Производство мыла

ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В МЫЛЕ ПРИ ЕГО ОБРАБОТКЕ

Сваренное тем или иным методом мыло для придания ему товарного вида подвергают различной обработке: охлаждению, сопровождающемуся отверждением мыла, подсушиванию для по­вышения концентрации жирных кислот, механической обработке для улучшения структуры мыла, штамповке и др.

В процессе обработки в составе и структуре мыла происходят некоторые важные процессы, влияющие на его качество и потре­бительские свойства.

Процессы, протекающие в мыле при его охлаждении. Охлаж­дение является первой операцией по обработке жидкого мыла. В результате охлаждения мыло кристаллизуется и превращается в твердый непрозрачный продукт. Форма и размеры образующихся кристаллов зависят от многих факторов, в том числе от состава жирных кислот и вида использованной щелочи, от условий ох­лаждения, сушки и механической обработки.

На рис. 6 показаны кристаллы натриевого мыла пальмитиновой кислоты, представляющие собой тонкие пластинки.

Товарное твердое мыло состоит из непрозрачной массы кри­сталлических агрегатов, плотно прилегающих один к другому. При быстром охлаждении, а также при механической обработке эти кристаллические агрегаты приобретают форму продолговатых па­раллельных друг другу или беспорядочно переплетающихся нитей (рис. 7).

Известно, что одно и то же мыло может образовывать кри­сталлы разных модификаций, обладающих различными плотно­стью, твердостью, растворимостью, температурой плавления. Это явление называется полиморфизмом.

Исследования ученых показали, что свойства мыла, имеющего одинаковый химический состав, изменяются при различных усло­виях охлаждения и сушки, а также в результате механической обработки. Изменение этих свойств обусловлено образованием

Кристаллов разных модификаций (форм), обозначаемых гречески­ми буквами а, р, б, и и др. Для качественного мыла важно полу­чать кристаллы преимущественно р-формы.

Мыло, содержащее преимущественно |}-форму кристаллов, име­ет большую твердость, но в то же время оно быстро растворяется и набухает, образуя обильную пену при сравнительно незначитель­ном трении. Однако это не сопровождается большим расходом мыла. Дело в том, что мыло, в котором преобладают другие кри­сталлические формы, при обильном смачивании водой быстро образует на поверхности рыхлый слой, который легко смывается и большей частью бесцельно пропадает во время мытья. В мыле, в котором преобладает р-форма кристаллов, благодаря его более высокой набухаемости вода проникает в слои, находящиеся даль­ше от поверхности. При этом мягкого, слизеобразного слоя не образуется. Мыло нормально истирается и экономно расходуется. При последующем высыхании оно сохраняет свою форму, не об­разует трещин и не расслаивается.

Следовательно, технологический процесс охлаждения следует вести так, чтобы в товарном продукте содержалось максимальное количество кристаллов |}-формы.

В условиях охлаждения и сушки мыла в вакуум-сушильной камере происходит значительное обогащение мыла кристаллами Р-формы. Особенно интенсивно этот процесс протекает при выра­ботке туалетного мыла, когда мыльная основа нагревается в тем­перирующей колонке до 130—140°С и затем быстро охлаждается.

Механическая обработка мыла на вальцовых и шнековых ма­шинах с продавливанием его через узкие и тонкие щели также сопровождается обогащением мыла кристаллами р-формы.

Процессы, протекающие при сушке мыла воздухом. Для повы­шения концентрации жирных кислот в мыле его подвергают суш­ке. Часто для этого используют метод сушки тонкоизмельченного охлажденного мыла горячим воздухом. Горячий воздух нагревает мыльную стружку, находящаяся в ней влага начинает испаряться, образующийся пар поглощается и уносится воздухом.

Как известно, один объем воздуха при данной температуре может поглотить лишь определенное количество влаги.

В табл. 6 приведены данные, показывающие, какое количество влаги способен поглотить 1 м3 воздуха при разной температуре, но одинаковом давлении.

Если 1 м3 воздуха при 10°С способен поглотить 9,4 г влаги, а при 40° С — 50,8 г, то при нагревании от 10 до 40° С воздух сможет поглотить 50,8 — 9,4=41,4 г влаги.

