Системы безразборной мойки (CIP) работают или выходят из строя в зависимости от гидравлики еще до того, как химия получит какой-либо шанс подействовать. Любая утвержденная программа CIP зависит от того, чтобы моющий раствор достигал каждой смачиваемой поверхности с турбулентной скоростью, при правильной температуре и в течение полного времени контакта. Оборудование, которое обеспечивает все три этих условия, — это пара насосов в самом сердце установки (скида): подающий насос, который прогоняет раствор через контур, и возвратный насос, который возвращает его обратно. Подающие насосы недостаточного размера оставляют ответвления в ламинарном потоке, где загрязнения остаются нетронутыми. Слабые возвратные насосы затапливают днища резервуаров и нарушают контур мойки. Насосы, выбранные без учета химических и термических нагрузок самого цикла, дадут утечку щелочи в течение нескольких месяцев. В данном инженерном руководстве рассматривается логика подбора размеров, выбор архитектуры и спецификации материалов для обеих позиций насосов, основанные на параметрах, которые определяют фактическую эффективность CIP на предприятиях пищевой, пивоваренной и фармацевтической промышленности.
Гидравлическая цель: турбулентный поток на каждой поверхности
Мойка CIP базируется на четырех взаимозависимых факторах: температуре, химическом воздействии, времени и механическом воздействии. Первые три задаются программой; четвертое полностью обеспечивается насосом. Для механической очистки требуется турбулентный поток, а утвержденный промышленный минимум — это линейная скорость 1,5 м/с в трубопроводе, что означает число Рейнольдса (Reynolds number) значительно выше 10 000 для типичных моющих растворов. Ниже этого порога поток становится ламинарным, раствор скользит по стенке трубы без сдвигового усилия (shear force), а белковые и минеральные пленки остаются на месте независимо от концентрации химикатов или температуры.
Требование к скорости также применимо к удалению воздуха: исследования гидравлики очистки показывают, что примерно 1,5 м/s — это минимальная скорость, которая выметает захваченный воздух из изгибов, тупиков (dead legs) и верхних точек, а воздушные карманы блокируют контакт раствора так же эффективно, как закрытый клапан. Для мойки резервуаров с помощью распылительных устройств (спрей-болов) требование к давлению накладывается на требование к скорости: статическим распылительным шарам требуется от 1,5 до 3 бар на входе в устройство, а вращающимся струйным очистителям — от 3 до 7 бар или более. Кривая насоса должна перекрывать самые высокие из этих требований, а не средние.
Как цикл мойки воздействует на насос
Стандартная пятифазная программа CIP подвергает насос воздействию последовательности химически и термически различных жидкостей в рамках одного цикла:
| Фаза | Среда | Температура | Нагрузка на насос |
|---|---|---|---|
| Предварительное ополаскивание | Регенерированная или питьевая вода | Окружающая до 40 °C | Высокий расход, захваченный воздух на возврате, возможные твердые частицы продукта |
| Промывка щелочью | 1–2% гидроксид натрия | 70–85 °C | Химическое воздействие на эластомеры, термическая нагрузка на уплотнения |
| Промежуточное ополаскивание | Питьевая вода | Окружающая | Термический шок от 80 °C до температуры окружающей среды в течение минут |
| Кислотная промывка | 0,5–1,5% азотная или фосфорная кислота | 50–75 °C | Кислотная коррозия чувствительных сплавов и паяных соединений |
| Окончательное ополаскивание / дезинфекция | Очищенная вода, надуксусная кислота | Окружающая до 60 °C | Окислительное воздействие дезинфицирующего средства на эластомерные уплотнения |
Из этой таблицы вытекают два факта. Во-первых, насос переносит несколько полных температурных колебаний за один цикл, десятки циклов в неделю, и именно разное тепловое расширение между поверхностями уплотнений, седлами и корпусами открывает пути для утечек. Во-вторых, эластомер, который выдерживает горячую щелочь, не является автоматически эластомером, который выдерживает горячую кислоту и надуксусную кислоту, именно поэтому выбор материала уплотнений и прокладок должен определяться спецификацией насоса, а не графиком замены при техобслуживании.
