Розробка технології виробництва туалетного мила

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Для виробництва туалетного мила з нейтральних жирів оптимальним технологічним рішенням є вибір непрямої періодичної варки мила.

Для забезпечення високої якості мила було обрано суміш жирів, до складу якої входять: тваринний жир та кокосова рафінована дезодорована олія. Тваринні жири є найбільш цінною сировиною, бо містять від 10 до 60 % насичених жирних кислот, з яких приблизно 50 % пальмітинової і 36,5 % олеїнової кислот. Мила, виготовлені з цих жирів, мають достатню твердість, добру розчинність в теплій воді і високу миючу дію. Кокосова олія містить 52 % лауринової і до 19 % міристинової кислот, введення в жирову рецептуру мила цієї олії забезпечує необхідну пластичність при його механічній обробці [1].

В цілому обрані технологічні лінії і сировина дозволяють отримати туалетне мило з 80 %-ним вмістом жирних кислот належної якості. Вибір непрямого метода варки мила пояснюється тим, що при варці мила з нейтральних жирів він дає можливість утилізувати гліцерин, який переходить в підмильний щолок і отримати мило високої якості.

Мета даного проекту - розробка технології виробництва туалетного мила.

Актуальність даної розробки зумовлена постійною потребою населення в миючих засобах, необхідністю постійного відновлення асортименту на ринку, а також необхідністю витіснення імпортних товарів низької якості з українського ринку.

1. Аналітичний огляд

Омилення -- це реакція взаємодії ацилгліцеринів з гідроксидами лужних металів, кінцевими продуктами якої є гліцерин і мило:

Вітчизняна технологія виробництва туалетного мила передбачала двостадійну схему омилення розщеплених жирів (жирних кислот): перша стадія -- нейтралізація жирних кислот карбонатом натрію, друга -- доомилення карбонатної маси гідроксидом натрію [2].

Найбільш вивченою та описаною в літературі є стадія нейтралізації жирних кислот карбонатом натрію. Карбонатне омилення -- складний процес, який включає велику кількість кінетичних та дифузійних стадій. Головна реакція процесу проходить з великою швидкістю; її описують таким сумарним рівнянням:

(1.2)

Незважаючи на велику кількість наукових досліджень, механізм цієї реакції остаточно не з'ясовано. Один з найбільш вірогідних варіантів цього механізму передбачає деяку сукупність паралельних та послідовних реакцій [2]. У водному розчині карбонат натрію за температури вище 70 °С схильний до гідролізу:

(1.3)

Далі гідроксид натрію взаємодіє з жирними кислотами, утворюючи мило:

 (1.4)

Виявлено, що нейтральний жир дуже повільно омилюється водним розчином карбонату натрію. Причина цього -- невелика концентрація гідроксильних іонів, яка значною мірою знижується в зоні реакції (тобто у гідрофільній частині пластинчатих асоціатів), утвореній негативно зарядженими карбоксильними групами молекул кислот триацилгліцеринів.

Реакція омилення водними розчинами гідроксидів протікає через стадію гідроліза і здійснюється східцеподібно. При цьому на першій стадії утворюються діацилгліцерини, що залишаються в ацилгліцериновій масі, а жирні кислоти, що виділяються, нейтралізуються гідроксидом, даючи мила, що розчиняються у воді [3]. Виведення жирних кислот з ацилгліцеринової маси у виді мил зрушує рівновагу, і гідроліз продовжується [3].

Реакція омилення жирів широко застосовується в аналітичній практиці у техніці при виробництві мила. В аналітичній практиці для забезпечення повноти (придушення гідролізу мил) реакцію проводять із гідроксидом натрію чи калію в спиртовому розчині, найчастіше етанольному. При цьому реакція протікає через стадію алкоголізу з наступним омиленням складних ефірів жирних кислот:

(1.5)

(1.6)

Відомо декілька методів отримання мил [4]:

1 Нейтралізація жирних (природних і синтетичних), смоляних і нафтенових кислот вуглекислим натром (кальцинованою содою):

(1.7)

Нейтралізація жирних (природних та синтетичних), смоляних і нафтенових кислот гідроксидом натрію (каустичною содою)

(1.8)

Омилення нейтрального жиру гідроксидом натру:

(1.9)

При виробництві рідких мил використовується калій та гідроксид калію.

При будь-якому методі отримання мил процес омилення проводять при надлишку лугу, для того, щоб не утворювалися кислі мила [1]. При варці мила з нейтральних жирів омилення ведеться їдкими лугами, нейтральні жири не омилюються карбонатами у звичайних умовах.

При омиленні нейтральних жирів розчинами їдких лугів одночасно іде перебіг двох хімічних реакцій -- гідроліз тригліцеридів і нейтралізація лугом жирних кислот, які виділяються. Жировий розчин лугу -- система гетерогенна, швидкість хімічної реакції в якій залежить від поверхні контакту фаз. Для покращення контакту жиру з лугом необхідно інтенсивне перемішування систем, а також наявність емульгатора. У якості останнього виступає мило, яке утворюється у початковий період омилення, або яке спеціально вводиться в апарат.

1.1 Загальна характеристика виробництва та його техніко-економічний рівень

Мило являє собою невід'ємну частину життя кожної сучасної людини. Воно володіє прекрасною миючою дією, гарними санітарно-гігієнічними і ароматичними якостями.

Середньостатистична потреба туалетного мила на одну людину в рік становить близько 1,5 кг/рік (~ 75 тис. т/рік на населення України). Показники випуску туалетного мила українськими виробниками за 2014 рік становить приблизно 40 тис. тонн. Звідси слідує, що виробництва туалетного мила українськими виробниками не вистачає для повного забезпечення України. Тобто виробництво туалетного мила на ринку України буде доречно.

У теперішній час економіка України знаходиться у стані структурного та якісного перетворення. Змінення принципів підприємств в умовах сучасної економічної ситуації, падіння об'ємів сільськогосподарської продукції, пред'являють більш високі вимоги до технічного та технологічного удосконалення підприємств.

Для забезпечення конкурентоздатності українських підприємств необхідно вирішити комплекс питань, які пов'язані із підвищенням ефективності виробництв, а також зі зниженням собівартості кінцевого товару за рахунок введення у процес виробництва нових технологічних рішень та застування нових джерел.

2. Характеристика виробляємої продукції

Щорічно у світі випускається 40·106 т миючих засобів, із них 7,5·106 т твердого шматкового мила. Взагалі на душу населення у cвіті припадає 10 - 12 кг миючих засобів на рік, із них 2 - 4 кг мила. Найбільшими споживачами миючих засобів є США, Японія і розвинені країни Європи, проте велика частина споживання припадає на синтетичні миючі засоби.

В Україні також використовуються синтетичні миючі засоби, проте поряд із ними традиційно має місце широке застосування туалетного і господарчого мила. Основна маса мила використовується для прання тканин і для гігієнічних цілей. У меншій кількості мила застосовують для інших цілей - у промисловості, медицині, сільському господарстві та інших галузях народного господарства.

Наприклад, у медицині натрові, калійні та мила інших металів застосовують не тільки для готування мазей, але також для лікувальних і дезинфекційних цілей. Для цього до складу їх вводять відповідні лікувальні та дезинфікуючі засоби.

