Прямой непрерывный метод варки мыла на установках тнб-1, бшм

Прямой непрерывный метод варки мыла и конструкцию аппарата (названого ТНБ-1) разработали проф. Б.Н.Тютюнников, П.В.Науменко, М.П.Безпятов. В начале авторы, предполагали выполнять в нем только операцию омыления жирового сырья с одновременной утилизацией выделяющегося углекислого газа. Доомыление же жирных кислот и нейтрального жира предполагалось осуществлять в котлах. Однако, после небольшой доработки и модернизации аппарата, оказалось, что он пригоден как для карбонатного омыления, так и для каустического доомыления. Т.е в разработанном аппарате оказалось возможным осуществлять непрерывный прямой метод варки мыла. Аппарат назвали ТНБ-2. Технологическая схема непрерывной варки мыла, с использованием установки ТНБ-2 показано на (рис. 16), а сам аппарат на рис.17, 18.

 

Рис. 16. Технологическая схема для непрерывного мыловарения с применением четырехсекционного аппарата ТНБ-2

 

Рис. 17. Четырехсекционный аппарат ТНБ-2, общий вид

 

Рис. 18. Аппарат ТНБ-2

 

Подготовленные в требуемом количестве компоненты жировой смеси, подогреваются глухим паром до 85–90⁰С в промежуточных емкостях 1–5 (температура строго регулируется, поскольку это дает возможность без существенной ошибки, достаточно точно, дозировать компоненты объемным методом).

В смесителе-6 готовят насыщенный раствор кальцинированной соды с концентрации 27–29%мас; в смесителе 7 – раствор каустической соды с концентрацией 38–40%мас.

Далее, горячую смесь жиров и раствора кальцинированной соды прокачивают через сетчатые обогреваемые фильтры 8 и дозирующими насосами 9, через сборный коллектор 10, (для жировой смеси) и трубчатый подогреватель 11, (в котором жировая смесь подогревается до 120–125⁰С), в требуемом соотношении непрерывно подают в смеситель четырехсекционного реактора 14 установки ТНБ-2. Сюда же, в смеситель, поступает нагретый в подогревателе 12 до 95⁰С раствор кальцинированной соды. В смесителе оба компонента механической мешалкой перемешиваются, дробятся на более мелкие взаимоотторгающиеся капли, но при этом, на границе контакта таких капель начинается химическая реакция карбонатного омыления. Дальше реагирующая смесь непрерывно поступает последовательно в первый и второй цилиндры аппарата, где операция карбонатного омыления, с одновременным удалением углекислого газа острым паром, продолжается. Практически, в конце второго цилиндра, операция карбонатного омыления заканчивается. Выходящая из него мыльная масса попадает в новый реактор–смеситель, расположенный между вторым и третьим цилиндром. Сюда же, во второй смеситель, таким же насосом–дозатором 9, через подогреватель 13 подается раствор каустической соды (NaOH) для доомыления, оставшихся, после карбонатного омыления, жирных кислот и нейтрального жира. Вся операция доомыления практически полностью заканчивается в третьем цилиндре. Четвертый цилиндр установлен для гарантии завершения полного омыления мыльной массы при проходе через него.

По выходе из аппарата ТНБ-2, готовое мыло сливается в котел корректировщик 20 (аппарат с мешалкой и подогревом мыльной массы глухом паром), в котором мыло проверяется на соответствие показателям ТУ, а затем, при соответствии им, насосом 21 откачивается в теплоизолированный, оборудованный мешалкой и подогревом мылосборник 16 для передачи на дальнейшую обработку. На выходе из аппарата ТНБ-2, часть мыла может отбираться и насосом 15 возвращаться в третий цилиндр на её рециркуляцию. Следует подчеркнуть, что в современных высокопроизводительных импортных установках непрерывного омыления, часть отбираемого на выходе мыла направляется в первый исходный смеситель (в начало процесса омыления) или в верхнюю часть реакционной колонны, на входе реагирующей смеси жиров с кальцинированной содой. Смешиваясь с карбонатной массой, мыло способствует более высокодисперсному дроблению жировых частиц (за счет солюбилизации), существенно увеличивает удельную поверхность контакта компонентов, т.е. количество актов химического взаимодействия в единицу времени, т.е. повышает скорость омыления.

