Os sistemas clean-in-place têm sucesso ou falham na hidráulica antes que a química tenha qualquer hipótese de atuar. Todos os programas CIP validados dependem de que a solução de limpeza atinja todas as superfícies molhadas a uma velocidade turbulenta, à temperatura certa, durante todo o tempo de contacto. O equipamento que fornece estas três condições é o par de bombas no coração do sistema (skid): a bomba de abastecimento que impulsiona a solução através do circuito e a bomba de retorno que a traz de volta. Bombas de abastecimento subdimensionadas deixam ramificações em fluxo laminar onde a sujidade sobrevive intocada. Bombas de retorno fracas inundam os fundos dos recipientes e interrompem o circuito de limpeza. As bombas especificadas sem ter em conta a punição química e térmica do próprio ciclo apresentarão fugas cáusticas em meses. Este guia de engenharia abrange a lógica de dimensionamento, as escolhas de arquitetura e as especificações de materiais para ambas as posições de bombas, com base nos parâmetros que regem o desempenho CIP real em fábricas de alimentos, bebidas e produtos farmacêuticos.
O Alvo Hidráulico: Fluxo Turbulento em Todas as Superfícies
A limpeza CIP baseia-se em quatro fatores interdependentes: temperatura, ação química, tempo e ação mecânica. Os três primeiros são definidos pelo programa; o quarto é entregue inteiramente pela bomba. A fricção mecânica requer um fluxo turbulento e o mínimo validado na indústria é uma velocidade linear de 1,5 m/s na tubagem, o que coloca o número de Reynolds muito acima de 10.000 para soluções de limpeza típicas. Abaixo deste limiar, o fluxo torna-se laminar, a solução desliza pela parede do tubo sem força de cisalhamento e as películas de proteínas e minerais permanecem no local independentemente da concentração química ou temperatura.
O requisito de velocidade também se aplica à remoção de ar: estudos sobre hidráulica de limpeza revelam que cerca de 1,5 m/s é a velocidade mínima que varre o ar preso de curvas, trechos mortos e pontos altos, e as bolsas de ar bloqueiam o contacto da solução de forma tão eficaz como uma válvula fechada. Para a limpeza de tanques através de dispositivos de pulverização, o requisito de pressão sobrepõe-se ao requisito de velocidade: as bolas de pulverização estáticas necessitam de 1,5 a 3 bar na entrada do dispositivo e os sistemas de limpeza a jato rotativo necessitam de 3 a 7 bar ou mais. A curva da bomba tem de superar a mais elevada destas exigências, e não a média.
O Que o Ciclo de Limpeza Faz à Bomba
Um programa CIP standard de cinco fases submete a bomba a uma sequência de fluidos química e termicamente distintos num único ciclo:
| Fase | Meio | Temperatura | Tensão na bomba |
|---|---|---|---|
| Pré-enxaguamento | Água recuperada ou potável | Ambiente a 40 °C | Elevado fluxo, ar arrastado no retorno, possíveis sólidos de produto |
| Lavagem cáustica | 1–2% de hidróxido de sódio | 70–85 °C | Ataque químico aos elastómeros, tensão térmica nos vedantes |
| Enxaguamento intermédio | Água potável | Ambiente | Choque térmico, oscilação de 80 °C para a temperatura ambiente em minutos |
| Lavagem ácida | 0,5–1,5% de ácido nítrico ou fosfórico | 50–75 °C | Corrosão ácida em ligas suscetíveis e uniões soldadas a frio |
| Enxaguamento final / Desinfeção | Água purificada, ácido peracético | Ambiente a 60 °C | Ataque oxidante do desinfetante aos vedantes de elastómero |
Dois factos destacam-se desta tabela. Em primeiro lugar, a bomba passa por diversas oscilações térmicas completas por ciclo, dezenas de ciclos por semana, e a expansão diferencial entre as faces do vedante, os suportes da sede e as carcaças é o que abre os caminhos de fuga. Em segundo lugar, o elastómero que sobrevive à solução cáustica quente não é automaticamente o elastómero que sobrevive ao ácido quente e ao ácido peracético, razão pela qual a seleção do material do vedante e da junta pertence à especificação da bomba e não a um calendário de substituição de manutenção.
