Применение оборудования для высокоскоростного смешивания, диспергирования и эмульгирования
В производстве сложных многофазных материалов (включая твердый порошок, масляную фазу, водную фазу и вспомогательные вещества) интеграция процессов смешивания, диспергирования и эмульгирования является ключом к обеспечению однородности, тонкости и долгосрочной стабильности продукта. Производственное предприятие, занимающееся производством полутвердых и жидких продуктов, столкнулось с серьезными проблемами в комбинированной обработке материалов. Традиционный режим раздельной обработки с использованием нескольких единиц оборудования приводил к низкой производительности, нестабильному качеству продукции и высоким эксплуатационным расходам. После внедрения оборудования для высокоскоростного смешивания, диспергирования и эмульгирования предприятие в корне решило эти проблемы и добилось значительных улучшений в производительности, стабильности продукции и контроле затрат.
Предпосылки и проблемы до модернизации
Предприятие в основном производит многокомпонентные продукты с ежедневной потребностью в 200-300 тонн, охватывая области применения, требующие строгого контроля распределения частиц по размерам и стабильности эмульсии. До модернизации оборудования предприятие использовало режим раздельной обработки: использовался обычный смеситель для предварительного смешивания, диспергатор для диспергирования твердого порошка и однофункциональный эмульгатор для эмульгирования масляно-водной фазы. Этот трехступенчатый раздельный процесс не только увеличил производственный цикл, но и привел к ряду серьезных проблем:
- Плохая интеграция эффектов смешивания, диспергирования и эмульгирования: Из-за отсутствия синергетической координации между различным оборудованием материал не мог достичь однородного состояния на каждом этапе обработки. После предварительного смешивания агломераты твердого порошка (начальный размер частиц 40-80 мкм) не были полностью разрушены; во время диспергирования частицы были неравномерно распределены в жидкой фазе; а последующий процесс эмульгирования не смог полностью соединить масляно-водную фазу с диспергированными твердыми частицами. Конечный продукт имел средний размер частиц 5-10 мкм, а скорость разделения масла и воды достигала 10-13% после 30 дней хранения, что серьезно влияло на пригодность продукта.
- Длительный производственный цикл и низкая эффективность: Раздельный процесс требовал многократной передачи материалов между различным оборудованием, и каждый процесс передачи занимал 15-20 минут. Общее время обработки одной партии (5 тонн) составляло 60-70 минут, а коэффициент использования оборудования составлял всего 75% из-за времени ожидания между процессами. Кроме того, процесс передачи вызывал потери материала (коэффициент потерь 2-3%), увеличивая расход сырья.
- Большие колебания качества от партии к партии: Режим раздельной обработки зависел от ручной работы для регулировки параметров различного оборудования, и согласование параметров между звеньями смешивания, диспергирования и эмульгирования было трудно стандартизировать. Коэффициент вариации (CV) ключевых показателей качества (распределение частиц по размерам, вязкость, стабильность) между партиями достигал 16-22%, в результате чего коэффициент годности готовой продукции составлял всего 83-86%. Большое количество некачественной продукции требовало переработки или утилизации, увеличивая производственные затраты.
- Высокое энергопотребление и затраты на техническое обслуживание: Три комплекта оборудования работали одновременно, со средним ежедневным потреблением электроэнергии 380 кВтч. Каждое оборудование имело независимые уязвимые детали (например, лопасти смесителя, диски диспергатора, статор-ротор эмульгатора), которые требовали частой замены. Ежемесячные затраты на техническое обслуживание составляли около 9000 юаней, а время простоя оборудования из-за технического обслуживания достигало 8-10 часов в месяц.
- Риск загрязнения материала во время передачи: Процесс передачи материала требовал контакта с трубопроводами, клапанами и передаточными емкостями, а мертвые зоны в этих компонентах было трудно тщательно очистить. Остатки материалов из предыдущих партий могли загрязнить последующие материалы, особенно для продуктов с высокими гигиеническими требованиями, что увеличивало риск получения некачественной продукции из-за загрязнения.
