文/劉殿宇 蔡永建

（1華禹乳品機(jī)械制造有限公司；2上海本優(yōu)機(jī)械有限公司）

CIP清洗系統(tǒng)在食品、飲料、生物制藥、化工，特別是在乳品工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用[1～4]。CIP清洗分為手動(dòng)清洗及自動(dòng)清洗，隨著工業(yè)智能化的快速發(fā)展，手動(dòng)清洗已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。CIP清洗是十分必要的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)。CIP清洗是否到位、徹底，都直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。但在實(shí)際生產(chǎn)中有些清洗系統(tǒng)存在清洗不徹底、有死角不到位、本身設(shè)計(jì)存在缺陷等問題。本文以CIP-4000型CIP自動(dòng)清洗系統(tǒng)在實(shí)際清洗中的應(yīng)用，從設(shè)計(jì)及應(yīng)用上闡述其設(shè)計(jì)過(guò)程及注意事項(xiàng)。

1 CIP清洗系統(tǒng)的主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 主要參數(shù)

1.1.1 單罐容積：4 000 L。

1.1.2 使用蒸汽壓力：0.4 MPa。

1.1.3 蒸汽耗量：1 252 kg/h。

1.1.4 酸堿水溫：60～85 ℃。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CIP清洗系統(tǒng)是根據(jù)清洗點(diǎn)的多少而確定的，CIP清洗系統(tǒng)主要由酸、堿、水罐，濃酸濃堿桶、加熱系統(tǒng)、隔膜泵、高低液位、在線酸堿濃度檢測(cè)儀及PLC觸摸屏控制系統(tǒng)組成。酸、堿、水罐為保溫罐，其中，堿罐為1%～2%氫氧化鈉（NaOH），酸罐為1%～2%硝酸（HNO3），此外酸堿罐還設(shè)有攪拌系統(tǒng)。其流程如圖1所示。

2 工作過(guò)程及板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 CIP清洗系統(tǒng)工作過(guò)程

CIP清洗系統(tǒng)過(guò)程為：先向3 個(gè)罐內(nèi)注滿水，然后啟動(dòng)循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)，緩慢打開蒸汽截止閥，開始進(jìn)蒸汽，開始蒸汽壓力要小，逐步調(diào)節(jié)蒸汽壓力并使之達(dá)到穩(wěn)定的設(shè)定壓力值。當(dāng)水溫達(dá)到要求溫度時(shí)，啟動(dòng)蝶閥進(jìn)行自動(dòng)切換，啟動(dòng)隔膜泵分別向酸、堿罐內(nèi)加堿、加酸，啟動(dòng)酸堿罐內(nèi)攪拌電機(jī)，觀察酸堿在線濃度檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)酸堿濃度符合要求值（2%）時(shí)，停止隔膜泵，以此類推。清洗過(guò)程為：水洗10～15 min→堿 洗10～ 15 min→5～10 min→酸洗10～15 min→水洗10～15 min。

檢測(cè)罐內(nèi)液位高度，如需加水可啟動(dòng)進(jìn)水閥門。一般清洗完畢的酸堿需要回收，可啟動(dòng)回程泵將酸堿分別回收至酸、堿罐中以備再利用。

圖1 CIP清洗系統(tǒng)

2.2 清洗泵、罐容積及換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 清洗泵流量的估算

清洗泵流量按清洗設(shè)備的周長(zhǎng)與流速的乘積進(jìn)行估算，即L=εVdπ。其中，ε為基本長(zhǎng)度，這里取1m；L為流量，m3/s；d為清洗設(shè)備周長(zhǎng)，m；V為液體流速，m/s，這里按V=1.7～2.2 m/s計(jì)算。

2.2.2 清洗罐容積及加熱時(shí)間的確定

清洗罐容積確定的原則是保證清洗液能夠循環(huán)使用，確定原則為：?jiǎn)闻_(tái)清洗設(shè)備一個(gè)回程管道的總?cè)莘e按1/3清洗罐的容積進(jìn)行估算，再加上被清洗設(shè)備中殘留的清洗液所占容積的1.2 倍確定單臺(tái)清洗罐的總?cè)莘e，以保證清洗過(guò)程是安全的。如果是n 個(gè)清洗設(shè)備同時(shí)進(jìn)行清洗，在此基礎(chǔ)上再乘以n作為確定清洗罐的總?cè)莘e。

