دانشنامه جامع کمپرس یخ82
فصل ۸۲
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی خط کامل تولید ژلپک از آمادهسازی آب و پلیآکریلات تا مخلوطکردن، آبگیری، پرکردن، دوخت، آزمون نشتی، بستهبندی و کنترل کیفیت؛ بررسی چیدمان تجهیزات، ظرفیت خط، نیروی انسانی، انتقال مواد و کاهش توقف تولید
۸۲-۱ ـ مقدمه
تولید صنعتی ژلپک فقط به ساخت ژل یا پرکردن کیسه محدود نمیشود. یک محصول قابل فروش باید از مرحله آمادهسازی مواد اولیه تا بستهبندی نهایی، فرآیندی منظم و قابل تکرار داشته باشد.
یک خط کامل را میتوان به این شکل تعریف کرد:
آب → آمادهسازی پلیآکریلات → اختلاط → آبگیری → مخزن واسط → پرکردن → توزین → دوخت → آزمون نشتی → کنترل کیفیت → بستهبندی → انبار
هدف اصلی خط، تولید محصولی است که وزن، شکل، میزان ژل، استحکام بسته، عملکرد سرمایشی و کیفیت ظاهری آن در محدوده مشخص باقی بماند.
—
۸۲-۲ ـ تفاوت خط آزمایشگاهی و صنعتی
در آزمایشگاه ممکن است ساخت یک کیسه ژلپک با ترازو، ظرف و همزن دستی انجام شود.
اما در تولید صنعتی باید مسائل دیگری کنترل شوند:
– حجم تولید
– تکرارپذیری
– زمان تولید
– نیروی انسانی
– انتقال مواد
– نظافت
– کنترل وزن
– نشتی
– توقف دستگاه
– بستهبندی
– ثبت اطلاعات
بنابراین افزایش مقیاس صرفاً به معنی بزرگترکردن مخزن نیست.
—
۸۲-۳ ـ نمودار کلی خط تولید
یک چیدمان پایه میتواند شامل این بخشها باشد:
مخزن آب → واحد اختلاط → مخزن آبگیری → پمپ انتقال → مخزن پرکن → دستگاه پرکن → دستگاه دوخت → آزمون نشتی → بستهبندی
در تولید بزرگتر، هر بخش میتواند تجهیزات مستقل و سیستم کنترل جداگانه داشته باشد.
—
۸۲-۴ ـ ظرفیت خط
ظرفیت خط باید بر اساس محصول سالم خروجی تعیین شود.
اگر خط در شرایط ایدهآل ۵۰۰ کیلوگرم در ساعت تولید کند ولی ۱۰ درصد محصول ضایعات شود:
[
500\times0.90=450kg/h
]
بنابراین ظرفیت واقعی محصول سالم حدود ۴۵۰ کیلوگرم در ساعت خواهد بود.
—
۸۲-۵ ـ گلوگاه تولید
در یک خط ممکن است اختلاط بسیار سریع باشد ولی پرکردن کند باشد.
یا پرکردن سریع باشد ولی دوخت ظرفیت کمتری داشته باشد.
کندترین بخش، گلوگاه خط است.
مثلاً:
بخش| ظرفیت فرضی
اختلاط| ۷۰۰ kg/h
آبگیری| ۶۰۰ kg/h
پرکردن| ۴۰۰ kg/h
دوخت| ۳۵۰ kg/h
بستهبندی| ۵۰۰ kg/h
در این مثال، ظرفیت کل خط نمیتواند بیشتر از ظرفیت واقعی بخش گلوگاهی باشد، مگر اینکه آن بخش تقویت شود.
—
۸۲-۶ ـ آمادهسازی آب
آب ماده اصلی فرمول ژلپک است.
بنابراین کیفیت آب میتواند روی:
– میزان جذب پلیآکریلات
– سرعت آبگیری
– ویسکوزیته
– مقدار آب آزاد
– پایداری ژل
اثر بگذارد.
در تولید مستمر، بهتر است مشخصات آب ورودی تعریف و ثبت شود.
—
۸۲-۷ ـ مخزن آب
مخزن آب باید ظرفیت کافی برای تأمین پیوسته خط داشته باشد.
