Ứng dụng của Máy phân tán tốc độ cao và Máy đồng hóa độ cắt cao
Trong quy trình sản xuất các sản phẩm dạng lỏng và bán rắn có đặc tính đa thành phần và độ nhớt cao, sự kết hợp giữa máy phân tán tốc độ cao và máy đồng hóa độ cắt cao đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ đồng đều, độ mịn và độ ổn định của sản phẩm. Một cơ sở sản xuất tham gia vào việc xử lý các vật liệu hỗn hợp phức tạp đã từng gặp phải những nút thắt cổ chai dai dẳng trong việc phân tán và đồng hóa vật liệu, dẫn đến chất lượng sản phẩm không ổn định và hiệu quả sản xuất thấp. Sau khi giới thiệu hệ thống kết hợp máy phân tán tốc độ cao và máy đồng hóa độ cắt cao, cơ sở đã giải quyết thành công những vấn đề này, đạt được những cải thiện đáng kể về hiệu suất sản xuất và tính nhất quán của sản phẩm.
Bối cảnh và Những thách thức hiện tại
Cơ sở chủ yếu xử lý các vật liệu hỗn hợp có chứa bột rắn, pha dầu và pha nước, với yêu cầu năng lực sản xuất hàng ngày từ 180 đến 250 tấn. Dây chuyền sản xuất hoạt động theo ba ca, mỗi ca chạy liên tục trong 8 giờ. Trước khi nâng cấp thiết bị, cơ sở dựa vào một thiết bị trộn truyền thống duy nhất để hoàn thành cả quy trình phân tán và đồng hóa, dẫn đến các vấn đề nổi cộm sau:
- Hiệu quả phân tán rắn-lỏng không đầy đủ: Thiết bị trộn truyền thống không thể phá vỡ hiệu quả các hạt bột rắn kết tụ (kích thước hạt ban đầu 50-100 μm) trong hệ thống vật liệu. Sau khi trộn, một số lượng lớn các hạt kết tụ mịn vẫn còn, dẫn đến thành phần vật liệu không đồng đều. Trong quá trình xử lý tiếp theo, các hạt kết tụ này sẽ gây tắc nghẽn trong đường ống và vòi phun, dẫn đến việc dừng sản xuất ngoài kế hoạch trung bình 2-3 lần mỗi tuần.
- Độ ổn định đồng hóa kém: Thiết bị thiếu lực cắt đủ để thực hiện sự kết hợp hoàn toàn giữa pha dầu và pha nước. Sản phẩm hoàn thiện thường cho thấy hiện tượng phân tầng hoặc tách lớp sau 15-20 ngày bảo quản, với tỷ lệ tách dầu-nước đạt 12-15%. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của sản phẩm mà còn làm tăng chi phí tái chế và xử lý chất thải, với tỷ lệ sản phẩm đạt tiêu chuẩn chỉ duy trì ở mức 82-85%.
- Hiệu quả sản xuất thấp và tiêu thụ năng lượng cao: Do hiệu quả xử lý kém của thiết bị đơn lẻ, mỗi lô vật liệu yêu cầu trộn và đồng hóa nhiều lần trong 40-50 phút để đáp ứng các yêu cầu chất lượng cơ bản. Thiết bị hoạt động ở công suất cao cố định trong thời gian dài, dẫn đến tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị sản phẩm cao. Mức tiêu thụ điện năng trung bình hàng ngày đạt 320 kWh và tần suất bảo trì thiết bị cao, với tỷ lệ khả dụng trung bình chỉ 80%.
- Sự dao động chất lượng lớn giữa các lô: Thiết bị truyền thống thiếu sự kiểm soát chính xác đối với tốc độ phân tán, thời gian đồng hóa và lực cắt. Chất lượng cảm quan (kết cấu, độ đồng đều) và các chỉ số vật lý và hóa học (độ nhớt, phân bố kích thước hạt) của các sản phẩm từ các lô khác nhau cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Điều này gây khó khăn cho cơ sở trong việc thiết lập các quy trình sản xuất ổn định và đáp ứng các yêu cầu chất lượng nhất quán của các ứng dụng hạ nguồn.