Таким образом, при нагревании пропускаемого через сушилку воздуха не только повышается температура высушиваемого мыла, но и увеличивается способность воздуха поглощать влагу.

Кроме того, чем ниже температура воздуха, поступающего в греющий калорифер перед сушилкой, тем энергичнее и быстрее идет процесс высушивания мыла. Объясняется это тем, что в воз­духе с низкой температурой содержится мало влаги, поэтому разность в содержании влаги между горячим и холодным возду­хом будет больше и один объем его сможет унести больше ВОДЫ, испаряющейся из мыла. Следовательно, наиболее эффективна сушилки работают зимой, так как холодный воздух наиболее еухой и влагоемкость его при нагревании до 40—45°С повы­шается.

Воздух редко бывает полностью насыщен влагой. Обычно влаги в нем содержится меньше, чем указано в табл. 6.

Содержание влаги, фактически находящейся в воздухе, отне­сенное к содержанию при Полном насыщении, выраженное в про­центах, называется относительной влажностью воздуха. Содержа­ние влаги в воздухе зависит от его температуры и относительной- влажности.

Пример. Определить содержание влаги в воздухе с относительной влаж­ностью 80% при 20°С.

По табл. 6 находим, что в воздухе при температуре 20°С содержится всего 17,2 г/м3 влаги. При относительной влажности 80% в нем содержится всега 13,8 г/м3 влаги:

17,2 . 80 Ьо= ^— = 13,8 г/м®.

На производстве относительную влажность отработанного в сушилке воздуха никогда не доводят более, чем до 70%. Это обус­ловлено тем, что при высокой относительной влажности воздуха небольшое понижение его температуры может вызвать конденса­цию находящейся в нем влаги, которая будет оседать в виде росы на мыльную стружку и на стенки сушилки, ухудшая ее работу.

Установлено, что в мыле, соприкасающемся с воздухом опре­деленной температуры и влажности, сохраняется некоторое коли­чество влаги, которое нельзя изменить даже при длительном воздействии на него этого воздуха. Это количество влаги в мыле называется равновесной влажностью. Если в мыле влаги содер­жится больше, чем это соответствует состоянию равновесия, то> оно высыхает, т. е. отдает влагу, пока не достигнет этого равно­весия. Если же в мыле влаги меньше, чем это допускает состояние равновесия, то оно, наоборот, будет поглощать влагу из воздуха до установления равновесия.

Поэтому влажное мыло в сухом помешении будет усыхать, объем и форма его изменятся, на поверхности могут появиться налеты, трещины и другие дефекты. Пересушенное мыло, попадая во влажную атмосферу, будет притягивать влагу из воздуха, на­бухать и увеличиваться в объеме и массе.

Таким образом, мыло необходимо хранить в складах с опре­деленной относительной влажностью воздуха (60—80%).

При сушке тонкой мыльной стружки нагретым воздухом по­путно с удалением влаги происходят химические процессы: соеди­нение углекислого газа воздуха со свободной едкой щелочью мыла и окисление кислородом воздуха неомыленного жира.

'При взаимодействии углекислого газа со щелочью протекают следующие химические реакции:

С02 + 2Ш0Н > Ка2С03 + Н20,

С02 + №ОН - №НС03.

Этот процесс называется карбонизацией. В результате содер­жание свободной едкой щелочи в высушенной мыльной стружке заметно уменьшается. Снижение содержания свободной едкой ще­лочи до 0,05—0,1% улучшает качество туалетного мыла.

Более глубокая карбонизация, сопровождающаяся исчезнове­нием свободной едкой щелочи, может вызвать нежелательное об­разование кислых мыл и ухудшение качества мыла.

При сушке мыла в вакуум-сушильных камерах реакция кар­бонизации не происходит, поэтому мыльная основа должна содер­жать меньше свободной щелочи, чем при сушке горячим воздухом.

