دانشنامه جامع کمپرس یخ84
فصل ۸۴
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی سیستم انتقال ژلپک از مخزن به دستگاه پرکن؛ بررسی انتخاب پمپ، قطر لوله و شیلنگ، افت فشار، ویسکوزیته، طول مسیر، شیرآلات، فیلتر، جلوگیری از گرفتگی و ورود هوا و روش کاهش باقیماندن ژل در خط انتقال
۸۴-۱ ـ مقدمه
پس از ساخت و آبگیری ژلپک در مخزن، مرحله بعد انتقال آن به دستگاه پرکن است. در نگاه اول ممکن است انتقال ژل بسیار ساده به نظر برسد، اما در عمل این مرحله میتواند یکی از عوامل اصلی کاهش سرعت تولید، نوسان وزن، ورود هوا، گرفتگی نازل و افزایش ضایعات باشد.
سیستم انتقال مناسب باید ژل را با دبی پایدار، حداقل هوادهی، فشار قابل کنترل و کمترین آسیب فرآیندی از مخزن به پرکن برساند.
زنجیره کلی چنین است:
مخزن ژل → خط مکش → پمپ → خط فشار → شیرها → نازل/پرکن
هر قسمت باید متناسب با قسمت بعدی انتخاب شود.
—
۸۴-۲ ـ اهداف اصلی سیستم انتقال
یک سیستم انتقال مناسب باید بتواند:
– دبی موردنیاز پرکن را تأمین کند.
– وزن کیسهها را پایدار نگه دارد.
– از ورود هوا جلوگیری کند.
– احتمال گرفتگی را کاهش دهد.
– افت فشار قابل کنترل داشته باشد.
– امکان شستوشو فراهم کند.
– حجم باقیمانده ژل را کاهش دهد.
– در برابر ویسکوزیته واقعی ژل عملکرد پایدار داشته باشد.
—
۸۴-۳ ـ چرا انتقال ژل با انتقال آب متفاوت است؟
آب ویسکوزیته بسیار پایینی دارد و بهراحتی در لوله حرکت میکند.
اما ژل پلیآکریلاتی ممکن است رفتار بسیار متفاوتی داشته باشد.
ویسکوزیته، ساختار ژل، آب آزاد، اندازه ذرات و زمان آبگیری میتوانند بر جریان اثر بگذارند.
بنابراین پمپی که برای آب مناسب است، لزوماً برای ژل مناسب نیست.
—
۸۴-۴ ـ ویسکوزیته ژل
ویسکوزیته نشاندهنده مقاومت ماده در برابر جریان است.
هرچه ویسکوزیته بیشتر باشد، معمولاً برای ایجاد دبی مشابه به فشار یا توان بیشتری نیاز است.
به همین دلیل قبل از انتخاب پمپ بهتر است ویسکوزیته ژل واقعی در دمای فرآیند اندازهگیری یا حداقل بهصورت تجربی مشخص شود.
—
۸۴-۵ ـ رفتار غیرنیوتنی ژل
برخی ژلهای پلیمری ممکن است رفتار غیرنیوتنی داشته باشند.
یعنی ویسکوزیته ظاهری آنها با سرعت برش تغییر کند.
بنابراین یک عدد ویسکوزیته بهتنهایی ممکن است برای طراحی کامل خط کافی نباشد.
بهتر است در صورت امکان، رفتار ژل در چند سرعت جریان بررسی شود.
—
۸۴-۶ ـ تعیین دبی موردنیاز
اگر وزن هر کیسه ۵۰۰ گرم باشد و ۲۰ کیسه در دقیقه تولید شود:
[
M=20\times0.5=10kg/min
]
اگر چگالی تقریبی ژل ۱ کیلوگرم بر لیتر فرض شود:
[
Q\approx10L/min
]
این عدد فقط نمونه محاسباتی است.
پمپ باید علاوه بر این دبی، فشار لازم برای غلبه بر مقاومت خط را نیز تأمین کند.
—
۸۴-۷ ـ ظرفیت واقعی پمپ
اگر پمپ روی کاتالوگ ظرفیت ۲۰ لیتر در دقیقه داشته باشد، ممکن است در شرایط واقعی ژل فقط ۱۲ لیتر در دقیقه تحویل دهد.