Dimensionamento da Bomba de Abastecimento CIP
O dimensionamento da bomba de abastecimento tem início na velocidade e não no volume do tanque. O fluxo necessário é a área da secção transversal do tubo multiplicada pelo mínimo de 1,5 m/s, calculada para todos os diâmetros de linha do circuito. Como referência, uma linha DN80 (3 polegadas) necessita de cerca de 24 m³/h e um coletor DN100 (4 polegadas) de cerca de 42 m³/h para manter o limiar.
Sempre que o circuito inclui ramificações de diâmetros e comprimentos diferentes, o caso de dimensionamento é a ramificação hidraulicamente pior — aquela com a maior perda de atrito à velocidade exigida — porque o fluxo distribui-se em direção ao caminho de menor resistência e priva os ramos de alta resistência. Esta é a falha de campo mais comum em sistemas hidráulicos CIP: os instrumentos na descarga da bomba apresentam um fluxo saudável, enquanto uma ramificação carente funciona a metade da velocidade exigida, e o registo do ciclo apresenta uma limpeza concluída que nunca ocorreu nessa secção. Para além do fluxo de velocidade, a altura da bomba deve cobrir a fricção do tubo nesse fluxo, a alteração de elevação, a pressão de entrada do dispositivo de pulverização e a queda da válvula de controlo. Uma margem prática de 10 a 20 por cento no fluxo acomoda o desgaste do impulsor ao longo do intervalo de manutenção.
Engenharia da Bomba de Retorno CIP
A bomba de retorno tem o trabalho mais difícil. A sua tarefa é manter o recipiente limpo ou a linha vazia enquanto a solução chega continuamente, o que significa que tem de bombear uma mistura de líquido e ar arrastado, ser capaz de efetuar a autoescorva a partir de uma linha vazia no início de cada fase e fazê-lo com um fluxo deliberadamente superior ao fluxo de abastecimento. A prática de conceção dimensiona a capacidade de retorno a 10 a 30 por cento acima da capacidade de abastecimento para que o fundo do recipiente nunca acumule solução; um fundo inundado dilui o produto químico, quebra a ação de limpeza de filme descendente nas paredes do recipiente e pode empurrar o fluido de limpeza para as zonas do produto.
As bombas centrífugas normais não conseguem realizar esta tarefa porque perdem o escorvamento na entrada de ar. As duas arquiteturas estabelecidas são as bombas de anel líquido autoescorvantes, que toleram misturas de ar-líquido continuamente, e as bombas centrífugas com estágios de escorvamento por parafuso de ar ou assistência a vácuo. O NPSH da bomba de retorno também merece uma verificação rigorosa: a bomba puxa de um recipiente aberto a uma temperatura até 85 °C, onde a pressão do vapor de água consumiu grande parte da pressão atmosférica. Uma bomba de retorno que cavita a meio do ciclo quebra o equilíbrio do circuito exatamente quando a bomba de abastecimento ainda está a fornecer. Para as estratégias de combate a este problema, consulte os nossos conhecimentos sobre a prevenção da cavitação industrial.
Materiais e Vedantes para Cáusticos, Ácidos e Choques Térmicos
A construção dos elementos molhados para o serviço CIP converge numa lista restrita. O corpo e o impulsor em aço inoxidável AISI 316L cobrem toda a sequência de fases, incluindo o ácido nítrico quente, desde que o aço seja devidamente passivado e as soldaduras sejam decapadas. Os elastómeros dividem-se pela química: EPDM lida bem com cáusticos quentes e vapor, mas degrada-se em desinfetantes e óleos oxidantes; FKM cobre ácidos e soluções peracéticas, mas tem um fraco desempenho em substâncias cáusticas concentradas quentes; FFKM cobre tudo a um preço mais elevado. As faces de vedação devem rodar com carboneto de silício contra carboneto de silício, uma vez que as faces de carbono normais formam bolhas e desgastam-se rapidamente sob o choque térmico.
