Anwendungsbeispiel für Hochgeschwindigkeits-Dispergierer und Hochscher-Emulgierer
Im Produktionsprozess von flüssigen und halbfesten Produkten mit Mehrkomponenten- und hochviskosen Eigenschaften spielt die Kombination aus Hochgeschwindigkeits-Dispergierern und Hochscher-Emulgierern eine entscheidende Rolle, um die Materialhomogenität, Feinheit und Produktstabilität zu gewährleisten. Eine Produktionsstätte, die sich mit der Verarbeitung von komplexen Mischmaterialien befasst, stieß einst auf anhaltende Engpässe bei der Materialdispergierung und -emulgierung, was zu einer instabilen Produktqualität und geringer Produktionseffizienz führte. Nach der Einführung eines kombinierten Systems aus Hochgeschwindigkeits-Dispergierern und Hochscher-Emulgierern konnte die Anlage diese Probleme erfolgreich lösen und erhebliche Verbesserungen in der Produktionsleistung und Produktkonsistenz erzielen.
Hintergrund und bestehende Herausforderungen
Die Anlage verarbeitet hauptsächlich Mischmaterialien, die Feststoffpulver, Ölphasen und Wasserphasen enthalten, mit einer täglichen Produktionskapazität von 180 bis 250 Tonnen. Die Produktionslinie arbeitet in drei Schichten, wobei jede Schicht 8 Stunden ununterbrochen läuft. Vor dem Geräte-Upgrade verließ sich die Anlage auf ein einziges traditionelles Mischgerät, um sowohl Dispergier- als auch Emulgierprozesse durchzuführen, was zu folgenden prominenten Problemen führte:
- Unzureichende Fest-Flüssig-Dispergierwirkung: Das traditionelle Mischgerät konnte agglomerierte Feststoffpulverpartikel (Anfangsgröße 50-100 μm) im Materialsystem nicht effektiv aufbrechen. Nach dem Mischen blieben eine große Anzahl feiner Agglomerate zurück, was zu einer ungleichmäßigen Materialzusammensetzung führte. Während der anschließenden Verarbeitung verursachten diese Agglomerate Verstopfungen in Rohrleitungen und Düsen, was zu ungeplanten Produktionsstillständen von durchschnittlich 2-3 Mal pro Woche führte.
- Schlechte Emulgierstabilität: Dem Gerät fehlte eine ausreichende Scherkraft, um eine vollständige Verschmelzung zwischen Öl- und Wasserphasen zu realisieren. Das fertige Produkt zeigte nach 15-20 Tagen Lagerung häufig Schichtungs- oder Delaminierungserscheinungen, wobei die Öl-Wasser-Trennrate 12-15 % erreichte. Dies beeinträchtigte nicht nur die Verwendbarkeit des Produkts, sondern erhöhte auch die Kosten für Nacharbeiten und Abfallentsorgung, wobei die Produktqualifizierungsrate nur bei 82-85 % lag.
- Geringe Produktionseffizienz und hoher Energieverbrauch: Aufgrund der schlechten Verarbeitungswirkung des Einzelgeräts benötigte jede Materialcharge 40-50 Minuten wiederholtes Mischen und Emulgieren, um die grundlegenden Qualitätsanforderungen gerade noch zu erfüllen. Das Gerät arbeitete lange Zeit mit fester hoher Leistung, was zu einem hohen Energieverbrauch pro Einheit führte. Der durchschnittliche tägliche Stromverbrauch erreichte 320 kWh, und die Wartungshäufigkeit des Geräts war hoch, wobei die durchschnittliche Verfügbarkeitsrate nur 80 % betrug.
- Große Qualitätsschwankungen von Charge zu Charge: Dem traditionellen Gerät fehlte eine präzise Kontrolle über die Dispergiergeschwindigkeit, die Emulgierzeit und die Scherkraft. Die sensorische Qualität (Textur, Gleichmäßigkeit) und die physikalisch-chemischen Indikatoren (Viskosität, Partikelgrößenverteilung) der Produkte aus verschiedenen Chargen zeigten deutliche Unterschiede. Dies erschwerte es der Anlage, stabile Produktionsprozesse einzurichten und die gleichbleibenden Qualitätsanforderungen der nachgelagerten Anwendungen zu erfüllen.