زیرا ظرفیت واقعی به:
– فشار خروجی
– ویسکوزیته
– قطر لوله
– طول مسیر
– تعداد زانوها
– شیرها
– نازل
وابسته است.
بنابراین انتخاب پمپ باید بر اساس نقطه کاری واقعی انجام شود.
—
۸۴-۸ ـ نقطه کاری پمپ
پمپ باید در نقطهای کار کند که هم:
[
Q=Q_{required}
]
و هم:
[
P\geq P_{system}
]
باشد.
اگر دبی کافی باشد ولی فشار کافی نباشد، جریان موردنیاز تأمین نمیشود.
اگر فشار بیش از حد باشد، ممکن است مشکلات مکانیکی و فرآیندی ایجاد شود.
—
۸۴-۹ ـ انتخاب نوع پمپ
برای ژلپک میتوان انواع زیر را بررسی کرد:
– پمپ پیستونی
– پمپ دیافراگمی
– پمپ لوب
– پمپ اسکرو
– پمپ جابهجایی مثبت
– سایر پمپهای مخصوص مواد ویسکوز
انتخاب نهایی باید با نمونه واقعی ژل انجام شود.
—
۸۴-۱۰ ـ پمپ پیستونی
پمپ پیستونی میتواند برای دوزینگ دقیق مناسب باشد.
مزیت:
– کنترل حجم یا جرم
– فشار نسبتاً بالا
– مناسب برای برخی مواد غلیظ
نکته مهم این است که جریان ممکن است ضربانی باشد.
اگر ضربان روی وزن یا ورود هوا اثر بگذارد، باید سیستم دمپینگ یا روش دیگری بررسی شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۸۴-۱۱ ـ پمپ دیافراگمی
پمپ دیافراگمی برای برخی مواد ویسکوز گزینه مناسبی است.
اما جریان آن میتواند ضربانی باشد.
اگر پرکن توزیندار به جریان بسیار یکنواخت نیاز داشته باشد، باید رفتار واقعی سیستم بررسی شود.
—
۸۴-۱۲ ـ پمپ لوب
پمپ لوب در بسیاری از کاربردهای مواد غلیظ قابل بررسی است.
مزیت احتمالی:
– جریان نسبتاً یکنواخت
– مناسب برای مواد ویسکوز
– قابلیت انتقال حجم قابل توجه
اما هزینه و پیچیدگی آن ممکن است برای خط کوچک زیاد باشد.
—
۸۴-۱۳ ـ پمپ اسکرو
پمپ اسکرو میتواند برای مواد با ویسکوزیته بالا گزینهای باشد.
جریان یکنواختتر میتواند برای پرکن مزیت داشته باشد.
اما باید بررسی شود که سرعت و هندسه پمپ با ژل خاص موردنظر سازگار باشد.
—
۸۴-۱۴ ـ پمپ جابهجایی مثبت
در سیستمهای دوزینگ، پمپ جابهجایی مثبت میتواند امکان کنترل دقیقتری ایجاد کند.
با این حال، باید از ایجاد فشار بیش از حد جلوگیری شود.
بهخصوص اگر مسیر خروجی مسدود شود، فشار میتواند به سرعت افزایش یابد.
—
۸۴-۱۵ ـ سیستم حفاظت در برابر فشار بالا
یک سیستم صنعتی بهتر است برای شرایط غیرعادی تمهید حفاظتی داشته باشد.
مثلاً:
محدودکننده فشار → شیر اطمینان یا بایپس مناسب → توقف پمپ
جزئیات باید بر اساس نوع پمپ و طراحی کارخانه انتخاب شود.
—
۸۴-۱۶ ـ قطر لوله
قطر لوله تأثیر زیادی بر افت فشار دارد.
لوله کوچک:
– افت فشار بیشتر
– احتمال گرفتگی بیشتر
– نیاز به فشار بالاتر
لوله بزرگ:
– افت فشار کمتر
– حجم باقیمانده بیشتر
– هزینه بالاتر
– احتمال زمان تخلیه بیشتر
بنابراین قطر باید اقتصادی و مهندسی انتخاب شود.
—
۸۴-۱۷ ـ مثال مقایسه قطر
فرض کنیم برای یک دبی مشخص، لوله ۱۰ میلیمتری و ۲۰ میلیمتری را مقایسه کنیم.
