（化学工程专业论文）干冰清洁饼干生产烘炉网带的研究.pdf

摘要 本文介绍了积碳结焦对食品企业带来的影响。简述了干冰清洁的工作原理，各种优 势以及国内外的应用情况。 本课题来源于江门达能饼干有限公司( 简称j d b ) 。这几年，江门达能饼干有限公 司的烘炉网带容易产生积碳结焦的现象，特别是9 号生产线。严重影响了产品的质量， 网带的寿命甚至影响了公司的形象。为了除去焦碳，最初使用了碱液来清洁网带，但是 清洁成本很高，而且对网带的损坏也很严重。为了获得低成本、低损耗、高质量的清洁 效果，使用了干冰对网带进行清洁。通过一系列的试验，获得了工作压力、干冰喷射量、 喷射距离、入射角度以及网带速度和温度等关键的清洁参数。并根据生产现场的实际情 况选择合适的清洁设备，结合清洁参数获得了干冰清洁网带的最佳方案，最后取得了非 常好的清洁效果和经济效益。通过这次干冰清洁过程的研究得出了如下结论： 1 、在线用干冰清洁网带，节省大量的清洁时间。使用n a o h 清洁时需要将网带拆 出来进行多次浸泡。使用干冰在线清洁网带可以节约8 5 的清洁时间。 2 、干冰清洁方法简单，操作方便，不需要为清洁进行额外的设备投资，可以节约 8 0 的费用。 3 、干冰清洁不会对网带造成机械伤害，可以延长网带寿命，提高饼干的质量。 4 、焦碳可以作普通垃圾处理，不会产生二次污染。干冰清洁是绿色的清洁过程， 与自然环境友好。 5 、操作工经过现场安全培训和穿戴个人安全保护后，就可以进行操作。干冰清洁 有很高的安全操作性。 关键词：网带；焦碳；干冰清洁；经济效益 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e di n f l u e n c eo f c a r b o n i z e do i ld e p o s i to nf o o de n t e r p r i s eb r i e f l y t h e p r i n c i p l e ，a d v a n t a g e so fd r yi c eb l a s tc l e a n i n ga n di t sa p p n c a 虹o na th o m e a n do na b r o a da a l s oo v e r v i e w e d t h er e s e a r c hp r o j e c tw a ss u p p o r t e db yj i a n g m e nd a n o n eb i s c u i tf o o d sc o l i t o d bi s b r i e 0 f o rt h ep a s ts e v e r a iy e a r s ，j d bh a ss u f f e r e df r o mam e s ho v e nb e l tc l e a n i n gp r o b l e m - c a r b o n i z e d0 i ld e p o s i tb l o c k st h em e s a s t h es t a t u so f9 t hl i n ei s e s p e c i a l l y s e r i o u s t h ed i r e c tc o n s e q u e n c ei st h a tt h eb i s c u i tb e c a m es u b s t a n d a r dp r e d u c t t h em a i n t e n a n c ef e eo f t h em e s ho v e nb e l ti n c r e a s es p e e d y , e v e nc o m p a n yh a sr e c e i v e dp l e n t yo fc o m p l a i n t sa b o u t q u a l i t y t h el 9b e l th a d b e e nc l e a nb ym a n ym e t h o d s b u ta l lf a i l e db e f o r ea 仃i a lo fd r yi c e b l a s tc l e a n i n gh a db e e nd o n e f u - s f l y , n a o hs o l u t i o nw a su s e df o rc l e a n i n gb e i t , b u ti tc a u s e d h i g hc o a ta n dh i l g hb r o k e n s i n c ed r yi c eb l a s tc l e a n i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s , w eh a d d e c i d e dt ot a k ed r yi c et or e p l a c en a o hs o l