Зараз, коли все більша увага в усіх сферах життя приділяється економіці, підвищенню якості товарів і послуг, естетика продукту відіграє далеко не останню роль. В даний час в Україні ведуться розробки нових економічних технологій, освоєння нових видів сировини і застосування корисних добавок, що покращують споживчі властивості мила.

3. Характеристика рецептури туалетного мила. Сировина і матеріали

3.1 Рецептури туалетних мил

Складання рецептури жирової суміші для виробництва мильної основи твердого туалетного мила являє собою більш складне завдання, аніж при варінні господарських мил.

Рецептура повинна забезпечувати гарну миючу дію мила в процесі користування їм як у холодній, так у теплій і помірно гарячій воді. Мило при цьому повинно нормально стиратися, утворюючи гарну піну, не розкисати розпливатися. Ці властивості воно здобуває за рахунок введення в жирову суміш різних жирних кислот (переважно фракцій С12-С18) у певному співвідношенні між собою. Туалетне мило повинно мати привабливий товарний вигляд, світле тло приємний аромат, що досягається введенням в рецептуру світлих і прояснених жирів, що не мають неприємного запаху. Істотною умовою готування мильної основи є застосування такої рецептури, що забезпечує гарну пластичність одержуваного після висушування мила, нормальну механічну обробку штампування [1].

У світовій практиці еталоном для гарного твердого туалетного мила вважається рецептура, що містить 80 85 % світлих сортів яловичого топленого жиру (з титром жирних кислот 41 43 °С) і 15 20 % кокосового масла. Ця сполука забезпечує наявність у жировій суміші 20 22 % стеаринової, 23 25 % пальмітинової, 11 15 % міристинової і лауринової; 35 37 % олеїнової кислот, що поліпшує фізико-хімічні споживчі властивості мила, а також забезпечує сприятливі умови для його механічної обробки.

Готовий шматок мила відрізняється твердістю, при користуванні їм утворюється рясна кремоподібна стійка піна. На мильниці якісне мило швидко висихає, на його поверхні не утвориться тріщин до повного використання шматка. Тому на вибір і підготовку сировини треба звертати найбільш серйозну увагу. Нижче приводиться перелік основної сировини, допоміжних матеріалів і вимог до них, що забезпечують одержання туалетних мил високої якості [5].

3.2 Жирова основа туалетного мила

1 Жири тваринні. Вони є найкращою сировиною для виробництва мил, особливо туалетних. До тваринних жирів відносять яловичий, баранячий, свинячий та кістковий жири. В них міститься від 40 до 60 % насичених жирних кислот, з них близько 50 % пальмітинової і (36 55) % олеїнової кислот. Пальмитат натрію, що утворюється при омиленні тваринного жиру, є цінним компонентом твердого туалетного мила. Він додає милам пластичність, однорідність і поліпшує розчинність їх у воді. Більш всього при виробництві мила використовують яловичий жир. При температурі (15 20) °С колір яловичого жиру повинен бути від блідо-жовтого до жовтого, у розплавленому стані він повинен бути прозорим, вміст вологи не повинен перевищувати (0,2 0,30) %.

Свинячий жир, що містить до 8 % линолевої і певну кількість арахідонової кислот, через порівняно швидке окислювання і прогорання, застосовується в миловарінні обмежено. У гідрованому виді (до титру 40 43 °С) його можна застосовувати в миловарному виробництві нарівні з яловичим жиром [6].

2 Жири морських тварин і риб. У миловарінні жири морських тварин і риб використовуються тільки після гідрогенізації, тому що стійкий рибний запах, властивий сирим жирам, передається милу і довгий час утримується випраною тканиною. У деяких жирах цієї групи міститься значна кількість мірістинової та пальмітинової кислот.

Додавання в жировий набір китового жиру дозволяє одержувати пластичну мильну основу, що легко піддається обробці -- бруски зі шнек-преса виходять із гладкою рівною поверхнею, без тріщин і смужок, а шматки мила мають гарний зовнішній вигляд. У той же час при значному вмісті жирних кислот з числом атомів вуглецю в молекулі 20 і більше знижується можливість використання китового та інших подібних йому жирів для виробництва мила, тому що при цьому виходять мила, які помірно розчиняються в гарячій воді, легко висалюються і швидко реагують із солями твердості. Жирні кислоти кашалотового жиру можна використовувати при виробництві (78 80) %-ного туалетного мила для зниження титру жирової суміші [6].

3 Рослинні олії. Рідкі рослинні олії (сонячна, соєва) не вводять в склад твердих туалетних мил через наявність в них значної кількості високоненасичених жирних кислот. До твердих рослинних олій відносять кокосову, пальмоядрову і пальмову олії. Група пальмових олій з високим вмістом насичених і обмеженим вмістом ненасичених жирних кислот, представлених в основному олеїновою кислотою, є цінною сировиною для виробництва твердих туалетних мил.

Кокосова олія добувається з плодів кокосових пальм. Підсушена і подрібнена на шматки м'якоть цих плодів, так звана копра, містить близько 70 % олії, що виходить з неї пресованим чи екстракційним способом [1]. Жирно-кислотний склад кокосової олії відрізняється великим вмістом середньо- і низькомолекулярних кислот (85 90) %, тому вона є головним представником клейових жирів, що характеризуються великою стійкістю до електролітів. Добавка кокосової олії до ядрових жирів (мила яких чутливі до електролітів і дуже легко висалюються) сприяє одержанню цілком однорідних, пластичних і твердих туалетних мил, що утворюють густу піну навіть у холодній воді.

Пальмоядрову олію добувають з насіння (кісточок) іншої олійної пальми (пальмісти). За органолептичними, фізико-хімічними показниками і жирно кислотним складом пальмоядрова олія близька до кокосової і використовується у виробництві туалетного мила. Пальмову олію добувають з м'ясистого прошарку плоду тієї ж пальми, що і пальмоядрову олію. Вона має приємний запах, що нагадує запах фіалки, і забарвлена каротином від темно-жовтого до темно-червоного кольору, що не зникає при омиленні під дією каустичної соди, тому пальмову олію попередньо піддають відбілюванню при використанні її у виробництві туалетного мила. Невідбілену олію вводять до жирового складу сировини, що переробляють на жовті сорти мила.

Пальмова олія різко відрізняється від пальмоядрової (і кокосової) відсутністю низькомолекулярних кислот і високим вмістом олеїнової кислоти (40 50) %. За жирно-кислотним складом ця олія наближається до тваринних жирів, відрізняючись від них значно меншим вмістом стеаринової кислоти (2 6) % і більш високим -- пальмітинової (до 45 %). Отже, за жирно-кислотним складом пальмова олія є цінною сировиною для використання її у виробництві туалетних мил.

Недоліком цієї групи олій, як сировини для туалетного мила, є вміст в них низькомолекулярних кислот (С6-С8). Це є причиною граничного використання кокосової олії в рецептурах туалетних мил (не більш 25 %). Тверді рослинні олії виготовляють з іноземної сировини і тому використовуються вони у виробництві тільки туалетних мил. Зазвичай їх замінюють добре відчищеними синтетичними жирними кислотами фракції C10-C16 [3].