Выбор оборудования и основная конфигурация
Чтобы решить вышеуказанные проблемы, предприятие отказалось от традиционного режима раздельной обработки и выбрало оборудование для высокоскоростного смешивания, диспергирования и эмульгирования с интегрированными функциями. Оборудование объединяет смешивание, диспергирование и эмульгирование в одном блоке, реализуя одноэтапную обработку материалов без передачи. Его основная конфигурация и технические характеристики разработаны для решения проблем раздельной обработки, а ключевые конфигурации следующие:
1. Интегрированная многофункциональная рабочая головка
Оборудование использует комбинированную структуру рабочей головки, объединяющую три функциональных модуля: высокоскоростной диспергирующий диск, многоступенчатый ротор-статор сдвига и трехмерная перемешивающая лопасть. Диспергирующий диск (диаметр 220 мм) вращается со скоростью 800-3500 об/мин, что позволяет быстро разрушать крупные агломераты твердого порошка; многоступенчатый ротор-статор сдвига (3 ступени, зазор сдвига 0,06-0,2 мм) имеет диапазон скоростей 3000-12000 об/мин, создавая скорость сдвига до 80 000 с⁻¹, что обеспечивает полное слияние масляно-водных фаз и дальнейшее измельчение частиц; трехмерная перемешивающая лопасть (скорость 50-200 об/мин) обеспечивает общую однородность материалов в резервуаре и позволяет избежать локальной недостаточной обработки. Все функциональные модули изготовлены из нержавеющей стали 316L с зеркальной полировкой (шероховатость поверхности Ra ≤ 0,8 мкм), которая устойчива к коррозии и легко очищается.
2. Система точного управления параметрами
Оборудование оснащено интеллектуальной системой управления ПЛК с интерфейсом управления с сенсорным экраном, которая может осуществлять независимое и связанное управление скоростью смешивания, скоростью диспергирования, скоростью эмульгирования, временем обработки и температурой материала. Точность регулирования скорости составляет ±10 об/мин, точность регулирования времени составляет ±1 секунду, а диапазон регулирования температуры составляет 0-100℃ (точность колебаний ±1,5℃). Система поддерживает хранение 80 наборов технологических параметров, что позволяет стандартизировать настройки параметров различных продуктов и партий, избегая колебаний качества, вызванных ручной работой. Кроме того, система может автоматически записывать кривую параметров в процессе обработки, обеспечивая надежную поддержку данных для оптимизации процесса и отслеживания качества.
3. Закрытая конструкция резервуара без передачи материала
Оборудование использует закрытую вертикальную конструкцию резервуара объемом 5000 л (рабочий объем 4000 л), которая может выполнять все процессы смешивания, диспергирования и эмульгирования в одном резервуаре без передачи материала. Корпус резервуара оснащен устройством контроля температуры с рубашкой, которое может осуществлять нагрев или охлаждение материалов в соответствии с требованиями процесса, избегая ухудшения материала, вызванного повышением температуры во время высокоскоростного сдвига и диспергирования. Крышка резервуара поднимается гидравлическим давлением, что удобно для подачи, очистки и технического обслуживания, а герметичность корпуса резервуара соответствует требованиям GMP и стандартам безопасности пищевых продуктов.
4. Энергосберегающая и износостойкая конструкция
Оборудование использует энергосберегающий двигатель с частотным преобразователем, который может регулировать выходную мощность в соответствии со стадией обработки (низкая мощность для смешивания, высокая мощность для диспергирования и эмульгирования), снижая потребление энергии в режиме ожидания. Рабочая головка использует износостойкое покрытие (покрытие из карбида вольфрама), которое продлевает срок службы уязвимых деталей. В системе смазки используется пищевое смазочное масло класса H1, которое нетоксично и совместимо с производственными требованиями, а интервал замены смазочного масла увеличен до 8000 часов работы.
5. Автоматическая система очистки CIP
Оборудование оснащено автоматической системой очистки CIP (Clean-In-Place), которая включает в себя очищающие форсунки, установленные на крышке резервуара и внутри корпуса резервуара. Очищающие форсунки могут распылять чистящие средства на 360 градусов, охватывая все внутренние поверхности корпуса резервуара и рабочей головки. Процесс очистки может быть завершен в течение 20-30 минут, устраняя мертвые зоны и снижая риск перекрестного загрязнения материала. Эффект очистки соответствует гигиеническим требованиям пищевой, косметической и фармацевтической промышленности.
Процесс внедрения и оптимизация процесса
После ввода оборудования в эксплуатацию предприятие провело 4-месячную опытную эксплуатацию и оптимизацию процесса. Исходный трехступенчатый раздельный процесс был скорректирован до одноступенчатого интегрированного процесса обработки, а основные этапы внедрения и меры по оптимизации следующие:
1. Интеграция процесса и калибровка параметров
Предприятие выбрало 6 типичных рецептур продуктов (включая продукты с высоким содержанием твердых веществ, высокой вязкостью и двухфазными масляно-водными характеристиками) для калибровки параметров. Для каждой рецептуры оптимальная комбинация параметров смешивания, диспергирования и эмульгирования определялась путем повторных испытаний. Взяв в качестве примера продукт, содержащий 30% твердого порошка и 25% масляной фазы, оптимальные параметры были определены как: скорость смешивания 100 об/мин (продолжительность 5 минут) для предварительного смешивания водной фазы и вспомогательных веществ; скорость диспергирования 2800 об/мин (продолжительность 10 минут) для разрушения агломератов твердого порошка; скорость эмульгирования 9000 об/мин (продолжительность 15 минут) для слияния масляно-водной фазы и измельчения частиц; и конечная скорость смешивания 80 об/мин (продолжительность 5 минут) для стабилизации системы продукта. При этой комбинации параметров средний размер частиц продукта был уменьшен до 1,2-2,0 мкм, а стабильность эмульсии значительно улучшилась.
