CIP清洗系統的設計及注意事項

文/劉殿宇 蔡永建

（1華禹乳品機械制造有限公司；2上海本優機械有限公司）

CIP清洗系統在食品、飲料、生物制藥、化工，特別是在乳品工業生產中都有廣泛的應用[1～4]。CIP清洗分為手動清洗及自動清洗，隨著工業智能化的快速發展，手動清洗已經遠遠不能適應現代工業發展的需要。CIP清洗是十分必要的生產工藝環節。CIP清洗是否到位、徹底，都直接關系到產品的質量。但在實際生產中有些清洗系統存在清洗不徹底、有死角不到位、本身設計存在缺陷等問題。本文以CIP-4000型CIP自動清洗系統在實際清洗中的應用，從設計及應用上闡述其設計過程及注意事項。

1 CIP清洗系統的主要參數、結構特點

1.1 主要參數

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 結構特點

CIP清洗系統是根據清洗點的多少而確定的，CIP清洗系統主要由酸、堿、水罐，濃酸濃堿桶、加熱系統、隔膜泵、高低液位、在線酸堿濃度檢測儀及PLC觸摸屏控制系統組成。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），此外酸堿罐還設有攪拌系統。其流程如圖1所示。

2 工作過程及板式換熱器的設計計算

2.1 CIP清洗系統工作過程

CIP清洗系統過程為：先向3 個罐內注滿水，然后啟動循環泵進行循環，緩慢打開蒸汽截止閥，開始進蒸汽，開始蒸汽壓力要小，逐步調節蒸汽壓力并使之達到穩定的設定壓力值。當水溫達到要求溫度時，啟動蝶閥進行自動切換，啟動隔膜泵分別向酸、堿罐內加堿、加酸，啟動酸堿罐內攪拌電機，觀察酸堿在線濃度檢測系統，當酸堿濃度符合要求值（2%）時，停止隔膜泵，以此類推。清洗過程為：水洗10～15 min→堿 洗10～ 15 min→5～10 min→酸洗10～15 min→水洗10～15 min。

檢測罐內液位高度，如需加水可啟動進水閥門。一般清洗完畢的酸堿需要回收，可啟動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

2.2 清洗泵、罐容積及換熱器的設計計算

2.2.1 清洗泵流量的估算

清洗泵流量按清洗設備的周長與流速的乘積進行估算，即L=εVdπ。其中，ε為基本長度，這里取1m；L為流量，m3/s；d為清洗設備周長，m；V為液體流速，m/s，這里按V=1.7～2.2 m/s計算。

2.2.2 清洗罐容積及加熱時間的確定

清洗罐容積確定的原則是保證清洗液能夠循環使用，確定原則為：單臺清洗設備一個回程管道的總容積按1/3清洗罐的容積進行估算，再加上被清洗設備中殘留的清洗液所占容積的1.2 倍確定單臺清洗罐的總容積，以保證清洗過程是安全的。如果是n 個清洗設備同時進行清洗，在此基礎上再乘以n作為確定清洗罐的總容積。

在設備清洗前，CIP清洗系統罐中的水需要進行加熱，加熱最常用的設備是板式換熱器及管式換熱器。加熱時間的長短可根據需要進行確定，本例單臺罐的容積為4 000 L，如果按單臺加熱時間為30 min，3 個罐需要1.5 h，進水溫度按20 ℃計算，加熱溫度為60～85 ℃，殼程加熱溫度為130 ℃，循環泵的流量為10 m3/h，采用板式換熱器加熱。

2.2.3 換熱器換熱面積計算

板式換熱器的換熱面積按下式計算[5]：

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

按逆流對數溫差求取傳熱溫差，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（℃）（溫度修正系數為0.89）

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

蒸汽耗量計算為：

則計算進汽管道直徑公式為：

換熱器也可以采用波紋列管式換熱器進行加熱，因為這種換熱器殼程蒸汽壓力可以提高卻不容易泄漏，造價也較低。

3 設計注意事項

CIP清洗系統的形式也不盡相同，但有一點是相同的，加熱系統采用的均為間壁式換熱器進行加熱。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，應淘汰不再應用。設計CIP清洗系統必須考慮將用過的酸堿液或水進行回收，以備再利用。如果是多個清洗點，CIP清洗系統在進程中的管路上需要設置換向板，根據需要進行切換換向，以防止未清洗的管道占料。CIP清洗系統是獨立的清洗系統，為安全考慮，一般多將其布置在獨立的車間內，并考慮良好的通風，以防止酸堿液的揮發、淺出，影響人的正常工作。其次是管道過濾器要定期檢查并做好清理，防止管道過濾器被堵塞，影響清洗。酸堿水溫的高低可根據實際情況進行設定。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

CIP清洗系統的目的是保證設備清洗到位不留有死角，保證產品質量。要做到這一點，在被清洗設備上需要設置好清洗點，清洗點必須保證被清洗的設備都能夠清洗到位。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備、管道內不得留有殘存的積液。

[1] 劉文芳. 基于PLC及觸摸屏技術的CIP清洗系統的設計[J]. 制造業自動化，2011，33（5）：143-144.

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

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

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

[5] 劉殿宇. 降膜式蒸發器設計及應用[M]. 北京：化學工業出版社，2016.