Продуктовый баланс
Расчеты расхода сырья и материалов на производство мыла проводятся на примере проекта мыловаренного цеха мощностью 100 т жидкого мыла в сутки.
Титр жировой смеси мыла рассчитывают по уравнению:
tсм=∑tзаст*аᵒС (1)
где tзаст - титр каждого компонента жировой смеси, ᵒС;
а- содержание компонента в жировой смеси, % вес.
Как показывают практические данные, титр жировой смеси, содержащий синтетические жирные кислоты, фракции С10 – С16, несколько ниже получаемого по уравнению (1) в связи с образованием эвтектических смесей.
Титр жировой смеси мыла, принято для последующих расчетов, приведен в таблице 1.
| Компоненты сырья | tзаст | Мыло с содержанием жирных кислот | |||
| 67% | 72% | ||||
| А | (tзаст*а)/100, ᵒС | а | (tзаст*а)/100, ᵒС | ||
| Жирные кислоты: | |||||
| Подсолнечного саломаса | (48*30)/100=14,4 | (48*20)/100=9,6 | |||
| Хлопкового соапстока | (30*8)/100=2,4 | - | - | ||
| Хлопкового соапстока дистиллированного | - | - | (48*10)/100=3,0 | ||
| Синтетисеские жирные кислоты: | |||||
| С10 –С16 | (28*20)/100=5,6 | (28*25)/100=7,0 | |||
| С17 – С20 | (48*25)/100=12,0 | (48*25)/100=12,0 | |||
| Жирные кислоты животного сала | - | - | (44*15)/100=6,6 | ||
| Канифоль | (28*10)/100=2,8 | (28*5)/100=1,4 | |||
| Нафтеновые кислоты дистиллированные | (10*7)/100=0,7 | - | - | ||
| Титр смеси | - | - | tсм=∑tзаст*а=37,9 | - | tсм=∑tзаст*а=39,6 |
Расход жиров, жирозаменителей и щелочей, используемых в производстве мыла, зависит от молекулярных масс реагирующих веществ.
Реакцию образования мыла из индивидуальных жирных или нафтеновых кислот можно представить следующей схемой:
RCOOH +NaOH↔ RCOONa +H2O.
Следовательно выход безводного мыла по массе (весу)составляет
Gм =RCOOH +Na – H.
Выход безводного мыла в процентах к массе (весу) израсходованных карбоновых кислот находят из уравнения:
Gм ={(Мж +Мн – 1)/Мж}*100. (2)
Расход карбоновых кислот на образование мыла в процентах к его массе (весу) составляет:
Gж ={ Мж /(Мж +Мн – 1)}*100 (3)
Где Мж – молекулярная масса карбоновых кислот, израсходованных на варку мыла;
Мн – молекулярная масса щелочного металла, образующего соль карбоновой кислоты;
1 – атомная масса водорода.
Пример: При получении натриевого мыла стеариновой кислоты выход безводного мыла составит:
Gм*с = {(284,5 +23 - 1)/284,5}*100 = 107,7%
Соответственно расход жирных кислот:
Gж*с = {284,5/(284,5 +23 - 1)}*100% = 92,8%
При выработке мыла из жирных кислот, выделяемых из природных жиров или получаемых синтетическим путем, выход его и удельный расход жирных кислот рассчитывают, исходя из средней молекулярной массы последних. Так, например, выход калийного мыла из смеси жирных кислот подсолнечного масла согласно уравнению (2):
Gх*м = {(282 + 39 – 1)/282}*100 = 113,4%
Расход жирных кислот подсолнечного масла получение калийного мыла согласно уравнению (3):
Gх*ж = {282/(282 +39 - 1)}*100 = 88,12%
При омылении нейтральных жиров проводят одновременно две реакции: гидролиз триглицеридов с отщеплением глицерина и нейтрализация жирных кислот по следующей схеме:
C3H5(RCOO)3 + 3KOH ↔ 3RCOOK + C3H5(OH)3
Выход безводного мыла в процентах к массе израсходованных триглицеридов можно рассчитать по уравнению:
Gм ={ Мж*Жк +Мн – 1)/ Мж }*100 (4)
Расход нейтральных жиров на получение безводного мыла находят из уравнения:
G = { Мж/(Мж* Жк +Мн – 1)}*100 (5)
В этих уравнениях Жк – выход жирных кислот в процентах к массе (весу) триглицеридов. Так, например, при получении калийного мыла из подсолнечного саломаса выход его в процентах от массы (веса) израсходованных жиров:
Gм ={ 282*0,9569 +39 – 1)/ 282 }*100 =109,16%
Расход саломаса в процентах к массе полученного мыла будет:
Gн = (282*100)/(282*0,9569 +39 - 1) = 91,6
При варке мыла из смеси жирных кислот и жирозаменителей их среднюю молекулярную массу находят из уравнения:
N = a1/M1 +a2/M2 +…+an/Mn = n1+n2+…+ nn = G/Mср (5а)
Откуда: Mср= G/ N
Где N – число молей смеси кислот;
M1, M2,… Mn – молекулярная масса компонента;
а – масса (вес) компонента в смеси, кг;
n – число молей компонента;
G – масса смеси, кг;
Mср – средняя молекулярная масса смеси кислот.