4 Жирозамінники. Синтетичні жирні кислоти (СЖК) використовуються в миловарінні для заміни природних жирів. Фракцію С12-С16 (кокосову) використовують в рецептурах мил в заміну кокосової олії, фракцію С17-С20 (саломасу) -- в заміну твердих жирів.

5 Гідровані жири та олії, застосовують для отримання різноманітних твердих мил. На відміну від природних жирів, гідровані жири містять тверді ізоолеїнові кислоти, що утворилися у процесі гідрогенізації. Як компонент жирнокислотного складу мила ізокислоти, наприклад, тверді ізоолеїнові кислоти, вважаються небажаними тому, що вони утворюють мила неоптимальної кристалічної структури, гірше піняться і мають меншу миючу здатність у порівнянні з милами нормальних жирних кислот, що містять однакову кількість атомів вуглецю.

З гідрованих рослинних олій для виробництва туалетного мила переважно використовують бавовняну, яка містить (20 25) % пальмітинової кислоти. Гарною сировиною для виробництва мил, особливо туалетних, є гідрований бавовняний пальмітин, який містить до 45 % пальмітинової кислоти [5].

3.3 Допоміжні матеріали

1 Їдкі луги відрізняються високою реакційною здатністю. При взаємодії з нейтральними жирами вони легко і достатньо швидко омилюють тригліцерини і зв'язують жирні кислоти, що вивільнюються при цьому, утворюючи відповідні мила. При обробці їдкими лугами жирних кислот вони нейтралізують їх і також утворюють мила [7].

Їдкий натр (гідроксид натрію) -- товарна назва каустична сода, хімічна формула NaOH, молекулярна маса 40. Застосовують його при виробництві всіх видів твердих мил. Їдкий натр випускають в твердому і рідкому виді декількох марок і сортів. Твердий продукт являє собою білу непрозору масу, упаковану в металічні барабани масою до 200 кг. Рідкий їдкий натр -- безбарвна або злегка забарвлена рідина -- поступає на миловаренні заводи в цистернах у вигляді концентрованих розчинів. Твердий їдкий натр в залежності від сорту містить від 92 до 96 % NaOH, а рідкий -- 42 46 %.

2 Сіль поварена. Хлористий натр (NaCl, хлорид натрію) поступає на заводи у твердому вигляді з вмістом 96,4 97 % NaCl. Його використовують у виробництві туалетних мил для очищення жирової сировини, для висалювання мильного клею з метою одержання більш концентрованого і чистого ядра, для надання мильній масі більшої рухливості і твердості готовому милу [1].

3 Силікат натрію. Кремнекислий натрій -- продукт непостійного хімічного складу Na2ОnSiО2. Силікат натрію поступає на заводи у вигляді розчинів з концентрацією (38,5 45) %. Введення його в туалетне мило в кількості (0,1 0,5) % уповільнює потемніння і прогорання продукту. Крім цього, він підсилює дію антиокислювачів, що додаються до мила.

4 Барвники застосовують для забарвлення туалетних мил. Барвники використовують трьох типів -- водорозчинні, жиророзчинні і пігментні [1,5]. В якості водорозчинних анілінових барвників використовують родамін (червоний), метаніл (жовтий), бірюзовий, блакитний та ін. Для забарвлення туалетних мил в різні тони застосовують суміші двох-трьох барвників.

До позитивних якостей барвників відносять і те, що вони не забарвлюють мильної піни, яка зазвичай буває забарвлена в найрізноманітніші кольори. В залежності від кольору введеного в мило водорозчинного барвника та виходячи з цих якостей найкраще використовувати жиророзчинні барвники і водорозчинні пігменти [6].

Для того, щоб убрати прозорість при виробництві туалетного білого мила і покращення кольорового фону забарвлених мил в них додають білила, а саме: цинкові і титанові. Цинкові білила являють собою практично чистий окис цинку (ZnO). У виробництві туалетного мила повинні використовуватись цинкові білила тільки вищої марки. Титанові білила являють собою двоокис титана (ТіО2). Рекомендовано застосовувати для туалетного мила марку А-01 або Р-01, оброблені сполуками кремнія і алюмінія.

5 Ароматизатори (віддушки). Вони являють собою парфумерні композиції різних душистих речовин, натуральних (ефірні олії) і синтетичних, що утворюють букет, який відтворює запах квітів або рослин (троянди, хвої та ін.) або утворює інший аромат. Ароматизатори повинні бути стійкими до лугів і різних добавок (пластифікаторів, антиоксидантів, барвників та ін.). Вони повинні мати приємний, тонкий і стійкий запах, що не змінюється і не зникає впродовж гарантійного терміну збереження ароматизованого мила (протягом року), не повинні подразнювати шкіру при митті.

6 Антиоксиданти. Це речовини, що затримують процеси окислювання і прогорання мила, наслідком чого є потемніння, зміна кольору і запаху мила з появою на ньому плям та інших дефектів. Основна вимога, що висувається до них, це відсутність запаху і кольору, ефективність у малих дозах.

7 Пластифікатори. Це речовини, що вводяться до складу мила з метою усунення крихкості і забезпечення пластичних та пружних властивостей. Особливо необхідне введення пластифікаторів у такі туалетні мила, у жировий склад яких входить значна кількість високотитрових ядрових жирів і порівняно невелика кількість клейових.

8 Стабілізатори. Вони збільшують стійкість ароматизатора, введеного в мило, а також стійкість піни, утвореної розчинами мила різних концентрацій.

Препарати, що виробляють сьогодні, часто мають різнобічний характер, виконуючи одночасно роль пластифікаторів (на 25 %) і антиоксидантів (на 75 %).

9 Пережирюючі речовини. Туалетне мило у водневому розчині має лужну реакцію і при митті знежирює шкіру. Багаторазове використання мила викликає сухість шкіри. Для запобігання пересушуванню шкіри в деякі сорти мила вводять від 1 до 25 % пережирюючих речовин. Дія їх полягає в тому, що вони при митті адсорбуються шкірою[7].

10 Дезінфікуючі речовини додають для посилення і пришвидшення антисептичних властивостей водних розчинів мил.

3.4 Технології виробництва туалетних мил

Для виробництва туалетного мила використають, як правило, туалетну основу (ядрове мило), одержувану в результаті часткової висолки мильного клею або шліфуванням ядра.

Згідно діючих технологічних інструкцій готова мильна основа повинна містити: жирних кислот не менш 61,5 %, хлористого натрію не більше 0,4 %, неомиленого жиру не більше 0,2 % від маси жирних кислот; вміст вільного їдкого лугу повинен бути не більше 0,15 % при наступному сушінні в вакуум-камері 0,15 0,25 % при сушінні на стрічкових сушарках.

Туалетну основу одержують тільки непрямим методом як періодично -- у котлах, так і безупинно -- в апаратах безперервної дії. На українських заводах у даний час застосовується варіння в апаратах періодичної дії (у котлах) [2].

У більшості випадків за кордоном омиленню гідроксидом натрію піддають нейтральні жири з наступним вилученням гліцерину з підмильних щолоків. Відомо більш ніж 20 типів установок, які працюють під високим або атмосферним тиском, з використанням сепараторів або відстійників безперервної дії для розділення омиленої маси на ядро, підмильний щолок і підмильний клей. Технологія омилення на таких установках (котловий спосіб), здійснюється непрямим методом з одержанням основи мила з вмістом жирних кислот від 62 до 63 %. З великої кількості установок, які є працездатними і добре рекламуються, подібними за способом омилення є установки фірм "Маццоні", "Монсавон", "Альфа-Лаваль", "Шарплес", "Терман-9", "Тофман-Констапца", "Альбрехт", "Вебер і Зеєлсндер" та ін. [2,7].

