Estudio de caso: El emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento mejora la eficiencia de producción y la calidad del producto en el procesamiento de productos químicos finos
En el campo de la producción de productos químicos finos, el proceso de emulsificación es un enlace central que determina directamente la calidad, la estabilidad y la eficiencia de la producción del producto. Para las empresas dedicadas a la producción de emulsiones de polímeros y materiales compuestos, lograr una dispersión uniforme de fases inmiscibles, eliminar la sedimentación de materiales y reducir las tasas de defectos del producto siempre han sido desafíos clave en el proceso de producción. Este estudio de caso presenta cómo una empresa de productos químicos finos resolvió con éxito los problemas de producción de larga data al aplicar un emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento y logró mejoras significativas en la calidad del producto y la eficiencia de la producción.
1. Antecedentes y desafíos de producción
La empresa se dedica principalmente a la I+D y la producción de emulsiones de polímeros a base de agua, que se utilizan ampliamente en recubrimientos, adhesivos y otros campos. Antes de introducir el emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento, la empresa adoptó un agitador tradicional montado en la parte superior para las operaciones de emulsificación y mezcla. Con la expansión de la escala de producción y la mejora de los requisitos del mercado para la calidad del producto, el equipo tradicional expuso gradualmente limitaciones obvias, lo que afectó seriamente el progreso de la producción y la competitividad del producto.
Los principales desafíos de producción son los siguientes:
- Emulsificación desigual y poca estabilidad del producto: El agitador tradicional montado en la parte superior tiene una fuerza de cizallamiento limitada, y es difícil dispersar completamente la fase oleosa, la fase acuosa y los aditivos funcionales en el sistema de materiales. La emulsión preparada tiene un tamaño de partícula grande, un amplio rango de distribución y una fácil separación de fases y estratificación durante el almacenamiento. La tasa de calificación del producto es de solo alrededor del 88%, y los productos defectuosos causados por una mala estabilidad representan más del 90% del total de productos defectuosos.
- Sedimentación grave de materiales y zonas muertas: Debido al gran volumen del recipiente de producción (lote de 5000L), el efecto de agitación del agitador montado en la parte superior es difícil de cubrir el fondo del recipiente. Una gran cantidad de aditivos de polvo sólido y materiales de alta viscosidad son fáciles de asentar en el fondo del recipiente, formando zonas muertas que no se pueden agitar. Esto no solo causa desperdicio de materias primas, sino que también afecta la consistencia de los componentes del producto, lo que resulta en grandes diferencias en el rendimiento del producto entre lotes.
- Ciclo de producción largo y alto consumo de energía: Para garantizar el efecto de emulsificación tanto como sea posible, la empresa tiene que extender el tiempo de agitación a 8-10 horas por lote, lo que no solo reduce la capacidad de producción (solo se pueden producir 2 lotes por día), sino que también conduce a un alto consumo de energía. El consumo de energía del agitador por lote alcanza los 350 kWh, lo que aumenta significativamente el costo de producción.
- Limpieza difícil y alto costo de mantenimiento: El agitador tradicional montado en la parte superior tiene una estructura compleja, y el eje de agitación y las aspas son fáciles de adherir a los materiales. El trabajo de limpieza después de cada lote lleva de 2 a 3 horas, lo que consume mucho tiempo y mano de obra. Al mismo tiempo, debido a la gran carga del equipo durante la operación, el desgaste de los cojinetes y los sellos es grave, y la frecuencia de mantenimiento es tan alta como una vez cada 2 meses, lo que afecta la eficiencia de producción continua.
2. Selección de equipos y configuración técnica
Después de una investigación en profundidad del proceso de producción y una verificación técnica repetida, la empresa finalmente seleccionó un emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento para reemplazar el agitador tradicional montado en la parte superior. El equipo está diseñado para la producción de recipientes de gran volumen, con el cabezal de trabajo instalado en la parte inferior del recipiente, que puede actuar directamente sobre el material inferior y resolver el problema de la sedimentación y las zonas muertas desde la fuente. Las configuraciones técnicas clave son las siguientes:
- Potencia y capacidad de procesamiento: El equipo está equipado con un motor de alta eficiencia de 37kW, que es adecuado para una capacidad de procesamiento por lotes de 3000-8000L, que coincide completamente con el recipiente de producción de 5000L de la empresa.
- Estructura rotor-estator: Adopta un conjunto rotor-estator dentado de múltiples capas con un espacio de ajuste de precisión de 0,2-0,5 mm. La velocidad del rotor puede alcanzar las 2940 rpm, generando una alta velocidad lineal y una fuerte fuerza de cizallamiento, que puede romper eficazmente las gotas de material y las partículas sólidas.
- Calidad del material: Las partes en contacto con los materiales están hechas de acero inoxidable 316L, con una rugosidad superficial Ra≤0,4μm, que cumple con los requisitos de la producción de productos químicos finos para la limpieza del material y la resistencia a la corrosión.
- Sistema de control: Equipado con un sistema de control de conversión de frecuencia inteligente, que puede ajustar la velocidad del rotor de acuerdo con diferentes sistemas de materiales y requisitos del proceso, y realizar un monitoreo en tiempo real de los parámetros de funcionamiento, como la temperatura y el estado de funcionamiento.
- Estructura de sellado: Adopta un diseño de doble sello mecánico con funciones de enfriamiento y enjuague, que previene eficazmente las fugas de material y garantiza la estabilidad del funcionamiento del equipo a alta velocidad de rotación.