Выделяющийся при карбонатном омылении углекислый газ, по выходе из реакционных цилиндров, через пеноловушку 17, конденсатор 18, гидрозатвор 22 очищенный и охлажденный направляется в сборник газа, газгольдер 19.

На рис. 11 и 12 приведены эскизы модернизированного аппарата ТНБ-2, состоящего из 4-х горизонтальных, последовательно соединенных между собой цилиндров 2: диаметром 0,9 м и длинной 3,8 м (длина четвертого цилиндра 5 м).

Каждый из цилиндров оборудован горизонтальной винтовой мешалкой 3, работающей со скоростью вращения 50–60 об/мин, от индивидуальных электродвигателей 7 через редуктор. Наличие винтовых мешалок обеспечило:

– равномерность скорости движения состава реагирующей массы по длине каждого цилиндра и установки в целом;

– более полную гомогенизацию смеси независимо от изменяющегося состава реакционной массы (жир: сода: мыло) по пути продвижения;

– более полное и легкое удаление, выделяющегося из смеси углекислого газа.

Паровые рубашки 4 на цилиндрах служат для компенсации потерь тепла мыльной массой в процессе её продвижения; паровые барботеры 10 – как для облегчения отдувки углекислого газа в первых 2х цилиндрах, так и для лучшей гомогенизации мыльной массы со щелочью во всех цилиндрах.

Подготовленные и нагретые смеси жиров и жирозаменителей и раствора кальцинированной соды с концентрацией 25–27% массовых, поступают во внутренний стакан смесителя 1, где интенсивно перемешиваются и дробятся на более мелкие капельки, уже с помощью мощной турбинной мешалки, вращающейся с более высокой скоростью 270 об/мин. (в сравнении с исходным вариантом установки, где перемешивание на начальной стадии осуществлялось тихоходной механической мешалкой). Увеличению скорости перемешивания способствует повышению скорости омыления, как и повышенная температура контактирующих нагретых исходных реагирующих компонентов, так и более высокая удельная поверхность их дробления за счет турбинной мешалки, что обеспечивает увеличение количества актов химического реагирования в единицу времени.

Переливаясь через край стакана, реакционная смесь поступает в первый цилиндр аппарата ТНБ-2, в конце которого, карбонатное омыление практически завершается. Далее, через боковой патрубок 8 реакционная смесь переходит во второй цилиндр, в котором продувкой острым паром удаляется углекислый газ через газосборник 5. После выхода из второго цилиндра, мыльная масса поступает в промежуточный смеситель между вторым и третьим цилиндрами, где смешивается с раствором каустической соды концентрации 38–40%мас., для обеспечения каустического доомыления. При проходе 3-го цилиндра каустическое доомыление заканчивается. Четвертый цилиндр, как и в обычном немодернизированном аппарате ТНБ–2, выполняет функции страховки полноты процесса каустического доомыления и является контрольным. В нем, к готовому мылу, иногда добавляют соапсточное ядровое мыло, сваренное в отдельном котле.

Из аппарата, готовое мыло отводиться через U-образный рукав 9. Люки 6 служат для внутреннего осмотра цилиндров и при необходимости проведения в них ремонтных работ.

Модификация аппарата ТНБ-2 позволила проводить карбонатное омыление на глубину 80–90%, т.е. достичь гораздо большей глубины карбонатного омыления чем в немодифицированном, (при остатке свободных жирных кислот перед каустическим доомылением на уровне 1–2%мас. и незначительном избытке кальцинированной соды).

Полная емкость всех цилиндров составляет 8 м³, степень заполнения их по объему – на 25%. Средняя производительность по мылу – 4–5 т/час или 96–120 т/сут. Максимальная производительность может быть повышена в 2 раза. Среднее пребывание мыльной массы в аппарате 30 мин.

Образующийся при омылении углекислый газ, при температуре 100⁰С, содержит одновременно и большое количество паров воды, для освобождения от которых, его пропускают через трубчатый холодильник, где отделяют конденсат, а газ направляют в газгольдер для дальнейшей утилизации (для получения пищевой углекислоты с концентрацией 98–99%, газ для доочистки дополнительно пропускают через адсорбционные колонны, заполненные активированным углем, и далее компрессором закачивают в стальные баллоны).

