مطالعه موردی: ارتقای کارایی و کیفیت تولید امولسیون صنعتی با تجهیزات پیشرفته امولسیفیکیشن
در زمینه تولید صنعتی، محصولات امولسیون به عنوان مواد پایه در بخش های مختلف از جمله پوشش های معماری، چسب های صنعتی، لوازم کمکی نساجی،و پردازش مواد غذاییکیفیت امولسیون های صنعتی که با توزیع اندازه قطرات، ثبات فاز و یکنواخت اجزای آن مشخص می شود، عملکرد محصولات نهایی را مستقیماً تعیین می کند. 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، جزئیات انتخاب تجهیزات، بهینه سازی فرآیند و نتایج ملموس به دست آمده بدون به خطر انداختن انطباق عملیاتی و مقیاس پذیری.
1پیش زمینه و چالش های اصلی فرآیند
فرآیند تولید امولسیون پوشش معماری مبتنی بر آب شامل دو مرحله غیرقابل ترکیب است: یک مرحله روغن متشکل از مونومر های آکریلیک، عوامل همجوشی،و اصلاح کننده های هیدروفوب، و یک فاز آبی حاوی آب دیونیزه شده، امولفایزرها، شروع کننده ها و تنظیم کننده های pH. قبل از اتخاذ تجهیزات جدید امولفایزر،فرآیند تولید مبتنی بر مخازن سنتی مخلوط کننده نوع لنگر، که منجر به چهار چالش حیاتی شد که ظرفیت تولید و رقابت محصول را محدود کرد:
اول، پراکندگی ناکافی مونومرها در فاز روغن. مونومرهای آکریلیک در فاز روغن دارای لزگی بالا و رطوبت ضعیف بودند.مونومرها تمایل به تشکیل قطرات بزرگ یا تجمع دارند که نمی توانند به طور کامل تجزیه شوند.این ذرات پراکنده در امولسیون نهایی باقی ماندند، که منجر به "چشم ماهی" (ذرات جامد قابل مشاهده) در فیلم پوشش شد، که به شدت بر صافی و دوام فیلم تأثیر می گذارد.
دوم، توزیع ناپایدار اندازه قطرات. نیروی برش پایین تولید شده توسط مخلوط کننده های لنگر، به انتشار یکنواخت دو فاز دست نیافت.داده های آزمایش کیفیت نشان داد که اندازه قطره D90 (سطح که در آن 90٪ قطرات کوچکتر هستند) از امولسیون بین 15 μm و 30 μm نوسان می کند.، که بسیار بیشتر از محدوده پذیرفته شده در صنعت از 5μm تا 10μm است. این عدم سازگاری منجر به تغییرات قابل توجهی در لزوم و ثبات خامه شد،با برخی از دسته ها نشان دهنده جداسازی روغن در عرض 7 روز از ذخیره سازی و دیگران نشان دهنده لزوم بیش از حد است که مانع استفاده از.
سوم، بهره وری تولید پایین و مصرف انرژی بالا.فرآیند سنتی نیاز به زمان های طولانی تر مخلوط کردن دارد هر دسته 5 تن حدود 6 ساعت طول کشید تا امولسیفیکیشن کامل شود.کار طولانی نه تنها تولید را کاهش می دهد بلکه مصرف انرژی را افزایش می دهد، با استفاده از سیستم مخلوط کردن به طور متوسط 120 کیلو وات در هر دسته.ثبات ضعیف محصولات واسطه منجر به نرخ صلاحیت فقط 82٪ شد.، که منجر به اتلاف مواد اولیه و هزینه های نیروی کار می شود.
چهارم، مشکل در مقیاس بندی تولید. فرآیند سنتی مخلوط کردن دسته به شدت به کار دستی برای کنترل سرعت تغذیه و شدت مخلوط کردن متکی بود.هنگام افزایش از مقیاس آزمایشگاهی (50 لیتر) به مقیاس صنعتی (5 تن)، تکرار دقیق پارامترهای فرآیند دشوار بود که منجر به تفاوت های کیفیت قابل توجهی بین دسته های آزمایشی و تولید انبوه شد.این مشکل مقیاس پذیری گسترش ظرفیت تولید را برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد بازار محدود می کند.
علاوه بر این، فرآیند تولید باید با استانداردهای ایمنی صنعتی و محیط زیست مطابقت داشته باشد، که نیاز به ساخت تجهیزات با مواد مقاوم به خوردگی دارد.مجهز به سیستم های مهر و موم موثر برای جلوگیری از تنفسی مونومر، و سازگار با سیستم های تمیز در محل (CIP) برای اطمینان از بهداشت عملیاتی.