u t i o n , a n dg o tm a n yk e yc l e a n i n gp a r a m e t e r s c o m b i n e dw i t hc l e a n i n ge q u i p m e n ts e l e c t i o n , as c h e m eh a db e e nd e c i d e d a tl a s tt h ep r o j e c t h a da c h i e v e m e n ts u c c e s s f u l t h es u c c e s s f u lt r yh a sb r o u g h ts o m ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w i n g ： t h en l c a n so f , t r yi c eb l a s tc l e a n i n gc o nc u t8 5 c l e a n i n ga n dd o w nt i m e , b e c a u s et h e p r o c e s sc o u l db ec a r r i e do u to nl i n e t h em e a n so fc h e m i c a lm e t h o dn e e dl o n gt i m ef o r s o a p i n g t h ep r o c e s sc o u l db ee a s yt oo p e r a t e m o r e8 0 c o s tc o u l db es a v e ds i n c ei tn e e d n t e x t r ai n v e s t m e n ta n dh a se x c e l l e n tc l e a n i n ge f f e c t t h em e s ho v e nb e l th a m ts u f f e r e da n ym e c h a n i c a ld a m a g e s i tc o u l de n s u r eb e l tl i f ea s l o n ga sd e s i g n e da n db i s c u i tm e e t sq u a l i t ys t a n d a r d t h ec a r b o n i z e do i lc o u l db et r e a t e da sc o m m o n l yi n d u s t r i a lr u b b i s hw i t h o u tg e n e r a t i n g s e c o n dp o l l u t i o n o p e r a t o r sj u s td on o tn e e de s p e c i a le q u i p m e n tt op r o t e c tb o d y t h ep r o c e s sc o u l da v o i d o p e r a t o re x p o s u r et od a n g e r o u sc i r c u m s t a n c e k e yw o r d a zm e s ho v e nb e l t , c a r b o n i z e d 硼，d r yi c eb l a s tc l e a n i n g 。e c o n o m i c a lb e n e f i t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：改呷乱日期椰年2 月黟日 览。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 和埕 1 互铆1 名 ：签 名师签教者导作指 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在食品加工行业，饼干的生产过程是一个比较复杂的过程。其流程大致是根据配方 先将面粉、糖粉、食用油和添加剂进行混合。之后经过成型工序，制成一定形状的饼胚。 然后在几十米长的烘炉内进行起发、脱水、上色、熟化，再经过冷却，包装后就成了我 们熟悉的饼干了。2 “笠3 随着人民生活水平的不断提高，人们对吃的要求也越来越高，越来越注重口感和香 味，所以饼干的档次也越来越高。食用油对饼干有起酥的作用，油的含量越多，则饼干 越酥松。生产中饼干随着网带在烘炉里进行起发、脱水、上色、熟化，食用油会从饼干 里渗出，粘在网带上。1 同时会粘一些饼干屑在网带上，另外饼干表面在入炉前需要涂 一层奶水，多余的奶水也会粘在网带上。油含量越大，饼干屑和食用油粘在网带上的量 也就越多。这些残留物经过高温烘烤，会碳化，如果烘烤时间很长，那么就会在网带上 形成一层致密的焦碳。3 3 同时企业对经济利益的不断追求，会不断的提高设备的利用率，想方设法提高单位产 能。