Производство синтетических моющих порошков

За последние 4–5 десятилетий синтетические моющие порошки получили такое широкое распространение и применение, что существенно потеснили на рынке моющих обычные мыла и вышли по объёму производства и использования на первое место среди ПАВ.

Технология их производства состоит из трёх стадий:

– подготовка компонентов и их смешивание (составление композиции моющего порошка);

– высушивание композиции до порошкообразного состояния;

– расфасовка и упаковка готового продукта.

а) Подготовка композиции

Композицию готовят в виде гомогенного водного раствора компонентов, составляющих рецептуру. Обычно сульфированные (или сульфатированные) производные поступают в цех подготовки и составления композиции в виде водной пасты 50–60% по массе концентрации.

Поступление ПАВ с других предприятий, осуществляется в виде порошков или гранул. Их предварительно растворяют при 40–50⁰С в воде, получая 45–50% по массе концентрированные водные растворы.

На предприятие, с завода изготовителя, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) поступает в виде губчатой массы или порошка. Губчатую массу дробят, загружают в аппарат с мешалкой, добавляют воду (из расчета получения 15–20% по массе раствора) нагревают до 40–50⁰С и перемешивают до полного растворения и образования густой студенистой массы. Разные партии КМЦ, отличающиеся величиной молекулярной массы, растворяются по разному. Наиболее быстро – растворяются низкомолекулярные соединения и на их основе можно получать растворы с большим содержанием основного вещества, и, наоборот, высокомолекулярные партии растворяются медленнее и на их основе получают менее концентрированные растворы. Хорошо растворяющиеся (низкомолекулярные партии КМЦ) можно вводить в виде исходного порошка непосредственно в готовый водный раствор композиции, что снижает затраты на процессы приготовления и сушки (так как в этом случае, сушке подвергают готовый композиционный раствор с большей концентрацией основного продута или с меньшим количеством влаги, подвергаемой испарению).

Силикат натрия готовят или на месте путем разваривания силикат глыбы в автоклавах (при большой потребности в ней) или используют готовый водный раствор от производителя.

Общая технологическая схема приготовления водной композиции для получения моющих порошков – показана на рис. 57.

 

Рис. 57. Схема приготовления композиции синтетических моющих порошков

 

Согласно этой схемы, жидкие компоненты перекачивают в промежуточные резервуары 1, 2, 3, 4, откуда их насосами-дозаторами 5 передают в смеситель 6, в определенной последовательности: вначале загружают моющие вещества, для снижения вязкости которые предварительно разбавляют водой; затем загружают алкилоламиды, КМЦ и раствор силиката натрия.

В смесителе, всю эту смесь тщательно гомогенизируют и только после этого загружают электролиты, в виде твердых продуктов, из бункера 7, через автоматические весы 8. Имеющийся под бункером распределительный шнек 9 подает их порциями в очередной смеситель. При загрузке электролитов температуру поддерживают на уровне 70–50⁰С и контролируют образование совершенно однородной прозрачной массы.

Последним в смеситель загружают триполифосфат натрия.

Дозировка компонентов автоматизирована.

В процессе подготовки композиции стремятся получить ее водный раствор с концентрацией 55–60%мас., что позволяет наиболее рационально использовать сушильную башню, снизить удельные затраты энергоресурсов на испарение воды.

Однако, при такой конечной концентрации, водный раствор композиции представляет собой не идеальный раствор, а тонкодисперсную суспензию.

Далее, полученную такую суспензию направляют в промежуточные мешалки 10, откуда непрерывно подают в сушильную башню.

Особые затруднения в данном технологическом процессе вызывает введение в композицию триполифосфата натрия, поскольку он, с водой, образует гидраты, способствующие резкому росту вязкости композиции и затрудняющие ее распыление в сушильной камере. Это приводит к получению порошков непостоянного гранулометрического состава и насыпной удельной массы.

Причем, различные модификации триполифосфата натрия отличаются между собой временем, в течении которого образуются гидраты и из-за чего резко возрастает вязкость композиционного раствора; в нем появляются комки и сгустки. Поскольку время гидратообразования различных партий триполифосфата натрия колеблется в пределах 30–60 минут, то запас композиции в смесителе должен составлять не больше 30–60 минутной производительности сушильной башни.