Gerätekonfiguration und Prozessoptimierungsplan
Um die oben genannten Probleme zu beheben, optimierte die Anlage den Produktionsprozess und führte ein kombiniertes Verarbeitungssystem ein, das aus Hochgeschwindigkeits-Dispergierern und Hochscher-Emulgierern besteht, wodurch ein integrierter Verarbeitungsmodus "Vordispergierung - Tiefenemulgierung - stabiles Mischen" gebildet wurde. Die Schlüsselkonfiguration des Geräts und die Maßnahmen zur Prozessoptimierung sind wie folgt:
1. Schlüsselkonfiguration des Hochgeschwindigkeits-Dispergierers
Der ausgewählte Hochgeschwindigkeits-Dispergierer ist mit einer Turbinen-Dispergier-Scheibe mit einem Durchmesser von 200 mm ausgestattet, die aus Edelstahl 316L besteht. Die Dispergiergeschwindigkeit kann durch Frequenzumwandlungssteuerung stufenlos im Bereich von 800-3000 U/min eingestellt werden, wodurch eine maximale lineare Geschwindigkeit von 28 m/s erzeugt wird. Das Gerät ist mit einem Hubmechanismus ausgestattet, der die Höhe der Dispergierscheibe innerhalb von 300-800 mm einstellen kann, um sich an verschiedene Materialstände im Mischtank (Volumen 5000 L) anzupassen. Darüber hinaus ist der Dispergierer mit einer Drehmomentüberwachungsvorrichtung ausgestattet, die die Betriebsgeschwindigkeit automatisch an die Widerstandsänderung der Materialien während des Dispergierprozesses anpassen kann, um eine Überlastung zu vermeiden und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.
2. Schlüsselkonfiguration des Hochscher-Emulgierers
Der passende Hochscher-Emulgierer verwendet eine vierstufige Stator-Rotor-Struktur mit einem Scherspalt von 0,08-0,2 mm. Die Rotorgeschwindigkeit kann kontinuierlich zwischen 3000-12000 U/min eingestellt werden, wodurch eine Scherrate von bis zu 75000 s⁻¹ erzeugt wird. Das Gerät ist am Boden des Mischtanks installiert und realisiert eine Inline-Kontinuierliche Emulgierung von Materialien. Es ist mit einer mantelgekühlten Temperaturkontrollvorrichtung ausgestattet, die die Materialtemperatur während der Emulgierung im Bereich von 25-80℃ steuern kann, mit einer Temperaturfluktuationsgenauigkeit von ±1℃, wodurch der Verlust von Wirkstoffen oder die Materialverschlechterung durch übermäßigen Temperaturanstieg während des Hochgeschwindigkeitsscherens vermieden wird.
3. Maßnahmen zur Prozessoptimierung
Der ursprüngliche einstufige Verarbeitungsprozess wurde in einen dreistufigen kombinierten Prozess umgewandelt, wodurch die rationale Arbeitsteilung zwischen den beiden Gerätetypen realisiert wurde:
- Vordispergierungsstufe: Geben Sie zuerst Wasserphasenmaterialien in den Mischtank, starten Sie den Hochgeschwindigkeits-Dispergierer und stellen Sie die Geschwindigkeit auf 2000-2500 U/min ein. Geben Sie dann langsam Feststoffpulvermaterialien in den Tank, während Sie rühren, und führen Sie eine Vordispergierung für 10-15 Minuten durch. Dieser Prozess kann große Agglomerate von Feststoffpartikeln schnell aufbrechen und sie gleichmäßig in der Wasserphase dispergieren, wodurch die Belastung der anschließenden Emulgierungsverarbeitung reduziert wird.
- Tiefenemulgierungsstufe: Nach Abschluss der Vordispergierung geben Sie Ölphasenmaterialien in den Mischtank, starten Sie den Hochscher-Emulgierer, während Sie den Betrieb des Hochgeschwindigkeits-Dispergierers aufrechterhalten. Stellen Sie die Dispergiergeschwindigkeit auf 1200-1500 U/min und die Emulgiergeschwindigkeit auf 8000-10000 U/min ein und führen Sie eine kombinierte Verarbeitung für 15-20 Minuten durch. Der Hochgeschwindigkeits-Dispergierer sorgt für die allgemeine Gleichmäßigkeit der Materialien, während der Hochscher-Emulgierer eine starke Scherkraft erzeugt, um die vollständige Verschmelzung von Öl- und Wasserphasen zu realisieren und feine Partikel auf die erforderliche Größe zu zerkleinern.