单位产能越高意味着饼干经过烘炉的时间越短，也就要求烘炉内的温度越高，这样 就会导致焦碳越致密。这层焦碳带来的后果是多方面的，一方面，饼干由于底部透气不 良，容易在底部产生凹凸的情况，直接影响饼干的口感和质量，我们甚至收到了几次消 费者关于此类问题的投诉。这样的饼干在包装过程容易产生饼粉。饼粉会散落在包装卷 膜上，影响包装封口的质量，造成次品和包装卷膜的损耗。另一方面，饼干底部透气不 良造成饼干的起发不均匀，使得饼干的高度不一致，在上夹心机和包装机时容易造成饼 干的断裂，导致低质量和高损耗。最重要的是，焦碳会造成网带的受热不均匀，使得网 带变形，运行时产生走偏现象，造成网带两侧与烘炉支架碰撞，损坏网带，减少了使用 寿命。 1 2 网带的清洁 达能集团是世界第四大食品公司，其中饼干的产量世界排名第二。江门达能食品有 限公司( j i a n g m e n d a n o n e b i s c u i t c 0 1 t d 以下公司名称以j d b 代替) 的产品全部是高 档饼干，需要严格保证饼干质量。其主要的生产设备都是进口，其中网带是从德国进口， 每条烘炉需要2 0 0 米长的网带，其价格是3 万欧元，其技术寿命一般是3 4 年，如果保 养得好，可以使用禾5 年。所以网带良好保养，从而延长网带寿命和保证产品质量，对 华南理工大学硕士学位论文 企业来说显的很重要。一般网带保养方式有清洁、修剪和上油。其中最主要的是对网带 进行清洁，清洁有以下几种方式。 图1 1 脏网带照片 图i - 2 黑底饼干照片 1 2 1 在线清洁 在网带上安装一些清洁装置，一边生产一边清洁。清洁装置是由一条纱布套在一条 轴上，将其安装在出炉口，紧贴着网带。趁网带的温度还比较高，油没有凝固，用吸水 性较好纱布将油吸附下来。再用羊皮扫，将饼干屑打松，用压缩空气吹掉。这样的做法 优点是不用停产。但是缺点是清洁程度有限，而且纱布被磨损后，布碎会粘在网带上进 入饼干里，造成严重质量事故。而且纱布上粘的油在高温下长时间会变质，也会影响饼 干质量。 2 第一章绪论 图1 - 3 布辊，羊皮扫的照片 1 2 2 定时清洁 目前，j d b 每天会将生产线停产1 5 分钟，安排工人用干净抹布来擦拭网带。这种 方法的优点是清洁程度会比用布辊好，同时可以安排清洁其它设备。但是由于需要停产， 会影响公司的效益。而且在整条生产线停车上有时间差，饼干从烘炉出口到包装完毕需 要4 0 分钟，当烘炉已经停机，但是包装还在生产，所以这样安排人手上会有困难，需 要将包装机速度降慢、腾出人手来协调。另外，由于每个工人用力不一样，导致清洁程 度不均匀，也影响了网带的清洁效果。 1 2 3 大型清洁 当网带上的焦碳已经严重影响饼干质量时，将被安排拆出来做一次大型的清洁，约 1 2 年进行一次。清洁时期一般安排在生产淡季，走项目管理的流程。协调市场部，计 划部，工程和生产部，来进行整个项目的实施，整个过程需要安排停产一周以上清洁 效果比较好，但是需投入的费用太大。 1 3 传统的大型网带清洁方式 1 3 1 使用金属刷 由于负载和受热的不平衡，使用时间长了以后网带表面出现凹凸不平的现象。凹的 地方，焦碳积累得相对会厚一点。对于这些焦碳可以用便携式电动铜刷，进行清除。当 遇到特别顽固的焦碳，操作工就会先使用电动砂轮。最后再用钢针将封闭的网孔一个一 个的戳穿。对于这种清洁方式，效率特别低，非常耗人力，对于一条的网带，大概需要 2 0 人，同时工作两周以上。另外这种清洁方式的致命的弱点是对网带的物理损伤特别严 重，电动砂轮很容易磨伤网带。一旦被磨伤，网带在运行过程中会产生局部的断裂，而 3 华南理工大学硕士学位论文 且磨出的铁粉会进入饼干造成严重的质量事故。 d b 以这种方式清洁和安装网带后，会对网带做仔细的检查。如果遇到磨坏部分， 维修工就会将整截网带剪下，再拼上一块新的。现在j d b 已经将这种方式淘汰。只有做 碱液清洁时，当遇到很顽固的焦碳，就可以用电动砂轮来做预先的处理。 1 3 2 碱液清洁 经过实验，发现无论用酸液还是有机溶剂都不能将焦碳除去。最后发现用n a o h 溶 液浸泡的方式可以使得焦碳变得松软，然后可以很简单清除。 1 3 2 1 碱液清洗动植物油脂研究 碱溶液主要用于清除动植物油脂的酸性污垢，通过化学反应，生成皂和盐，溶 解或分散于水溶液中哪。 用一定浓度以上的氢氧化钠，使动植物油污转变成水溶性的脂肪酸皂，分散在 水溶液中： ( c , 7 h 3 5 c o o ) 3 c 3 t - 1 54 - 3 n a o h = = c t 7 h 3 5 c o o n a + c 3 h s ( o h ) 3 对于中性油脂，如果清洗液的碱性太弱，皂化反应不能发生。但是，当动植物 油脂中含有游离脂肪酸时，弱碱性的水溶液可使之中和成脂肪酸皂： r - c o o h + n a o h = r c 0 0 n a + h 2 0 上述两个反应生成的脂肪酸钠皂具有水溶性，且具有表面活性剂的性能，能促 进残留的碱液把不溶性的油污乳化和分散。 