Caso de aplicação de equipamento de mistura, dispersão e emulsificação de alta capacidade de cisalhamento
Na produção de materiais complexos de várias fases (incluindo pó sólido, fase oleosa, fase aquosa e agentes auxiliares), a integração da mistura,Os processos de dispersão e emulsificação são a chave para garantir a uniformidade do produtoUma instalação de produção dedicada ao fabrico de produtos semi-sólidos e líquidos já enfrentou graves gargalos no processo combinado de materiais.O modo de processamento dividido tradicional de vários equipamentos levou a uma baixa eficiência de produçãoApós a introdução de equipamentos de mistura, dispersão e emulsificação de alta capacidade de cisalhamento, a produção de produtos de alta qualidade e os custos operacionais elevadosA instalação resolveu fundamentalmente estes problemas e alcançou melhorias significativas no desempenho da produção, consistência do produto e controlo dos custos.
Antecedentes e desafios anteriores à atualização
A instalação produz principalmente produtos multicomponentes com uma capacidade de produção diária de 200-300 toneladas,que abrange aplicações que exijam um controlo rigoroso da distribuição do tamanho das partículas e da estabilidade da emulsãoAntes da modernização do equipamento, a instalação adoptou um modo de processamento dividido: utilização de um misturador comum para a mistura preliminar, um dispersor para a dispersão de pó sólido,e um emulsionante de função única para emulsificação de fase óleo-águaEste processo de divisão em três etapas não só prorrogou o ciclo de produção, mas também trouxe uma série de problemas proeminentes:
- Má integração dos efeitos de mistura, dispersão e emulsificação: Devido à falta de coordenação sinérgica entre os diferentes equipamentos, o material não conseguiu atingir um estado uniforme em cada ligação de processamento.Aglomerados de pó sólido (tamanho inicial de partículas 40-80 μm) não foram completamente quebradosDurante a dispersão, as partículas foram distribuídas de forma desigual na fase líquida e o processo de emulsificação subsequente não conseguiu fundir completamente a fase óleo-água com as partículas sólidas dispersas..O produto final tinha um tamanho médio de partículas de 5 a 10 μm e a taxa de separação óleo-água alcançou 10 a 13% após 30 dias de armazenagem, o que afetou seriamente a usabilidade do produto.
- Ciclo de produção longo e baixa eficiênciaO processo de divisão exigia a transferência repetida de materiais entre diferentes equipamentos, e cada processo de transferência demorou 15-20 minutos.O tempo total de processamento para um único lote (5 toneladas) foi de 60-70 minutosA taxa de utilização do equipamento foi de apenas 75% devido ao tempo de espera entre os processos.aumento do consumo de matérias-primas.
- Grande flutuação da qualidade de lote para lote: o modo de processamento dividido baseou-se na operação manual para ajustar parâmetros de diferentes equipamentos e a correspondência de parâmetros entre misturas,Os enlaces de dispersão e emulsificação eram difíceis de padronizarO coeficiente de variação (CV) dos principais indicadores de qualidade (distribuição do tamanho das partículas, viscosidade, estabilidade) entre os lotes atingiu 16-22%,que resulta numa taxa de qualificação do produto acabado de apenas 83-86%Um grande número de produtos não qualificados precisava de ser reprocessado ou descartado, aumentando os custos de produção.
- Alto consumo de energia e custos de manutenção: três conjuntos de equipamentos operados simultaneamente, com um consumo médio diário de eletricidade de 380 kWh. Cada equipamento tinha partes vulneráveis independentes (como lâminas de mistura, discos de dispersão,emulsionante (estator-rotor)O custo mensal de manutenção era de cerca de 9.000 yuans, e o tempo de inatividade do equipamento devido à manutenção alcançou 8-10 horas por mês.
- Risco de contaminação do material durante a transferência: O processo de transferência de material exigia contacto com tubulações, válvulas e recipientes de transferência, sendo difícil limpar completamente os cantos mortos destes componentes.Os resíduos dos lotes anteriores poderiam contaminar os materiais subsequentes, especialmente para produtos com elevados requisitos de higiene, o que aumentou o risco de produtos não qualificados devido à contaminação.