Теоретический выход углекислого газа, в %мас., можно подсчитать, пользуясь уравнением

где: 40 – молекулярная масса NaOH; 280 – примерная средняя молекулярная масса жирных кислот в жировом наборе (или посчитанная реально для конкретного случая); 1,3 – переходной коэффициент от NaOH к Na₂СO₃; n₁ – глубина карбонатного омыления (в среднем принимается на уровне 85%); n₂ – выход СО₂ в % массовых от массы использованной кальцинированной соды – 41%мас.

Если подставить эти величины в формулу, то получим: теоретический выход углекислого газа составляет 6,5% мас. от массы жиров.

В непрерывном процессе производства мыла потери газа составляют 7–8%мас. от общего выделяющегося количества углекислоты или 0,5%мас. от массы использованной жировой смеси.

Тогда, в среднем, выход углекислоты составляет 6,0%мас. от массы расходуемых жиров.

Несколько иную схему непрерывной прямой варки мыла предложили С.Ф.Байков, К.В.Шевелев, П.А.Магницкий на установке, названной БШМ (по начальным буквам разработчиков, рис.19).

 

Рис. 19. Установка БШМ для непрерывного процесса варки мыла на заводе «Новый мыловар»

 

Жировую смесь (из чистых жирных кислот и жирозаменителей) готовят в емкости 1, откуда насосом 2, через трубчатый подогреватель 3 она, уже нагретой до 110–115⁰С направляется в первую камеру всасывания двухступенчатого эжекционного смесителя 4 (рис.20). Острый пар давлением 3–3,5 атм., в паровом сопле 1-го эжектора, образует с жировой смесью однородную эмульсию, которая на несколько порядков уменьшает размеры частиц реагирующих компонентов. Такая эмульсия переходит во второй эжектор где смешивается с раствором кальцинированной соды 27–29%мас. концентрации, предварительно нагретой в подогревателе 7 до 90–95⁰С. Раствор кальцинированной соды подают насосом 5 из резервуара 6. Его соотношение к жировой смеси регулируется автоматически регуляторами 8 и 9 и составляет 1:2, что обеспечивает глубину карбонатного омыления на уровне 80–90%.

 

Рис. 20. Схема ижекционного смесителя установки БШМ: 1. – сопло подачи пара; 2 – камера смешения жира с паром; 3 – конус труба-диффузор для уменьшения скорости потока водомасляной эмульсии и повышения ее давления; 4 – сопло второй камеры смешения; 5 – вторая камера смешения водомасляной эмульсии с водным раствором углекислой соды; 6 – сопло для выхода карбонат образующей мыльной массы

 

Образующаяся во второй ступени эжекционного смесителя, карбонатная масса с температурой 110–125⁰С, под давлением, развивающемся в эжекторе, выбрасывается через сопло в газоотделитель 10.ч и далее в вертикальный аппарат V=4,5 м³ со срезанным под углом 30⁰ днищем, на которое уложен паровой барботер. Крышка газоотделителя сообщается с газосборником.

Карбонатная масса, через сопло, поступая в испаритель, разбивается на мелкие капли, что обеспечивает полное и быстрое газоотделение. Одновременно, высокая температура способствует разложению бикарбоната натрия. Освобожденная, от основной массы углекислоты, карбонатная масса стекает на дно аппарата, где под действием острого пара окончательно освобождается от углекислого газа.

Лопастной дозатор 11 направляет карбонатную массу в горизонтальный цилиндрический аппарат–доомылитель 12 с V=2,7 м³, который имеет лопастную мешалку с 27–30 об/мин, паровую рубашку и паровые барботеры. Раствор каустической соды с концентрацией 40–42%мас. из резервуара 13 попадает в аппарат, предварительно пройдя фильтр 15 и напорную колонну 16 через, разбрызгиватель, смонтированный на входе карбонатной массы в доомылитель.

Напорная колонна для раствора каустической соды необходима для создания постоянного напора раствора щелочи, т.е. для обеспечения постоянства расхода.

В случае использовании неочищенных соапстоков и других видов жирового сырья, их предварительно омыляют в отдельном котле, отсаливают, а полученное соапсточное мыло добавляют к карбонатной массе в доомылителе 12.