在設(shè)備清洗前，CIP清洗系統(tǒng)罐中的水需要進(jìn)行加熱，加熱最常用的設(shè)備是板式換熱器及管式換熱器。加熱時(shí)間的長(zhǎng)短可根據(jù)需要進(jìn)行確定，本例單臺(tái)罐的容積為4 000 L，如果按單臺(tái)加熱時(shí)間為30 min，3 個(gè)罐需要1.5 h，進(jìn)水溫度按20 ℃計(jì)算，加熱溫度為60～85 ℃，殼程加熱溫度為130 ℃，循環(huán)泵的流量為10 m3/h，采用板式換熱器加熱。

2.2.3 換熱器換熱面積計(jì)算

板式換熱器的換熱面積按下式計(jì)算[5]：

式中：F為換熱面積，m2；Q為熱量，kJ/h；k為傳熱系數(shù)，kJ/m2·h·℃；Δt為傳熱溫差，℃。

按逆流對(duì)數(shù)溫差求取傳熱溫差，即20 ℃水加熱至85 ℃的水所需熱量為Q=10 000×1×（85-20）=2 721 550（kJ/h）。

傳熱溫差的計(jì)算：130 ℃→130 ℃

85 ℃↖20 ℃

Δt1=130-85=45（℃），Δt2=130-20=110（℃），

則修正后的傳熱溫差為Δt′=0.89×72.72=64.72（℃）（溫度修正系數(shù)為0.89）

其中，k=4 187 kJ/m2·h·℃。實(shí)際換熱面積為F′=1.25×10=12.5（m2）

蒸汽耗量計(jì)算為：

則計(jì)算進(jìn)汽管道直徑公式為：

換熱器也可以采用波紋列管式換熱器進(jìn)行加熱，因?yàn)檫@種換熱器殼程蒸汽壓力可以提高卻不容易泄漏，造價(jià)也較低。

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

CIP清洗系統(tǒng)的形式也不盡相同，但有一點(diǎn)是相同的，加熱系統(tǒng)采用的均為間壁式換熱器進(jìn)行加熱。在罐中直接加熱及超液位直接往地下排放酸堿液或水的加熱系統(tǒng)，應(yīng)淘汰不再應(yīng)用。設(shè)計(jì)CIP清洗系統(tǒng)必須考慮將用過(guò)的酸堿液或水進(jìn)行回收，以備再利用。如果是多個(gè)清洗點(diǎn)，CIP清洗系統(tǒng)在進(jìn)程中的管路上需要設(shè)置換向板，根據(jù)需要進(jìn)行切換換向，以防止未清洗的管道占料。CIP清洗系統(tǒng)是獨(dú)立的清洗系統(tǒng)，為安全考慮，一般多將其布置在獨(dú)立的車間內(nèi)，并考慮良好的通風(fēng)，以防止酸堿液的揮發(fā)、淺出，影響人的正常工作。其次是管道過(guò)濾器要定期檢查并做好清理，防止管道過(guò)濾器被堵塞，影響清洗。酸堿水溫的高低可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。采用板式換熱器所使用的壓力不易隨意提高，以防止由于瞬間的超壓引起泄露。

4 小結(jié)

CIP清洗系統(tǒng)的目的是保證設(shè)備清洗到位不留有死角，保證產(chǎn)品質(zhì)量。要做到這一點(diǎn)，在被清洗設(shè)備上需要設(shè)置好清洗點(diǎn)，清洗點(diǎn)必須保證被清洗的設(shè)備都能夠清洗到位。回程泵可以選擇自吸泵，也可以選擇具有抗汽蝕的雙密封離心泵。其次是清洗完畢后設(shè)備、管道內(nèi)不得留有殘存的積液。

[1] 劉文芳. 基于PLC及觸摸屏技術(shù)的CIP清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（5）：143-144.

[2] 劉殿宇. 防止熱敏性物料在降膜蒸發(fā)器中結(jié)焦的方法[J]. 化工設(shè)備與管道，2004，41（4）：25.

[3] 劉殿宇. 影響蒸發(fā)器使用的幾個(gè)因素[J]. 發(fā)酵科技通訊，2008，37（4）：21-22.

[4] 劉殿宇. 用于奶粉生產(chǎn)的多效降膜式蒸發(fā)器清洗間隔時(shí)間短的原因分析[J]. 化工與醫(yī)藥工程，2007，28（6）：25-27.

[5] 劉殿宇. 降膜式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.