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摘要：食用胶（hydrocolloid）也称亲水胶体、水溶胶，是能溶解或分散于水中，并在一定条件下，其分子中的亲水基团，如羧基、羟基、氨基和羧酸根等，能与水分子发生水化作用形成黏稠、滑腻的溶液或凝胶。目前进行市场调研，市场需求为精准添加不同香料，并和食用胶均质乳化的工艺要求。阐述乳化装置的设计思路、系统结构、工作原理和应用效果。
关键词：乳化;凝脂;凝胶;密度控制;掺配;均质
中图分分类号： 文献标志码： 文章编号：
0 引言
目前市场上已有的此类型装置多为通用型的掺配设备，其香精施加精准度和乳化均匀度都不高，要到达较高的掺配工艺指标要求时存在难度。同口味食用胶加香精乳化后，添加至烟用滤棒中，会导致整支香烟香精的轻、重不同。不同口味食用胶加香精乳化后，导致香烟串味。使用通用型用掺配设备改造的乳化工艺装置，生产的烟用滤棒市场反映口味差异性较大。为此，笔者团队自行设计研发一套计量精准、乳化均匀、操作方便可在线生产的乳化装置。
1 系统工艺流程设计
针对现有工艺的缺陷，设计研发计量更精准、乳化更均匀的乳化装置，装置关键技术如下。
（1） 设备控制工艺流程。设计出的设备控制工艺流程如图一所示。
储胶罐将固体凝胶通过胶罐的水带加热将其熔化为液态，温度控制在50-550C， 每只储胶罐上安装一台搅拌电机，达到凝胶快速熔化和均匀，香精储罐装入液态香精，该罐不进行控温和搅拌.所有凝胶通过的管道采用自加热或管道控温进行保温处理防止凝胶在管道内凝固。
（3） 防止胶量过低或对储胶罐进行自动切换，并在监控操作屏上实时显示。
（4） 为满足不同乳化速度1#和2#储胶罐采用气动球阀选通，可选择双罐同时供胶或单罐单独供胶. 香精储罐供料由管道上的气动球阀进行开启或关闭.
（5） 通过上位监控画面设定的乳化量对掺配凝胶和香精按照工艺要求由上位设定的掺配比例通过凝胶计量泵和香精计量泵由各自的伺服电机进行精准供料.
（6） 在凝胶计量泵和香精计量泵出口分别安装一台流量计对凝胶和香精进行实时显示和控制，同时对各个批次的凝胶、香精量进行统计，达到产品质量管理。
（7） 乳化泵将来至凝胶计量泵和香精计量泵的凝胶和香精进行充分乳化后由控温输胶管道输出至在线添加装置上。
（8） 本装置可通过监控屏操作选择，进行凝胶的单独乳化和与下游在线添加设备联动，进行在线乳化，并满足以下技术指标：
预熔胶箱加热总熔胶量≥70kg/小时;
香精锥形储罐容积≥10Kg;
凝胶供胶计量泵出胶量≥2000g/分钟，计量偏差≤3‰;
香精供胶计量泵出胶量≥58.6g/分钟，计量偏差≤3‰;
均质乳化泵出胶量≥1000g/分钟;
单支滤棒载香凝胶量=凝胶+香精=141.7mg+8.3mg=150mg（≤±0.5mg）
凝胶计量偏差≤±0.42mg/支;香精计量偏差≤±0.025mg/支
2 装置结构设计
根据凝胶香精在线掺配均质乳化的工艺流程，包括凝胶预加热储罐、香精储罐、凝胶计量掺配、香精计量掺配和凝胶香精均质乳化，整体设计机械结构布局，合理排布各功能模块的对接和安装关系。结构设计如图二。
将整体框架设计为双层结构，考虑加料的便利性以及工作工艺流程，将凝胶储罐以及香精储罐设置在上层，其高度方便人工加料操作，并将气动阀、电磁阀、计量泵、流量计以及乳化泵设置在下层，考虑安装和检修的便利性，将下层器件横向水平排布。侧壁设置透明有机玻璃观察窗，能直观反映内部运行状况，出现问题，能及时发现并处理。
