年產(chǎn)噸洗衣皂工藝設(shè)計(jì)

1、年產(chǎn)15000噸洗衣皂生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)1. 總論設(shè)計(jì)項(xiàng)目：年產(chǎn)15000噸洗衣皂生產(chǎn)工藝產(chǎn)品簡(jiǎn)介：洗衣皂的主要成分是碳原子數(shù)在8-22的脂肪酸鈉鹽，其化學(xué)通式可用RCOONa表示，其中R代表烴基，屬于陰離子表面活性劑，具有乳化、發(fā)泡、潤(rùn)濕和去污等性能。目前，洗衣皂產(chǎn)量約占洗滌劑的30%，全年產(chǎn)量達(dá)75萬(wàn)噸左右。洗衣皂的型號(hào)很多，根據(jù)脂肪酸鈉鹽的含量分類，有42型、47型、53型、56型、60型、65型、72型等。本設(shè)計(jì)中擬生產(chǎn)53型洗衣皂，即脂肪酸鈉鹽含量為53%的洗衣皂。洗衣皂產(chǎn)品質(zhì)量要求：形狀端正，色澤均勻；圖案、字跡清楚；無(wú)不良異味；總的脂肪物實(shí)際質(zhì)量不低于標(biāo)準(zhǔn)總脂肪物質(zhì)量的95%，游離堿（

2、NaOH）0.3%。（由于本設(shè)計(jì)為假定的設(shè)計(jì)，因此有關(guān)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中的其他項(xiàng)目如廠址、工廠的總平面設(shè)計(jì)、原料的供應(yīng)、燃料的種類、水電氣的來(lái)源等均從略）2. 生產(chǎn)方式的選擇肥皂生產(chǎn)分為兩大工序：第一是油脂或脂肪酸被堿皂化制成皂基；第二是皂基中加入各種添加劑，經(jīng)過(guò)不同工藝制成各種成品皂。皂基是各種成品皂的原料。2.1皂基的制備皂基制備是肥皂生產(chǎn)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、鹽等物質(zhì)。皂基經(jīng)過(guò)干燥、添加各種非肥皂成分及機(jī)械加工，可制得不同的皂塊、皂片、皂粒和皂粉等。皂基制備的基本原理可用化學(xué)反應(yīng)式表示如下：皂基制備的方法很多，有老式的冷制皂法和半沸制皂法，間歇

3、式沸煮制皂法及現(xiàn)代的連續(xù)皂化法，其工序可用簡(jiǎn)圖表示如下： 冷制皂法和半沸制皂法不能將甘油、色素等雜質(zhì)進(jìn)行分離，成皂質(zhì)量無(wú)法保證。因此，國(guó)內(nèi)肥皂廠已不采用這兩種方法生產(chǎn)皂基。沸煮法，又稱大鍋煮皂法，是指皂化反應(yīng)在直接蒸汽的翻動(dòng)沸煮下進(jìn)行。由于反應(yīng)在沸煮下進(jìn)行，油脂與堿的比例可在皂化的過(guò)程中加以調(diào)節(jié)，因而可以精確地達(dá)到所要求的皂化程度。沸煮法整個(gè)操作周期需50-60h，時(shí)間長(zhǎng)、蒸汽耗量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、占地面積大是該法的主要缺點(diǎn)，方便、靈活、操作容易、投資費(fèi)用少是其主要優(yōu)點(diǎn)。但隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，在能源消耗等技術(shù)指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)的今天，沸煮法已不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。連續(xù)皂化法是現(xiàn)代化的生產(chǎn)方法，它將

4、油脂和氫氧化鈉采用均一且高速接觸的方式進(jìn)行皂化。這種方法能使堿和油脂充分接觸，不僅生產(chǎn)效率高，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，是比較成熟的工業(yè)生產(chǎn)方法，目前國(guó)外肥皂大公司大都采用連續(xù)化生產(chǎn)工藝。從設(shè)計(jì)的角度看，選擇連續(xù)皂化法是合理的。但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還必須考慮其他因素，如：市場(chǎng)的需求，投資成本，水電氣來(lái)源，勞動(dòng)力成本（勞動(dòng)就業(yè)與化工生產(chǎn)自動(dòng)化水平的關(guān)系）等。2.2洗衣皂的生產(chǎn)從連續(xù)煮皂設(shè)備所生產(chǎn)的洗衣皂皂基，經(jīng)進(jìn)一步加工，即可制取洗衣皂。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的不同，洗衣皂的生產(chǎn)方法分為冷板車法和真空干燥法。冷板工藝即采用冷板冷卻成型制皂，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)容易控制，但其最大的缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。而20