2انتخاب تجهیزات و بهینه سازی فرآیند
پس از ارزیابی جامع الزامات فرآیند، مشخصات محصول و نیازهای مقیاس پذیری، یک سیستم امولسیفیکیشن صنعتی چند مرحله ای انتخاب شد.که شامل یک مخلوط کننده پیش از پراکندگی و یک امولفایزر با برش بالا نوع لوله استانتخاب تجهیزات با اصول افزایش کارایی برش، اطمینان از قابلیت کنترل فرآیند و تسهیل مقیاس بندی بدون درهم، هدایت شد.با ویژگی های فنی کلیدی متناسب با ویژگی های امولسیون های آکریلیک مبتنی بر آب:
1مخلوط کننده پیش از پراکندگی: مجهز به یک چرخ چرخ با سرعت بالا و یک باز کننده تولیدی توربولانس،این مخلوط کننده برای تجزیه تجمع های بزرگ در مرحله روغن قبل از امولسیفکیشن اولیه طراحی شده است.از فولاد ضد زنگ 316L ساخته شده و دارای یک دیواره داخلی صاف با خشکی سطح Ra ≤ 0.4 μm برای جلوگیری از چسبندگی مواد است.درایو فرکانس متغیر مخلوط کننده (VFD) اجازه می دهد سرعت چرخش بین 500 rpm و 3000 rpm تنظیم شود، اجازه می دهد تا کنترل دقیق شدت پراکندگی بر اساس لزگی فاز روغن.
2امولسیفرهای نوع لوله کشی: به عنوان تجهیزات اصلی، یک ساختار سه مرحله ای روتور-استاتور با حداقل فاصله 0.05 میلی متر بین روتور و استاتور را اتخاذ کرد.این طرح باعث ایجاد نیروی برش شدید (تا 10 ^ 6 s ^ 1) می شود.در این روش، سرعت جریان امولسیفایر می تواند به 8 m3/h برسد و از امولسیفکیشن و گردش مداوم در خط پشتیبانی می کند.همچنین با یک سیستم نظارت در زمان واقعی برای ردیابی پارامترهای کلیدی مانند سرعت چرخش ادغام شده است، فشار و درجه حرارت، با قابلیت ثبت داده ها برای ردیابی فرآیند. طراحی مهر دستگاه (مخزن مکانیکی با سیستم خنک کننده) از فروریزی مونومر جلوگیری می کند.پاسخگویی به الزامات زیست محیطی و ایمنی.
بر اساس تجهیزات جدید، فرآیند تولید به چهار مرحله کلیدی برای اطمینان از ثبات و کارایی بهینه شده است:
1مرحله پیش از پراکندگی: مواد فاز روغن (مونومرهای آکریلیک، عوامل همجوشی، اصلاح کننده های هیدروفوبیک) به مخلوط کننده پیش از پراکندگی اضافه شدند.و چرخدار با سرعت 2500 دور در دقیقه فعال شد تا یک میدان جریان با آشفتگی بالا ایجاد شود.این فرآیند تجمعات اولیه را تجزیه می کند و در عرض 30 دقیقه یک فاز روغن یکنواخت و کم لزگی را تشکیل می دهد و تشکیل "چشم ماهی" را در منبع از بین می برد.
2مرحله تغذیه کنترل شده: فاز روغن از پیش پراکنده شده و فاز آب (آب دیونیزه شده، امولفایرها، آغازگرها) با نسبت حجم ثابت به امولفایرهای نوع لوله پمپ می شوند (1:3) از طریق پمپ های سنجشسرعت تغذیه با دقت توسط سیستم VFD کنترل شد تا نسبت پایدار را تضمین کند و از معکوس شدن فاز ناشی از تغییرات ناگهانی در ترکیب مواد جلوگیری شود.
3مرحله امولسیفیکیشن چند چرخه ای: مخلوط ابتدا امولسیفیکیشن شده به مدت 2-3 چرخه از طریق امولسیفیشن نوع لوله گردش می کرد که هر چرخه تقریباً 45 دقیقه طول می کشید.ساختار سه مرحله ای روتور-استاتور تضمین می کند که اندازه قطره در طول هر گردش به تدریج تصفیه می شود، و سیستم نظارت در زمان واقعی سرعت چرخش را (2000-4000 rpm) بر اساس بازخورد فشار تنظیم کرد تا شدت برش مطلوب را حفظ کند.
4مرحله ثبات پس از ایمولسیفیکیشن: پس از اتمام امولسیفیکیشن چند چرخه ای، امولسیون برای پردازش بعدی (تنظیم pH، فوم کردن) به یک مخزن نگهداری منتقل می شود.مخزن نگهداری مجهز به یک مخلوط کننده با سرعت پایین برای حفظ یکسانی بدون آسیب به قطرات تصفیه شده بودکل فرآیند نیمه اتوماتیک بود و تنها حداقل مداخله دستی برای تایید پارامتر مورد نیاز بود.