- Stabile Mischstufe: Reduzieren Sie nach der Emulgierung die Geschwindigkeit des Hochscher-Emulgierers auf 3000-4000 U/min und die Geschwindigkeit des Hochgeschwindigkeits-Dispergierers auf 800-1000 U/min und führen Sie 5-8 Minuten lang ein stabiles Mischen mit niedriger Geschwindigkeit durch. Dieser Prozess eliminiert die innere Spannung des Materialsystems, stabilisiert die Emulsionsstruktur und gewährleistet die Langzeitlagerstabilität des fertigen Produkts.
Anwendungseffekt und Datenanalyse
Nach 6 Monaten Probebetrieb und Parameteroptimierung hat das kombinierte System aus Hochgeschwindigkeits-Dispergierer und Hochscher-Emulgierer bemerkenswerte Ergebnisse bei der Verbesserung der Produktqualität, der Steigerung der Produktionseffizienz und der Senkung der Betriebskosten erzielt. Der spezifische Datenvergleich vor und nach dem Geräte-Upgrade ist wie folgt:
1. Deutliche Verbesserung der Produktqualität
Die Partikelgrößenverteilung des fertigen Produkts wurde deutlich optimiert. Nach der Vordispergierung durch den Hochgeschwindigkeits-Dispergierer wurde die durchschnittliche Partikelgröße der Feststoffpartikel von 50-100 μm auf 8-12 μm reduziert. Nach der weiteren Emulgierung durch den Hochscher-Emulgierer wurde die endgültige durchschnittliche Partikelgröße des Produkts bei 1-3 μm gehalten, und der Polydispersitätsindex (PDI) wurde unter 0,2 gehalten. Die Öl-Wasser-Trennrate des Produkts während der Lagerung wurde von 12-15 % auf weniger als 2 % nach 60 Tagen Lagerung reduziert, und die Produktstabilität wurde stark verbessert. Die Produktqualifizierungsrate stieg von 82-85 % auf 99,2 %, wodurch die Kosten für Nacharbeiten und Abfallentsorgung im Wesentlichen eliminiert wurden.
2. Bemerkenswerte Verbesserung der Produktionseffizienz
Der kombinierte Verarbeitungsmodus verkürzte die Einzelchargenverarbeitungszeit von 40-50 Minuten auf 30-35 Minuten, und die Verarbeitungseffizienz wurde um etwa 25 % verbessert. Die Anzahl der ungeplanten Stillstände, die durch Rohrleitungsverstopfungen verursacht wurden, wurde von 2-3 Mal pro Woche auf 0-1 Mal pro Monat reduziert, und die Geräteverfügbarkeitsrate wurde von 80 % auf 95 % erhöht. Bei gleicher täglicher Produktionskapazität (180-250 Tonnen) reduzierte die Anlage die Betriebszeit jeder Schicht um 1 Stunde, wodurch die Arbeitskosten gesenkt und gleichzeitig sichergestellt wurde, dass die Produktionsaufgaben pünktlich erledigt werden.
3. Effektive Reduzierung des Energieverbrauchs und der Wartungskosten
Die Frequenzumwandlungsfunktion der beiden Gerätetypen realisierte eine adaptive Leistungsanpassung entsprechend der Verarbeitungsstufe. Der durchschnittliche tägliche Stromverbrauch der Produktionslinie wurde von 320 kWh auf 240 kWh reduziert, eine Reduzierung um 25 %, wodurch jährlich 29.200 kWh Strom eingespart wurden. Der Hochgeschwindigkeits-Dispergierer und der Hochscher-Emulgierer verwenden verschleißfeste Materialien und ein optimiertes Konstruktionsdesign, wodurch die Häufigkeit des Austauschs anfälliger Teile reduziert wird. Die monatlichen Wartungskosten wurden von 8.000 Yuan auf 3.500 Yuan gesenkt, und die jährlichen Wartungskosten wurden um etwa 54.000 Yuan eingespart.
