連續(xù)皂化和中和系統(tǒng)（二）

（劉偉毅 張育新 譯，歐陽志 校）

（上接第8期第70頁）

3 皂料

在純皂-堿液兩相區(qū)，皂料隨著電解質含量的變化而變化。圖10展示了三種類型的皂料。正常?；韺⒊霈F(xiàn)于堿液極限濃度線附近。當電解質含量較低時，顆粒會軟化，直至再無明顯分離。從軟粒圖中可見。當電解質增加到純皂-堿液區(qū)的右側，皂粒變得更加堅硬。更堅硬的皂粒出現(xiàn)更白的頂點，且更加成束。硬皂粒使更多的堿液存在于皂粒中。當正常皂料出現(xiàn)時，甘油的排出效果最好。

圖10 皂料

3.1 Wigner的模型

NaCl和NaOH在從堿液相中分離出的皂中的分布對連續(xù)皂化系統(tǒng)的正確操作至關重要。洗用堿液決定了已離心皂中的NaCl和NaOH含量。1940年，J.H. Wigner提出了一個被分離皂和堿液相間的NaCl、NaOH和甘油分布的模型。Villela和Suranyi（Spitz，1996）對Wigner的模型進行了精彩的討論。表2為該模型的圖解表示法。模型表明：

? 皂凝乳由含有66%的總脂肪性物質（TFM）的皂水合物與混合堿液構成。66%的TFM皂水合物不能被分離成不連續(xù)相，皂凝乳將始終含有一些混合堿液。

? 電解質存在于混合堿液和分離堿液中，但不會出現(xiàn)在皂水合物的結合水中。混合堿液和分離堿液的電解質含量是相當?shù)摹?/p>

? 皂中的堿液為結合水與混合堿液的和。甘油以相同的濃度出現(xiàn)于包括結合水在內的所有水相中。

通過一個簡單的計算示例可說明本模型的功能。示例1：

假設1000kg含有0.5% NaCl的62%的TFM純皂從堿液溶液中離心分離。計算該分離堿液中NaCl的含量。

首先，必須計算66%的水合皂的含量。

水合皂=1000×0.62TFM) / (水合皂中的0.66 TFM) = 939.39 (kg) 皂水合物

如果939.39kg的純皂是水合皂，余數(shù)便是混合堿液，混合堿液=1000–939.39=60.61 (kg)

純皂中所有的NaC1都含在混合堿液中。混合堿液中NaC1的濃度=1000×0.5% / 60.61=8.25% 。

因為混合堿液的構成與分離堿液相同，該堿液中NaCl的含量為8.25%。

NaOH的計算過程與此類似。從實踐經驗的角度來看，下列值適用于皂和分離堿液中NaCl與NaOH的關系：

? 洗用堿液中每存在1%的NaCl，純皂中便存在0.066%的游離NaCl。

? 洗用堿液中每存在1%的NaOH，純皂中便存在0.07%的游離NaOH。

3.2 甘油洗滌設備

洗滌系統(tǒng)開始于反應皂混合物的冷卻，隨后是廢堿液分離。洗滌系統(tǒng)的關鍵部分是RDC液/液萃取塔，即洗用堿液從液體皂中提取甘油的地方。最后一步是對洗滌塔頂部的皂所攜帶的洗用堿液進行離心。

3.3 冷卻和廢堿液排出

大部分的皂化系統(tǒng)在120-140℃之間操作，降低皂化皂的溫度是實現(xiàn)甘油排出所需的純皂和堿液分離所必需的。通常，這種溫度降低是在冷卻混合器中進行的。進入冷卻混合器的皂化皂被流過攪拌槽內部導管的水冷卻。皂的溫度85℃通過調整通過導管的冷卻水的流速進行控制。然后，被冷卻的皂/堿液的液流流入靜態(tài)分離器中，并在此處停留至逗留時間，以便將皂從廢堿液中分離。廢堿液從靜態(tài)分離器的洗滌系統(tǒng)中流出，以便進行進一步的甘油回收處理。皂繼續(xù)進入洗滌塔。

最近的技術進步已經取代了冷卻混合器系統(tǒng)，目前設備制造商主要生產兩種系統(tǒng)。

表2 Wigner模型的圖解表示

(1) 閃蒸冷卻器。Mazzoni LB提供了閃蒸冷卻器系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用皂從皂化系統(tǒng)獲得的可用溫度在靜態(tài)分離器之前閃蒸冷卻皂/堿液混合物。以蒸汽形式閃蒸出來的水分被用于預熱原材料。隨后，閃蒸后的皂料被泵至靜態(tài)分離器，排出廢堿液。本系統(tǒng)相對于冷卻混合器的優(yōu)點是廢堿液中的甘油含量較高（40%）、能源效率增加和機械可靠性較高。