5、世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)成功的真空冷卻成型工藝使洗衣皂的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化流水作業(yè)。真空冷卻成型不僅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且洗衣皂產(chǎn)品組織細(xì)膩均一，質(zhì)地堅(jiān)硬，外觀光潔，泡沫豐富，是今后肥皂工業(yè)發(fā)展的方向。我國(guó)大多數(shù)制皂廠已推廣采用。因此，在本設(shè)計(jì)中選擇真空冷卻成型工藝。3工藝流程簡(jiǎn)介整個(gè)生產(chǎn)工藝流程如下圖所示：3.1連續(xù)皂化法目前世界上最常用的連續(xù)皂化法是采用“恒組分控制系統(tǒng)”的阿法-拉伐爾離心純化法。它是全封閉、全自動(dòng)的皂化法。整個(gè)過(guò)程分皂化、洗滌及整理3個(gè)階段，工藝流程圖如圖1所示（日用化學(xué)品P56）。皂化階段皂化時(shí)，油脂和28%的NaOH溶液分別經(jīng)過(guò)濾和預(yù)熱器由定量泵6、7進(jìn)入皂化塔1，經(jīng)過(guò)混合泵3的

6、作用使油與液堿很快皂化。油脂與液堿分別由恒位槽4、5供應(yīng)，這樣既穩(wěn)定了進(jìn)料壓力，使流量穩(wěn)定，又能去除物料中的空氣。向塔中加入液堿的量是采用“恒組分控制系統(tǒng)”來(lái)控制的。該控制系統(tǒng)主要是利用皂膠的黏度隨肥皂中電解質(zhì)含量的不同而變化的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在某一電解質(zhì)區(qū)域中，電解質(zhì)與黏度有著特別靈敏的關(guān)系。恒組分控制系統(tǒng)就是利用測(cè)出的黏度變化來(lái)控制和調(diào)節(jié)燒堿的加入量，使皂化始終處于堿性，但游離堿含量又不高的情況下完成。皂基黏度變化是在循環(huán)泵進(jìn)出口兩端測(cè)出的。皂化反應(yīng)完成之后，皂膠由塔上部排出，排出量與循環(huán)量之比為1:4。對(duì)新加入的油脂而言，皂化始終從皂化率80%開(kāi)始。由于大量肥皂的存在，油脂與堿一入塔就溶解

7、在肥皂中，使皂化反應(yīng)大大加快，只需兩分鐘皂化率就可達(dá)到99.8%，當(dāng)肥皂離開(kāi)塔頂時(shí)，皂化率已達(dá)99.95%，游離堿的含量?jī)H在0.2%左右。洗滌階段中性油脂經(jīng)皂化后，必須把含甘油的廢液從肥皂中洗滌出來(lái)，以提高皂基的質(zhì)量和甘油的回收率。阿法-拉伐爾采用全逆流二次鹽水洗滌工藝。（加入一定濃度的飽和食鹽水，使肥皂-脂肪酸的鈉鹽從溶液中析出）鹽析的目的主要是回收甘油，同時(shí)也去除一部分色素和雜質(zhì)。一定濃度的鹽水經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入恒位槽13和混合器15，在混合器中與一定量的水混合，調(diào)節(jié)適宜濃度，由定量泵10打入第二級(jí)洗滌混合器11中，由整理段來(lái)的皂腳及離心機(jī)9來(lái)的皂粒也同時(shí)進(jìn)入，在混合器中混合均勻后進(jìn)入分離機(jī)12

8、進(jìn)行分離，分出的半廢液逆流到第一級(jí)洗滌混合器8中與皂化皂混合（全逆流二次鹽水洗滌工藝），再經(jīng)離心機(jī)9分離出廢液和肥皂。廢液送入甘油回收車間回收甘油，肥皂則進(jìn)入第二級(jí)混合器11。第二級(jí)洗滌離心機(jī)12分出的肥皂進(jìn)入整理工序。該洗滌單元效益高。整個(gè)洗滌時(shí)間僅10 min左右，皂粒中甘油可降到0.2%以下，廢液中含甘油量在12%以上。整理工序整理是皂基生產(chǎn)的最后步驟。雖然經(jīng)過(guò)洗滌階段，大量色素和雜質(zhì)已隨廢液出去，但仍有部分雜質(zhì)溶于皂液中。因此整理操作是皂基質(zhì)量的最后一步凈化。該整理工序在整理塔16中進(jìn)行。一定濃度的整理液經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入恒位槽19，再進(jìn)入混合器22，在此與定量水混合調(diào)整到需要濃度，然后由定

