年产15000吨洗衣皂工艺设计

年产 15000 吨洗衣皂生产工艺设计 1 总论 设计项目 年产 15000 吨洗衣皂生产工艺 产品简介 洗衣皂的主要成分是碳原子数在 8 22 的脂肪酸钠盐 其化学通式可用 RCOONa 表示 其中 R 代表烃基 属于阴离子表面活性剂 具有乳化 发泡 润湿和去污等性能 目前 洗衣皂产量约占洗涤剂的 30 全年产量达 75 万吨左右 洗衣皂的型号很多 根据脂肪酸钠盐的含量分类 有 42 型 47 型 53 型 56 型 60 型 65 型 72 型等 本设计中拟生产 53 型洗衣皂 即脂肪酸钠盐含量为 53 的洗衣皂 洗衣皂产品质量要求 形状端正 色泽均匀 图案 字迹清楚 无不良异味 总的脂肪物实际质量不低于标准总脂肪物质量的 95 游离碱 NaOH 0 3 由于本设计为假定的设计 因此有关设计任务书中的其他项目如厂址 工厂的总平 面设计 原料的供应 燃料的种类 水电气的来源等均从略 2 生产方式的选择 肥皂生产分为两大工序 第一是油脂或脂肪酸被碱皂化制成皂基 第二是皂基中加入 各种添加剂 经过不同工艺制成各种成品皂 皂基是各种成品皂的原料 2 1 皂基的制备 皂基制备是肥皂生产中的重要操作 一般皂基中含有 65 的肥皂 35 的水分 并含 有微量甘油 盐等物质 皂基经过干燥 添加各种非肥皂成分及机械加工 可制得不同的 皂块 皂片 皂粒和皂粉等 皂基制备的基本原理可用化学反应式表示如下 CH2OOCR1 CHOOCR2 CH2OOCR3 3NaOH CH2OH CHOH CH2OH R1COONa R2COONa R3COONa 皂基制备的方法很多 有老式的冷制皂法和半沸制皂法 间歇式沸煮制皂法及现代的 连续皂化法 其工序可用简图表示如下 78 80 冷制皂法和半沸制皂法不能将甘油 色素等杂质进行分离 成皂质量无法保证 因此 国内肥皂厂已不采用这两种方法生产皂基 沸煮法 又称大锅煮皂法 是指皂化反应在直接蒸汽的翻动沸煮下进行 由于反应在 沸煮下进行 油脂与碱的比例可在皂化的过程中加以调节 因而可以精确地达到所要求的 皂化程度 沸煮法整个操作周期需 50 60h 时间长 蒸汽耗量大 劳动强度高 占地面积 大是该法的主要缺点 方便 灵活 操作容易 投资费用少是其主要优点 但随着生产规 模的扩大 在能源消耗等技术指标越来越严的今天 沸煮法已不能适应现代化生产的需要 连续皂化法是现代化的生产方法 它将油脂和氢氧化钠采用均一且高速接触的方式进 行皂化 这种方法能使碱和油脂充分接触 不仅生产效率高 而且产品质量稳定 是比较 成熟的工业生产方法 目前国外肥皂大公司大都采用连续化生产工艺 从设计的角度看 选择连续皂化法是合理的 但在实际设计时 还必须考虑其他因素 如 市场的需求 投 资成本 水电气来源 劳动力成本 劳动就业与化工生产自动化水平的关系 等 2 2 洗衣皂的生产 从连续煮皂设备所生产的洗衣皂皂基 经进一步加工 即可制取洗衣皂 根据生产设 备的不同 洗衣皂的生产方法分为冷板车法和真空干燥法冷板车法和真空干燥法 冷板工艺即采用冷板冷却成型 制皂 其优点是设备简单 生产容易控制 但其最大的缺点是劳动强度大 生产效率低 而 20 世纪 60 年代开发成功的真空冷却成型工艺使洗衣皂的生产实现了连续化流水作业 真空冷却成型不仅降低了劳动强度 而且洗衣皂产品组织细腻均一 质地坚硬 外观光洁 泡沫丰富 是今后肥皂工业发展的方向 我国大多数制皂厂已推广采用 因此 在本设计 中选择真空冷却成型工艺 3 工艺流程简介 整个生产工艺流程如下图所示 3 1 连续皂化法 目前世界上最常用的连续皂化法是采用 恒组分控制系统 的阿法 拉伐尔离心纯化法 它是全封闭 全自动的皂化法 整个过程分皂化 洗涤及整理 3 个阶段 工艺流程图如图 1 所示 