3نتایج اجرای و بررسی عملکرد
پس از استفاده از سیستم امولسیفکیشن پیشرفته و فرآیند بهینه شده،داده های تولید مستمر (جمع آوری شده در طول 6 ماه) و آزمایش کیفیت شخص ثالث بهبود قابل توجهی در کیفیت محصول را تایید کرد، بهره وری تولید و مقیاس پذیری. نتایج کلیدی این است:
بهبود کیفیت محصول: توزیع اندازه قطرات امولسیون به طور قابل توجهی بهبود یافته و پایدار شده است.نتایج آزمایش نشان داد که D90 امولسیون به طور مداوم بین 6μm و 9μm کنترل می شود.میزان نقص "چشم ماهی" در فیلم پوشش نهایی از 15٪ به کمتر از 1٪ کاهش یافت.آزمایش ثبات نشان داد که امولسیون هیچ گونه جدایی روغن را نشان نمی دهد.، رسوب و یا تغییر لزوم پس از 30 روز نگهداری در 50 ° C (آزمایش افزایش سرعت) و عمر شیلف از 6 ماه به 12 ماه افزایش یافت.یکنواخت توزیع اجزا بهبود یافت، با انحراف استاندارد نسبی (RSD) محتوای مونومر آکریلیک در نمونه های مختلف از 4.1٪ به 0.9٪ کاهش یافته است.
بهره وری تولید و کاهش هزینه ها: کل زمان پردازش در هر دسته 5 تن از 6 ساعت به 2 ساعت کاهش یافت که نشان دهنده افزایش 66.7٪ در بهره وری تولید است.ظرفیت تولید از 20 تن در روز به 50 تن در روز افزایش یافتمصرف انرژی در هر دسته از 120 کیلووات ساعت به 55 کیلووات ساعت کاهش یافت، کاهش 54,2٪ در هزینه های انرژی. نرخ صلاحیت محصول از 82٪ به 99٪ افزایش یافت.به حداقل رساندن ضایعات مواد اولیه و کاهش هزینه های تولید حدود 28٪.
مقیاس پذیری و انطباق فرآیند: سیستم کنترل نیمه خودکار تضمین کرد که پارامترهای فرآیند (نسبت تغذیه، سرعت چرخش،درجه حرارت) می تواند با دقت در مقیاس های مختلف تولید (از 50 لیتر آزمایشی تا دسته های صنعتی 5 تن) تکرار شود، از بین بردن تفاوت های کیفیت بین ترازها. ساخت فولاد ضد زنگ 316L و سازگاری CIP تجهیزات روش های تمیز کردن ساده،کاهش زمان تمیز کردن 40٪ و اطمینان از رعایت استانداردهای بهداشت صنعتیسیستم مهر و موم مکانیکی و سیستم تصفیه گازهای خروجی از فروریزه شدن مونومر جلوگیری می کند و الزامات انتشار محیط زیست را برآورده می کند.
قابلیت اطمینان تجهیزات: در طول 6 ماه کار مداوم، سیستم امولسیفیکیشن عملکرد پایدار را بدون وقایع غیر برنامه ریزی شده حفظ کرد.چرخه نگهداری از یک بار در یک ماه (برنامه های سنتی) به یک بار در شش ماه افزایش یافت.طراحی ماژولار تجهیزات همچنین جایگزینی آسان قطعات فرسایش (به عنوان مثال، روتور، استاتور) را تسهیل می کند، به حداقل رساندن زمان نگهداری و اختلال عملیاتی.
4بینش های کلیدی و نتیجه گیری
این مطالعه موردی نشان می دهد که تجهیزات پیشرفته ایمولسیفاسیون صنعتی، هنگامی که با طراحی بهینه شده فرآیند ترکیب می شوند،می تواند به طور موثر به چالش های اصلی تولید ایمولسیون سنتی پاسخ دهد، کیفیت ناسازگار، بهره وری پایین و مسائل مقیاس پذیری. موفقیت این پیاده سازی در سه بینش کلیدی است:
اول، پیش پراکندگی یک پیشگام مهم برای امولسیفیکیشن با کیفیت بالا است. پیش پراکندگی هدفمند مواد فاز روغن با ویسکوسیتی بالا، تجمع ها را در مرحله اولیه از بین می برد.کاهش بار در مراحل بعد از امولسیفیکیشن و بهبود کارایی کلی فرآینددوم، امولسیفکیشن چند مرحله ای با برش بالا با نظارت در زمان واقعی کنترل دقیق توزیع اندازه قطره را تضمین می کند.که کلید افزایش ثبات امولسیون و عملکرد محصول نهایی استسوم، طراحی تجهیزات نیمه خودکار و مقیاس پذیر برای تولید صنعتی ضروری است، که امکان تکرار پارامترهای سازگار در مقیاس ها را فراهم می کند و وابستگی به عملیات دستی را کاهش می دهد.
در نتیجه، 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 stableاین پیاده سازی یک مرجع ارزشمند برای تولید کنندگان صنعتی فراهم می کند که به دنبال ارتقاء خطوط تولید امولسیون هستند.برجسته کردن نقش تجهیزات پیشرفته در بهبود کیفیت رانندگی، افزایش کارایی و کاهش هزینه در تولید ایمولسیون صنعتی.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!