碳酸钠用于清洗油脂，和使油脂疏松、分散、乳化和皂化。 1 3 2 2 钢铁在碱液中的腐蚀 在常温的碱或碱性水溶液中，碳钢和铸铁是耐腐蚀的。因为，当水溶液中的n a o h 含量 3 0 时，碳钢和铸铁表面的腐蚀产物膜保护作用开始下降，随温度升高，腐蚀加速， 因为表面的氧化物转变成h f a ) 2 。钢铁中f e 3 0 4 的以碳酸盐的形式进入溶液，因此腐蚀 4 第一章绪论 继续发展。 1 3 2 3 碱液的配制试验 碱液清洁网带是一个有效的办法。为了找到适用的配方，参考了一些资料，并 做了一系列试验。试验方案是先配制不同浓度的碱液，将大小一样，焦碳分布均匀的脏 网带浸泡在溶液中2 4 小时，用高压水枪除去网带表面的焦碳，吹于，称重，然后按下 列公式计算出除垢率。“1 n 一除垢率g g o 清洁前质量； g 一清洁后质量。 u = ( g o - g ) g o ( 1 - 1 ) 表1 1 碱液清洁网带除垢率比较 从上表可以得知，n a o h 浓度和碳酸钠浓度对除垢率有很大影响，浓度越高， 除垢率越大。当n a o h 浓度达到3 0 以上时，第一次清洁的除垢率增大的幅度开始变慢， 而第二次清洁的除垢率稳定在1 1 7 。这是因为网带上钢丝结合处的焦碳很难清洁。当 除去已经松软的焦碳后，以同样的方法将网带再一次进行浸泡、清洁，就能够完全将焦 碳除去。从成本和效果上考虑，决定采用n a o h 浓度为3 0 、碳酸钠浓度1 5 的碱液来 清洁网带。 1 3 2 4 使用碱液清洁网带过程 2 0 0 4 年3 月j d b 第9 号生产线的网带污糟程度特别严重，某些部分的焦碳厚度达 到了3 m m ，关于饼干质量的投诉也急剧增加，达能饼干的中国总部甚至计划将相应的 产品转移到其他工厂在巨大的压力之下，j d b 的管理层决定尝试使用n a o h 溶液来清 5 华南理工大学硕士学位论文 沽网带，并且成立了项目组，专门申请了项目费用和停产的安排。 当时j d b 的方案是在工厂的空置区域上砌3 个水泥池，每个里面盛有2 m 3 ，浓度为 3 0 的n a o h 和1 5 的碳酸钠溶液。并安装了电动葫芦来吊装网带和电加热器来对碱液 进行加热。然后将网带从烤炉上拆出，剪成3 段，每段约7 0 m ，卷在铁辘上。然后吊到 n a o h 溶液中浸泡，并加热至5 0 。2 0 小时后，将网带吊出，摊到平坦的地面上，用 高压水枪冲洗，并铜丝刷对焦碳进行清除。之后，反向卷一次，继续吊到原来的n a o h 溶液中浸泡2 0 小时，同样用高压水枪和铜丝刷来清洁焦碳。经过两遍的清洁，可以将 网带正反面的焦碳清除。之后还需要再一次的浸泡来彻底清除金属丝结合处的焦碳，同 样是5 0 ，2 0 小时。最后需要用大量的清水来冲洗网带，稀释碱液，直到网带表面液 体的p h = 7 - 7 5 ，才进行安装。清洁过程需要多位工人良好的合作和明确的分工，因为看 似简单的清洁工作可能会对网带造成损害。网带清洁后需要一段一段的连接和安装至烤 炉上，然后做仔细的检查，修剪和调试。试运行后，再做一个保养。保养就是在网带表 面涂上一层植物油，然后用3 0 0 0 的温度进行烘烤，让油紧紧的包裹在的网带的表面， 来达到保护网带的目的。 这次清洁过程安排了2 5 位员工，整整持续了一周，消耗了4 吨5 0 的n a o h 溶液 和2 吨1 5 的碳酸钠溶液，并且更换了2 0 m 的网带，差不多更换了1 0 的新网带。由 于清洁效果不错，半年后j d b 用同样的方法清洁了另一条网带。 1 4 国内目前的状况及存在的问题 烘焙食品企业中，糖份、油料在高温烘焙下很容易在生产设备上结焦生碳。如何简 单、经济地除去这些生产设备上的焦碳一直每个企业面临的难题。对于面包和蛋糕生产 商，面包和蛋糕的保质期很短，而且产量很小，他们可以在每天生产结束后对烤盘、烤 炉等生产设备拆卸后进行清洁和杀菌。而饼干和方便面的产量很大，使用大型设备，而 且是连续式生产，所以特别容易产生焦碳。传统采用机械加人工的清洁方式进行日常的 清洁，当结焦严重时，多使用碱性或中性的清洁剂，进行清洁h 1 。 传统的清洁方式都不能在清洁效果和清洁成本这二方面达到另人满意的程度。机械 加人工的清洁方式，不需要停机，成本很低，但是效果不佳。而使用碱液清洁虽然清洁 效果很好，但是需要很长的停产时间和很高的清洁费用。 1 5 国外目前的状况 由于无法从原材料、设备和饼干配方上得到根本的改善，虽然一直在做在线清洁， 6 第一章绪论 但是网带的污垢越积越厚，开始影响到d b 产品的质量。可是由于用碱液清洁不仅需要 消耗巨大资源，而且严重影响了生产能力，所以决定寻找新的清洁方式来代替碱液清洁 这种方式。于是想到去咨询网带的生产商德国s t e i n h a u s 公司，当s t e i n h a u s 公司 得知r d b 成功使用n a o h 溶液清洁网带，表示n a o h 溶液虽然是安全的清洁剂，但是 高压水枪或金属刷有非常高的风险对网带造成机械伤害。它建议如果网带的焦碳严重影 响生产时就应该进行更换，同时也给出了一个崭新的方法干冰清洁。