При закладке в рецептуру моющего порошка большего количества триполифосфата натрия, его часть, в виде порошка подмешивают к высушенному готовому порошку. При этом, необходимо, чтобы гранулометрический состав и удельная масса триполифосфата натрия не отличались от аналогичных показателей сухого порошка.

Обычный триполифосфат натрия имеет насыпную массу от 700 до 1000 кг/м . Зарубежные, пустотелые, гранулометрические образцы – не более 500 кг/м .

Перед подачей в распылительную форсунку, приготовленная растворная композиция проходит дополнительно гомогенизацию и деаэрацию. В процессе гомогенизации мельчайшие кристаллические частицы суспензии дробятся, что снижает износ как подающих насосов, так и передающих трубопроводов и особенно, сопла форсунки в сушильной башне.

Композиция сначала проходит фильтр 11, а затем гомогенизируется в аппаратах 12, представляющих собою, наиболее часто, коллоидные мельницы с зазором между дисками на уровне 0,8–1 мм.

Деаэрацию или удаление из композиции воздуха и газов, которые способствуют получению моющего порошка с меньшей плотностью, осуществляют, подавая композицию насосом 13, в аппарат 14, в котором воздух и газы отсасываются из слегка нагретой композиции. Имеются аппараты и другого принципа действия, но в любом случае, цель данной операции заключают в освобождении композиции от воздуха и летучих газов.

Далее, композиционный раствор, насосом 15, через подогреватель 16 направляют в сушильно-распылительную башню.

Образующийся при сушке некондиционный мелкий порошок, как и бракованные партии, обычно возвращают на переработку по пневмопроводу 17, в бункер с циклоном 18; далее, через шлюзовой питатель 19, по течке 20, шнеком 9 направляют в смеситель.

б) Оборудование и способы сушки порошков

При сушке синтетических моющих порошков применяют следующие, наиболее простые в эксплуатации, типы сушильных установок:

– сушильные установки, работающие при температуре сушильного агента 150–180⁰С и распылением растворной композиции с помощью форсунок или быстро вращающегося диска;

– сушильные установки интенсивной сушки, работающие при температуре сушильного агента на входе в сушилку 250–350⁰С и распылением растворной композиции через форсунки под давлением 50–120 атм., а иногда и выше.

Схема сушильных установок первого типа, для получения моющих порошков с помощью центробежного распыления (с помощью быстро вращающегося диска), показана на рис. 58.

 

Рис. 58. Схематический разрез башенной сушилки с дисковым распылением

 

В цилиндрической стальной или железобетонной камере 1 на высоте 1–1,1 м. от пола, на установленный диск 2, приводимый через редуктор 4 от электродвигателя 3 во вращение(со скоростью вращения 6000–8000 об/мин), по трубе 5 подают композиционный раствор. Засасываемый наружный воздух, через фильтр и нагреваясь в калорифере 6, по кольцевому каналу 12, направляют внутрь камеры через щели 7, в нижней ее конической части. Поднимаюсь по спирали снизу вверх, воздух подхватывает частички распыленного водного раствора композиции и высушивает их до порошкообразного состояния. Отработанный влажный воздух, отсасывают из сушильной камеры вентилятором 10, через выходной канал 8 и воздушный фильтр 9. Ссыпающийся вниз сухой порошок, выводят из бункера, при помощи шнекового (или обычного) транспортера 11.

В процессе работы сушильной установки необходимо поддерживать распылительный диск в чистоте (чистить не реже 1 раза в сутки), ибо налипание на его поверхность порошка приводит к нарушению балансировки и, при такой большой скорости вращения, может иметь место износ редуктора, что приводит иногда к аварии. Набор частоты вращения диска, при пуске, осуществляют постепенно с помощью управляемого трансформаторного устройства.

Производительность сушильных установок такого типа достигает до 2 т порошка в час при остаточной влажности 5–8% массовых. Получаемый порошок состоит из мелких зерен и поэтому сильно пылит, а при хранении слеживается, что усложняет процесс его дозировки на стадии фасовки в тару.