9、量泵21輸入整理塔16。在整理塔中，肥皂形成皂基和皂腳兩相，從塔頂直接進(jìn)入離心機(jī)18進(jìn)行分離，皂腳回到洗滌工序，皂基則輸入成型車間生產(chǎn)洗衣皂。連續(xù)皂化法所獲得的皂基質(zhì)量高，在皂基中脂肪酸鈉鹽含量62%左右，電解質(zhì)總量0.4%-0.5%。3.2真空冷卻制皂真空出條法生產(chǎn)洗衣皂時(shí)，皂基、填充料及其他助劑先在調(diào)缸中調(diào)和均勻，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，送入真空冷卻器，使其冷卻凝固，再經(jīng)過(guò)真空出條、滾印、切塊、烘涼后即可裝箱，其工藝流程見(jiàn)圖2（制皂工藝P168）。洗衣皂中所加的填充料主要有泡化堿、香精、鈦白粉和鈣皂分散劑等。泡化堿俗稱水玻璃，化學(xué)名稱為硅酸鈉（Na2O·nSiO2），是由不同比例的氧化鈉與

10、二氧化硅結(jié)合而成。泡化堿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穩(wěn)定性（在洗滌過(guò)程中對(duì)污垢起乳化和分散作用）；改善肥皂的外觀，使肥皂光滑細(xì)膩；緩沖肥皂內(nèi)的游離堿對(duì)皮膚的刺激及織物的破壞；軟化硬水，減少肥皂的消耗；防止氧化和增加肥皂硬度等。另外，泡化堿較油脂低廉，所以目前生產(chǎn)的洗衣皂中大多采用泡化堿為填充料。鈦白粉的化學(xué)名稱為二氧化鈦（TiO2），為白色粉末，有較高的不透明度和遮蓋力。在肥皂中加入0.2%可以解決真空壓條皂的發(fā)暗現(xiàn)象，且光澤好，可減弱油膩感覺(jué)。加入鈣皂分散劑可以防止肥皂與硬水中的鈣、鎂離子生成不溶于水，無(wú)洗滌能力的鈣、鎂皂。在真空冷卻生產(chǎn)工藝流程中有兩只調(diào)缸，

11、一只用于配料，另一只用于中間儲(chǔ)存。配料調(diào)缸（P168頁(yè)的圖中未畫(huà)出）及中間調(diào)缸都是鋼制的夾套圓鍋，內(nèi)有漿式攪拌器，轉(zhuǎn)速為30-35r/min，夾層中通入蒸汽以給肥皂保溫。配料調(diào)缸中肥皂的溫度在70-95通過(guò)過(guò)濾器及皂泵，輸?shù)街虚g調(diào)缸中，再由皂泵把肥皂輸進(jìn)真空冷卻室的空心轉(zhuǎn)軸。真空冷卻脫去肥皂中的水分（脫去的水分一般是肥皂總重量的4%），并使肥皂冷卻凝固成固態(tài)皂。真空冷卻室的真空度根據(jù)肥皂產(chǎn)品脂肪酸含量的要求而定，一般情況可參考表1控制。表1 生產(chǎn)不同脂肪酸含量的洗衣皂所需的真空度（以絕對(duì)壓強(qiáng)表示）洗衣皂脂肪酸含量/%真空室殘壓/kPa53-5660-6572左右真空冷卻設(shè)備中所用的壓條機(jī)都是雙