2. Проверка воспроизводимости партии
После определения оптимальных параметров для каждого продукта предприятие провело проверку воспроизводимости партии. Для каждой рецептуры было произведено 12 последовательных партий образцов с использованием сохраненных настроек параметров. Результаты испытаний показали, что коэффициент вариации (CV) ключевых показателей качества между партиями снизился с 16-22% до 2-4%, а коэффициент годности готовой продукции увеличился до более чем 99%. Это подтвердило, что интегрированное оборудование и стандартизированные настройки параметров могут эффективно решить проблему больших колебаний качества от партии к партии.
3. Оптимизация производственного процесса
Интегрированный режим обработки исключил звено передачи материала между различным оборудованием. Время обработки одной партии сократилось с 60-70 минут до 35-40 минут, а эффективность обработки повысилась примерно на 40%. Коэффициент потерь материала снизился с 2-3% до менее чем 0,5% благодаря закрытой конструкции резервуара, что значительно снизило расход сырья. Кроме того, количество операторов, необходимых для одной производственной линии, сократилось с 3 до 2, снизив затраты на рабочую силу при одновременном повышении эффективности производства.
4. Оптимизация процесса очистки
Автоматическая система очистки CIP заменила исходный режим ручной очистки. Время очистки на партию сократилось с 40-50 минут до 20-30 минут, а эффект очистки стал более стабильным. Количество некачественной продукции, вызванной загрязнением материала, сократилось с 2-3 раз в месяц до 0-1 раза в квартал, что еще больше повысило стабильность качества продукции.
Эффекты применения и анализ данных
После 8 месяцев формальной эксплуатации оборудование для высокоскоростного смешивания, диспергирования и эмульгирования достигло замечательных результатов в улучшении качества продукции, повышении эффективности производства, снижении энергопотребления и затрат на техническое обслуживание. Сравнение конкретных данных до и после модернизации оборудования выглядит следующим образом:
1. Значительное улучшение качества продукции
Средний размер частиц готовой продукции был уменьшен с 5-10 мкм до 1,0-2,5 мкм, а индекс полидисперсности (PDI) контролировался ниже 0,18, что значительно улучшило тонкость и однородность продукта. Скорость разделения масла и воды продукта во время хранения снизилась с 10-13% до менее чем 1,5% после 60 дней хранения, а стабильность продукта значительно повысилась. Для продуктов с высокими гигиеническими требованиями общее количество колоний стабильно контролировалось ниже 10 КОЕ/г, что соответствует самым строгим гигиеническим стандартам отрасли. Коэффициент годности готовой продукции увеличился с 83-86% до 99,3%, в основном исключив затраты на переработку и утилизацию отходов.
2. Замечательное улучшение эффективности производства
Время обработки одной партии сократилось на 40%, а ежедневная производственная мощность увеличилась с 200-300 тонн до 350-400 тонн при том же рабочем времени (20 часов в день). Коэффициент использования оборудования увеличился с 75% до 95%, а количество незапланированных остановок, вызванных проблемами процесса или отказами оборудования, сократилось с 3-4 раз в месяц до 0-1 раза в месяц. Звено передачи материала было исключено, что позволило сэкономить 2-3 часа времени на передачу в день и улучшить непрерывность производства.
3. Эффективное снижение энергопотребления и затрат
Конструкция оборудования с частотным преобразованием и энергосбережением снизила среднее ежедневное потребление электроэнергии с 380 кВтч до 240 кВтч, что составляет снижение на 36,8%, экономя 51 100 кВтч электроэнергии ежегодно. Износостойкая конструкция рабочей головки и увеличенный интервал замены смазочного масла снизили ежемесячные затраты на техническое обслуживание с 9000 юаней до 3200 юаней, а ежегодные затраты на техническое обслуживание были сэкономлены примерно на 69 600 юаней. Коэффициент потерь материала снизился на 1,5-2,5 процентных пункта, экономя затраты на сырье примерно на 8% ежегодно. Совокупные затраты (энергия, техническое обслуживание, сырье, рабочая сила) снизились примерно на 12% ежегодно.