日用化学品 P56 3 1 1 皂化阶段 皂化时 油脂和 28 的 NaOH 溶液分别经过滤和预热器由定量泵 6 7 进入皂化塔 1 经过混合泵 3 的作用使油与液碱很快皂化 油脂与液碱分别由恒位槽 4 5 供应 这样既稳 定了进料压力 使流量稳定 又能去除物料中的空气 向塔中加入液碱的量是采用 恒组 分控制系统 来控制的 该控制系统主要是利用皂胶的黏度随肥皂中电解质含量的不同而 变化的特性来实现的 在某一电解质区域中 电解质与黏度有着特别灵敏的关系 恒组分 控制系统就是利用测出的黏度变化来控制和调节烧碱的加入量 使皂化始终处于碱性 但 游离碱含量又不高的情况下完成 皂基黏度变化是在循环泵进出口两端测出的 皂化反应完成之后 皂胶由塔上部排出 排出量与循环量之比为 1 4 对新加入的油脂 而言 皂化始终从皂化率 80 开始 由于大量肥皂的存在 油脂与碱一入塔就溶解在肥皂 中 使皂化反应大大加快 只需两分钟皂化率就可达到 99 8 当肥皂离开塔顶时 皂化 率已达 99 95 游离碱的含量仅在 0 2 左右 3 1 2 洗涤阶段 中性油脂经皂化后 必须把含甘油的废液从肥皂中洗涤出来 以提高皂基的质量和甘 油的回收率 阿法 拉伐尔采用全逆流二次盐水洗涤工艺 加入一定浓度的饱和食盐水 使肥皂 脂肪酸的钠盐从溶液中析出 盐析的目的主要是回收甘油 同时也去除一部分色素 和杂质 一定浓度的盐水经过滤后进入恒位槽 13 和混合器 15 在混合器中与一定量的水混合 调节适宜浓度 由定量泵 10 打入第二级洗涤混合器 11 中 由整理段来的皂脚及离心机 9 来的皂粒也同时进入 在混合器中混合均匀后进入分离机 12 进行分离 分出的半废液逆流 到第一级洗涤混合器 8 中与皂化皂混合 全逆流二次盐水洗涤工艺 再经离心机 9 分离出 废液和肥皂 废液送入甘油回收车间回收甘油 肥皂则进入第二级混合器 11 第二级洗涤 离心机 12 分出的肥皂进入整理工序 该洗涤单元效益高 整个洗涤时间仅 10 min 左右 皂粒中甘油可降到 0 2 以下 废 液中含甘油量在 12 以上 3 1 3 整理工序 整理是皂基生产的最后步骤 虽然经过洗涤阶段 大量色素和杂质已随废液出去 但 仍有部分杂质溶于皂液中 因此整理操作是皂基质量的最后一步净化 该整理工序在整理塔 16 中进行 一定浓度的整理液经过滤后进入恒位槽 19 再进入 混合器 22 在此与定量水混合调整到需要浓度 然后由定量泵 21 输入整理塔 16 在整理 塔中 肥皂形成皂基和皂脚两相 从塔顶直接进入离心机 18 进行分离 皂脚回到洗涤工序 皂基则输入成型车间生产洗衣皂 连续皂化法所获得的皂基质量高 在皂基中脂肪酸钠盐含量 62 左右 电解质总量 0 4 0 5 3 2 真空冷却制皂 真空出条法生产洗衣皂时 皂基 填充料及其他助剂先在调缸中调和均匀 再经过过 滤器 送入真空冷却器 使其冷却凝固 再经过真空出条 滚印 切块 烘凉后即可装箱 其工艺流程见图 2 制皂工艺 P168 洗衣皂中所加的填充料主要有泡化碱 香精 钛白粉和钙皂分散剂等 泡化碱俗称水 玻璃 化学名称为硅酸钠 Na2O nSiO2 是由不同比例的氧化钠与二氧化硅结合而成 泡 化碱是洗衣皂的主要填充料 其主要作用是增加肥皂的去污能力和泡沫的稳定性 在洗涤 过程中对污垢起乳化和分散作用 改善肥皂的外观 使肥皂光滑细腻 缓冲肥皂内的游离 碱对皮肤的刺激及织物的破坏 软化硬水 减少肥皂的消耗 防止氧化和增加肥皂硬度等 另外 泡化碱较油脂低廉 所以目前生产的洗衣皂中大多采用泡化碱为填充料 钛白粉的化学名称为二氧化钛 TiO2 为白色粉末 有较高的不透明度和遮盖力 在 肥皂中加入 0 2 可以解决真空压条皂的发暗现象 且光泽好 可减弱油腻感觉 加入钙皂分散剂可以防止肥皂与硬水中的钙 