سطح مقطع با مربع قطر متناسب است:
[
A\propto d^2
]
پس افزایش قطر از ۱۰ به ۲۰ میلیمتر، سطح مقطع را تقریباً:
[
\left(\frac{20}{10}\right)^2=4
]
برابر میکند.
بنابراین تفاوت قطر میتواند بسیار مهم باشد.
—
۸۴-۱۸ ـ طول خط انتقال
هرچه لوله طولانیتر باشد، احتمال افت فشار بیشتر میشود.
اگر امکان طراحی خط کوتاهتر وجود داشته باشد، معمولاً سادهتر است.
برای مثال:
مخزن کنار پرکن
میتواند نسبت به:
مخزن در فاصله زیاد + لوله طولانی
مزایایی داشته باشد.
—
۸۴-۱۹ ـ تعداد زانوها
هر زانو، سهراهی، شیر و اتصال میتواند مقاومت جریان ایجاد کند.
به همین دلیل بهتر است مسیر تا حد امکان ساده باشد.
طرح:
مخزن → پمپ → پرکن
معمولاً از طرح بسیار پیچیده با زانوهای متعدد سادهتر است.
—
۸۴-۲۰ ـ قطر ورودی پمپ
خط مکش پمپ از اهمیت ویژهای برخوردار است.
اگر مسیر مکش بسیار باریک باشد، ممکن است:
– مکش دشوار شود.
– هوا وارد سیستم شود.
– ظرفیت پمپ کاهش یابد.
– عملکرد ناپایدار شود.
قطر و طول خط مکش باید متناسب با نوع پمپ و ویسکوزیته ژل انتخاب شود.
—
۸۴-۲۱ ـ جلوگیری از ورود هوا در مکش
یکی از مهمترین مشکلات، ورود هوا از محل اتصالات است.
ممکن است هیچ ژل قابل مشاهدهای نشت نکند، ولی هوا از یک اتصال وارد سیستم شود.
نشانهها:
– حباب در لوله
– نوسان فشار
– نوسان دبی
– کاهش ظرفیت پمپ
– صدای غیرعادی
—
۸۴-۲۲ ـ سطح ژل در مخزن
اگر سطح ژل بسیار پایین بیاید، امکان ورود هوا به ورودی پمپ افزایش مییابد.
بنابراین میتوان حداقل سطح کاری برای مخزن تعریف کرد.
سنسور سطح نیز میتواند قبل از رسیدن به وضعیت بحرانی، هشدار بدهد.
—
۸۴-۲۳ ـ گردابه در مخزن
اگر همزن باعث ایجاد گردابه شدید شود، ممکن است هوا وارد ورودی پمپ شود.
این موضوع نشان میدهد که طراحی مخزن و سیستم انتقال به هم وابستهاند.
راهکارهای قابل بررسی:
– کاهش سرعت همزن
– اصلاح محل خروجی
– تغییر ارتفاع ورودی پمپ
– استفاده مناسب از ضدگردابه
– کنترل سطح مخزن
—
۸۴-۲۴ ـ حباب در خط انتقال
حبابها باعث میشوند مقدار ژل خروجی در هر سیکل یکنواخت نباشد.
مثلاً در یک سیکل بخشی از حجم خروجی هوا باشد و در سیکل بعدی ژل بیشتری خارج شود.
این موضوع برای پرکن توزیندار مشکل ایجاد میکند.
—
۸۴-۲۵ ـ هواگیری اولیه
پس از راهاندازی خط یا شستوشو، ممکن است هوا داخل مسیر باقی بماند.
قبل از تولید اصلی بهتر است سیستم بهصورت کنترلشده راهاندازی شود تا هوای محبوس کاهش یابد.
این مرحله باید در دستورالعمل راهاندازی دستگاه ثبت شود.
—
۸۴-۲۶ ـ فیلتر در خط
وجود فیلتر ممکن است برای حذف ذرات یا کلوخهها مفید باشد.
اما فیلتر باید با دقت انتخاب شود.
فیلتر بسیار ریز ممکن است:
– سریع مسدود شود.
– افت فشار ایجاد کند.
– سرعت تولید را کاهش دهد.