（1） 凝胶储罐。凝胶储罐采用原有凝胶装置上的凝胶储罐设计及容量，提高部件的可更换性，本装置采用双储罐储胶，凝胶储罐壁双层结构，其内采用循环水加热，保证加热的均匀性，凝胶储罐内部采用齿片式搅拌器进行搅拌，既可以旋转时破碎凝胶块，又可实现胶液翻滚，使内部加热梯度均匀，实现凝胶均匀受热。凝胶储罐容量30L/单只，下部锥底设置。
（2） 香精储罐。香精储罐设置单只匹配双凝胶储罐使用，香精储罐容积为5KG/罐，锥底结构设计，便于香精料的排空，设置模拟量香精料位检测，最低料位禁止出料，保障掺配时香精出料的稳定性。
（3） 下部器件排布。气动阀、电磁阀、计量泵、流量计以及乳化泵设置均排布在下层底面，两个气动阀平行排布，两个计量泵平行排布，两个流量计平行排布，乳化泵设置在尾端连接出胶管，使内部结构排布整齐美观，并方便检修及安装。
3 电气控制系统设计
（1） 控制方案。本装置信号采集对象由流量计（香精、凝胶）的实时流量、质量、密度，各段加热器的实时温度值，液位信号等构成;控制对象由计量泵伺服电机（香精、凝胶）、变频器（乳化泵）、加热器（罐体、管道、阀体、计量泵），气动球阀、搅拌电机等构成。
（2） 计量泵伺服控制。根据监控操作屏（以下简称操作屏）设定的乳化量（g/min）由控制程序控制乳化泵电机运转，同时根据操作屏预先设定好的配方（香精、凝胶掺配比例）控制相应伺服电机运转同时通过采集相应流量计（香精、凝胶）实时流量相应力量泵进行实时修正使其达到凝胶供胶计量泵出胶量≥1000g/分钟，计量偏差≤3‰和香精供胶计量泵出胶量≥58.6g/分钟，计量偏差≤3‰的技术。计量泵伺服电机控制采用模拟量或频率控制。
（3） 温度控制。装置温度控制针对的是凝胶部分，香精部分不存在加热;1#、2#凝胶储胶罐采用罐体水带加热方式，由西门子PLC内部专用温度PID控制功能块通过PWM调节，由固态继电器进行加热控制;带加热的输胶管、凝胶计量泵泵体的控温方式同上;胶罐接头和凝胶流量计控温采用自控温方式。
（4） 搅拌控制。为加快装置的溶胶速度和胶质均匀在1#、2#凝胶储胶罐顶分别加装一台直流搅拌电机，搅拌电机转速采用高、中、低三档控制并由操作人员在操作屏上人工操作。
（5） 液位控制。在1#、2#凝胶储胶罐顶分别安装由一液位传感器用于感知胶罐实时液位，装置加料方式为人工方式，所以液位传感器主要用于报警和单罐加料时的罐切换控制。
（6） 联动控制。装置可与下游在线添加装置进行联动，即当下游设备发出乳化胶需求或停止时本装置启动或停止（乳化速度不受下游机控制！）。
（7） 配方功能。由于本装置现场掺配，为满足不同的掺配工艺避免人工操作失误和每次更改工艺参数带来的繁琐的参数输入工作，本装置具有将各个不同的工艺参数（各段温度、掺配比例、掺配速度等）以配方号的形式存入系统。可对相应的配方进行调用、修改、存入。
（8） 批次功能。由于原料每批的物理和化学性质存在一定的偏差为保证掺配的质量和对产品的追述，以人工干预操作方式针对每批原料的掺配凝胶进行批次管理，并将其批号、开始时间、结束时间、总量进行以覆盖方式保存，时间为一个月，并可进行查询。
4 实施情况
在线掺配均质乳化装置的设计验证，实现了凝胶供胶出胶量和香精供胶出胶量均能达到滤棒成形工艺精准控制的要求，通过自动化程序实现自动供较与温度控制，并可实时监控出胶相关参数，可实现历史数据查询功能。同时减少了人为因素影响，减低人工成本，实现全自动化生产。通过凝胶滤棒烟味检测，达到品吸要求。
參考文献
[1].闻邦椿.机械设计手册：第1卷[M].北京：机械工业出版社，2017：3-58.
[2].谢慧琳，萧月玲.日用香精香料的分析研究[J].广东化工.2020，12：114-115.
[3].臧传近，李磊磊.香精香料中的VOCs治理应用研究[J].山东化工.2020，15：248.