Cấu hình thiết bị và Kế hoạch tối ưu hóa quy trình
Để giải quyết các vấn đề trên, cơ sở đã tối ưu hóa quy trình sản xuất và giới thiệu một hệ thống xử lý kết hợp bao gồm máy phân tán tốc độ cao và máy đồng hóa độ cắt cao, tạo thành một chế độ xử lý tích hợp "phân tán trước - đồng hóa sâu - trộn ổn định". Cấu hình chính của thiết bị và các biện pháp tối ưu hóa quy trình như sau:
1. Cấu hình chính của Máy phân tán tốc độ cao
Máy phân tán tốc độ cao được chọn được trang bị đĩa phân tán kiểu tuabin có đường kính 200 mm, làm bằng thép không gỉ 316L. Tốc độ phân tán có thể được điều chỉnh vô cấp trong phạm vi 800-3000 vòng/phút thông qua điều khiển biến tần, tạo ra tốc độ tuyến tính tối đa 28 m/s. Thiết bị được trang bị cơ cấu nâng có thể điều chỉnh chiều cao của đĩa phân tán trong khoảng 300-800 mm, thích ứng với các mức vật liệu khác nhau trong bồn trộn (dung tích 5000 L). Ngoài ra, máy phân tán được trang bị thiết bị theo dõi mô-men xoắn có thể tự động điều chỉnh tốc độ hoạt động theo sự thay đổi của lực cản của vật liệu trong quá trình phân tán, tránh quá tải và đảm bảo hoạt động ổn định.
2. Cấu hình chính của Máy đồng hóa độ cắt cao
Máy đồng hóa độ cắt cao phù hợp sử dụng cấu trúc stator-rotor bốn giai đoạn với khe cắt 0,08-0,2 mm. Tốc độ rotor có thể được điều chỉnh liên tục trong khoảng 3000-12000 vòng/phút, tạo ra tốc độ cắt lên đến 75000 s⁻¹. Thiết bị được lắp đặt ở đáy bồn trộn, thực hiện đồng hóa liên tục vật liệu. Nó được trang bị thiết bị kiểm soát nhiệt độ có vỏ bọc có thể kiểm soát nhiệt độ vật liệu trong quá trình đồng hóa trong khoảng 25-80℃, với độ chính xác dao động nhiệt độ là ±1℃, tránh mất các thành phần hoạt tính hoặc suy giảm vật liệu do nhiệt độ tăng quá cao trong quá trình cắt tốc độ cao.
3. Các biện pháp tối ưu hóa quy trình
Quy trình xử lý một bước ban đầu đã được điều chỉnh thành quy trình kết hợp ba bước, thực hiện sự phân công lao động hợp lý giữa hai loại thiết bị:
- Giai đoạn phân tán trước: Đầu tiên, thêm vật liệu pha nước vào bồn trộn, khởi động máy phân tán tốc độ cao và điều chỉnh tốc độ đến 2000-2500 vòng/phút. Sau đó, từ từ thêm vật liệu bột rắn vào bồn trong khi khuấy và thực hiện phân tán trước trong 10-15 phút. Quy trình này có thể nhanh chóng phá vỡ các hạt rắn kết tụ lớn và phân tán chúng đều trong pha nước, giảm tải cho quá trình đồng hóa tiếp theo.
- Giai đoạn đồng hóa sâu: Sau khi hoàn thành phân tán trước, thêm vật liệu pha dầu vào bồn trộn, khởi động máy đồng hóa độ cắt cao trong khi vẫn duy trì hoạt động của máy phân tán tốc độ cao. Điều chỉnh tốc độ máy phân tán đến 1200-1500 vòng/phút và tốc độ máy đồng hóa đến 8000-10000 vòng/phút, và thực hiện xử lý kết hợp trong 15-20 phút. Máy phân tán tốc độ cao đảm bảo độ đồng đều tổng thể của vật liệu, trong khi máy đồng hóa độ cắt cao tạo ra lực cắt mạnh để thực hiện sự kết hợp hoàn toàn của pha dầu và pha nước và phá vỡ các hạt mịn đến kích thước yêu cầu.