برای مثال اگر مصرف خط ۲۰۰ لیتر در ساعت باشد، مخزن باید طوری طراحی شود که توقفهای کوتاه و نوسان مصرف را پوشش دهد.
ظرفیت مخزن فقط با مصرف متوسط تعیین نمیشود؛ بلکه باید برنامه تولید و زمان شارژ نیز در نظر گرفته شود.
—
۸۲-۸ ـ کنترل کیفیت آب
پارامترهای قابل بررسی:
– ظاهر
– pH
– EC
– سختی
– مواد محلول
– کلسیم
– منیزیم
مقدار دقیق قابل قبول باید بر اساس فرمول انتخابی تعیین شود.
اگر یک فرمول با آب کماملاح ساخته شده باشد، استفاده از آب بسیار سخت یا شور میتواند رفتار پلیآکریلات را تغییر دهد.
—
۸۲-۹ ـ آمادهسازی پلیآکریلات
پلیآکریلات سدیم باید قبل از ورود به فرآیند از نظر مشخصات ظاهری و یکنواختی بررسی شود.
مواردی مانند:
– اندازه ذرات
– وجود کلوخه
– رطوبت
– یکنواختی بچ
– مقدار مصرف
میتوانند روی فرآیند اثرگذار باشند.
—
۸۲-۱۰ ـ سیستم توزین مواد اولیه
برای تکرارپذیری، آب و پلیمر باید با وزن مشخص وارد هر بچ شوند.
اگر فرمول آزمایشی مثلاً:
[
1000kg\ Water+10kg\ Polymer
]
باشد، مقدار واقعی باید با ترازو و تلرانس تعیینشده اندازهگیری شود.
فرمول نهایی کارخانه باید پس از آزمایش تثبیت شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۸۲-۱۱ ـ مخزن اختلاط
مخزن اختلاط یکی از مهمترین تجهیزات خط است.
جنس، حجم و شکل مخزن باید با ویژگی ژل سازگار باشد.
موارد مهم:
– شکل کف
– ارتفاع
– قطر
– نوع همزن
– سرعت همزن
– محل ورود آب
– محل افزودن پلیمر
– خروجی مخزن
—
۸۲-۱۲ ـ انتخاب همزن
همزن باید بتواند پلیآکریلات را بهطور یکنواخت در آب پخش کند.
همزن بسیار ضعیف ممکن است باعث کلوخهشدن شود.
همزن بسیار شدید نیز ممکن است:
– هوا وارد ژل کند.
– کف ایجاد کند.
– مصرف انرژی را افزایش دهد.
بنابراین سرعت و هندسه همزن باید با آزمایش تعیین شود.
—
۸۲-۱۳ ـ ترتیب افزودن مواد
در سیستم آب و پلیآکریلات، نحوه افزودن پودر اهمیت دارد.
روش عمومی قابل بررسی:
1. ورود مقدار مشخص آب
2. شروع همزدن
3. پخش تدریجی پلیآکریلات
4. ادامه اختلاط
5. زمان آبگیری
6. کنترل یکنواختی
افزودن حجم زیادی پودر بهصورت ناگهانی میتواند احتمال تشکیل کلوخه را افزایش دهد.
—
۸۲-۱۴ ـ کنترل زمان افزودن پلیمر
زمان افزودن باید به یک پارامتر قابل کنترل تبدیل شود.
برای مثال میتوان سه حالت را آزمایش کرد:
– افزودن در ۲ دقیقه
– افزودن در ۵ دقیقه
– افزودن در ۱۰ دقیقه
سپس میزان کلوخه، ویسکوزیته، زمان آبگیری و قابلیت پمپاژ مقایسه شود.
—
۸۲-۱۵ ـ آبگیری ژل
بعد از اختلاط، پلیآکریلات برای رسیدن به وضعیت فرآیندی مشخص به زمان نیاز دارد.
این زمان باید در دستور تولید ثبت شود.
مثلاً:
زمان اختلاط = X دقیقه
زمان آبگیری = Y دقیقه
مقادیر X و Y باید با آزمایش واقعی تعیین شوند.
—
۸۲-۱۶ ـ چرا آبگیری باید ثابت باشد؟
اگر یک بچ بعد از ۲۰ دقیقه وارد پرکن شود و بچ دیگر بعد از ۶۰ دقیقه، ممکن است ویسکوزیته و رفتار جریان متفاوت باشد.
