Nghiên cứu điển hình: Máy đồng hóa đáy chịu cắt cao trong tối ưu hóa quy trình nhũ hóa công nghiệp
Trong sản xuất công nghiệp liên quan đến xử lý vật liệu đa pha, nhũ hóa là một quy trình quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất sản phẩm, độ ổn định lưu trữ và chi phí xử lý. Đối với các nhà sản xuất tham gia vào sản xuất sơn gốc nước, chất kết dính và nhũ tương polyme, việc đạt được sự phân tán triệt để của các pha dầu và nước không thể trộn lẫn, tránh lắng đọng vật liệu trong các nồi thể tích lớn và đảm bảo tính nhất quán của sản phẩm giữa các lô từ lâu đã là những thách thức cốt lõi hạn chế sự phát triển sản xuất. Nghiên cứu điển hình này trình bày chi tiết về cách một nhà sản xuất đã giải quyết thành công những nút thắt cổ chai trong quy trình này bằng cách giới thiệu máy đồng hóa đáy chịu cắt cao, đồng thời trình bày các hiệu ứng ứng dụng cụ thể và những cải tiến quy trình một cách thực tế.
1. Bối cảnh sản xuất và những thách thức hiện có
Nhà sản xuất tham gia vào sản xuất nhũ tương chức năng gốc nước, được sử dụng rộng rãi trong sơn kiến trúc, chất kết dính gỗ và các lĩnh vực khác. Trước khi áp dụng máy đồng hóa đáy chịu cắt cao, doanh nghiệp đã sử dụng máy khuấy cánh khuấy gắn trên truyền thống để thực hiện các hoạt động nhũ hóa. Với việc mở rộng quy mô sản xuất, các nồi phản ứng thể tích lớn 5000L và 8000L dần trở thành thiết bị sản xuất chính, và những hạn chế của máy khuấy truyền thống ngày càng trở nên rõ ràng, điều này mang lại một loạt các vấn đề cho quy trình sản xuất.
Những thách thức chính trong quá trình sản xuất như sau:
- Hiệu quả nhũ hóa không đủ và độ ổn định sản phẩm kém: Lực cắt do máy khuấy cánh khuấy gắn trên truyền thống tạo ra tương đối yếu, và nó chỉ có thể đạt được sự trộn đơn giản của vật liệu, nhưng không thể phá vỡ hiệu quả các giọt dầu và các hạt rắn trong hệ nhũ tương. Nhũ tương được điều chế có kích thước hạt trung bình lớn (khoảng 45-60μm), và sự phân bố kích thước hạt không đồng đều. Trong quá trình bảo quản, sự phân tách pha và phân lớp thường xảy ra, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và trải nghiệm người dùng. Tỷ lệ sản phẩm đạt tiêu chuẩn được duy trì ở mức khoảng 87% trong một thời gian dài.
- Lắng đọng vật liệu nghiêm trọng và vùng chết khuấy: Do thể tích lớn của nồi sản xuất và phạm vi khuấy giới hạn của máy khuấy gắn trên, hiệu quả khuấy khó có thể bao phủ các khu vực đáy và cạnh của nồi. Một lượng lớn chất phụ gia dạng bột rắn và vật liệu có độ nhớt cao dễ lắng xuống đáy nồi, tạo thành các vùng chết khuấy. Những vật liệu lắng đọng này không thể trộn hoàn toàn với hệ thống chính, điều này không chỉ gây lãng phí nguyên liệu thô mà còn dẫn đến hàm lượng thành phần không nhất quán của sản phẩm cuối cùng, dẫn đến sự khác biệt lớn về hiệu suất giữa các lô.
- Chu kỳ sản xuất dài và hiệu quả sản xuất thấp: Để cải thiện hiệu quả nhũ hóa càng nhiều càng tốt, nhà sản xuất phải kéo dài thời gian khuấy lên 9-11 giờ mỗi lô. Trong điều kiện này, chỉ có thể sản xuất 2 lô sản phẩm mỗi ngày, điều này không thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường. Đồng thời, hoạt động khuấy trong thời gian dài cũng làm tăng chi phí lao động và chi phí quản lý của doanh nghiệp.
- Tiêu thụ năng lượng cao và chi phí bảo trì: Máy khuấy gắn trên truyền thống cần duy trì công suất đầu ra cao trong thời gian dài để đảm bảo hiệu quả trộn, dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao. Mức tiêu thụ điện năng trên mỗi lô đạt 380 kWh, gây áp lực lớn cho việc kiểm soát chi phí của doanh nghiệp. Ngoài ra, trục và cánh khuấy dễ bị dính vật liệu, và công việc vệ sinh sau mỗi lô mất 2,5-3 giờ. Sự mài mòn của ổ trục và phớt rất nghiêm trọng trong quá trình vận hành, yêu cầu bảo trì 1,5-2 tháng một lần, điều này càng làm tăng chi phí sản xuất.