4. Снижение риска загрязнения и повышение безопасности эксплуатации
Закрытая конструкция резервуара и автоматическая система очистки CIP исключили риск загрязнения, вызванный передачей материала и ручной очисткой. Количество инцидентов загрязнения продукции сократилось более чем на 90%, а безопасность и надежность производства значительно улучшились. Оборудование оснащено несколькими функциями защиты (защита от перегрузки, перегрева, избыточного давления), которые могут автоматически отключаться при возникновении аномалий, избегая повреждения оборудования и несчастных случаев с персоналом. Гидравлическая подъемная крышка резервуара и упрощенный процесс эксплуатации снизили трудоемкость операторов и повысили безопасность эксплуатации.
5. Расширение масштабируемости процесса
Функции хранения и вызова параметров оборудования упростили переключение между различными рецептурами продуктов. Для разработки новых продуктов оптимальные параметры процесса могут быть быстро определены путем мелкосерийных испытаний на том же оборудовании, а параметры могут быть непосредственно применены к массовому производству, сокращая цикл разработки новых продуктов на 30-40%. Технические параметры оборудования совместимы с производством в пилотном и промышленном масштабах, обеспечивая надежную поддержку для будущего расширения производства предприятия.
Ключевой опыт и эксплуатационные заметки
В процессе применения предприятие обобщило ряд ключевых опытов и эксплуатационных заметок, чтобы обеспечить стабильную работу оборудования для высокоскоростного смешивания, диспергирования и эмульгирования и в полной мере использовать его интегрированные характеристики:
- Согласование параметров между различными функциональными модулями имеет решающее значение. Для материалов с высокой вязкостью скорость смешивания следует сначала соответствующим образом увеличить, чтобы обеспечить равномерный поток материала, затем скорость диспергирования и эмульгирования следует постепенно увеличивать, чтобы избежать перегрузки оборудования и разбрызгивания материала.
- Последовательность подачи существенно влияет на эффект обработки. Для многофазных материалов рекомендуется сначала добавлять непрерывную фазу (например, водную фазу), затем добавлять дисперсную фазу (например, масляную фазу) и твердый порошок при перемешивании, что позволяет избежать локальной агломерации и улучшить однородность диспергирования и эмульгирования.
- Регулярный осмотр и техническое обслуживание рабочей головки необходимы. Состояние износа диспергирующего диска, статора и ротора следует проверять каждые 400 часов работы. Когда величина износа превышает 0,5 мм или поверхность сильно поцарапана, уязвимые детали следует своевременно заменять, чтобы обеспечить эффект обработки.
- Система очистки CIP должна использоваться стандартизированно. После каждой партии продукции процесс очистки следует проводить в строгом соответствии с установленными процедурами, а эффект очистки следует регулярно проверять (например, обнаружение остаточного материала), чтобы избежать перекрестного загрязнения между партиями.
- Для термочувствительных материалов следует строго контролировать температуру во время обработки. Устройство контроля температуры с рубашкой может использоваться для охлаждения материалов, а время и скорость обработки следует соответствующим образом регулировать, чтобы избежать потери активных ингредиентов или ухудшения материала, вызванного чрезмерным повышением температуры.
- Операторы должны быть профессионально обучены. Перед эксплуатацией оборудования операторы должны ознакомиться со структурой, принципом работы и методами настройки параметров оборудования и строго следовать процедурам эксплуатации, чтобы избежать операционных ошибок.
Резюме
Применение оборудования для высокоскоростного смешивания, диспергирования и эмульгирования в корне решило проблемы плохого эффекта обработки, низкой эффективности производства, больших колебаний качества и высоких эксплуатационных затрат, вызванных традиционным режимом раздельной обработки на предприятии. Интегрируя функции смешивания, диспергирования и эмульгирования в одном блоке, оборудование реализует одноэтапную обработку материалов, исключает звенья передачи материалов и обеспечивает однородность и стабильность продукции.
Система точного управления параметрами оборудования стандартизирует производственный процесс, снижает влияние ручной работы на качество продукции и улучшает воспроизводимость партий продукции. Энергосберегающая и износостойкая конструкция, а также автоматическая система очистки CIP не только снижают эксплуатационные расходы и трудоемкость технического обслуживания предприятия, но и повышают уровень безопасности и гигиены производства.
Для производственных сценариев, включающих многокомпонентные, многофазные материалы, требующие интегрированной обработки смешивания, диспергирования и эмульгирования, оборудование для высокоскоростного смешивания, диспергирования и эмульгирования является надежным выбором. Оно может не только улучшить качество продукции и эффективность производства, но и снизить эксплуатационные расходы и риски, обеспечивая надежную техническую поддержку для устойчивого развития предприятия. Благодаря стандартизированной эксплуатации, регулярному техническому обслуживанию и постоянной оптимизации процесса оборудование может играть большую роль в производстве и помогать предприятию адаптироваться к постоянно растущим требованиям рынка к качеству.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!