На установці фірми "Альфа-Лаваль" колонного типу омилення нейтральних жирів здійснюється у чотирисекційній колоні з рециркуляцією частини омиленої маси та з використанням сепараторів. Час омилення становить 20 хв. Процеси висолювання і шліфування мила, відповідно, розчином хлориду натрія та гарячою водою проводять в колонах у безперервному потоці з розділенням фаз на сепараторах [2].

Досить досконалими щодо апаратурного оформлення є установки фірми "Маццоні", які призначені для приготування основи туалетного мила прямим безперервним способом. Слід відзначити, що фірма "Маццоні" (Італія) є визнаним світовим лідером у виготовленні технологічного обладнання для миловаріння. Вона випускає досить широкий спектр установок, продуктивність яких коливається від 500 до 15000 кг/год мильної основи і сягає 7 8 т/год готового мила. У 132 країнах світу експлуатуються 2400 миловарних поточних ліній фірми "Маццоні", що становить 47 % світового ринку обладнання для мила [2,7].

Таким чином, установки іноземного виробництва призначені для омилення виключно нейтральних жирів, тільки деякі з них працюють з використанням жирних кислот або їх метилових ефірів. Необхідність вилучення гліцерину з підмильних щолоків призводить до ускладнення технологічних схем внаслідок проведення численних промивань, лужних та соляних висолювань. Це зумовлює застосування складного та дорогого обладнання, виникає потреба також у складній системі автоматичного контролю і дозування реагентів на всіх стадіях технологічного процесу.

В основу роботи вітчизняних установок покладено двостадійну схему омилення суміші жирних кислот. За цим принципом розроблені та експлуатуються декілька установок, у яких здійснюється карбонатне омилення і каустичне доомилення [1,2,15]. Технологічний процес варіння на цих установках складається з декількох послідовних операцій:

підготовка жирової сировини;

дозування жирових і лужних компонентів;

нейтралізація жирних кислот водним розчином карбонату натрію і вилучення діоксиду вуглецю;

обробка карбонатної маси водним розчином гідроксиду натрію;

коригування мильного клею із забезпеченням фізико-хімічних показників мила, які передбачено нормативною документацією.

Слід зазначити, що за період експлуатації згадані установки (ТНБ-1, ТНБ-2, "Дон", БШМ) використовувались виключно для варіння основи господарського мила. Розроблені ще у 50-х роках минулого століття, вони вже морально і фізично застаріли.

До загальних недоліків вітчизняних установок слід віднести відсутність надійних систем автоматичного дозування початкових реагентів та автоматичного регулювання кінцевих параметрів мильної основи вмісту жирних кислот і вільного гідроксиду натрію, а також тривалість процесу та труднощі його здійснення за температур 95 100 °С до глибини карбонатного омилення близької 80 %. У зазначених установках цей показник не перевищує 60 70 % [2].

4. Основні види сировини, матеріалів

Для виготовлення туалетного мила застосовують рослинні та животні жири та інші добавки [1]. За фізико-хімічними показниками рослинні олії, що використовуються у миловарінні, повинні відповідати вимогам, які наведені у таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 - Фізико-хімічні показники рослинних олій

Олія	Густи-на, (при 15 °С), г/см3	Температура застигання, °С	Вміст, %, не більше	Йодне число, мг І2 / 100 г	ЧО, мг КОН / г
			Відстій по масі	Вологи	Неоми-лених речовин	Фосфатидів
Кокосова ГОСТ 107766- 64	0,925-0,926	23-26	0,1	0,2	0,2-0,8	-	7,0-10,5	251-264
Соняшникова ГОСТ 1129-93	0,920-0,927	16-19	0,1	0,1	0,3-0,8	0,1-0,5	119-136	186-194

Таблиця 4.2 - Органолептичні показники рослинних олій

Олія та ГОСТ	Запах та смак	Прозорість після відстоювання при 20 С тривалістю 24 години	Колір
Кокосова ГОСТ 10766-64	Властиві цій олії	Над відстоєм прозоре	При температурі 15С - білий з жовтим відтінком При температурі 40С - дозволяється трохи солом'яно-жовтий відтінок
Соняшникова ГОСТ 1129-93	Властиві цій олії	Прозоре	Жовтий

Таблиця 4.3 - Органолептичні та фізико хімічні показники для тваринних жирів

Показники	Вид жиру
	Яловичий	Свинячий
Густина при температурі 15 С, кг/м3	937-953	915-923
Температура плавлення, С	42-52	28-48
Температура застигання, С	34-38	22-32
Коефіцієнт заломлення при 40 С	1,4566-1,4583	1,4609
Число омилення, мг КОН/г	193-200	193-200
Число Генера	95-96	95-96
Число Рейхера - Мейссля	0,2-0,6	0,3-0,9
Число Поленске	0,9-1	0,3-0,5
Ацетильне число, мг КОН/г	2,7-3,6	2,6
Йодне число, г І	32-47	46-66
Роданове число	29-40	44-52
Колір при температурі 15-20 С	Від блідо-жовтого до жовтого	Білий
Консистенція при температурі 15-20 С	Тверда	Мазеподібна
Вміст вологи, %, не більше	0,2	0,25
Кислотне число, мг КОН, не більше	1,2	1,2

За органолептичними показниками туалетне мило повинно відповідати вимогам по МРТУ 18/236-68, які наведено у табл.4.4.

Таблиця 4.4 - Органолептичні показники туалетного мила

Показники	Органолептичні показники
Зовнішній вигляд	Без тріщин, прошарків, полос, нальотів, плям. Поверхня повинна бути гладкою.
Форма	Прямокутна, кругла, овальна, фігурна, без деформації, з рівним зрізом. Штамп повинен бути чітким.
Консистенція	Тверде, однорідне
Колір	Світлий, чистого тону, рівномірний, без сторонніх відтінків.
Запах	Відповідний ароматизатору, який властивий для мила цього найменування.

За фізико-хімічними показниками туалетне мило повинно відповідати нормам, що наведені у табл.4.5.

Таблиця 4.5 - Фізико-хімічні показники туалетного мила

Показники	Фізико-хімічні показники
	Дитяче	1 група	2 група	3 група
Вміст жирних кислот у масі мила, %, не менше	73,0	73,0	73,0	73,0
Вміст жирних кислот, % к масі шматка мила, не менше	751	751	751	751
Вміст вільного їдкого щелоку, % до шматка мила, не більше	0,03	0,05-0,1	0,05-0,1	0,05-0,1
Вміст вільної вуглекислої соди, % до маси шматка мила, не більше	0,20	0,20	0,25	0,30
Вміст неомилених органічних речовин та неомиленого жиру, % до маси жирних кислот, не більше	1,0	1,0	1,5	2,0
Температура застигання жирних кислот, видалених з мила, (титр), С	36-42	36-42	35-42	34-42
Вміст хлористого натрія, %, не менше	0,4	0,4	0,4	0,4
Йодне число, не більше	55,0	55,0	60,0	60,0
Початковий об'єм піни, мм, не менше	320	320	300	300

5. Опис технологічних процесів та її характеристик

5.1 Варіння мильної основи

Виготовлення основи туалетного мила із нейтральних жирів періодичним непрямим методом. Цей процес відбувається в котлах 7, 8, 9 місткістю 50 м3.