در نتیجه:
– سرعت پرکردن
– فشار پمپ
– وزن نهایی
– شکل کیسه
ممکن است تغییر کند.
—
۸۲-۱۷ ـ مخزن واسط
بعد از آبگیری، ژل میتواند وارد مخزن واسط شود.
این مخزن نقش بافر بین ساخت ژل و پرکردن را دارد.
مزایای احتمالی:
– تغذیه یکنواخت پرکن
– کاهش توقف
– کنترل سطح
– امکان نمونهبرداری
– جداسازی فرآیند ساخت و پرکردن
—
۸۲-۱۸ ـ همزن آرام مخزن واسط
اگر ژل در مخزن واسط تهنشینی یا جدایش نداشته باشد، ممکن است نیازی به همزن دائمی نباشد.
اما اگر یکنواختی نیازمند حرکت باشد، همزن باید تا حد امکان آرام باشد.
هدف:
حفظ یکنواختی بدون ایجاد حباب و تغییر نامطلوب ساختار ژل
—
۸۲-۱۹ ـ انتقال ژل
انتقال ژل از مخزن به پرکن میتواند با پمپ انجام شود.
مسیر باید تا حد امکان:
– کوتاه
– ساده
– قابل شستوشو
– بدون نقاط مرده
– بدون پیچوخم غیرضروری
باشد.
مسیر بسیار پیچیده میتواند تمیزکاری و نگهداری را دشوار کند.
—
۸۲-۲۰ ـ انتخاب قطر لوله
قطر لوله باید با دبی و ویسکوزیته هماهنگ باشد.
لوله باریک میتواند افت فشار را افزایش دهد.
لوله بیش از حد بزرگ نیز ممکن است:
– حجم باقیمانده را افزایش دهد.
– هزینه تجهیزات را بیشتر کند.
– زمان تخلیه را افزایش دهد.
بنابراین قطر مناسب باید بر اساس دبی واقعی انتخاب شود.
—
۸۲-۲۱ ـ افت فشار در مسیر
هر زانو، شیر، فیلتر و نازل میتواند مقداری افت فشار ایجاد کند.
در یک سیستم واقعی:
[
\Delta P_{total}=
\Delta P_{pipe}+
\Delta P_{valve}+
\Delta P_{filter}+
\Delta P_{nozzle}
]
اگر افت فشار زیاد شود، پمپ باید توان بیشتری تأمین کند.
—
۸۲-۲۲ ـ دستگاه پرکن
دستگاه پرکن باید بر اساس ویژگی واقعی ژل انتخاب شود.
مهمترین شاخصها:
– دقت وزن
– سرعت
– سازگاری با ژل
– قابلیت تنظیم
– ضدچکهبودن
– سهولت شستوشو
– امکان کار با کیسه موردنظر
—
۸۲-۲۳ ـ سیستم توزین
هر کیسه میتواند روی سینی توزین قرار گیرد.
فرآیند:
صفر → پرکردن سریع → پرکردن آهسته → قطع جریان → تثبیت وزن
برای مثال وزن هدف:
[
M_t=500g
]
میتواند با پرکردن سریع تا ۴۷۰ گرم و پرکردن آهسته تا ۵۰۰ گرم انجام شود.
—
۸۲-۲۴ ـ جبران پسجریان
پس از فرمان قطع، ممکن است مقداری ژل همچنان از نازل خارج شود.
اگر مقدار آن ۵ گرم باشد:
[
M_{cut}=M_t-5
]
برای وزن هدف ۵۰۰ گرم:
[
M_{cut}=495g
]
اما مقدار واقعی باید با آزمون تعیین شود.
—
۸۲-۲۵ ـ کنترل کیسه خالی
پیش از پرکردن باید مشخص شود که:
– کیسه درست قرار گرفته است.
– محل دوخت آزاد است.
– کیسه سوراخ نیست.
– ابعاد آن مناسب است.
سنسور یا سیستم مکانیکی میتواند حضور صحیح کیسه را کنترل کند.
—
۸۲-۲۶ ـ پرکردن کیسه تخت
برای ژلپک تخت، پرکردن باید به گونهای باشد که ژل در سطح بسته پخش شود.
