Fallstudie: Hochscherender, bodenmontierter Emulgator zur Optimierung industrieller Emulgierprozesse
In der industriellen Produktion, die die Verarbeitung von Mehrphasenmaterialien umfasst, ist die Emulgierung ein Schlüsselverfahren, das sich direkt auf die Produktleistung, die Lagerstabilität und die Verarbeitungskosten auswirkt. Für Hersteller, die in der Produktion von wasserbasierten Beschichtungen, Klebstoffen und Polymeremulsionen tätig sind, waren die vollständige Dispergierung von nicht mischbaren Öl- und Wasserphasen, die Vermeidung von Materialabsetzung in Großvolumenkesseln und die Gewährleistung einer chargenübergreifenden Produktkonsistenz lange Zeit die größten Herausforderungen, die die Produktionsentwicklung einschränkten. Diese Fallstudie erläutert, wie ein Hersteller diese Prozessengpässe erfolgreich durch die Einführung eines hochscherenden, bodenmontierten Emulgators beseitigt hat, und stellt die spezifischen Anwendungseffekte und Prozessverbesserungen in sachlicher Weise dar.
1. Produktionshintergrund und bestehende Herausforderungen
Der Hersteller ist in der Produktion von wasserbasierten Funktionsemulsionen tätig, die in Architekturbeschichtungen, Holzleimen und anderen Bereichen weit verbreitet sind. Vor der Einführung des hochscherenden, bodenmontierten Emulgators verwendete das Unternehmen traditionelle, oben montierte Paddelrührwerke für Emulgieroperationen. Mit der Ausweitung der Produktionskapazität wurden die 5000L- und 8000L-Großvolumenreaktionskessel nach und nach zu den wichtigsten Produktionsanlagen, und die Einschränkungen der traditionellen Rührwerke wurden immer deutlicher, was eine Reihe von Problemen für den Produktionsprozess mit sich brachte.
Die wichtigsten Herausforderungen im Produktionsprozess sind wie folgt:
- Unzureichende Emulgierwirkung und schlechte Produktstabilität: Die von dem traditionellen, oben montierten Paddelrührwerk erzeugte Scherkraft ist relativ schwach und kann nur ein einfaches Mischen der Materialien erreichen, aber die Öltropfen und Feststoffpartikel im Emulsionssystem nicht effektiv aufbrechen. Die hergestellte Emulsion hat eine große durchschnittliche Partikelgröße (ca. 45-60 μm), und die Partikelgrößenverteilung ist ungleichmäßig. Während des Lagerprozesses treten häufig Phasentrennung und Schichtung auf, was die Produktqualität und das Benutzererlebnis beeinträchtigt. Die Produktqualifizierungsrate wird seit langem bei etwa 87 % gehalten.
- Erhebliche Materialabsetzung und Totzonen beim Rühren: Aufgrund des großen Volumens des Produktionskessels und des begrenzten Rührbereichs des oben montierten Rührwerks ist es schwierig, die Rührwirkung auf die Boden- und Randbereiche des Kessels auszudehnen. Eine große Menge an festen Pulverzusätzen und hochviskosen Materialien setzt sich leicht am Boden des Kessels ab und bildet Totzonen beim Rühren. Diese abgesetzten Materialien können nicht vollständig mit dem Hauptsystem vermischt werden, was nicht nur zu Rohstoffverschwendung führt, sondern auch zu unterschiedlichen Gehaltsanteilen der Komponenten des Endprodukts führt, was zu großen Leistungsunterschieden zwischen den Chargen führt.
- Langer Produktionszyklus und geringe Produktionseffizienz: Um die Emulgierwirkung so weit wie möglich zu verbessern, musste der Hersteller die Rührzeit auf 9-11 Stunden pro Charge verlängern. Unter dieser Bedingung können nur 2 Chargen Produkte pro Tag hergestellt werden, was den wachsenden Marktanforderungen nicht gerecht werden kann. Gleichzeitig erhöhen die langen Rührvorgänge auch die Arbeits- und Verwaltungskosten des Unternehmens.
- Hoher Energieverbrauch und Wartungskosten: Das traditionelle, oben montierte Rührwerk muss über einen langen Zeitraum eine hohe Leistung aufrechterhalten, um die Mischwirkung zu gewährleisten, was zu einem hohen Energieverbrauch führt. Der Stromverbrauch pro Charge erreicht 380 kWh, was einen großen Druck auf die Kostenkontrolle des Unternehmens ausübt. Darüber hinaus neigen die Rührwerkswelle und die Flügel dazu, an Materialien zu haften, und die Reinigungsarbeiten nach jeder Charge dauern 2,5-3 Stunden. Der Verschleiß von Lagern und Dichtungen ist während des Betriebs erheblich und erfordert alle 1,5-2 Monate eine Wartung, was die Produktionskosten weiter erhöht.