Расчет подающего насоса CIP
Расчет подающего насоса начинается со скорости, а не с объема резервуара. Требуемый расход — это площадь поперечного сечения трубы, умноженная минимум на 1,5 м/с, рассчитанная для каждого диаметра линии в контуре. В качестве ориентира: для линии DN80 (3 дюйма) требуется примерно 24 м³/ч, а для коллектора DN100 (4 дюйма) — примерно 42 м³/ч для поддержания порогового значения.
Там, где контур включает ответвления разных диаметров и длин, случаем для расчета является гидравлически наихудшая ветвь — та, которая имеет наибольшую потерю на трение при требуемой скорости — поскольку поток распределяется в сторону пути наименьшего сопротивления и лишает потока ветви с высоким сопротивлением. Это наиболее частый сбой на практике в гидравлике CIP: приборы на нагнетании насоса показывают нормальный расход, в то время как обделенная ветвь работает на половине требуемой скорости, а в отчете о цикле отображается завершенная очистка, которая в этой ветви на самом деле не произошла. В дополнение к расходу (velocity flow), напор насоса должен покрывать трение в трубах при этом расходе, перепад высот, давление на входе распылительного устройства и падение давления на регулирующем клапане. Практический запас в 10–20 процентов по расходу компенсирует износ рабочего колеса в течение межремонтного интервала.
Инжиниринг возвратного насоса CIP
Возвратный насос выполняет более тяжелую работу. Его задача — держать очищаемый резервуар или линию пустыми, в то время как раствор поступает непрерывно, а это значит, что он должен перекачивать смесь жидкости и захваченного воздуха, самовсасывать из пустой линии в начале каждой фазы и делать это с расходом, намеренно превышающим расход подачи. Практика проектирования определяет производительность возврата на 10–30 процентов выше производительности подачи, чтобы на дне резервуара никогда не скапливался раствор; затопленное дно разбавляет химию, нарушает очищающее действие падающей пленки на стенках резервуара и может вытолкнуть чистящую жидкость в производственные зоны.
Стандартные центробежные насосы не могут выполнять эту задачу, так как они теряют заливку (prime) при попадании воздуха. Две устоявшиеся архитектуры — это самовсасывающие жидкостно-кольцевые насосы, которые постоянно переносят газожидкостные смеси, и центробежные насосы, оснащенные винтом для перекачки воздуха (air-screw) или ступенями всасывания с вакуумным усилителем. NPSH возвратного насоса также заслуживает тщательной проверки: насос забирает жидкость из открытого резервуара при температуре до 85 °C, когда давление водяного пара поглощает значительную часть атмосферного напора. Возвратный насос, который кавитирует в середине цикла, нарушает баланс контура именно в тот момент, когда подающий насос все еще подает жидкость. Для ознакомления со стратегиями борьбы с этим явлением см. нашу информацию о предотвращении промышленной кавитации.
Материалы и уплотнения для щелочи, кислоты и термического шока
Смачиваемая конструкция для работы CIP сводится к краткому списку. Корпус и рабочее колесо из нержавеющей стали AISI 316L охватывают всю последовательность фаз, включая горячую азотную кислоту, при условии, что сталь должным образом пассивирована, а сварные швы протравлены. Эластомеры делятся по химии: EPDM отлично справляется с горячей щелочью и паром, но разрушается в окисляющих дезинфицирующих средствах и маслах; FKM охватывает кислоты и растворы надуксусной кислоты, но плохо работает в горячей концентрированной щелочи; FFKM (перфторэластомеры) охватывает все, но за более высокую цену. Торцевые уплотнения должны работать из карбида кремния (SiC) по карбиду кремния, потому что стандартные углеродные поверхности покрываются пузырями и быстро изнашиваются при термическом шоке.