اگر تمام ژل در یک نقطه جمع شود، ممکن است:
– ضخامت نامناسب شود.
– حباب ایجاد شود.
– دوخت دشوار شود.
– زمان انجماد افزایش یابد.
هندسه کیسه و نحوه پرکردن باید با هم طراحی شوند.
—
۸۲-۲۷ ـ فضای خالی برای دوخت
قسمت بالای کیسه باید فضای کافی برای دوخت داشته باشد.
اگر ژل بیش از حد پر شود، احتمال آلودگی منطقه دوخت افزایش مییابد.
اگر فضای خالی بسیار زیاد باشد، حجم مفید و شکل بسته تغییر میکند.
مقدار مناسب باید از طریق آزمون تعیین شود.
—
۸۲-۲۸ ـ دستگاه دوخت
دوخت باید متناسب با نوع فیلم انتخاب شود.
پارامترهای مهم:
– دمای دوخت
– فشار
– زمان
– عرض دوخت
– سرعت عبور
– تمیزی محل دوخت
مقادیر دقیق باید بر اساس فیلم واقعی تعیین شوند.
—
۸۲-۲۹ ـ آلودگی محل دوخت
وجود ژل بین دو لایه فیلم میتواند کیفیت اتصال را کاهش دهد.
بنابراین قبل از دوخت باید محل اتصال بررسی شود.
یکی از اهداف مهم طراحی پرکن:
پرکردن بدون آلودهکردن منطقه دوخت
است.
—
۸۲-۳۰ ـ آزمون نشتی اولیه
بعد از دوخت، هر بچ یا نمونهبرداری مشخص باید از نظر نشتی بررسی شود.
روشهای داخلی قابل طراحی:
– فشار کنترلشده
– فشردن دستی
– غوطهوری در آب در صورت مناسببودن روش
– بررسی ظاهری
– نگهداری تحت فشار مشخص
روش آزمون باید برای محصول مشخص و قابل تکرار باشد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۸۲-۳۱ ـ آزمون پس از انجماد
بستهای که در دمای محیط سالم است، الزاماً بعد از انجماد نیز سالم نمیماند.
به دلیل تغییر حجم محتویات، فشار داخلی و رفتار فیلم میتواند تغییر کند.
بنابراین آزمون نشتی بهتر است در دو وضعیت انجام شود:
قبل از انجماد
و
بعد از انجماد
—
۸۲-۳۲ ـ آزمون انبساط
برای بررسی انبساط میتوان ابعاد کیسه را قبل و بعد از انجماد اندازهگیری کرد.
اگر طول، عرض یا ضخامت تغییر کند، باید مشخص شود که آیا فضای خالی کافی بوده است یا خیر.
این آزمون در طراحی چندبارمصرف نیز اهمیت زیادی دارد.
—
۸۲-۳۳ ـ کنترل وزن محصول نهایی
بعد از دوخت، وزن نهایی باید مجدداً بررسی شود.
اگر وزن ژل ۵۰۰ گرم و وزن فیلم ۲۰ گرم باشد:
[
M_{total}=520g
]
این مقدار میتواند برای کنترل حملونقل و قیمت بستهبندی نیز ثبت شود.
—
۸۲-۳۴ ـ کنترل ابعاد
برای ژلپک تخت میتوان موارد زیر را کنترل کرد:
– طول
– عرض
– ضخامت
– محل دوخت
– یکنواختی ضخامت
ابعاد باید متناسب با کاربرد تعیین شوند.
—
۸۲-۳۵ ـ کنترل ضخامت
اگر حجم مشخصی از ژل در سطح بزرگتری پخش شود، ضخامت کمتر میشود:
[
H=\frac{V}{A}
]
ضخامت کمتر میتواند انتقال حرارت را تسهیل کند، ولی ممکن است استحکام مکانیکی و دوام بسته نیازمند بررسی بیشتری باشد.
—
۸۲-۳۶ ـ آزمون عملکرد سرمایشی
برای تأیید عملکرد ژلپک باید آزمایش حرارتی انجام شود.