El principio de funcionamiento principal del equipo es: cuando el rotor gira a alta velocidad, se forma una fuerte presión negativa en el espacio de precisión entre el rotor y el estator, que succiona el material inferior y el material superior en el área de cizallamiento juntos. El material se somete a efectos integrales como fuerte cizallamiento, extrusión centrífuga, fricción de la capa líquida y turbulencia en el espacio, de modo que las partículas grandes se rompen y refinan rápidamente, y las fases inmiscibles se dispersan y emulsionan por completo, formando finalmente un sistema de emulsión uniforme y estable. Al mismo tiempo, el flujo de alta velocidad generado por el cabezal de trabajo inferior impulsa la circulación general de materiales en el recipiente, eliminando las zonas muertas de agitación y evitando la sedimentación de materiales.
3. Efecto de la aplicación y comparación de datos
Después de que el emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento se puso en uso, la empresa realizó una prueba comparativa de un mes entre el nuevo equipo y el agitador tradicional. Los parámetros del proceso de producción se mantuvieron consistentes y se evaluaron exhaustivamente la calidad del producto, la eficiencia de producción y el consumo de energía. El efecto de la aplicación fue significativamente mejor de lo esperado, y los principales indicadores de rendimiento mejoraron enormemente.
3.1 Mejora significativa en la calidad del producto
El tamaño de partícula de la emulsión preparada por el nuevo equipo se probó con un analizador de tamaño de partícula láser. Los resultados mostraron que el tamaño de partícula promedio del producto se redujo de 50 μm (equipo tradicional) a 2-5 μm, y el rango de distribución del tamaño de partícula se redujo en un 70%. La prueba de estabilidad de la emulsión mostró que después de 6 meses de almacenamiento estático, no hubo separación de fases ni estratificación, y la estabilidad del producto mejoró significativamente. La tasa de calificación del producto aumentó del 88% al 98,5%, y la tasa de defectos causada por problemas de emulsificación se redujo a menos del 5%.
Además, la consistencia de los componentes del producto mejoró significativamente. Los datos de detección de indicadores funcionales como la viscosidad y el contenido de sólidos de los productos en diferentes lotes mostraron que el coeficiente de variación (CV) se redujo del 8,2% al 1,5%, lo que garantizó eficazmente la uniformidad del rendimiento del producto entre lotes.
3.2 Gran mejora en la eficiencia de producción
Debido a la fuerte eficiencia de cizallamiento del equipo, el tiempo de emulsificación por lote se acortó de 8-10 horas a 3-4 horas, una reducción del 62,5%. La capacidad de producción diaria aumentó de 2 lotes a 5 lotes, y la producción mensual aumentó en un 150% sin expandir el sitio de producción y aumentar el número de operadores. Al mismo tiempo, el tiempo de limpieza después de cada lote se acortó de 2-3 horas a 40 minutos, lo que mejoró aún más la capacidad de producción continua del equipo.
3.3 Reducción significativa del consumo de energía y el costo de mantenimiento
Aunque la potencia del emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento es de 37kW, que es ligeramente superior a la del agitador tradicional (30kW), el acortamiento significativo del tiempo de trabajo hace que el consumo de energía por lote se reduzca de 350 kWh a 148 kWh, una disminución del 57,7%. El costo energético anual se puede ahorrar en más de 180.000 yuanes.
En términos de mantenimiento, la estructura de doble sello mecánico y la selección de materiales de alta calidad reducen el desgaste de los componentes del equipo. La frecuencia de mantenimiento se reduce de una vez cada 2 meses a una vez cada 8 meses, y el costo de mantenimiento por año se reduce en un 65%. El equipo ha estado funcionando de forma estable durante 6 meses después de su puesta en uso, sin paradas por fallas, lo que garantiza la continuidad de la producción.
3.4 Eliminación de la sedimentación de materiales y reducción de residuos
El cabezal de trabajo montado en la parte inferior del equipo puede agitar completamente el material inferior, eliminando por completo la zona muerta de agitación en la parte inferior del recipiente. El problema de la sedimentación de aditivos sólidos y materiales de alta viscosidad se resuelve, y la tasa de utilización de las materias primas aumenta del 92% al 99,2%. Los residuos anuales de materias primas se reducen en más de 8 toneladas, lo que reduce aún más el costo de producción.
4. Resumen y experiencia
Para la empresa de productos químicos finos, la aplicación del emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento no solo resolvió los problemas de producción de larga data, como la emulsificación desigual, la sedimentación de materiales y la baja eficiencia, sino que también logró una mejora integral en la calidad del producto, la eficiencia de producción y el control de costos. La experiencia exitosa muestra que para los procesos de emulsificación de materiales de gran volumen, alta viscosidad y multifase, el emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento tiene ventajas obvias que el equipo de mezcla tradicional no puede igualar:
En primer lugar, el diseño montado en la parte inferior puede actuar directamente sobre el material inferior, eliminar las zonas muertas de agitación y evitar la sedimentación de materiales, lo que garantiza la uniformidad de todo el sistema de materiales. En segundo lugar, el conjunto rotor-estator de alta velocidad genera una fuerte fuerza de cizallamiento, que puede refinar rápidamente las partículas y mejorar la estabilidad de la emulsión. En tercer lugar, el control inteligente y el diseño de estructura optimizada reducen el consumo de energía y los costos de mantenimiento, y mejoran la eficiencia de producción.
En la actualidad, la empresa ha promovido el emulsionador de entrada inferior de alto cizallamiento a todas sus líneas de producción de 5000L y 8000L, y ha logrado buenos beneficios económicos y sociales. Proporciona una valiosa referencia para empresas similares en la industria de productos químicos finos para resolver problemas de proceso de emulsificación y realizar la mejora industrial.
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