Расчет расхода щелочи на обработку соапстока

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:

t_см=∑t_заст*а^ᵒС (1)

где t_заст - 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

G_м =RCOOH +Na – H.

Выход безводного мыла в процентах к массе (весу) израсходованных карбоновых кислот находят из уравнения:

G_м ={(М_ж +М_н – 1)/М_ж}*100. (2)

Расход карбоновых кислот на образование мыла в процентах к его массе (весу) составляет:

G_ж ={ М_ж /(М_ж +М_н – 1)}*100 (3)

Где М_ж – молекулярная масса карбоновых кислот, израсходованных на варку мыла;

М_н – молекулярная масса щелочного металла, образующего соль карбоновой кислоты;

1 – атомная масса водорода.

Пример: При получении натриевого мыла стеариновой кислоты выход безводного мыла составит:

G_м*с = {(284,5 +23 - 1)/284,5}*100 = 107,7%

Соответственно расход жирных кислот:

G_ж*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):

G_х*м = {(282 + 39 – 1)/282}*100 = 113,4%

Расход жирных кислот подсолнечного масла получение калийного мыла согласно уравнению (3):

G_х*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:

G_м ={ М_ж*Ж_к +М_н – 1)/ М_ж }*100 (4)

Расход нейтральных жиров на получение безводного мыла находят из уравнения:

G = { М_ж/(М_ж* Ж_к +М_н – 1)}*100 (5)

В этих уравнениях Ж_к – 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:

G_м ={ 282*0,9569 +39 – 1)/ 282 }*100 =109,16%

Расход саломаса в процентах к массе полученного мыла будет:

G_н = (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 +…+a_n/M_n = n₁+n₂+…+ n_n = G/M_ср (5а)

Откуда: M_ср= G/ N

Где N – число молей смеси кислот;

M_1, M_2,… M_n – молекулярная масса компонента;

а – масса (вес) компонента в смеси, кг;

n – число молей компонента;

G – масса смеси, кг;

M_ср – 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:

M_ср67= G/ N₆₇ = 100/ 0, 3703 = 270;

Средняя молекулярная масса жировой смеси 72%-ного мыла:

M_ср72= 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 Пальмовое Пальмоядровое кокосовое			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: арахисовое подсолнечное соевое рапсовое рыжиковое льняное			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
говяжий бараний свиной конский костный			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
Саломас подсолнечный Саломас соевый			107,8 107,9	92,8 92,8	13,1 13,3	14,2 14,3
Жирозаменители:
Синтетические жирные кислоты: Фракции С10 – С16 Фракции С17 – С20 Канифоль Таловое масло Нафтеновые 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 М_ср67 – 270, выход базводного калийного мыла в процентах согласно уравнению (2) составит:

G_м={(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 M_ср72 = 265, выход безводного калийного мыла (в %) составляет G_м = {(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 Фракция С10 – С16 Фракция С17 – С20 Жирные кислоты говяжьего саломаса Канифоль Нафтеновые кислоты дистиллированные	-	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

Щ_ж=М_щ/М_ж ,кг/кг (6)

Где М_щ – молекулярная масса применяемой щелочи.

То же, к массе образующегося безводного мыла

Щ_м = М_щ/(М_ж + М_щ - 1),кг/кг (7)

Например, теоретический расход калийной щелочи на образование безводного мыло из стеариновой кислоты по уравнению (6) будет

Щ_ж=56/284,5 = 0,196 кг/кг или 19,6%.

То же, из жирных кислот подсолнечного масла:

Щ_ж=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):

Щ_м =56/(282+39 - 1)=0,175 кг/кг или 17,5%.

Расход щелочи на варку мыла из расщепленных жиров можно определить по числу нейтрализации Н_с из уравнения:

Щ_ж = (Н_с* М_щ)/56,1, кг/т (8)

Так на варку мыла из жирных кислот подсолнечного масла с коэффициентом нейтрализации Н_с = 203, по уравнению (8) расход щелочи составит:

Щ_ж= (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:

Щ_см = уМ_щ/М_ср кг/т,

где у – расход жирных кислот на 1т мыла, кг;

М_ср – 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 М_ср67 = 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 М_ср72 = 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:

Щ_см = (у∑Н_саМ_щ)/56,1*1000 кг/т (10)

Где Н_с – число нейтрализации компонентов, входящих в состав жировой смеси;

а – содержание компонентов в смеси,% вес.

В таблице 5 приведено значение ∑Н_са 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 ∑Н_са 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:

Щ_н= (О*М_щ)/56,1 кг/т (11)

Например, на варку мыла из нейтрального жира с числом омыления О=195 расход щелочи составит:

Щ_н=(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 О_щ1 = 0,17% или 1,7кг/т. остаток свободной углекислой щелочи колеблется в пределах 0,3 – 0,5% от массы мыла; принимают О_к = 0,4% или 4кг/т. В пересчете на каустическую соду остаток кальцинированной соды.

О_щ2 = О_к*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 + О_щ1+О_щ2 = 139,6+1,7+2,8= 144,1кг/т

б) для 72%-го мыла

Щ₇₂=Щ₇₂ + О_щ1+О_щ2 =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 = М_щ*x /М_щ (12)

Где М_щ*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:

К_67n={Щ₆₇*0,80f+O_k)*1,01}/0,97 ={(139,6*0,8*0,95+4)*1,01}/0,97=114,6кг/т

(13)

Расход каустической соды соответственно:

Щ_67n={(Щ₆₇*0,2+О_щ1)*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:

Щ_67у= К67/f+Щ67n=114,6/0,95 +32,5=153,1кг/т. (15)

Производя аналогичные расчеты для 72%-го мыла, находят:

К_72n={Щ₇₂*0,80f+O_к)*1,01}/0,97={(152,8*0,8*0,95+4)*1,01}0,97=140кг/т

Расход продажной каустической соды соответственно:

Щ_72n={(Щ₇₂*0,2+О_щ1)*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:

Щ_72у=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.