پارامترهای قابل ثبت:
– جرم
– دمای اولیه
– دمای فریزر
– زمان انجماد
– دمای مرکز
– زمان ذوب
– دمای محیط
– مدت حفظ دمای هدف
این دادهها میتوانند بخشی از مشخصات فنی محصول شوند.
—
۸۲-۳۷ ـ کنترل ظرفیت سرمایشی
برای تخمین اولیه بار محسوس میتوان از:
[
Q=mC_p\Delta T
]
استفاده کرد.
اگر تغییر فاز آب نیز نقش مهمی داشته باشد:
[
Q_L=mL
]
که برای آب خالص، گرمای نهان انجماد حدود:
[
L\approx334,kJ/kg
]
است.
اما در ژل پلیمری، عملکرد واقعی باید با آزمایش اندازهگیری شود.
—
۸۲-۳۸ ـ بستهبندی ثانویه
پس از تأیید محصول، کیسهها میتوانند در:
– کارتن
– کیسه مادر
– جعبه پلاستیکی
– پالت
قرار گیرند.
نوع بستهبندی به روش حمل، وزن محصول و بازار هدف بستگی دارد.
—
۸۲-۳۹ ـ بستهبندی بر اساس وزن
مثلاً میتوان محصولات را به صورت:
– ۱۰ عددی
– ۲۰ عددی
– ۵۰ عددی
بستهبندی کرد.
اگر وزن هر ژلپک ۵۰۰ گرم باشد، یک کارتن ۲۰ عددی حاوی:
[
20\times0.5=10kg
]
ژل خواهد بود، بدون درنظرگرفتن وزن بستهبندی.
—
۸۲-۴۰ ـ کدگذاری بچ
هر تولید باید دارای کد مشخص باشد.
برای مثال:
GP-260921-A01
این کد میتواند اطلاعاتی مانند:
– تاریخ
– خط
– شیفت
– شماره بچ
را نشان دهد.
ساختار کد باید در سیستم داخلی شرکت تعریف شود.
—
۸۲-۴۱ ـ ثبت مواد اولیه
برای هر بچ بهتر است ثبت شود:
– شماره بچ پلیآکریلات
– مقدار آب
– مشخصات آب
– مقدار پلیمر
– نوع فیلم
– وزن فیلم
– زمان تولید
– اپراتور
– دستگاه مورد استفاده
این اطلاعات برای بررسی مشکلات احتمالی آینده بسیار مهم است.
—
۸۲-۴۲ ـ کنترل ضایعات
ضایعات ممکن است در تمام مراحل ایجاد شوند.
فرمول ساده:
[
Waste%=
\frac{Input-Good\ Output}{Input}\times100
]
اگر ۱۰۰۰ کیلوگرم ماده وارد خط شده و ۹۷۰ کیلوگرم محصول قابل فروش تولید شود:
[
Waste=3%
]
هدف خط باید کاهش ضایعات بدون کاهش کیفیت باشد.
—
۸۲-۴۳ ـ مدیریت توقف خط
دلایل رایج توقف:
– گرفتگی نازل
– کمبود ژل
– خرابی پمپ
– خطای لودسل
– خرابی دوخت
– کمبود فیلم
– مشکل برق
– شستوشوی خط
برای هر مورد بهتر است دستورالعمل جداگانه وجود داشته باشد.
—
۸۲-۴۴ ـ کاهش زمان تعویض فرمول
اگر تولید چند نوع ژلپک انجام میشود، زمان تعویض محصول اهمیت زیادی پیدا میکند.
استفاده از:
– اتصالات سریع
– مسیرهای قابل شستوشو
– طراحی ساده لولهها
– مخازن مناسب
میتواند زمان توقف را کاهش دهد.
—
۸۲-۴۵ ـ شستوشوی خط
بقایای ژل در مسیر میتواند باعث:
– گرفتگی
– تغییر فرمول بچ بعدی
– آلودگی
– تغییر ویسکوزیته
شود.
بنابراین برنامه نظافت باید برای:
– مخزن
– همزن
– لوله
– پمپ
– شیر
– نازل
تعریف شود.
—
۸۲-۴۶ ـ طراحی خط برای تعمیرات آسان
هرچه تجهیزات در دسترستر باشند، تعمیرات سریعتر انجام میشود.