—
۸۴-۲۷ ـ تشخیص گرفتگی فیلتر
اگر فشار قبل از فیلتر افزایش یابد ولی فشار بعد از آن کاهش پیدا کند، میتواند نشانه افزایش مقاومت فیلتر باشد.
نصب فشارسنج در دو طرف فیلتر میتواند تشخیص را آسانتر کند.
—
۸۴-۲۸ ـ آیا فیلتر همیشه لازم است؟
خیر.
اگر فرآیند اختلاط و آمادهسازی پلیمر بهخوبی کنترل شود و ذرات خارجی وجود نداشته باشند، ممکن است فیلتر بزرگ یا بسیار ریز ضروری نباشد.
این تصمیم باید بر اساس نیاز واقعی خط گرفته شود.
—
۸۴-۲۹ ـ شیرهای مسیر
شیرها باید برای ویسکوزیته ژل مناسب باشند.
شیر بسیار کوچک میتواند باعث افزایش افت فشار شود.
همچنین باید در نظر گرفته شود که ژل در داخل شیر باقی نماند و تمیزکاری دشوار نشود.
—
۸۴-۳۰ ـ حجم مرده
حجم مرده یعنی بخشی از خط که پس از پایان تولید، مقدار قابل توجهی ژل در آن باقی میماند.
فرمول ساده:
[
V_{dead}=V_{tank}+V_{pipe}+V_{pump}+V_{valve}
]
البته در محاسبه واقعی باید فقط بخشهای باقیمانده در فرآیند لحاظ شوند.
کاهش این حجم میتواند ضایعات را کاهش دهد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۸۴-۳۱ ـ محاسبه حجم لوله
برای یک لوله استوانهای:
[
V=\pi\frac{d^2}{4}L
]
اگر قطر داخلی ۲۰ میلیمتر و طول ۱۰ متر باشد:
[
d=0.02m
]
پس حجم تقریباً:
[
V=\pi\times\frac{0.02^2}{4}\times10
]
حدود:
[
0.00314m^3
]
یا:
[
3.14L
]
است.
یعنی همین خط انتقال میتواند بیش از سه لیتر ماده در خود نگه دارد.
—
۸۴-۳۲ ـ اهمیت حجم مرده در تولید کوچک
اگر هر بچ فقط ۲۰۰ لیتر باشد، باقیماندن ۳ لیتر ژل در خط حدود:
[
\frac{3}{200}\times100=1.5%
]
از حجم بچ است.
بنابراین در تولیدهای کوچک، حجم لوله اهمیت بیشتری پیدا میکند.
—
۸۴-۳۳ ـ خط کوتاهتر یا لوله بزرگتر؟
هر دو راهکار میتوانند افت فشار را کاهش دهند، اما لوله بزرگتر حجم باقیمانده را افزایش میدهد.
بنابراین همیشه بزرگترین قطر بهترین انتخاب نیست.
هدف باید پیدا کردن کمترین قطر عملی با دبی و فشار قابل قبول باشد.
—
۸۴-۳۴ ـ عایقکاری خط
در برخی فرمولها، دمای ژل روی ویسکوزیته اثر دارد.
اگر خط انتقال از محیط بسیار گرم یا سرد عبور کند، ممکن است دمای ژل تغییر کند.
در چنین شرایطی میتوان:
– خط را کوتاه کرد.
– آن را از منابع گرما دور کرد.
– در صورت نیاز عایق حرارتی مناسب در نظر گرفت.
—
۸۴-۳۵ ـ کنترل دمای ژل
اگر فرمول در دمای مشخصی بهترین قابلیت پمپاژ را دارد، بهتر است دمای ژل قبل و بعد از انتقال اندازهگیری شود.
مثلاً:
[
T_{tank}=25^\circ C
]
و:
[
T_{filler}=24^\circ C
]
تغییر کم است.
اما اگر اختلاف قابل توجه باشد، باید علت بررسی شود.
—
۸۴-۳۶ ـ پمپ دورمتغیر
استفاده از پمپ دارای کنترل سرعت میتواند امکان تنظیم دبی را فراهم کند.
مثلاً:
سرعت بالا → پرکردن سریع
سرعت پایین → تنظیم نهایی وزن
این ویژگی میتواند با پرکن توزیندار هماهنگ شود.