[4]刘艳红.基于PLC的均质乳化机设计与实现[J]. 企业科技与发展，2020，01： 53-55.
[5]窦维禹，赵福利.改性乳化沥青高温性能研究[J].武汉理工大学学报，2020-10-22。
关键词：乳化;凝脂;凝胶;密度控制;掺配;均质
中图分分类号： 文献标志码： 文章编号：
0 引言
目前市场上已有的此类型装置多为通用型的掺配设备，其香精施加精准度和乳化均匀度都不高，要到达较高的掺配工艺指标要求时存在难度。同口味食用胶加香精乳化后，添加至烟用滤棒中，会导致整支香烟香精的轻、重不同。不同口味食用胶加香精乳化后，导致香烟串味。使用通用型用掺配设备改造的乳化工艺装置，生产的烟用滤棒市场反映口味差异性较大。为此，笔者团队自行设计研发一套计量精准、乳化均匀、操作方便可在线生产的乳化装置。
1 系统工艺流程设计
针对现有工艺的缺陷，设计研发计量更精准、乳化更均匀的乳化装置，装置关键技术如下。
（1） 设备控制工艺流程。设计出的设备控制工艺流程如图一所示。
储胶罐将固体凝胶通过胶罐的水带加热将其熔化为液态，温度控制在50-550C， 每只储胶罐上安装一台搅拌电机，达到凝胶快速熔化和均匀，香精储罐装入液态香精，该罐不进行控温和搅拌.所有凝胶通过的管道采用自加热或管道控温进行保温处理防止凝胶在管道内凝固。
（3） 防止胶量过低或对储胶罐进行自动切换，并在监控操作屏上实时显示。
（4） 为满足不同乳化速度1#和2#储胶罐采用气动球阀选通，可选择双罐同时供胶或单罐单独供胶. 香精储罐供料由管道上的气动球阀进行开启或关闭.
（5） 通过上位监控画面设定的乳化量对掺配凝胶和香精按照工艺要求由上位设定的掺配比例通过凝胶计量泵和香精计量泵由各自的伺服电机进行精准供料.
（6） 在凝胶计量泵和香精计量泵出口分别安装一台流量计对凝胶和香精进行实时显示和控制，同时对各个批次的凝胶、香精量进行统计，达到产品质量管理。
（7） 乳化泵将来至凝胶计量泵和香精计量泵的凝胶和香精进行充分乳化后由控温输胶管道输出至在线添加装置上。
（8） 本装置可通过监控屏操作选择，进行凝胶的单独乳化和与下游在线添加设备联动，进行在线乳化，并满足以下技术指标：
预熔胶箱加热总熔胶量≥70kg/小时;
香精锥形储罐容积≥10Kg;
凝胶供胶计量泵出胶量≥2000g/分钟，计量偏差≤3‰;
香精供胶计量泵出胶量≥58.6g/分钟，计量偏差≤3‰;
均质乳化泵出胶量≥1000g/分钟;
单支滤棒载香凝胶量=凝胶+香精=141.7mg+8.3mg=150mg（≤±0.5mg）
凝胶计量偏差≤±0.42mg/支;香精计量偏差≤±0.025mg/支
2 装置结构设计
根据凝胶香精在线掺配均质乳化的工艺流程，包括凝胶预加热储罐、香精储罐、凝胶计量掺配、香精计量掺配和凝胶香精均质乳化，整体设计机械结构布局，合理排布各功能模块的对接和安装关系。结构设计如图二。
将整体框架设计为双层结构，考虑加料的便利性以及工作工艺流程，将凝胶储罐以及香精储罐设置在上层，其高度方便人工加料操作，并将气动阀、电磁阀、计量泵、流量计以及乳化泵设置在下层，考虑安装和检修的便利性，将下层器件横向水平排布。侧壁设置透明有机玻璃观察窗，能直观反映内部运行状况，出现问题，能及时发现并处理。
（1） 凝胶储罐。凝胶储罐采用原有凝胶装置上的凝胶储罐设计及容量，提高部件的可更换性，本装置采用双储罐储胶，凝胶储罐壁双层结构，其内采用循环水加热，保证加热的均匀性，凝胶储罐内部采用齿片式搅拌器进行搅拌，既可以旋转时破碎凝胶块，又可实现胶液翻滚，使内部加热梯度均匀，实现凝胶均匀受热。凝胶储罐容量30L/单只，下部锥底设置。