Кожний миловарний котел складається із стального циліндричного корпусу з конічним днищем і кришкою, який розміщений на стійках. Для відводу в атмосферу відпрацьованої гострої пари на кришці встановлений витяжний патрубок з шарніром. Під кришкою знаходяться кільцеподібні отвори, через які подають в котел розплавлені жири, розчини лугу, повареної солі, воду. На кришці апарату встановлені оглядові ліхтарі. Гостру пару подають через дірчасті змійовики, з допомогою яких проводять підігрів та перемішування жирів і розчинів лугу і солі. При цьому отвори на змійовиках роблять на нижній стороні труб, яка повернена до днища котла. Відстояне мильне ядро відкачують за допомогою шарнірної сифонної труби, яку обережно відпускають в котел за допомогою троса ручної лебідки. Підмильний щолок спускають через штуцер. Для періодичної чистки котла є люк. Котел оснащений теплоізоляцією і захисною обшивкою.

Перше омилення: перше омилення жирів проводять в чистих котлах. В них з мірника завантажують 1/4 1/3 частину розрахованої кількості жирів: свинячого, яловичого жиру та соняшникової олії , нагрівають і при безперервному перемішуванні паром додають до ємності, другий підмильний щолок в кількості, яка необхідна для омилення взятого жиру. На отриманому мильному клею ведуть варку. Впродовж проходження процесу омилення з мірника додають розчин каустичної соди концентрацією 15 %, підтримуючи вміст вільного лугу в межах (0,3 0,4) %.

Після омилення в мильній масі регулюють концентрацію електролітів, підтримуючи вміст хлористого натрію (0,5 0,6) % та їдкого натру (0,3 0,4) %, що необхідно для нормальної в'язкості мильної маси.

К кінцю омилення вміст мильного лугу знижують до (0,15 0,20) %, потім для нейтралізації надлишку лугу проводять контрольне кип'ятіння впродовж 15 хв. і при цій же концентрації лугу додають залишок з резерву (1,5 2,0) % жирів для нейтралізації надлишку лугу. Якщо вміст вільного лугу і жирних кислот в мильному клеї не перевищує 0,05 і 48 % відповідно, перше омилення вважають закінченим.

Перша відсолка: проводиться для вилучення із звареного мильного клею гліцерину, для очищення мильної маси від домішок. Повну відсолку мильного клею проводять розчином повареної солі, який подають окремими порціями із мірника при кип'ятінні. Потім проводять відстоювання і система розділяється на дві фази, а саме: ядро і перший підмильний щолок. Перший підмильний щолок спускається у ємність, з якої він поступає на отримання гліцерину. Відсолка вважається завершеною, якщо мило в котлі набуває зернисту будову і проба охолодженого щолоку не дає клейових виділень. Гарячий підмильний щолок повинен містити жирних кислот не більше 0,8 %, хлористого натрію близько 9 %, їдкого натру не більше 1,0 %, і гліцерину (8 10) %.

Друге омилення: у ядро, яке було отримано після першої відсолки, додають при кіп'ятінні воду з мірника, розчин каустичної соди з мірника, кокосове масло з мірника і проводять повне омилення жирової суміші. Вміст жирних кислот перед відсолкою повинен бути 58 %, а омиленого жиру не більше 0,2 %.

Друга відсолка: операцію проводять 40 % -ним розчином каустичної соди, який з мірника додають в котел при енергійному кіп'ятінні маси до появи ознак повної відсолки. Після цього кіп'ятіння продовжують ще 30 хв. Потім систему відстоюють, отримують ядро і другий підмильний щолок, який зливають в ємність. Другий підмильний щолок вміщує (6 8) % їдкого лугу і до 3 % хлористого натрію.

Шліфування і підготовка мила до відстоювання: шліфування проводять гарячою водою або розчином солі та лугу, які подають окремими порціями з мірників при кіп'ятінні. Вміст вільного лугу підтримують в межах (0,5 0,8) %, а вміст хлористого натрію - в межах (0,7 1,0) %. Після подачі кожної порції води чи розчинів електролітів проводять вирівнювання маси електролітів шляхом кіп'ятіння. В кінці шліфування в милі повинно знаходитись 61 % жирних кислот.

Відстоювання: хід аналізу контролюють аналізом на вміст жирних кислот, вільного лугу, хлористого натрію через кожні 20, 30, 36 годин. Час відстовання не менше 36 годин для котлів ємністю до 50 м3.

Якщо результати аналізу, які були отримані після 30 36 годин відстоювання, не задовольняють вимогам, що висуваються до туалетного мила, останнє зливають та проводять нову шліфовку (інколи її заміняють більш тривалим відстоюванням).

Якщо в процесі відстоювання або зливу спостерігається скипання чи перемішування маси, в результаті чого в ядрі бувають помітні прожилки, тоді також проводять повторну відсолку туалетного мила.

Зливання основи: отримана мильна основа має наступні властивості -- жирних кислот не менше 61 %, вільного їдкого лугу (0,08 0,12) %, при вакуум сушінні та при сушінні мила в стрічковій суміші, неомиляємого жиру не більше 0,2 % (від маси жирних кислот) і хлористого натрію не більше 0,4 %. Для попередження попадання в милозбірники та разом з ядром підмильного клею, шарнірну трубу опускають обережно, а перекачування припиняють, коли залишається прошарок ядра біля 25 см по висоті котла. Одночасно з перекачкою відбирають пробу для аналізу. Пробу відбирають на кінці трубопроводу, через який наповнюють милозбірник. Вміст жирних кислот в цій відібраній пробі туалетного мила повинен бути не нижчим, аніж в останній пробі, відібраній перед зливом із миловарного котла.

5.2 Механічна обробка

Підготовлена основа туалетного мила, яка знаходиться у мило збірниках, проходить через фільтр, а потім насосом подається у підігрівач, в якому мило підігрівається глухою парою до (120 140) 0С. Із підігрівача гаряче мило поступає в вакуум-сушильну башту. Там воно охолоджується та підсішується. Отримана мильна стружка через розподільний рукав поступає в розподільний шнек-прес, прикріплений до вакуумної системи. В цьому шнек-пресі виконується перша механічна обробка та ущільнення мильної стружки. При продавленні через решітку мило витягується в джгутики та розрізається на дрібні циліндри діаметром 7 мм та довжиною (50 60) мм, які мають назву "мильна вермішель"; цю "вермішель" норії передають у проміжні бункери. Із бункерів та шнек-преса мильна маса направляється у шнекову перемішувальну машину, в якій до "мильної вермішелі" із бачка з мішалкою, насосом додаються барвники, ароматизатори та інші складові, передбачені рецептурою. Туалетне мило в суміші з добавками стрічковим транспортером передається для полірування в дуплекс-пілотезу, в якій закінчується процес його механічної обробки.

