und Emulgiergerät mit integrierten Funktionen. Das Gerät integriert Mischen, Dispergieren und Emulgieren in einer Einheit und realisiert die One-Stop-Verarbeitung von Materialien ohne Umfüllen. Seine Kernkonfiguration und technischen Eigenschaften sind darauf ausgelegt, die Schwachstellen der geteilten Verarbeitung zu beheben, und die wichtigsten Konfigurationen sind wie folgt:
1. Integrierter multifunktionaler Arbeitskopf
Das Gerät verwendet eine kombinierte Arbeitskopfstruktur, die drei Funktionsmodule integriert: Hochgeschwindigkeits-Dispergiererscheibe, Mehrstufen-Scher-Stator-Rotor und Dreidimensionaler Mischflügel. Die Dispergiererscheibe (Durchmesser 220 mm) dreht sich mit einer Geschwindigkeit von 800-3500 U/min, wodurch große Agglomerate von Feststoffpulver schnell aufgebrochen werden können; der Mehrstufen-Scher-Stator-Rotor (3 Stufen, Scherspalt 0,06-0,2 mm) hat einen Drehzahlbereich von 3000-12000 U/min und erzeugt eine Scherrate von bis zu 80.000 s⁻¹, wodurch eine vollständige Verschmelzung der Öl-Wasser-Phasen und eine weitere Verfeinerung der Partikel realisiert wird; der dreidimensionale Mischflügel (Geschwindigkeit 50-200 U/min) sorgt für die allgemeine Gleichmäßigkeit der Materialien im Tank und vermeidet lokale Unterverarbeitung. Alle Funktionsmodule bestehen aus 316L-Edelstahl mit Spiegelpolitur (Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,8 μm), der korrosionsbeständig und leicht zu reinigen ist.
2. Präzises Parametersteuerungssystem
Das Gerät ist mit einem intelligenten SPS-Steuerungssystem mit einer Touchscreen-Bedienoberfläche ausgestattet, das eine unabhängige und verknüpfte Steuerung von Mischgeschwindigkeit, Dispergiergeschwindigkeit, Emulgiergeschwindigkeit, Verarbeitungszeit und Materialtemperatur realisieren kann. Die Drehzahlregelgenauigkeit beträgt ±10 U/min, die Zeitregelgenauigkeit ±1 Sekunde und der Temperaturregelbereich 0-100℃ (Schwankungsgenauigkeit ±1,5℃). Das System unterstützt die Speicherung von 80 Sätzen von Prozessparametern, wodurch die Parametereinstellungen verschiedener Produkte und Chargen standardisiert werden können, wodurch Qualitätsschwankungen durch manuelle Bedienung vermieden werden. Darüber hinaus kann das System die Parameterkurve während des Verarbeitungsprozesses automatisch aufzeichnen und so eine zuverlässige Datenunterstützung für die Prozessoptimierung und die Qualitätsverfolgung bieten.
3. Geschlossene Tankstruktur ohne Materialumfüllung
Das Gerät verwendet eine geschlossene vertikale Tankstruktur mit einem Volumen von 5000 l (Arbeitsvolumen 4000 l), die alle Prozesse des Mischens, Dispergierens und Emulgierens im selben Tank ohne Materialumfüllung durchführen kann. Der Tankkörper ist mit einer mantelartigen Temperaturregeleinrichtung ausgestattet, die das Erhitzen oder Kühlen von Materialien entsprechend den Prozessanforderungen realisieren kann, wodurch eine Materialverschlechterung durch Temperaturanstieg während des Hochscherens und Dispergierens vermieden wird. Der Tankdeckel wird hydraulisch angehoben, was das Befüllen, Reinigen und Warten erleichtert, und die Dichtungsleistung des Tankkörpers erfüllt die Anforderungen von GMP- und Lebensmittelsicherheitsstandards.
4. Energiesparendes und verschleißfestes Design
Das Gerät verwendet einen frequenzumrichtergesteuerten Energiesparmotor, der die Leistungsabgabe entsprechend der Verarbeitungsstufe anpassen kann (geringe Leistung zum Mischen, hohe Leistung zum Dispergieren und Emulgieren), wodurch der Leerlaufenergieverbrauch reduziert wird. Der Arbeitskopf verwendet eine verschleißfeste Beschichtung (Wolframkarbidbeschichtung), die die Lebensdauer der Verschleißteile verlängert. Das Schmiersystem verwendet H1-Lebensmittelsicherheits-Schmieröl, das ungiftig und mit den Produktionsanforderungen kompatibel ist, und das Schmierölwechselintervall wird auf 8000 Betriebsstunden verlängert.