（2） 香精储罐。香精储罐设置单只匹配双凝胶储罐使用，香精储罐容积为5KG/罐，锥底结构设计，便于香精料的排空，设置模拟量香精料位检测，最低料位禁止出料，保障掺配时香精出料的稳定性。
（3） 下部器件排布。气动阀、电磁阀、计量泵、流量计以及乳化泵设置均排布在下层底面，两个气动阀平行排布，两个计量泵平行排布，两个流量计平行排布，乳化泵设置在尾端连接出胶管，使内部结构排布整齐美观，并方便检修及安装。
3 电气控制系统设计
（1） 控制方案。本装置信号采集对象由流量计（香精、凝胶）的实时流量、质量、密度，各段加热器的实时温度值，液位信号等构成;控制对象由计量泵伺服电机（香精、凝胶）、变频器（乳化泵）、加热器（罐体、管道、阀体、计量泵），气动球阀、搅拌电机等构成。
（2） 计量泵伺服控制。根据监控操作屏（以下简称操作屏）设定的乳化量（g/min）由控制程序控制乳化泵电机运转，同时根据操作屏预先设定好的配方（香精、凝胶掺配比例）控制相应伺服电机运转同时通过采集相应流量计（香精、凝胶）实时流量相应力量泵进行实时修正使其达到凝胶供胶计量泵出胶量≥1000g/分钟，计量偏差≤3‰和香精供胶计量泵出胶量≥58.6g/分钟，计量偏差≤3‰的技术。计量泵伺服电机控制采用模拟量或频率控制。
（3） 温度控制。装置温度控制针对的是凝胶部分，香精部分不存在加热;1#、2#凝胶储胶罐采用罐体水带加热方式，由西门子PLC内部专用温度PID控制功能块通过PWM调节，由固态继电器进行加热控制;带加热的输胶管、凝胶计量泵泵体的控温方式同上;胶罐接头和凝胶流量计控温采用自控温方式。
（4） 搅拌控制。为加快装置的溶胶速度和胶质均匀在1#、2#凝胶储胶罐顶分别加装一台直流搅拌电机，搅拌电机转速采用高、中、低三档控制并由操作人员在操作屏上人工操作。
（5） 液位控制。在1#、2#凝胶储胶罐顶分别安装由一液位传感器用于感知胶罐实时液位，装置加料方式为人工方式，所以液位传感器主要用于报警和单罐加料时的罐切换控制。
（6） 联动控制。装置可与下游在线添加装置进行联动，即当下游设备发出乳化胶需求或停止时本装置启动或停止（乳化速度不受下游机控制！）。
（7） 配方功能。由于本装置现场掺配，为满足不同的掺配工艺避免人工操作失误和每次更改工艺参数带来的繁琐的参数输入工作，本装置具有将各个不同的工艺参数（各段温度、掺配比例、掺配速度等）以配方号的形式存入系统。可对相应的配方进行调用、修改、存入。
（8） 批次功能。由于原料每批的物理和化学性质存在一定的偏差为保证掺配的质量和对产品的追述，以人工干预操作方式针对每批原料的掺配凝胶进行批次管理，并将其批号、开始时间、结束时间、总量进行以覆盖方式保存，时间为一个月，并可进行查询。
4 实施情况
在线掺配均质乳化装置的设计验证，实现了凝胶供胶出胶量和香精供胶出胶量均能达到滤棒成形工艺精准控制的要求，通过自动化程序实现自动供较与温度控制，并可实时监控出胶相关参数，可实现历史数据查询功能。同时减少了人为因素影响，减低人工成本，实现全自动化生产。通过凝胶滤棒烟味检测，达到品吸要求。
參考文献
[1].闻邦椿.机械设计手册：第1卷[M].北京：机械工业出版社，2017：3-58.
[2].谢慧琳，萧月玲.日用香精香料的分析研究[J].广东化工.2020，12：114-115.
[3].臧传近，李磊磊.香精香料中的VOCs治理应用研究[J].山东化工.2020，15：248.
[4]刘艳红.基于PLC的均质乳化机设计与实现[J]. 企业科技与发展，2020，01： 53-55.
[5]窦维禹，赵福利.改性乳化沥青高温性能研究[J].武汉理工大学学报，2020-10-22。