Estudo de Caso: Emulsificador de Entrada Inferior de Alta Cisalhamento Aumenta a Eficiência da Produção e a Qualidade do Produto no Processamento de Produtos Químicos Finos
No campo da produção de produtos químicos finos, o processo de emulsificação é um elo central que determina diretamente a qualidade, a estabilidade e a eficiência da produção do produto. Para empresas envolvidas na produção de emulsões poliméricas e materiais compósitos, alcançar a dispersão uniforme de fases imiscíveis, eliminar a sedimentação de materiais e reduzir as taxas de defeito do produto sempre foram desafios importantes no processo de produção. Este estudo de caso apresenta como uma empresa de produtos químicos finos resolveu com sucesso os problemas de produção de longa data, aplicando um emulsificador de entrada inferior de alta cisalhamento, e alcançou melhorias significativas na qualidade do produto e na eficiência da produção.
1. Antecedentes e Desafios de Produção
A empresa está principalmente envolvida em P&D e produção de emulsões poliméricas à base de água, que são amplamente utilizadas em revestimentos, adesivos e outras áreas. Antes de introduzir o emulsificador de entrada inferior de alta cisalhamento, a empresa adotou um agitador tradicional montado no topo para operações de emulsificação e mistura. Com a expansão da escala de produção e a melhoria dos requisitos do mercado para a qualidade do produto, o equipamento tradicional gradualmente expôs limitações óbvias, o que afetou seriamente o progresso da produção e a competitividade do produto.
Os principais desafios de produção são os seguintes:
- Emulsificação Desigual e Baixa Estabilidade do Produto: O agitador tradicional montado no topo tem força de cisalhamento limitada, e é difícil dispersar totalmente a fase oleosa, a fase aquosa e os aditivos funcionais no sistema de materiais. A emulsão preparada tem tamanho de partícula grande, ampla faixa de distribuição e fácil separação de fase e estratificação durante o armazenamento. A taxa de qualificação do produto é de apenas cerca de 88%, e os produtos defeituosos causados por baixa estabilidade representam mais de 90% do total de produtos defeituosos.
- Sedimentação Grave de Materiais e Zonas Mortas: Devido ao grande volume da panela de produção (lote de 5000L), o efeito de agitação do agitador montado no topo é difícil de cobrir o fundo da panela. Uma grande quantidade de aditivos de pó sólido e materiais de alta viscosidade são fáceis de assentar no fundo da panela, formando zonas mortas que não podem ser agitadas. Isso não só causa desperdício de matérias-primas, mas também afeta a consistência dos componentes do produto, resultando em grandes diferenças no desempenho do produto entre os lotes.
- Ciclo de Produção Longo e Alto Consumo de Energia: Para garantir o efeito de emulsificação o máximo possível, a empresa tem que estender o tempo de agitação para 8-10 horas por lote, o que não só reduz a capacidade de produção (apenas 2 lotes podem ser produzidos por dia), mas também leva a alto consumo de energia. O consumo de energia do agitador por lote atinge 350 kWh, o que aumenta significativamente o custo de produção.
- Limpeza Difícil e Alto Custo de Manutenção: O agitador tradicional montado no topo tem uma estrutura complexa, e o eixo de agitação e as lâminas são fáceis de aderir aos materiais. O trabalho de limpeza após cada lote leva de 2 a 3 horas, o que consome tempo e mão de obra. Ao mesmo tempo, devido à grande carga do equipamento durante a operação, o desgaste de rolamentos e vedações é grave, e a frequência de manutenção é de até uma vez a cada 2 meses, o que afeta a eficiência da produção contínua.
2. Seleção de Equipamentos e Configuração Técnica
Após uma investigação aprofundada do processo de produção e repetida verificação técnica, a empresa finalmente selecionou um emulsificador de entrada inferior de alta cisalhamento para substituir o agitador tradicional montado no topo. O equipamento é projetado para produção em panela de grande volume, com a cabeça de trabalho instalada na parte inferior da panela, que pode agir diretamente sobre o material inferior e resolver o problema de sedimentação e zonas mortas desde a fonte. As principais configurações técnicas são as seguintes:
- Potência e Capacidade de Processamento: O equipamento é equipado com um motor de alta eficiência de 37kW, que é adequado para capacidade de processamento de lote de 3000-8000L, combinando totalmente com a panela de produção de 5000L da empresa.
- Estrutura Rotor-Estator: Adotando um conjunto rotor-estator dentado multicamadas com uma folga de ajuste de precisão de 0,2-0,5 mm. A velocidade do rotor pode atingir 2940 rpm, gerando alta velocidade linear e forte força de cisalhamento, que pode efetivamente quebrar as gotículas de material e partículas sólidas.
- Qualidade do Material: As peças de contato com os materiais são feitas de aço inoxidável 316L, com uma rugosidade superficial Ra≤0,4μm, que atende aos requisitos de limpeza e resistência à corrosão de materiais para produção de produtos químicos finos.
- Sistema de Controle: Equipado com um sistema de controle de conversão de frequência inteligente, que pode ajustar a velocidade do rotor de acordo com diferentes sistemas de materiais e requisitos de processo, e realizar o monitoramento em tempo real de parâmetros operacionais, como temperatura e status de funcionamento.
- Estrutura de Vedação: Adotando um design de vedação mecânica dupla com funções de resfriamento e lavagem, que efetivamente impede o vazamento de material e garante a estabilidade da operação do equipamento sob rotação de alta velocidade.