Наиболее эффективными являются сушильные установки второго типа, обеспечивающие, как высокую производительность на единицу рабочего объёма башни, так и более низкие расходные показатели по энергоресурсам. Получаемый в этих условиях, высушенный материал имеет форму полых гранул с размерами манной крупы, легко дозируется автоматами на стадии фасовки, а также легко растворяется в воде при использоввании.

В башне, выходящая из форсунки под давлением, водная композиция поступает в сушильную башню в виде мелких капель сферической формы. Соприкасаясь, с омывающим их горячим теплоносителем (воздухом), поверхностные слои капелек быстро теряют влагу и высыхают образуя корочку. Остаток влаги в капле, в дальнейшем диффундирует через корочку на внешнюю поверхность. При этом диаметр капли, исходной высушиваемой композиции, практически не меняется, благодаря образовавшейся ранее прочной корочке – оболочке и частицы порошка получаются в виде пустотелых шариков, с тонкой, прочной, как бы закаленной оболочкой, обеспечивающей им хорошую сыпучесть и неслеживаемость.

При изготовлении порошков таким способом, образующееся количество пылеобразных частиц минимально. Их отделяют и направляют на регенерацию в исходный смеситель растворной композиции.

Оборудование такой сушильной установки можно разделить на пять основных узлов:

– собственно сушильная башня;

– циркуляционная система для теплоносителя;

– система нагрева теплоносителя;

– система для охлаждения и удаления готового продукта;

– система обслуживания, контроля и техники безопасности.

Общий вид такой башенной сушилки и взаиморасположение основных рабочих агрегатов показаны на рис. 59. Принципиальная технологическая схема, с использованием башенной сушильной установки – на рис. 60.

 

Рис. 59. Общий вид башенной сушильной установки с обслуживающими ее агрегатами: 1 – мешалка для готовой композиции; 2 – гомогенизатор; 3 – сушильно-распылительная башня; 4 – воздушный фильтр; 5 – циклоны; 6 – печь; 7 – насос для горючего; 8 – бачок для горючего; 9 – дымовая труба; 10 – вентиляторы

 

Рис. 60. Схема башенной сушильной установки

 

В башню 1 по обогреваемому трубопроводу, в форсунку 2 поступает, нагретая до 85–90⁰С, водная композиция. Горячий теплоноситель (топочные газы), полученный в печи 3 сжиганием газа или моторного топлива и разбавленные воздухом, направляют в нижнюю часть сушильной башни. Для исключения наличия в теплоносителе частиц сажи, во время пуска, топочные газы сначала полностью выбрасывают в атмосферу через трубу 6 до установления режима полного сгорания.

На разбавление топочных газов до рабочей температуры 250–350⁰С, воздух подают вентилятором 7, через фильтр 8 и далее, по воздуховоду 9 и кольцевому каналу 10.

Отработанный влажный теплоноситель с температурой 95–130⁰С (выше точки росы), по рукаву 11, через систему циклонов 12 и мультициклонов 13, с помощью вентилятора 14, отсасывают и выбрасывают через трубу 15 в атмосферу. Для гарантии очистки отработанного теплоносителя от пылеобразных частиц, за вентилятором 14, обычно, устанавливают мокрый пылеуловитель – скруббер 16, в котором пыль улавливают дождеванием при циркуляции водного душа. Образующийся раствор, в последствии, используют для приготовления растворной композиции.

Высушенный и частично охлажденный порошок, через затвор непрерывно отводится ленточным транспортером 17. Сюда же, через затвор 18, поступает порошок, уловленный в циклонах 12. Из мультициклонов 13, тончайший порошок пыли возвращают или в отделение приготовления композиции или в сушильную башню для одновременного с форсункой, распыления в зону формирующегося факела растворной композиции.