12、螺桿的。這樣由于兩只螺桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使真空冷卻室中刮下的肥皂不宜堆積，能順利壓出。壓條機(jī)螺桿處的機(jī)身帶夾套，通冷卻水冷卻，水溫宜在20以下，溫度過(guò)高，肥皂發(fā)軟、黏，出條不暢。由真空冷凝室排出的廢氣中會(huì)含有少量的皂粉，為回收皂粉，必須經(jīng)過(guò)兩只旋風(fēng)分離器后再進(jìn)入真空系統(tǒng)。一般所用典型的旋風(fēng)分離器，直徑0.9m左右，高度要適應(yīng)真空冷卻室的蒸汽排出口高度，同時(shí)可作為皂粉的儲(chǔ)器以便于出粉。第一只旋風(fēng)分離器的總高約為6m，第二只總高為8m左右。由于回收皂粉的數(shù)量不多，因此可以采用間歇出粉，每周清理一次。在壓條機(jī)后安裝自動(dòng)滾印切塊機(jī)，可利用肥皂出條時(shí)的推力，使?jié)L印機(jī)、切塊機(jī)自動(dòng)滾印、切塊。經(jīng)自動(dòng)切塊機(jī)切出的

13、皂塊隨即進(jìn)入長(zhǎng)龍式簡(jiǎn)單吹冷風(fēng)的皮帶烘房?jī)?nèi)，停留2-5min后裝箱。4初步物料計(jì)算（采用逆流程方向進(jìn)行計(jì)算，連續(xù)生產(chǎn)工藝，為層次清晰，分為洗衣皂的生產(chǎn)和皂基的制備兩部分進(jìn)行物料衡算）4.1洗衣皂的生產(chǎn)（所需皂基的量和各種添加劑的量）為了使物料衡算簡(jiǎn)單化，假定在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)物料損失。當(dāng)然這在事實(shí)上是不可能的，故在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)予以修正。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，洗衣皂的年生產(chǎn)能力為15000噸。年工作日按328天計(jì)算。每晝夜的生產(chǎn)能力為：15000/328=45.732噸/天每晝夜24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，則每小時(shí)生產(chǎn)能力為：45.732/24=1.906t/h肥皂在真空條件下冷卻，蒸發(fā)掉4%的水分，因此進(jìn)入真空冷

14、卻室的物料量應(yīng)為：1.906/（1-4%）=1.985t/h設(shè)計(jì)生產(chǎn)含53%脂肪酸的洗衣皂(53型)時(shí)，考慮到真空冷卻階段蒸發(fā)掉4%的水分，調(diào)缸中的皂料應(yīng)配成含脂肪酸鈉鹽49%。皂基脂肪酸鈉鹽含量以65%計(jì)，因此進(jìn)入調(diào)缸的皂基質(zhì)量為：1.985×49%/65%=1.496t/h又已知鈣皂分散劑的加入量為10%，香精、鈦白粉等為0.4%，配料調(diào)缸的容量相當(dāng)于真空冷卻設(shè)備1h的產(chǎn)量。因此鈣皂分散劑的加入量為：1.985×10%=199kg香精、鈦白粉等的加入量為：1.985×0.4%=8kg泡化堿的加入量為：1985-（1496+199+8）=282kg4.2皂基的制

15、備由阿法-拉伐爾離心純化法生產(chǎn)的皂基中甘油含量約為0.18%，NaOH含量?jī)H為0.05%，可以忽略不計(jì)，即認(rèn)為皂基中含有65%的脂肪酸鈉鹽，35%的水分。皂基中的脂肪酸鈉鹽含量為：1.496×0.65=0.972t（由此計(jì)算出生產(chǎn)0.972t脂肪酸鈉鹽所需的油脂和NaOH溶液的量）已知肥皂的組成如表2 所示。表2 肥皂的組成名稱分子式摩爾質(zhì)量（kg/kmol）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）月桂酸鈉C11H23COONa22210豆蔻酸鈉C13H27COONa25010棕櫚酸鈉C15H31COONa27825硬脂酸鈉C17H35COONa30615油酸鈉C17H33COONa30440(脂肪酸組成為月

16、桂酸10%，豆蔻酸10%，棕櫚酸25%，硬脂酸15%，油酸40%的油脂是比較理想的油脂配方)經(jīng)加權(quán)平均計(jì)算得出肥皂的平均摩爾質(zhì)量為：222×10%+250×10%+278×25%+306×15%+304×40%=284.2 kg/kmol皂基中所含脂肪酸鈉鹽的摩爾數(shù)約為：972/284.2=3.420kmol由反應(yīng)方程式可知1mol油脂可以生成3mol肥皂（假定皂化率為100%，阿法-拉伐爾離心純化法的皂化率為99.95%），油脂的摩爾數(shù)為：3.420/3=1.140kmol已知油脂的皂化值為210，由此計(jì)算出油脂的平均摩爾質(zhì)量為：168300

