李興建　宋俊鋒　李選祥　羅金星　郭佳樂　普恒　胡志強(qiáng)

摘要：食用膠（hydrocolloid）也稱親水膠體、水溶膠，是能溶解或分散于水中，并在一定條件下，其分子中的親水基團(tuán)，如羧基、羥基、氨基和羧酸根等，能與水分子發(fā)生水化作用形成黏稠、滑膩的溶液或凝膠。目前進(jìn)行市場調(diào)研，市場需求為精準(zhǔn)添加不同香料，并和食用膠均質(zhì)乳化的工藝要求。闡述乳化裝置的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：乳化;凝脂;凝膠;密度控制;摻配;均質(zhì)

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0 ? 引言

目前市場上已有的此類型裝置多為通用型的摻配設(shè)備，其香精施加精準(zhǔn)度和乳化均勻度都不高，要到達(dá)較高的摻配工藝指標(biāo)要求時存在難度。同口味食用膠加香精乳化后，添加至煙用濾棒中，會導(dǎo)致整支香煙香精的輕、重不同。不同口味食用膠加香精乳化后，導(dǎo)致香煙串味。使用通用型用摻配設(shè)備改造的乳化工藝裝置，生產(chǎn)的煙用濾棒市場反映口味差異性較大。為此，筆者團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)研發(fā)一套計(jì)量精準(zhǔn)、乳化均勻、操作方便可在線生產(chǎn)的乳化裝置。

1 ? 系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有工藝的缺陷，設(shè)計(jì)研發(fā)計(jì)量更精準(zhǔn)、乳化更均勻的乳化裝置，裝置關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1） 設(shè)備控制工藝流程。設(shè)計(jì)出的設(shè)備控制工藝流程如圖一所示。

儲膠罐將固體凝膠通過膠罐的水帶加熱將其熔化為液態(tài)，溫度控制在50-550C， 每只儲膠罐上安裝一臺攪拌電機(jī)，達(dá)到凝膠快速熔化和均勻，香精儲罐裝入液態(tài)香精，該罐不進(jìn)行控溫和攪拌.所有凝膠通過的管道采用自加熱或管道控溫進(jìn)行保溫處理防止凝膠在管道內(nèi)凝固。

（3） 防止膠量過低或?qū)δz罐進(jìn)行自動切換，并在監(jiān)控操作屏上實(shí)時顯示。

（4） 為滿足不同乳化速度1#和2#儲膠罐采用氣動球閥選通，可選擇雙罐同時供膠或單罐單獨(dú)供膠. 香精儲罐供料由管道上的氣動球閥進(jìn)行開啟或關(guān)閉.

（5） 通過上位監(jiān)控畫面設(shè)定的乳化量對摻配凝膠和香精按照工藝要求由上位設(shè)定的摻配比例通過凝膠計(jì)量泵和香精計(jì)量泵由各自的伺服電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)供料.

（6） 在凝膠計(jì)量泵和香精計(jì)量泵出口分別安裝一臺流量計(jì)對凝膠和香精進(jìn)行實(shí)時顯示和控制，同時對各個批次的凝膠、香精量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量管理。

（7） 乳化泵將來至凝膠計(jì)量泵和香精計(jì)量泵的凝膠和香精進(jìn)行充分乳化后由控溫輸膠管道輸出至在線添加裝置上。

（8） 本裝置可通過監(jiān)控屏操作選擇，進(jìn)行凝膠的單獨(dú)乳化和與下游在線添加設(shè)備聯(lián)動，進(jìn)行在線乳化，并滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

預(yù)熔膠箱加熱總?cè)勰z量≥70kg/小時;

香精錐形儲罐容積≥10Kg;

凝膠供膠計(jì)量泵出膠量≥2000g/分鐘，計(jì)量偏差≤3‰;

香精供膠計(jì)量泵出膠量≥58.6g/分鐘，計(jì)量偏差≤3‰;

均質(zhì)乳化泵出膠量≥1000g/分鐘;

單支濾棒載香凝膠量=凝膠+香精=141.7mg+8.3mg=150mg（≤±0.5mg）

凝膠計(jì)量偏差≤±0.42mg/支;香精計(jì)量偏差≤±0.025mg/支

2 ? 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)凝膠香精在線摻配均質(zhì)乳化的工藝流程，包括凝膠預(yù)加熱儲罐、香精儲罐、凝膠計(jì)量摻配、香精計(jì)量摻配和凝膠香精均質(zhì)乳化，整體設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)布局，合理排布各功能模塊的對接和安裝關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖二。

將整體框架設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，考慮加料的便利性以及工作工藝流程，將凝膠儲罐以及香精儲罐設(shè)置在上層，其高度方便人工加料操作，并將氣動閥、電磁閥、計(jì)量泵、流量計(jì)以及乳化泵設(shè)置在下層，考慮安裝和檢修的便利性，將下層器件橫向水平排布。側(cè)壁設(shè)置透明有機(jī)玻璃觀察窗，能直觀反映內(nèi)部運(yùn)行狀況，出現(xiàn)問題，能及時發(fā)現(xiàn)并處理。

（1） 凝膠儲罐。凝膠儲罐采用原有凝膠裝置上的凝膠儲罐設(shè)計(jì)及容量，提高部件的可更換性，本裝置采用雙儲罐儲膠，凝膠儲罐壁雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)采用循環(huán)水加熱，保證加熱的均勻性，凝膠儲罐內(nèi)部采用齒片式攪拌器進(jìn)行攪拌，既可以旋轉(zhuǎn)時破碎凝膠塊，又可實(shí)現(xiàn)膠液翻滾，使內(nèi)部加熱梯度均勻，實(shí)現(xiàn)凝膠均勻受熱。凝膠儲罐容量30L/單只，下部錐底設(shè)置。