نکات قابل توجه:
– شیرهای قطع مناسب
– دسترسی به نازل
– امکان بازکردن اتصالات
– دسترسی به پمپ
– امکان تخلیه مخزن
– دسترسی به لودسل
در زمان طراحی باید در نظر گرفته شوند.
—
۸۲-۴۷ ـ نیروی انسانی مورد نیاز
یک خط کوچک ممکن است با چند نفر اداره شود:
اپراتور ساخت ژل
اپراتور پرکردن و دوخت
مسئول کنترل کیفیت و بستهبندی
اما در خط کاملاً اتوماتیک تعداد اپراتورها میتواند کمتر شود.
تعداد واقعی باید با ظرفیت و میزان اتوماسیون تعیین شود.
—
۸۲-۴۸ ـ طراحی خط بر اساس ظرفیت هدف
فرض کنیم هدف تولید:
[
1000kg/day
]
باشد.
اگر خط روزانه ۸ ساعت کار کند:
[
\frac{1000}{8}=125kg/h
]
با درنظرگرفتن توقف و راندمان، بهتر است ظرفیت اسمی تجهیزات بیشتر از ۱۲۵ کیلوگرم در ساعت انتخاب شود.
مثلاً با راندمان فرضی ۷۰ درصد:
[
C_{nominal}=\frac{125}{0.70}\approx179kg/h
]
این یک مثال طراحی است.
—
۸۲-۴۹ ـ طراحی پیشنهادی یک خط نیمهصنعتی
برای شروع میتوان چنین ساختاری را بررسی کرد:
۱. مخزن آب
↓
۲. مخزن اختلاط
↓
۳. مخزن آبگیری
↓
۴. مخزن واسط
↓
۵. پمپ انتقال
↓
۶. پرکن توزیندار
↓
۷. دستگاه دوخت
↓
۸. آزمون نشتی
↓
۹. کنترل کیفیت
↓
۱۰. بستهبندی
این ساختار را میتوان بعداً به خط اتوماتیک توسعه داد.
—
۸۲-۵۰ ـ جمعبندی نهایی فصل
خط کامل تولید ژلپک باید مانند یک زنجیره واحد طراحی شود، نه مجموعهای از دستگاههای جداگانه.
آب مناسب + پلیآکریلات یکنواخت + اختلاط صحیح + آبگیری کنترلشده + انتقال مناسب + پرکردن دقیق + دوخت صحیح + آزمون نشتی + کنترل حرارتی + بستهبندی مناسب
هسته اصلی یک فرآیند صنعتی پایدار را تشکیل میدهند.
در شروع کار، لازم نیست خط بسیار پیچیده باشد. یک خط نیمهصنعتی با ظرفیت متناسب با بازار میتواند اطلاعات واقعی درباره:
– سرعت تولید
– هزینه
– ضایعات
– وزن
– نشتی
– عملکرد حرارتی
– دوام
فراهم کند.
پس از تثبیت فرمول و بازار، میتوان بخشهای مختلف را بهتدریج اتوماتیک کرد.
خلاصه کاربردی فصل ۸۲
مهمترین اصل در طراحی خط تولید ژلپک این است که ظرفیت همه واحدها باید با یکدیگر هماهنگ باشد. افزایش ظرفیت مخزن بدون افزایش ظرفیت پرکن یا دوخت، الزاماً تولید را افزایش نمیدهد.
همچنین باید فرمول ژل قبل از طراحی نهایی تجهیزات تثبیت شود؛ زیرا تغییر ویسکوزیته و زمان آبگیری میتواند نوع پمپ، قطر لوله، نازل و سرعت پرکردن را تغییر دهد.
در نهایت، خط موفق خطی است که علاوه بر تولید سریع، محصولی با وزن یکنواخت، دوخت سالم، نشتی پایین، عملکرد حرارتی قابل تکرار و ضایعات کنترلشده تولید کند.
پیشنهاد فصل بعد:
فصل ۸۳ ـ طراحی مخزن اختلاط ژلپک؛ بررسی حجم مخزن، جنس، شکل هندسی، نوع همزن، سرعت اختلاط، جلوگیری از کلوخهشدن پلیآکریلات، کاهش ورود هوا، زمان آبگیری و طراحی مخزن مناسب برای تولید نیمهصنعتی و صنعتی
۰ دیدگاه