Seleção do equipamento e configuração do núcleo
Para resolver os problemas acima referidos, a instalação abandonou o modo de processamento tradicional dividido e optou por um equipamento de mistura, dispersão e emulsificação de alto corte com funções integradas.O equipamento integra mistura, dispersão e emulsificação em uma unidade, realizando o processamento de material em uma única parada sem transferência.A sua configuração central e características técnicas são concebidas para resolver os problemas do processamento dividido, e as principais configurações são as seguintes:
1. Cabeça de trabalho multifuncional integrada
O equipamento adota uma estrutura combinada da cabeça de trabalho, integrando três módulos funcionais:Disco de dispersão de alta velocidade,com uma tensão de saída superior a 1000 V,ePedais de mistura tridimensionaisO disco de dispersão (diâmetro 220 mm) gira a uma velocidade de 800-3500 rpm, o que permite a rápida degradação de grandes aglomerados de pó sólido; o estator-rotor de cisalhamento de vários estágios (3 estágios, espaço de cisalhamento 0.06-0.2 mm) tem um intervalo de velocidade de 3000-12000 rpm, gerando uma taxa de cisalhamento de até 80.000 s−1, que permite a fusão completa das fases óleo-água e o refinamento das partículas;A paleta de mistura tridimensional (velocidade 50-200 rpm) garante a uniformidade geral dos materiais no tanque e evita o subprocessamento localTodos os módulos funcionais são fabricados em aço inoxidável 316L com tratamento de polir espelho (ruidez da superfície Ra ≤ 0,8 μm), que é resistente à corrosão e fácil de limpar.
2Sistema de controlo de parâmetros preciso.
O equipamento está equipado com um sistema de controlo inteligente PLC com uma interface de operação de ecrã táctil, que pode realizar um controlo independente e ligado da velocidade de mistura, da velocidade de dispersão,velocidade de emulsificação, tempo de processamento e temperatura do material. A precisão do controlo da velocidade é de ±10 rpm, a precisão do controlo do tempo é de ±1 segundo e a gama de controlo da temperatura é de 0-100°C (precisão de flutuação ±1,5°C).O sistema suporta o armazenamento de 80 conjuntos de parâmetros de processo, que pode padronizar as definições dos parâmetros de diferentes produtos e lotes, evitando flutuações de qualidade causadas pela operação manual.O sistema pode registar automaticamente a curva de parâmetros durante o processo de processamento, fornecendo um suporte de dados fiável para a otimização de processos e rastreamento da qualidade.
3Estrutura de tanque fechada sem transferência de material
O equipamento adota uma estrutura de reservatório vertical fechada com um volume de 5000 L (volume de trabalho 4000 L), que pode completar todos os processos de mistura,Dispersão e emulsificação no mesmo reservatório sem transferência de material. O corpo do tanque está equipado com um dispositivo de controlo de temperatura revestido, que pode realizar o aquecimento ou o arrefecimento de materiais de acordo com os requisitos do processo,evitar a deterioração do material causada pelo aumento da temperatura durante o corte e a dispersão de alta velocidadeA tampa do tanque é levantada por pressão hidráulica, o que é conveniente para alimentação, limpeza e manutenção,e o desempenho de vedação do corpo do reservatório atende aos requisitos das normas de boas práticas e segurança alimentar.
4- Projetos de poupança de energia e resistência ao desgaste
O equipamento adota um motor de conversão de frequência de poupança de energia, que pode ajustar a potência de saída de acordo com o estágio de processamento (baixa potência para mistura,alta potência de dispersão e emulsificação)A cabeça de trabalho adota uma camada resistente ao desgaste (camada de carburo de tungsténio), que prolonga a vida útil das peças vulneráveis.O sistema de lubrificação utiliza óleo lubrificante H1 de qualidade alimentar, que é não tóxico e compatível com os requisitos de produção, e o intervalo de mudança de óleo lubrificante é alargado para 8000 horas de funcionamento.
5Sistema de limpeza automática CIP
O equipamento está equipado com um sistema de limpeza automática CIP (Clean-In-Place), que inclui bocas de limpeza instaladas na tampa do tanque e no interior do corpo do tanque.Os bicos de limpeza podem pulverizar agentes de limpeza a 360 graus, cobrindo todas as superfícies interiores do corpo do reservatório e da cabeça de trabalho.Eliminação dos cantos mortos e redução do risco de contaminação cruzada do materialO efeito de limpeza satisfaz as exigências de higiene das indústrias alimentar, cosmética e farmacêutica.
Processo de implementação e otimização de processos
Após a colocação em serviço do equipamento, a instalação realizou uma operação experimental de 4 meses e uma otimização dos processos.O processo de divisão original de três etapas foi ajustado para um processo de processamento integrado de uma etapa, e as principais etapas de implementação e medidas de otimização são as seguintes:
1. Integração de processos e calibração de parâmetros
Para a calibração dos parâmetros, a instalação selecionou seis fórmulas típicas de produtos (incluindo produtos com elevado teor sólido, viscosidade elevada e características de dupla fase óleo-água).a combinação ideal de parâmetros de misturaA partir de um produto que contém 30% de pó sólido e 25% de fase oleosa, foram determinados os parâmetros ótimos:Velocidade de mistura 100 rpm (durada 5 minutos) para mistura preliminar de fase de água e agentes auxiliaresVelocidade de dispersão 2800 rpm (duração 10 minutos) para a degradação de aglomerados sólidos em pó; velocidade de emulsificação 9000 rpm (duração 15 minutos) para fusão de fase óleo-água e refinamento de partículas;e velocidade final de mistura de 80 rpm (durada de 5 minutos) para estabilizar o sistema do produtoCom esta combinação de parâmetros, o tamanho médio das partículas do produto foi reduzido para 1,2-2,0 μm e a estabilidade da emulsão melhorou significativamente.