5. CIP-Automatikreinigungssystem
Das Gerät ist mit einem CIP-Automatikreinigungssystem (Clean-In-Place) ausgestattet, das Reinigungsdüsen umfasst, die am Tankdeckel und im Tankkörper installiert sind. Die Reinigungsdüsen können Reinigungsmittel in 360 Grad sprühen und alle Innenflächen des Tankkörpers und des Arbeitskopfs abdecken. Der Reinigungsprozess kann innerhalb von 20-30 Minuten abgeschlossen werden, wodurch Toträume eliminiert und das Risiko einer Materialkreuzkontamination reduziert wird. Die Reinigungswirkung erfüllt die Hygieneanforderungen der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie.
Implementierungsprozess und Prozessoptimierung
Nachdem das Gerät in Betrieb genommen wurde, führte die Anlage einen 4-monatigen Probebetrieb und eine Prozessoptimierung durch. Der ursprüngliche dreistufige, geteilte Prozess wurde in einen einstufigen, integrierten Verarbeitungsprozess umgewandelt, und die wichtigsten Implementierungsschritte und Optimierungsmaßnahmen sind wie folgt:
1. Prozessintegration und Parameterkalibrierung
Die Anlage wählte 6 typische Produktformeln (einschließlich Produkte mit hohem Feststoffgehalt, hoher Viskosität und Öl-Wasser-Dualphasen-Eigenschaften) zur Parameterkalibrierung aus. Für jede Formel wurde die optimale Parameterkombination aus Misch-, Dispergier- und Emulgierabschnitten durch wiederholte Tests ermittelt. Am Beispiel eines Produkts mit 30 % Feststoffpulver und 25 % Ölphase wurden die optimalen Parameter wie folgt ermittelt: Mischgeschwindigkeit 100 U/min (Dauer 5 Minuten) zum Vormischen der Wasserphase und der Hilfsstoffe; Dispergiergeschwindigkeit 2800 U/min (Dauer 10 Minuten) zum Aufbrechen von Feststoffpulveragglomeraten; Emulgiergeschwindigkeit 9000 U/min (Dauer 15 Minuten) zur Öl-Wasser-Phasen-Verschmelzung und Partikelverfeinerung; und endgültige Mischgeschwindigkeit 80 U/min (Dauer 5 Minuten) zur Stabilisierung des Produktsystems. Unter dieser Parameterkombination wurde die durchschnittliche Partikelgröße des Produkts auf 1,2-2,0 μm reduziert, und die Emulsionsstabilität wurde deutlich verbessert.
2. Chargenreproduzierbarkeitsprüfung
Nachdem die optimalen Parameter für jedes Produkt ermittelt wurden, führte die Anlage eine Chargenreproduzierbarkeitsprüfung durch. Für jede Formel wurden 12 aufeinanderfolgende Chargen von Proben unter Verwendung der gespeicherten Parametereinstellungen hergestellt. Die Testergebnisse zeigten, dass der Variationskoeffizient (CV) der wichtigsten Qualitätsindikatoren zwischen den Chargen von 16-22 % auf 2-4 % reduziert wurde und die Fertigproduktqualifizierungsrate auf über 99 % erhöht wurde. Dies bestätigte, dass die integrierten Geräte und standardisierten Parametereinstellungen das Problem großer Schwankungen der Qualität von Charge zu Charge effektiv lösen konnten.
3. Straffung des Produktionsprozesses
Der integrierte Verarbeitungsmodus eliminierte den Materialumfüllvorgang zwischen verschiedenen Geräten. Die Einzelchargenverarbeitungszeit wurde von 60-70 Minuten auf 35-40 Minuten verkürzt, und die Verarbeitungseffizienz wurde um etwa 40 % verbessert. Die Materialverlustrate wurde aufgrund der geschlossenen Tankstruktur von 2-3 % auf weniger als 0,5 % reduziert, was den Rohstoffverbrauch deutlich senkte. Darüber hinaus wurde die Anzahl der für eine einzelne Produktionslinie erforderlichen Bediener von 3 auf 2 reduziert, wodurch die Arbeitskosten gesenkt und gleichzeitig die Produktionseffizienz verbessert wurde.
4. Optimierung des Reinigungsprozesses
Das CIP-Automatikreinigungssystem ersetzte den ursprünglichen manuellen Reinigungsmodus. Die Reinigungszeit pro Charge wurde von 40-50 Minuten auf 20-30 Minuten reduziert, und die Reinigungswirkung war stabiler. Die Anzahl der durch Materialkontamination verursachten nicht qualifizierten Produkte wurde von 2-3 Mal pro Monat auf 0-1 Mal pro Quartal reduziert, wodurch die Stabilität der Produktqualität weiter verbessert wurde.