在德国已经有饼 干厂使用干冰清洁网带，但是这需要一些先进的清洁设备。这是一个崭新的，并且令人 振奋的建议。 1 6 本章小结 本章针对江门达能食品有限公司在生产上遇到的烤炉网带结焦生碳的问题，详细论 述了几种除去传统设备上的焦碳的传统方法。特别论述了使用碱液清洁烤炉网带焦碳的 原理、工艺过程和设备。说明了这些传统的方法不能在清洁效果和清洁成本这二方面达 到另人满意的程度。机械加人工的清洁方式，不需要停机，成本很低，但是效果不佳。 而使用碱液清洁虽然清洁效果很好，但是需要很长的停产时间和很高的清洁费用。为下 文论述干冰清洁的经济、操作、环保方面的优势做好铺垫。 7 华南理工大学硕士学位论文 第二章干冰清洁 2 1 干冰清洁的工作原理 干冰清洁技术是将c 0 2 通过于冰制造机制做成3 m m 直径的米状颗粒，以压缩空气 为动力源，通过干冰清洁机将干冰微粒以高速喷射到物质表面，干冰微粒冲击到清洁表 面后会迅速升华。干冰清洁技术原理是以温差物理反应使不同物质在不同收缩速度下产 生脱离，同时表面黏附物会被冷却及脆化爆裂，再以压缩空气流和干冰气化后体积瞬间 膨胀8 0 0 倍而产生“微气爆”吹脱效能。订1 此温差物理反应是以气压加速干冰分散吸收 处理表面热能使其迅速收缩并把非结构性连接撕开脱离，气压愈大产生温差反应愈快效 果愈明显。或当工作表面仍处高温下时，使用干冰喷射，则可以产生更大温差效果更为 理想。阻1 下面是干冰清洁原理的演示过程 图2 - 1 干冰颗粒撞向物体表面图2 - 2 污垢表面薄层冷却及脆化图2 - 3 千冰气化及污 垢脱落 2 2 干冰清洁技术的发展 早在1 9 3 0 年，制造固体二氧化碳就已成为可能，那时”干冰”只是在实验室中做试 验用。随着干冰制作过程变得简单，容易，这种新材料的应用开始增多。很明显，首要 的用途是用于冷冻。今天，干冰广泛应用于食品工业，用来包装和保存易腐、易溶化食 品。7 3 1 9 4 5 年，美国海军将干冰作为喷射介质，用来清除各种油脂。1 9 6 3 年5 月，雷金 纳德林德( r e g i n a l d l i n d a l l ) 利用喷射二氧化碳颗粒的办法”从骨头上剔除肉”，获得专 利。1 9 7 2 年1 1 月，埃德温瑞斯( e d w i nr i c e ) 以”喷射高速干冰颗粒从物体上去除残余 部分”的办法，而获得专利。与之相似，在1 9 7 7 年8 月，卡尔文冯( c a l w i nf o n g ) 以” 用可挥发性颗粒介质进行喷砂”，获得专利。这些前人的工作和成功引导了几个公司在 二十世纪八十年代早期相继成立，从事干冰清洁技术的研究和发展。盯1 干冰造粒机和干冰清洁设备在二十世纪八十年代晚期进入市场，这时候的干冰清洁 8 第二章干冰清洁 设备非常庞大，并且很昂贵，需要很高的空气压力( 超过1 4 k g c m 2 ) 。随着干冰喷射清 洁设备的尺寸减小，价格也降了下来，现今的喷嘴技术可使设备在5 k g c m 2 空气压力下 有效工作。9 1 2 3 千冰清洁的优势 利用干冰做介质来清洁处理的清洁方法与其他传统清洁方法相比具有以下优势e 7 1 。 高效经济 干冰清洁可以进行在线清洁，避免了设备的拆卸和安装以及干燥的等待，节约了大 量的停机时间，不需增加劳动力和生产设备，产量得以增加。干冰在清洁过程中直接挥 发，没有清理清洁介质的费用。 延长设备使用寿命 与砂粒塑料粒和其它磨损性介质不同，干冰颗粒不具磨损性。于冰清洁过程中干冰 微粒的升华对冲击产生的“气垫”作用，很大程度上保护了清洁表面，所以不损伤模具， 不破坏公差，对轴承和机械都没有损伤。另外，在线清洁避免了模具拆装过程中的意外 损伤。 环保 c 0 2 是一种无毒的物质，符合美国农业部( u s d a ) ，食品与药物管理局( f d a ) ， 环境保护局( e p a ) 的安全要求。在干冰清洁过程中，干冰都挥发成a d 2 ，唯一的废弃 物就是被清洁下来的污垢，不会产生二次污染。 安全 用干冰清洁代替有毒化学物质清洁，员工可以从根本上避免化学物质的侵害，消除 了工伤和职业健康的风险。由于c 0 2 比空气重，在封闭空间或下沉部位操作干冰清洁时 只要保证通风就可以了。另外干冰清洁时需使用压缩空气，在操作时必须使用安全眼镜 等安全保护用品。 特有的优势 与蒸汽和高压水清洁不同，干冰清洁对电线，控制元件，开关都没有损伤。清洁后， 设备生锈的可能性与水清洁相比也大大降低。在食品行业应用中，干冰清洁与水清洁相 比大大降低了细菌滋生的可能性。 9 华南理工大学硕士学位论文 表2 - 1 干冰清洁与其他清洁方式之比较 2 4 干冰清洁技术的应用 干冰清洁的优势，特别是其优良的经济效益，慢慢被人们认识后，在欧美越来越多 企业开始使用干冰清洁，而且都取得了意想不到的清洁效果和经济效益碍。目前干冰清 洁主要应用在； 食品及制药业 清除食品加工设备表面的积碳结焦，储罐、混料器上的原料结块。c 0 2 是一种消毒 剂，更可以对食品及药品接触面的进行消毒。 模具行业以及设备 如轮胎模具、橡胶模具、精密模具、泡沫和聚氯乙烯模具、压模、挤出机、传输组 件、自动扶梯等。 