При хранении тонкой теплой мыльной стружки в большом ■слое она иногда подвергается окислению кислородом воздуха. При этом стружка приобретает темный цвет и неприятный прогорклый запах. Особенно часто это бывает, когда в жировую рецептуру мыла входят высоконенасыщенные жирные кислоты. Процесс окисления иногда идет так энергично, что мыльная стружка ча­стично обугливается, приобретает горелый запах и делается не­пригодной к дальнейшей переработке. Были отмечены случаи самовозгорания такой мыльной стружки.

При работе на вакуум-сушильных камерах, когда полученная мыльная стружка сразу по выходе спрессовывается в плотный брусок, явлений окисления (прогоркания) мыла не наблюдается.

Процессы, протекающие при совмещенной сушке и охлаждении мыла. Как известно из физики, если какое-либо нагретое вещество поместить в условия, при которых влага, находящаяся в нем, будет испаряться, то тепло, расходуемое на испарение, будет отнимать­ся у массы самого вещества, вследствие этого температура веще­ства будет понижаться.

Этот принцип и положен в основу конструкций современных камер для одновременной сушки и охлаждения мыльной основы. Для интенсификации процесса сушку ведут под вакуумом, так как известно, что чем меньше давление в аппарате, тем легче испаря­ется влага. Наиболее интенсивно влага испаряется со свободной поверхности. Поэтому мыло при вводе в сушильную камеру тонко распыливается, так как чем меньше размер капель, тем больше образуемая ими свободная поверхность на единицу массы.

Совмещенный процесс сушки и охлаждения мыльной основы в вакуум-сушильных камерах заключается в следующем. Нагретое

До заранее рассчитанной температуры жидкое мыло (мыльная основа) под некоторым избыточным давлением распыливается через форсунки в герметическом аппарате, находящемся под ва­куумом. По выходе из форсунок тонкие капельки мыла теряют за счет испарения часть содержащейся в них влаги, при этом они охлаждаются, кристаллизуются и застывают, оседая на стенках или падая на дно аппарата. Испарившаяся влага отводится из аппарата и конденсируется.

Разрежение в камере поддерживается постоянным для каждого вида мыла. При этом количество испаряющейся влаги находится в прямой зависимости от температуры поступающего горячего мыла.’ Эту температуру можно рассчитать, но метод сложен и трудоемок.

Для облегчения и ускорения работы в производственных ус­ловиях рекомендован графический метод расчета.

На графике (рис. 8) справа наклонные линии показывают начальную концентрацию жирных кислот в мыле в процентах. Под ними на горизонтальном участке нанесены значения конечной концентрации жирных кислот в мыле в процентах, которую хотят получить после сушки.

В левой части графика находятся наклонные линии, показыва­ющие, какое давление пара должно быть в подогревателе. Тем­пература насыщенного пара, как известно, прямо пропорциональна его давлению. Она обычно должна быть не менее чем на 10°С выше - расчетной температуры мыла. На левом нижнем отрезке

Прямой линии указывается, какое абсолютное давление поддержи­вается в вакуум-сушильной камере.

Пример. Определить температуру мыльной основы, подаваемой в вакуум - камеру для получения концентрированного хозяйственного мыла с содержанием /(„=68% жирных кислот. Начальная концентрация жирных кислот в мыле Д'„ = 60%. Остаточное давление воздуха в камере 4,67 кПа (35 мм рт. ст.).

На правом горизонтальном участке находим точку, соответствующую Кк=68%; из нее проводим вертикальную линию вверх до пересечения с линией, соответствующей Лн=60°/о. Из точки пересечения этих линий проводим горизон­тальную линию справа налево. На левом участке горизонтальной линии находим точку, соответствующую абсолютному давлению в камере, равному 4.67 кПа (35 мм рт. ст.), и из нее проводим вверх вертикальную линию. Точка ее пере­сечения с ранее проведенной горизонтальной линией и будет точкой, обозначаю­щей давление пара в подогревателе для мыла, поступающего в вакуум-сушиль - ную камеру. Это давление составляет 0,2 МПа (2 кгс/см2), ему соответствует температура насыщенного водяного пара /п = 119°С. Паром такой температуры можно подогреть мыло до 107—108° С.