(2) 冷卻廢堿液回收。Binacchi和其他冷卻廢堿液回收系統(tǒng)，如圖11所示。在該系統(tǒng)中，通過板框式熱交換器（即該蒸汽被冷卻的地方）泵取從靜態(tài)分離器中回收的廢堿液的液流。冷卻的廢堿液被注入離開了反應器的皂化皂中。廢堿液和皂的混合物在靜態(tài)混合器中混合，然后被送至靜態(tài)分離器，以排出廢堿液。本系統(tǒng)相對于冷卻混合器的優(yōu)點是降低了機械產生的問題，減少了裝置的布局。

3.4 洗用和半廢堿液排出

甘油排出系統(tǒng)的關鍵部分是圖12所示的洗滌塔。洗滌塔是一種RDC逆流式液/液萃取塔。來自靜態(tài)分離器的未洗滌皂和殘留堿液進入洗滌塔的底部。洗用堿液進入洗滌塔的頂部附近。因為皂的密度低于洗用堿液，皂上升到洗滌塔的頂部，并以已洗滌皂的形式溢至離心機中。洗用堿液下沉至洗滌塔的底部，并從此處以半廢堿液的形式排出。來自離心機的堿液被回收至洗滌塔的頂部。

圖11 Binacchi “CSWE-3”連續(xù)皂化冷卻廢堿液回收系統(tǒng)

圖12 RDC塔（由SOAPTEC srl提供）

圖13 RDC細節(jié)（由SOAPTEC srl提供）

圖13展示了洗滌塔上部和底部的內部細節(jié)。洗滌塔由一系列的混合和沉淀區(qū)構成，即我們通常所稱的塔板。各階段包括一個連接于釜內部直徑的金屬固定環(huán)，以及一個連接于攪拌軸的扁平轉盤，該攪拌軸在洗滌塔的大部分長度范圍內運轉。大部分洗滌塔設計含有40個塔板。隨著未洗滌皂在洗滌塔中上升，其將分別在轉盤和固定環(huán)處先后進行混合和分離。這一系列的混合與分離階段是為了將甘油從皂中排出作準備。

3.5 堿液和純皂分離

從洗滌塔頂部排出的皂料大約有15%-20%的廢堿液殘留。皂洗滌系統(tǒng)的最后一步是將殘留的廢堿液離心并回收至洗滌塔的頂部。已排出堿液的純皂，繼續(xù)進入中和系統(tǒng)。離心是專為肥皂和堿液分離設計的。圖14展示了典型的離心配置。肥皂和殘留的廢堿液通過進料管進入離心機，而該進料管可將液流引導至碗狀容器的底部。以大約5000r/min的速度旋轉的碗狀容器將皂和堿液分離。堿液在碗狀容器的外部旋轉至葉輪配水盤，然后從該配水盤排出，返回至洗滌塔的頂部。純皂旋轉至碗狀容器的中心，并進入另一個葉輪配水盤，然后從該配水盤排出，進入中和系統(tǒng)。皂和堿液排出口上的止回閥是為了使堿液從皂中適當分離。離心機的設計被改善，以提高機械可靠性，并使純皂8000 kg/h的容量達到62%的TFM。大部分的連續(xù)皂化系統(tǒng)都配備了一臺離心機，以便進行清洗和維修。

圖14 皂/堿液離心機配置

3.6 甘油洗滌效率

合理控制的洗滌系統(tǒng)將使純皂中存在大約0.1%-0.2%的甘油。幾個關鍵因素對實現(xiàn)良好的甘油去除效果非常重要：

(1) 洗用堿液中的電解液應接近堿液濃度的限值。必須根據(jù)使用的脂肪/油混合物對電解液進行調整。使用這種正常皂粒（相對于硬皂粒）能使排出的甘油最多。

(2) 洗滌塔中提取級數(shù)量的增加會提高甘油排出量。如今系統(tǒng)中的大部分洗滌塔都包括40個提取級。

(3) 應通過實驗合理設置洗滌塔攪拌器的速度。攪拌器速度太慢無法實現(xiàn)充分混合。攪拌器速度太快會導致級間逆混和較差的分離效果。

(4) 進入洗用堿液的甘油的含量必須低于0.3%。鹽的回收在甘油回收過程中進行，并被反向回收至連續(xù)皂化系統(tǒng)。制皂者必須控制甘油在鹽中的含量，以避免廢堿液中存在過量甘油。