Для вычисления средней молекулярной массы какой-либо смеси жирных кислот, состав которой известен, необходимо найти число молей каждой из жирных кислот, входящих в смесь.
Для упрощения расчетов принимают G=100кг.
Для G = 100кг жировой смеси мыла, рецептура которого приведена в таблице 1, среднюю молекулярную массу жировой смеси находят следующим образом (таблица 2).
Средняя молекулярная масса жировой смеси 67%-ного мыла:
Mср67= G/ N67 = 100/ 0, 3703 = 270;
Средняя молекулярная масса жировой смеси 72%-ного мыла:
Mср72= G/ N72 = 100/ 0, 3778 = 265.
Таблица 2.
| Компоненты сырья | Мж | Мыло с содержанием жирных кислот | |||
| 67% | 72% | ||||
| а, кг | Число молей | а, кг | Число молей | ||
| Жирные кислоты: | |||||
| Подсолнечного саломаса | 30/282=0,1067 | 20/282=0,0709 | |||
| Хлопкового соапстока | 8/276=0,029 | - | - | ||
| Хлопкового соапстока дистиллированного | - | - | 10/726=0,0362 | ||
| Синтетисеские жирные кислоты:0 | |||||
| С10 –С16 | 20/220=0,0909 | 25/220=0,1136 | |||
| С17 – С20 | 25/284=0,088 | 25/284=0,088 | |||
| Жирные кислоты животного сала | - | - | 15/274=0,0548 | ||
| Канифоль | 10/350=0,0287 | 5/350=0,0143 | |||
| Нафтеновые кислоты дистиллированные | 7/260=0,027 | - | - | ||
| Всего | - | N67=0,3703 | N72=0,3778 |
В таблице 3 приведены рассчитанные данные теоретического расхода жирных кислот и щелочей на получение калийного мыла и выход мыла в процентах к массе (весу) израсходованных жирных кислот. Все расчеты сделаны на 100%-ное безводное мыло.
Таблица 3.
| Жир используемый для варки мыла | Расход жирных кислот и щелочи на образование безводных мыл | |||||
| Едкий калий,% к массе | ||||||
| мыла | Жирных кислот | |||||
| Растительные масла | ||||||
Твердые
| 108,1 110,2 110,7 | 92,5 90,8 90,4 | 13,7 16,8 17,6 | 14,7 18,5 19,3 | ||
Жидкие:
| 107,8 107,8 107,9 107,2 107,6 107,8 | 92,7 92,7 92,6 93,2 93,0 92,7 | 13,2 13,3 13,4 12,1 12,9 13,3 | 14,2 14,3 14,4 13,0 13,8 14,3 | ||
| Животные жиры | ||||||
| 108,0 108,1 108,0 108,0 107,9 | 92,6 92,5 92,6 92,6 92,6 | 13,4 13,6 13,5 13,5 13,4 | 14,6 14,7 14,6 14,6 14,4 | ||
| Гидрированные масла | ||||||
| 107,8 107,9 | 92,8 92,8 | 13,1 13,3 | 14,2 14,3 | ||
| Жирозаменители: | ||||||
Синтетические жирные кислоты:
| 110,0 107,7 106,4 107,1 108,5 | 90,9 92,8 94,0 93,5 92,3 | 16,6 13,2 10,7 12,0 14,3 | 18,2 14,2 11,4 12,9 15,7 |
Как видно из таблицы 3, выход мыла из основных видов растительных и животных жиров и фракции С17 – С20 синтетических жирных кислот колеблется в пределах 108 + 0,3% от массы израсходованных жирных кислот. Для масел содержащих большое количество низкомолекулярных жирных кислот (кокосовое, пальмоядровое), а также для фракции С10 – С16 синтетических жирных кислот выход масла повышается до 110,0 – 110,7%. При варке мыла, содержащих большое количество высокомолекулярных кислот, например, из рапсового масла, выход мыла снижается до 107,2%.