—
۸۴-۳۷ ـ کنترل دبی با فلومتر
در صورت نیاز میتوان فلومتر را در مسیر قرار داد.
اما برای ژلهای غلیظ، انتخاب فلومتر باید بر اساس رفتار ماده انجام شود.
همه فلومترها برای ژل مناسب نیستند.
در برخی خطوط، کنترل وزن ممکن است از اندازهگیری مستقیم دبی کاربردیتر باشد.
—
۸۴-۳۸ ـ توزین یا فلومتر؟
برای محصولی که وزن نهایی هر کیسه اهمیت زیادی دارد، سیستم توزین میتواند کنترل مستقیمتری ایجاد کند.
فلومتر بیشتر برای کنترل جریان مفید است.
بنابراین ترکیب:
کنترل دبی + کنترل وزن
میتواند اطلاعات کاملتری ایجاد کند.
—
۸۴-۳۹ ـ سیستم بایپس
در برخی طراحیها میتوان بخشی از جریان را به مخزن برگرداند.
طرح مفهومی:
مخزن → پمپ → مسیر پرکن
و یک مسیر:
پمپ → بایپس → مخزن
این روش میتواند در برخی سیستمها برای کنترل جریان یا جلوگیری از کارکرد نامناسب پمپ قابل بررسی باشد.
—
۸۴-۴۰ ـ خطر بایپس نامناسب
اگر بایپس بیش از حد باز باشد، بخش زیادی از ژل به مخزن برمیگردد و دبی واقعی پرکن کاهش مییابد.
بنابراین بایپس باید قابل تنظیم و متناسب با طراحی پمپ باشد.
—
۸۴-۴۱ ـ انتقال بدون آسیب به ژل
در ژلهای پلیمری، اعمال برش شدید یا عبور از مسیر بسیار باریک ممکن است رفتار ماده را تغییر دهد.
بنابراین باید بررسی شود که:
– پمپ چه میزان برش ایجاد میکند؟
– نازل چقدر باریک است؟
– تعداد دفعات گردش ژل در سیستم چقدر است؟
هدف، انتقال کافی و کنترلشده است.
—
۸۴-۴۲ ـ گردش مجدد ژل
اگر ژل مدت زیادی در مسیر بایپس بچرخد، ممکن است:
– دما تغییر کند.
– حباب افزایش یابد.
– ساختار ژل تغییر کند.
بنابراین گردش مجدد طولانیمدت باید فقط در صورت نیاز و پس از آزمون انجام شود.
—
۸۴-۴۳ ـ سیستم CIP یا شستوشوی داخلی
برای خطوط بزرگتر، امکان شستوشوی داخلی میتواند مزیت مهمی باشد.
اما طراحی آن باید با نوع ژل سازگار باشد.
مسیر باید طوری طراحی شود که مواد باقیمانده در نقاط کور به حداقل برسند.
—
۸۴-۴۴ ـ تخلیه خط
در پایان تولید، امکان تخلیه مناسب خط اهمیت دارد.
خطی که بخش زیادی از ژل در آن باقی میماند:
– ضایعات بیشتری ایجاد میکند.
– شستوشوی بیشتری نیاز دارد.
– زمان توقف را افزایش میدهد.
شیب مناسب و محل خروجی مناسب میتواند کمککننده باشد.
—
۸۴-۴۵ ـ آزمون عملی سیستم انتقال
پیش از اتصال به خط صنعتی، یک آزمون واقعی انجام دهید.
مثلاً:
۵۰ تا ۱۰۰ لیتر ژل
را از مخزن به پرکن انتقال دهید و ثبت کنید:
– دبی
– فشار
– زمان انتقال
– حباب
– حجم باقیمانده
– وزن کیسهها
– گرفتگی
– دمای ژل
این آزمون اطلاعات ارزشمندی فراهم میکند.
—
۸۴-۴۶ ـ آزمون سه دبی
برای تعیین نقطه کاری، میتوان سه دبی را مقایسه کرد:
حالت| دبی| فشار| کیفیت پرکردن
A| کم| کم| بررسی
B| متوسط| متوسط| بررسی
C| زیاد| زیاد| بررسی
اگر حالت C سرعت را افزایش دهد ولی حباب و نوسان وزن ایجاد کند، حالت B ممکن است برای فرآیند مناسبتر باشد.