2. Lựa chọn thiết bị và đặc tính kỹ thuật
Sau khi tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về quy trình sản xuất, phân tích các đặc tính vật liệu và yêu cầu quy trình, và thực hiện nhiều thử nghiệm tại chỗ và trình diễn kỹ thuật, nhà sản xuất cuối cùng đã quyết định áp dụng máy đồng hóa đáy chịu cắt cao để thay thế máy khuấy cánh khuấy gắn trên truyền thống. Thiết bị được thiết kế đặc biệt cho các nồi phản ứng thể tích lớn, với đầu làm việc được lắp đặt ở đáy nồi, có thể tác động trực tiếp lên vật liệu ở đáy nồi, giải quyết triệt để các vấn đề về lắng đọng vật liệu và vùng chết khuấy. Các đặc tính kỹ thuật chính của thiết bị như sau:
- Cấu hình nguồn: Được trang bị động cơ biến tần hiệu suất cao 45kW, có thể thực hiện điều chỉnh tốc độ vô cấp trong phạm vi 500-3000 vòng/phút, phù hợp với quá trình nhũ hóa của vật liệu lô 4000-10000L, phù hợp hoàn toàn với các nồi sản xuất 5000L và 8000L của nhà sản xuất.
- Cấu trúc rôto-stato: Áp dụng cụm rôto-stato răng ba lớp với khe hở phù hợp chính xác 0,15-0,4mm. Thiết kế hình dạng răng đặc biệt có thể tạo ra lực cắt mạnh và dòng chảy hỗn loạn khi rôto quay ở tốc độ cao, phá vỡ hiệu quả các giọt dầu và các hạt rắn trong hệ thống vật liệu thành các hạt nhỏ.
- Lựa chọn vật liệu: Tất cả các bộ phận tiếp xúc với vật liệu đều được làm bằng thép không gỉ 316L, có khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn tuyệt vời. Bề mặt của các bộ phận được đánh bóng đến Ra≤0,3μm, đáp ứng các yêu cầu của sản xuất công nghiệp về độ sạch của vật liệu và tránh ô nhiễm vật liệu.
- Hệ thống niêm phong: Áp dụng cấu trúc phớt cơ khí hai đầu với chức năng làm mát và xả, có thể ngăn chặn hiệu quả rò rỉ vật liệu và đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị trong điều kiện quay tốc độ cao và nhiệt độ cao. Tuổi thọ của phớt dài hơn đáng kể so với phớt truyền thống.
- Hệ thống điều khiển: Được trang bị hệ thống điều khiển PLC thông minh, có thể thực hiện điều khiển tự động quá trình nhũ hóa. Nó có thể thiết lập và điều chỉnh các thông số như tốc độ quay, thời gian làm việc và nhiệt độ vật liệu theo các công thức vật liệu khác nhau, và có các chức năng báo động lỗi và ghi dữ liệu, rất thuận tiện cho việc quản lý sản xuất và truy xuất chất lượng.
Nguyên tắc hoạt động của máy đồng hóa đáy chịu cắt cao như sau: khi thiết bị đang chạy, rôto quay ở tốc độ cao, tạo thành áp suất âm mạnh trong khe hở giữa rôto và stato, hút vật liệu ở đáy và phần trên của nồi vào vùng cắt. Trong vùng cắt, vật liệu chịu các tác động toàn diện như cắt mạnh, ép ly tâm, ma sát lớp chất lỏng và va đập, để các giọt dầu lớn và các hạt rắn bị phá vỡ và tinh chế nhanh chóng. Đồng thời, dòng vật liệu tốc độ cao thúc đẩy sự tuần hoàn tổng thể của vật liệu trong nồi, để tất cả các vật liệu có thể được trộn và nhũ hóa hoàn toàn, và cuối cùng hình thành một hệ nhũ tương đồng nhất và ổn định.
3. Hiệu ứng ứng dụng và phân tích dữ liệu
Sau khi máy đồng hóa đáy chịu cắt cao được đưa vào sản xuất chính thức, nhà sản xuất đã tiến hành một thử nghiệm so sánh kéo dài hai tháng giữa thiết bị mới và máy khuấy truyền thống. Trong thời gian thử nghiệm, công thức vật liệu và các thông số quy trình sản xuất được giữ nguyên, và chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất, mức tiêu thụ năng lượng và các chỉ số khác đã được phát hiện và phân tích một cách toàn diện. Hiệu ứng ứng dụng tốt hơn đáng kể so với mong đợi, và các chỉ số chính đã được cải thiện rất nhiều.
3.1 Chất lượng sản phẩm được cải thiện đáng kể
Kích thước hạt của nhũ tương do thiết bị mới sản xuất được phát hiện bằng máy phân tích kích thước hạt laser. Kết quả cho thấy kích thước hạt trung bình của nhũ tương giảm từ 52μm (máy khuấy truyền thống) xuống 1,8-4,5μm, và phạm vi phân bố kích thước hạt được thu hẹp 75%. Thử nghiệm độ ổn định của nhũ tương cho thấy sau 8 tháng bảo quản tĩnh ở nhiệt độ phòng, không có sự phân tách pha, phân lớp hoặc kết tủa, và độ ổn định của sản phẩm được tăng cường đáng kể. Tỷ lệ sản phẩm đạt tiêu chuẩn tăng từ 87% lên 98,8%, và số lượng sản phẩm bị lỗi do các vấn đề nhũ hóa giảm 95%.