2Verificação da reprodutibilidade dos lotes
Após a determinação dos parâmetros ótimos para cada produto, a instalação realizou uma verificação da reprodutibilidade dos lotes.Foram produzidos 12 lotes consecutivos de amostras utilizando as definições dos parâmetros armazenadosOs resultados dos ensaios revelaram que o coeficiente de variação (CV) dos principais indicadores de qualidade entre os lotes foi reduzido de 16-22% para 2-4%,e a taxa de qualificação do produto acabado foi aumentada para mais de 99%Verificou-se que o equipamento integrado e as definições de parâmetros normalizadas podiam resolver eficazmente o problema das grandes flutuações de qualidade de lote para lote.
3- Rationalização do processo de produção
O modo de processamento integrado eliminou a ligação de transferência de material entre diferentes equipamentos.e a eficiência de processamento melhorou cerca de 40%A taxa de perda de material foi reduzida de 2-3% para menos de 0,5% devido à estrutura do tanque fechado, o que reduziu significativamente o consumo de matérias-primas.O número de operadores necessários para uma única linha de produção foi reduzido de 3 para 2, reduzindo os custos de mão-de-obra e melhorando a eficiência da produção.
4Optimização do processo de limpeza
O sistema de limpeza automática CIP substituiu o modo de limpeza manual original. O tempo de limpeza por lote foi reduzido de 40-50 minutos para 20-30 minutos, e o efeito de limpeza foi mais estável.O número de produtos não qualificados causados pela contaminação dos materiais foi reduzido de 2-3 vezes por mês para 0-1 vezes por trimestre, melhorando ainda mais a estabilidade da qualidade do produto.
Efeitos da aplicação e análise dos dados
Após 8 meses de funcionamento formal, o equipamento de mistura, dispersão e emulsificação de alto corte alcançou resultados notáveis na melhoria da qualidade do produto, na melhoria da eficiência da produção,Redução do consumo de energia e dos custos de manutençãoA comparação dos dados específicos antes e após a actualização do equipamento é a seguinte:
1- Melhoria significativa da qualidade do produto
O tamanho médio das partículas do produto acabado foi reduzido de 5-10 μm para 1,0-2,5 μm e o índice de polidispersidade (PDI) foi controlado abaixo de 0.18A taxa de separação óleo-água do produto durante o armazenamento foi reduzida de 10-13% para menos de 1.5% após 60 dias de armazenagemPara os produtos com elevados requisitos de higiene, o número total de colónias foi controlado de forma estável abaixo de 10 UFC/g,satisfazer os mais rigorosos padrões de higiene da indústriaA taxa de qualificação do produto acabado aumentou de 83-86% para 99,3%, eliminando basicamente o custo do retrabalho e da eliminação dos resíduos.
2- Melhoria notável da eficiência da produção
O tempo de processamento de um único lote foi reduzido em 40% e a capacidade de produção diária foi aumentada de 200-300 toneladas para 350-400 toneladas no mesmo período de funcionamento (20 horas por dia).A taxa de utilização do equipamento foi aumentada de 75% para 95%, e o número de paralisações não planeadas causadas por problemas de processo ou falhas de equipamento foi reduzido de 3 a 4 vezes por mês para 0 a 1 vezes por mês.Economização de 2-3 horas de tempo de transferência por dia e melhoria da continuidade da produção.
3Redução eficaz do consumo e dos custos de energia
A concepção de poupança de energia da conversão de frequência do equipamento reduziu o consumo diário médio de eletricidade de 380 kWh para 240 kWh, uma diminuição de 36,8%, poupando 51,100 kWh de eletricidade por anoO design resistente ao desgaste da cabeça de trabalho e o intervalo de mudança de óleo lubrificante prolongado reduziram o custo mensal de manutenção de 9.000 yuans para 3.200 yuans,e o custo anual de manutenção foi economizado em cerca de 69A taxa de perda de material foi reduzida em 1,5-2,5 pontos percentuais, economizando custos de matérias-primas em cerca de 8% ao ano.O número de trabalhadores (em %) diminuiu cerca de 12% ao ano..