Готовый порошок транспортером 17, передают на каскадный транспортер –охладитель 19, после чего, транспортными элементами 20, направляют в запасные бункера. На рис. 61 показана схема распылительной башни производительностью 3–5 т порошка в час. Диаметр башни 5–7 м, высота – 26 м. Башню устанавливают вне здания. Растворную композицию подают в башню 1 через форсунки 2. Количество форсунок (обычно до 20), их расположение в существенной степени влияют на получаемую насыпную массу порошка, на производительность башни. Из 20 форсунок 10 – работают, 10 – находятся на профилактической чистке. Форсунки располагают по окружности башни таким образом, что создают из распыляемой массы равномерный факел по всему горизонтальному сечению башни, и в тоже время частицы не оседают на стенки башни, что предупреждает налипание высушиваемой массы. Винтовая нарезка на наконечниках форсунки сообщает распыляемой композиции вихревое движение.

 

Рис. 61. Схематический разрез башенной сушилки с форсуночным распылителем

 

Диаметр наконечников выходного отверстия форсунок составляет 1,5–4,5 мм, а сами наконечники делают из особо прочной и износостойкой стали со вставкой из карбида вольфрама.

Распылением через малое отверстие получают тонкий и плотный порошок с большей насыпной массой; через отверстия большого диаметра – порошки с меньшей насыпной массой.

Горячий теплоноситель поступает в сушильную башню через каналы 3, двигаясь по отношению к распыленной композиции противотоком, либо сверху через канал 10, параллельно движению высушиваемых капель.

Формирование прямотока или противотока существенно влияет на структуру получаемого порошка. В противоточном процессе: частички высушиваемого материала постепенно проходят зоны с повышающейся температурой теплоносителя, благодаря чему образуется порошок с высокой насыпной плотностью 0,4–0,6 т/м³. В прямоточном процессе:

– микрокапли растворной композиции сразу же встречаются с высоко нагретым теплоносителем; при этом формируются крупные тонкостенные полые шарики и в конечной стадии высушивания их плотность составляет 0,2–0,35 т/м³.

Прямоточный способ используют иногда для сушки порошков, с термически нестойкими компонентами.

Для получения качественного порошка, необходимо исключать перегрев верхнего купола и нижней части цилиндра башни, во избежание пригара или потемнения порошка, и обеспечивать равномерный восходящий поток теплоносителя с линейной скоростью на уровне 0,3–0,35 м/с.

Производительность башни зависит от температуры и проходящего объёма теплоносителя, от конструкции башни и состава композиции.

При использовании в качестве электролита силикатов натрия или калия, с низкой скоростью испарения влаги, производительность сушки снижается. Чем ниже температура теплоносителя, тем длительнее процесс сушки и ниже производительность. Снижение температуры теплоносителя с 260 до 230⁰С, для обеспечения равномерности сушки требует увеличения его подачи с 285 до 365 м³/мин. Время пребывания высушиваемого материала в башне составляет 3–5 секунд.

Поскольку синтетические порошки, по взрывоопасности, имеют более высокую категорию в сравнении с мыльными, из-за того, что, входящие в рецептуры синтетических порошков, ПАВ могут под воздействием высокой температуры разлагаться на газообразные продукты и с кислородом воздуха образовывать взрывоопасные смеси, то в башне не допускается накапливание высушиваемого материала. Для этого необходимо осуществлять профилактическую чистку стенок башни от налипшего порошка.

На случай реализации взрыва, в крышке сушильной башни предусмотрен предохранительный клапан, а в случае пожара в сушильную башню автоматически прекращают подачу горячего теплоносителя (горячие газы переключаются на дымовую трубу). Одновременно, прекращают подачу композиции, и пускают в башню острый пар, а через форсунки – воду.

После ликвидации пожара, стенки башни очищают от налипшего моющего средства.

Газоходы, предпочтительно круглой формы, для подачи теплоносителя и воздуха и отвода отработанных газов, делают большого сечения, чтобы исключить чрезмерную нагрузку на вентилятор, который может создать в башне разрежение порядка 10 мм. рт. ст.

Высушенный порошок проходит охлаждение в 2 этапа:

– сначала в нижней части сушильной башни, порошок, через отверстие конуса сушильной башни 9, попадает в холодильник 5, где его обдувают холодным воздухом через воздуховод 8, а отработанный воздух уходит через штуцер 4 в циклон.