航空航天行业 如飞机除漆、引擎清洁、维修清洁以及喷气发动机的检修。 海运业 干冰清洁对老化的防腐材料、海藻、海上淤泥以及贝类等的清洁效果比传统的清洁 方法好许多。主要应用在船壳体、海水吸入阀、海水汽凝器、换热器、机房、机械及电 器设备的清洁上。 电子工业及饮食电路 对于去除无静电的污染表面、感光性树脂及溶剂的清洁非常有效，可以节约大量资 金，因为传统的清洁方法是用手和化学溶剂进行清洁，劳动强度大而且要求高。 电力行业 变压器带负荷清洁、发电机转子和定子无磨损清洁、水轮机转子和定子无磨损清洁、 1 0 第二章干冰清洁 变电站和配电柜带负荷清洁、气轮机透平清洁等。 印刷行业 印刷机械运行一段时间后，因油墨油脂等的聚集而是设备无法正常工作，通过干冰 清洁能够使整机在不停机的情况下完成全部清洁工作，大大提高了设备的工作效率。 石化行业 石化行业传统上采用喷砂水射流清洁工艺清除设备上的污垢，此类设备包括：阀门， 泵压缩机各种容器蒸馏机存储槽分离器聚合器等。使用传统工艺极易出现表面损坏受损 危及操作者健康安全等现象。而干冰清洁因其本身的工艺特点几乎可以完全避免以上问 题。 核工业以及有害废物 核工业中有害放射物质( 包括石棉、二恶英、重金属、表面放射性污染物、多氯联 苯污染物，型芯盒) 的除污。 2 5 国际干冰清洁技术的应用情况 早在1 9 4 5 年美国海军就开始试验用于冰颗粒来清除油污，其后就不断有人研究利 用高速喷射的干冰颗粒来清除物体表面的附着物，如清除飞机表面的旧油漆层等。订3 八 十年代美国开始有人利用喷射干冰清理橡胶模具并获得成功，取得了意想不到的清洁效 果和经济利益。九十年代中期，欧美一些公司相继开发出系列产品，并在很多领域推广 使用。尤其是一些大的轮胎生产厂家纷纷采用该技术来清理模具，并获得可观的经济效 益。波音公司对飞机大修采用干冰清洁技术。固特异轮胎公司在世界上的每家工厂都采 用千冰清洁技术清洁轮带模具。通用、福特、丰田、本田等汽车公司发动机铸件的生产 均采用干冰清洁的方法清洁铸造模具。据美国c o l d j e t c o m p a n y 提供的数据，在轮胎工 业采用喷射干冰清理技术清理模具，与普通清洁方法相比，减少模具停用时间8 7 ，降 低清洁成本7 6 ；在胶鞋工业采用该技术清洁一台三层往复移动平板硫化机上的模具， 比普通清洁方法可减少9 1 的停模时间。 2 6 国内干冰清洁技术的应用情况 国内干冰清洁技术始于上世纪9 0 年代，国内企业在引进国外了干冰清洁设备，主 要应用在汽车制造行业。稳定了产品质量，维护了设备，取得了巨大的效益。随着跨国 公司在中国投资的不断增多，干冰清洁技术得到了更多的应用和发展。国内有很多公司 看到了干冰清洁的巨大市场，专业从事干冰清洁的推广，开始代理国外先进的干冰清洁 华南理工大学硕士学位论文 技术。同时开发出自己的清洁设备。许多国内企业将干冰清洁技术列入企业的技术改造 计划。钔 香港若润公司是美国公司c o l dj e t c o m p a n y 干冰清洁设备在国内的代理商，同时也 提供专业的工业清洁业务，这时正在积极的拓展在中国的业务。在为另外一家世界著名 的食品公司成功做一次干冰清洁工作后，为了开拓业务，就主动找到j d b ，谋求合作事 宜。在接受香港若润公司关于干冰清洁工作原理介绍以及干冰清洁的多种中优势，特别 是可以不用将网带拆出来和停机时间可以缩短8 0 以后，便决定尝试用干冰来清洁网 带。 2 7 本章小结 干冰清洁是一项先进的工业清洁技术，本章阐述了干冰清洁技术的工作原理，它利 用温差物理反应使不同物质在不同收缩速度下产生脱离，同时污物被冷却及脆化爆裂， 再用压缩空气将污物吹脱。由于干冰清洁可以做在线清洁、不损伤物体、设备不会生锈 和不产生二次污染，使得它在清洁效果、清洁效率和环保等方面有着传统清洁方式无法 比拟的优势，必将成为工业清洁的主流技术。目前，在国际上，干冰清洁技术已经在生 产的很多领域得到了应用，特别是轮胎制造。由于使用了干冰清洁，清洁时间和清洁成 本得到了巨大的下降。 1 2 第三章二氧化碳的热力学研究 第三章二氧化碳的热力学研究 3 1 二氧化碳的物理性质 3 1 1 二氧化碳的密度 二氧化碳的密度取决于它的聚集状态及温度和压力。气态二氧化碳的密度在温度为 o c ，压力1 0 1 3 k p a 下为1 9 7 6 9 k g m 3 ；在2 0 c ，1 0 1 3 k p a 下为1 9 7 0 9 k g a n 3 二氧化碳的 相对密度( 对空气) 为1 5 2 9 高压时，二氧化碳气体的密度可查资料确定。 液态二氧化碳的密度在接近饱和时可查资料确定，也可按下列公式计算确定：b 1 1 p - - 4 6 8 + 1 2 3 2 6 5 0 b 妒剪1 3 7 7 6 1 6 1 5 7 x ( t i , ，- t ) + 7 0 3 0 5 4 6 x 1 0 - 3 ( t 坤- i ) 2 ( 3 1 ) 式中：1 旷二氧化碳在临界温度下等于3 0 4 2 k 一二氧化碳的温度 固体二氧化碳的密度取决于它的生产方式，大约在1 5 0 0 - - 1 7 0 0k g m 3 的范围内波 动。 