镁离子生成不溶于水 无洗涤能力的钙 镁皂 在真空冷却生产工艺流程中有两只调缸 一只用于配料 另一只用于中间储存 配料配料 调缸调缸 P168 页的图中未画出 及中间调缸都是钢制的夹套圆锅 内有浆式搅拌器 转速为 30 35r min 夹层中通入蒸汽以给肥皂保温 配料调缸中肥皂的温度在 70 95 通过过滤器 及皂泵 输到中间调缸中 再由皂泵把肥皂输进真空冷却室的空心转轴 真空冷却脱去肥 皂中的水分 脱去的水分一般是肥皂总重量的 4 并使肥皂冷却凝固成固态皂 真空冷 却室的真空度根据肥皂产品脂肪酸含量的要求而定 一般情况可参考表 1 控制 表 1 生产不同脂肪酸含量的洗衣皂所需的真空度 以绝对压强表示 洗衣皂脂肪酸含量 真空室残压 kPa 53 56 60 65 72 左右 2 0 4 7 3 3 6 0 5 3 8 0 真空冷却设备中所用的压条机都是双螺杆的 这样由于两只螺杆的相对转动 使真空 冷却室中刮下的肥皂不宜堆积 能顺利压出 压条机螺杆处的机身带夹套 通冷却水冷却 水温宜在 20 以下 温度过高 肥皂发软 黏 出条不畅 由真空冷凝室排出的废气中会含有少量的皂粉 为回收皂粉 必须经过两只旋风分离 器后再进入真空系统 一般所用典型的旋风分离器 直径 0 9m 左右 高度要适应真空冷却 室的蒸汽排出口高度 同时可作为皂粉的储器以便于出粉 第一只旋风分离器的总高约为 6m 第二只总高为 8m 左右 由于回收皂粉的数量不多 因此可以采用间歇出粉 每周清 理一次 在压条机后安装自动滚印切块机 可利用肥皂出条时的推力 使滚印机 切块机自动 滚印 切块 经自动切块机切出的皂块随即进入长龙式简单吹冷风的皮带烘房内 停留 2 5min 后装箱 4 初步物料计算 采用逆流程方向进行计算 连续生产工艺 为层次清晰 分为洗衣皂的 生产和皂基的制备两部分进行物料衡算 4 1 洗衣皂的生产 所需皂基的量和各种添加剂的量 为了使物料衡算简单化 假定在生产过程中无物料损失 当然这在事实上是不可能的 故在实际生产过程中应予以修正 根据设计任务 洗衣皂的年生产能力为 15000 吨 年工作日按 328 天计算 每昼夜的生产能力为 15000 328 45 732 吨 天 每昼夜 24 小时连续生产 则每小时生产能力为 45 732 24 1 906t h 肥皂在真空条件下冷却 蒸发掉 4 的水分 因此进入真空冷却室的物料量应为 1 906 1 4 1 985t h 4 1 985t h 1 906t h 设计生产含 53 脂肪酸的洗衣皂 53 型 时 考虑到真空冷却阶段蒸发掉 4 的水分 调缸中的皂料应配成含脂肪酸钠盐 49 皂基脂肪酸钠盐含量以 65 计 因此进入调缸的 皂基质量为 1 985 49 65 1 496t h 又已知钙皂分散剂的加入量为 10 香精 钛白粉等为 0 4 配料调缸的容量相当于 真空冷却设备 1h 的产量 因此钙皂分散剂的加入量为 1 985 10 199kg 香精 钛白粉等的加入量为 1 985 0 4 8kg 泡化碱的加入量为 1985 1496 199 8 282kg 4 2 皂基的制备 由阿法 拉伐尔离心纯化法生产的皂基中甘油含量约为 0 18 NaOH 含量仅为 0 05 可以忽略不计 即认为皂基中含有 65 的脂肪酸钠盐 35 的水分 皂基中的脂肪酸钠盐含量为 1 496 0 65 0 972t 由此计算出生产 0 972t 脂肪酸钠盐 所需的油脂和 NaOH 溶液的量 已知肥皂的组成如表 2 所示 表 2 肥皂的组成 名称分子式 摩尔质量 kg kmol 质量分数 月桂酸钠C11H23COONa22210 豆蔻酸钠C13H27COONa25010 棕榈酸钠C15H31COONa27825 硬脂酸钠C17H35COONa30615 