O princípio de funcionamento central do equipamento é: quando o rotor gira em alta velocidade, uma forte pressão negativa é formada na folga de precisão entre o rotor e o estator, que suga o material inferior e o material superior para a área de cisalhamento juntos. O material é submetido a efeitos abrangentes, como forte cisalhamento, extrusão centrífuga, atrito da camada líquida e turbulência na folga, de modo que as partículas grandes são rapidamente quebradas e refinadas, e as fases imiscíveis são totalmente dispersas e emulsificadas, formando finalmente um sistema de emulsão uniforme e estável. Ao mesmo tempo, o fluxo de alta velocidade gerado pela cabeça de trabalho inferior impulsiona a circulação geral de materiais na panela, eliminando zonas mortas de agitação e evitando a sedimentação de materiais.
3. Efeito da Aplicação e Comparação de Dados
Após o emulsificador de entrada inferior de alta cisalhamento ser colocado em uso, a empresa realizou um teste comparativo de um mês entre o novo equipamento e o agitador tradicional. Os parâmetros do processo de produção foram mantidos consistentes, e a qualidade do produto, a eficiência da produção e o consumo de energia foram avaliados de forma abrangente. O efeito da aplicação foi significativamente melhor do que o esperado, e os principais indicadores de desempenho foram muito melhorados.
3.1 Melhoria Significativa na Qualidade do Produto
O tamanho das partículas da emulsão preparada pelo novo equipamento foi testado por um analisador de tamanho de partículas a laser. Os resultados mostraram que o tamanho médio das partículas do produto foi reduzido de 50μm (equipamento tradicional) para 2-5μm, e a faixa de distribuição do tamanho das partículas foi reduzida em 70%. O teste de estabilidade da emulsão mostrou que, após 6 meses de armazenamento estático, não houve separação de fase ou estratificação, e a estabilidade do produto foi significativamente melhorada. A taxa de qualificação do produto aumentou de 88% para 98,5%, e a taxa de defeito causada por problemas de emulsificação foi reduzida para menos de 5%.
Além disso, a consistência dos componentes do produto foi significativamente melhorada. Os dados de detecção de indicadores funcionais, como viscosidade e teor de sólidos de produtos em diferentes lotes, mostraram que o coeficiente de variação (CV) foi reduzido de 8,2% para 1,5%, o que garantiu efetivamente a uniformidade do desempenho do produto entre os lotes.
3.2 Eficiência de Produção Muito Melhorada
Devido à forte eficiência de cisalhamento do equipamento, o tempo de emulsificação por lote foi encurtado de 8-10 horas para 3-4 horas, uma redução de 62,5%. A capacidade de produção diária aumentou de 2 lotes para 5 lotes, e a produção mensal aumentou em 150% sem expandir o local de produção e aumentar o número de operadores. Ao mesmo tempo, o tempo de limpeza após cada lote foi encurtado de 2-3 horas para 40 minutos, o que melhorou ainda mais a capacidade de produção contínua do equipamento.
3.3 Redução Significativa no Consumo de Energia e Custo de Manutenção
Embora a potência do emulsificador de entrada inferior de alta cisalhamento seja de 37kW, que é ligeiramente superior à do agitador tradicional (30kW), o encurtamento significativo do tempo de trabalho faz com que o consumo de energia por lote seja reduzido de 350 kWh para 148 kWh, uma diminuição de 57,7%. O custo anual de energia pode ser economizado em mais de 180.000 yuans.
Em termos de manutenção, a estrutura de vedação mecânica dupla e a seleção de materiais de alta qualidade reduzem o desgaste dos componentes do equipamento. A frequência de manutenção é reduzida de uma vez a cada 2 meses para uma vez a cada 8 meses, e o custo de manutenção por ano é reduzido em 65%. O equipamento tem funcionado de forma estável por 6 meses após ser colocado em uso, sem desligamento por falha, garantindo a continuidade da produção.
3.4 Eliminação da Sedimentação de Materiais e Redução de Desperdícios
A cabeça de trabalho montada na parte inferior do equipamento pode agitar totalmente o material inferior, eliminando completamente a zona morta de agitação na parte inferior da panela. O problema de sedimentação de aditivos sólidos e materiais de alta viscosidade é resolvido, e a taxa de utilização de matérias-primas é aumentada de 92% para 99,2%. O desperdício anual de matérias-primas é reduzido em mais de 8 toneladas, o que reduz ainda mais o custo de produção.
4. Resumo e Experiência
Para a empresa de produtos químicos finos, a aplicação do emulsificador de entrada inferior de alta cisalhamento não só resolveu os problemas de produção de longa data, como emulsificação desigual, sedimentação de materiais e baixa eficiência, mas também alcançou uma melhoria abrangente na qualidade do produto, eficiência da produção e controle de custos. A experiência bem-sucedida mostra que, para processos de emulsificação de materiais de grande volume, alta viscosidade e multifásicos, o emulsificador de entrada inferior de alta cisalhamento tem vantagens óbvias que o equipamento de mistura tradicional não pode igualar:
Em primeiro lugar, o design montado na parte inferior pode agir diretamente sobre o material inferior, eliminar zonas mortas de agitação e evitar a sedimentação de materiais, garantindo a uniformidade de todo o sistema de materiais. Em segundo lugar, o conjunto rotor-estator de alta velocidade gera forte força de cisalhamento, que pode refinar rapidamente as partículas e melhorar a estabilidade da emulsão. Em terceiro lugar, o controle inteligente e o design de estrutura otimizado reduzem o consumo de energia e os custos de manutenção, e melhoram a eficiência da produção.
Atualmente, a empresa promoveu o emulsificador de entrada inferior de alta cisalhamento para todas as suas linhas de produção de 5000L e 8000L, e alcançou bons benefícios econômicos e sociais. Ele fornece uma referência valiosa para empresas semelhantes na indústria de produtos químicos finos para resolver problemas de processo de emulsificação e realizar a atualização industrial.
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