试验表明固体二氧化碳的密度温度区间为：从- 5 6 6 c 时p = 1 5 1 2k g m 3 。到一1 8 3 1 2 是 的1 3 = 1 6 6 9k g m 3 。 3 1 2 相平衡关系 二氧化碳随着温度和压力的变化能够处于各种聚集状态，二氧化碳的相平衡曲线如 图3 - 1 所示量3 1 图3 - 1 二氧化碳相平衡曲线 在二氧化碳相平衡曲线上的特征点是：升华的正常点、三相点和临界点。 1 3 华南理工大学硕士学位论文 在三相点，温度和压力确定如下： 三相点温度t = 2 1 6 5 8 k ( 5 6 5 7 ) 三相点压力p = o 5 1 8 6 m p a 当温度等于或者高于三相点时，固体二氧化碳溶解；当温度低于三相点时，固体二 氧化碳升华。升华的温度随其压力而改变。在常压( 1 0 1 3 k p a ) 下，升华温度为tt 。升$ = 1 9 4 6 5 k ( 一7 8 5 c ) ，而处于真空状态下，升华温度为1 7 3 k ( 1 0 0 ( 2 ) ，或者更低，视 真空度而定。 固体二氧化碳熔化时体积增大，特点是在三相点，固体二氧化碳的质量体积等于 0 6 6 6 1 0 3 m 3 ，k g ，其密度为1 5 0 1 5 吲m 3 。液体二氧化碳的质量体积等于0 8 4 9 x 1 0 3 m 3 k g ，其密度为1 1 7 7 9 k g m 3 。 在临界状态，物质的两相彼此在热力学平衡中按其物理性质逐渐趋于一致。在相平 衡曲线上的点，其中将要达到临界状态的点称为临界点。 二氧化碳临界点的参数如下： 温度t k p = 3 0 4 2 k ( 3 1 0 5 1 2 ) 压力p r , ：p = 7 3 8 m p a 密度p 旷粥8 k m ， 比焓h = 6 3 4 3 k j k g 比熵s = 3 5 5 2 k j ( k g k ) 比体积v k p = 2 1 5 6 1l k g 气体常数r = 0 1 8 8 9 9 1 5 1 d ( k g k ) 3 1 3 气一液平衡常数 为了确定在液态时二氧化碳的压力，通常用比较简单的尤卡公式b ： p = q ( t 1 0 0 - b ) “ ( 3 2 ) 式中：- - 0 8 4 9 4 b = t 2 1 h = 3 8 5 2 按照这个公式y i i thk 和kyr lph且ob 计算出了二氧化碳气液两相的一系 列热力学数据，并编制了专门的表格。 1 4 第三章二氧化碳的热力学研究 3 1 4 气一固平衡系统 固体二氧化碳的气相压力，按下面的公式求得；口1 l gp = 1 7 6 5 6 7 - 1 2 8 4 0 7 ( t + 2 6 8 4 3 2 ) ( 3 - 3 ) 或者 l gp = 1 0 4 ( 1 3 5 4 2 1 i t ) + 1 5 8 8 1 0 3 - 4 5 1 0 7xl 矿1 r 2 ( 3 - 4 ) 式中：p = 升华物压力( p a ) t = 一- - 氧化碳的温度( ) t = - 氧化碳的温度( k ) 3 1 5 汽化潜热、升华热、熔解热 在临界点和三相点之间的温度范围内，能够按照theccha 公式准确计算出汽 化潜热的大小： 仁c r 印- t ) * ( k j k g ) ( 3 5 ) r = 6 3 6 4 ( 3 0 4 2 - t ，3 8 ( 3 - 6 ) 在三相点二氧化碳的汽化潜热为3 4 8 0 2k j k g 。 在三相点二氧化碳的升华热等于5 4 3 8 9k j ，l 【g 。 为了实际计算，可以套用下面的公式 升华潜热r 丹= 6 6 5 5 7 - 0 1 0 0 8 6 t + 0 0 0 6 2 4 9 6 i 2 - 0 0 0 0 0 4 8 0 5 a d ( 3 - 7 ) 熔解热或者凝固热由升华热r 升和汽化热r 两数的差值求出。在三相点的熔解热的 值r a p ： r r r = r * - r = 5 4 3 8 9 3 4 8 0 2 = 1 9 5 8 7kkg(3-8) 3 2 二氧化碳的固化 固体二氧化碳常称之为干冰，它是液体二氧化碳固化形成的。其过程和水结冰过程 十分类似，不同之处在于水变成固体冰在一个大气压下，仅需冷却到o ；而液体二氧 化碳在同样的压力下却需冷却到7 9 以下才能固化。因此，二氧化碳周化的过程实质 上是获得低温使其冷却的过程6 5 3 。 将物质的温度降低到低于环境的操作称为冷冻或者制冷。通常，冷冻温度范围在 1 0 0 x 2 以上者称为普通冷冻简称普冷；在1 0 0 c 一2 6 9 者称为深度冷冻或深冷；2 6 9 以下者称为极深冷冻。二氧化碳固化过程的温度在1 0 0 c 以上，因此它属于普冷。 在液体二氧化碳固化成千冰的过程中，必须把液体二氧化碳的热量取出输给另一种 华南理工大学硕士学位论文 物质，使二氧化碳的温度降低到7 9 c 以下，由热力学理论得知，热能由低温度物质传 递到高温度物质的过程，必需要由外界对它做功才能完成。