油酸钠C17H33COONa30440 脂肪酸组成为月桂酸 10 豆蔻酸 10 棕榈酸 25 硬脂酸 15 油酸 40 的油 脂是比较理想的油脂配方 经加权平均计算得出肥皂的平均摩尔质量为 222 10 250 10 278 25 306 15 304 40 284 2 kg kmol 皂基中所含脂肪酸钠盐的摩尔数约为 972 284 2 3 420kmol 由反应方程式可知 1mol 油脂可以生成 3mol 肥皂 假定皂化率为 100 阿法 拉伐尔 离心纯化法的皂化率为 99 95 油脂的摩尔数为 3 420 3 1 140kmol 已知油脂的皂化值为 210 由此计算出油脂的平均摩尔质量为 210 801 4kg kmol 皂化 1g 油脂所需要的 的质量 mg 称为该油脂的皂化值 用 表示 油脂的平均相对分子质量 所需油脂的质量为 801 4 1 140 914kg h 0 914t h 皂化时所需 28 的 NaOH 溶液的质量为 914 210 40 56 1 1000 28 489kg h 0 489t h 皂化油脂所需的烧碱量 m油脂 溶液的质 量分数 已知阿法 拉伐尔离心纯化法产生的废液量与皂基的质量比约为 60 100 因此产生的废 液量约为 1 496 0 6 0 898t h 0 941t h 0 489t h 0 898t h 1 496t h 在连续皂化法的洗涤和整理阶段 盐水和整理液的加入量由 恒组分控制系统 控制 在此不作计算 5 主要设备 5 1 阿法 拉伐尔皂化塔 阿法 拉伐尔皂化塔由下塔 a b 段 和上塔 c 段 组成 如图 3 所示 日用化学品 P56 下塔被一块挡板隔成 a b 两段 b 段中又由一块孔板分隔 循环泵 P 1 将物料 从 b 段的顶部回流到 a 段底部 碱液由定量泵 DP 1 提供 从循环管进入 使塔底肥皂 含有一定量的过量碱 油脂由定量泵 DP 2 进入皂化塔的 b 段 经过混合泵 P 2 的作 用使油与碱液很快皂化 然后进入 c 段 排出皂化塔 排出量与循环量之比为 1 4 该皂 化塔是一个全封闭系统 皂化塔的出口由恒压阀控制以保持塔内压力稳定 在加压下进行 皂化 皂化温度可提高到 125 这样不仅能生产 60 脂肪酸钠盐含量的皂基 皂化温度为 95 100 而且能生产 72 73 以上的皂基 5 2 真空冷却设备 目前国内采用的真空冷却设备 结构大致相同 见图 4 制皂工艺 P171 是一个密闭 的圆柱形铸铁容器 底 顶均为锥形 筒内装有紧贴壁身的转动刮刀 由空心转轴带动 物料通过空心转轴经喷嘴喷到筒壁上 喷头与刮刀安装角度为 90 刮刀处于前导位置 对于典型的每小时 2 吨 2 24 328 15744t 年 产量的真空冷却室 主要尺寸如下 冷却室直径 1500mm 高 1400mm 锥底高 450mm 锥顶高 200mm 喷头孔径 10mm 冷却室要维持 25mmHg 的残压 使室内水的沸点降到 26 以下 这样当 90 的料浆从 喷口喷出的时候 水分剧烈汽化 肥皂温度迅速降到 26 以下 并立即在筒壁上固化 随 即由刮刀铲下 铲下的皂片随即落入锥底下的压条机的料斗里 与真空冷却室配套的是双螺杆压条机 目前国内定型的产品为螺杆直径为 300mm 转 速 20r min 一台压条机的生产能力为 2 4t h 6 三废治理与环境保护 6 1 从制皂废水中回收甘油 阿尔法 拉法尔离心纯化法制皂废水中含有 14 1 15 7 的甘油 甘油在涂料工业 日 用化学工业 医药工业以及食品工业中具有广泛的用途 目前 我国的甘油约有 60 来源 于皂化废液 皂化废液回收甘油的生产包括以下四个过程 废液经过化学处理沉淀和过 滤除去各种杂质 即净化过程 蒸发浓缩 回收废液中的氯化钠 提高甘