Anwendungseffekte und Datenanalyse
Nach 8 Monaten formellen Betriebs hat das Hochscher-Misch-, Dispergier- und Emulgiergerät bemerkenswerte Ergebnisse bei der Verbesserung der Produktqualität, der Steigerung der Produktionseffizienz, der Reduzierung des Energieverbrauchs und der Wartungskosten erzielt. Der spezifische Datenvergleich vor und nach der Geräteaufrüstung ist wie folgt:
1. Deutliche Verbesserung der Produktqualität
Die durchschnittliche Partikelgröße des Fertigprodukts wurde von 5-10 μm auf 1,0-2,5 μm reduziert, und der Polydispersitätsindex (PDI) wurde unter 0,18 gehalten, was die Feinheit und Gleichmäßigkeit des Produkts deutlich verbesserte. Die Öl-Wasser-Trennrate des Produkts während der Lagerung wurde von 10-13 % auf weniger als 1,5 % nach 60 Tagen Lagerung reduziert, und die Produktstabilität wurde stark erhöht. Für Produkte mit hohen Hygieneanforderungen wurde die Gesamtkeimzahl stabil unter 10 KBE/g gehalten, was die strengsten Hygienestandards der Branche erfüllt. Die Fertigproduktqualifizierungsrate stieg von 83-86 % auf 99,3 %, wodurch die Kosten für Nacharbeit und Abfallentsorgung im Wesentlichen eliminiert wurden.
2. Bemerkenswerte Verbesserung der Produktionseffizienz
Die Einzelchargenverarbeitungszeit wurde um 40 % verkürzt, und die tägliche Produktionskapazität wurde bei gleicher Betriebszeit (20 Stunden pro Tag) von 200-300 Tonnen auf 350-400 Tonnen erhöht. Die Geräteauslastung wurde von 75 % auf 95 % erhöht, und die Anzahl der ungeplanten Ausfälle, die durch Prozessprobleme oder Geräteausfälle verursacht wurden, wurde von 3-4 Mal pro Monat auf 0-1 Mal pro Monat reduziert. Der Materialumfüllvorgang wurde eliminiert, wodurch 2-3 Stunden Umfüllzeit pro Tag eingespart und die Kontinuität der Produktion verbessert wurde.
3. Effektive Reduzierung des Energieverbrauchs und der Kosten
Das frequenzumrichtergesteuerte Energiespardesign des Geräts reduzierte den durchschnittlichen täglichen Stromverbrauch von 380 kWh auf 240 kWh, eine Reduzierung um 36,8 %, wodurch jährlich 51.100 kWh Strom eingespart wurden. Das verschleißfeste Design des Arbeitskopfs und das verlängerte Schmierölwechselintervall reduzierten die monatlichen Wartungskosten von 9.000 Yuan auf 3.200 Yuan, und die jährlichen Wartungskosten wurden um etwa 69.600 Yuan gesenkt. Die Materialverlustrate wurde um 1,5-2,5 Prozentpunkte reduziert, wodurch die Rohstoffkosten jährlich um etwa 8 % gesenkt wurden. Die Gesamtkosten (Energie, Wartung, Rohstoffe, Arbeit) wurden jährlich um etwa 12 % gesenkt.
4. Reduzierung des Kontaminationsrisikos und Verbesserung der Betriebssicherheit
Die geschlossene Tankstruktur und das CIP-Automatikreinigungssystem eliminierten das Kontaminationsrisiko, das durch Materialumfüllung und manuelle Reinigung verursacht wurde. Die Anzahl der Produktkontaminationsvorfälle wurde um mehr als 90 % reduziert, und die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Produktion wurden deutlich verbessert. Das Gerät ist mit mehreren Sicherheitsfunktionen ausgestattet (Überlast-, Übertemperatur-, Überdruckschutz), die bei Auftreten von Anomalien automatisch abschalten und so Geräteschäden und Personensicherheitsunfälle vermeiden. Der hydraulische Hebetankdeckel und der vereinfachte Bedienprozess reduzierten die Arbeitsintensität der Bediener und verbesserten die Sicherheit des Betriebs.
5. Verbesserung der Prozessskalierbarkeit
Die Parameter-Speicher- und -Abruffunktionen des Geräts erleichterten den Wechsel zwischen verschiedenen Produktformeln. Für die Entwicklung neuer Produkte können die optimalen Prozessparameter durch Kleinserientests auf demselben Gerät schnell ermittelt und die Parameter direkt auf die Massenproduktion angewendet werden, wodurch der Entwicklungszyklus neuer Produkte um 30-40 % verkürzt wird. Die technischen Parameter des Geräts sind mit der Produktion im Pilotmaßstab und im industriellen Maßstab kompatibel und bieten eine zuverlässige Unterstützung für die zukünftige Produktionserweiterung der Anlage.