(5) 可改變洗滌比例/堿液的數(shù)量，以改變甘油的排出。這兩種措施都體現(xiàn)了每制得一單位的皂所使用的廢堿液的數(shù)量。

4 中和

連續(xù)皂化過程的最后一步是調整從離心機中排出的純皂的堿度。通常，離心后的純皂的氫氧化鈉含量為0.2%-0.3%的NaOH，確切數(shù)量取決于廢堿液中NaOH的濃度。NaOH被減少至成品皂訂貨規(guī)格所規(guī)定的最終含量，通常為0.01%-0.08%。過量NaOH的減少通過添加脂肪酸或皂化過程中使用的相同的月桂酸實現(xiàn)。

4.1 中和設備

中和過程的最后一步所使用的設備系統(tǒng)與皂化系統(tǒng)的設計類似。圖15展示了典型的中和系統(tǒng)。從離心機排出的皂進入中和槽。從中和器中排出的回收皂液流通過高剪切混合裝置（即渦流分散機）泵送。中和劑加入到高剪切攪拌機中。高剪切攪拌機的作用是將皂中的NaOH和中和劑均勻混合。均勻混合加快了反應速度。從高剪切攪拌機中排出的產品返回至中和槽中。成品規(guī)格皂的連續(xù)液流從中和槽排出。通過pH控制系統(tǒng)實現(xiàn)對成品皂的NaOH含量控制。pH控制系統(tǒng)改變了進入系統(tǒng)的經過計量的脂肪酸的數(shù)量，目的是維護成品皂中NaOH含量的穩(wěn)定。大部分的pH探針是自清潔式的，并可被拆下，以便在設備運行的同時進行維護/校準。

圖15 Binacchi “CSWE-3”連續(xù)皂化中和系統(tǒng)

4.2 可商購的系統(tǒng)

在前面的概述中，一些示例來自可商購的系統(tǒng)。目前可購買的設備已經進行了設計改進，目的是提高能源效率，通過降低轉化時間和產品逗留時間提高靈活性，通過簡化設備設計減少裝置維護，減少裝置布局區(qū)域的要求和提供靈活的操作系統(tǒng)，以使系統(tǒng)在未排出甘油的情況下運行，為半沸制皂過程操作留有余地。目前可商購的系統(tǒng)簡述如下：

Mazzoni LB S.p.A.—SCNT-N設備

本系統(tǒng)（如圖16所示）于2001年上市。設計的關鍵特征包括：帶質量流量計的離心計量泵；能夠將皂化逗留時間減少8-10 min的管式反應器系統(tǒng)；可容納廢堿液中40%甘油和減少能源消耗（100 kg 3 bar蒸汽/1000 kg純皂）的閃蒸冷卻器系統(tǒng)；一個可被用作獨立的脂肪酸中和系統(tǒng)的管式中和器設計。該裝置的產能為3-20 t/h。

? Binacchi Co.—CSWE 3裝置

本裝置在前文圖2中描述過。該設計的關鍵特征：提高計量準確度的帶質量流量計的容積式計量泵；利用垂直反應器系統(tǒng)減少裝置布局尺寸；回收冷卻的廢堿液以降低皂化混合物溫度，從而使裝置布局降低、產品逗留時間減少。能量消耗預計為120kg 3 bar蒸汽/1000 kg純皂。該裝置的產能為2-16 t/h。

? Sela GmbH—KVN 裝置

與Binacchi的CSWE 3系統(tǒng)設計類似，裝置的產能為0.3-13噸/小時。

5 脂肪酸連續(xù)中和

5.1 綜述

連續(xù)制皂工藝始于20世紀40年代中葉，是脂肪和油被轉換為脂肪酸的工藝發(fā)展的結果。脂肪酸以及水解反應排出的甘油與氫氧化鈉、水和鹽的混合物反應，以連續(xù)的方式生成皂。這種制造方法被稱為連續(xù)脂肪酸中和。

5.2 中和反應

中和反應是脂肪酸與NaOH之間的化學反應。該反應的方程式為：

脂肪酸 + NaOH→皂 + 水

相較于皂化反應，該反應以非?？斓乃俣冗M行。實現(xiàn)良好的中和反應的關鍵因素是精確計量原材料、為提高良好的界面面積而對脂肪酸和NaOH混合物進行的高剪切、在操作中加入稍過量的NaOH以及合理的溫度控制。中和反應是一個放熱反應，反應中每摩爾脂肪酸會釋放14大卡的熱量。本反應釋放的熱量被用于維持中和反應器的溫度。