Для приближенных расчетов принимается, что снижение тем­пературы мыла в вакуум-камере на 9—10°С сопровождается поте­рей примерно 1’% влаги.

Процессы, протекающие при механической обработке мыла.

Механическая обработка включает в себя операции тщательного - и многократного перетирания высушенной мыльной стружки при пропускании ее через вальцовые и шнековые машины. Такая об­работка носит название пилирование. В результате механической обработки мыло уплотняется и делается более пластичным.

По исследованиям проф. Б. Н. Тютюнникова, в процессе меха­нической обработки на вальцовых машинах кроме перетирания происходит ориентация кристаллических агрегатов мыла. При прохождении через узкие щели решетки, находящейся в кониче­ской головке шнековой машины, кристаллические агрегаты вытя­гиваются в нити, которые располагаются в направлении движения мыльной массы. Чем меньше диаметр отверстий в решетке и раз­мер выходного калибра в головке шнековой машины, тем больше эта ориентация и выше качество получающегося мыла. Такое мыло легче растворяется, быстрее образует пену, а потому удоб­нее при пользовании.

Следовательно, работа с вынутой из шнековой машины решет­кой недопустима, так как не обеспечивает надлежащую механи­ческую обработку мыла.

В то же время чрезмерное давление на выходе из шнековой машины, сопровождающееся перегревом мыльной массы, может вызвать появление в ней стекловидного полупрозрачного мыла, обладающего повышенной твердостью и трудно поддающегося дальнейшей обработке, поэтому на практике избегают условий, при которых получается стекловидное мыло.

Перетирание мыльной стружки на вальцовых машинах и ее прессование на шнековых машинах сопровождается выделением тепла, которое отводится при помощи холодной воды. В то же время для того, чтобы брусок мыла, выходящий из шнековой ма­шины, имел гладкую блестящую поверхность, его на выходе не -

-обходимо слегка подогреть. Поддержание правильного темпера­турного режима в процессе механической обработки имеет важное - значение.

Температура мыльного бруска, выходящего из шнековых прес­сов, зависит от титра жирных кислот мыла и его концентрации и практически колеблется от 35 до 42° С.

Мыло высокой твердости с повышенным содержанием жирных кислот или высоким титром их требует повышенного давления при прессовании, а следовательно, и более энергичного охлаждения. Мыло с меньшим содержанием жирных кислот более пластичное, имеющее в своем составе такие добавки, как ланолин, глицерин и другие, требует более слабого охлаждения.

Вышедший из шнековой машины брусок мыла должен иметь гладкую блестящую поверхность, без трещин, пузырей, полос или •чешуек. Мыльный брусок должен быть плотным и пластичным настолько, чтобы при изгибании и скручивании не давал трещин или изломов.

Процессы, протекающие при штамповании мыла. Одним из свойств твердого мыла является его пластичность — способность деформироваться, т. е. образовывать новую форму без разрыва. Эта деформация сохраняется и после того, как усилие прекратило свое действие.

Пластичность мыла зависит от формы кристаллов, наличия добавочных компонентов, повышенного количества электролитов и др. Благодаря хорошей пластичности мыло легко штампуется и при этом принимает очертания прессующей формы.

При штамповании прямоугольных кусков форма их не меняет­ся, в результате оказываемого усилия происходит выдавливание преимущественно внутренних слоев мыла, которые полностью заполняют пресс-форму и принимают ее конфигурацию.

Процессы штампования овальных кусков мыла из прямоуголь­ных заготовок несколько сложнее. Сначала мыло с поверхностных слоев сдвигается к периферии, образуя овальную форму с пусту­ющими по торцам треугольниками. Затем оказываемое давление вызывает перемещение внутренних слоев, которые заполняют пу­стоты в этих треугольниках, и при этом кусок приобретает. задан­ную форму. Одновременно на поверхности куска образуется оттиск установленного образца.

В результате штампования за счет уменьшения микроскопиче­ских пустот между кристаллическими нитями плотность мыла несколько повышается. На качество штампования оказывает вли­яние длительность деформации материала под влиянием давления. С увеличением продолжительности прессования качество штампо - - вания улучшается.