- Giai đoạn trộn ổn định: Sau khi đồng hóa, giảm tốc độ của máy đồng hóa độ cắt cao xuống 3000-4000 vòng/phút và tốc độ của máy phân tán tốc độ cao xuống 800-1000 vòng/phút, và thực hiện trộn ổn định tốc độ thấp trong 5-8 phút. Quy trình này loại bỏ ứng suất bên trong của hệ thống vật liệu, ổn định cấu trúc nhũ tương và đảm bảo độ ổn định bảo quản lâu dài của sản phẩm hoàn thiện.
Hiệu quả ứng dụng và Phân tích dữ liệu
Sau 6 tháng vận hành thử nghiệm và tối ưu hóa thông số, hệ thống kết hợp máy phân tán tốc độ cao và máy đồng hóa độ cắt cao đã đạt được những kết quả đáng chú ý trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí vận hành. So sánh dữ liệu cụ thể trước và sau khi nâng cấp thiết bị như sau:
1. Cải thiện đáng kể về chất lượng sản phẩm
Phân bố kích thước hạt của sản phẩm hoàn thiện đã được tối ưu hóa đáng kể. Sau khi phân tán trước bằng máy phân tán tốc độ cao, kích thước hạt trung bình của các hạt rắn đã giảm từ 50-100 μm xuống 8-12 μm. Sau khi đồng hóa thêm bằng máy đồng hóa độ cắt cao, kích thước hạt trung bình cuối cùng của sản phẩm được kiểm soát ở mức 1-3 μm và chỉ số đa phân tán (PDI) được duy trì dưới 0,2. Tỷ lệ tách dầu-nước của sản phẩm trong quá trình bảo quản đã giảm từ 12-15% xuống dưới 2% sau 60 ngày bảo quản và độ ổn định của sản phẩm được cải thiện đáng kể. Tỷ lệ sản phẩm đạt tiêu chuẩn tăng từ 82-85% lên 99,2%, về cơ bản loại bỏ chi phí tái chế và xử lý chất thải.
2. Cải thiện đáng kể về hiệu quả sản xuất
Chế độ xử lý kết hợp rút ngắn thời gian xử lý một lô từ 40-50 phút xuống 30-35 phút và hiệu quả xử lý được cải thiện khoảng 25%. Số lần dừng máy ngoài kế hoạch do tắc nghẽn đường ống đã giảm từ 2-3 lần mỗi tuần xuống 0-1 lần mỗi tháng và tỷ lệ khả dụng của thiết bị đã tăng từ 80% lên 95%. Với cùng năng lực sản xuất hàng ngày (180-250 tấn), cơ sở đã giảm thời gian hoạt động của mỗi ca xuống 1 giờ, giảm chi phí lao động trong khi vẫn đảm bảo hoàn thành nhiệm vụ sản xuất đúng thời hạn.
3. Giảm hiệu quả tiêu thụ năng lượng và chi phí bảo trì
Chức năng điều khiển biến tần của hai loại thiết bị đã thực hiện điều chỉnh công suất thích ứng theo giai đoạn xử lý. Mức tiêu thụ điện năng trung bình hàng ngày của dây chuyền sản xuất đã giảm từ 320 kWh xuống 240 kWh, giảm 25%, tiết kiệm 29.200 kWh điện hàng năm. Máy phân tán tốc độ cao và máy đồng hóa độ cắt cao sử dụng vật liệu chịu mài mòn và thiết kế cấu trúc tối ưu, giảm tần suất thay thế các bộ phận dễ bị tổn thương. Chi phí bảo trì hàng tháng đã giảm từ 8.000 nhân dân tệ xuống 3.500 nhân dân tệ và chi phí bảo trì hàng năm đã tiết kiệm được khoảng 54.000 nhân dân tệ.