Выход масла из канифоли и талового масла составляет 106,4 – 107,1% от массы содержащихся в них кислот; соответственно для нафтеновых кислот – 108,5%; этот выход колеблется в зависимости от молекулярной массы нафтеновых кислот.
Приведенные выше уравнения для расчета расхода жиров и жирозаменителей позволяют определить теоретический расход их на получение безводного (100%-го) мыла, без учета потерь в производстве.
Практически в заводской практике все расчеты по расходу жиров и щелочей ведут на условную (статистическую единицу) мыла – мыло с содержанием 40% жирных (смоляных и нафтеновых) кислот либо на товарное мыло в зависимости от сорта, содержащего 40, 60, 66 – 68, 72 % жирных кислот.
Потери жиров, жирных кислот и мыла в производстве включают прямые потери при варке и обработке мыла и косвенные потери вследствие колебаний веса готового мыла.
Потери жиров при варке мыла зависят от принятого метода производства; при косвенном методе они увеличиваются за счет растворения некоторого количества мыла в подмыльном щелоке.
Суммарные потери жиров на мыловаренных заводах при прямом методе варки не превышают 0,5% от массы израсходованных жиров, включая потери глицероля, содержащегося в недорасщепленных триглицеридах. Расход жирных кислот и жирозаменителей на выработку 67%-ного и 72%-ного мыла приведен в таблице 4.
При средней молекулярной массе жирового набора 67%-ного мыла Мср67 – 270, выход базводного калийного мыла в процентах согласно уравнению (2) составит:
Gм={(270+39 – 1)/270}*100= 114,0%
Следовательно, в товарном мыле, содержащем 67% жирных кислот собственно мыла, имеется:
G67 = (67*114,0)/100 = 76,38%.
Здесь не расчетов «содержание влаги в товарном мыле» (формула 6)
Соответственно в 72%-ном мыле, жировой набор которого имеет среднюю молекулярную массу Mср72 = 265, выход безводного калийного мыла (в %) составляет Gм = {(265+39 – 1)/265}*100 = 114,3
Таблица 4
| Компоненты мыла | Мыло с содержанием жирных кислот | |||
| 67% | 72% | |||
| а,% | Gж,кг/т | а,% | Gж,кг/т | |
Жирные кислоты
· Подсолнечного саломаса
Синтетические жирные кислоты
| - | 202,0 134,7 168,3 - 67,3 47,1 | - | 144,7 180,9 180,9 180,5 36,2 - |
| Всего В пересчёте на условное 40%-ное мыло | - | 619,4 (619,4*40)/67=369,7 | - | 651,2 (651,2*40)/72=361,7 |
Примечание: Расчет сделан на прямой метод варки мыла. Отходы при дистилляции жирных кислот и при обработке соапстока в таблице не учтены.
В товарном мыле, содержащем 72% жирных кислот, собственно мыла имеется G72 = (72*114,3)/100= 82,96%.
Расход щелочи на образование безводного (100%-ного) мыла на 1кг израсходованных жирных кислот находят из уравнения
Щж=Мщ/Мж ,кг/кг (6)
Где Мщ – молекулярная масса применяемой щелочи.
То же, к массе образующегося безводного мыла
Щм = Мщ/(Мж + Мщ - 1),кг/кг (7)
Например, теоретический расход калийной щелочи на образование безводного мыло из стеариновой кислоты по уравнению (6) будет
Щж=56/284,5 = 0,196 кг/кг или 19,6%.
То же, из жирных кислот подсолнечного масла:
Щж=56/282 = 0,198 кг/кг или 19,8%.
Расход калийной щелочи к массе мыла, полученного из жирных кислот подсолнечного масла, определяют по уравнению (7):
Щм =56/(282+39 - 1)=0,175 кг/кг или 17,5%.
Расход щелочи на варку мыла из расщепленных жиров можно определить по числу нейтрализации Нс из уравнения:
Щж = (Нс* Мщ)/56,1, кг/т (8)
Так на варку мыла из жирных кислот подсолнечного масла с коэффициентом нейтрализации Нс = 203, по уравнению (8) расход щелочи составит:
Щж= (203*56)/56,1 = 202,6 кг/м или 20,2%.
