CIP-системы. Расчет необходимого количества моющих растворов для мойки оборудования

Системы автоматизированной мойки в разных отраслях промышленности: пищевой, фармацевтической, химической и других представляют собой безразборный способ очистки внутренних поверхностей оборудования, трубопроводов и резервуаров.

Для обеспечения эффективной санитарной обработки оборудования, соблюдения санитарных норм и оптимизации затрат очень важно определить требуемое количество моющих растворов.

Особое внимание следует обратить на то, что:

• достаточный объем раствора обеспечит создание турбулентного потока, необходимого для эффективного удаления загрязнений,
• недостаточный объем моющего раствора в системе приведет к неполной очистке оборудования,
• избыточный объем моющего раствора не улучшит качество мойки, но увеличит расходы по эксплуатации. 

При расчете необходимого для работы СИП-мойки количества моющих растворов учитывают:

• объемы трубопроводов,
• резервуаров,
• мертвых зон.

Выполняется по формуле объема цилиндра по внутреннему диаметру трубы:

где:

• V — объем трубопровода (м³ или л)
• π — математическая константа (приблизительно 3.14)
• r — внутренний радиус трубы (м), где r = d (внутренний диаметр) / 2
• L — длина трубопровода (м)

Примечание: 1 л/мин = 0.06 м3/ч

Объем моющего раствора, необходимый для СИП-очистки резервуаров, зависит от их геометрической формы и типа используемых распылительных устройств.

Для эффективной мойки резервуаров требуется моющего раствора в количестве от 10 до 15 % от общего объема резервуара.

Объем моющего раствора для CIP-мойки резервуара:

где:

• V — полный объем резервуара (м³): V_рез. = π × r² × h
• r — внутренний радиус резервуара (м)
• h — высота резервуара (м)

Расчет расхода моющего раствора для спрей-шаров:

где:

• Q — требуемый расход (галлоны в минуту, GPM)
• C — окружность резервуара в футах: C = π × D (где D — диаметр в футах)

Пример: 

Исходные данные: Цилиндрический резервуар диаметром 2 метра и высотой 4 метра.

Решение:

1. Радиус резервуара: r = 2/2 = 1 м
2. Объем резервуара: V = 3.14159 × 1² × 4 = 12,57 м³ = 12 570 л
3. Объем моющего раствора (10%): V_CIP = 12 570 × 0.10 = 1 257 л
4. Окружность резервуара: C = 3.14159 × 2 = 6.28 м = 20.6 футов (1 м = 3.28084 фута)
5. Расход для статического спрей-шара:
   Q = 20.6 × 3 = 61.8 GPM ≈ 234 л/мин (1 GPM = 3.7854 л/мин) = 14 м³/ч (1 л/мин = 0.06 м³/ч)

Итого:

Для эффективной мойки выше указанного резервуара потребуется 1 257 литров моющего раствора при расходе 234 л/мин., что равно 14 м³/ч.

Мертвые зоны (dead legs) — это участки трубопровода с отсутствующим или минимальным потоком моющих растворов при стандартных физических условиях эксплуатации, с которыми обычно соотносят свойства веществ и значения других физических величин, зависящих от давления и температуры. К этим зонам относятся:

• ответвления трубопроводов,
• места подключений контрольно-измерительных приборов,
• зоны закрытых клапанов, иные застойные участки.

Мертвые зоны требуют дополнительного времени обработки и увеличения количества моющего раствора для полной их очистки. Это следует обязательно учитывать при расчете необходимого объема моющих растворов.

Требования международных стандартов к длине мертвых зон при санитарной обработке систем — это соотношение длины к диаметру (L/D) мертвой зоны не должно превышать установленных пределов.

Зависит от величины максимально допустимой длины мертвой зоны:

где:

• L_max — максимально допустимая длина мертвой зоны, м.
• k — коэффициент (1.5, 2, 3 или 6 в зависимости от стандарта)
• D — внутренний диаметр ответвления, м.