4. Stabilisierung der Qualität von Charge zu Charge
Das präzise Steuerungssystem des Geräts realisiert eine genaue Steuerung der Dispergiergeschwindigkeit, der Emulgierzeit, der Scherkraft und der Temperatur. Der Variationskoeffizient (CV) der wichtigsten Qualitätsindikatoren (Viskosität, Partikelgrößenverteilung) zwischen verschiedenen Produktchargen wurde von 18-22 % auf 3-5 % reduziert, wodurch eine stabile Konsistenz der Produktqualität erreicht wurde. Dies erfüllt nicht nur die Qualitätsanforderungen der nachgelagerten Anwendungen, sondern bietet auch eine zuverlässige Grundlage für die Anlage, um die Produktionsprozesse zu optimieren und die Produktwettbewerbsfähigkeit zu verbessern.
Wichtige Erfahrungen und Betriebshinweise
Während des Anwendungsprozesses fasste die Anlage die folgenden wichtigen Erfahrungen und Betriebshinweise zusammen, um den stabilen Betrieb des kombinierten Gerätesystems zu gewährleisten und seine Leistung voll auszuschöpfen:
- Die Reihenfolge der Materialzugabe und die Geschwindigkeitsanpassung zwischen Hochgeschwindigkeits-Dispergierer und Hochscher-Emulgierer sind entscheidend für den Verarbeitungseffekt. Es ist notwendig, die Zugabe von Feststoffpulvermaterialien während der Vordispergierung zu schnell zu vermeiden und sicherzustellen, dass der Dispergierer eine ausreichende Geschwindigkeit beibehält, um eine Sekundäragglomeration von Partikeln zu verhindern.
- Überprüfen Sie regelmäßig den Verschleißzustand der Dispergierscheibe des Hochgeschwindigkeits-Dispergierers und des Stators/Rotors des Hochscher-Emulgierers. Wenn der Verschleißbetrag 0,5 mm überschreitet, ist ein rechtzeitiger Austausch erforderlich, um die Dispergier- und Emulgierwirkung nicht zu verringern.
- Kontrollieren Sie während des Emulgierungsprozesses die Materialtemperatur streng. Bei wärmeempfindlichen Materialien sollte die Emulgiergeschwindigkeit angemessen reduziert oder das Kühlsystem gestartet werden, um eine Materialverschlechterung durch übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden.
- Richten Sie ein standardisiertes Gerätewartungssystem ein, einschließlich der täglichen Reinigung der Geräteoberflächen und der Materialkontaktteile, der monatlichen Inspektion von Frequenzumrichtern und Steuerungssystemen sowie des vierteljährlichen Austauschs von Schmieröl und Dichtungen, um den langfristigen stabilen Betrieb des Geräts zu gewährleisten.
Zusammenfassung
Die Anwendung des kombinierten Systems aus Hochgeschwindigkeits-Dispergierer und Hochscher-Emulgierer hat die langjährigen Probleme der schlechten Dispergierwirkung, der instabilen Emulgierung, der geringen Produktionseffizienz und der großen Qualitätsschwankungen im Produktionsprozess der Anlage grundlegend gelöst. Durch Prozessoptimierung und eine angemessene Geräteauswahl hat das System die effiziente Integration von Dispergier- und Emulgierfunktionen realisiert, die Produktqualität und die Produktionseffizienz erheblich verbessert und die Betriebskosten gesenkt.
Für Produktionsszenarien mit Mehrkomponenten-Mischmaterialien kann die kombinierte Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Dispergierern und Hochscher-Emulgierern ihre jeweiligen Vorteile voll ausspielen, die Einschränkungen einzelner Geräte ausgleichen und einen effizienteren und stabileren Verarbeitungsmodus bilden. Durch die kontinuierliche Optimierung der Prozessparameter und den standardisierten Gerätebetrieb und die Wartung kann das kombinierte Gerätesystem eine zuverlässige technische Unterstützung für die nachhaltige Entwicklung der Anlage bieten, der Anlage helfen, die Produktionswettbewerbsfähigkeit zu verbessern und sich an die zunehmend strengen Qualitätsanforderungen des Marktes anzupassen.
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