При варке товарного мыла с различным содержанием жирных кислот из смеси расщепленных жиров и жирозаменителей теоретический расход щелочи определяется по уравнению:
Щсм = уМщ/Мср кг/т,
где у – расход жирных кислот на 1т мыла, кг;
Мср – средняя молекулярная масса жировой смеси, расходуемой на варку мыла.
Так на варку мула с содержанием 67% жирных кислот (при расхаде жирных кислот 673,3 кг/т и при Мср67 = 270) расход калийной щелочи составляет
Щ67=(673,3*56)/270=139,6кг/т
То же, мула с содержанием 72% жирных кислот (при расхаде жирных кислот 723,5 кг/т и при Мср72 = 265)
Щ72=(723,5*56)/265=152,8кг/т.
При варке мыла из смеси жиров и жирозаменителей, число нейтрализации жирных кислот которых известно, теоретический расход щелочи определяется уравнением:
Щсм = (у∑НсаМщ)/56,1*1000 кг/т (10)
Где Нс – число нейтрализации компонентов, входящих в состав жировой смеси;
а – содержание компонентов в смеси,% вес.
В таблице 5 приведено значение ∑Нса для жировой смеси 67%-ного мыла.
Таблица 5.
| Компонент жировой смеси | а, %вес. | Нс | Нса |
| Жирные кислоты подсолнечного саломаса | (252*38)/100=95,7 | ||
| Синтетические жирные кислоты фракцияС10– С16 фракция С17 – С20 | (255*25)/100=63,7 (197*20)/100 = 39,4 | ||
| Канифоль | (160*10)/100=16,0 | ||
| Нафтеновые кислоты дистиллированные | (215*7)/100=15,0 | ||
| Итого | - |
Подставляя значение ∑Нса в уравнение (10) находим:
Щ67 =(673,3*246*56)/(56,1*1000) = 165,3 кг/т
При омылении нейтральных жиров теоретический расход щелочей находят по числу омыления из уравнения:
Щн= (О*Мщ)/56,1 кг/т (11)
Например, на варку мыла из нейтрального жира с числом омыления О=195 расход щелочи составит:
Щн=(195*56)/56,1=194,6 кг/т
На практике расход щелочи несколько выше теоретического за счет того, что при варке мыла оставляют в нем некоторое количество свободной щелочи – едкой или углекислой.
Остаток свободной едкой щелочи в мыле колеблется в пределах 0,15 – 0,2% от массы последнего. Для расчетов принимают Ощ1 = 0,17% или 1,7кг/т. остаток свободной углекислой щелочи колеблется в пределах 0,3 – 0,5% от массы мыла; принимают Ок = 0,4% или 4кг/т. В пересчете на каустическую соду остаток кальцинированной соды.
Ощ2 = Ок*0,71 = 0,4,*0,71 = 0,28% = 2,8кг/т
Расход едкой щелочи на варку мыла (с учетом остатка в нем свободной щелочи) составит:
а) для 67%-го мыла
Щ67=Щ67 + Ощ1+Ощ2 = 139,6+1,7+2,8= 144,1кг/т
б) для 72%-го мыла
Щ72=Щ72 + Ощ1+Ощ2 =152,8+1,7+2,8=157,3кг/т
При варке различных мыл применяют едкие и углекислые соли натрия и калия. При производстве жидких мыл, как правило применяют калиевые щелочи. Общий расход щелочей на варку мыла обычно рассчитывают по каустической соде; при переходе к другим щелочам пользуются переводными коэффициентами, которые могут найдены из уравнения:
F = Мщ*x /Мщ (12)
Где Мщ*x – эквивалентная масса щелочи, расход которой определяют.
В таблице 6 приведены рассчитанные переводные коэффициенты при переходе от одного вида щелочи к другому.
Таблица 6.
| Щелоч | Переводной коэффициент (f) для применения щелочи | |||
| NaOH | KOH | Na2CO3 | K2CO3 | |
| NaOH | 40/40=1 | 50/56,1=0,71 | 40/53=0,76 | 40/,69,1=0,58 |
| KOH | 56,1/40=1,4 | 56,1/56,1=1 | 56,1/53=1,06 | 56,1/69,1=0,81 |
| Na2CO3 | 53/40=1,33 | 53/56,1=0,95 | 53/53=1 | 53/69,1=0,77 |
| K2CO3 | 69,1/40=1,73 | 69,1/56,1=1,24 | 69,1/53=1,3 | 698,1/69,1=1 |
ПРИМЕЧАНИЕ: 40; 56,1; 53; 69,1 – эквивалентная масса соответственно NaOH; KOH; Na2CO3; K2CO3.