Там, где установка CIP обслуживает среду химического завода, а не строгую гигиеническую линию, бессальниковые центробежные насосы с магнитной муфтой полностью исключают уплотнение из матрицы отказов. Это устраняет утечку щелочи из журнала технического обслуживания. Центробежные насосы Aulank с магнитной муфтой из нержавеющей стали охватывают этот промышленный класс CIP, отражая конфигурации, представленные в наших решениях для герметичных насосов. Для строгих гигиенических пищевых и фармацевтических установок санитарные модели, подробно описанные в наших решениях для пищевых насосов, и высокопроизводительный центробежный насос из нержавеющей стали CPS-L обеспечивают надежную работу по подаче в рамках линейки центробежных насосов.
Детали управления, защищающие насос и процесс
- Управление плавным изменением скорости (Ramp control) для защиты от гидравлического удара: Контуры CIP работают быстрее, чем производственные линии, поэтому резкие остановки насосов и быстрое закрытие клапанов вызывают повторяющиеся скачки давления (water hammer), которые утомляют уплотнения, прокладки и приборы. Задайте для последовательности CIP собственные профили ускорения и замедления VFD (частотного преобразователя) и запрограммируйте остановку насоса перед закрытием клапана.
- Проверка расхода для каждой фазы: Расходомер на линии подачи, отслеживаемый по фазам в соответствии с утвержденной скоростью для каждого размера линии, обнаруживает износ рабочего колеса, засорение сетчатого фильтра и дрейф клапана еще до того, как сбой очистки будет обнаружен по микробиологическим результатам.
- Блокировки по электропроводности: Электропроводность с температурной компенсацией контролирует дозирование химикатов и определяет конечные точки промывки. Блокировка последовательности насосов с подтверждением проводимости предотвращает циркуляцию насосом неправильно дозированной или неправильно направленной жидкости.
- Защита от сухого хода и кавитации: По замыслу конструкции возвратные насосы работают всухую при каждой смене фазы, поэтому выбранная архитектура должна это допускать; подающие насосы, питающиеся от низких уровней резервуара при высокой температуре, нуждаются в блокировках по уровню, а на длинных контурах — в подкачивающем насосе (бустере) для поддержания давления всасывания выше давления паров.
Контрольный список спецификаций для закупки насосов CIP
Заказ на насос, который успешно пройдет пусконаладку и аудит, должен явно содержать эти восемь пунктов:
- Требуемая скорость и соответствующий расход для каждого диаметра линии в контуре с определением наихудшей ветви.
- Требование к давлению в распылительном устройстве для каждого резервуара в контуре.
- Конкретная рабочая точка насоса, отмеченная на кривой производителя, с указанием запаса на износ.
- Производительность возвратного насоса, размер которого в явном виде указан в процентах сверх производительности подачи, с указанием самовсасывающей архитектуры.
- Смачиваемые материалы и эластомеры должны быть точно подобраны для каждой используемой химической фазы и дезинфицирующего средства.
- Заявление о температурном цикле с указанием количества циклов в день и экстремальных колебаний температуры в течение цикла.
- Тщательная проверка NPSH для возвратного насоса при абсолютно максимальной температуре возврата.
- Список интеграции систем управления: Рампы VFD (ЧРП), блокировки и точки проверки расхода.
Компания Aulank Pump производит центробежные насосы из нержавеющей стали и насосы с магнитной муфтой для подачи CIP и циркуляции химикатов, охватывая работу с горячей щелочью, кислотами и дезинфицирующими средствами с использованием конструкции из 316L, поверхностей уплотнений из SiC и бессальниковых вариантов для систем промышленной очистки. Отправьте нам размеры линий вашего контура, требования к распылительным устройствам и программу мойки, и наша команда инженеров предложит подходящую пару насосов с полным расчетом размеров. Свяжитесь с нами для проверки насосов CIP для вашего скида или проекта модернизации.