Wichtige Erfahrungen und Betriebshinweise
Während des Anwendungsprozesses fasste die Anlage eine Reihe von wichtigen Erfahrungen und Betriebshinweisen zusammen, um den stabilen Betrieb des Hochscher-Misch-, Dispergier- und Emulgiergeräts zu gewährleisten und seine integrierte Leistung voll auszuschöpfen:
- Die Parameteranpassung zwischen verschiedenen Funktionsmodulen ist entscheidend. Bei hochviskosen Materialien sollte die Mischgeschwindigkeit zunächst angemessen erhöht werden, um einen gleichmäßigen Materialfluss zu gewährleisten, dann sollten die Dispergier- und Emulgiergeschwindigkeiten schrittweise erhöht werden, um eine Überlastung des Geräts und ein Verspritzen des Materials zu vermeiden.
- Die Reihenfolge der Zugabe beeinflusst die Verarbeitungswirkung erheblich. Bei Mehrphasenmaterialien wird empfohlen, zuerst die kontinuierliche Phase (z. B. Wasserphase) hinzuzufügen, dann die dispergierte Phase (z. B. Ölphase) und das Feststoffpulver unter Rühren hinzuzufügen, wodurch lokale Agglomeration vermieden und die Gleichmäßigkeit der Dispergierung und Emulgierung verbessert werden kann.
- Regelmäßige Inspektion und Wartung des Arbeitskopfs sind unerlässlich. Der Verschleißzustand der Dispergiererscheibe, des Stators und des Rotors sollte alle 400 Betriebsstunden überprüft werden. Wenn der Verschleißbetrag 0,5 mm überschreitet oder die Oberfläche stark zerkratzt ist, sollten die Verschleißteile rechtzeitig ausgetauscht werden, um die Verarbeitungswirkung sicherzustellen.
- Das CIP-Reinigungssystem sollte standardmäßig verwendet werden. Nach jeder Produktionscharge sollte der Reinigungsprozess in strikter Übereinstimmung mit den festgelegten Verfahren durchgeführt werden, und die Reinigungswirkung sollte regelmäßig überprüft werden (z. B. Restmaterialerkennung), um eine Kreuzkontamination zwischen den Chargen zu vermeiden.
- Bei wärmeempfindlichen Materialien sollte die Temperatur während der Verarbeitung streng kontrolliert werden. Die mantelartige Temperaturregeleinrichtung kann verwendet werden, um die Materialien zu kühlen, und die Verarbeitungszeit und -geschwindigkeit sollten angemessen angepasst werden, um den Verlust von Wirkstoffen oder eine Materialverschlechterung durch übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden.
- Die Bediener sollten professionell geschult werden. Vor der Bedienung des Geräts sollten sich die Bediener mit der Struktur, dem Funktionsprinzip und den Parametereinstellmethoden des Geräts vertraut machen und sich strikt an die Bedienverfahren halten, um Bedienungsfehler zu vermeiden.
Zusammenfassung
Die Anwendung von Hochscher-Misch-, Dispergier- und Emulgiergeräten hat die Probleme schlechter Verarbeitungswirkung, geringer Produktionseffizienz, großer Qualitätsschwankungen und hoher Betriebskosten, die durch das traditionelle geteilte Verarbeitungsverfahren verursacht wurden, in der Anlage grundlegend gelöst. Durch die Integration von Misch-, Dispergier- und Emulgierfunktionen in einer Einheit realisiert das Gerät die One-Stop-Verarbeitung von Materialien, eliminiert Materialumfüllvorgänge und gewährleistet die Gleichmäßigkeit und Stabilität der Produkte.
Das präzise Parametersteuerungssystem des Geräts standardisiert den Produktionsprozess, reduziert die Auswirkungen der manuellen Bedienung auf die Produktqualität und verbessert die Chargenreproduzierbarkeit der Produkte. Das energiesparende und verschleißfeste Design sowie das CIP-Automatikreinigungssystem reduzieren nicht nur die Betriebskosten und den Wartungsaufwand der Anlage, sondern verbessern auch die Sicherheit und den Hygienestandard der Produktion.
Für Produktionsszenarien mit Mehrkomponenten-, Mehrphasenmaterialien, die eine integrierte Verarbeitung von Mischen, Dispergieren und Emulgieren erfordern, ist das Hochscher-Misch-, Dispergier- und Emulgiergerät eine zuverlässige Wahl. Es kann nicht nur die Produktqualität und die Produktionseffizienz verbessern, sondern auch die Betriebskosten und -risiken senken und eine solide technische Unterstützung für die nachhaltige Entwicklung der Anlage bieten. Durch standardisierten Betrieb, regelmäßige Wartung und kontinuierliche Prozessoptimierung kann das Gerät eine größere Rolle in der Produktion spielen und der Anlage helfen, sich an die immer strengeren Marktanforderungen an die Qualität anzupassen.
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