В это время, порошок, пересыпаясь по полкам холодильника, охлаждается и выходит из башни через шлюзовый затвор соприкасаясь с отбойным щитом 7, предотвращающим унос пыли с отходящими газами;

– на втором этапе, окончательное охлаждение порошка осуществляют в системе, вне сушильной башни, четыре разновидности которых показаны на рис. 62.

 

Рис. 62. Схемы различных методов охлаждения моющих порошков

 

Из них:

– охлаждение во вращающихся барабанах малоэффективно и приводит к истиранию (диспергированию) порошка;

– охлаждение на ленточном транспортере более эффективно. При этом порошок не подвергают дополнительному диспергированию (измельчению). Но для полного охлаждения требуется сравнительно большая длина транспортера;

– охлаждение порошка как в вихревом, так и в ламинарном потоке воздуха дает весьма быстрый и хороший результат; оборудование компактное и готовый порошок попутно сразу же поднимают на высоту приемных бункеров. Кроме того, в этих режимах охлаждения, одновременно можно разделить порошок на кондиционную фракцию и пылеобразную, которую собирают в циклонах и затем используют вновь, возвратив в технологический процесс на стадии приготовления водного раствора композиции, или в виде отдельной фракции отгружают потребителю.

При работе сушилок башенного типа образуется до 5–15%мас. пылевидной фракции. В некоторых сушильных установках (рис. 63), пылевидную фракцию из циклонов сразу же возвращают в башню, в верхнюю ее часть, с помощью вентилятора 5. Частички пыли, встречаясь с каплями жидкой композиции, прилипают к ним и при дальнейшем высушивании образуют крупные гранулы порошка.

 

Рис. 63. Схема работы башенной сушильной установки: 1 – башня; 2 – печь; 3 – циклоны; 4 – фильтры для воздуха; 5 – вентилятор; 6 – линия для подачи композиции; 7 – отводящий воздуховод; 8 – разгрузочный транспортер; 9 – вентилятор для подачи горячих газов; 10 – вентилятор для удаления отработанных газов

 

Современные сушильные установки башенного типа полностью автоматизированы; управление и контроль параметров процесса в них осуществляют с центрального пульта.

в) Расфасовка и упаковка порошков и используемое оборудование

В высушенный порошок добавляют компоненты, нестойкие при высокой температуре (перекисные соли, красители, отдушки), гомогенизируют и расфасовывают:

– в пакеты для индивидуального использования;

– в крафт-мешки для использования в прачечных или для промышленных предприятий.

Схема смешивания, расфасовки и упаковки готовых порошков приведена на рис. 64.

 

Рис. 64. Схема смешивания моющих порошков с дополнительными компонентами при расфасовке и упаковке порошков

 

Высушенный и охлажденный порошок передают транспортером 9 на вибросито 2, затем кондиционная фракция в бункер 3, а из него через автоматические весы 4 и течку 5 в центробежный смеситель 6. Сюда же, из бункера 7, через весы 8, поступает перборат (или перкарбонат) натрия, а также оптический отбеливатель и отдушка.

Готовый моющий порошок, через распределительный бункер с течками 9 разделяют на 2 потока:

– для упаковки в крупную тару, транспортером 10 передают в бункер 11 и далее через машины 12, фасуют в крафт-мешки массой 12–20 кг, далее на зашивочную машинку 13 и транспортером 14 на склад готовой продукции;

– для фасовки в пакеты, транспортером 15, в бункер 16 и далее на расфасовочные автоматы.

Гранулированный порошок, обладает хорошей сыпучестью и фасуют его на быстроходных автоматах (до 250–300 пакетов в минуту массой от 250 до 400 г).

Пакеты с порошком поступают в упаковочную машину, которая выполняет ряд функций:

– если пакеты далее укладывают в картонные коробки, то машина штабелирует пакеты высотой по высоте коробки;

– если укладывает в короба, закрывает клапаны коробов, оклеивает их гуммированной бумажной лентой, маркирует и даже передает на транспортер для отгрузки на склад готовой продукции. Упакованные порошки хранят в сухом, проветриваемом, закрытом складе с выполнением правил противопожарной безопасности.