Ngoài ra, tính nhất quán của hiệu suất sản phẩm giữa các lô đã được cải thiện đáng kể. Dữ liệu phát hiện các chỉ số hiệu suất chính như độ nhớt sản phẩm, hàm lượng chất rắn và độ bám dính cho thấy hệ số biến thiên (CV) của mỗi chỉ số giảm từ 9,5% xuống 1,2%, điều này đảm bảo hiệu quả tính đồng nhất của chất lượng sản phẩm và đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của khách hàng hạ nguồn về hiệu suất sản phẩm.
3.2 Hiệu quả sản xuất được nâng cao đáng kể
Do hiệu quả cắt mạnh của máy đồng hóa đáy chịu cắt cao, thời gian nhũ hóa trên mỗi lô được rút ngắn từ 9-11 giờ xuống 3,5-4,5 giờ, giảm trung bình 60%. Năng lực sản xuất hàng ngày tăng từ 2 lô lên 5-6 lô, và sản lượng hàng tháng tăng 160% mà không cần tăng diện tích sản xuất và nhân viên vận hành. Đồng thời, thời gian vệ sinh sau mỗi lô được rút ngắn từ 2,5-3 giờ xuống 30-45 phút, điều này làm giảm đáng kể thời gian không sản xuất và cải thiện năng lực sản xuất liên tục của thiết bị.
3.3 Tiêu thụ năng lượng và chi phí bảo trì được giảm
Mặc dù công suất của máy đồng hóa đáy chịu cắt cao là 45kW, cao hơn so với máy khuấy gắn trên truyền thống (32kW), việc rút ngắn đáng kể thời gian làm việc làm giảm mức tiêu thụ điện năng trên mỗi lô từ 380 kWh xuống 171 kWh, giảm 55%. Dựa trên sản lượng hàng năm là 300 lô, chi phí năng lượng hàng năm có thể tiết kiệm được hơn 200.000 nhân dân tệ.
Về mặt bảo trì, cấu trúc phớt cơ khí hai đầu và lựa chọn vật liệu chất lượng cao làm giảm sự mài mòn của các bộ phận thiết bị. Chu kỳ bảo trì được kéo dài từ 1,5-2 tháng một lần lên 8-10 tháng một lần, và chi phí bảo trì hàng năm giảm 70%. Trong thời gian thử nghiệm hai tháng, thiết bị hoạt động ổn định mà không có bất kỳ sự cố ngừng hoạt động nào, đảm bảo tính liên tục và ổn định của quá trình sản xuất.
3.4 Tỷ lệ sử dụng vật liệu được cải thiện
Đầu làm việc gắn đáy của máy đồng hóa đáy chịu cắt cao có thể khuấy hoàn toàn vật liệu ở đáy nồi, loại bỏ hoàn toàn vùng chết khuấy. Vấn đề lắng đọng của các chất phụ gia dạng bột rắn và vật liệu có độ nhớt cao được giải quyết, và vật liệu có thể được trộn và sử dụng hoàn toàn. Tỷ lệ sử dụng nguyên liệu thô tăng từ 91% lên 99,5%, giảm lãng phí nguyên liệu thô hàng năm hơn 10 tấn, điều này làm giảm thêm chi phí sản xuất của doanh nghiệp.
4. Kết luận
Việc ứng dụng máy đồng hóa đáy chịu cắt cao đã giải quyết hiệu quả các vấn đề tồn tại lâu nay của nhà sản xuất trong quá trình sản xuất nhũ hóa, chẳng hạn như nhũ hóa không đồng đều, lắng đọng vật liệu, chu kỳ sản xuất dài và tiêu thụ năng lượng cao. Trong khi cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất, nó cũng đã làm giảm đáng kể chi phí sản xuất, nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường của doanh nghiệp.
Trường hợp này cho thấy đầy đủ rằng đối với các nhà sản xuất công nghiệp có nhu cầu nhũ hóa vật liệu đa pha, độ nhớt cao và thể tích lớn, máy đồng hóa đáy chịu cắt cao có những ưu điểm rõ ràng so với thiết bị trộn truyền thống. Thiết kế gắn đáy độc đáo, khả năng cắt mạnh và hệ thống điều khiển thông minh của nó có thể tối ưu hóa hiệu quả quá trình nhũ hóa, cải thiện hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm, đồng thời mang lại những lợi ích kinh tế đáng kể cho doanh nghiệp.
Hiện tại, nhà sản xuất đã phổ biến máy đồng hóa đáy chịu cắt cao cho tất cả các dây chuyền sản xuất của mình và đã đạt được kết quả ứng dụng tốt. Kinh nghiệm ứng dụng thành công này có thể cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cho các nhà sản xuất tương tự khác trong ngành để tối ưu hóa quá trình sản xuất nhũ hóa và hiện thực hóa việc nâng cấp công nghiệp.