17、/210=801.4kg/kmol（皂化1g油脂所需要的的質(zhì)量mg稱為該油脂的皂化值，用表示。油脂的平均相對(duì)分子質(zhì)量××）所需油脂的質(zhì)量為：801.4×1.140=914kg/h=0.914t/h皂化時(shí)所需28%的NaOH溶液的質(zhì)量為：914×210×40/（56.1×1000×28%）=489kg/h=0.489t/h（皂化油脂所需的燒堿量m油脂××（××溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）已知阿法-拉伐爾離心純化法產(chǎn)生的廢液量與皂基的質(zhì)量比約為60:100，因此產(chǎn)生的廢液量約為：1.496×

18、0.6=0.898t/h在連續(xù)皂化法的洗滌和整理階段，鹽水和整理液的加入量由“恒組分控制系統(tǒng)”控制，在此不作計(jì)算。5.主要設(shè)備5.1阿法-拉伐爾皂化塔阿法-拉伐爾皂化塔由下塔（a、b段）和上塔（c段）組成，如圖3所示（日用化學(xué)品P56）。下塔被一塊擋板隔成a、b兩段，b段中又由一塊孔板分隔。循環(huán)泵（P-1）將物料從b段的頂部回流到a段底部。堿液由定量泵（DP-1）提供，從循環(huán)管進(jìn)入，使塔底肥皂含有一定量的過(guò)量堿。油脂由定量泵（DP-2）進(jìn)入皂化塔的b段，經(jīng)過(guò)混合泵（P-2）的作用使油與堿液很快皂化，然后進(jìn)入c段，排出皂化塔。排出量與循環(huán)量之比為1:4。該皂化塔是一個(gè)全封閉系統(tǒng)，皂化塔的出口由恒

19、壓閥控制以保持塔內(nèi)壓力穩(wěn)定，在加壓下進(jìn)行皂化，皂化溫度可提高到125。這樣不僅能生產(chǎn)60%脂肪酸鈉鹽含量的皂基（皂化溫度為95-100），而且能生產(chǎn)72%-73%以上的皂基。5.2真空冷卻設(shè)備目前國(guó)內(nèi)采用的真空冷卻設(shè)備，結(jié)構(gòu)大致相同（見(jiàn)圖4）制皂工藝P171，是一個(gè)密閉的圓柱形鑄鐵容器，底、頂均為錐形。筒內(nèi)裝有緊貼壁身的轉(zhuǎn)動(dòng)刮刀，由空心轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)。物料通過(guò)空心轉(zhuǎn)軸經(jīng)噴嘴噴到筒壁上。噴頭與刮刀安裝角度為90°。刮刀處于前導(dǎo)位置。對(duì)于典型的每小時(shí)2噸（2×24×328=15744t/年）產(chǎn)量的真空冷卻室，主要尺寸如下：冷卻室直徑：1500mm；高：1400mm；錐底高：

20、450mm；錐頂高：200mm；噴頭孔徑：10mm。冷卻室要維持25mmHg的殘壓，使室內(nèi)水的沸點(diǎn)降到26以下，這樣當(dāng)90的料漿從噴口噴出的時(shí)候，水分劇烈汽化，肥皂溫度迅速降到26以下，并立即在筒壁上固化，隨即由刮刀鏟下，鏟下的皂片隨即落入錐底下的壓條機(jī)的料斗里。與真空冷卻室配套的是雙螺桿壓條機(jī)。目前國(guó)內(nèi)定型的產(chǎn)品為螺桿直徑為300mm，轉(zhuǎn)速20r/min。一臺(tái)壓條機(jī)的生產(chǎn)能力為2-4t/h。6.三廢治理與環(huán)境保護(hù)6.1從制皂廢水中回收甘油阿爾法-拉法爾離心純化法制皂廢水中含有14.1%-15.7%的甘油。甘油在涂料工業(yè)、日用化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)以及食品工業(yè)中具有廣泛的用途。目前，我國(guó)的甘油約有60%來(lái)源于皂化廢液。皂化廢液回收甘油的生產(chǎn)包括以下四個(gè)過(guò)程：廢液經(jīng)過(guò)化學(xué)處理沉淀和過(guò)濾除去各種雜質(zhì)，即凈化過(guò)程；蒸發(fā)濃縮，回收廢液中的氯化鈉，提高甘油濃度，制成