Quando o sistema CIP serve num ambiente de fábrica química, em vez de numa rigorosa linha higiénica, as bombas centrífugas de acionamento magnético sem vedante removem completamente o vedante da matriz de falha. Isto elimina a fuga de cáusticos do registo de manutenção. As bombas centrífugas de acionamento magnético Aulank em aço inoxidável cobrem esta classe CIP industrial, refletindo as configurações encontradas nas nossas soluções de bombas à prova de fugas. Para sistemas alimentares e farmacêuticos estritamente higiénicos, os modelos sanitários detalhados nas nossas soluções de bombas alimentares e a bomba centrífuga em aço inoxidável de alto caudal CPS-L proporcionam uma função de abastecimento robusta na gama das bombas centrífugas.
Detalhes de Controlo Que Protegem a Bomba e o Processo
- Controlo da rampa contra os golpes de aríete: Os circuitos CIP funcionam mais rápido do que as linhas de produção, pelo que as paragens abruptas das bombas e os fechos rápidos das válvulas geram choques de pressão repetidos que fatigam os vedantes, as juntas e os instrumentos. Forneça à sequência CIP as suas próprias rampas VFD de aceleração e desaceleração, e ordene a paragem da bomba antes do fecho da válvula.
- Verificação do fluxo por fase: Um medidor de caudal na linha de abastecimento, medido por fase em relação à velocidade validada para o tamanho de cada linha, deteta o desgaste do impulsor, a sujidade do filtro e o desvio da válvula antes que uma limpeza falhada seja detetada por um resultado microbiológico.
- Interbloqueios de condutividade: A condutividade compensada pela temperatura controla o doseamento de químicos e deteta os pontos finais de enxaguamento. O interbloqueio da sequência da bomba com a confirmação da condutividade evita que a bomba faça circular um fluido com a dosagem ou o encaminhamento errados.
- Proteção contra a cavitação e funcionamento a seco: Por conceção, as bombas de retorno funcionam em seco em cada mudança de fase, logo, a arquitetura escolhida tem de tolerá-lo; as bombas de abastecimento que se alimentam a partir de baixos níveis dos tanques a altas temperaturas precisam de interbloqueios de nível e, em circuitos extensos, um reforço para manter a pressão de sucção acima da pressão de vapor.
Uma Lista de Verificação de Especificações para a Aquisição de Bombas CIP
Uma encomenda de bomba que sobreviva à colocação em serviço e a auditorias deve declarar de forma explícita estes oito itens:
- A velocidade exigida e o fluxo correspondente para o tamanho de cada diâmetro da linha do circuito, identificando a ramificação mais desfavorável.
- O requisito de pressão do dispositivo de pulverização para todos os recipientes do circuito.
- O ponto de funcionamento específico da bomba no gráfico da curva de desempenho do fabricante, com a margem de desgaste referida.
- A capacidade da bomba de retorno, dimensionada de forma explícita numa determinada percentagem acima da capacidade de abastecimento, com referência ao seu tipo de arquitetura de autoescorvamento.
- Materiais e elastómeros submersos em conformidade com as fases de produtos químicos e sanitários usados.
- Uma declaração de ciclos térmicos detalhando o número de ciclos ao dia e a variação extrema da temperatura por ciclo.
- Verificação minuciosa do NPSH (Altura Positiva Líquida de Sucção) para a bomba de retorno perante a maior temperatura de retorno no limite estrito.
- A lista do processo de controlo unificado: rampas VFD (Variador de Frequência), interbloqueios e pontos de comprovação de fluxos.
A Aulank Pump produz bombas de aço inoxidável centrífugas de comando magnético para operação de abastecimento em modo de lavagem interior (CIP) e de circulação, a pensar nas áreas de cáustico quente, ácidos e sanitizantes através de equipamento compatível 316L, vedantes SiC, bem como de variações da proteção em o-ring e modelos de lavagem de maquinaria para fins industriais. Submeta os calibres de circuito à nossa equipa, os devidos parâmetros dos aparelhos que jorram os produtos e todos os pormenores na vanguarda da área e obterá os sistemas corretos já perfeitamente calculados quanto a medidas da parte da nossa equipa. Entre em contacto para verificar os projetos CIP associados aos seus veículos transportadores das condutas ou processos de remodelação.