4. Redução do risco de contaminação e melhoria da segurança operacional
A estrutura do reservatório fechado e o sistema de limpeza automática CIP eliminaram o risco de contaminação causado pela transferência de material e pela limpeza manual.O número de incidentes de contaminação dos produtos foi reduzido em mais de 90%O equipamento está equipado com múltiplas funções de protecção da segurança (proteção contra sobrecarga, sobre-temperatura, sobre-pressão),que pode desligar automaticamente quando ocorrem anormalidades, evitando danos ao equipamento e acidentes de segurança pessoal.A cobertura hidráulica do tanque de elevação e o processo de operação simplificado reduziram a intensidade de trabalho dos operadores e melhoraram a segurança da operação.
5. Melhoria da escalabilidade dos processos
As funções de armazenamento e recolha de parâmetros do equipamento permitiram facilmente alternar entre diferentes fórmulas de produto.Os parâmetros de processo ideais podem ser rapidamente determinados através de ensaios em pequenos lotes no mesmo equipamento, e os parâmetros podem ser directamente aplicados à produção em massa, reduzindo o ciclo de desenvolvimento de um novo produto em 30-40%.Os parâmetros técnicos do equipamento são compatíveis com a produção em escala piloto e industrial, proporcionando um apoio fiável para a futura expansão da produção da instalação.
Principais experiências e notas de operação
Durante o processo de candidatura, a instalação resumiu uma série de experiências e notas de funcionamento importantes para assegurar o funcionamento estável da mistura de alto corte,Equipamento de dispersão e emulsificação e dar pleno aproveitamento ao seu desempenho integrado:
- Para os materiais de alta viscosidade, a velocidade de mistura deve primeiro ser aumentada de forma adequada para assegurar um fluxo uniforme de material,Em seguida, as velocidades de dispersão e emulsificação devem ser gradualmente aumentadas para evitar a sobrecarga do equipamento e o borrifamento do material..
- A sequência de alimentação afeta significativamente o efeito de processamento.adicionar a fase dispersa (como a fase de óleo) e o pó sólido enquanto se agita, que pode evitar aglomeração local e melhorar a uniformidade da dispersão e emulsificação.
- É indispensável a inspecção e manutenção regulares da cabeça de trabalho e a verificação do estado de desgaste do disco de dispersão, do estator e do rotor a cada 400 horas de funcionamento.Quando a quantidade de desgaste exceder 0.5 mm ou a superfície for gravemente arranhada, as partes vulneráveis devem ser substituídas a tempo para assegurar o efeito de processamento.
- O sistema de limpeza CIP deve ser utilizado de forma normalizada. Após cada lote de produção, o processo de limpeza deve ser realizado em estrita conformidade com os procedimentos estabelecidos,e o efeito de limpeza deve ser inspeccionado regularmente (como a detecção de resíduos) para evitar a contaminação cruzada entre os lotes.
- Para os materiais sensíveis ao calor, a temperatura durante o processamento deve ser rigorosamente controlada.e o tempo e a velocidade de processamento devem ser adequadamente ajustados para evitar a perda de ingredientes ativos ou a deterioração do material causada por um aumento excessivo da temperatura.
- Os operadores devem ser formados profissionalmente e, antes de utilizarem o equipamento, devem estar familiarizados com a sua estrutura, o seu princípio de funcionamento e os métodos de fixação dos parâmetros.e seguir rigorosamente os procedimentos de operação para evitar erros operacionais.
Resumo
A aplicação de equipamentos de mistura, dispersão e emulsificação de alta capacidade de cisalhamento resolveu fundamentalmente os problemas de baixo efeito de processamento, baixa eficiência de produção,grande flutuação de qualidade e elevado custo operacional causados pelo modo tradicional de processamento dividido na instalaçãoAo integrar as funções de mistura, dispersão e emulsificação numa unidade, o equipamento realiza o processamento de materiais em uma única paragem, elimina ligações de transferência de materiais,e garante a uniformidade e estabilidade dos produtos.
O sistema de controlo preciso dos parâmetros do equipamento padroniza o processo de produção, reduz o impacto da operação manual na qualidade do produto,e melhora a reprodutibilidade dos lotes de produtosO projecto de poupança de energia e resistência ao desgaste, bem como o sistema de limpeza automática CIP,Não só reduz os custos operacionais e a carga de trabalho de manutenção da instalação, mas também melhora o nível de segurança e higiene da produção.
Para cenários de produção que envolvam materiais multicomponentes e multifásicos que exijam um processamento integrado de mistura, dispersão e emulsificação, mistura de alta cisalhamento,Equipamento de dispersão e emulsificação é uma escolha confiávelNão só pode melhorar a qualidade dos produtos e a eficiência da produção, mas também reduzir os custos e os riscos operacionais, proporcionando um apoio técnico sólido para o desenvolvimento sustentável da instalação.Através de uma operação normalizadaNo que respeita à manutenção regular e à otimização contínua dos processos, o equipamento pode desempenhar um papel mais importante na produção e ajudar a instalação a adaptar-se aos requisitos de qualidade cada vez mais rigorosos do mercado.
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