Спресоване у формі безкінечного бруска туалетне мило, що виходить з мундштука дуплекс-пілотези, за допомогою мильнорізальної машини розрізається на шматки, які надходять на сітчастий конвеєр. Тут туалетне мило обдувається гарячим повітрям, трохи висушується та підводиться до штамп-пресу, який впресовує на ньому відтиск встановленого зразка.

Відштамповані шматки туалетного мила надходять в мильнообертальні автомати, якщо мило випускається в обгортці. Далі транспортер передає їх на склад готової продукції .

Водяна пара, що відходить з вакуум-сушильної башти, пропускаеться через два циклони, в яких осідає мильний пил, та далі направляється в барометричний конденсатор. Вакуум-насос підтримує в системі залишковий тиск 15 25 мм. рт. ст. Холодна вода поступає в конденсатор з коробки, відпрацьовану воду скидають у каналізацію через барометричну коробку.

6. Норми технологічного режиму

Таблиця 6.1 - Норми технологічного режиму

Найменування операції і реагентів	Тривалість	Температура	Тиск або вакуум	Кількість елементів, що завантажуються	Інші показники
1. Перше омилення
Огляд апарата	10 хв.	навк. сер.	атм.
Завантаження суміші: -свинячий жир -яловичий жир -соняшникова олія	10 хв. 10 хв. 10 хв.	навк. сер.	атм.
Завантаження суміші: -вода -Na2CO3	10 хв. 10 хв.	навк.cер. навк.сер.	атм.
Завантаження підмильного щолоку	20 хв.	навк.сер.	атм.
Нагрівання до 80 ?С	60 хв.	80 ?С	атм.
Разом:	2 год. 20 хв.
2. Перша висолка
Огляд апарата	10 хв.	навк.сер.	атм.
завантаження суміші: - вода - NaCl	10 хв. 10 хв.	80 ?С	атм.
Закінчення таблиці 6.1
Відстоювання	20 хв.	80 ?С	атм.
Разом:	50хв.
3. Друге омилення
Огляд апарата	10 хв.	навк. сер.	атм.
Завантаження суміші: - кокосова олія - NaOH - вода - Na2CO3	10 хв. 10 хв. 10 хв. 10 хв.	80 ?С 80 ?С 80 ?С 80 ?С	атм.
Витримка	200 хв.	80 ?С	атм.
Разом:	4 год. 10 хв.
4. Друга висолка
Огляд апарата	10 хв.	навк.сер.	атм.
Завантаження суміші: - вода - NaCl	10 хв. 10 хв.	80 ?С 80 ?С	атм.
Кіп'ятіння реакційної маси	30 хв.	80 ?С	атм.
Відстоювання	20 хв.	80 ?С
Вивантаження	20 хв.	навк. сер.	атм.
Разом:	1 год. 40 хв.

7. Матеріальний баланс

7.1 Вихідні дані для розрахунків

Добова продуктивність цеху 28 т/добу туалетного мила з вмістом 80 % жирних кислот, або 7140 т/рік. Середня розрахункова рецептура для туалетного мила наведені в таблиці 7.1.

Таблиця 7.1 - Рецептура готового мила

Жири	Витрати за рецептурою, %	Витрати за рецептуро кг/т
Жир яловичий	35	355,4
Жир свинячий	20,8	150,2
Олія соняшникова	35	355,4
Олія кокосова	10,02	147,2

Всього = 100,82 %; 1008,2 кг/т. Відходи і втрати складають 8,2 кг/т.

Середня молекулярна маса суміші жирних кислот:

Мср = М1 · м1 + М2 · м2 + М3 · м3 + М4 · м4, (7.1)

де М1, М2, М3, М4 - молекулярні маси яловичого жиру, свинячого жиру, соняшникової олії, кокосової олії відповідно;

м1, м2, м3, м4 - масові долі яловичого жиру, свинячого жиру, соняшникової олії, кокосової олії відповідно;

Мср(RCOOH) = 274 · 0,3 + 274 · 0,25 + 280 · 0,3 + 206 · 0,15 = 265 г/моль

Середня розрахункова рецептура туалетного мила наведена в таблиці 7.2.

Таблиця 7.2 - Середня розрахункова рецептура туалетного мила

Жири	Витрати за рецептурою а, %	Витрати за рецептурою кг/т	Титр жиру оС
Жир яловичий	35	355	45
Жир свинячий	20	150	40
Олія соняшникова	35	355	44
Закінчення таблиці 7.2
Олія кокосова	10	140	19
Разом	100	1008,2	tсм = 39,3
Відходи в підмильний клей	0,68	6,75	-
Втрати у виробництво	0,15	1,45	-
Витрати на 1 т	100,82	1008,2	-

Титр жирової суміші туалетного мила як середньозважений із титрів компонентів:

(7.2)

де t1, t2, t3, t4 - титри яловичого жиру, свинячого жиру, соняшникової олії, кокосової олії відповідно , оС;

a1, a2, a3, a4 - масові долі яловичого жиру, свинячого жиру, соняшникової олії, кокосової олії відповідно;

Продуктивність по готовому милу складає 28 т на добу, це 1167 кг за годину

1167 кг/год - 100 %; ЖК - 80 %; ЖК = 934 кг/год.

Вихідні дані

Виробництво твердого туалетного мила поділяється на 4 стадії:

Перше омилення (з1 = 0,9995);

Перша висолка (з2 = 0,9985);

Друге омилення (з3 = 0,9975);

Друга висолка (з4 = 0,9963);

Знаходимо загальний вихід:

ззаг = з1· з2· з3· з4

ззаг = 0,9995 · 0,9985 · 0,9975 · 0,9963 = 0,992

Згідно з технологічного регламенту технічного мильного клею на останню операцію висолки завантажили 19977,30 кг. Таким чином ми визнаємо масу знятого продукту з операції G0 :

G0 = 19977,30 · 0,9963 = 19903,38 кг

Після цього визначаємо перерахунковий коефіцієнт, який дорівнює

Стадія 1: Перше омилення

Таблиця 7.3 - Завантаження на операцію(перше омилення)

Найменування сировини	Мол. маса	Мас. доля, %	Маса, кг	Густина, г/дм3	Об ?єм, дм3
			Техн.	100%
Яловичий жир		Техн.	3364,98	3364,98	945
Свинячий жир		Техн.	2807,11	2807,11	919
Соняшникова олія		Техн.	3371,45	3371,45	0,923•10-3
Каустична сода		15	14190,79	2128,56

Хід розрахунку

Завантаження початкових продуктів:

Яловичий жир:

Технічна маса: 3364,98 · 0,05 = 168,25 кг

100 % маса: 3364,98 · 0,05 = 168,25 кг

Свинячий жир:

Технічна маса: 2807,11 · 0,05 = 140,36 кг

100 % маса: 2807,11 · 0,05 = 140,36 кг

Соняшникова олія:

Технічна маса: 3371,45 · 0,05 = 168,57 кг

100 % маса: 3371,45 · 0,05 = 168,57 кг

Каустична сода:

Технічна маса: 14190,79 · 0,05 = 709,54 кг

100 % маса: 2128,56 · 0,05 = 106,43 кг

Вода (85 %): 709,54 · 0,85 = 603,11 кг

Таблиця 7.4 - Матеріальний баланс стадії першого омилення

Найменування сировини	Мол.маса	Мас.доля, %	Маса, кг	Густина, кг/м3	Об ?єм, м3
			Техн.	100%
Яловичий жир		Техн.	168,25	168,25	945
Свинячий жир		Техн.	140,36	140,36	919
Соняшникова олія		Техн.	168,57	168,57	0,923•10-3
Каустична сода в т.ч.	106
а) основна речовина б) вода		15 85	709,54	106,43 603,11	1,829•10-3 1000
Разом:			709,54	709,54

Таблиця 7.5 - Завантаження на операцію(перша висолка)

Найменування сировини	Мол.маса	Мас.доля, %	Маса, кг	Густина, г/дм3	Об ?єм, дм3
			Техн.	100%
Мильний клей		Техн.	21053,78	21053,78
Розчин NaCl	58,5	20	3272,80	654,56

Хід розрахунку

Завантаження початкових продуктів:

Мильний клей:

Технічна маса: 21053,78 · 0,05 = 1052,68 кг

100 % маса: 21053,78 · 0,05 = 1052,68 кг

NaCl:

Технічна маса: 3272,80 · 0,05 = 163,64 кг

100 % маса: 654,56 · 0,05 = 32,73

Вода (80 %): 163,64 · 0,8 = 130,91 кг

Результати розрахунку зведені в таблиці 7.6

Таблиця 7.6 - Матеріальний баланс стадії першої висолки

Найменування сировини	Мол.маса	Мас.доля, %	Маса, кг	Густина, г/дм3	Об ?єм, дм3
			Техн.	100%
Мильний клей		Техн.	1052,68	1052,68
NaCl в т.ч. а)основна речовина б)вода	58,5	20 80	163,64	32,73 130,91	2,165•10-3 1000
Разом:			163,64	163,64

Таблиця 7.7 - Завантаження на операцію(друге омилення)

Найменування сировини	Мол.маса	Мас.доля, %	Маса, кг	Густина, г/дм3	Об ?єм, дм3
			Техн.	100%
Ядро		Техн.	17666,61	17666,61
Кокосова олія		Техн.	1693,44	1693,44	0,925•10-3
Каустична сода	106	40	758,52	303,41	1,829•10-3
NaOH	40	Техн.	3,528	3,528	2,13•10-3

Хід розрахунку

Завантаження початкових продуктів:

Ядро:

Технічна маса: 17666,61 · 0,05 = 883,33 кг

100 % маса: 17666,61 · 0,05 = 883,33 кг

Кокосова олія:

Технічна маса: 1693,44 · 0,05 = 84,67 кг

100 % маса: 1693,44 · 0,05 = 84,67 кг

Каустична сода:

Технічна маса: 758,52 · 0,05 = 37,93 кг

100 % маса: 303,41 · 0,05 = 15,17 кг

Вода (60 %): 37,93 · 0,6 = 22,76 кг

NaOH:

Технічна маса: 3,528 · 0,05 = 0,176 кг

100 % маса: 3,528 · 0,05 = 0,176 кг

Результати розрахунку зведені в таблиці 7.8:

Таблиця 7.8 - Матеріальний баланс стадії другого омилення

Найменування сировини	Мол.маса	Мас. доля, %	Маса, кг	Густина, г/дм3	Об ?єм, дм3
			Техн.	100 %
Ядро		Техн.	883,33	883,33
Кокосова олія		Техн.	84,67	84,67	0,925•10-3
Каустична сода в т.ч. а)основна речовина б)вода	106	40	37,93	15,17 22,76	1,829•10-3 1000
Разом:			37,93	37,93
NaOH	40	Техн.	0,176	0,176	2,13 •10-3

Таблиця 7.9 - Завантаження на операцію(друга висолка)

Найменування сировини	Мол. маса	Мас. доля, %	Маса, кг	Густина, г/дм3	Об ?єм, дм3
			Техн.	100%
Мильний клей		Техн.	19977,30	19977,30
Розчин NaCl	58,5	40	3166,09	1266,43

Хід розрахунку

Завантаження початкових продуктів:

Мильний клей:

Технічна маса: 19977,30 · 0,05 = 998,87 кг

100 % маса: 19977,30 · 0,05 = 998,87 кг

NaCl:

Технічна маса: 3166,09 · 0,05 = 158,30 кг

100 % маса: 1266,43 · 0,05 = 63,32

Вода (60%): 158,30 · 0,6 = 94,98 кг

Результати розрахунку зведені в таблиці 7.10.

Таблиця 7.10 - Матеріальний баланс стадії другої висолки

Найменування сировини	Мол.маса	Мас.доля %	Маса, кг	Густина, г/дм3	Об ?єм, дм3
			Техн.	100%
Мильний клей В т.ч. натрові мила яловичого жиру; Натрові мила свинячого жиру Натрові мила соняшник-кової олії Натрові мила ЖК яловичого жиру Натрові мила ЖК свинячого жиру вода Неомиляємі ЖК гліцерин			223 157 220 2,65 2,20 1,2 57,8	223 157 220 400
Разом:			1098,87	1000
NaCl В т.ч. а)основна речовина б)вода	58,5	40	158,30	63,32 94,98	2,165•10-3 1000
			158,30	158,30

8. Технологічний розрахунок устаткування

Задачею технологічного розрахунку ємкісного устаткування в хімічній промисловості є визначення кількості апаратів та їхніх об'ємів, необхідних для забезпечення заданої потужності виробництва на окремих стадіях.

Річна потужність виробництва складає Gp = 7140 т/рік, час виготовлення продукту Т = 330 діб.

Добова потужність виробництва, т/діб

(8.1)

т/діб

Кількість операцій за добу, необхідних для забезпечення добової потужності

(8.2)

де Go - знімання продукту з однієї операції.

Кількість операцій за добу по кожній стадії, яку можна виконати в одному апараті

(8.3)

де t - тривалість стадії в годинах;

- кількість операцій на добу.

в1 = 24 / 1,5 = 16; в2 = 24 / 6 = 4; в3 = 24 / 1,15 = 20,86

Розрахункове число апаратів на кожній стадії, необхідне для забезпечення заданої потужності виробництва:

(8.4)

Nр1 = 1,08 / 16 = 0,07; Nр2 = 1,08 / 4 = 0,27; Nр3 = 1,08 / 20,86 = 0,05

Отримане значення Nр округляють до більшого цілого числа та одержують настановне число апаратів - Nу.

Для даної технології необхідно:

Nу1 = 1 апарат; Nу2 = 1 апарат; Nу3 = 1 апарат.

Необхідний об'єм реакційного апарата на даній стадії технологічного процесу, м3:

(8.5)

де Vр - робочий об'єм апарата (об'єм реакційної маси в ньому), м3.

Його можна знайти за формулою :

Vр = Vт · G0, (8.6)

де Vт - об'єм реакційної маси на даній стадії процесу в перерахуванні на 1т готового продукту (за даними матеріальних розрахунків).

Vр1 = 1,186 • 19,9=23,62 м3; Vр2 = 1,216 • 19,9 = 25,2 м3; Vр3 = 1,006 • 19,9 = 21,02 м3

VA1 = 23,26 / 0,8 = 30,1 м3

VA2 = 25,2 / 0,8 = 32 м3

VA3 = 21,02 / 0,8 = 28,3 м3

Вибираємо реактор згідно з Технічним каталогом обладнання ВАТ "Полтавхіммаш" 2004 р. з номінальним об'ємом 50 м3.