—
۸۴-۴۷ ـ چکلیست طراحی خط انتقال
پیش از ساخت خط:
– ویسکوزیته ژل مشخص شده؟
– دبی موردنیاز مشخص شده؟
– طول مسیر مشخص شده؟
– قطر لوله تعیین شده؟
– نوع پمپ آزمایش شده؟
– فشار واقعی اندازهگیری شده؟
– ورود هوا بررسی شده؟
– فیلتر نیاز است؟
– حجم مرده محاسبه شده؟
– امکان تخلیه و شستوشو وجود دارد؟
—
۸۴-۴۸ ـ طراحی اقتصادی پیشنهادی
برای یک خط نیمهصنعتی میتوان ساختار سادهای را در نظر گرفت:
مخزن → خروجی کوتاه → پمپ جابهجایی مثبت مناسب → شیلنگ انعطافپذیر کوتاه → شیر قطع → پرکن توزیندار
هرچه تجهیزات غیرضروری کمتر باشد:
– هزینه کمتر
– نگهداری سادهتر
– حجم مرده کمتر
– نقاط نشتی کمتر
خواهد بود.
—
۸۴-۴۹ ـ مسیر توسعه از نیمهصنعتی تا صنعتی
در مرحله اول:
یک مخزن + یک پمپ + یک نازل
سپس:
مخزن بزرگتر + پمپ کنترلشونده + چند نازل
و در مرحله صنعتی:
مخازن مستقل + کنترل سطح + پمپهای کنترلشده + سیستم توزین چندنازله + PLC + ثبت اطلاعات
این توسعه مرحلهای، ریسک سرمایهگذاری را کاهش میدهد.
—
۸۴-۵۰ ـ جمعبندی نهایی فصل
سیستم انتقال ژلپک باید بهعنوان بخشی از فرآیند تولید طراحی شود، نه صرفاً یک لوله بین مخزن و پرکن.
مهمترین عوامل عبارتاند از:
ویسکوزیته ژل + دبی موردنیاز + قطر لوله + طول مسیر + نوع پمپ + فشار + کنترل هوا + حجم مرده + قابلیت شستوشو
برای تولید اقتصادی، بهتر است خط انتقال تا حد امکان کوتاه و ساده باشد و تعداد اتصالات غیرضروری کاهش یابد.
پمپ باید بر اساس دبی و فشار واقعی در شرایط ژل انتخاب شود. همچنین باید بین سرعت انتقال و کیفیت محصول تعادل برقرار شود؛ زیرا افزایش بیش از حد فشار یا سرعت ممکن است موجب ورود هوا، نوسان وزن، چکهکردن یا تغییر رفتار ژل شود.
خلاصه کاربردی فصل ۸۴
برای طراحی یک خط انتقال مناسب، ابتدا این پنج مشخصه را اندازهگیری یا تعیین کنید:
1. ویسکوزیته ژل
2. دبی موردنیاز
3. وزن هر کیسه
4. طول و قطر مسیر
5. فشار واقعی موردنیاز
سپس پمپ و شیرآلات انتخاب شوند.
در تولید ژلپک پلیآکریلاتی، یکی از اصول مهم این است که برای حل مشکل گرفتگی یا کاهش دبی، صرفاً فشار پمپ افزایش داده نشود؛ ابتدا باید علت مشکل، مانند کلوخه، قطر نامناسب لوله، فیلتر گرفته، زمان آبگیری نامناسب یا ویسکوزیته بیش از حد، مشخص شود.
همچنین کاهش حجم مرده خط میتواند در بلندمدت هزینه مواد اولیه و زمان شستوشو را کاهش دهد.
پیشنهاد فصل بعد:
فصل ۸۵ ـ طراحی سیستم اختلاط و آبگیری پیوسته ژلپک؛ بررسی تولید بچای و پیوسته، زمان ماند، دوزینگ همزمان آب و پلیآکریلات، کنترل نسبت مواد، جلوگیری از کلوخه، کنترل ویسکوزیته و امکان افزایش ظرفیت تولید بدون افزایش شدید نیروی انسانی
۰ دیدگاه