（2） 香精儲罐。香精儲罐設(shè)置單只匹配雙凝膠儲罐使用，香精儲罐容積為5KG/罐，錐底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于香精料的排空，設(shè)置模擬量香精料位檢測，最低料位禁止出料，保障摻配時香精出料的穩(wěn)定性。

（3） 下部器件排布。氣動閥、電磁閥、計(jì)量泵、流量計(jì)以及乳化泵設(shè)置均排布在下層底面，兩個氣動閥平行排布，兩個計(jì)量泵平行排布，兩個流量計(jì)平行排布，乳化泵設(shè)置在尾端連接出膠管，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)排布整齊美觀，并方便檢修及安裝。

3 ? 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1） 控制方案。本裝置信號采集對象由流量計(jì)（香精、凝膠）的實(shí)時流量、質(zhì)量、密度，各段加熱器的實(shí)時溫度值，液位信號等構(gòu)成;控制對象由計(jì)量泵伺服電機(jī)（香精、凝膠）、變頻器（乳化泵）、加熱器（罐體、管道、閥體、計(jì)量泵），氣動球閥、攪拌電機(jī)等構(gòu)成。

（2） 計(jì)量泵伺服控制。根據(jù)監(jiān)控操作屏（以下簡稱操作屏）設(shè)定的乳化量（g/min）由控制程序控制乳化泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時根據(jù)操作屏預(yù)先設(shè)定好的配方（香精、凝膠摻配比例）控制相應(yīng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)同時通過采集相應(yīng)流量計(jì)（香精、凝膠）實(shí)時流量相應(yīng)力量泵進(jìn)行實(shí)時修正使其達(dá)到凝膠供膠計(jì)量泵出膠量≥1000g/分鐘，計(jì)量偏差≤3‰和香精供膠計(jì)量泵出膠量≥58.6g/分鐘，計(jì)量偏差≤3‰的技術(shù)。計(jì)量泵伺服電機(jī)控制采用模擬量或頻率控制。

（3） 溫度控制。裝置溫度控制針對的是凝膠部分，香精部分不存在加熱;1#、2#凝膠儲膠罐采用罐體水帶加熱方式，由西門子PLC內(nèi)部專用溫度PID控制功能塊通過PWM調(diào)節(jié)，由固態(tài)繼電器進(jìn)行加熱控制;帶加熱的輸膠管、凝膠計(jì)量泵泵體的控溫方式同上;膠罐接頭和凝膠流量計(jì)控溫采用自控溫方式。

（4） 攪拌控制。為加快裝置的溶膠速度和膠質(zhì)均勻在1#、2#凝膠儲膠罐頂分別加裝一臺直流攪拌電機(jī)，攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速采用高、中、低三檔控制并由操作人員在操作屏上人工操作。

（5） 液位控制。在1#、2#凝膠儲膠罐頂分別安裝由一液位傳感器用于感知膠罐實(shí)時液位，裝置加料方式為人工方式，所以液位傳感器主要用于報警和單罐加料時的罐切換控制。

（6） 聯(lián)動控制。裝置可與下游在線添加裝置進(jìn)行聯(lián)動，即當(dāng)下游設(shè)備發(fā)出乳化膠需求或停止時本裝置啟動或停止（乳化速度不受下游機(jī)控制！）。

（7） 配方功能。由于本裝置現(xiàn)場摻配，為滿足不同的摻配工藝避免人工操作失誤和每次更改工藝參數(shù)帶來的繁瑣的參數(shù)輸入工作，本裝置具有將各個不同的工藝參數(shù)（各段溫度、摻配比例、摻配速度等）以配方號的形式存入系統(tǒng)。可對相應(yīng)的配方進(jìn)行調(diào)用、修改、存入。

（8） 批次功能。由于原料每批的物理和化學(xué)性質(zhì)存在一定的偏差為保證摻配的質(zhì)量和對產(chǎn)品的追述，以人工干預(yù)操作方式針對每批原料的摻配凝膠進(jìn)行批次管理，并將其批號、開始時間、結(jié)束時間、總量進(jìn)行以覆蓋方式保存，時間為一個月，并可進(jìn)行查詢。

4 ? 實(shí)施情況

在線摻配均質(zhì)乳化裝置的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了凝膠供膠出膠量和香精供膠出膠量均能達(dá)到濾棒成形工藝精準(zhǔn)控制的要求，通過自動化程序?qū)崿F(xiàn)自動供較與溫度控制，并可實(shí)時監(jiān)控出膠相關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能。同時減少了人為因素影響，減低人工成本，實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。通過凝膠濾棒煙味檢測，達(dá)到品吸要求。

參考文獻(xiàn)

[1].聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：第1卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017：3-58.

[2].謝慧琳，蕭月玲.日用香精香料的分析研究[J].廣東化工.2020，12：114-115.

[3].臧傳近，李磊磊.香精香料中的VOCs治理應(yīng)用研究[J].山東化工.2020，15：248.

[4]劉艷紅.基于PLC的均質(zhì)乳化機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展，2020，01： 53-55.

[5]竇維禹，趙福利.改性乳化瀝青高溫性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2020-10-22。