9. Теплотехнічний розрахунок реакційних апаратів

Хімічна переробка сировини та матеріалів зазвичай пов'язана з витратою або відводом тепла. У зв'язку з цим при проектуванні хімічних виробництв виникає необхідність розрахунку поверхні теплообміну, а також кількості теплоносія або холодоагенту.

В даний час для отримання складних органічних речовин (напівпродуктів, барвників, лікарських препаратів та ін.) застосовуються, як правило, хімічні реактори періодичної дії. В основі теплового розрахунку таких реакторів лежить закон збереження енергії, відповідно до якого для будь - якого теплового процесу складається рівняння теплового балансу: у лівій частині представлений прихід тепла, а в правій - його витрата. У загальному поданні це рівняння має такий вигляд:

Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6 (9.1)

де Q1 - тепло, внесене в апарат із сировиною, що завантажується, кДж;

Q2 - тепло, що підводиться до реактора з теплоносієм або відводиться від реактора з холодоагентом, кДж;

Q3 - тепловий ефект процесу, що складається з теплових ефектів фізичних або хімічних перетворень, що проходять в апараті, кДж;

Q4 - тепло, що утримується в кінцевих компонентах реакційної маси, кДж;

Q5 - тепло, що витрачається на нагрівання реактора, кДж;

Q6 - тепло, що витрачається реактором у навколишнє середовище, кДж.

Метою теплового розрахунку є складання теплового балансу для кожного етапу теплового процесу, що проходить в реакторі, і визначення на його основі величини Q2 -- кількості тепла, що підводиться до реактора або відводиться від нього. Потім за значенням Q2 розраховуються необхідні кількості теплоносіїв (глухої або гострої пари, гарячої води) або холодоагентів (холодної води, розсолу, льоду), за значенням яких можна буде розрахувати економічні показники проектованого виробництва.

Крім того, якщо розрахунок проводиться для випадків теплопередачі через оболонку або змійовик апарата, за знайденими для кожного етапу значенням Q2 можна розрахувати необхідну поверхню теплообміну, здатну передати цю кількість тепла за визначений час.

9.1 Побудова графіка залежності температури ведення процесу від часу і визначення температурних зон

У реакторах періодичної дії процес, як правило проходить при перемінних температурах у часі. Відповідно до графіка зміни температури весь тепловий процес розбивають на ряд зон, кожна з яких відповідає визначеному етапу в проведенні технологічного процесу технологічного процесу (рис. 9.1).

Рівняння теплового балансу для кожної температурної зони:

І зона Q1 + Q2 = Q4 + Q5 + Q6

II зона Q2 + Q3 = Q6

Розрахунок 1-ї зони:

Q1 + Q2 = Q4 + Q5 + Q6

Розраховуємо кількість тепла, що утримується у вихідних компонентах і в кінцевих продуктах Q1 і Q4. Фізичне тепло, що утримується у вихідних компонентах Q1 або в кінцевих продуктах реакційної маси Q4, знаходять з виразу:

 , (9.2)

де Gi - вага кожного з компонентів початкових або кінцевих сполук, кг;

ci - питома теплоємність речовини, кДж / кг•К;

ti - температура речовини, оС.

Вагові кількості речовин Gі беруть за даними завантажень на операцію (по технологічному регламенту).

Значення теплоємностей різних речовин можна знайти в довідковій літературі:

С(суміші жирів ) = 2,3045 кДж / кг•К

С(соняшникової олії) = 1,7 кДж / кг•К

С(водного розчину каустичної соди 15%) = 3,67 кДж / кг•К

С(вода) = 4,19 кДж/кг•К.

Фізичне тепло, що утримується у вихідних компонентах Q1:

Q1 = (2,3045?6172,09+1,7 ? 3371,45+4,19? 603,11) ? 20 + (2128,56 ? 3,67?80) = = 10925866,6 кДж

Фізичне тепло, що утримується у кінцевих компонентах Q4:

Q4 = (2,3045?6172,09+1,7 ? 3371,45+4,19? 603,11 + 2128,56 ? 3,67) ? 80 = = 2423510,4 кДж

Розрахунок тепла, що витрачається на нагрівання реактора Q5

У ході протікання процесу частина тепла витрачається на нагрівання корпуса реактора Q'5 і на нагрівання ізоляції реактора Q''5. Загальна кількість тепла, що витрачається на нагрівання частин реактора:

(9.3)

Кількість тепла, що витрачається на нагрівання корпуса реактора:

, (9.4)

де G - вага корпуса або окремих його частин, кг;

c - питома теплоємність матеріалу корпуса або окремої його частини, кДж/кг•К;

tWcpк - середня температура стінки реактора, що відповідає закінченню нагрівання у даній зоні, оС;

tн - початкова температура стінки реактора у даній зоні, оС.

Середня температура tWcpк дорівнює середньому арифметичному між температурою стінки з боку теплоносія tW1к та температурою стінки з боку реакційної маси, до моменту закінчення нагрівання у даній зоні tW2к :

°С

Кількість тепла, що витрачається на нагрівання корпуса реактора:

Q'5 = 32760 ? 0,5 (81,45 - 20) = 1006551 кДж

Для теплового процесу, в якому реактор нагрівається теплоносієм через оболонку протягом декількох температурних зон з періодичним східчастим підвищенням температури, кількість тепла, що витрачається на нагрівання ізоляції Q5", розраховується тільки для першої зони, в якій почалося нагрівання. Для випадків нагрівання реакційної маси шляхом подачі в оболонку апарата теплоносія з невисокою температурою або охолодження маси шляхом подачі холодоагента в оболонку апарата Q5" взагалі не розраховується.

Загальна кількість тепла, що витрачає на нагрівання частин реактора:

Q5 = Q'5 = 1006551 кДж

Розрахунок втрат тепла в навколишнє середовище Q6

У зв'язку з тим, що ізольована поверхня реактора і його неізольована частина мають, як правило, різні значення температури, втрати тепла в навколишнє середовище обчислюють роздільно для ізольованої й неізольованої частини реактора й знаходять їхню суму за формулою 9.5:

, (9.5)

де Fн - поверхня неізольованої частини реактора, м2;

Fиз - поверхня ізольованої частини реактора, м2;

бн - коефіцієнт тепловіддачі від неізольованої поверхні реактора в навколишню середу, Вт / м2•К;

біз - коефіцієнт тепловіддачі від ізольованої частини реактора в навколишню середу, Вт / м2•К;

ф - тривалість процесу в даній зоні, година;

tнст - середня температура зовнішньої поверхні неізольованої частини реактора за період часу, оС;

tізст - середня температура зовнішньої поверхні ізольованої частини реактора за період часу, яка дорівнює 40 оС;

tв - температура навколишнього повітря, яка дорівнює 20 оС.

Значення бн і біз можуть бути визначені з наступних виразів:

(9.6)

(9.7)

,

де t1 і t2 - початкова і кінцева температури реакційної маси в даній зоні, оС.



Загальна кількість тепла, що йде у навколишнє середовище:

Q6 = (4,9·18,6·(34,5?20)+6,5·11,14·(40-20))·1,5·3,6 = 14956,54 кДж

Кількість тепла, що підводиться з теплоносієм Q2