CIP清洗系统的设计及注意事项

文/刘殿宇 蔡永建

（1华禹乳品机械制造有限公司；2上海本优机械有限公司）

CIP清洗系统在食品、饮料、生物制药、化工，特别是在乳品工业生产中都有广泛的应用[1～4]。CIP清洗分为手动清洗及自动清洗，随着工业智能化的快速发展，手动清洗已经远远不能适应现代工业发展的需要。CIP清洗是十分必要的生产工艺环节。CIP清洗是否到位、彻底，都直接关系到产品的质量。但在实际生产中有些清洗系统存在清洗不彻底、有死角不到位、本身设计存在缺陷等问题。本文以CIP-4000型CIP自动清洗系统在实际清洗中的应用，从设计及应用上阐述其设计过程及注意事项。

1 CIP清洗系统的主要参数、结构特点

1.1 主要参数

1.1.1 单罐容积：4 000 L。

1.1.2 使用蒸汽压力：0.4 MPa。

1.1.3 蒸汽耗量：1 252 kg/h。

1.1.4 酸碱水温：60～85 ℃。

1.2 结构特点

CIP清洗系统是根据清洗点的多少而确定的，CIP清洗系统主要由酸、碱、水罐，浓酸浓碱桶、加热系统、隔膜泵、高低液位、在线酸碱浓度检测仪及PLC触摸屏控制系统组成。酸、碱、水罐为保温罐，其中，碱罐为1%～2%氢氧化钠（NaOH），酸罐为1%～2%硝酸（HNO3），此外酸碱罐还设有搅拌系统。其流程如图1所示。

2 工作过程及板式换热器的设计计算

2.1 CIP清洗系统工作过程

CIP清洗系统过程为：先向3 个罐内注满水，然后启动循环泵进行循环，缓慢打开蒸汽截止阀，开始进蒸汽，开始蒸汽压力要小，逐步调节蒸汽压力并使之达到稳定的设定压力值。当水温达到要求温度时，启动蝶阀进行自动切换，启动隔膜泵分别向酸、碱罐内加碱、加酸，启动酸碱罐内搅拌电机，观察酸碱在线浓度检测系统，当酸碱浓度符合要求值（2%）时，停止隔膜泵，以此类推。清洗过程为：水洗10～15 min→碱 洗10～ 15 min→5～10 min→酸洗10～15 min→水洗10～15 min。

检测罐内液位高度，如需加水可启动进水阀门。一般清洗完毕的酸碱需要回收，可启动回程泵将酸碱分别回收至酸、碱罐中以备再利用。

图1 CIP清洗系统

2.2 清洗泵、罐容积及换热器的设计计算

2.2.1 清洗泵流量的估算

清洗泵流量按清洗设备的周长与流速的乘积进行估算，即L=εVdπ。其中，ε为基本长度，这里取1m；L为流量，m3/s；d为清洗设备周长，m；V为液体流速，m/s，这里按V=1.7～2.2 m/s计算。

2.2.2 清洗罐容积及加热时间的确定

清洗罐容积确定的原则是保证清洗液能够循环使用，确定原则为：单台清洗设备一个回程管道的总容积按1/3清洗罐的容积进行估算，再加上被清洗设备中残留的清洗液所占容积的1.2 倍确定单台清洗罐的总容积，以保证清洗过程是安全的。如果是n 个清洗设备同时进行清洗，在此基础上再乘以n作为确定清洗罐的总容积。

在设备清洗前，CIP清洗系统罐中的水需要进行加热，加热最常用的设备是板式换热器及管式换热器。加热时间的长短可根据需要进行确定，本例单台罐的容积为4 000 L，如果按单台加热时间为30 min，3 个罐需要1.5 h，进水温度按20 ℃计算，加热温度为60～85 ℃，壳程加热温度为130 ℃，循环泵的流量为10 m3/h，采用板式换热器加热。

2.2.3 换热器换热面积计算

板式换热器的换热面积按下式计算[5]：

式中：F为换热面积，m2；Q为热量，kJ/h；k为传热系数，kJ/m2·h·℃；Δt为传热温差，℃。

按逆流对数温差求取传热温差，即20 ℃水加热至85 ℃的水所需热量为Q=10 000×1×（85-20）=2 721 550（kJ/h）。

传热温差的计算：130 ℃→130 ℃

85 ℃↖20 ℃

Δt1=130-85=45（℃），Δt2=130-20=110（℃），

则修正后的传热温差为Δt´=0.89×72.72=64.72（℃）（温度修正系数为0.89）

其中，k=4 187 kJ/m2·h·℃。实际换热面积为F´=1.25×10=12.5（m2）

蒸汽耗量计算为：

则计算进汽管道直径公式为：

换热器也可以采用波纹列管式换热器进行加热，因为这种换热器壳程蒸汽压力可以提高却不容易泄漏，造价也较低。

3 设计注意事项

CIP清洗系统的形式也不尽相同，但有一点是相同的，加热系统采用的均为间壁式换热器进行加热。在罐中直接加热及超液位直接往地下排放酸碱液或水的加热系统，应淘汰不再应用。设计CIP清洗系统必须考虑将用过的酸碱液或水进行回收，以备再利用。如果是多个清洗点，CIP清洗系统在进程中的管路上需要设置换向板，根据需要进行切换换向，以防止未清洗的管道占料。CIP清洗系统是独立的清洗系统，为安全考虑，一般多将其布置在独立的车间内，并考虑良好的通风，以防止酸碱液的挥发、浅出，影响人的正常工作。其次是管道过滤器要定期检查并做好清理，防止管道过滤器被堵塞，影响清洗。酸碱水温的高低可根据实际情况进行设定。采用板式换热器所使用的压力不易随意提高，以防止由于瞬间的超压引起泄露。

4 小结

CIP清洗系统的目的是保证设备清洗到位不留有死角，保证产品质量。要做到这一点，在被清洗设备上需要设置好清洗点，清洗点必须保证被清洗的设备都能够清洗到位。回程泵可以选择自吸泵，也可以选择具有抗汽蚀的双密封离心泵。其次是清洗完毕后设备、管道内不得留有残存的积液。

[1] 刘文芳. 基于PLC及触摸屏技术的CIP清洗系统的设计[J]. 制造业自动化，2011，33（5）：143-144.

[2] 刘殿宇. 防止热敏性物料在降膜蒸发器中结焦的方法[J]. 化工设备与管道，2004，41（4）：25.

[3] 刘殿宇. 影响蒸发器使用的几个因素[J]. 发酵科技通讯，2008，37（4）：21-22.

[4] 刘殿宇. 用于奶粉生产的多效降膜式蒸发器清洗间隔时间短的原因分析[J]. 化工与医药工程，2007，28（6）：25-27.

[5] 刘殿宇. 降膜式蒸发器设计及应用[M]. 北京：化学工业出版社，2016.