2. Geräteauswahl und technische Merkmale
Nach eingehender Untersuchung des Produktionsprozesses, Analyse der Materialeigenschaften und Prozessanforderungen sowie Durchführung mehrerer Vor-Ort-Tests und technischer Demonstrationen entschied sich der Hersteller schließlich für die Verwendung des hochscherenden, bodenmontierten Emulgators, um das traditionelle, oben montierte Paddelrührwerk zu ersetzen. Das Gerät ist speziell für Großvolumenreaktionskessel konzipiert, wobei der Arbeitskopf am Boden des Kessels installiert ist, der direkt auf die Materialien am Boden des Kessels einwirken kann und so die Probleme der Materialabsetzung und der Totzonen beim Rühren grundlegend löst. Die wichtigsten technischen Merkmale des Geräts sind wie folgt:
- Leistungskonfiguration: Ausgestattet mit einem 45-kW-Hocheffizienz-Frequenzumrichter-Motor, der eine stufenlose Drehzahlregelung im Bereich von 500-3000 U/min realisieren kann, geeignet für die Emulgierverarbeitung von 4000-10000L Chargenmaterialien, voll und ganz passend zu den 5000L- und 8000L-Produktionskesseln des Herstellers.
- Rotor-Stator-Struktur: Verwendung einer dreilagigen, verzahnten Rotor-Stator-Anordnung mit einem Präzisionspassspalt von 0,15-0,4 mm. Das spezielle Zahnformdesign kann eine starke Scherkraft und turbulente Strömung erzeugen, wenn sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit dreht, wodurch die Öltropfen und Feststoffpartikel im Materialsystem effektiv in kleine Partikel zerlegt werden.
- Materialauswahl: Alle Teile, die mit Materialien in Kontakt kommen, bestehen aus Edelstahl 316L, der eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist. Die Oberfläche der Teile ist auf Ra≤0,3μm poliert, was den Anforderungen der industriellen Produktion an die Materialreinheit entspricht und eine Materialkontamination vermeidet.
- Dichtungssystem: Verwendung einer doppelendigen Gleitringdichtungskonstruktion mit Kühl- und Spülfunktionen, die Materialleckagen wirksam verhindern und den stabilen Betrieb des Geräts bei Hochgeschwindigkeitsdrehung und Hochtemperaturbedingungen gewährleisten kann. Die Lebensdauer der Dichtung ist deutlich länger als die herkömmlicher Dichtungen.
- Steuerungssystem: Ausgestattet mit einem intelligenten SPS-Steuerungssystem, das die automatische Steuerung des Emulgierprozesses realisieren kann. Es kann Parameter wie Drehzahl, Arbeitszeit und Materialtemperatur entsprechend verschiedenen Materialformeln einstellen und anpassen und verfügt über die Funktionen Alarmauslösung und Datenaufzeichnung, was für die Produktionsverwaltung und die Qualitätsverfolgung praktisch ist.
Das Funktionsprinzip des hochscherenden, bodenmontierten Emulgators ist wie folgt: Wenn das Gerät in Betrieb ist, dreht sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit und erzeugt einen starken Unterdruck im Spalt zwischen Rotor und Stator, der die Materialien am Boden und im oberen Teil des Kessels in die Scherzone saugt. In der Scherzone werden die Materialien umfassenden Effekten wie starkem Scheren, Zentrifugalextrusion, Flüssigkeitsschichtreibung und -aufprall ausgesetzt, so dass die großen Öltropfen und Feststoffpartikel schnell aufgebrochen und verfeinert werden. Gleichzeitig treibt die Hochgeschwindigkeitsströmung der Materialien die Gesamtumwälzung der Materialien im Kessel an, so dass alle Materialien vollständig gemischt und emulgiert werden können und schließlich ein gleichmäßiges und stabiles Emulsionssystem gebildet wird.
3. Anwendungseffekte und Datenanalyse
Nachdem der hochscherende, bodenmontierte Emulgator offiziell in Betrieb genommen wurde, führte der Hersteller einen zweimonatigen Vergleichstest zwischen dem neuen Gerät und dem traditionellen Rührwerk durch. Während der Testphase wurden die Materialformel und die Produktionsprozessparameter konstant gehalten, und die Produktqualität, die Produktionseffizienz, der Energieverbrauch und andere Indikatoren wurden umfassend erfasst und analysiert. Der Anwendungseffekt war deutlich besser als erwartet, und die wichtigsten Indikatoren wurden stark verbessert.
3.1 Die Produktqualität ist deutlich verbessert
Die Partikelgröße der mit dem neuen Gerät hergestellten Emulsion wurde mit einem Laserpartikelgrößenanalysator gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die durchschnittliche Partikelgröße der Emulsion von 52 μm (traditionelles Rührwerk) auf 1,8-4,5 μm reduziert wurde und der Partikelgrößenverteilungsbereich um 75 % verringert wurde. Der Stabilitätstest der Emulsion zeigte, dass nach 8 Monaten statischer Lagerung bei Raumtemperatur keine Phasentrennung, Schichtung oder Ausfällung auftrat und die Stabilität des Produkts deutlich erhöht wurde. Die Produktqualifizierungsrate stieg von 87 % auf 98,8 %, und die Anzahl der fehlerhaften Produkte, die durch Emulgierungsprobleme verursacht wurden, sank um 95 %.
