생산 우수성 향상: 균질화 전단 유화제 구현에 대한 사례 연구
1. 소개
화장품 및 의약품부터 식품 가공 및 산업용 코팅에 이르기까지 다양한 산업에서 유화 공정은 제품 품질, 안정성 및 성능에 직접적인 영향을 미치는 중요한 단계입니다. 두 개의 혼합되지 않는 액체(예: 기름과 물)가 미세한 물방울로 분산되는 균일하고 안정적인 유제를 얻으려면 전단력, 온도 및 혼합 역학을 정밀하게 제어해야 합니다. 그러나 많은 제조업체의 경우 기존 유화 장비는 변화하는 생산 요구 사항을 충족하지 못하는 경우가 많아 제품 품질의 불일치, 처리 시간 연장 및 재료 낭비 증가로 이어집니다. 이 사례 연구에서는 균질화 전단 유화제를 채택하여 특수 화학 분야에서 운영되는 제조업체의 이러한 과제를 어떻게 해결하고 효율성, 제품 신뢰성 및 비용 효율성을 측정할 수 있게 향상시키는지 살펴봅니다.
2. 사업배경
2.1 프로젝트 요구사항
문제의 제조업체는 산업 유지 관리 응용 분야에 사용되는 고성능 액체 제제 생산에 중점을 두었습니다. 이러한 제제에는 일관된 점도, 보관 수명 및 기능적 성능(예: 내식성, 접착력)을 보장하기 위해 안정적인 유제가 필요했습니다. 주요 프로젝트 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 5마이크로미터 미만의 액적 크기 분포를 달성하면 유제 안정성이 보장됩니다. 액적이 클수록 최종 제품에서 상 분리가 발생하는 경우가 많기 때문입니다.
- 제품 품질을 저하하거나 리드 타임을 연장하지 않고도 30% 증가한 고객 주문을 충족할 수 있도록 생산 능력을 확장합니다.
- 회사는 운영 탄소 배출량을 낮추는 지속 가능성 목표에 부합하기 위해 에너지 소비와 재료 낭비를 줄입니다.
- 유제 균일성과 배치 간 일관성에 대한 엄격한 테스트를 요구하는 산업별 품질 표준 준수를 보장합니다.
2.2 초기 과제
균질화 전단 유화제를 구현하기 전에 제조업체는 유화를 위해 기존의 고속 혼합기에 의존했습니다. 이 설정에는 세 가지 중요한 과제가 있었습니다.
- 품질 불일치: 기존 믹서는 더 큰 액체 방울을 분해하기에 충분한 전단력을 생성하는 데 어려움을 겪었습니다. 그 결과 배치의 약 8~10%가 상분리 또는 불균일한 점도로 인해 품질 검사에 실패하여 재처리 또는 폐기가 필요했습니다.
- 낮은 생산 효율성: 500리터의 각 배치는 거의 안정적인 유제에 도달하는 데 90분의 혼합 시간이 필요했습니다. 이는 증가하는 수요를 따라잡기에는 너무 느린 속도입니다. 또한 믹서에는 수동 모니터링과 빈번한 매개변수 조정이 필요했기 때문에 작업자의 시간이 많이 소요되었습니다.
- 높은 재료 및 에너지 낭비: 일관성 없는 유화로 인해 제조업체는 불량한 액적 분산을 보완하기 위해 안정화 첨가제를 과도하게 사용하여 원자재 비용을 연간 12% 증가시켰습니다. 또한 믹서는 현대적인 대안보다 25% 더 많은 에너지를 소비하여 운영 비용이 더 높아졌습니다.
3. 균질화 전단 유화제의 선택
3.1 연구 및 평가
이러한 문제를 해결하기 위해 제조업체는 적합한 유화 솔루션을 찾기 위해 6개월 간의 연구 단계를 시작했습니다. 팀은 기존 고전단 혼합기(기존 설정과 유사), 콜로이드 밀, 균질화 전단 유화기 등 세 가지 유형의 장비를 평가했습니다. 주요 평가 기준은 다음과 같습니다.
- 전단력 용량: 필요한 액적 크기(5마이크로미터 이하)를 일관되게 달성하기 위해 충분한 전단을 생성하는 능력입니다.
- 확장성: 300~1,000리터 범위의 배치 크기와 호환되며 향후 확장을 위한 여지가 있습니다.