Объем мертвой зоны:

Пример: 

Исходные данные: подключение датчика температуры с внутренним диаметром 12 мм и длиной 30 мм по стандарту 2D.

Решение:

1. Максимально допустимая длина: L_max = 2 × 12 = 24 мм, а фактическая длина 30 мм, что превышает допустимую на 6 мм.
2. Определяем объем существующей мертвой зоны:
3. V = 3.14159 × (0.012/2)² × 0.030 = 0.0000034 м³ = 3.4 мл
4. Дополнительный объем для промывки мертвой зоны: 3.4 × 1.5 = 5.1 мл (коэффициент разбавления).

Коэффициенты запаса моющих растворов применяются для учета различных факторов, влияющих на качество мойки и обеспечения достаточного объема моющего раствора для очистки всей системы. Правильное применение коэффициентов запаса обеспечивает надежную работу CIP.

Формула расчета общего объема с коэффициентами запаса

где:

• V_total — общий требуемый объем моющего раствора
• V_pipes — расчетный объем трубопроводов
• k_pipe — коэффициент трубопроводов (обычно 1.25)
• V_tanks — объем для очистки резервуаров (10% от объема танка)
• V_dead — объем мертвых зон
• k_dead — коэффициент мертвых зон (1.5-3.0)
• k_system — системный коэффициент запаса (1.1-1.3)

Пример

Исходные данные: CIP-система включает 50 метров трубопровода диаметром 50 мм, резервуар объемом 4000 литров, 8 мертвых зон общим объемом 200 мл.

Решение:

1. Объем трубопроводов: V_pipes = π × (0.05/2)² × 60 = 0,118 м³ = 118 литров
2. С коэффициентом трубопроводов: 118 × 1,25 = 147,5 л
3. Объем для резервуара: 4000 × 0,10 = 400 л
4. Объем мертвых зон с коэффициентом: 0,2 × 2,0 = 0,4 л
5. Промежуточная сумма: 147,5 + 400 + 0,4 = 547,9 л
6. С системным коэффициентом: 547,9 × 1.2 = 657,5 л

Итого:

Общий требуемый объем моющего раствора составляет приблизительно 660 литров, что на 20% больше базового расчета для обеспечения надежной очистки всей системы.

Турбулентность потока характеризуется числом Рейнольдса (Re), которое определяет режим течения жидкости. Для достижения полностью турбулентного потока число Рейнольдса должно превышать 10 000, но принято принимать минимальную скорость потока, которая обеспечивает турбулентность в базовых условиях CIP-системы.

где:

• Q — объемный расход (м³/с или л/мин) Q (л/мин) = Q (м³/с) × 60000
• v — скорость потока (м/с)
• A — площадь поперечного сечения трубы (м²)
• D — внутренний диаметр трубы (м)

Пример расчет расхода раствора для турбулентности: 

Исходные данные: Трубопровод с внутренним диаметром 50 мм, требуется обеспечить скорость потока 1,5 м/с.

Решение:

1. Площадь сечения: A = π × (0,050/2)² = 0,00196 м²
2. Объемный расход: Q = 1,5 × 0,00196 = 0,002945 м³/с
3. Перевод в л/мин: Q = 0,002945 × 60000 = 177 л/мин

Итого: Для обеспечения минимальной турбулентности в трубопроводе диаметром 50 мм необходим расход не менее 177 литров в минуту. Насос CIP-системы должен обеспечивать данный расход при соответствующем давлении.

Оптимизация расхода моющих растворов позволяет снизить производственные затраты без ущерба для качества мойки.

Основные направления оптимизации расхода моющих растворов:

• рециркуляция растворов,
• минимизация мертвых зон,
• правильное проектирование системы.

Для обеспечения бесперебойной работы CIP-мойки требуется анализ контрольных точек. Отклонение любого из параметров означает, что мойка не обеспечена и необходима повторная мойка.