Darüber hinaus wurde die Konsistenz der Produktleistung zwischen den Chargen deutlich verbessert. Die Erkennungsdaten von wichtigen Leistungsindikatoren wie Produktviskosität, Feststoffgehalt und Haftung zeigen, dass der Variationskoeffizient (CV) jedes Indikators von 9,5 % auf 1,2 % reduziert wird, was die Gleichmäßigkeit der Produktqualität effektiv gewährleistet und die strengen Anforderungen der nachgelagerten Kunden an die Produktleistung erfüllt.
3.2 Die Produktionseffizienz ist stark erhöht
Aufgrund der starken Schereffizienz des hochscherenden, bodenmontierten Emulgators wird die Emulgierzeit pro Charge von 9-11 Stunden auf 3,5-4,5 Stunden verkürzt, eine Reduzierung um durchschnittlich 60 %. Die tägliche Produktionskapazität wird von 2 Chargen auf 5-6 Chargen erhöht, und die monatliche Leistung wird um 160 % erhöht, ohne dass die Produktionsstätte und das Betriebspersonal aufgestockt werden müssen. Gleichzeitig wird die Reinigungszeit nach jeder Charge von 2,5-3 Stunden auf 30-45 Minuten verkürzt, was die Nichtproduktionszeit erheblich reduziert und die kontinuierliche Produktionskapazität des Geräts verbessert.
3.3 Energieverbrauch und Wartungskosten sind reduziert
Obwohl die Leistung des hochscherenden, bodenmontierten Emulgators 45 kW beträgt, was höher ist als die des traditionellen, oben montierten Rührwerks (32 kW), reduziert die deutliche Verkürzung der Arbeitszeit den Stromverbrauch pro Charge von 380 kWh auf 171 kWh, eine Reduzierung um 55 %. Basierend auf der jährlichen Produktion von 300 Chargen können die jährlichen Energiekosten um mehr als 200.000 Yuan eingespart werden.
In Bezug auf die Wartung reduzieren die doppelendige Gleitringdichtungskonstruktion und die hochwertige Materialauswahl den Verschleiß der Gerätekomponenten. Der Wartungszyklus wird von einmal alle 1,5-2 Monate auf einmal alle 8-10 Monate verlängert, und die jährlichen Wartungskosten werden um 70 % gesenkt. Während der zweimonatigen Testphase lief das Gerät stabil ohne Ausfallzeiten, was die Kontinuität und Stabilität des Produktionsprozesses gewährleistete.
3.4 Die Materialausnutzungsrate ist verbessert
Der bodenmontierte Arbeitskopf des hochscherenden, bodenmontierten Emulgators kann die Materialien am Boden des Kessels vollständig verrühren und die Totzone beim Rühren vollständig eliminieren. Das Problem der Absetzung von festen Pulverzusätzen und hochviskosen Materialien wird gelöst, und die Materialien können vollständig gemischt und genutzt werden. Die Ausnutzungsrate der Rohstoffe wird von 91 % auf 99,5 % erhöht, wodurch der jährliche Rohstoffabfall um mehr als 10 Tonnen reduziert wird, was die Produktionskosten des Unternehmens weiter senkt.
4. Fazit
Die Anwendung des hochscherenden, bodenmontierten Emulgators hat die langwierigen Probleme des Herstellers im Emulgierproduktionsprozess wie ungleichmäßige Emulgierung, Materialabsetzung, langer Produktionszyklus und hoher Energieverbrauch effektiv gelöst. Während die Produktqualität und die Produktionseffizienz deutlich verbessert wurden, wurden auch die Produktionskosten erheblich gesenkt, was die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens auf dem Markt erhöht.
Dieser Fall zeigt deutlich, dass der hochscherende, bodenmontierte Emulgator für industrielle Hersteller mit Großvolumen-, hochviskosen und Mehrphasenmaterial-Emulgieranforderungen deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Mischgeräten aufweist. Sein einzigartiges bodenmontiertes Design, seine starke Scherkraft und sein intelligentes Steuerungssystem können den Emulgierprozess effektiv optimieren, die Produktionseffizienz und die Produktqualität verbessern und dem Unternehmen erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen.
Gegenwärtig hat der Hersteller den hochscherenden, bodenmontierten Emulgator auf alle seine Produktionslinien ausgeweitet und gute Anwendungsergebnisse erzielt. Diese erfolgreiche Anwendungserfahrung kann anderen ähnlichen Herstellern in der Branche wertvolle Anhaltspunkte für die Optimierung des Emulgierproduktionsprozesses und die Realisierung der industriellen Modernisierung liefern.
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