- 에너지 효율성: 업계 벤치마크와 비교하여 측정한 배치당 전력 소비량입니다.
- 자동화 기능: 기존 제어 시스템과 통합하여 수동 개입을 줄이고 원격 모니터링이 가능합니다.
- 신뢰성과 유지관리: 가동 중지 시간이 생산 일정에 직접적인 영향을 미치기 때문에 MTBF(평균 고장 간격) 및 청소 용이성.
테스트 중에 균질화 전단 유화제가 눈에 띄었습니다. 2~3마이크로미터(목표보다 훨씬 낮은)의 액적 크기를 일관되게 달성하고 기존 믹서보다 30% 적은 에너지를 소비하며 전단 속도, 온도 및 혼합 시간을 자동으로 조정하도록 프로그래밍할 수 있었습니다. 콜로이드 밀은 미세 분산에는 효과적이지만 대규모 배치에 대한 확장성이 부족하고 더 자주 유지 관리해야 했습니다.
3.2 의사결정 요소
균질화 전단 유화제를 선택하는 최종 결정은 다음 네 가지 주요 요인에 의해 결정되었습니다.
- 성과 조정: 엄격한 액적 크기 및 안정성 요구 사항을 충족하는 능력으로 배치 실패의 위험을 제거하여 제조업체의 최고 품질 문제를 직접적으로 해결합니다.
- 효율성 향상: 시뮬레이션 결과 장비를 사용하면 일괄 처리 시간이 90분에서 45분으로 단축되어 제조업체가 교대 근무를 추가하지 않고도 30% 증가한 수요를 충족할 수 있는 것으로 나타났습니다.
- 비용 절감: 에너지 소비 감소와 안정화 첨가제에 대한 의존도 감소로 연간 운영 비용이 약 15% 절감될 것으로 예상됩니다.
- 유연성: 유화제의 모듈식 설계로 제조업체의 기존 생산 라인과 쉽게 통합할 수 있어 비용이 많이 드는 시설 개조가 필요하지 않습니다.
4. 설치 및 시운전
4.1 전문설치팀
설치 과정은 장비 공급업체의 전문 기술자 팀이 제조업체의 내부 엔지니어링 팀과 협력하여 주도했습니다. 이 프로세스는 2주에 걸쳐 진행되었으며 다음 내용이 포함되었습니다.
- 현장 준비: 유화제 크기(2.5mx 1.8mx 2.2m)에 맞게 생산 영역을 수정하고 원료 흡입 및 완제품 이송을 위해 기존 배관과 통합합니다.
- 기계적 설치: 유화제를 철근 콘크리트 기초에 고정하여 진동(정확한 전단 제어를 유지하는 데 중요)을 최소화하고 이를 전력 및 제어 시스템에 연결합니다.
- 안전 점검: 산업 보건 및 안전 표준을 준수하는지 확인하기 위해 비상 정지 기능, 압력 방출 밸브 및 온도 센서를 테스트합니다.
설치 팀은 매일 진행 상황 업데이트를 제공하여 사소한 물류 문제(예: 기존 레이아웃에 맞게 파이프 길이 조정)를 실시간으로 해결하여 지연을 방지했습니다.
4.2 시운전 프로세스
실제 조건에서 장비 성능을 검증하기 위해 설계된 시운전은 일주일이 걸렸으며 다음과 같은 구조화된 접근 방식을 따랐습니다.
- 건식 테스트: 물질 없이 유화제를 작동시켜 모터 기능, 전단 블레이드 회전 및 제어 시스템 응답성을 확인합니다. 모든 매개변수(예: 속도, 온도)는 제조업체의 제품 사양과 일치하도록 보정되었습니다.
- 파일럿 배치 테스트: 제조업체의 가장 일반적인 제제를 3개의 작은 배치(각각 100리터)로 처리합니다. 결과를 최적화하기 위해 전단 속도(3,000rpm에서 3,500rpm)를 조정하면서 각 배치의 액적 크기, 점도 및 안정성을 테스트했습니다.
- 전체 규모 배치 테스트: 500리터 배치 2개를 실행하여 정규 생산을 시뮬레이션합니다. 유화제는 액적 크기가 평균 2.8마이크로미터이고 72시간 보관 후에도 상 분리 징후가 없는 등 모든 품질 목표를 일관되게 충족했습니다.
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