4. Ổn định chất lượng giữa các lô
Hệ thống kiểm soát chính xác của thiết bị thực hiện kiểm soát chính xác tốc độ phân tán, thời gian đồng hóa, lực cắt và nhiệt độ. Hệ số biến thiên (CV) của các chỉ số chất lượng chính (độ nhớt, phân bố kích thước hạt) giữa các lô sản phẩm khác nhau đã giảm từ 18-22% xuống 3-5%, đạt được sự nhất quán ổn định về chất lượng sản phẩm. Điều này không chỉ đáp ứng các yêu cầu chất lượng của các ứng dụng hạ nguồn mà còn cung cấp cơ sở đáng tin cậy để cơ sở tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
Kinh nghiệm chính và Lưu ý vận hành
Trong quá trình ứng dụng, cơ sở đã tổng hợp những kinh nghiệm chính và lưu ý vận hành sau để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống thiết bị kết hợp và phát huy hết hiệu suất của nó:
- Trình tự thêm vật liệu và sự phù hợp về tốc độ giữa máy phân tán tốc độ cao và máy đồng hóa độ cắt cao là rất quan trọng đối với hiệu quả xử lý. Cần tránh thêm vật liệu bột rắn quá nhanh trong quá trình phân tán trước và đảm bảo rằng máy phân tán duy trì tốc độ đủ để ngăn chặn sự kết tụ thứ cấp của các hạt.
- Kiểm tra thường xuyên tình trạng mài mòn của đĩa phân tán của máy phân tán tốc độ cao và stator-rotor của máy đồng hóa độ cắt cao. Khi lượng mài mòn vượt quá 0,5 mm, cần thay thế kịp thời để tránh làm giảm hiệu quả phân tán và đồng hóa.
- Trong quá trình đồng hóa, kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ vật liệu. Đối với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt, nên giảm tốc độ máy đồng hóa một cách thích hợp hoặc khởi động hệ thống làm mát để tránh suy giảm vật liệu do nhiệt độ tăng quá cao.
- Thiết lập một hệ thống bảo trì thiết bị tiêu chuẩn, bao gồm việc vệ sinh hàng ngày các bề mặt thiết bị và các bộ phận tiếp xúc với vật liệu, kiểm tra hàng tháng các bộ biến tần và hệ thống điều khiển, và thay thế dầu bôi trơn và phớt hàng quý, để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của thiết bị.
Tóm tắt
Việc ứng dụng hệ thống kết hợp máy phân tán tốc độ cao và máy đồng hóa độ cắt cao đã giải quyết về cơ bản các vấn đề tồn tại lâu nay về hiệu quả phân tán kém, đồng hóa không ổn định, hiệu quả sản xuất thấp và sự dao động chất lượng lớn trong quá trình sản xuất của cơ sở. Bằng cách tối ưu hóa quy trình và kết hợp thiết bị hợp lý, hệ thống đã thực hiện sự tích hợp hiệu quả của các chức năng phân tán và đồng hóa, cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất, đồng thời giảm chi phí vận hành.
Đối với các tình huống sản xuất liên quan đến vật liệu hỗn hợp đa thành phần, việc sử dụng kết hợp máy phân tán tốc độ cao và máy đồng hóa độ cắt cao có thể phát huy hết lợi thế của chúng, bù đắp những hạn chế của thiết bị đơn lẻ và hình thành một chế độ xử lý hiệu quả và ổn định hơn. Thông qua việc liên tục tối ưu hóa các thông số quy trình và vận hành và bảo trì thiết bị theo tiêu chuẩn, hệ thống thiết bị kết hợp có thể cung cấp hỗ trợ kỹ thuật đáng tin cậy cho sự phát triển bền vững của cơ sở, giúp cơ sở cải thiện khả năng cạnh tranh sản xuất và thích ứng với các yêu cầu chất lượng ngày càng khắt khe của thị trường.