Для расчета расхода на варку мыла каустической и кальцинированной соды отдельно необходимо установить глубину карбонатного омыления. По данным жироперерабатывающих заводов применительно к непрерывному методу варки мыла можно принять глубину карбонатного омыления около 80%. Остальные 20% кислот, включая содержащиеся в расщепленном жире глицериды, подвергают каустическому доомылению.
Расход продажной кальцинированной соды на варку 67% -го мыла составит:
К67n={Щ67*0,80f+Ok)*1,01}/0,97 ={(139,6*0,8*0,95+4)*1,01}/0,97=114,6кг/т
(13)
Расход каустической соды соответственно:
Щ67n={(Щ67*0,2+Ощ1)*1,01}/0,92 = {(139,6*0,2+1,7)*1,01}/0.92=32,5кг/т
(14)
Где 0,97; 0,92 – содержание соответственно кальцинированной и каустической соды в продажных содопродуктах;
1,01 – коэффициент, учитывающий потери содопродуктов.
Общий расход содопродуктов на варку 67%5-го мыла в пересчете на каустическую соду:
Щ67у= К67/f+Щ67n=114,6/0,95 +32,5=153,1кг/т. (15)
Производя аналогичные расчеты для 72%-го мыла, находят:
К72n={Щ72*0,80f+Oк)*1,01}/0,97={(152,8*0,8*0,95+4)*1,01}0,97=140кг/т
Расход продажной каустической соды соответственно:
Щ72n={(Щ72*0,2+Ощ1)*1,01}/0,92 = {(152,8*0,2+1,7)*1,01}/0.92=34,7кг/т
Удельный расход содопродуктов в пересчете на каустическую соду:
Щ72у=140/0,95+34,7= 182кг/т
Расчет расхода щелочи на обработку соапстока.
Для принимают, что на обработку поступает соапсток подсолнечного масла следующего состава:
Таблица 7.
| Состав соапсточного жира | Количество (в пересчете на жир) | |
| % | Кг. | |
| Омыленный жир | ||
| Нейтральный жир | ||
| Неомыляемые вещества | ||
| Итого |
На основе практических данных принимают, что 50% неомыляемых веществ разрушается и уходит с подмыльными щелоками, а 50% остается в обработанном соапсточном мыле.
Выход обработанного соапстока в пересчете на жирные кислоты составит:
Ж= 500=420*0,956,+0,5*80 = 942кг/т
Расход едкого калия на омыление 0,42т нейтрального жира, содержащегося в соапстоке, согласно уравнению (11) будет:
Щ1=(0,42 *195*56,1)/56,1=81,9кг/т
На реакцию с примесями, находящимися в соапстоке, расходуется примерно 0,3кг едкого калия на каждый килограмм разрушенных неомыляемых веществ или
Щ2=(80*50*0,3)/100=12кг/т
Обработку соапстока ведут многократной его вытолкой. Принимая количество сбрасываемого щелока 200% от массы жира в соапстоке и остаток свободной едкой щелочи в подмыльном щелоке 0,3%, находят потери едкого калия в щелоке.
Щ3 =1000*2*0,003=6кг/т
При отстаивании мала получают соапсточное ядро, Содержащее 60% жирных кислот и 0,3% свободной едкой щелочи. Расход едкого калия на образование свободного остатка щелочи составляет:
Ш3= (942*0,003)/0,6=4,7кг/т
Общий расход товарной каустической соды на получение мыла из соапстока составляет (в пересчете на 1т жирных кислот)
Щ=(81,9+12+6+4,7)/(0,942*0,92)=120кг/т
По сравнению с варкой мыла из обычных жиров расход щелочи в донном случае уменьшается за счет того, что в соапстоке содержится значительное количество омыленного жира.
При вводе в жировую рецептуру мыла 8 – 10% соапсточного ядра возможная экономия щелочи составляет 0,5 – 0,6% от веса мыла. Обычно ее в расчет не принимают.
При варке мыла с большим содержанием соапстоков, как это наблюдается в мыловаренных цехах при маслобойных заводах, экономия каустической соды может быть весьма существенной и ее следует учитывать.