这种外界对二氧化碳做功在 固化干冰过程是一个很重要的过程。 在冷冻过程中用于获得低温和冷量的方法很多。其中使用较多的方法是气体节流膨 胀和气体绝热做功。而在工业规模的二氧化碳的固化过程主要采用的是节流膨胀。 3 2 1 等焓节流 连续流动的高压流体，在绝热且对外不做功的条件下，流经一节流膨胀阀迅速膨胀 至低压的过程称之为节流膨胀。假定节流前后的流体的位差和速度变化甚小，可以忽略 不计，则从稳流过程的能量平衡基本关系可得巧： ah=q一(3-9) 式中h 体系焓差 q 一体系与环境交换的热量，1 【j w r 体系对外做的轴功，k j 由于节流膨胀是不对外做功的绝热过程，因而与环境交换的热量q = 0 ，轴功w s = o ， 由上式知a h = o 。这说明节流膨胀前流体的焓值不变，是一个等焓过程。 高压流体经过节流膨胀后的温度变化称之为节流效应，或者焦耳一汤姆逊效应节 流膨胀前后的压力微小变化时引起的温度变化与压力变化的比值称为微分节流效应系 数或者焦耳一汤姆逊效应系数。 j i - 8 t 6 p( 3 1 0 ) 上式的物理含义是在等焓条件下，使物体发生单位压力降时流体温度的改变值。 节流膨胀过程本身是一个降压过程，6p = p l - p 2 o 时，表示6t 0 ，但 是少数的流体，如氢，氦等当j i 0 ，所以降低液体二氧化碳节流膨胀后温度可降低。 在二氧化碳固化过程中，为了获得较大的温度降( 由3 1 c 降到7 9 1 2 ) ，节流膨胀通 1 6 第三章二氧化碳的热力学研究 常要采用较大的压力降。所以得到的温度差称为积分节流温度效应，也就是微分节流效 应的积分值。 t 2p 2 球概2 柚 o - l l ，最 由于j i 不是常数，而是随着节流过程的温度和压力的变化而变化。采用积分法求的 t h 值是比较复杂的，一般用二氧化碳的热力学图表来求取积分节流温暖度效应。 积分节流温度效应a t n 的计算岱1 ： 节流温度效应大小决定了节流过程的冷冻量的大小节流过程是绝热的，温度由初 温t l 降到低温t 2 。若使流体的压力不变( 等压下) ，那就必须由一种物质( 冷冻剂) 将 它的热量取走，起冷冻作用。而冷冻剂取走的热量，即为节流过程的冷冻量q o h 。因为 对外不做功，所以w s = 0 。则 q o h = h 1 - h 2 ( 3 1 2 ) 式中：h l 一初温t 1 流体的焓值 珏厂低温t 2 流体的焓值 如果在节流膨胀时维持等温，则流体必然要从其他物质中不断吸取热量，使其他物 质收到冷冻效果。当w s = 0 ，冷量为： q o h = a h i = h i - h 2 ( 3 - 1 3 ) 从上可知，节流膨胀过程的冷量在数值上等于温度不变时的焓差。这种结果称为等 温节流效应。 绝热节流过程和等温节流的关系如图3 - 2 瞪3 所示。流体的初始状态是i 点，沿着等 焓线节流膨胀到压力为p 2 的压线上并相交于i i 点，此两点间的温度差即为积分节流温 度效应： h i 司r 2 - t i ( 3 1 4 ) 由点沿等压线加热到于t l 等温线相交点，线段代表等压加热过程中两 点的焓差。也就是节流膨胀过程的冷冻量。 q 庐h i = h i - h 2 ( 3 - 1 5 ) 1 7 华南理工大学硕士学位论文 图3 - 2 节流膨胀过程在t - s 图上的表示 通过以上分析可知，用二氧化碳的温熵( t - s ) 图和压焓( p - h ) 图及二氧化碳的初 始状态即可求得节流膨胀后的温度和需要的冷量。或根据终点的温度求取节流膨胀前的 压力。图3 3 二氧化碳的压焓图嘲。 图3 - 3c 0 2 的p - h 图 3 2 2 二氧化碳的固化过程 液体二氧化碳节流膨胀后可以得到固体二氧化碳。由于二氧化碳的液化过程有两种 1 8 第三章二氧化碳的热力学研究 不同的方法，相应的固化过程也不同e 5 j 。 低温低压固化 低温低压固化的原理可用二氧化碳的压焓图( 3 - 4 ) 来说明。图( 3 - 4 ) 中a 点为临 界点p a = 7 6 3 3 x1 0 s p a , t a = 3 1 1 零点为气、液、固三相点，压力p b - - 5 4 x1 0 s p a , r e = - 7 8 9 。当液体二氧化碳初始状态为g 点( p g = 2 1 3 x1 0 5 p a , t 户2 0 ) 时，经节流膨胀后为 f 点( p 户1 0 1 x l o s p a , 睁8 0 ) 这时有部分二氧化碳吸收了热量导致另一部分二氧化碳 固化。气化和固化的量的关系，可根据f 点的状态在图3 3 二氧化碳压焓图中查得。查 取结果，气化分率x = 0 4 8 。则固化分率为0 5 2 。说明从理论上欲制取l k g 干冰，需要液 体二氧化碳的量为1 9 2 k g 。 常温高压固化 液体二氧化碳的初始状态在室温和8 1 1xl o s p a 时，其固化称之为常温高压固化。 其固化效率同样可用图3 - 4 来说