5.3 中和設備

與肥皂制造的連續(xù)皂化法相比，本過程不需要甘油排出設備。與連續(xù)皂化技術一樣，脂肪酸中和技術也在不斷發(fā)展。計量準確度、反應器和過程控制的發(fā)展繼續(xù)降低了實用要求，提高了靈活性，減少了維護，并降低了裝置布局的空間要求。

5.4 Mazzoni LB SCT-SSCT工藝

圖17展示了Mazzoni的SCT-SSCT持續(xù)制皂工藝。當用作SCT工藝時，本系統(tǒng)提供脂肪酸中和。當用作SSCT工藝時，該系統(tǒng)以不含甘油排出的中性油皂化系統(tǒng)（俗稱半沸制皂工藝）運行。

圖16 Mazzoni LB “SCNT-N”連續(xù)皂化裝置

圖17 Mazzoni “SCT”連續(xù)脂肪酸中和或 “SSCT”不帶甘油排出裝置的中性脂肪/油皂化

在脂肪酸中和過程中，經過計量的原材料通過一系列離心泵進入中和反應回路。經過復式過濾器過濾，原材料進入泵中。利用質量流量計和壓力控制閥準確控制通過泵的流量。向高剪切攪拌機中注入適量的鹽水、水、氫氧化鈉和脂肪酸混合物。再向渦流分散機中注入來自管式反應器的回收皂液流。氫氧化鈉/水和脂肪酸的溫度都通過板框式熱交換器控制，并設置操作設定點，以維持想要的中和器溫度。渦流分散機使反應物均勻混合，以實現(xiàn)完全且統(tǒng)一的反應。從渦流分散機中排出的皂流入管式反應器，管式反應器會排出皂的連續(xù)液流?；厥赵砘芈分醒b有酸度計。該酸度計控制縱傾泵，而縱傾泵利用脂肪酸對成品皂的pH值進行調整。

管式反應器被設計成在高壓和高溫下運行。本工藝的一個優(yōu)點是其能夠以真空干燥器（即SCT-C系統(tǒng)）緊密連接SCT中和器系統(tǒng)。

5.5 中和設備配置

Binacchi還推出了脂肪酸中和系統(tǒng)。圖18所示的CSFA裝置是一個帶容積式計量泵和一系列雙攪拌反應釜的脂肪酸中和系統(tǒng)。圖19所示的CHBS系統(tǒng)是一個靈活的雙反應器系統(tǒng)，可被用于生產脂肪酸中和皂和半沸皂。

圖18 Binacchi “CSFA”脂肪酸的連續(xù)皂化

圖19 Binacchi “CHBS”脂肪酸-中性脂肪的連續(xù)皂化

6 結語

無論制皂系統(tǒng)選擇的是皂化工藝，還是脂肪酸中和工藝，或半沸工藝，連續(xù)生產法都比老式批量工藝更具優(yōu)勢。連續(xù)系統(tǒng)提高了產量，降低了能耗，需要更少的庫存，減少了生產周期次數(shù)，改善了制成品的質量，增加了靈活性，并需要更小的裝置布局。如今的可商購系統(tǒng)不斷增強這些優(yōu)勢。最近取得的進展可概述如下：

(1) 改善了計量系統(tǒng)的設計，其使用最新的流量計量技術來增加計量準確性、提高制成品的質量。

(2) 改善了反應器的設計，使得完全反應的逗留時間更短。一些系統(tǒng)的反應時間被減少到8-10分鐘。逗留時間的減少使返工材料變少，從而使得轉換更簡單。

(3) 增加了系統(tǒng)設計的靈活性。一些系統(tǒng)現(xiàn)在被設計成能夠在同一系統(tǒng)上生產脂肪酸中和皂和中性油皂化皂。這非常重要，因為原材料和制得的副產品-甘油的價格繼續(xù)波動。這些系統(tǒng)還能直接與真空干燥系統(tǒng)相連，以實現(xiàn)進一步的靈活性和節(jié)能。

(4) 通過使用閃蒸冷卻器和原材料與在制液流間的熱交換而增加了能源效率。在一些系統(tǒng)設計中，已經從生產1000kg純皂消耗150kg液流被改善至消耗100 kg。閃蒸冷卻器系統(tǒng)產生的廢堿液中的甘油含量高達40%，降低了甘油回收過程的能量需求。

(5) 通過拆除冷卻混合器、使用標準離心機和容積式泵以及改善離心機的機械設計減少了裝置維護費用。

隨著原材料和能源價格的上漲，制皂系統(tǒng)的設計將繼續(xù)改進，以滿足不斷變化的市場需求。