При перемещении карбонатной массы через доомылитель, жирные кислоты и нейтральный жир доомыляются NaOH, а полученное готовое мыло, через гидрозатвор собирается в котел–коректировщик 17, проверяется на соответствие показателям ТУ и затем перекачивается в мылосборник для дальнейшей переработки.

Пары воды, образующиеся в доомылителе 12, через паросборник 18 выбрасывают в атмосферу. Производительность такой установки составляет 4–5 тонн мыла в час.

Как видим из описания обе технологические схемы и ТНБ-2 и БШМ отличаются между собой принципиально только конструкцией узла смешения кальцинированной соды с жировой смесью.

Если такое смешивание в установке ТНБ-2 осуществляется механическим способом, то получаемая удельная площадь контакта реагирующих между собой компонентов (жировой смеси и Na₂CO₃) мала и естественно мала скорость процесса карбонатного омыления. В модернизированной установке ТНБ-2, использование при выполнении этой операции, в смесителях турбулентной мешалки, увеличивает удельную поверхность реагирующих компонентов. При этом не только повышается скорость омыления, но и глубина карбонатного омыления.

В установке БШМ использован принцип эжекционного смешивания, где на первой стадии получают эмульсию жира в воде (5-10 мкм против частиц капель жира 5–10 мм в установке, ТНБ-1 и 1–3 мм в установке ТНБ-2 модернизированный), а на второй, при смешивании такой эмульсии с кальцинированной содой, обеспечивается существенное увеличение количества актов химического взаимодействия в единицу времени, т.е. существенно повышает скорость процесса карбонатного омыления.

В тот же час, в установке ТНБ-2 более длинный путь карбонатной массы через 3-й и 4-й цилиндры, повышает надежность всей установки в целом, полноту омыления и снижение количества свободной щелочи до требований ТУ и если бы в установке БШМ, дополнительно, перед впрыском каустической соды в карбонатную массу, поставить эффективный гомогенизатор ряд, недостатков данной схемы были бы устранены.

Известны и другие конструкции смесителей. Так, в установке для непрерывного мыловарения, созданной коллективом работников ВНИИЖа и Ростовского масложирового комбината «Рабочий«, применен ижекционно-щелевой смеситель Дон (рис. 21).

 

Рис. 21. Схема ижекционно-щелевого смесителя Дон

 

Смеситель состоит из корпуса 3 цилиндрической формы диаметром 200 мм и длиной 400 мм, внутри которого установлены две трубные решетки 7 и 8, в которых развальцовано восемнадцать трубок 2 из нержавеющей стали диаметром 25/22 мм.

На трубках в шахматном порядке прорезаны щели 9; в месте нахождения щелей трубки слегка сжаты. Такое устройство трубок обеспечивает интенсивное перемешивание реагирующих компонентов.

Работает смеситель следующим образом. Смесь пара с жирными кислотами (эмульсия) поступает через подводящий патрубок 1 и направляется по вертикальным трубкам вниз. Так как в местах сжатия трубок смесь начинает двигаться быстрее, то в районе щелей образуется разрежение, благодаря которому в трубки засасывается раствор углекислого натрия, который поступает через три боковых патрубка, соединенных с коллекторами 4.

Карбонатная масса выводится из смесителя через коническую решетку 5 и отводящий патрубок 6.

Производительность ижекционно-щелевого смесителя может быть доведена до 25 т жирных кислот в час. Карбонатная масса из ижекционно-щелевого смесителя поступает в сепаратор для отделения углекислого газа, а затем на дальнейшую обработку в установку, которая принципиально мало отличается от установки БШМ.

Благодаря применению прямого метода варки мыла в аппаратуре непрерывного действия значительно сокращаются технологический процесс, количество и вес технологического оборудования и соответственно производственные площади, необходимые для его размещения, по сравнению с варкой мыла в аппаратуре периодического действия. Но при прямом методе варки требуется тщательное предварительное облагораживание сырья и материалов.

Важное значение для повышения эффективности этого метода варки мыла будет иметь разработка достаточно надежных и простых приборов для контроля и регулирования качества готового мыла, чтобы исключить необходимость дополнительной обработки его в котлах-корректировщиках.